李超軍，葉　進(jìn), 薛元鵬

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

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小型多功能聯(lián)合作業(yè)耕耘機(jī)設(shè)計(jì)

李超軍，葉進(jìn), 薛元鵬

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400715)

摘要：微型耕耘機(jī)具有體積小、質(zhì)量小和方便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，適宜在丘陵山區(qū)作業(yè)。我國(guó)的微耕機(jī)近年來經(jīng)歷快速發(fā)展[1]，現(xiàn)已能基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求；但是，國(guó)內(nèi)微耕機(jī)大多只能完成某一特定作業(yè)，功能單一，且工作穩(wěn)定性不好。為此，提出一種具備深松、推土、旋耕等功能的乘坐式小型多功能聯(lián)合作業(yè)耕耘機(jī)，能同時(shí)完成兩項(xiàng)作業(yè)，且能根據(jù)作業(yè)要求更換配套工作部件；其配備液壓控制系統(tǒng)，可有效調(diào)節(jié)后旋耕部件耕深，并對(duì)工作部件起到過載保護(hù)的作用。田間試驗(yàn)表明：其作業(yè)效果良好，并具有較好的操縱性和工作穩(wěn)定性，能較好地滿足丘陵山區(qū)的作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合作業(yè)；液壓控制系統(tǒng)；調(diào)節(jié)耕深；可更換工作部件

0引言

由于丘陵山區(qū)的特殊地貌(農(nóng)田大多地塊小、田埂高、坡度大)，無(wú)法應(yīng)用大型農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行土地耕整作業(yè)，所以丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展一直是我國(guó)的一項(xiàng)難題。微耕機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，比較適宜用于丘陵山區(qū)的農(nóng)田作業(yè)，其已成為我國(guó)丘陵山區(qū)耕整地的主要農(nóng)業(yè)機(jī)械，并使丘陵山區(qū)機(jī)耕水平得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。

隨著微耕機(jī)的普及使用，其缺陷也日益凸顯。微耕機(jī)的旱地耕深一般在15cm左右，而土壤經(jīng)多年的淺層翻耕后，表土下出現(xiàn)了硬底層，使得表層土壤內(nèi)微生物積聚，土傳病害加重；且虛層和實(shí)層土壤上下分明，導(dǎo)致作物根系大多分布在淺層土壤中，無(wú)法突破硬底層向下生長(zhǎng)，使作物無(wú)法從較深的土壤中吸取養(yǎng)分，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，由于表層土壤比較淺，其蓄水能力有限，降低了土壤的儲(chǔ)水能力[2]。

各類微耕機(jī)作業(yè)相關(guān)資料表明，目前國(guó)內(nèi)使用的微耕機(jī)大都存在以下缺陷：

①功能單一，不能多機(jī)具同時(shí)協(xié)同作業(yè)；②耕深淺，且操作勞動(dòng)強(qiáng)度大；③缺乏過載保護(hù)能力，耕作時(shí)遇到石塊、樹根等可能會(huì)損壞機(jī)器；④深松和旋耕深度不易調(diào)節(jié)；⑤在耕作時(shí)行走輪的靈活性較差。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，設(shè)計(jì)了一種小型多功能聯(lián)合作業(yè)耕耘機(jī)。其采用雙耕作部件自平衡技術(shù)，可較好地緩解旋耕振動(dòng)，有效降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度；采用乘坐式雙履帶底盤技術(shù)，從根本上解決了操縱舒適性的問題；采用液壓控制系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)深松和旋耕深度，且可以起到過載保護(hù)的作用。

1整機(jī)布局設(shè)計(jì)

該乘坐式小型多功能聯(lián)合作業(yè)耕耘機(jī)整體布局如圖1所示。其包括動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、履帶、前深松裝置、后旋耕部件及液壓控制系統(tǒng)，工作時(shí)前進(jìn)方向?yàn)閳D1中從左向右方向。

1.動(dòng)力系統(tǒng)　2.主動(dòng)輪　3,8液壓油缸　4.深松鏟

本機(jī)采用15kW雙缸汽油機(jī)作為動(dòng)力，動(dòng)力通過帶傳動(dòng)傳遞給主減速器后，一部分通過變速箱傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整機(jī)前進(jìn)；另一部分從主減速器通過帶傳動(dòng)傳遞給液壓油泵，油泵泵油通過油管驅(qū)動(dòng)液壓活塞桿做伸縮運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后懸掛裝置的液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)。

液壓系統(tǒng)一方面通過控制液壓杠的伸縮運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)深松部件角度和旋耕部件的離地間隙來調(diào)節(jié)耕作深度，可以根據(jù)田間土壤情況的不同而調(diào)節(jié)耕深，使耕耘機(jī)始終保持較為理想的工作狀態(tài)；另一方面對(duì)作業(yè)部件起到過載保護(hù)的作用。當(dāng)耕作部件遇到障礙物時(shí)做出避障動(dòng)作，保護(hù)刀具，從而延長(zhǎng)耕耘機(jī)的使用壽命。同時(shí)，該機(jī)工作時(shí)可同時(shí)完成深松和旋耕兩項(xiàng)作業(yè)，且前深松裝置可換裝成推土鏟等其它工作裝置，后懸掛裝置上也可換裝起壟部件等其它作業(yè)部件，從而達(dá)到前后協(xié)同作業(yè)和一機(jī)多用的效果。行走裝置為雙履帶式輕量化底盤，其兩邊驅(qū)動(dòng)輪都裝有牙嵌式離合器，通過切斷一邊的動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，從而提高整機(jī)的通過性和轉(zhuǎn)向靈活性。

2液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

該耕耘機(jī)上配備的液壓系統(tǒng)主要功能為調(diào)節(jié)旋耕耕深和深松鏟及推土鏟的角度，同時(shí)對(duì)工作部件起到過載保護(hù)的作用，其工作原理如圖2所示。

1.油箱　2.過濾器　3.液壓泵　4.耕深調(diào)節(jié)電磁閥

圖2中：液壓油缸的活塞桿端與連接后懸掛部件的搖臂用銷軸鉸接，缸體端鉸接在機(jī)架上，通過控制活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂做上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)旋耕刀軸的離地間隙，從而達(dá)到調(diào)節(jié)耕深的作用[3]。當(dāng)耕耘機(jī)以一定耕深正常工作時(shí)，動(dòng)力經(jīng)主減速器通過帶傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓油由油箱經(jīng)過濾器被吸入液壓泵，然后經(jīng)過溢流閥流回油箱；當(dāng)耕耘機(jī)在土壤較板結(jié)或較粘黏的田塊作業(yè)時(shí)，需要減小耕深來保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于較理想的工作狀態(tài)。此時(shí)，控制耕深調(diào)節(jié)電磁閥，使液壓油經(jīng)過電磁閥和單向閥進(jìn)入油缸右側(cè)，同時(shí)油缸左側(cè)的液壓油回流，使得活塞桿向左縮進(jìn)缸體內(nèi)，帶動(dòng)搖臂向上擺動(dòng)以達(dá)到減小耕深的目的。當(dāng)耕耘機(jī)在土壤較疏松的田塊作業(yè)時(shí)，要增大耕深。此時(shí)，控制耕深調(diào)節(jié)電磁閥，使液壓油經(jīng)過電磁閥和單向閥進(jìn)入油缸左側(cè)，同時(shí)油缸右側(cè)的液壓油回流回油箱，使得活塞桿向右伸出，驅(qū)動(dòng)搖臂向下擺動(dòng)以達(dá)到增大耕深的目的。

當(dāng)耕作部件遇到大的石塊或者樹根時(shí)，耕作部件受到阻礙，產(chǎn)生反作用力，經(jīng)過搖臂傳遞給活塞桿，從而加大油缸左側(cè)液壓油壓力。當(dāng)回路中液壓油壓力超過溢流閥設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)，溢流閥溢流，卸荷，液壓油流回油箱。此時(shí)，耕作部件做出避讓動(dòng)作，起到保護(hù)耕作部件的作用。前深松部件的液壓控制原理與控制旋耕部件的同理，故不作贅述。

3旋耕部件設(shè)計(jì)

后置旋耕部件通過懸臂掛接在機(jī)架上，旋耕刀軸通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速的無(wú)極調(diào)速，刀軸的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)耕耘機(jī)的前進(jìn)速度調(diào)節(jié)，使得旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度比λ>1，保證較為理想的旋耕效果。旋耕刀選用彎刀，由正切部和側(cè)切部構(gòu)成，有較為鋒利的正切刃、側(cè)切刃及刃口為曲線，有較好的滑切性能。作業(yè)時(shí)，刀刃按離刀軸中心的距離先近后遠(yuǎn)依次入土，利于將掛在刃口上的雜草和莖稈沿刃口甩出。

旋耕部件采用順銑方式作業(yè)，刀輥的轉(zhuǎn)向與履帶驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向相同，刀片由未耕地表向下向后切土拋土；工作時(shí)，土壤給刀片一個(gè)沿耕耘機(jī)前進(jìn)方向的力，相當(dāng)于增加了部分耕耘機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力[4]。圖3為一定試驗(yàn)條件下土壤含水率、堅(jiān)實(shí)度與所需功率的關(guān)系。

由圖3可見：旋耕的功耗隨土壤含水率的增加而減小，隨土壤堅(jiān)實(shí)度的減小而減小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有

N=0.1KλdvmB

(1)

其中，d為耕深(cm)；vm為機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；B為耕幅(m)；Kλ為旋耕比阻(N/cm2)。顯而易見：當(dāng)耕深加大，機(jī)組前進(jìn)速度加快；土壤比阻較大時(shí)，旋耕所消耗的功率也隨著增大。所以，為了適應(yīng)不同條件的耕作，且保持發(fā)動(dòng)機(jī)處于較理想的工作狀態(tài)，本耕耘機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸，通過操作液壓系統(tǒng)可以達(dá)到調(diào)節(jié)耕深的效果。旋耕部分可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，使得刀軸的旋轉(zhuǎn)速度可根據(jù)前進(jìn)速度適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，保持旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度的比值一直在合理范圍內(nèi)，以適應(yīng)不同田間狀況[5]。

當(dāng)耕耘機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，切斷液壓馬達(dá)動(dòng)力，使旋耕部分停止轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，操作液壓控制系統(tǒng)將后置旋耕部分提升到最高位置，離開地面，便于耕耘機(jī)的運(yùn)輸。

圖3　土壤含水率、堅(jiān)實(shí)度與所需功率的關(guān)系

4前置作業(yè)部件

前置作業(yè)部件為懸掛式深松鏟，采用間隔深松，部件幅寬為1.1m，總鏟數(shù)為4條，耕深為18cm。

研究表明：不同的深松鏟在深松作業(yè)時(shí)都可以在一定程度上改善土壤的性能，但在同樣的條件下，鑿型深松鏟相對(duì)箭型深松鏟和雙翼深松鏟而言，其在改善土壤持水量、土壤溫度和土壤堅(jiān)實(shí)度方面的綜合作用較其他兩種效果更好[6]。鑿型深松鏟可改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并使土壤的堅(jiān)實(shí)度降低，從而達(dá)到提高土壤溫度和蓄水能力，使作物能夠更好的生長(zhǎng)。所以，本耕耘機(jī)的深松部件選用鑿型深松鏟。

如圖4所示：前置深松鏟鉸接在機(jī)架上，大臂油缸鉸接在機(jī)架上，活塞桿端鉸接于深松鏟安裝座上，小臂油缸鉸接在深松鏟安裝座上，活塞桿端與深松鏟連接，深松鏟則通過鉸鏈安裝在安裝座上。這樣就可以通過控制液壓系統(tǒng)來調(diào)節(jié)深松部件做出相關(guān)動(dòng)作。當(dāng)深松鏟遇到大的石塊或者樹根等障礙時(shí)，其反作用力使得液壓系統(tǒng)油路壓力上升；超過設(shè)定的閾值時(shí)，溢流閥卸荷，小臂活塞桿縮進(jìn)油缸內(nèi)，使深松鏟完成避讓的動(dòng)作，起到過載保護(hù)的作用。當(dāng)耕耘機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，則控制大臂油缸，將整個(gè)深松部件提起，便于運(yùn)輸。同時(shí)，前置作業(yè)部件亦可換成小型推土鏟，可實(shí)現(xiàn)推土平地的作用。

1.深松鏟　2.小臂油缸　3.機(jī)架　4.大臂油缸

5行走裝置

本文提出的小型耕耘機(jī)行走裝置為輕量化設(shè)計(jì)的雙履帶底盤，包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和履帶，如圖5所示。其中，主動(dòng)輪安裝在動(dòng)力系統(tǒng)輸出軸上，主動(dòng)輪下方設(shè)置有若干個(gè)從動(dòng)輪，安裝在底盤上，主要起支撐作用；主動(dòng)輪通過履帶帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶均勻地接觸地面，從而驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走。雙履帶底盤保證了耕耘機(jī)良好的通過性、轉(zhuǎn)向靈活性和地形適應(yīng)能力[7]。

圖5　履帶

6結(jié)論

根據(jù)第一代樣機(jī)的田間試驗(yàn)效果可知，該耕耘機(jī)可以達(dá)到較大深松耕深，前深松后旋耕協(xié)同作業(yè)效果也比較理想，其液壓耕深調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可基本滿足要求。同時(shí)，由于其采用乘坐式耕作方式，有效地降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，總體而言效果基本達(dá)到預(yù)期要求。

但是，其存在一定的問題，當(dāng)遇到比較板結(jié)的土壤時(shí)，保持設(shè)計(jì)耕深作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)冒黑煙；當(dāng)耕作部件遇到石塊等障礙物時(shí)，其液壓避障系統(tǒng)的反應(yīng)速度稍顯緩慢，且其回位速度比較不理想。所以，后續(xù)仍需繼續(xù)改進(jìn)其各個(gè)部件以及部分機(jī)構(gòu)的原理。

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Design of Utility Combination Process Micro-cultivator

Li Chaojun, Ye Jin, Xue Yuanpeng

(College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715，China)

Abstract：Micro-cultivator , having the advantages of small size , light weight , convenient transportation , is suitable for operation in hilly regions . Owing to its great market prospects, micro-cultivator can basically meet the requirements of agricultural production now after its rapid development in recent years. However, most of the domestic micro-cultivator can do only one specific job and perform bad in working stability. In order to solve these problems, this paper puts forward a new kind of utility combination process riding micro-cultivator which has the ability of subsoiling, bulldozing, rotary tillage and so on. Also, it can once complete two operations and can meet the requirements of agricultural production by changing its working parts. The hydraulic control system, which is placed on the micro-cultivator, can effectively adjust the depth of rotary tillage part and protect the working parts from overload. Field trials have proved that the micro-cultivator, performing good at operation effect, maneuverability and working stability, can well meet the requirements of agricultural production in hilly regions.

Key words：combination process; hydraulic control system; adjusting depth; changing working parts

中圖分類號(hào)：S222.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0150-04

作者簡(jiǎn)介：李超軍(1992-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，(E-mail) 656800187@qq.com。通訊作者：葉進(jìn)(1962-)，男，四川威遠(yuǎn)人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yejin2007@gmail.com。

基金項(xiàng)目：重慶市科委項(xiàng)目(cstc2014jcsf-nycgzhA80018)

收稿日期：2015-10-26