整地筑埂兩用機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙麗萍　何新如　楊丹

摘要：為了提高水稻種植機(jī)械化的程度，針對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的整地筑埂作業(yè)工序，設(shè)計(jì)了一種稻田生產(chǎn)用整地筑埂兩用機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變速箱、傳動(dòng)軸、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、兩個(gè)旋耕集土器半軸、離合器、軸承等關(guān)鍵部件組成；采用輪式拖拉機(jī)為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了一次進(jìn)地，可同時(shí)完成整地和筑埂兩種作業(yè)。田間試驗(yàn)表明，該傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)，為水稻生產(chǎn)過(guò)程全程機(jī)械化提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：整地筑埂；兩用機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S222.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）08-2105-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.048

Abstract：In order to improve the degree of mechanization of rice cultivation process， a drive system on a kind of rotating and building ridge dual-purpose machine was designed. The drive system mainly consists of the transmission， drive shaft， chain transmission parts， clutch and other components. The wheeled tractors was used， and land rotary tillage and ridging were completed at the same time. Field tests showed that the drive system was designed reasonably， and its function was stable，its technology was advanced， the support were provided to full mechanization in paddy field.

Key words： rotating and building ridge；dual-purpose machine；drive system；design

水稻是人們賴以生存的主要糧食作物，其在糧食安全生產(chǎn)中占有非常重要的地位。在水稻生產(chǎn)過(guò)程中，插秧前需要進(jìn)行水田灌溉，將田地劃為田字形的方格，在方格周圍修筑土埂，所筑土埂能夠擋水，使之浸潤(rùn)土壤。筑埂是實(shí)現(xiàn)水田灌溉的關(guān)鍵，堅(jiān)實(shí)合理的田埂不僅能滿足水稻對(duì)水分的需求[1]，還可節(jié)約水資源。水田筑埂屬于水稻機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中的整地環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，水田筑埂都依靠人力完成，人工筑埂是一項(xiàng)既繁重又費(fèi)工的勞動(dòng)，即使借助一些專用工具，勞動(dòng)強(qiáng)度依然很大，工作效率很低，成本卻很高，田埂的一致性和均勻性差，且需要人工輔助壓實(shí)，已不適合中國(guó)大面積平原地區(qū)種植水稻的耕作模式，更不利于推進(jìn)水田生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。因此，及時(shí)而優(yōu)質(zhì)地修筑效果滿意的土埂是水稻生產(chǎn)的基本條件之一，修筑田埂最好的方法就是采用機(jī)器筑埂。水田筑埂機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)水田生產(chǎn)機(jī)械化生產(chǎn)必不可少的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)筑埂機(jī)械化已迫在眉睫[2-5]。

文獻(xiàn)表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)水田筑埂機(jī)有一定的研究[6-15]。但一般的筑埂機(jī)只有筑埂功能，沒有整地功能，且工作效率較低。因此，有必要研制一種稻田生產(chǎn)用整地筑埂兩用機(jī)，能夠在旋耕土壤的同時(shí)筑出一條土埂，以實(shí)現(xiàn)用一種機(jī)型解決旋耕、筑埂兩種機(jī)型的通用問題，既能有效解決人工筑埂存在的許多問題，以滿足水稻生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)本增效的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)了整地和筑埂作業(yè)全程機(jī)械化，又能減輕稻農(nóng)購(gòu)買機(jī)具的投資成本，方便機(jī)具的使用與維修，提高其利用率。新型整地筑埂兩用機(jī)是由吉林省科學(xué)技術(shù)廳資助、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)承擔(dān)的重點(diǎn)科研項(xiàng)目。該機(jī)器技術(shù)關(guān)鍵是既要體現(xiàn)水稻生產(chǎn)過(guò)程中水田農(nóng)藝技術(shù)的先進(jìn)性，還要保證旋耕、筑埂的通用性，因此為其設(shè)計(jì)一套安全可行的整地、筑埂傳動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定及計(jì)算

單一功能的旋耕機(jī)與筑埂機(jī)傳動(dòng)方案如圖1所示。由圖1a可見，旋耕機(jī)的動(dòng)力輸入軸Ⅰ的動(dòng)力經(jīng)過(guò)1對(duì)錐齒輪和三級(jí)直齒輪傳動(dòng)，傳遞到2個(gè)旋耕刀半軸上，帶動(dòng)旋耕刀旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到切碎土壤的目的。由圖1b可見，筑埂機(jī)的動(dòng)力輸入軸Ⅰ的動(dòng)力經(jīng)過(guò)1對(duì)錐齒輪和鏈輪傳動(dòng)，一方面通過(guò)兩側(cè)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞2個(gè)螺旋集土器的半軸上，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，使其在前進(jìn)的過(guò)程中將土壤在中間聚集成一條土埂；另一方面，動(dòng)力通過(guò)雙聯(lián)鏈輪，也將動(dòng)力傳遞到筑埂輥，從而將前面形成的土壤到壓實(shí)成型。旋耕機(jī)傳動(dòng)方案中，在旋耕時(shí)齒輪箱下有漏耕存在，筑埂機(jī)傳動(dòng)方案中，由于雙邊采用鏈傳動(dòng)，傳動(dòng)軸Ⅱ過(guò)長(zhǎng)，工作可靠性較差。本研究結(jié)合以上兩種機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型整地筑埂兩用機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變速箱、傳動(dòng)軸、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、2個(gè)旋耕集土器半軸、離合器8、軸承等關(guān)鍵部件組成。

1.1 動(dòng)力傳遞方式

由圖2可見，工作時(shí)拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳遞給變速箱的動(dòng)力輸入軸Ⅰ，通過(guò)動(dòng)力輸入軸Ⅰ上的1對(duì)錐齒輪的嚙合，帶動(dòng)軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)。軸Ⅱ上的動(dòng)力一方面通過(guò)4級(jí)直齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到軸Ⅲ、軸Ⅳ，由軸Ⅳ上的三聯(lián)齒輪帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)半螺旋型旋耕集土器的刀軸旋轉(zhuǎn)，完成整地作業(yè)；另一方面，軸Ⅱ上的動(dòng)力通過(guò)安裝在其上的鏈輪，將傳遞到軸Ⅴ上，從而帶動(dòng)筑埂裝置上的推壓成型輥旋轉(zhuǎn)，將土壤最終壓實(shí)成型。

1.2 旋耕集土器的設(shè)計(jì)

在左、右對(duì)稱的刀軸上分別設(shè)計(jì)有呈螺旋形排列的整地集土刀片，并使左半軸刀軸上的刀片采用右旋排列，右半軸刀軸上的刀片采用左旋排列，結(jié)果使刀片在旋切土壤的時(shí)候，既可以由上向下切削土壤，使之破碎，又能使部分土壤向中間聚集，為筑埂的土源聚集奠定基礎(chǔ)。因此，應(yīng)將刀片的刀身設(shè)計(jì)得較寬闊，刃口部位微彎，形狀則如風(fēng)扇葉形或螺旋漿葉形[16，17]，如圖3所示。刀軸材料選40 Cr，刀座材料則采用16 Mn鋼板制造，焊接在刀軸上，刀片采用65 Mn高碳鋼板沖壓成型，熱處理硬度要求HRC50左右。

1.3 傳動(dòng)比的計(jì)算

該機(jī)配套動(dòng)力為58～81 kW以上輪式拖拉機(jī)。考慮該機(jī)工作幅寬為2.3 m，工作負(fù)荷較大，筑埂時(shí)拖拉機(jī)行走速度較小時(shí)效果較好，故選擇拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min。

1.3.1 旋耕狀態(tài) 旋耕部件減速器的齒輪傳動(dòng)為四級(jí)齒輪傳動(dòng)，一級(jí)傳動(dòng)為1對(duì)錐齒輪，輸入的轉(zhuǎn)速540 r/min，輸入小錐齒輪齒數(shù)z1=13，輸出大錐齒輪齒數(shù)z2=28，傳動(dòng)比i1x=z2/z1=2.15，二級(jí)為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，輸入齒輪齒數(shù)z3=13，輸出齒輪齒數(shù)z4=33，傳動(dòng)比i2x=2.54，三級(jí)為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，輸入齒輪齒數(shù)33，輸出齒數(shù)30，傳動(dòng)i3x=0.91，四級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，輸入齒數(shù)為30，輸出齒數(shù)為16，故傳動(dòng)比i4x=0.53，則總傳動(dòng)比ix為：ix=i1x·i2x·i3x·i4x=2.63。

1.3.2 筑埂狀態(tài) 由拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力，通過(guò)變速箱傳遞到軸Ⅱ，再經(jīng)三級(jí)鏈傳動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)推壓成型輥，將土埂成型打?qū)崱ｆ渹鲃?dòng)為三級(jí)，一級(jí)傳動(dòng)比i1z=1，二級(jí)傳動(dòng)比i2z=1，一、二級(jí)鏈輪齒數(shù)均為17齒，三級(jí)鏈傳動(dòng)輸入鏈輪齒數(shù)是17齒，輸出鏈輪齒數(shù)是15齒，故其傳動(dòng)比i3z=0.88。由于本機(jī)器傳動(dòng)動(dòng)力較大，為保證動(dòng)力傳動(dòng)的安全性和平穩(wěn)性，選用型號(hào)是20A的雙排滾子鏈。計(jì)算得旋耕刀軸和推壓成型輥轉(zhuǎn)速分別為209 r/min和285 r/min，滿足了旋耕和筑埂的農(nóng)藝要求。

1.4 離合器的設(shè)計(jì)

該兩用機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的軸Ⅴ上設(shè)計(jì)安裝牙嵌式離合器，如圖4所示。如果只進(jìn)行整地作業(yè)，將撥叉限位塊上的操作手柄移動(dòng)到最右側(cè)限位處，此時(shí)操作手柄帶動(dòng)撥叉將牙嵌式滑移齒輪沿著花鍵軸向右移動(dòng)，與鏈輪齒分離，花鍵軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)動(dòng)力輸出。這時(shí)，采用拖拉機(jī)為動(dòng)力用液壓油缸將集土器和筑埂裝置以軸Ⅴ為旋轉(zhuǎn)軸，向上旋起。該兩用機(jī)可只進(jìn)行整地作業(yè)；如果同時(shí)進(jìn)行整地和筑埂作業(yè)，則將圖4中的撥叉限位塊上的操作手柄移動(dòng)到最左側(cè)限位處，此時(shí)操作手柄帶動(dòng)撥叉將滑移齒輪沿著花鍵軸向左移動(dòng)，與鏈輪齒嚙合，花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)鏈輪輸出傳遞到推壓成型輥，使其旋轉(zhuǎn)，拖拉機(jī)在前進(jìn)的過(guò)程中，同時(shí)完成整地和筑埂作業(yè)。可見，離合器的安裝，可以實(shí)現(xiàn)該機(jī)在旋耕作業(yè)中推壓成型輥的靜止與整地筑埂過(guò)程中推壓成型輥的轉(zhuǎn)動(dòng)之間的切換，即通過(guò)撥叉，使滑移齒輪與鏈輪齒的嚙合與分離，從而實(shí)現(xiàn)推壓成型輥的動(dòng)、靜切換，從而真正實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)式的一機(jī)兩用。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵

1）通過(guò)操縱撥叉，可以實(shí)現(xiàn)筑埂推壓成型輥的動(dòng)、靜切換，從而實(shí)現(xiàn)了同一臺(tái)機(jī)器能夠一機(jī)兩用，同時(shí)完成整地、筑埂兩種作業(yè)工藝。

2）無(wú)需進(jìn)行筑埂作業(yè)時(shí)，可通過(guò)離合器使花鍵軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，筑埂部件可以通過(guò)液壓缸使之升起，此時(shí)機(jī)器可以只進(jìn)行旋耕作業(yè)，提高了機(jī)器的利用率。

3）旋耕刀軸分左、右2個(gè)半軸，減小了單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，提高了作業(yè)的平穩(wěn)性和可靠性。

3 小結(jié)

田間試驗(yàn)表明，該兩用機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較合理、技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定可靠，有效地實(shí)現(xiàn)了整地和筑埂聯(lián)合，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為水稻生產(chǎn)過(guò)程全程機(jī)械化提供了技術(shù)支持和有利保障。

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