新型秸稈還田犁翻旋耕復式作業機結構設計

陳書法，解法旺，孟憲清

(1.淮海工學院 機械與海洋工程學院，江蘇 連云港 222005；2.贛榆區農機化技術推廣服務站，江蘇 連云港 222100)

0 引言

隨著我國農業的發展，特別是在由傳統農業向現代農業邁進的關鍵階段，迫切要求我國農業發展方式由粗放經營向集約經營轉變，通過大力發展各種復式作業機械，不斷提高我國農業機械化水平，提高農機作業效率，最終實現農業的增產增收[1]。旋耕是一種常見的整地方式，現有的旋耕機作業深度一般在12～18cm，連年旋耕將12～15cm處的土層壓實壓緊，作物根系下扎發育受阻，水肥吸收困難，繼而影響作物正常生長[2]。長時間得不到深翻的土壤，會增加病、蟲源基數，頻繁發生病蟲害。而使用犁翻與旋耕、深松等技術組合后的農機耕作深度普遍在20cm以上，可以打破土壤犁底層，高效儲水，保障土壤水分循環，提高土壤透氣、透水性，增強土壤抗旱保墑能力，優化作物根系的生長環境，為肥料的吸收利用提供便利，降低生產成本，提升糧食品質和產量[3]。

因此，在傳統旋耕機基礎上圍繞不同區域農藝要求，進行犁翻、深松、旋耕、埋茬、碎土整地等功能的有序組合，開發適合稻麥秸稈還田犁翻旋耕復式作業機，提高產品區域適應性是十分必要的。

1 整體結構設計

犁翻旋耕復式作業機由懸掛架與拉桿組件、前機架、中間傳動裝置、萬向節總成、犁架總成、旋耕部件總成、后機架、深松鏟、限深輪總成和犁體總成等部分組成，如圖1所示，其主要性能參數如表1所示。

1.懸掛架與拉桿組件 2.前機架 3.中間傳動裝置 4.萬向節總成 5.犁架總成 6.旋耕部件總成 7.后機架 8.深松鏟 9.限深輪總成 10.犁體總成圖1 結構簡圖Fig.1 Structure diagram of machine

作業時，機具首先通過懸掛架與拉桿組件上三點懸掛機構與拖拉機進行連接，利用安置在前機架上的犁體總成對土壤實現翻耕作業，完成秸稈翻埋；與此同時，配置在犁體總成上的深松鏟完成打破犁底層作業，提高土壤蓄水保墑能力；利用旋耕刀對完成犁翻深松作業后的土壤與秸稈進行進一步粉碎作業，最終將使地表與秸稈達到平整與粉碎的農藝要求[4]。旋耕刀軸組件動力來源于拖拉機動力輸出，動力經萬向節輸入中間傳動裝置，再經過可調長萬向節驅動旋耕部件總成內中間齒輪變速箱并帶動旋耕軸旋轉；后機架與前機架連接，通過調整前后機架連接高度調節旋耕深度。

表1 主要性能參數Table 1 The main performance parameters of machine

2 整機功率校核

2.1 拖拉機輸出功率計算

傳統輪式拖拉機在不同土壤條件下的牽引功率可以通過經驗,式(1)來估算。本設計將采用牽引功率為58.8kW的輪式拖拉機，計算后輸出軸最大動力輸出功率為50.568kW。

Pc=AP

(1)

式中A—功率系數因子，取A=0.86[5]；

P—牽引功率(kW)。

2.2 各機組功率計算

2.2.1 旋耕機組消耗功率計算

旋耕機機組消耗功率計算見式(2)、式(3)，代入計算數據得Kλ=12.002N/cm2，N=17.96kW。

N=0.1KλavmB[5]

(2)

Kλ=KgK1K2K3K4

(3)

式中N—旋耕機組功率(kW)；

Kλ—旋耕比阻(N/cm2)；

a—耕深(cm)，取值為a=10；

B—耕幅(m)，取值為B=1.8；

vm—機組前進速度(m/s)，取值為vm=0.83；

Kg—理論旋耕比阻(N/cm2)，取值為Kg=12；

K1—耕深修正系數，取值為1.1；

K2—土壤含水率，取值為0.92；

K3—殘茬修正系數，取值為1.5；

K4—作業方式修正系數，取值為0.66。

考慮到傳動損耗，這里采用軸承傳動效率為η1=0.99，圓柱齒輪傳動效率為η2=0.98，錐齒輪傳動效率為η3=0.97，萬向節傳動效率為η4=0.96[6]。損耗后的旋耕機組消耗功率計算見式(4)，計算得Px=21.55kW。

(4)

2.2.2 犁耕功率消耗計算

已知我國多數地區的土壤比阻在40～70kPa之間，因此本設計取值60kPa，數值代入犁耕功率消耗計算式(5)、式(6)，得到犁耕功率消耗為15.34kW。

Pl=Fvm[5]

(5)

F=ZbhK[5]

(6)

式中Pl—犁耕功率消耗(kW)；

vm—前進速度(m/s)，取vm=0.83；

F—牽引阻力(kN)；

Z—犁鏵數量，取4個；

h—犁耕深(m)，取h=0.21；

b—單體犁鏵寬度(m)，取b=0.35；

K—土壤犁耕比阻(kPa)，取K=60。

2.2.3 深松功率消耗

土壤含水率在13%～22%的土壤(黏土、黏壤土、沙壤土、中壤土和重壤土)，松土深度在40～50cm時，深松比阻(土壤單位面積的深松阻力)在40～58kPa[5]。數據代入式(7)得到深松功率消耗為7.544kW。

Ps=nq0A[5]

(7)

式中Ps—深松犁功率消耗；

n—深松部件數量(個)，取n=4；

q0—深松比阻(kN/m2)，一般取中等值為q0=46；

A—松土區面積(m2)，耕深40cm時，取A=0.041。

2.3 總功率計算與比較

綜上所述，作業機總功率消耗見式(8)，代入數據可以得到作業機總功率為44.43kW，Pz

Pz=Px+Pl+Ps

(8)

3 主要部件設計

3.1 機架布置

機架由前機架與后機架組成。中間傳動機構固定安裝在前機架上，旋耕部件總成安裝在后機架上；后機架與前機架連接，可以通過調整前后機架連接高度調節旋耕深度。

3.2 中間傳動機構設計

耕整機進行整地作業時，拖拉機動力輸出通過中間變速齒輪箱減速后驅動旋耕刀軸工作，如圖2所示。拖拉機輸出轉速為720r/min，拖拉機動力輸出后首先經萬向節總成傳遞給中間齒輪箱，動力在齒輪箱內首先經一組圓錐齒輪改變動力傳動方向，再通過二級圓柱齒輪組變速得到旋耕刀輥轉速230r/min。傳遞途徑為：拖拉機輸出動力軸(720r/min)→萬向節總成→中間齒輪箱→Z2/Z1→Z4/Z3→Z5/Z4→旋耕刀輥(230r/min)。各級齒輪參數與傳動比如表2所示[7]。

1.右刀軸 2.萬向節總成 3.軸1 4.軸2 5.軸3 6.刀軸花鍵軸 7.左刀軸圖2 旋耕組件傳動簡圖Fig.2 Rotary components drive diagram表2 各級傳動比與齒輪數Table 2 Transmission ratio and gear teeth of each stage

軸的序數齒輪齒數傳動比總傳動比1234Z117Z236Z318Z427Z526i12=2.12i34=1.5i45=0.963i總=3.06

3.3 旋耕刀輥組件設計

旋耕刀輥組件由左右兩刀輥組成，左右刀輥使用對稱設計。田間作業時，考慮到犁耕過程中會出現翻垡的情況，要求旋耕刀輥軸長度要比犁耕機組幅寬長出40cm,以保證土壤切碎。

3.4 旋耕刀排列設計

旋耕刀的排列方式是耕整機工作性能的一個極大影響要素。合理的旋耕刀排列方式應在完成耕地農藝要求的基礎上，達到功耗消耗最小、刀輥受力最均勻，以及工藝上便于制造等要求。

3.4.1 旋耕刀排列設計應遵循準則

1)在配置2把以上刀片時，應保證各刀片切土量相等，提升碎土質量，平整耕后溝底。

2)在刀軸回轉過程中，對于同一相位角，要求必須是單刀入土，以確保刀軸負荷均勻，維持工作穩定性。

3)增大刀軸上前后入土刀片的軸向距離，避免發生堵塞纏草現象。

4)左彎刀與右彎刀片應交錯排列，保證刀軸兩端軸承受力平衡，要求刀片按螺旋線規則排列并保證刃口朝入土方向[8]。

3.4.2 旋耕刀安裝方法

旋耕刀安裝方法有 3 種：內裝法、外裝法、混合裝法。

1)內裝法。全部刀片都朝向刀軸中央，耕后地面中間高兩邊低。

2)外裝法。除最外端的兩刀片朝向刀軸中央外，其余刀片全部都向外裝，耕后地面中間低兩邊高。

3)混合裝法。刀片內外交錯排列，耕后表面相對平整[8]。

本設計采用混合裝法，旋耕刀排列如圖3所示。46把旋耕刀片內外交錯、均勻、呈螺旋線形狀排列，左刀軸配置23把，右刀軸配置23把。

3.5 翻耕犁體的布置

翻耕犁體采用降阻竄垡型曲面形式，并配置4鏵犁或5鏵犁結構。犁體布置需要考慮犁與犁之間的前后左右距離，為了保證翻耕效果，應盡量減小犁體耕作阻力。

1)犁體縱向配置要求。犁體縱向排列時采用b∶L=1∶1.192方式，即縱向排列角α=40°的設計，既能縮短機組長度，保證穩定性，又滿足犁耕質量，有效減小工作阻力，降低作業能耗。

2)犁體橫向配置要求。要求兩犁體之間的橫向配置寬度與犁體寬幅相等，避免重耕、漏耕的情況。

3)犁柱高度要求。適合的犁柱高度可以確保土垡翻轉順暢，但犁架與犁體之間的高度也不宜過大，否則將會增大犁翻阻力并損壞犁柱。為了減少犁體作業時的纏草現象及保護犁柱的需要，要求犁架梁底面與犁體水平基面之間的高度取500mm[9]。

圖3 旋耕刀排列圖Fig.3 Rotary knife arrangement chart

3.6 深松鏟的布置

工作部件對表層土壤進行犁翻滅茬，對深層土壤進行間隔深松。工作部分由鏵式犁和安裝在犁體上的深松鏟組成，如圖4所示。作業時，鏵式犁對表層土壤進行犁翻滅茬，深松鏟對深層土壤進行深松。犁翻深松不會破壞土壤原有的層次分布，并可一次對工作幅寬內的土壤進行犁鏵切翻表土、深松鏟松土等作業。

1.主犁體 2.深松鏟圖4 犁體上裝深松鏟Fig.3 Plough with deep loosening shovel

深松鏟安裝在鏵式犁犁體上，實現上翻下松。機具工作時，主犁體按正常耕深翻垡碎土，安裝在犁體上的松土鏟在溝底下松土，松土深度大于犁體耕深(犁底層下)10～15cm，實現上翻下松、不亂土層的深耕作業[5]。

4 整機試驗

4.1 試驗準備

1)試驗場。試驗場位于連云港市灌云縣侍莊鄉侍莊村郊。試驗當天天氣晴朗，微風，留茬作物水稻，茬高10～20cm，試驗場80m×60m，配套拖拉機為東方紅X804輪式拖拉機。

2)檢測儀器。本次試驗中的檢測儀器型號和參數如表3所示。

表3 試驗檢測儀器Table 3 Test instruments

4.2 實驗結果分析

試驗結果如表4所示。經試驗測定，犁耕深穩定性變異系數為8.9%，秸稈覆蓋率為87.6%，耕地碎土率為80.4%。試驗結果表明：耕整機具有穩定的作業性能與較好的碎土埋茬能力，各項性能指標基本達到預期的設計要求。

表4 試驗結果Table 4 Test results

5 結論

結合犁耕和旋耕等多種作業方式的特點，設計出一種可以發揮兩種耕作方式優勢的多功能可調深復式耕整作業機，可一次性地實現犁翻、旋耕、深松等多項作業。將秸稈犁翻旋耕技術與保護性耕作的要求相結合，能夠非常有效地解決普通秸稈還田機在耕作過程中耕深淺、腐化效果差、蓄水保墑能力下降，以及壓迫作物根系生長空間等缺陷。田間試驗結果證明：該機具不僅設計合理、結構緊湊，而且整機具有非常良好的通用性能，可廣泛用于稻麥田復式作業。