葛大萌，呂釗欽

(山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安　271018)

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小型甘薯旋耕起壟機的設計

葛大萌，呂釗欽

(山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安271018)

摘要：根據(jù)甘薯農(nóng)藝要求和種植模式，設計了一種小型甘薯旋耕起壟機。同時，介紹了旋耕起壟機的總體結(jié)構(gòu)及主要工作部件松土、垅土、壟成型、鎮(zhèn)壓的設計原理。采用旋耕刀和起壟犁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，能有效地實現(xiàn)壟的初步成形；壟面成型裝置進一步對壟進行撫平，使壟形成效率高，成形規(guī)整，提高了勞動生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：甘薯；旋耕；起壟機；壟面成形

0引言

甘薯是一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、地瓜、紅薯、朱薯等，由于區(qū)域不同而有不一樣的名稱。甘薯起源于美洲，如今已在100多個國家廣泛種植，16世紀末從南洋傳入我國[1-5]。甘薯是一種營養(yǎng)豐富、用途廣泛、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的農(nóng)作物。我國的甘薯種植面積和總產(chǎn)量均世界首位，它不但是主要的糧食作物，而且是很好的飼料作物，也是工業(yè)生產(chǎn)中的原料作物[6]。

我國雖然是甘薯生產(chǎn)大國，但不是強國，甘薯生產(chǎn)存在著一系列的問題，如農(nóng)藝標準不單一、品種單一、生產(chǎn)技術(shù)不夠精細、管理水平差和機械化程度低等[5]。我國甘薯的種植面積在逐年增加。甘薯是勞動密集型的地下作物，其生產(chǎn)過程主要包括育苗、耕整、施肥、起壟、移栽、中耕管理、去蔓、挖掘、撿拾及儲藏等，與此對應的作業(yè)機械主要包括排種機、剪苗機、旋耕機、施肥機及筑壟機等[7]。

甘薯起壟種植能夠起到調(diào)節(jié)溫度、合理利用水分、改善土壤環(huán)境與光照條件等作用。起壟的目的就是為了加深土層，為甘薯塊根形成和膨大營造一個疏松、良好的土壤環(huán)境，并且在雨水較多的時間里能夠有效克服平作土溫低、水分易流失的缺點，并可保持地表合理的濕度來抑制甘薯地表上面部分生長過旺等趨勢。起壟是甘薯種植前的一道非常重要的工序，也是甘薯全程機械種植快速推進的瓶頸之一，也是甘薯生產(chǎn)中最為耗工、耗力、耗時的工序之一，人工起壟費用通常占甘薯種植用工費的30%左右[7-9]。

在丘陵地區(qū)及地塊較小的土地，大型的機械無法工作，因此研究小型的甘薯機械也是一種當前農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的趨勢。小型機械機動靈活，便于安裝拆卸，價格相對便宜，可降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過相關(guān)理論研究，本文設計研制出一種小型甘薯旋耕起壟機。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　作業(yè)要求

起壟機采用一壟一行的起壟模式,間距1 000mm；作業(yè)對象為地塊較小的土地；在秧苗種植之前，進行作業(yè)。甘薯壟的模式如圖1所示。

圖1　甘薯壟模式示意圖

1.2　總體結(jié)構(gòu)

小型甘薯旋耕起壟機主要由壟成型裝置、撫平裝置、起壟裝置和仿形限深輪裝置4部分組成，整機結(jié)構(gòu)如圖2所示，其三維圖如圖3所示。

起壟裝置主要由旋耕刀組成。工作過程中，旋耕刀主要用于翻土、碎土，利于解決碎土難、刀具夾土和送土效率等問題；對于土質(zhì)較硬的地塊，可以更好地進行工作，提高起壟率。

壟成型裝置采用的是自行設計的單翼旋耕起壟犁，它是甘薯起壟的重要作業(yè)部件之一，作用是借助垅土、成型等部分裝置，將田地里的土塊在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而形成預定形狀和尺寸的土壟，以適應甘薯種植的農(nóng)藝要求。

旋耕起壟犁設計要求主要有：起壟高度穩(wěn)定、自潔性好、前行阻力小、耐磨損、制作工藝方便、土性好及對鄰壟影響小等[10]。

撫平裝置采用全新的梯形鎮(zhèn)壓輪仿形裝置，主要作用是在起壟后對土壤表層進行壓碎、壓實，以防止水分損失，提高壟的緊實度，減少土塊空隙。

1. 彈簧　2.機架　3.變速箱　4.旋耕刀

圖3　旋耕起壟機三維圖

1.3　主要技術(shù)參數(shù)

作業(yè)幅度/mm:900(可調(diào))

挖掘深度/mm：150～300(可調(diào))

挖掘行數(shù)：1壟1行

作業(yè)速度/km·h-1：4～5

配套動力/kW：≥12.5(小型四輪拖拉機)

掛接方式：后三點懸掛

機器質(zhì)量/kg：260

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.20～0.25

起壟高度/mm：≥260

壟形狀：梯形

成型率/%：98

1.3.1主要運動參數(shù)的選擇

在小型旋耕起壟機的運動參數(shù)中，旋耕的速比α和切土節(jié)距β是兩個非常重要的運動參數(shù)，決定著旋耕起壟機的作業(yè)效果[11]。

樣機的設計參照旋耕起壟機的有關(guān)計算公式[11-13]。起壟旋耕速比α同樣定義為

α=Rω/Vm

(1)

式中ω—旋耕刀軸的回轉(zhuǎn)角速度，設計中取ω=18.95~23.25rad/s；

Vm—整機組的前進速度，根據(jù)拖拉機Ⅱ擋前進速度計算，Vm=0.74m/s；

R—旋耕刀片的回轉(zhuǎn)半徑，取R=220mm。

帶入數(shù)據(jù),由式(1)可得：α=5.7~7.0。

同理，切土節(jié)距β定義為

(2)

式中H—旋轉(zhuǎn)切削同一面內(nèi)刀具數(shù)量，H=3；

β—切土節(jié)距(cm)。

由式(2)可得：β=6.63~8.09cm。

由計算出來的切土節(jié)距β和旋耕速比α的數(shù)值范圍分析可知：參數(shù)的選擇是有效的，并且符合農(nóng)機和農(nóng)藝的要求[12-14]。

1.3.2機器的工作幅寬

在參考旋耕機器的作業(yè)中，機械的有關(guān)經(jīng)驗設計公式[5-6,8]為

(3)

式中D—小型拖拉機額定功率(kW)；

T—作業(yè)幅度(m)。

小型拖拉機的額定功率取D=13.4kW，根據(jù)公式(3)可得：T=0.94~1.23m。參考其他農(nóng)作物壟面載植時的技術(shù)要求，該機器的設計幅寬取T=1m，符合農(nóng)藝要求。

1.3.3功率消耗計算

根據(jù)單位面積消耗總功率計算，發(fā)動機總功率P=13.4kW，取功率利用率ηr=0.8，則

1000P·ηr=B·H·KP

(4)

式中B—作業(yè)幅寬，取B=100cm；

H—旋耕深度，取H=250cm；

KP—單位面積所需總功率(kW/cm2)。

計算出KP=0.48kW/cm2。

1.4　工作原理

懸掛架通過螺栓與機架連接，采用三點懸掛的方式配掛在小四輪拖拉機上。機架主要用60mm×60mm×3mm的方鋼焊接而成。工作時，拖拉機帶動機具前行，拖拉機輸出動力通過變速箱傳輸，傳給起壟刀軸，帶動旋耕刀工作；旋耕刀實現(xiàn)初步對土的旋耕起壟，對土質(zhì)較硬，旋耕刀起到了旋耕開溝、翻土、起壟等作用。后邊的壟面成型裝置，圓柱鎮(zhèn)壓輪進一步對壟的頂端和兩側(cè)進行撫平、壓實，達到起壟的最終效果；限深輪隨著機具前行，高度可調(diào)，方便控制旋耕刀的挖掘深度。

2主要工作部件設計

2.1　起壟刀軸

旋耕刀是旋耕起壟機的重要工作部件之一，主要用于開溝、翻土、碎土等，利于后期起壟和撫平作業(yè)的順利進行。所以，要求旋耕刀具有很強的入土性能、穩(wěn)定的工作深度、不拋土且有良好的脫土性能。

旋耕刀通過起壟刀軸和軸承固聯(lián)在機架的兩側(cè)，刀片形狀為風扇葉形，其入土角度和入土深度都可通過相應調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)整，以滿足不同條件的要求。

旋耕刀主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是確保該機器成功起壟的關(guān)鍵。為了降低旋耕刀在土層中的前進阻力，并確保整機作業(yè)的順利進行，入土深度在150~200mm。

旋耕刀通過底盤按裝在旋耕刀軸上，一組3把刀，一共4組。變速箱的輸出軸與旋耕刀軸由錐齒輪連接，從而帶動旋耕刀軸轉(zhuǎn)動。

旋耕刀方向安裝統(tǒng)一向里對應，是為了更好地將土翻起，初步將土向中間堆積，使壟初步形成。

該機作業(yè)時，刀軸每個截面受到的扭矩N為[12,15]

N=9550×P/n

(5)

其中，n為起壟刀軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；P為拖拉機功率(kW)。

取小型拖拉機功率P=13.4kW，起壟刀軸轉(zhuǎn)速n=180r/min，由式(5)得：N=710.9N·m。因此，刀片受到的周向載荷Ft為[12，15-16]

Ft=N/R

(6)

其中，R為起壟刀軸的回轉(zhuǎn)半徑，R=220mm。

由式(6)可得：Ft=3.23×103N。

根據(jù)安裝要求，刀軸軸線和刀盒的夾角為20°， 因此刀片受到的軸向力Fa為

Fa=Fttan20°

(7)

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，由式(7)得：Fa=1.175×103N。

由計算出的數(shù)據(jù)分析可知：刀片的受力是合理的，符合要求。

2.2　起壟犁

為了適應一壟一行的起壟模式，該設計采用單翼整體式的設計。設計時，應考慮甘薯種植起壟過程中的受力、農(nóng)藝要求及天氣情況等。甘薯載植要求壟距為850～100mm，壟頂寬為200～260mm，壟高為160～220mm，壟坡外斜度為125°～135°。

起壟犁為成對存在設計，通過U型螺母安裝在機架上，方便調(diào)整兩個犁之間的距離。它由犁柱及犁壁組成。起壟時犁壁循著水平方向把土塊切開，切下的土塊沿著犁壁的運動翻至內(nèi)側(cè)形成土壟，兩側(cè)的犁一起將土整合，完成甘薯壟的初步形成，如圖4所示。

1.犁柱　2.犁壁

2.3　圓柱鎮(zhèn)壓輪

在起壟工作過程中，壟的成型效果直接影響到甘薯產(chǎn)量。所以，對起壟犁初步形成的甘薯壟進一步的壓實、定型，確保壟的成型和甘薯的種植和收獲，如圖5所示。

3個圓柱鎮(zhèn)壓輪安裝整體呈梯形，符合甘薯壟的形狀；側(cè)方圓柱滾輪和支撐桿連接，通過U型螺母固定在機架上，可以隨時調(diào)節(jié)滾輪的高度和傾斜角度；彈簧將頂端圓柱滾輪與機架相連，通過彈簧的作用，控制滾輪對于壟頂端的撫平作用及滾輪對壟頂壓力。

2.4　仿形限深裝置

限深裝置主要由仿形限深輪、軸承座、銷軸、帶有外螺紋的旋轉(zhuǎn)把手和擁有內(nèi)螺紋的支撐桿組成。通過旋轉(zhuǎn)把手來調(diào)節(jié)限深輪的高度，方便快捷。

限深裝置的作用是調(diào)節(jié)旋耕刀和起壟犁的入土深度，可以根據(jù)土地情況、起壟要求、入土深度和農(nóng)藝要求等情況，隨時調(diào)節(jié)限深輪的高度。

1.U型螺母　2.支撐桿　3.彈簧　4.側(cè)方圓柱滾輪　5.頂端圓柱滾輪

3結(jié)論

1)理論分析與試驗表明：研制的小型旋耕起壟機能順利實現(xiàn)一壟一行的甘薯起壟作業(yè)要求，各項作業(yè)指標滿足農(nóng)藝要求。

2)針對土質(zhì)較硬的地塊，采用旋耕刀和起壟犁相結(jié)合的起壟結(jié)構(gòu)，能夠保證起壟的效率。

3)撫平裝置的圓柱鎮(zhèn)壓輪能很好地完成壟的撫平成型工作，有效地對壟進行壓實，對于前期秧苗的生長及后期甘薯的生長都有較好的作用。

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Design of a Rotary Cultivation Ridger of Sweet Potatoes

Ge Dameng, Lv Zhaoqin

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China)

Abstract：A rotary cultivation ridger was designed according to the agronomic requirements and planting modes of sweet potatoes. This paper introduces the overall structure of rotary cultivation ridger and the design principle of scarification, ridge soil, ridge forming and suppression of main working parts. The structure of rotary cultivation ridger comprises a rotary blade and ridger, it can effectively complete the preliminary forming of the ridge. The ridge forming device will smooth the rige ,it has the advantages of high efficiency of forming, regular forming and high labor productivity.

Key words：rotary tilling; rigder; rigde forming; sweet potatoes

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0109-04

作者簡介：葛大萌(1990-)，男，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)15269863811@163.com。通訊作者：呂釗欽(1962-)，男，山東高密人，教授，博士生導師，(E-mail)lzqsdau2003@126.com。

基金項目：山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系薯類產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊農(nóng)業(yè)機械崗位專家項目(SDAIT-10-011-10)

收稿日期：2015-08-05