小型水田耕耙平地機旋耕刀系統(tǒng)原理分析

范永鋒 房燦松 崔新德

摘 要：小型水田耕耙平地機旋耕刀系統(tǒng)是作業(yè)時的主要部件，為了更好的完成小型水田耕耙平地機的工作情況任務，有必要對其工作原理做進一步詳盡的分析。

關鍵詞：旋耕刀；工作原理

一、 旋耕刀系統(tǒng)結構原理

小型水田耕耙平地機是耕粑平地為一體的農(nóng)業(yè)機械，是與15馬力拖拉機配套工作的設備，作業(yè)一次就可達到土碎地平的效果，在水田中旋耕后即可直接插秧。

1.1 旋耕刀軸結構原理

刀軸有整體式和組合式兩種，整體式的刀軸為一段完整的軸而組合式刀軸由多節(jié)管軸通過接盤連接而成，組合式特點是通用性好，可以根據(jù)不同的幅寬要求進行組合。考慮到本課題設計的特點，耕幅為1.2m，且和固定型號的手扶拖拉機配套使用，因此用整體式刀軸更為經(jīng)濟合理。組合式刀軸，其適用于大中型機型[1]。

1.2 旋耕刀結構原理

旋耕刀是旋耕刀系統(tǒng)的主要工作零件，目前的旋耕刀主要有鑿型刀、直刀、彎刀。

鑿型刀正面有鑿型刃口，有較好的入土性能。工作時鑿尖首先刺入土壤，然后在刀身作用下使土壤破碎；直角刀刃口由正切刃和側(cè)切刃組成，兩刃口相交成 左右，工作時先由正切刃從橫向切開土壤，再由側(cè)切刃逐漸切土。鑿型刀和直刀對土壤均有較大的松碎作用，但草莖易纏于刀軸，其中鑿型刀尤為嚴重。彎刀可有效解決纏草問題，所以應用最為廣泛（本設計也將采用彎刀）。旋耕刀是按螺旋線安裝在水平刀軸上，刀軸與拖拉機輪軸平行，由拖拉機輸出軸經(jīng)萬向節(jié)、兩級鏈傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)動完成耕耙作業(yè)[2]。

1.3 刀褲原理結構

旋耕刀在刀軸上的安裝有刀褲和刀盤兩種形式，刀褲又有直線型和曲線型兩種，直線型容易纏草而曲線型刀褲滑草性能好但制造工藝復雜。

二、旋耕刀運動原理

旋耕刀隨刀軸轉(zhuǎn)動自地面從上向下切削土壤，由于拖拉機的前進，旋耕刀不斷進入未耕土壤，切下的土塊被拋向后方，與罩殼、托板相撞擊，進一步破碎再落到地面，最后由拖板拉平因而碎土充分，地面平整。

旋耕刀的絕對速度時刀軸旋轉(zhuǎn)和旋耕機前進二運動的合成，以刀軸旋轉(zhuǎn)中心為原點建立坐標系，x軸正向和旋耕機前進方向一致，y軸正向垂直向下。

設旋耕刀刀的線速度為V，旋耕機前進速度為 ，V=Rω， ω為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度，R為旋耕刀的旋轉(zhuǎn)半徑。開始運動時刀片端點位于前方水平位置與x軸正向重合，則旋耕刀端點運動方程為[3]：

（t為時間）（1.1）

式1.1對時間求導，可求得刀片端點在x軸和y軸方向的分速度：

（1.2）

刀片端點絕對速度大小為：

（1.3）

為了分析問題的需要，用速比系數(shù)λ來表示旋耕刀轉(zhuǎn)速與拖拉機前進速度的關系，定義速比系數(shù) ：

（1.4）

λ的大小對旋耕刀運動軌跡及旋耕機工作狀況有重要影響。將λ代入速度式中得：

（1.5）

由式1.5分析，當 λ=1時， ，則不論旋耕刀運動到什么位置，均有Vx>0，即刀片端點的水平速度始終與旋耕機前進方向相同，這時旋耕刀不能向后拋土而出現(xiàn)向前推土的現(xiàn)象，是旋耕機不能正常工作。如果 λ >1，則當旋耕刀運動到一定位置時，就會出現(xiàn)Vx<0的情況，即刀端點水平速度與旋耕機前進方向相反，從而使旋耕刀能夠向后切削土壤，所以旋耕刀正常工作的條件是λ >1，而且不同的 值對切土形狀有重要影響。據(jù)資料介紹，當λ=3時，刀片切出的土塊很大，不能滿足農(nóng)業(yè)對耕地的要求；當 λ=6時土塊形狀已經(jīng)成月牙形了，土塊也小了很多，基本能滿足農(nóng)耕要求，由此分析可見λ值越大切土越細，碎土效果越好。我所設計的水田耕耙平地機旋耕刀系統(tǒng)除了具有耕耙功能外，還需要具有除茬功能，因此要求旋耕刀軸轉(zhuǎn)速比一般旋耕機要高，所以我的設計將λ進一步提高，可達到極好的碎土、除茬效果。

為初步確定刀軸的轉(zhuǎn)速范圍現(xiàn)將λ暫定為12（具體數(shù)值需待傳動系統(tǒng)的傳動比定下后再確定，保證大于6即可）。上面分析的λ與所切土塊形狀關系及旋耕刀如圖1.5，其中S表示土塊厚度，R表示刀半徑，刀半徑是刀軸回轉(zhuǎn)中心到刀片端點的距離，刀半徑的確定主要考慮旋耕的最大深度，在滿足耕深的前提下刀半徑要盡可能小，使刀的線速度不致過大，避免增加旋耕功率的消耗，同時也可使整個機構重量減輕，我所設計的小型水田耕耙機工作環(huán)境在有水的田地里，耕深要求達到10m以上，再結合小型機功率小的特點所以初定旋耕刀半徑為245mm。

由以上分析，旋耕刀切下的土塊是由旋耕刀與拖拉機共同運動的結果，旋耕刀轉(zhuǎn)速和拖拉機前進速度的快慢就決定了土塊形狀。耕刀轉(zhuǎn)速大而拖拉機前進速度小時，土塊細小；旋耕刀轉(zhuǎn)速小而拖拉機前進速度大時，土塊粗大。圖1.6為所切土形狀圖，其中S表示土塊厚度，a表示耕深，b表示耕幅旋。

下面確定刀軸轉(zhuǎn)速范圍，小型水田耕耙平地機作業(yè)幅寬1.2m，生產(chǎn)率0.18～0.3公頃/小時，據(jù)此可算出拖拉機前進速度為0.417～0.694m/s，再由速比系數(shù)λ （λ=12），可計算出旋耕刀線速度為5.04～8.33 m/s，由公式2.6可確定刀軸轉(zhuǎn)速范圍為194～324 r/min。

（r=245mm）（1.6）

三、旋耕刀的排列原理

旋耕刀在刀軸上的排列是影響耕作質(zhì)量及功率消耗的重要因素之一。旋耕刀在刀軸上是按螺旋線排列的，小型水田耕耙平地機采用的是側(cè)面?zhèn)鲃樱虼诵兜呐帕惺沁B續(xù)的，只要旋耕刀的設計保證有一定寬度，漏耕問題便可以解決。

旋耕刀的排列應使旋耕機作業(yè)時受到的阻力小、耕作質(zhì)量好、刀軸受力均勻，避免堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)， 需要配置兩把以上的刀片， 并且要求每切割小區(qū)內(nèi)幾把彎刀的切土量相近，以保證碎土質(zhì)量好，耕后溝底平整。在刀軸回轉(zhuǎn)一周過程中，刀軸每轉(zhuǎn)過一個相等的角度時，在同一相位角，必須是只有一把彎刀入土，這樣可以使扭矩較為均衡，減少扭矩波動幅度，保證工作穩(wěn)定性和刀軸負荷均勻，刀需具有一定的寬度加上合理的排列以保證不發(fā)生漏耕現(xiàn)象 [4]。

左右彎刀的安裝方法有內(nèi)裝法、外裝法和混合裝法。內(nèi)裝時所用彎刀都朝向刀軸中央，耕作后地面中央凸起；外裝時，除最外面的刀內(nèi)裝外其余刀片全部向外裝，耕作后地面中部凹下；混合裝法，刀片內(nèi)外交錯排列，耕作后地面平整。由此分析安裝方法選混合裝法較好[5]。

四、結論

本章對小型水田耕耙平地機旋耕刀系統(tǒng)的原理進行了分析，初步確定了設計方案。首先對旋耕刀及刀褲、刀軸的結構原理的分析確定了旋耕刀和刀褲的類型，然后通過對旋耕刀運動原理的分析，確定了旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速，最后分析了旋耕刀排列原理。

參考文獻：

[1] 葛云.微型旋耕機主要工作部件的應力仿真[D].石河子大學，2005.

[2] 楊玉棟，徐浩.旋耕機的旋耕刀怎樣排列和安裝[J].農(nóng)業(yè)裝備技術，2008，5：32-35.