微耕機旋耕刀具結構特點及性能優化探討

趙建軍

摘 要：微耕機在我國農業生產中應用較為廣泛，在山地、丘陵、果園等地區的應用效果好，能有效替代傳統的人力勞動，有利于農業機械化的普及與生產效率的提升。針對微耕機的應用情況和原理進行了研究，在此基礎上給出了現階段微耕機旋耕刀具的結構形式和關鍵技術特點，并對刀具的功能結構進行了優化和技術分析，有利于提高微耕機的作業效率和效果。

關鍵詞：微耕機;旋耕刀具;結構特點;性能;優化

中圖分類號：S222.3??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.003

隨著我國農業生產過程中農業機械日漸普及，要進一步提高農業機械化程度，在繼續推進中大型農機具普及的同時，也應重視研究和推廣適合丘陵、山地等使用的小型農業機具。微耕機是一種適用于地形復雜農田、水田、果園等使用的半自動化農機具，根據不同微耕機的結構特點，其能夠進行旋耕、犁耕、開溝、覆土等多種耕整地農業生產項目，部分機型還能完成播種、除草、植保等相關作業，具有靈活性好、質量輕、對地形適應能力強的優點。就目前農業生產中使用的微耕機技術來說，其產品成熟度仍不高，還有較大的技術提升空間，因此，針對微耕機旋耕刀具的結構進行研究，對其進行了一定的優化與改進。

1 微耕機的技術特點與結構

根據微型耕耘機機械部標準：JB/T 10266-2013的要求，將功率小于或等于7.5 kW的耕地機械定義為微耕機，市場上使用的微耕機動力通常在2.4～6.7 kW，常規微耕機的主要結構如圖1所示，關鍵部件包括了柴油機、離合器、側方變速箱、手扶方向盤、中央減速器、旋耕刀組等部件。微耕機工作的主要動力來自于柴油機，以滿足行駛和刀具運轉所需的動力，行駛的方向通過手扶方向盤控制，同時在手扶方向盤附近駕駛員還能對部分機具狀態進行調整。側方變速箱和中央減速器用于不同的動力傳遞要求，用以改變刀具旋轉速度和行駛速度，通過限深裝置的調節還能實現耕深的調整。在實際工作中，旋耕刀軸接收到柴油機提供的動力后，刀軸帶動旋耕刀片轉動，使其由上向下切削土壤，在前進過程中，耕地土壤依次被切碎，并向后方拋灑，被擋泥板阻擋后，松散的分布于耕地表面，從而達到翻耕土壤的目的。

2 旋耕刀具的結構及特點

微耕機的旋耕刀采用與刀軸固定的安裝形式，工作中由刀軸帶動刀片旋轉作業，從而完成將土壤切割、破碎、翻攪的工作任務。旋耕刀具工作時由刀具的刃緣部分對土壤進行切割作用，而通過正切部分內表面的楔角和側切部分與已切土壤接觸的側面實現破碎土壤和拋擲功能。對于不同的土壤條件，應選擇不同形狀規格的刀具進行作業，以滿足在不同濕度、雜草條件下的耕地要求。現階段微耕機產品所使用的旋耕刀具按照其幾何結構可分為以下三大類：

（1） 鑿形旋耕刀片，結構如圖2a所示。通過刀片正方向的鑿形刃口實現對土壤的切割，由于其作業時與土壤接觸面積較小，入土能力較強，能實現松土的作業要求，且作業過程功率損耗小，經濟性好。但作業過程中存在土塊細碎不徹底問題，且由于刀刃直且狹窄，作業過程易纏繞雜草，影響作業質量和效率。

（2） 直角形旋耕刀片，結構如圖2b所示。直角形刃口由兩部分構成，分別為正切刃和側切刃，兩部分大體呈90°夾角關系，旋耕刀具作業時，先由與地面平行的正切刃將土壤延微耕機前進方向切開，再利用側切刃切出土垈的側面。直角形旋耕刀片相對于鑿形旋耕刀片具有更好的切土和碎土能力，且能適用于較硬的耕地土壤，在旱田微耕作業應用較多。但其結構形式也易纏繞雜草，在一定程度影響作業效率和質量。

（3） 彎形旋耕刀片，結構如圖2c所示。彎形旋耕刀片采用了曲線形式的刀刃使刃口變得更長，根據刃口所處位置也可將其刃口分為正切刃和側切刃兩部分。旋耕刀具轉動時，側切刃沿著機具的行進方向先對土壤產生切割，土壤最先與回轉軸中心較近的刃口相接觸，在曲線形狀刀刃的作用下，由正切刃將土壤徹底切碎翻動。因彎形旋耕刀片側切刃呈弧形，旋轉過程會產生一定的滑切，能有效將田間雜草切斷，避免纏繞，適用于雜草較多的耕地使用。

3 微耕機旋耕切土關鍵參數

由于彎形旋耕刀片具備更廣泛的適用性特點，因此，本文后續研究主要針對彎形旋耕刀片展開。

3.1 切土深度

切土深度H在實際作業時受到機具行駛速度、旋耕刀具旋轉半徑以及刀具回轉角速度等因素的共同影響，通常情況下符合下式特點

3.2 切土節距

切土節距主要是指在縱向切割面內刀片沿著機具前進方向切下的土塊厚度，用M表示，其影響因素關系如下式所示

式中vm—旋耕機行駛速度（m·s-1）;

z—旋耕刀數;

n—刀軸轉速（r·min-1）。

由式（3）可知切土節距主要受到旋耕機行駛速度、旋耕刀數和刀軸轉速的共同影響，通常情況下，若切土節距過大，會引起土塊厚度增大，不僅作業過程的阻力增加，而且對土壤的細碎效果產生不良影響，因此，應根據作業耕地需求合理選擇或調整作業參數，以達到作業效率和耕地品質的統一。

4 旋耕刀具的性能優化方向

4.1 刀具曲線的優化

由于旋耕機刀刃主要是利用正切刃將土壤切開、破碎并翻起，并利用側切刃的滑切作用將雜草切斷，從而起到翻耕土壤、防止纏繞雜草的工作要求。旋耕機刀刃的曲線形式直接關系到作業過程所受阻力情況和土壤翻耕細碎的實際質量。現階段所使用的彎形旋耕刀片刃口多采用空間曲線的形式，正切刃刀面與側切刃刀面經曲線平滑過渡最大呈接近120°左右的夾角。在生產制造過程中，先將正切刃的展開結構加工在金屬板材上，經特定彎折后形成統一的空間曲線。

現階段的刀具曲線加工多采用試驗方式獲得最佳效果，在實際應用過程中還有較大的提升空間。為保證使用過程具備最低能耗、最高效率和良好的防纏草效果，在設計刀刃的空間曲線時，可選用回旋線作為刃口設計的基礎，并保證空間曲線曲率變化的連續性，避免旋耕作業過程中與土壤作用力發生突變，進而保證微耕機良好的使用性能。

4.2 刀片彎折角度優化

刀片轉角、速度比、耕深等很多因素直接影響著旋耕刀具的工作質量和能耗情況，由于正切刃與側切刃的功能不同，設計過程的側重點也不同。通常情況下正切刃要求具備良好的碎土和翻耕能力，同時盡可能地減小作業過程中的阻力，因此正切刃的刀刃阻力是刀具設計過程中的重要事項，在實際生產和計算機仿真過程中證實，旋耕刀具刀刃的切土阻力與刀片彎折角度有很大關系。折彎角的大小直接影響到翻耕土壤的深度和向后拋灑土壤的狀態，良好的折彎角度能在前刀作業后顯著降低后刀作業的阻力，從而實現平均耕作阻力的降低，同時延長刀片的使用壽命。

經計算機仿真和實踐試驗，旋耕刀具刀片的最佳折彎角度范圍在118°～130°之間，為保證刀具具有良好的滑切效果，建議刀具選擇的折彎角度在125°左右，在保證良好耕深的前提下，有效實現翻耕土壤和切碎雜草的功能需求。

5 結論

在我國機械技術水平不斷提升的支撐下，微耕機的技術研究也應突破傳統的技術壁壘，向著更加自動化和人性化的方向發展，在滿足基本功能和不斷優化的前提下，相關研究和設計人員還應重視微耕機產品的系列化和模塊化開發，研究通過刀具的快捷更換實現對旱地、水田、果園、大棚等不同生產場景的高度適應，以實現微耕機產品的高效率科學化使用，保證農業機械化生產的順利開展與農機化水平的不斷提升。

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