烤煙旋耕起壟打塘機研究與試制

袁 剛，楊永發，張國鵬，張富貴

(西南林業大學 機械與制造工程學院，昆明 650051)

0 引言

我國是世界上最大的烤煙生產國和消費國，烤煙是我國近年來發展較快的經濟作物之一[1]，煙草總產量約占世界煙草總產量的 1/3，是重要的經濟作物之一[2]。然而在我國，烤煙種植大部分還是靠人力，機械化水平比較低，且煙草作業環境差，勞動強度大[6]。長此以往，導致烤煙生產的人工成本越來越高，嚴重制約我國烤煙行業的發展。旋耕起壟打塘作為烤煙生產的首要環節，對烤煙生產起著至關重要的作用，因此需要研發設計專門用于烤煙旋耕起壟打塘的組合機具。

近年來，歐美國家在整地機具領域展開了研究。目前，意大利Hortech公司生產的聯合整地機具，適用于重土壤或存在細碎石粒的情況，起到旋耕起壟平整土地功能[3]。美國Kennco農機生產公司研制的半自動膜上挖穴移栽機，可以進行沒有覆膜的壟上移栽，并能實現單行或多行的膜上移栽作業；但需要專人放苗，且自動化程度不高[4]。日本久保田公司研發的一種全自動鴨嘴式膜上移栽機，可以在同一壟上實現往返多行移栽，移栽株距也可進行任意調節；但該機成本較高，對育苗要求非常苛刻[5]。綜上所述，國外移栽機械龐大笨重、價格昂貴，不適合我國烤煙生產現狀與地理地貌特點。

國內旋耕起壟機的研究相比歐美國家較落后，目前旋耕起壟打塘機的研究在國內趨于空白，市場上大多是旋耕起壟機具，不能滿足烤煙的特殊種植農藝要求[16-17]。1999年，新疆農墾科學院農機所王序檢等人研制出1LZ-5.4聯合整地機，一次作業能夠完成平整、松土、碎土和鎮壓4道工序，具有生產率高、作業質量好等特點[7]。黑龍江八一農墾大學趙大勇等研制的1ZML-210深松型聯合整地機，具有可打破犁底層及提高土壤透氣性等優點[8]。

綜上所述，隨著農業機械化的不斷完善及農機農藝的結合，由以前的單功能機具逐漸向多功能[9]、智能化方向發展，更加靈活的服務于農戶，機具整體更加輕巧，操作更加簡單[10]。為此，研究了烤煙旋耕起壟打塘機，集旋耕、起壟、打塘與一體，通過研究試制，在西南地區進行試制推廣，解決了現存烤煙種植農藝問題，具有實際的研究意義。

1 整體結構和工作原理

1.1 農藝要求和工作參數

烤煙旋耕起壟打塘機的農藝要求為：壟距500mm，塘深300mm，塘距500mm。整機性能尺寸：配套動力40～70kW，外形尺寸2 600mm×1 800mm×1 300mm，工作幅寬2 600mm，作業速度2.2～5.4km/h，以上工作參數均滿足設計的農藝性要求。

1.2 整體結構

煙草旋耕起壟打塘機主要由旋耕裝置、起壟裝置及打塘裝置3部分組成，打塘部分作為研究重點，整機結構如圖1所示。

1.打塘桿 2.伸縮彈簧 3.深度調節閥 4.T形支架 5.傳動裝置

1.3 工作原理

烤煙旋耕起壟打塘機是針對云南地區烤煙種植的農藝要求而設計的，整機主要由地輪、打塘鏟、傳動裝置、聯軸器、掛架及T形支架等部件組成。該機具配套動力由40kW的四輪拖拉機提供，采用三點懸掛式安裝于拖拉機后面，特點是可一次性完成旋耕、起壟及打塘等功能[11]。作業時，由牽引機具提供作業動力，旋耕掛架與拖拉機后輸出軸連接，經變速箱變速帶動機具作業。由旋耕裝置將土壤旋耕打碎，起壟裝置將打碎的土壤起壟成型，旋耕機架后部與聯軸器連接，為打塘部分提供牽引動力，牽引帶動地輪運動，進而地輪經地輪軸帶動齒輪組；齒輪軸與地輪軸同軸，采用兩級齒輪組變速，進而將動力輸送到鏈輪組，所述鏈輪組的雙排鏈輪中裝有3個撥輪，通過撥輪將打塘鏟和伸縮彈簧裝置抬起一定高度；打塘鏟與伸縮彈簧相連，當撥輪轉到脫離打塘鏟卡位時，靠伸縮彈簧的自動復位，將打塘鏟的重力勢能和彈簧的彈性勢能轉化為打塘鏟進入土壤的動力來源；打塘鏟做類似自由落體運動，當打塘鏟完全入土后，在打塘機架的水平帶動下，第2個撥輪緩緩將打塘鏟抬起至完全脫離土壤，至此實現一次打塘過程；當第2個撥輪將打塘鏟抬起到脫離打塘鏟卡位時，重復以上動作，實現第二次打塘，每3個撥輪循環實現一個打塘周期，從而完成整個旋耕起壟打塘的過程。地輪與打塘鏟的周期為1∶4，實測塘距300mm，滿足烤煙種植的農藝要求。

2 主要部件的設計

2.1 傳動系統的設計

旋耕起壟打塘機的動力為拖拉機后的輸出軸，經過變速箱，輸出的轉速為200～280r/min，打塘裝置主要靠地輪帶動，地輪直徑560mm。其中一級齒輪組主動輪齒數為62，模數為3，從動輪齒數為12；二級齒輪組主動輪齒數21齒，模數為2.5，從動輪齒數為60。二級齒輪組帶動鏈輪組傳動，一級鏈輪組齒數比為20∶38，鏈節P=12.7，二級鏈輪組齒數比為40∶14，鏈節P=19.05，三級鏈輪組齒數比為24∶16，鏈節P=19.05，三級從動鏈輪為左右對稱的兩組撥輪，每組撥輪有3個，循環運動抬起打塘鏟，查資料知，齒輪傳動效率取98%，鏈輪傳動效率取96%，地輪的效率為80%，經計算，地輪與三級從動輪的周期比接近1∶4。傳動系統圖如圖2所示。

圖2 傳動系統示意圖

2.2 旋耕裝置的設計

旋耕起壟裝置主要作用是翻土、切土，為后續的打塘提供條件。旋耕的主要指標是旋耕速比和切土節距，直接影響起壟的平整度。本機運動參數的確定參照旋耕機的相關計算公式[12]，即

(1)

式中R—起壟機刀片的回轉半徑(m)；

ω—起壟刀軸的回轉角速度(rad/s)；

Vm—機組前進速度(m/s)。

查閱相關參考文獻經過計算可知：旋耕刀的回轉半徑R=255mm，回轉角速度ω=23.66rad/s，Vm=0.6m/s，帶入式(1)可得旋耕速比為λ=10.06。

同理，根據切土節距公式[14]得

(2)

式中S—切土節距(cm)；

Z—同一旋耕切削面內刀具數量。

根據旋耕起壟刀軸上的排列方式，可知Z=6，代入式(1)中，可得S=2.65cm。由于云南地區烤煙種植的土壤多為紅土壤，旋耕節距應小于5cm，此計算滿足烤煙種植的農藝要求。

由以上計算可知：旋耕速比λ和切土節距S均在合理值范圍內，符合烤煙種植的特殊農藝要求。旋耕起壟部件結構示意圖如圖3所示。

1.掛架 2.變速箱 3.連接裝置 4.旋耕裝置 5.起壟扶形器

2.3 打塘裝置設計

打塘裝置是在旋耕起壟的壟面壟上進行打塘，主要由伸縮彈簧、打塘鏟、齒輪組、鏈輪組、地輪及機架等部件組成。為保證打塘效果能達到區域性農戶農藝要求，通過機架上的預留孔來調節塘距的大小，通過打塘鏟抬起的高度和傾斜角度來改變塘深，以適應整地農藝要求，調整塘距、塘深。

云南山旱地的土壤比較硬，且坡度比較大，為了解決該機與動力機械配套后，在小坡度地塊作業時整套機械行走時穩定性問題，同時為防止多次打塘引起的打塘鏟焊接點斷裂問題，在兩側加固加強肋條，保障打塘過程中機具的穩定性。打塘裝置如圖4所示。

2.3.1 打塘功耗計算

旋耕起壟打塘機作業時，大多數功耗都來自打塘部分，由于影響打塘作業功耗的因素很多，在其他因素一定的情況下，只考慮主要影響因素，查閱相關資料可得，打塘功耗公式[13]為

P=0.1KλVmBd

(3)

式中P—打塘功耗(kW)；

Kλ—土壤比阻(N/cm2)；

d—打塘深度(cm)；

Vm—機具前進速度(m/s)；

B—塘徑(m)。

在不同的土壤和作業方式上，土壤比阻Kλ應乘以適當的系數進行修正，則

Kλ=KgK1K2K3K4

式中Kg—修正前土壤比阻，受打塘深度影響，根據機械設計手冊，粘性土壤含水率為20%時，取Kg=7.5N/cm2;

K1—塘深修正系數，打塘深度為15～30cm時，K1=1.0～1.2，取K1=1.0;

K2—土壤含水率修正系數，土壤含水率越小K2越大，土壤含水率為20%時，取K2=1;

K3—煙茬植被修正系數，煙茬地作業時，K3=1.0～1.2；普通地塊作業時，K3=0.8～1.0,取K3=1.0;

K4—作業方式修正系數，旱地作業時取K4=0.66～0.71，水田作業時，取K4=0.3～0.5；打塘，取K4=0.7。

綜上所述，結合云南地區的粘質沙土的特性，以上各修正系數的取值參考相關資料所得[15]，經計算可得Kλ=5.25，所以P=7.09kW。

1.打塘鏟 2.T形焊架 3.鏈輪組 4.連接軸 5.齒輪組 6.地輪

3 田間試驗分析

該旋耕起壟打塘機研制完成后，在云南曲靖陸良縣進行了作業試驗和推廣示范。該機可一次性完成旋耕、起壟及打塘等聯合作業，性能穩定、安全可靠，填補了烤煙行業打塘的空白。根據作業效果，實測平均塘距588mm，塘深279mm，塘徑280mm，壟深打塘效果滿足烤煙種植的農藝要求，旋耕起壟打塘機的田間試驗結果如表1所示，旋耕起壟打塘機樣機和作業質量圖如圖5、圖6所示。

表1 整機田間試驗結果

圖5 旋耕起壟打塘機樣機實物圖

圖6 打塘作業質量圖

4 結論

1)該機具集旋耕、起壟、打塘等功能于一體，減少了烤煙種植的復雜工藝性環節，縮短了勞動時間。該機設計簡單可靠，效率高，適于云南地區的烤煙種植的農藝性要求。

2)為方便使用，該機具設計成三點懸掛式，便于不同機具的配合使用，打塘部分為可調式，適用于煙草、蔬菜、根莖類等作物的種植要求。

3)該樣機研制成功后，在曲靖陸良地區進行試驗推廣，經過多次優化結構，打塘效果與預期效果相差無幾，填補了國內煙草種植全程機械化的空白，為更好地推進云南地區烤煙種植規模化、機械化提供了可能。