趙麗萍，何新如，趙清來，董良杰

(吉林農(nóng)業(yè)大學 工程技術學院，長春　130118)

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STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機的研制

趙麗萍，何新如，趙清來，董良杰

(吉林農(nóng)業(yè)大學 工程技術學院，長春130118)

摘要：設計了STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機。該機采用拖拉機為動力，一次進地，能夠同時完成整地和筑埂作業(yè)。該機主要由牽引架、機架、傳動系統(tǒng)、旋耕部件、集土機構、筑埂壓實部件及液壓油缸等部分組成。田間試驗表明：該機結構設計合理，為水稻生產(chǎn)過程中整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機械化提供了技術支持。

關鍵詞：整地；筑?。灰粰C多用；聯(lián)合作業(yè)

0引言

水稻是我國的主要糧食作物，在糧食生產(chǎn)中占有非常重要的地位。水稻生產(chǎn)過程中，在插秧前需要進行水田灌溉。水田灌溉是將田地劃為田字形的方格，在方格周圍修筑土埂，所筑土埂能夠擋水，使之浸潤土壤。筑埂是實現(xiàn)水田灌溉的關鍵，堅實、合理的田埂不僅能滿足水稻對水分的需求，還可節(jié)約水資源。水田筑埂屬于水稻機械化生產(chǎn)過程中的整地環(huán)節(jié)。文獻表明[1-12]，長期以來水田筑埂都依靠人力完成。人工筑埂是一項既繁重又費工的勞動，即使借助一些專用工具，勞動強度依然很大，工作效率很低，成本卻很高；同時，田埂的一致性和均勻性差，需要人工輔助壓實。人工筑埂已不適合我國大面積平原地區(qū)種植水稻的耕作模式，更不利于推進水田生產(chǎn)機械化的發(fā)展。因此，及時而優(yōu)質地修筑效果令人滿意的土埂是水稻生產(chǎn)的基本條件之一。修筑田埂最好的方法就是采用機器筑埂。水田筑埂機械化是實現(xiàn)水田全程機械化生產(chǎn)必不可少的重要環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)筑埂機械化已迫在眉睫。

目前，國內外對筑埂機有一定的研究，國內對筑埂機的研究較早。周勤就、田恒增研究設計了一種平畦筑埂機[13]，由刮土板、鎮(zhèn)壓輪及防陷輪等部件組成，是在西集打埂機的基礎上研制出來的。東北農(nóng)學院研制了一種鏵式犁取土，用成型板來進行鎮(zhèn)壓成型的水田筑埂機；劉百合對系列水田筑埂機進行了研究；重慶北磅區(qū)科委、區(qū)農(nóng)機管理站等單位聯(lián)合研制了一種簡易筑埂機，整機質量只有73kg，結構簡單，只有兩對變速齒輪，操作非常方便，可在山區(qū)小田塊進行筑埂作業(yè)，可有效緩解勞動力緊張的情況，適合農(nóng)村小戶、小面積水田作業(yè)；天津市薊縣農(nóng)機化技術推廣服務站研制了一種葡萄行間筑埂機，主要由機架、筑埂鏟、傳動箱、連桿、曲柄和地輪等部件組成，配套動力采用輪式拖拉機，由拖拉機輸出的動力通過傳動軸輸出，傳遞到蝸桿減速器，由此帶動曲柄旋轉，曲柄和連桿連接，連桿置于曲柄和筑埂鏟之間，即可使筑埂鏟上下擺動，從而完成筑埂作業(yè)；中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)機研究所新研制的懸掛式田間筑埂機，適用于水渠和水田的筑埂作業(yè)，該機筑埂形狀為梯形。

國外對于筑埂技術的研究，以日本處于世界領先水平。目前，日本的水田筑埂機是采用拖拉機為動力的農(nóng)田機具，適用于在水田里進行長時間的筑埂作業(yè)。此類機具具有質量輕、油耗小及使用成本低的特點。其筑埂機具主要有以下3種：

1)先通過升運葉片將土壤升起，然后借助布置在機具兩側面和上面的抹埂板將土壤貼抹到田埂的兩側部和上部。

2)通過一種螺旋犁將土壤橫向輸送，采用培土板將土壤推向田埂中間，采用上面的鎮(zhèn)壓輥壓平，而兩側面則用鎮(zhèn)壓板來抹平。

3)采用橫切旋耕器，可以修復舊土埂。首先采用旋耕刀切削舊土埂的側面，同時粉碎土埂上面的土塊；然后把成形所需要的土壤運到土埂中間；最后采用旋轉圓盤滾動的方法使土埂成形，并將土埂加工成較光滑的表面。

我國和其它國家的國情截然不同，國外的筑埂機不適合中國的筑埂作業(yè)。即使是在國內，不同省份在土質方面差別仍然很大。同時，由于我國南北方土質、地勢、地貌差別較大，水稻的種植差別也較大。例如，在北方地區(qū)，配套拖拉機的動力在40kW以上，而在南方地區(qū)則需要與中小功率的拖拉機配套使用。

由此可見：國內外對水田筑埂機有一定的研究，但上述筑埂機只有筑埂功能，沒有旋耕功能，功能單一，工作效率較低，而針對我國大面積平原水稻生產(chǎn)過程中整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機的研究尚未查到有關資料。為此，本文設計了STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機。該機可以與現(xiàn)有的60～100kW輪式拖拉機直接掛接牽引進行作業(yè)，能夠在旋耕土壤的同時筑出一條土埂。整機結構設計合理，一機兩用，具有油耗低、作業(yè)效率高、整地和筑埂效果好等特點，能夠有效解決人工筑埂存在的許多問題，滿足了水稻生產(chǎn)過程中節(jié)本增效的實際需要，實現(xiàn)了整地和筑埂作業(yè)全程機械化。

1結構與工作原理

聯(lián)合作業(yè)機結構如圖1所示。

1.液壓缸　2.軸Ⅲ軸承座　3.連接銷軸　4.集土筑埂機架

該機主要由牽引架、機架、傳動系統(tǒng)、旋耕碎土部件、離合器、集土器、推壓成型輥及液壓升降機構等部件組成。牽引裝置為三點式懸掛牽引，與拖拉機相連；傳動系統(tǒng)將拖拉機輸出的動力分別傳遞給旋耕碎土部件和推壓成型輥，動力在傳遞給推壓成型輥的過程中主要是通過雙排鏈傳動來實現(xiàn)的，并在傳動系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)安裝有離合器。離合器的作用是該機在作為旋耕、筑埂聯(lián)合作業(yè)機的時候，使鏈傳動嚙合，完成動力傳遞；當無需筑埂作業(yè)時，離合器使鏈傳動脫離，無動力傳遞，此時該機器只進行旋耕機作業(yè)。旋耕碎土部件為兩旋耕刀半軸上各安裝31把螺旋形布置的旋耕刀片；集土器采用一對集土鏟作為集土機構，通過立柱與機架固定連接，而且立柱可上下調節(jié)，目的是調節(jié)集土量的大小，以便調節(jié)筑埂所需的不同用土量；推壓成型輥采用帶有彈性刀片且可旋轉的推壓成型輥；升降機構是以液壓缸為動力控制筑埂機繞著旋轉軸升降，實現(xiàn)旋耕作業(yè)或整地筑埂聯(lián)合作業(yè)，一機兩用。

該機工作原理：拖拉機通過萬向節(jié)將動力傳遞到變速箱，再由其內的一對錐齒輪將動力通過各個輸出軸傳遞到推壓成型輥；同時，在與錐齒輪同軸上安裝有一直齒輪，通過四級直齒輪傳動，將動力傳遞到旋耕刀總成上，由此形成了一套比較完整的機械傳動系統(tǒng)；變速箱將動力傳遞給旋耕刀軸，驅動兩半旋耕刀軸旋轉，以實現(xiàn)旋耕土壤的作用；被旋耕刀打碎的土壤由一對集土鏟進行初步收集成土埂，土埂經(jīng)推壓成型輥最終壓實成型，形成一條堅硬、光滑的土埂。

2主要部件的設計

2.1變速箱的設計

變速箱的設計如圖2和圖3所示。

1.大錐齒輪　2.大直齒輪Ⅱ　3.齒輪軸Ⅴ　4.直齒輪Ⅲ

1.大錐齒輪　2. 鏈輪輸出軸　3.小錐齒輪　4.輸入軸

變速箱主要由箱體、箱蓋、主動錐齒輪、從動錐齒輪、直齒輪、過渡齒輪、輸出齒輪、軸承和端蓋等組成。工作時，拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)傳遞給變速箱的輸入軸。輸出時，一方面輸入軸上主動錐齒輪將動力傳遞給從動錐齒輪，再通過所加裝的鏈輪將動力依次傳遞給后面的推壓成型輥，實現(xiàn)推壓成型輥的轉動；另一方面輸入軸上主動錐齒輪將動力傳遞給從動錐齒輪，通過直齒輪、過渡齒輪、輸出齒輪等將其傳至與之相連接的兩個旋耕刀軸上，使其旋轉。動力傳動軸的轉速為540r/min，傳動比取2.58，則輸出軸的轉速為209r/min。該變速箱具有輸出轉矩大、結構簡單、性能可靠及傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。

2.2傳動系統(tǒng)的設計

傳動系統(tǒng)的結構示意圖如圖4所示。

圖4　傳動系統(tǒng)的結構示意圖

工作時，拖拉機輸出的動力通過萬向節(jié)傳遞給變速箱的動力輸入軸Ⅰ，通過動力輸入軸Ⅰ上的1對錐齒輪的嚙合，帶動軸Ⅱ旋轉。一方面，軸Ⅱ上的動力通過4級直齒輪傳動將動力傳遞到軸Ⅲ、軸Ⅳ，從而帶動兩個半旋耕刀軸旋轉，完成旋耕作業(yè)；另一方面，軸Ⅱ上的動力通過安裝在其上的鏈輪，將其依次傳遞到軸Ⅴ、軸Ⅵ、軸Ⅶ上，從而帶動筑埂裝置上的推壓成型輥旋轉，將土壤最終壓實成型。

2.3可升降部件的設計

為實現(xiàn)一機兩功能，在此機器上設計了可升降裝置，即液壓油缸將旋耕機架和筑埂機架連接起來。采用拖拉機為動力，可以將液壓油缸伸長或縮進。液壓油缸伸長時，將筑埂部件置于田地上，作業(yè)時可實現(xiàn)旋耕筑埂一次成型；當不需要筑埂只進行整地時，就可以通過液壓油缸的收縮，使筑埂部件繞旋轉軸Ⅴ轉動90°以實現(xiàn)其升降，既真正實現(xiàn)了可調節(jié)式的一機兩功能，又方便機器的運輸作業(yè)。

2.4集土裝置的設計

為了在整地的同時能順利地筑出一條土埂，必須在要形成土埂的地方聚集足夠多的土源。由于集土鏟具有半螺旋形犁體曲面，其具有結構簡單、易于裝配、升降靈活、易于控制耕深的特點，且其翻垡能力強，適用于稻田地翻埋雜草、稻稈、殘茬等要求覆蓋性能好的土地耕翻作業(yè)，故采用一對集土鏟作為本機的集土機構，如圖1所示。其主要由成對的集土鏟、立柱、集土鏟座等組成。集土鏟與立柱用螺栓固定連接，立柱安裝在鏟座內并用U型螺栓連接，安裝座與筑埂機架固定連接。

為保證集土鏟的集土效果能夠滿足筑埂土量要求，集土鏟立柱與安裝座采用可調解活動連接。也就是說，立柱沿鏟座可以垂直上下調節(jié)，從而使集土鏟入土深淺不同：立柱沿鏟座向下調節(jié)，鏟尖入土深，集土量大；反之，集土量小。這樣即可實現(xiàn)根據(jù)需要改變集土量的大小，筑出所需田埂尺寸，并使田埂初步成形。

選擇設計可調節(jié)式集土鏟作為集土器的原因是該集土鏟具有如下特點：集土鏟入土后，左邊的集土鏟翻轉的土向右側翻轉，右邊的集土鏟翻轉的土向左側翻轉，這樣在一對集土鏟經(jīng)過的地方就初步形成了一條壟畦，為下一步筑埂創(chuàng)造了有利的條件。

由于在作業(yè)中集土鏟同時承受較大的徑向力和軸向力，所承受的負荷比旋耕刀大，所以其材料選用65Mn鋼板制造，熱處理硬度要求HRC45～50[14]。

2.5筑埂推壓成型裝置的設計

如圖1所示，將筑埂部件設計成可旋轉式安裝在集土鏟的后面。本機筑埂部件所筑土埂的橫截面形狀為梯形，而且所筑土埂還應具有一定的堅實度。為此，將筑埂推壓成型裝置按土埂的輪廓外形，設計成由中部推壓成型輥和左、右兩側圓錐形輪轂組成。其中，中部推壓成型輥為圓柱形，左、右兩側圓錐形輪轂由塑性壓片和彈性壓片通過螺栓連接在一起組成，如圖5所示。

1.鏈輪Ⅵ中 2.推壓成型輥　3.螺栓孔　4.塑性壓片　5.彈性壓片

該機整地筑埂聯(lián)合作業(yè)時，當推壓成型輥旋轉脫離土層時，彈性壓片恢復原狀；當推壓成型輥旋轉接觸到土層時，彈性壓片由于受到土埂側表面外力的作用而向兩側圓錐形輪轂表面收縮，即完成了對土埂表面的擠壓和拍打，使筑出的土埂表面既堅硬又光滑，筑埂質量非常好。改變彈性壓片、塑性壓片和推壓成型輥的尺寸大小，即可改變所筑土埂的寬度和高度，以適應不同地區(qū)對土埂尺寸的不同要求。

本機所筑土埂的斷面為梯形，高度300mm，上底頂寬300 mm，下底底寬650mm。

3聯(lián)合作業(yè)機的制造

STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機實物圖如圖6所示。

圖6　STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機實物照片

4主要技術參數(shù)

STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1　STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機的主要技術參數(shù)

5田間試驗與結果

2014年10月，以拖拉機為動力源，對機具進行了田間整地筑埂作業(yè)試驗。結果表明：當拖拉機的平均作業(yè)速度在1 000～1 500m/h時，所筑土埂效果良好。

為此，項目組成員采用北京盟創(chuàng)偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SL-TSB型高智能漢字顯示土壤緊實度儀對此速度下所筑土埂的緊實度進行了測量，結果如表2所示。

表2　所筑土埂的緊實度

由表2可見：土埂緊實度的范圍在98～115kPa之間，土埂左側和土埂右側的緊實度基本相當；土埂上面緊實度值雖然比土埂兩側略小，但其結實度也足夠，即使體重100kg的人站在其上面，也不會發(fā)生坍塌，如圖7所示。

圖7　整地筑埂作業(yè)效果圖片

采用北京盟創(chuàng)偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SU-LB型漢顯土壤水分測試儀對所筑土埂效果滿意的土壤濕度取樣并進行了測定，其測量結果如表3所示。

表3　所筑滿意土埂的濕度

由表3可見：獲得滿意緊實度土埂所需要的土壤濕度范圍為25%～40%，此時整地筑埂效果最好。

可見，采用該機器可以完成整地、筑埂聯(lián)合作業(yè)，所筑土埂光滑、平整，如圖7所示。由圖7可見：土埂緊實度足夠，即使體重100kg的人站在其上面，也不會發(fā)生坍塌。該機一機兩用，操作簡單，作業(yè)成本低，工作效率高，為人工筑埂的幾十倍，且作業(yè)成本低，僅為人工筑埂費用的20%左右。

6結論

新研制的STZZ1-230型整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機所需配套動力為60～100kW拖拉機，作業(yè)幅寬2 300mm，旋耕深度130～180mm，筑埂高度300mm，筑埂上頂寬300mm、下底寬650mm，作業(yè)速度1 000～1 500m/h，所筑土埂緊實度范圍在100～115kPa之間。該機可在春天水稻插秧前，土壤的含水率為25%～40%的稻田上一次整地筑埂成型。

該機將整地與筑埂過程中的旋耕、集土、整形、拍實和壓光等多道工序一次完成，而且所筑土埂外形規(guī)則、結實、美觀，能夠真正實現(xiàn)一機兩用。使用該機可減少拖拉機作業(yè)次數(shù)，既提高了作業(yè)效率，又減少了油耗，適合于我國大面積平原水稻生產(chǎn)的整地筑埂聯(lián)合作業(yè)的要求。同時，具有結構合理、生產(chǎn)效率高、油耗低、作業(yè)質量好、替代勞動力多、作業(yè)成本低及經(jīng)濟效益好等特點，一機雙功能，符合當前水田機械發(fā)展的節(jié)本增效新方向。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0114-EA

Design and Manufacturing on Rotavating and Building Ridge Combined Work Machine in STZZ1- 230 Type

Zhao Liping, He Xinru， Zhao Qinglai， Dong Liangjie

(The Faculty of Technology and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract：In this paper, a kind of rotavating and building ridge combined work machine in STZZ1-230 type was designed and Manufactured on a rice paddy production. The tractor was used and land rotary tillage and ridging were completed at the same time. It mainly consists of the traction frame, machine frame, gearing parts, rotary parts, set shovel soil, building ridge squeezing parts，cylinder. Field tests have showed that the structure was designed reasonably and the support were provided to mechanization of rotavating and ridging combined work in paddy field.

Key words：rotavating; building ridge; a multi-purpose machine;combined work

文章編號：1003-188X(2016)02-0114-05

中圖分類號：S222.5+3

文獻標識碼：A

作者簡介：趙麗萍(1969-)，女，吉林乾安人，副教授，碩士，( E-mail)245042057@ qq．com。通訊作者：董良杰(1964-)，男，吉林梨樹人，教授，博士，( E-mail)1278360576@ qq．com。

基金項目：吉林省科技廳項目(20120202)

收稿日期：2015-02-04