呂秋立，林 靜,馬 鐵，宋健鵬，田 陽

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽 110866)

0 引言

由于遼寧省西部地區(qū)(遼西褐土區(qū))常年降水量較低，蒸發(fā)量較大，土壤干旱程度嚴(yán)重，導(dǎo)致適用于該地區(qū)的耕整機(jī)械較少，現(xiàn)有的聯(lián)合作業(yè)機(jī)不能從根本上滿足作業(yè)需求。因此，為了滿足該地區(qū)的耕作模式，提高自然降水的利用率，改善土壤的蓄水能力，適用于該地區(qū)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究變得尤為重要[1-2]。

目前，中國聯(lián)合整地機(jī)械種類繁多。張欣悅等研究設(shè)計(jì)的1GSZ-350型滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)主要通過變速箱進(jìn)行傳動(dòng)，動(dòng)力輸入先經(jīng)過一個(gè)主變速箱后再經(jīng)過由旋耕變速箱和滅茬變速箱組成的兩個(gè)副變速箱，經(jīng)過副變速箱變速驅(qū)動(dòng)滅茬刀輥和旋耕刀輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)更為可靠；但該機(jī)器較為復(fù)雜。車剛等設(shè)計(jì)的 1ZLZQ-4.2型聯(lián)合作業(yè)機(jī)，主要由自驅(qū)動(dòng)弧形齒盤式破茬器、深松鏟、旋耕部件、起壟器及壟體整形板等5個(gè)主要部分構(gòu)成。該機(jī)以節(jié)約能耗為目的，將直徑為1 400mm的盤式破茬裝置的滑動(dòng)阻力變?yōu)闈L動(dòng)阻力，并作為驅(qū)動(dòng)軸將其產(chǎn)生的扭矩用以驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的滅茬旋耕功能[3]。江蘇大學(xué)毛罕平等以粉碎刀輥、旋耕裝置及兩個(gè)部件的耦合試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，研制出了一種新型的秸稈粉碎掩埋復(fù)式作業(yè)機(jī)，但該機(jī)具僅適用于水稻作業(yè)[4-6]。上述這些機(jī)具均不能應(yīng)用于遼西地區(qū)合理耕層構(gòu)建。

因此，在現(xiàn)有聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)遼西褐土區(qū)的作業(yè)特點(diǎn)和土壤環(huán)境，設(shè)計(jì)了滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)。同時(shí)，通過對(duì)深松裝置和起壟裝置的設(shè)計(jì)與研究，使其在作業(yè)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)原有壟溝、壟臺(tái)的互換，并且將深松、起壟裝置合二為一，使聯(lián)合作業(yè)機(jī)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，減少了機(jī)具進(jìn)地次數(shù)，從而降低了機(jī)具的耗油量和作業(yè)成本，提高了機(jī)具的作業(yè)效率。

1 滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)與拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛的方式相掛接。拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳到中間變速箱，經(jīng)中間變速箱里面的錐齒輪變換方向，再經(jīng)聯(lián)軸器把動(dòng)力分別傳給滅茬變速箱和旋耕變速箱；滅茬變速箱和旋耕變速箱通過齒輪傳動(dòng)把動(dòng)力分別傳給滅茬刀軸和旋耕刀軸，從而完成滅茬作業(yè)和旋耕作業(yè)；然后，完成深松、起壟和鎮(zhèn)壓作業(yè)。

滅茬旋耕深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)由機(jī)架、滅茬變速箱、滅茬裝置、旋耕變速箱、旋耕裝置、中央變速箱、深松起壟裝置及鎮(zhèn)壓裝置等主要部分組成，如圖1所示。

1.2 滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的性能參數(shù)

滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.擋板 3.傳動(dòng)裝置 4.變速箱 5.上懸掛 6.下懸掛 7.滅茬裝置 8.旋耕裝置 9.深松起壟裝置 10.鎮(zhèn)壓裝置 圖1 聯(lián)合整地機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Combination structure表1 滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的性能參數(shù) Table 1 The performance parameters of deep loosening ridging stubble combined machine

項(xiàng)目單位參數(shù)外形尺寸mm×mm×mm2820×1980×1132工作行數(shù)行4適用壟距cm50～65作業(yè)幅寬mm2480滅茬深度cm9旋耕深度cm20深松深度cm25～30配套動(dòng)力kW≥48.7

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)合整地機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)如圖2所示。原動(dòng)力來自于拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸，經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸入中間變速箱，實(shí)現(xiàn)一級(jí)變速；經(jīng)一級(jí)變速后動(dòng)力傳入旋耕變速箱和滅茬變速箱；動(dòng)力經(jīng)旋耕變速箱傳至旋耕軸，經(jīng)滅茬變速箱傳至滅茬軸。

東北地區(qū)大多數(shù)聯(lián)合整地機(jī)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為180～260r/min，滅茬刀軸轉(zhuǎn)速為460～560r/min[7-9]。經(jīng)計(jì)算，確定傳動(dòng)系統(tǒng)各傳動(dòng)比。中間變速箱傳動(dòng)比為i1=1.8，錐齒輪z1齒數(shù)為15，錐齒輪z2齒數(shù)為27；滅茬變速箱傳動(dòng)比為i2=1.10，齒輪z3、z4、z5、z6、z7齒數(shù)均為21，齒輪z8齒數(shù)為23；旋耕變速箱傳動(dòng)比為i3=2.69，齒輪z9齒數(shù)為13，齒輪z10、z11齒數(shù)為21，齒輪z12齒數(shù)為35。根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可確定滅茬刀軸和旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速。拖拉機(jī)選用50kW，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000r/min，計(jì)算可得旋耕刀軸轉(zhuǎn)速n旋=206r/min，滅茬刀軸轉(zhuǎn)速n滅=507r/min。計(jì)算結(jié)果表明傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

1.中間變速箱 2.側(cè)箱傳動(dòng)軸 3.旋耕變速箱 4.旋耕刀軸 5.滅茬刀軸 6.滅茬變速箱 圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.2 Transmission system diagram

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 滅茬裝置的設(shè)計(jì)

滅茬裝置的主要工作部件包括滅茬軸、滅茬刀盤及滅茬刀，如圖3所示。

1.滅茬軸 2.滅茬刀盤 3.滅茬刀 圖3 滅茬裝置Fig.3 Stubble cleaning device

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)選用L型滅茬刀，其參數(shù)如表2所示[10]。

表2 L 型滅茬刀參數(shù)Table 2 L stubble cutter parameters

聯(lián)合整地機(jī)的滅茬刀軸外徑為80mm，將滅茬刀盤均勻焊接于到滅茬刀軸上，刀盤直徑為 200mm，相鄰兩刀盤間距為100mm。在滅茬刀安裝時(shí)，刀具按螺旋線方式排列，順刀軸方向，相鄰兩把滅茬刀的角度為12°。

2.2 旋耕裝置的設(shè)計(jì)

旋耕裝置主要由旋耕軸、旋耕刀盤及旋耕刀等主要部分組成，如圖4所示。

1.旋耕軸 2旋耕刀盤 3.旋耕刀 圖4 旋耕裝置Fig.4 Rotary tillage device

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)選用 IT245 型旋耕刀，其參數(shù)如表3所示[10]。

表3 IT245 旋耕刀參數(shù)Table 3 IT245 rotary blade parameters

與滅茬刀軸相似，旋耕刀軸外徑為84mm，將旋耕刀盤均勻焊接于旋耕刀軸上，刀盤直徑為220mm，相鄰兩刀盤的距離為200mm。在旋耕刀安裝時(shí)，刀具按螺旋線方式排列，順刀軸方向看，每組刀具與相鄰組刀具的角度為44°。

2.3 深松起壟裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)土壤進(jìn)行深松，可以打破犁底層，增加土壤的透氣性，有利于種子生長，所以深松可以促進(jìn)作物產(chǎn)量的增加。該機(jī)具深松起壟裝置主要由鏟柄、起壟犁壁、鏟刃、鏟尖和分土板構(gòu)成，如圖5所示。

1.固定夾 2.起壟犁壁 3.鏟刃 4.鏟尖 5.分土板 6.鏟柄 圖5 深松起壟裝置Fig.5 Deep loosening ridging device

深松鏟尖、鏟刃選用65Mn鋼，鏟柄選用Q275鋼，為提高耐磨性，應(yīng)該進(jìn)行刃部熱處理，淬火寬度為20～30mm，硬度為48～56HRC[9]。

起壟犁壁屬于翻土型犁體曲面，采用犁體曲面的幾何元線設(shè)計(jì)法[11]。翻土型犁體元線角θ按拋物線規(guī)律變化，由元線角值繪制元線角變化曲線。選擇水平元線的3個(gè)特征角：初始元線角θ0，最小元線角θmin，最大元線角θmax，然后按犁體曲面的性能要求確定θ0～θmin段和θmin～θmax段的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 元線角變化曲線Fig.6 Linear angular variation curve

由圖6可知：θ0～θmin段，取水平坐標(biāo)軸z代表元線高度(cm)，取垂直坐標(biāo)軸y代表(θ～θmin)的值(°)。坐標(biāo)原點(diǎn)(z=0，y=0)相當(dāng)于元線高度為零，θ角為θmin時(shí)的數(shù)值，這一段元線角按直線關(guān)系變化。即

y1=y0-M1·z

(1)

式中y1—θ-θmin的值(°)；

y0—θ0-θmin的值(°)；

M1—y0/zmin(直線的斜率)；

z—任一元線的高度值(cm)。

θmin至θmax段，將坐標(biāo)軸y1移至z=zmin處，這一段元線角按拋物線關(guān)系變化，即[12]

(2)

式中y—以cm為單位按一定比例表示的元線角(θ-θmin)的變化值(°)；

p—拋物線焦點(diǎn)至準(zhǔn)線的距離(cm)；

z—元線高度坐標(biāo)(cm)；

zmin—最小元線高度坐標(biāo)(cm)。

求解得

(3)

式中ymax—以cm為單位按一定比例表示的元線角最大變化值；

θmin—最小元線角(°)；

θmax—最大元線角(°)；

m—比例尺(°)/cm。

根據(jù)式(2)和式(3)可求出p值，即

(4)

式中zmax—最大元線高度坐標(biāo)(cm)。

由此可得元線角的值為

θ=θmin+ym

(5)

2.4 鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)壓裝置采用圓柱形鎮(zhèn)壓輥，如圖7所示。

1.連接柱 2.鎮(zhèn)壓輥 3.側(cè)板 圖7 鎮(zhèn)壓裝置Fig.7 Suppression device

鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓效果取決于輥筒質(zhì)量和土壤質(zhì)地等多種因素。對(duì)同類型機(jī)械以及其作業(yè)效果進(jìn)行分析，最終確定采用直徑為200mm，厚度為10mm，材料為Q235的空心圓柱鎮(zhèn)壓輥。鎮(zhèn)壓裝置不僅可以將土壤壓實(shí)，還能減少風(fēng)蝕損害，提高蓄水能力，為農(nóng)作物的生長提供良好的環(huán)境。

3 關(guān)鍵部件的有限元分析

3.1 滅茬刀的有限元分析

用SolidWorks軟件建立滅茬刀模型，刀片材料選用65Mn，對(duì)滅茬刀進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 滅茬刀的應(yīng)力圖Fig.8 Stubble stress diagram

通過有限元分析，得到滅茬刀的等效應(yīng)力圖，由圖8可知：滅茬刀所受最大應(yīng)力1.182×108N/m2，小于65Mn鋼的屈服力4.300×108N/m2。結(jié)果驗(yàn)證滅茬刀的強(qiáng)度可靠，設(shè)計(jì)合理。

3.2 旋耕刀的有限元分析

用SolidWorks軟件建立旋耕刀模型，刀片材料選用65Mn，對(duì)旋耕刀進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 旋耕刀的應(yīng)力圖Fig.9 The rotary blade stress diagram

通過有限元分析，得到旋耕刀的等效應(yīng)力圖，由圖9可知：旋耕刀所受最大應(yīng)力3.101×108N/m2，小于65Mn鋼的屈服力4.300×108N/m2。結(jié)果驗(yàn)證旋耕刀的強(qiáng)度可靠，設(shè)計(jì)合理。

3.3 深松起壟鏟柄的有限元分析

用SolidWorks軟件建立深松起壟鏟柄模型，鏟柄材料選用Q275鋼，對(duì)鏟柄進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖10所示。

通過有限元分析，得到深松起壟鏟柄的等效應(yīng)力圖，由圖10可知：深松起壟鏟柄所受最大應(yīng)力為1.675×108N/m2，小于Q275鋼的屈服力2.450×108N/m2。結(jié)果驗(yàn)證深松起壟鏟柄的強(qiáng)度可靠，設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

1)利用計(jì)算機(jī)軟件SolidWorks對(duì)滅茬深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了三維建模。該機(jī)具由傳動(dòng)裝置、滅茬裝置、旋耕裝置、深松起壟裝置及鎮(zhèn)壓裝置等組成，滿足田間作業(yè)功能要求。

2)運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和材料選擇的合理性。分析結(jié)果表明：在動(dòng)力的作用下，部件所受最大應(yīng)力小于屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。

圖10 深松起壟鏟柄的應(yīng)力圖Fig.10 Deep loosening ridging shovel handle stress

3)該機(jī)具在作業(yè)中可以一次實(shí)現(xiàn)滅茬、旋耕、深松、起壟及鎮(zhèn)壓等功能，可以有效打破犁底層，改善土壤的耕層結(jié)構(gòu)及土壤的物理性能，使土壤有利于農(nóng)作物的生長，達(dá)到遼西褐土區(qū)土壤合理耕層構(gòu)建技術(shù)要求。

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