復式作業(yè)雙軸旋耕機的刀軸設(shè)計與試驗

丁杰源,吳群彪,李洋,孫欽虎,卞鴻飛,奚小波

(1. 江蘇科技大學 a. 蘇州理工學院; b. 機電與動力工程學院,江蘇 張家港 215600;2. 揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步,農(nóng)作物秸稈數(shù)量也逐漸增多,但農(nóng)作物秸稈綜合利用率不高,我國大部分地區(qū)的農(nóng)作物秸稈采用就地焚燒的方式處理,嚴重污染了環(huán)境,也造成了自然資源的浪費[1]。秸稈全量回歸耕作發(fā)展很快,對于保護土壤資源具有很大的益處,可以降低秸稈焚燒對于生態(tài)環(huán)境的各種負面影響,促進碳素回歸土壤,改善耕地的質(zhì)量和提高土壤的生產(chǎn)能力;還可以使秸稈中所含的礦物質(zhì)返回農(nóng)作物土壤中,補償農(nóng)作物對土壤環(huán)境的消耗,促進農(nóng)田養(yǎng)分均衡,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

旋耕機在農(nóng)作物種植過程中因具有通用性強、操作簡單、良好的切土能力和碎土能力強等優(yōu)點,在我國農(nóng)村普遍使用。同時,復式作業(yè)旋耕機能有效減少作業(yè)次數(shù),減輕土壤結(jié)構(gòu)的破壞和壓實,提高工作效率,減少能源消耗和種植成本[4-5]。目前旋耕機多為單軸式,因為受到旋耕刀轉(zhuǎn)速、刀具回轉(zhuǎn)半徑和機具功耗的限制影響,目前的機具不能很好地滿足秸稈還田的要求[6]。

為滿足秸稈還田的要求,提高旋耕深度,本文使用雙軸分層切土原理設(shè)計旋耕機,以便更好地實現(xiàn)秸稈全量還田,降低秸稈與土壤的比例,為農(nóng)作物生長提供更有利的土壤環(huán)境,從而提高種植效益。

1 雙軸旋耕機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 雙軸分層切土原理

因臥式旋耕機應(yīng)用范圍更廣,工作性能更為完備,且成本更小,經(jīng)濟性能好,同時還考慮到雙軸的空間布置問題,本設(shè)計選用臥式旋耕機。該旋耕機前旋耕刀軸在后旋耕刀軸的前上方,前旋耕刀先旋耕一定深度的土層,后旋耕刀在前旋耕刀作業(yè)的基礎(chǔ)上繼續(xù)旋耕,達到 22 cm 的大耕深,如圖1所示。

圖1 雙軸結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 旋耕機總體結(jié)構(gòu)

為了滿足秸稈全量還田的需要,采用雙軸分層切土的工藝,設(shè)計出軸管傳動式雙軸旋耕機的總體結(jié)構(gòu),如圖2所示。

1—前旋耕總成;2—后旋耕總成;3—左側(cè)邊傳動總成;4—傳動箱總成;5—動力輸出軸;6—懸掛裝置;7—機架總成;8—右側(cè)邊傳動總成。圖2 旋耕機總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 旋耕刀軸設(shè)計

旋耕機機具整體結(jié)構(gòu)包括Z形階梯空間結(jié)構(gòu)和雙軸分層旋耕結(jié)構(gòu),兩者在旋耕刀軸設(shè)計完備的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn),因此旋耕刀軸設(shè)計是本機具的核心。

2.1 傳動設(shè)計方案

參照汽車傳動方案,傳動軸是汽車傳動系統(tǒng)的主要部件,機具采用側(cè)邊軸管傳動,傳動軸強度要求以及動態(tài)特性對機具安全影響較大,優(yōu)化傳動系統(tǒng)的尺寸和結(jié)構(gòu),從而提高動力傳遞的效率和可靠性[7],如圖3所示。軸管傳動所需的齒輪和軸承的數(shù)量大大減少,傳動效率能夠提升10%左右。

圖3 傳動方案示意圖

本設(shè)計配套拖拉機動力輸出軸的轉(zhuǎn)速為720r/min,各級錐齒輪的齒數(shù)Z1～Z6分別為12、21、13、17、 13、17。

(1)

n=720×i

(2)

式中:i為傳動比;n為旋耕刀軸的實際轉(zhuǎn)速,r/min。

根據(jù)式(1)和式(2)計算出旋耕刀軸的實際轉(zhuǎn)速為240.59r/min。

2.2 旋耕刀選擇

雙軸的布置要保證合理,避免工作時前后刀軸的旋耕刀發(fā)生碰撞,同時保證后刀軸側(cè)邊傳動箱和旋耕刀所對應(yīng)的作業(yè)區(qū)域被前刀軸旋耕刀作業(yè)區(qū)域覆蓋,便于后旋耕刀入土繼續(xù)旋耕。

機具采用IT225型號的旋耕刀,如圖4所示。

圖4 旋耕刀示意圖

旋耕機作業(yè)時,土壤會對旋耕刀產(chǎn)生土壤阻力,土壤阻力隨著耕作深度和切土面積不斷變化,因此,對最大土壤阻力進行計算,計算公式如下:

N=0.7abK

(3)

式中:N為土壤阻力,N;a為旋耕刀耕作幅寬,cm;b為旋耕機耕作深度,cm;K為土壤比阻,N/cm2。

取a=5.5,b=22,K=6,則N=0.7×5.5×22×6=508.2。

因此本機具的最大土壤阻力為508.2N。

2.3 旋耕刀的運動分析

耕機作業(yè)時,旋耕刀刀面上各運動軌跡是余擺線[8]。旋耕刀端點的運動軌跡如圖5所示,其運動方程為

圖5 刀片端點的運動軌跡

(4)

式中:R為刀片回轉(zhuǎn)半徑,mm;ω為刀片回轉(zhuǎn)角速度,rad/s;ωt為刀片轉(zhuǎn)角,rad;vm為旋耕機前進速度,m/s;t為時間,s。

旋耕刀端點回轉(zhuǎn)的切線速度和旋耕機前進速度的比值為旋耕速比λ,其公式為:

λ=Rω/vm

(5)

ω=nπ/30

(6)

由n=240.59,vm=1.4,R=225,算得:ω=25.18,λ=4.05>1。

旋耕機作業(yè)時,耕層底部會有波浪形凸起,耕層底部凸起高度α1與旋耕速比λ、刀片回轉(zhuǎn)半徑R和同一切塊小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)Z有關(guān),旱耕時Z取2～3,水耕時取1～2。關(guān)系如圖6所示,關(guān)系式為

圖6 耕底凸起高度

(7)

本設(shè)計Z取2,則α1=29.25mm。

在旋耕機前進方向的垂直平面內(nèi),連續(xù)兩把旋耕刀切下的土壤厚度,稱為切土節(jié)距,其公式為:

S=6 000vm/(nZ)

(8)

S=πR/(5λZ)

(9)

式中S為切土節(jié)距,mm。計算得:S=3.14×225/(5×4.05×2)≈17。

2.4 旋耕刀的排列設(shè)計

臥式旋耕機的旋耕刀轉(zhuǎn)向分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種方式。正轉(zhuǎn)有利于在較濕軟的土壤上作業(yè),但土壤平整度和滅茬效果不突出;反轉(zhuǎn)作業(yè)后土壤平整度和滅茬效果比正轉(zhuǎn)好,但切削阻力更大,功率消耗更高。最終選擇前軸正轉(zhuǎn)、后軸反轉(zhuǎn)的方式[9]。

選用的旋耕刀數(shù)量較多,防止旋耕刀軸左右兩側(cè)受到的側(cè)向力不平衡,同時考慮到拋土性能,旋耕刀的排布方式選用雙頭螺旋線排列方式。

設(shè)計計算過程如下:

b′=a+△b

(10)

Z′=1 000BZ/b′

(11)

式中:b′為旋耕刀間距,mm;△b常取15～25mm;Z′為旋耕刀軸刀片數(shù)量,取偶數(shù);B為旋耕機工作幅寬,m。

旋耕刀的工作幅寬取 55mm,每個旋耕刀之間的距離為 70mm,前旋耕刀軸刀片數(shù)量為 56 個,如圖7所示。后旋耕刀軸刀片數(shù)量為 48 個,如圖8所示。

圖7 前刀軸排列

圖8 后刀軸排列

旋耕刀的排列對旋耕機的工作質(zhì)量、切土組轉(zhuǎn)矩、平衡性能和功耗等都有一定的影響,它是決定旋耕機性能的重要因素之一[10]。

設(shè)計要求每根旋耕刀軸上的左彎刀和右彎刀的數(shù)量相等,并各形成一條螺旋線在旋耕刀軸的圓周和軸向方向上均勻有序地排列,每轉(zhuǎn)過一個相位角都有一個彎刀入土,旋耕刀軸受力均勻,同時保證作業(yè)時左右兩側(cè)側(cè)向力平衡,減小旋耕機組的轉(zhuǎn)矩,左右彎刀盡可能交替入土[11-12]。最后要保證每個切土區(qū)間內(nèi)的左右兩把彎刀切土節(jié)距、切土阻力和磨損程度相近。

2.5 Z型空間結(jié)構(gòu)

雙軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要對兩側(cè)的異型側(cè)板進行固定。本機具的關(guān)鍵部件之一是兩側(cè)的異型側(cè)板,側(cè)板決定了后旋耕刀軸是否能在前旋耕刀軸作業(yè)后的基礎(chǔ)上進行二次深入旋耕,確保秸稈還田的效果。

前旋耕刀軸安裝在外部側(cè)板上,后旋耕刀軸和傳動箱安裝在內(nèi)部側(cè)板上。后旋耕刀軸安裝寬幅小于前旋耕刀軸,使后旋耕刀軸完全位于前旋耕刀軸的耕作范圍內(nèi),保證后旋耕刀軸可以在前旋耕刀軸旋耕后的基礎(chǔ)上進行二次耕作,實現(xiàn)22cm大耕深,結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—內(nèi)部側(cè)板;2—中間側(cè)板;3—外部側(cè)板。圖9 側(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖

3 田間試驗

為了驗證所設(shè)計旋耕機耕深情況,在揚州大學揚子津東校區(qū)的試驗田進行旋耕試驗。

試驗方法參照國家標準的旋耕機作業(yè)質(zhì)量行業(yè)標準(NY/T499—2002)。機具采用前進速度為3.06km/h,試驗選取兩個行程,每個行程各10個測點,對機具作業(yè)后的耕深進行測量,試驗結(jié)果見表1。

表1 耕深試驗結(jié)果 單位:cm

根據(jù)表1數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊相關(guān)計算公式算出試驗結(jié)果,結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)論

計算公式為:

(12)

(13)

V=S/A×100%

(14)

U=1-V

(15)

式中:A為平均值;m為測試次數(shù);ai為測試值;S為標準差;V為變異系數(shù);U為穩(wěn)定性系數(shù)。

4 結(jié)語

1)設(shè)計Z形雙軸空間結(jié)構(gòu)和雙軸分層旋耕切土方式,實現(xiàn)深度旋耕和秸稈全量還田方面的技術(shù)突破。

2)試驗證明,雙軸旋耕復式作業(yè)機工作后,平均耕深大于22cm,耕深穩(wěn)定性約為93%,能夠滿足秸稈全量還田的要求。

3)雙軸分層旋耕切土方式實現(xiàn)了深耕碎土和施肥播種一次性復式作業(yè),節(jié)省了耕作的能耗和成本。