旋耕播種復式作業機開溝裝置設計

張大成，黃毅成，繆 磊，於海明，胡運軍，包義亮

(1.南京農業大學，江蘇 南京 210095； 2.泰州市農業農村局，江蘇 泰州 225300；3.江蘇柳瑞機械設備有限公司，江蘇 常州 213000； 4.灌云縣振興機械制造有限公司，江蘇 灌云 222200)

0 引言

“十四五”是江蘇省基本實現農業農村現代化的關鍵5年。農業機械化是轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎，是農業農村現代化的重要支撐。響應農業機械化發展政策，新的農機具不斷涌現，可靠性不斷提高，為農業生產的機械化集成與應用提供了動力和有效保證[1-2]。

2BG-14型旋耕施肥播種機在江蘇、安徽等南方市場應用廣泛，一次性可完成旋耕、施肥和播種3項工序。播種環節之后，還需要在地面上進行開溝作業，仍需進地一次，導致對土壤進一步壓實[3]。鑒于此，本文在2BG-14型旋耕施肥播種機上增設開溝裝置，以期達到一次作業可以完成耕地、播種、施肥和開溝4道作業工序，有效避免在已播地上進行開溝，出現壓種的問題，保證種子出苗率，提高作業效率[4]。

1 設計要求

根據農藝要求，將開溝部件增設到旋耕施肥播種一體化作業環節，其裝置設計需要滿足以下要求[5]。

(1)機具適應性要求：由于機具機身加長，設計中需要解決工作時產生劇烈振動、直線行駛時發生方向偏移和地頭轉彎時開溝刀盤的提升等方面問題。

(2)功能技術要求：根據江蘇地區稻麥輪作田塊的農藝規范，開溝部件應達到開溝農藝要求。排水溝溝距4 m，溝面寬度25～35 cm，溝底寬度18～22 cm，溝深>12 cm可調。

(3)開溝部件類型的選擇：圓盤式開溝機是常見的開挖農田排灌溝渠的開溝機具，其結構簡單，開出的溝型整齊，故選用單圓盤式開溝部件。

(4)安裝及控制的便利性：為了滿足復合作業要求，需要合理設計旋播機的機架及開溝部件的安裝位置。

(5)傳動系統可靠性：由于傳動線路變長，傳動可靠性變差，合理的傳動路線為整個機具的穩定作業提供重要保障。

2 總體結構與設計方案

2.1 總體結構

2BG-14型旋播機按結構可分為傳動裝置、工作裝置和輔助裝置。傳動裝置主要由萬向節總成、齒輪箱總成和地輪驅動總成組成。工作裝置主要包括旋耕刀輥總成、中間犁體、播種雙圓盤開溝器總成、排種器總成和排肥器總成。輔助裝置主要包括機罩、擋土板、懸掛架總成、機架總成、種肥箱總成和鎮壓輪總成。2BG-14型旋播機結構如圖1所示。

1.懸掛架總成 2.種肥箱總成 3.播種箱總成 4.鎮壓輪總成5.播種雙圓盤開溝器 6.刀軸總成 7.齒輪箱總成 8.框架總成 9.萬向節圖1 2BG-14型旋耕播種機結構Fig.1 Structure of 2BG-14 rotary tillage fertilizing and seeding machine

2.2 主要設計參數

開溝裝置的主要設計參數如表1所示。

表1 開溝裝置主要設計參數

2.3 設計方案

機架部分采用雙臂結構，結構對稱，受力均勻，能較好地平衡側向力，保證操縱駕駛的方向性，并將開溝部件布置于播種機正后方位置，采用萬向節傳動[6-7]。開溝器結構如圖2所示。

1.分土板 2.開溝刀盤 3.萬向節 4.旋耕部分齒輪箱圖2 開溝器結構Fig.2 Structure of ditcher

2.4 刀具切削土壤運動分析

開溝器刀盤上的刀片進行切土工作時，刀片運動由兩種運動組合而成：一種是跟隨機組前進的直線運動；另一種是刀片繞刀盤的圓周運動。由于圓周運動的線速度大于前進速度，因此最終刀片的運動軌跡是余擺線，如圖3所示。

圖3 刀片切土軌跡Fig.3 Blade cutting track

開溝器正向(旋轉方向與前進方向相同)旋轉工作時，刀片是從土壤表面向下切削土壤，刀片利用剪切擠壓作用進行開溝，此種方式土塊難以破碎。當開溝機反向(旋轉方向與前進方向相反)作業時，刀片由溝底向土壤表面進行切土，此時土壤表面不會產生約束面，刀片所切下的土塊易于破碎。研究顯示，在進行相同切削量的作業時，采取反轉的刀片其扭轉峰值較小，總體功耗也較小[8]。因此，現有開溝器大多采用反轉工作方式。

2.5 主要參數

2.5.1 刀盤線速度

刀盤的圓周速度影響土壤被拋送的距離及切土的速度。刀盤速度越高，拋送效果越好，但單位土方的功耗會增加，當刀盤速度降低時，會導致拋送效果變差。維持拋送能力的最低線速度被稱為臨界卸載線速度，工作時刀盤的端點線速度必須大于臨界卸載線速度[9]。

研究表明，刀盤的臨界卸載線速度5 m/s是能使土壤卸載拋出的最低線速度。如果想讓土壤拋撒一定距離，并且能達到良好的效果，則刀盤的線速度需要達到10～15 m/s。

綜合考慮，在保證土壤的拋撒達到較好的效果且功率消耗較低的前提下，刀盤圓周線速度通常取12 m/s。

2.5.2 刀盤直徑

刀盤直徑是旋轉式開溝機主要參數之一。通常采用經驗公式確定刀盤直徑：

D=(1.25～1.45)l

(1)

式中D——刀盤直徑，mm

l——溝壁斜邊長度，mm

結合農藝要求，l=350 mm，故取刀盤直徑D=460 mm。刀片回轉半徑通常取150 mm(回轉直徑為300 mm)，則刀盤最大回轉直徑760 mm。

2.5.3 刀盤轉速

根據力學公式[10]

V=ωR

(2)

ω=πn/30

(3)

式中ω——刀盤角速度，rad/s

n——刀盤轉速，r/min

計算可得刀盤轉速n=297 r/min。

2.6 傳動系統設計

開溝裝置傳動路線如圖4所示。拖拉機的動力由動力輸出軸經萬向節聯軸器總成傳遞到播種機中間齒輪箱第1軸，經過一對錐齒輪減速并改變方向，再通過一對圓柱齒輪減速，通過齒輪花鍵軸與 左、右刀輥軸的花鍵連接，把動力傳至左、右刀軸，驅動旋耕刀片旋轉。同時利用錐齒輪換向，通過旋耕機齒輪箱后方輸出動力，連接動力離合裝置，再經萬向節總成，傳送到開溝齒輪箱，最后傳送到刀盤。

1.動力輸出軸 2.聯軸器 3.開溝裝置離合器 4.萬向節總成5.刀盤 6.開溝裝置齒輪箱圖4 開溝裝置傳動路線Fig.4 Transmission roadmap of trenching device

3 試驗與結論

對設計樣機進行大田試驗，開溝器實際作業指標如表2所示。

表2 開溝器實際作業指標

試驗結果表明，樣機在工作過程中的開溝深度、開溝深度穩定性、溝寬、溝底浮土厚度和碎土率等各項指標均符合田間開溝農藝要求的規定。