水田雙向修筑埂機設計與試驗

王金峰 翁武雄 劉俊麟 王金武 莫毅松 那明君

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.常州漢森機械有限公司， 常州 213033)

0 引言

筑埂是實現水田淹灌的關鍵，堅實合理的田埂是水稻高產穩產的重要保證，可有效節約水資源，有利于我國標準化農田建設[1-4]。

國外對機械筑埂技術的研究起步較早，其中日本對該項技術的研究較為成熟，具有代表性的機具有小橋工業有限公司生產的RKM系列、佐佐木有限公司生產的KN207型以及松山有限公司生產的CZR351型水田單側筑埂機，采用機電液等多項技術相結合的方式進行設計，能夠實現作業部件的自動換向[5-7]，所修筑田埂筆直平整，堅實可靠，但上述筑埂機結構復雜，造價昂貴且維修不便，不適宜在國內推廣。目前我國大多采用人工的方式修筑田埂，勞動強度大，作業效率低，修筑的田埂高低不平，易松垮倒塌，且需人工反復修筑。國內一些科研院所及中小企業也研制出一些筑埂機型，主要分為單側筑埂與雙側筑埂兩種形式[8-11]，但存在一定的局限性，無法對地頭拐角處田埂進行修筑。現有文獻中很少有關于倒行筑埂研究的報道，王金峰等[11]研制的1SZ-800型懸掛式水田單側筑埂機雖然能實現作業部件的180°翻轉，但翻轉過程仍需人力推動協助進行，且翻轉后鎖定繁瑣，加之整機過重，動力消耗大，影響機具使用的可靠性及經濟性。

基于上述分析，本文結合東北地區水田筑埂農藝要求，設計一種旋耕和鎮壓部件具有180°水平回轉功能的水田雙向修筑埂機，對其結構及工作原理進行設計與分析，獲取合理的機具結構參數。

1 水田筑埂農藝要求

筑埂機所筑田埂截面一般呈梯形，田埂高度為250～300 mm，埂底寬度為400～600 mm，埂頂寬度為250～350 mm，土壤堅實度不小于1 MPa，黑龍江省筑埂作業時間為每年4月中下旬或者5月上旬，取土后形成的溝槽深度不大于200 mm。

2 整機結構與工作原理

2.1 整機結構

整機結構如圖1所示，水田雙向修筑埂機主要由懸掛牽引架、橫向偏移機構、180°水平回轉調節機構、旋耕部件、鎮壓部件、耕深調節裝置、擋土罩殼、尾輪以及傳動系統組成。

其中主要作業部件包括180°水平回轉調節機構、旋耕部件和鎮壓部件。旋耕部件置于相對180°水平回轉調節機構的前部，實現旋切、碎土與集土等功能，鎮壓部件置于后部，能夠壓實土壤，筑埂成型。旋耕變速箱和筑埂變速箱固接于一體，可繞副變速箱進行定軸轉動。180°水平回轉調節機構控制旋耕部件和鎮壓部件的180°水平回轉及鎖定。耕深調節裝置可伸縮地連接在筑埂變速箱與180°水平回轉調節機構之間，能夠控制旋耕變速箱和筑埂變速箱的轉動角度大小，改變取土深度及筑埂高度。通過在整機尾部安裝尾輪抵消來自鎮壓部件的側向力。橫向偏移機構與180°水平回轉調節機構上雙作用液壓缸Ⅰ、Ⅱ的油口均通過液壓油管與拖拉機后置油口相連，利用拖拉機上的液壓系統進行伸縮控制。

2.2 傳動系統與工作原理

水田雙向修筑埂機傳動系統如圖2所示，修筑埂機的動力由拖拉機后方的動力輸出軸通過萬向節連接至動力輸入軸來提供，通過主變速箱變速后經過180°水平回轉調節機構傳遞至副變速箱，再由副變速箱分配至旋耕變速箱及筑埂變速箱上驅動旋耕和鎮壓部件進行作業，旋耕部件和鎮壓部件轉速比為3∶2，旋耕部件和動力輸入軸轉速比為1∶1。主變速箱與180°水平回轉調節機構之間由軸承Ⅰ進行鉸接，副變速箱與旋耕變速箱之間由軸承Ⅱ進行鉸接，保證180°水平回轉調節機構回轉角度及旋耕部件取土作業深度改變后不會影響傳動系統作業。

圖2 水田雙向修筑埂機傳動系統示意圖Fig.2 Structure diagram of transmission system1.動力輸入軸 2.主變速箱 3.軸承Ⅰ 4.180°水平回轉調節機構 5.副變速箱 6.軸承Ⅱ 7.旋耕部件動力輸入軸 8.旋耕變速箱 9.鎮壓部件動力輸入軸 10.筑埂變速箱

作業時，根據不同型號拖拉機的輪距控制橫向偏移機構以調整修筑埂機的橫向起始作業位置；按照水田舊埂修補或者原地起埂的要求，調節旋耕和鎮壓部件至理想作業位置。拖拉機行駛過程中，旋耕部件上的旋耕刀具高速旋轉對土壤進行切削，并將土壤拋甩至機具側后方區域，經由擋土罩殼將土堆匯聚至鎮壓部件的工作區域，通過鎮壓部件的旋轉及彈性變形對聚攏的土堆進行拍打鎮壓，完成單側田埂的修筑。而后拖拉機換向，沿著單側田埂的軌跡反向行駛，修筑另一側田埂。在拖拉機行駛到地頭拐角處由于機身占用一段距離無法繼續修筑田埂時，調整180°水平回轉調節機構完成旋耕和鎮壓部件從前行作業位置至倒行作業位置的180°水平回轉與鎖定，拖拉機換向，以倒行的方式完成拐角處田埂的修筑作業。

3 關鍵部件設計

3.1 觸土部件

觸土部件主要包括旋耕部件和鎮壓部件。作業時，旋耕部件進行取土拋土，鎮壓部件對匯聚的土堆進行鎮壓。二者協同作業實現筑埂成型。

圖3 旋耕部件示意圖Fig.3 Structure diagram of rotary tillage assembly1.取土彎刀 2.旋耕刀軸 3.拋土彎刀 4.切型彎刀

旋耕部件由旋耕刀軸和不同類型彎刀[12-17]組成，結構如圖3所示。在旋耕刀軸上安裝取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀完成取土、拋土、切型功能，將舊田埂切成3個梯度級的階梯狀，有利于減小旋耕過程中受到的阻力，提高碎土效率。3種類型彎刀組合可實現遠處取土拋土，近處聚攏切型，為后續筑埂作業提供充足集土量。本文參考文獻[8]選擇取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀的回轉半徑分別為270、230、145 mm。

鎮壓部件由層疊分布的折彎式彈片和鎮壓輥組成，各彈片按照回轉方向形成前高后低的傾斜狀態，相鄰彈片間按照與土壤接觸的有效作業區域分為接觸面區域與非接觸面區域[18-20]，結構如圖4所示。作業過程中，彈片的振動壓實與鎮壓輥的靜力壓實相結合，對埂頂及埂側同時進行推壓夯實，筑埂成型。本文參考文獻[10]選擇鎮壓部件的結構參數：鎮壓輥直徑180 mm，鎮壓部件外圓直徑800 mm，彈片厚度4 mm，單個彈片彎折角度150°。

圖4 鎮壓部件示意圖Fig.4 Structure diagram of compacting assembly1.鎮壓輥 2.彈片

3.2 橫向偏移機構

橫向偏移機構連接于機具懸掛牽引架與作業部件之間，可控制作業部件左右橫擺距離，整體結構如圖5所示，主要由懸掛連桿、球叉式萬向節、平行擺臂、雙作用液壓缸Ⅰ及支撐架組成。平行擺臂兩端分別與懸掛連桿及支撐架鉸接，形成平行四邊形，雙作用液壓缸Ⅰ兩頭分別與平行擺臂及支撐架鉸接。

圖5 橫向偏移機構示意圖Fig.5 Structure diagram of offset system1.懸掛連桿 2.球叉式萬向節 3.雙作用液壓缸Ⅰ 4.平行擺臂 5.支撐架

作業前后調整橫向偏移機構可適應不同作業狀況，提高機具的通用性。在拖拉機前行作業時，可保證拖拉機車輪不碾壓到舊埂；在拖拉機倒行作業時，可避免拖拉機一側車輪碾入旋耕部件取土后遺留在已耕地上的溝槽中；在完成單側田埂修筑后，駕駛員更易于在拖拉機駕駛室中對偏移距離進行控制，使旋耕和鎮壓部件快速靠近埂邊對準埂面，進行另一側田埂的修筑，保證所筑田埂左右兩側對稱；在運輸過程中，可改變機具重心位置保證運輸狀態工作平穩。橫向偏移機構作業效果如圖6所示，其中L1為前行作業時拖拉機右側輪胎與田埂之間的距離，L2為倒行作業時拖拉機左側輪胎與田埂之間的距離。

圖6 橫向偏移機構作業效果示意圖Fig.6 Working effect diagram of offset system1.拖拉機輪胎 2.旋耕部件 3.鎮壓部件 4.田埂 5.溝槽

對橫向偏移機構偏移運動進行分析，運動簡圖如圖7所示。

圖7 橫向偏移機構運動簡圖Fig.7 Kinematic sketch of offset system1.懸掛連桿 2.雙作用液壓缸Ⅰ 3.平行擺臂 4.支撐架

A、B、C、D、E為各個鉸連點，C′、D′、E′、C″、D″、E″為向左和向右偏移至極限位置時鉸連點所在位置。在調節過程中，橫向偏移機構活動構件數量為5個，各鉸連點以及移動副均為低副，共7個，分析計算該機構的整體自由度為1，滿足機械運動要求，可進行橫向偏移運動。當雙作用液壓缸Ⅰ的推桿位置鎖定時，該機構活動構件數量為4個，低副連接為6個，機構整體自由度為0，實現剛性連接進行筑埂作業。根據51.5～66.2 kW拖拉機下拉桿位置設計懸掛連桿長度lAB為670 mm，由各構件的幾何關系可求得平行擺臂的長度lBC為

(1)

式中λ——橫向偏移機構最大可調橫向距離，mm

φ——橫向偏移機構最大可調節角度，(°)

為適應不同作業工況，根據拖拉機輪距尺寸以及修筑埂機旋耕和鎮壓部件與拖拉機輪胎之間的距離，確定橫向偏移機構最大可調節橫向距離λ為370 mm。由圖5可知，懸掛連桿與支撐架之間由球叉式萬向節進行動力傳遞，由于球叉式萬向節最大工作偏角為33°，為保證球叉式萬向節工作平穩，設計其工作偏角比最大工作偏角小5°，即設計球叉式萬向節工作偏角φ為28°。由式(1)可求得平行擺臂長度lBC為788 mm。為確定鉸連點E在平行擺臂上所處位置，根據懸掛連桿長度、平行擺臂長度和拖拉機輪距選擇行程為400 mm的標準雙作用液壓缸Ⅰ，安裝距最長為1 020 mm，最短為620 mm。當橫向偏移機構往左偏移至極限位置時，在△D′C′E′中由余弦定理可得

(2)

當橫向偏移機構往右偏移至極限位置時，在△D″C″E″中由余弦定理可得

(3)

將最短安裝距作為lD″E″代入式(3)可得lCE為500 mm，將lCE的值代入式(2)求得lD′E′為1 007 mm，小于最大安裝距(1 020 mm)，說明所選擇雙作用液壓缸Ⅰ在滿足偏移條件的情況下，E點選擇在平行擺臂上距離B點288 mm處較為合適。

3.3 180°水平回轉調節機構

3.3.1結構特點與工作原理

180°水平回轉調節機構由雙作用液壓缸Ⅱ、連桿、支撐架、快速鎖緊裝置、鏈傳動箱、滑槽和滑塊組成，主要用于控制旋耕和鎮壓部件在水平方向上的180°回轉及鎖定，實現前行與倒行兩種作業方式的快速轉換，結構如圖8所示。

圖8 180°水平回轉調節機構示意圖Fig.8 Structure diagram of 180° horizontal rotary adjustment mechanism1.雙作用液壓缸Ⅱ 2.連桿 3.支撐架 4.快速鎖緊裝置 5.鏈傳動箱 6.滑槽 7.滑塊

其中在支撐架上分別鉸連雙作用液壓缸Ⅱ和連桿，連桿的一端與雙作用液壓缸Ⅱ鉸接，在鏈傳動箱上設置滑槽，滑塊可移動地配裝在滑槽內，連桿的另一端可轉動地插入配裝在滑塊中心孔內。筑埂作業時，快速鎖緊裝置處于鎖死狀態，當需要切換作業方式時，解開快速鎖緊裝置，控制雙作用液壓缸Ⅱ的伸縮量，驅動連桿在支撐架上轉動，連桿帶動滑塊在滑槽內移動，實現旋耕和鎮壓部件的180°水平回轉，再由快速鎖緊裝置進行鎖定，完成水田雙向修筑埂機作業方式的快速轉換。

3.3.2結構設計與分析

為保證旋耕和鎮壓部件前行與倒行作業方向處在一條直線上，并且使回轉過程趨于平穩，需確定滑槽長度及鏈傳動箱的角速度。因此，對180°水平回轉調節機構進行運動學分析，如圖9所示。

圖9 180°水平回轉調節機構運動簡圖Fig.9 Kinematic sketch of 180° horizontal rotary adjustment mechanism1.雙作用液壓缸Ⅱ 2.連桿 3.支撐架 4.滑塊中心軌跡 5.鏈傳動箱 6.滑槽 7.滑塊

以O點為原點建立平面直角坐標系，其中連桿繞O1點轉動，θ1為連桿回轉角，鏈傳動箱繞O點轉動，θ2為鏈傳動箱回轉角，a為中心距，R為滑塊中心點O2繞O1點的轉動半徑，且R>a，b為滑塊中心點O2與原點O之間的距離。

在△O1OO2中由余弦定理推導出b為

(4)

bmin=R-a

(5)

(6)

bmax與bmin決定了滑塊的移動范圍，因此鏈傳動箱上設置的滑槽長度l2為

(7)

式中l1——滑塊長度，mm

滑塊在滑槽長度l2范圍內往復運動，根據滑塊中心軸承尺寸確定滑塊長度l1為120 mm。由180°水平回轉調節機構的整體結構可知鉸連點O1應設置在支撐架上主變速箱的安裝范圍外，根據所選主變速箱底座安裝尺寸(290 mm×310 mm)可知中心距a應不小于240 mm。如圖8所示，滑槽設置在鏈傳動箱上，為保證旋耕與鎮壓部件的安裝空間，bmax的長度應不大于370 mm。

回轉過程中，連桿以角速度ω1勻速轉動，順時針轉動為正，偏心率為e，則

(8)

為保證鏈傳動箱運動平穩，需確定鏈傳動箱角速度ω2。將連桿在O2點的速度vO2分解成垂直于鏈傳動箱的速度vτ和滑塊的移動速度vγ進行分析，連桿在O2點的速度vO2與連桿方向垂直，則

(9)

其中

式中β——連桿在O2點的速度vO2與鏈傳動箱在O2點的速度vτ之間的夾角，(°)

ω2——鏈傳動箱角速度，rad/s

由直角三角形△OGO2幾何關系可得

(10)

將式(4)、(9)代入式(10)，結合式(8)可得鏈傳動箱的角速度ω2為

(11)

對式(11)兩邊同時求導可得鏈傳動箱的角加速度ε為

(12)

(13)

由式(13)可知，鏈傳動箱最大角速度ω2max與偏心率e、連桿角速度ω1有關，減小偏心率e與連桿角速度ω1能降低鏈傳動箱角速度ω2。由式(8)可知，減小a或者增大R均可減小偏心率e。為了得到e的最小值，a取最小值240 mm，為保證bmax不大于370 mm，將a代入式(6)中求得R最大值為441 mm，將a與R的值代入式(7)中確定滑槽長度l2為289 mm，此時偏心率e為0.54。作業時，連桿由雙作用液壓缸Ⅱ進行驅動，通過在雙作用液壓缸Ⅱ進油口處安裝單向節流閥控制液壓油流量，減小連桿角速度ω1，使回轉過程趨于平穩。

4 試驗結果與分析

黑龍江地區主要耕作土壤類型有黑土、草甸土和白漿土。為確定水田雙向修筑埂機成埂所需土壤含水率條件，在黑龍江不同土壤含水率的地塊上進行筑埂作業。研究表明：3種類型土壤含水率在23%～30%范圍內成埂效果良好。當含水率過低時，機具取土過程中土壤無法匯聚；當含水率過高時，機具作業時土壤易被旋耕和鎮壓部件甩出，無法鎮壓成型。水田雙向修筑埂機在不同含水率地塊上的作業效果如圖10所示。

圖10 不同含水率下的作業效果Fig.10 Working effect of bi-directional ridger under different soil water contents

為檢測水田雙向修筑埂機所修筑田埂的質量，于2018年5月3日在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區許堡鄉郎堡村農業農村部水稻萬畝高產示范基地進行田間作業性能試驗。田間環境溫度17℃，環境相對濕度59%，風力3～4級，田間試驗所選地塊土壤堅實度180～210 kPa，土壤含水率24%～25%，配套動力為東方紅LX904型拖拉機。田埂堅實度是保證水田蓄水能力的關鍵因素，直接影響水稻的產量。因此，本試驗選取田埂堅實度作為田埂質量的評價指標，田埂堅實度的平均值及變異系數計算式為

(14)

(15)

Qi——第i點田埂堅實度測量值，kPa

n——田埂堅實度測量次數

V——田埂堅實度變異系數，%

由文獻[10]可知，機具作業速度與工作轉速是影響田埂堅實度的主要因素。因此，本文控制拖拉機動力輸出軸轉速為540 r/min，進行不同作業速度的前行與倒行田間作業性能試驗，分析田埂堅實度隨時間的變化情況。前行作業時，拖拉機依次掛低速Ⅰ擋、低速Ⅱ擋和低速Ⅲ擋(油門控制在90%左右)，將作業速度分別控制在1.5、2.3、2.8 km/h，作業過程中發現，作業速度為2.8 km/h時機具無法筑埂成型；倒行作業時，掛倒車Ⅰ擋，若將油門控制在90%左右作業速度將達到2.7 km/h左右，機具無法筑埂成型，因此將作業速度控制在2.0 km/h左右(油門控制在60%左右)進行筑埂作業。試驗時，對水田雙向修筑埂機進行調試，按照作業方式調整橫向偏移機構及180°水平回轉調節機構至起始作業狀態，根據原地起埂作業要求調節旋耕部件作業深度至200 mm以確保作業所需集土量，保證機具有效作業距離為15 m以上，作業效果如圖11所示。

圖11 雙向修筑埂機田間試驗Fig.11 Field test of bi-directional ridger

筑埂作業完成后立即測量田埂堅實度，沿所筑田埂方向每間隔3 m進行標識，在同一截面內的田埂兩側和埂頂位置對堅實度進行測量，測量位置如圖12所示，每個時間點選取5個截面，累計測量15個點，并在之后每間隔1 h測量一次，共測量9個時間點，觀察田埂堅實度的變化情況。

按式(14)、(15)分別計算不同作業速度及筑埂后不同間隔時間下田埂堅實度的平均值和變異系數，計算結果如表1所示。

根據表1中的測試數據，得到不同作業速度下，筑埂后間隔時間與田埂堅實度平均值、堅實度變異系數的關系曲線，如圖13所示。

由圖13可知，水田雙向修筑埂機前行與倒行筑埂作業效果良好。當作業速度分別為1.5、2.0、2.3 km/h時，田埂堅實度平均值隨著筑埂后間隔時間的增大而增大，田埂堅實度變異系數隨著筑埂后間隔時間的增大而減小，在筑埂6 h后各測量位置田埂堅實度平均值趨于穩定。間隔時間相同時，埂側堅實度平均值比埂頂高，由于筑埂過程中埂頂主要由鎮壓輥進行滾動壓實，而埂側由多個彈片進行拍打壓實，彈片之間的疊加形式增大了對土壤的碾壓力，從而增大埂側堅實度。作業速度不同時，相同測量位置的穩定值基本一致，埂頂堅實度平均值均不低于1 332 kPa，埂側堅實度平均值均不低于2 312 kPa。風力、溫度、濕度等環境因素影響所修筑田埂的堅實度，因此，在筑埂后不適合立即進行泡田作業。

圖12 測量位置示意圖Fig.12 Diagram of surveying position1.土壤硬度計 2.田埂

表1 雙向修筑埂機田間作業堅實度檢測結果Tab.1 Performance test results of bi-directional ridger

圖13 不同作業速度下田埂堅實度平均值、堅實度變異系數與間隔時間關系曲線Fig.13 Relationship curves between coefficient of variation of average rigidity and firmness at different operating speeds

5 結論

(1)設計了一種水田雙向修筑埂機，能夠通過旋耕和鎮壓部件的180°水平回轉，以前行和倒行兩種方式進行筑埂作業，適用于原地起埂與舊埂修補。

(2)對雙向修筑埂機的關鍵部件進行設計與分析，通過建立橫向偏移機構與180°水平回轉調節機構的運動模型，確定了平行擺臂長度為788 mm，偏心率為0.54，滑槽長度為289 mm。橫向偏移機構的左右橫擺與180°水平回轉調節機構的回轉提高了筑埂機具的通用性。

(3)由田間試驗可知，當作業速度分別為1.5、2.0、2.3 km/h時，田埂堅實度平均值隨著筑埂后間隔時間的增大而增大，田埂堅實度變異系數隨著筑埂后間隔時間的增大而減小，筑埂后一段時間，堅實度平均值趨于穩定；間隔時間相同時，埂側堅實度平均值高于埂頂，田埂各測量位置穩定值均不低于1 332 kPa。

(4)作業速度不同時，相同測量位置的穩定值基本一致。水田雙向修筑埂機以前行與倒行兩種作業方式所修筑田埂均滿足筑埂農藝要求。