佟軍民，燕亞民，韓根發(fā)，岳志剛，李保謙

(1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000；2.河南豪豐機(jī)械裝備有限公司，河南 許昌 461000；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用也越來越明顯。但是，各種小、中型農(nóng)業(yè)機(jī)械連年頻繁對(duì)土壤重復(fù)碾壓和化肥、農(nóng)藥的廣泛使用，易引起土壤板結(jié)、肥力減退、蓄水能力下降、物理性能變壞、病蟲害增多、抗災(zāi)害能力減退等一系列問題。同時(shí)，大力推廣秸稈粉碎還田，減少了環(huán)境污染，對(duì)培肥地力、延緩?fù)寥腊褰Y(jié)、提高單位面積產(chǎn)量起到了一定的積極作用。隨之而來，出現(xiàn)了新的問題, 主要是秸稈粉碎后得不到及時(shí)掩埋, 極易干燥, 不僅肥效減退, 且不易腐爛,影響下茬農(nóng)作物根系的發(fā)育，不利于高產(chǎn)。如果對(duì)土壤實(shí)施深翻或深耕，對(duì)解決土壤板結(jié)問題雖然比較有效，但是消耗動(dòng)力大，投資費(fèi)用高。行之有效的方法是秸稈粉碎還田機(jī)與旋耕機(jī)配套作業(yè), 利用旋耕作業(yè)技術(shù)將粉碎后的碎秸稈掩埋。

目前，國內(nèi)雖然有眾多企業(yè)生產(chǎn)不同類型的旋耕機(jī)，其作業(yè)質(zhì)量大都也能滿足農(nóng)藝要求；但隨著社會(huì)的進(jìn)步和廣大農(nóng)村的生產(chǎn)生活節(jié)奏的加快, 農(nóng)民對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的要求也越來越高,大部分機(jī)型的作業(yè)性能質(zhì)量均出現(xiàn)了不能滿足要求的情況[1-3]。因此,對(duì)原旋耕機(jī)實(shí)施改進(jìn)研究和技術(shù)提升, 并適時(shí)研究開發(fā)大馬力拖拉機(jī)配套作業(yè)的旋耕機(jī)顯得尤為重要[4]。

為此，研制開發(fā)了1GKN系列新一代旋耕機(jī)。該系列旋耕機(jī)主要有1GKN-125、1GKN-140、1GKN-150、1GKN-165、1GKN-180、1GKN-200H、1GKN-230H、1GKN-250H、1GKN-280H 9種型號(hào)，與該系列旋耕機(jī)配套的動(dòng)力范圍為14.7～95.6kW。該系列旋耕機(jī)工作寬幅范圍為1 250～2 800mm，適應(yīng)作業(yè)前進(jìn)速度為2～7km/h，工作效率為0.2～0.7m2/h，使用可靠性≥90%，旋耕深度為8～16cm，耕深穩(wěn)定性≥85%，碎土率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆蓋率≥85%。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

1GKN系列旋耕機(jī)的主要工作部件包括機(jī)架、減速箱、旋耕刀軸、旋耕刀座、旋耕刀、懸掛架、輸入軸、鎮(zhèn)壓輥等。旋耕機(jī)齒輪箱采用中間傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，整體采用框架式結(jié)構(gòu)，受力平衡。該機(jī)具以機(jī)架為裝配主體，所有零部件通過機(jī)架鏈接為一個(gè)整體，并通過機(jī)架保證各零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而保證機(jī)具的正常工作。減速箱安裝在機(jī)架的中央位置，通過機(jī)架保證減速箱輸出軸與機(jī)架兩側(cè)板上的刀軸安裝孔同軸；懸掛架安裝在機(jī)架的上方并與減速箱保證一定的位置關(guān)系；旋耕刀安裝在刀座上，刀座焊接在旋耕軸管上，旋耕刀軸一端通過軸承、軸承座安裝在機(jī)架側(cè)板上，另一端安裝在減速箱輸出軸上；鎮(zhèn)壓輥通過銷軸與機(jī)架相連接并采用彈簧施壓，保證在工作時(shí)對(duì)地面產(chǎn)生一定的鎮(zhèn)壓作用。

1.2 工作原理

旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸傳遞的動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸直接傳入本機(jī)減速箱，經(jīng)箱內(nèi)齒輪組減速后傳到輸出軸(花鍵軸), 直接帶動(dòng)安裝在花鍵軸上的左右旋耕刀軸做旋切轉(zhuǎn)動(dòng)；隨著拖拉機(jī)起步前進(jìn)，機(jī)具緩慢落地，在拖拉機(jī)牽引力作用下勻速前進(jìn)；旋耕刀在旋轉(zhuǎn)中將耕深范圍內(nèi)土壤切碎的同時(shí)，將前茬作物秸稈、根茬及其它植被覆蓋在地表以下, 緊隨其后的復(fù)土裝置或鎮(zhèn)壓輥將旋耕后的松土拖平或壓實(shí)完成旋耕整地作業(yè)。

1.懸掛架 2.輸入軸 3.減速箱 4.機(jī)架 5.鎮(zhèn)壓輥 6.旋耕刀軸 7.旋耕刀座 8.旋耕刀 圖1 1GKN-200型旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of 1GKN-200 rotary tiller

1.3 主要參數(shù)

設(shè)計(jì)的1GKN系列旋耕機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 1GKN主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The 1GKN Technical parameter

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與要求

2.1 機(jī)架

機(jī)架是旋耕機(jī)的主要部件之一，關(guān)系到機(jī)具裝配時(shí)各種不同零部件的安裝、定位，以及用于田間不同作業(yè)要求時(shí)各種部件位置調(diào)整等。設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到選用的原輔材料受力強(qiáng)度、外觀的規(guī)整和用材的節(jié)儉，又要考慮原輔材料市場(chǎng)的供應(yīng)狀況。制造時(shí)，要盡量規(guī)避焊接變形；裝配時(shí)，要保證各縱梁位置與其他各種部件不干擾。為了確保制造的機(jī)架滿足設(shè)計(jì)要求, 需要對(duì)該機(jī)架的前后梁實(shí)行下料后校直, 兩端側(cè)板下料后校平, 對(duì)焊后的機(jī)架進(jìn)行校正，并嚴(yán)格控制前后梁的平行度、兩端側(cè)板的平行度、前后梁與兩端側(cè)板的垂直度, 以及機(jī)架(框架) 與箱體聯(lián)接點(diǎn)的位置準(zhǔn)確度和聯(lián)結(jié)孔軸線的相互平行度、同軸度。

2.2 旋耕機(jī)減速箱[5]

減速箱是旋耕機(jī)的核心部件, 關(guān)系到拖拉機(jī)輸出動(dòng)力的平穩(wěn)、安全、可靠傳遞及機(jī)具的工作性能。研制的1GKN系列旋耕機(jī)需要根據(jù)工作幅寬選擇配套動(dòng)力, 由于工作幅寬大于2m的旋耕機(jī)一般應(yīng)與大馬力拖拉機(jī)配套作業(yè), 而大馬力拖拉機(jī)后驅(qū)動(dòng)輪直徑較大, 后動(dòng)力輸出軸中心離地高, 為保證作業(yè)時(shí)萬向節(jié)傳動(dòng)軸的傾斜角度在安全作業(yè)范圍內(nèi), 設(shè)計(jì)時(shí)，把減速箱分為高、低兩種箱體。圖2為1GKN-250H型旋耕機(jī)減速箱。

1.連軸錐齒輪 2.錐齒輪 3～5.直齒輪 6.放油螺栓 7.永磁體 圖2 1GKN-250H型旋耕機(jī)減速箱Fig.2 The reduction gearbox of 1GKN-250H rotary tiller

該減速箱是一個(gè)圓錐-圓柱齒輪減速器，主要由齒數(shù)分別為z1、z2、z3、z4、z5的連軸錐齒輪1、錐齒輪2、圓柱直齒輪3、4、5，以及永磁體和放油螺栓等組成。其中，齒數(shù)為z4的圓柱齒輪，對(duì)傳動(dòng)比沒有影響，是過橋齒輪。其作用有兩個(gè)：一是為了使輸出軸(帶動(dòng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)動(dòng))獲得工作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，二是為輸出軸的工作位置要求。設(shè)計(jì)的減速箱傳動(dòng)比為

由于不同型號(hào)的拖拉機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速不同，該減速箱預(yù)留有可調(diào)空間，可適當(dāng)調(diào)整錐齒輪z1、z2的齒數(shù)比，以此達(dá)到車輛行進(jìn)速度與旋耕刀軸轉(zhuǎn)速相匹配的有機(jī)結(jié)合，從而保證作業(yè)質(zhì)量與效率的完美結(jié)合。減速箱下部放油孔處，永磁體與放油螺栓的配合使用，可將箱體內(nèi)齒輪、軸承在磨合過程中研磨下的粉末顆粒經(jīng)沉淀后及時(shí)吸附到磁鐵上。經(jīng)測(cè)量，安裝永磁體后減速箱體內(nèi)齒輪油在正常使用中含雜率由30mg降到0.5mg，大大提高了齒輪、軸承的使用壽命，減速箱整體使用壽命提高3～5倍。

2.3 旋耕刀軸

旋耕刀軸[6-7]是旋耕機(jī)上的主要部件，與減速箱動(dòng)力輸出軸聯(lián)結(jié)，在動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，安裝在上面的旋耕刀將土壤旋起，并粉碎。一般情況下，旋耕機(jī)上刀軸沒有采取防塵措施，在土壤中作業(yè)時(shí)，塵土很容易進(jìn)入從刀軸兩端進(jìn)入軸承內(nèi)，從而損壞軸承，引起機(jī)具故障。

為了防止塵土進(jìn)入，設(shè)計(jì)了防塵旋耕刀軸,如圖3所示。在旋耕刀軸軸管圓周上焊接有旋耕刀座,軸頭和連接法蘭分別焊接在旋耕刀軸軸管兩端,聯(lián)接套安裝在連接法蘭上,在軸頭和聯(lián)接套上分別焊接有擋土環(huán),軸頭上的擋土環(huán)與側(cè)板軸承室的卡槽相配合,聯(lián)接套上的擋土環(huán)與箱體軸承室的卡槽相配合,從而起到了防止塵土進(jìn)入側(cè)板軸承室和箱體軸承室軸承內(nèi)的作用。為了進(jìn)一步改善整機(jī)潤滑部位的密封性能，把常用的骨架油封改選為內(nèi)旋油封。

旋耕刀軸的使用壽命不僅與設(shè)計(jì)有關(guān), 還與加工工藝有很大關(guān)系。為確保旋耕軸制造質(zhì)量, 除嚴(yán)控材質(zhì)外, 對(duì)軸身(軸管)料在加工前增加校直工藝, 在刀軸焊接時(shí), 采用機(jī)械手對(duì)焊機(jī)床, 從而保證旋耕刀軸焊接質(zhì)量。

1.軸承 2.側(cè)板軸承室 3.擋土環(huán) 4.軸頭 5.旋耕刀軸軸管 6.旋耕刀座 7.連接法蘭 8.聯(lián)接套 9.箱體軸承室 圖3 防塵旋耕刀軸Fig.3 The dustproof cutter shaft

2.4 旋耕刀座

旋耕刀座[8-9]主要由刀座主體和月牙形加強(qiáng)筋組成，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)特征是在刀座主體的一側(cè)增加月牙形加強(qiáng)筋，月牙形加強(qiáng)筋的底部圓弧與刀座主體下端圓弧同心，從而增加了刀座與刀軸管焊接時(shí)的焊縫長(zhǎng)度，提高刀座焊接處的強(qiáng)度，避免因焊接應(yīng)力集中造成容易在焊接處開焊和斷裂的問題。月牙形加強(qiáng)筋的側(cè)面為刀刃形，在刀軸旋轉(zhuǎn)時(shí)能將作物的根莖及雜草切碎，從而防止雜草纏繞到刀軸上面，影響刀軸的正常工作。

1.刀座主體 2.月牙形加強(qiáng)筋 圖4 旋耕刀座Fig.4 The cutter shaft seat

3 田間性能試驗(yàn)與分析

田間性能試驗(yàn)[10]按照GB/T 5668-2008《旋耕機(jī)》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)位于許昌縣惠民農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社的農(nóng)田，試驗(yàn)地長(zhǎng)度100m、寬80m，兩端地頭各留有10m長(zhǎng)的穩(wěn)定區(qū)和停車區(qū)，地勢(shì)平坦、無坡度，土壤含水率22.8%，土壤堅(jiān)實(shí)度1.5MPa。依次對(duì)9種旋耕機(jī)進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)。以試驗(yàn)樣機(jī)1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕機(jī)為例，使用的測(cè)試儀器、量具主要有：超速表1塊、秒表1塊、3m合尺1把、50m卷尺1把、500mm鋼板尺2把、臺(tái)磅1架、水平尺1把、500mmX500mm方框1個(gè)。

首先對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表2和表3所示。

表2 1GKN-250H技術(shù)參數(shù)測(cè)定表Table 2 The determination of 1GKN-250H Technical parameter

表3 1GKN-150技術(shù)參數(shù)測(cè)定表Table 3 The determination of 1GKN-150 Technical parameter

取作業(yè)速度2～7km/h，生產(chǎn)效率0.2～0.7h/h，分別在規(guī)定旋耕深度旋耕過程中隨機(jī)抽樣10次，對(duì)旋耕機(jī)田間作業(yè)性能進(jìn)行了測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 1GKN-250H試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental performance results of 1GKN-250H

表5 1GKN-150試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental performance results of 1GKN-150

結(jié)果表明：1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕機(jī)旋耕深度、土壤破碎率、耕后平整度及植被覆蓋率，均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求旋耕深度8～16cm、土壤破碎率≥60%、耕后平整度≤3cm、植被覆蓋率≥85%)，旋耕質(zhì)量完全滿足耕整土地的農(nóng)藝要求。在同樣的試驗(yàn)條件下，其他7種型號(hào)的旋耕機(jī)，分別在對(duì)應(yīng)的配套動(dòng)力(動(dòng)力范圍14.7～95.6kW)拖拉機(jī)的牽引下，依次進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)匯總，也均滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1)1GKN系列旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)布局和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，關(guān)鍵部件的制造工藝安排得當(dāng)，與該系列旋耕機(jī)配套的動(dòng)力范圍達(dá)14.7～95.6kW，能滿足與大中型拖拉機(jī)配套作業(yè)的旋耕機(jī)的耕作要求。

2)1GKN系列旋耕機(jī)各項(xiàng)田間性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，旋耕深度8～16cm，土壤破碎率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆蓋率≥85%，生產(chǎn)效率0.2～0.7hm2/h，旋耕質(zhì)量完全滿足耕整土地的農(nóng)藝要求。

[1] 何志文,王建楠,胡志超.我國旋耕播種機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(1):361-363.

[2] 鐘江,張憲.農(nóng)業(yè)機(jī)械化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2011,40(5):65-66.

[3] 鄭侃,何進(jìn),王慶杰.等.聯(lián)合整地作業(yè)機(jī)具的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016，32(1):257-263.

[4] 胡春燕,楊伊樂,毛鵬軍.大功率旋耕機(jī)組匹配問題的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,50(10):1945-1947.

[5] 河南豪豐農(nóng)業(yè)裝備有限公司.一種旋耕機(jī)用變速箱:中國,2015 2 0648939.9[P].2015-08-26.

[6] 葛云,吳雪飛,王磊.等.MathCAD在微型旋耕機(jī)旋耕刀軸優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2008(2):121-122.

[7] 李明喜,陳功振.旋耕機(jī)刀軸的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(5):14-16.

[8] 徐紅光,朱茂桃,耿松.1GF-170型滅茬旋耕機(jī)刀具排列方法設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011, 39(34):21495-21496.

[9] 河南豪豐農(nóng)業(yè)裝備有限公司.一種旋耕機(jī)用刀座:中國,2015 2 0648963.2[P].2015-08-26.

[10] 李永磊,宋建農(nóng),康小軍.等.雙輥秸稈還田旋耕機(jī)試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(6):45-49.