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(1.云南煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650100)

研究與設(shè)計(jì)

旋耕起壟打塘多功能復(fù)合整地機(jī)的研制

劉加紅1，袁剛2*，楊永發(fā)2

(1.云南煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650100)

研制一款煙草專用旋耕打塘起壟三位一體復(fù)合機(jī)具，其與現(xiàn)有的打塘機(jī)相比，提高作業(yè)效率，打塘深度和大小均勻，達(dá)到了煙草膜上移栽的農(nóng)藝要求。借鑒現(xiàn)有打塘機(jī)設(shè)計(jì)理念，計(jì)算分析得出系統(tǒng)的傳動(dòng)方案。運(yùn)用Pro/E進(jìn)行三維建模，利用有限元分析方法對(duì)機(jī)架兩種作業(yè)工況下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出機(jī)架所受的最大應(yīng)力及最大變形量。通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)打塘機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)行評(píng)估。

打塘機(jī)；旋耕起壟；有限元；試驗(yàn)

我國(guó)是世界上最大的烤煙生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，但目前烤煙的種植主要還是依靠人力，機(jī)械化水平較低。烤煙生產(chǎn)是一項(xiàng)勞動(dòng)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)要求繁瑣的工作。由于勞動(dòng)力缺乏，人工成本急劇增加，使得烤煙種植機(jī)械化成為今后發(fā)展的主要方向[1]。起壟打塘作為烤煙生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，對(duì)烤煙生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前的旋耕起壟不能滿足種植烤煙時(shí)起壟打塘的農(nóng)藝要求，目前市場(chǎng)上還沒有集旋耕起壟打塘于一體的機(jī)具，烤煙的起壟打塘作業(yè)主要還是由人工完成。

國(guó)外對(duì)移栽機(jī)的研究起步較早，機(jī)器種類也較多，但主要分為膜上移栽和膜下移栽兩種方式。如美國(guó)Kennco農(nóng)機(jī)生產(chǎn)公司研制的半自動(dòng)膜上挖穴移栽機(jī)，能實(shí)現(xiàn)單行或多行的膜上移栽作業(yè)，也可以進(jìn)行沒有覆膜的壟上移栽，而且能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)單株注水量，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但其主要適用于大株距的蔬菜移栽。新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)所王序檢等人研制出1LZ-5.4聯(lián)合整地機(jī)，該機(jī)一次作業(yè)能夠完成平整、松土、碎土和鎮(zhèn)壓4道工序，具有生產(chǎn)率高、作業(yè)質(zhì)量好等特點(diǎn)，但不能實(shí)現(xiàn)旋耕起壟打塘一體化[2-4]。目前急需設(shè)計(jì)研發(fā)專門用于烤煙起壟打塘的組合機(jī)具，以提高旋耕起壟打塘效率、減輕種植烤煙的勞動(dòng)強(qiáng)度、增加煙草產(chǎn)量、降低烤煙的生產(chǎn)成本。

1 烤煙種植農(nóng)藝要求

根據(jù)我國(guó)烤煙種植的農(nóng)藝要求，采用單壟單行種植，田間的烤煙種植農(nóng)藝參數(shù)見表1。

表1 烤煙種植農(nóng)藝參數(shù)

測(cè)量對(duì)象尺寸參數(shù)/cm塘距50～65(可調(diào))塘深15～30(可調(diào))塘口直徑30～40(可調(diào))壟距60(可調(diào))

2 復(fù)合機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1復(fù)合機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

旋耕起壟打塘復(fù)合機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 旋耕起壟打塘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.伸縮彈簧；2.滑槽；3.打塘機(jī)架；4.鏈傳動(dòng)組；5.減振彈簧；6.打塘鏟；7.齒輪組；8.地輪；9.聯(lián)軸器；10.吊掛架；11.旋耕變速箱；12.旋耕機(jī)架；13.旋耕部件；14.起壟部件

旋耕起壟打塘復(fù)合機(jī)是針對(duì)云南干旱山地烤煙膜下移栽設(shè)計(jì)的，其主要由旋耕部件、起壟部件、打塘部件、地輪、打塘鏟等組成，該機(jī)的主要特點(diǎn)是能一次完成旋耕、起壟、打塘等聯(lián)合作業(yè)，機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，作業(yè)質(zhì)量好，適合坡度小于18°的耕地。

2.2 復(fù)合機(jī)的工作原理

復(fù)合機(jī)作業(yè)時(shí)由牽引機(jī)具提供動(dòng)力，由旋耕部件將土壤旋耕打碎，經(jīng)起壟裝置進(jìn)行土壤起壟，通過(guò)旋耕機(jī)架與聯(lián)軸器連接為打塘部分提供動(dòng)力，帶動(dòng)地輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而地輪通過(guò)地輪軸帶動(dòng)齒輪組，經(jīng)齒輪組再傳遞到鏈輪組，鏈輪組的雙排鏈輪中裝有三個(gè)撥輪，打塘鏟與伸縮彈簧相連，通過(guò)撥輪將打塘鏟和伸縮彈簧裝置抬起一定高度，當(dāng)撥輪轉(zhuǎn)到脫離打塘鏟卡位時(shí)，通過(guò)伸縮彈簧的復(fù)位將打塘鏟的重力勢(shì)能和彈簧的彈性勢(shì)能一起轉(zhuǎn)化為打塘鏟進(jìn)入土壤的動(dòng)能，在打塘機(jī)架的水平帶動(dòng)下即實(shí)現(xiàn)一次打塘過(guò)程，然后第二個(gè)撥輪將打塘鏟抬起實(shí)現(xiàn)第二次打塘作業(yè)，每三個(gè)循環(huán)為一個(gè)打塘周期。

3 復(fù)合機(jī)的主要部件設(shè)計(jì)

3.1傳動(dòng)系統(tǒng)

旋耕起壟打塘復(fù)合機(jī)的動(dòng)力來(lái)源是變速箱的齒輪與拖拉機(jī)后橋動(dòng)力輸出的齒輪嚙合，通過(guò)鏈輪傳動(dòng)帶動(dòng)起壟刀軸按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，在左右壟型器和刮土板的作用下，完成旋耕、起壟作業(yè)[5]。起壟裝置后面帶有打塘裝置，通過(guò)帶動(dòng)打塘裝置的地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)兩組齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪組再帶動(dòng)鏈傳動(dòng)組，鏈輪組通過(guò)帶動(dòng)雙排鏈輪中的三個(gè)撥輪帶動(dòng)打塘鏟，當(dāng)撥輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)打塘鏟做類似自由落體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一次打塘，這樣就完成整個(gè)過(guò)程的旋耕起壟打塘功能。拖拉機(jī)后橋的輸出轉(zhuǎn)速為700～900 r/min，起壟刀軸轉(zhuǎn)速為200～280 r/min，為使機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全可靠，將起壟刀軸的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為240 r/min，為使右鏈盒結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使主、從動(dòng)輪齒的數(shù)比接近1∶3，因此拖拉機(jī)后橋的輸出轉(zhuǎn)速確定為720 r/min。

3.2 旋耕起壟裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合西南地區(qū)紅土地的土壤情況，再根據(jù)烤煙種植的農(nóng)藝要求，該旋耕刀具既要轉(zhuǎn)速低、切土量大，還要不破壞土壤結(jié)構(gòu)避免造成沙化，達(dá)到作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果的要求，旋耕刀設(shè)計(jì)如圖2所示，旋耕刀軸總成是旋耕機(jī)的主要工作部件，旋耕起壟部分的刀軸上按圓周均勻裝有36把旋耕刀，旋耕刀與刀軸垂直安裝，每把刀的夾角是60°，安裝旋耕刀片的刀座在刀軸上排列成螺紋線，以達(dá)到刀軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡，36把刀成右旋安裝。起壟部分通過(guò)后面的T型機(jī)架將旋耕后的土壤推向中間形成土壟[6]。

圖2 旋耕刀結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 打塘部件設(shè)計(jì)

打塘部件的主要功能是在壟上進(jìn)行打塘，該部件主要由伸縮彈簧、打塘鏟、齒輪組、鏈輪組、地輪、機(jī)架等部件組成，為使打塘效果好，滿足區(qū)域性農(nóng)藝的要求，可通過(guò)調(diào)整機(jī)架上的預(yù)留孔來(lái)實(shí)現(xiàn)塘距的改變，通過(guò)調(diào)整打塘鏟抬起的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)塘深改變，以適應(yīng)整地農(nóng)藝要求。

云南干旱山地的土壤較硬，而且坡度較大，為了解決該機(jī)與動(dòng)力機(jī)械配套后在坡地上作業(yè)時(shí)整套機(jī)械行走時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題，將打塘鏟設(shè)計(jì)為凹面鏟，以適應(yīng)云南地區(qū)紅土壤的土質(zhì)特征。同時(shí)為防止多次打塘引起打塘鏟焊點(diǎn)斷裂，保障打塘過(guò)程中機(jī)具的穩(wěn)定性，在打塘鏟兩側(cè)布置有加強(qiáng)肋條，打塘鏟結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 打塘鏟結(jié)構(gòu)示意圖

4 田間試驗(yàn)分析

該旋耕起壟打塘機(jī)研制完成后，在云南曲靖陸良縣進(jìn)行了作業(yè)試驗(yàn)及推廣示范。該機(jī)可一次性完成旋耕、起壟、打塘等多項(xiàng)作業(yè)，而且作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量、操作性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面都優(yōu)于同類機(jī)型，作業(yè)效果如圖4所示。該機(jī)的實(shí)測(cè)平均塘距600 mm，塘深300 mm，打塘效果滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

圖4 旋耕起壟打塘機(jī)作業(yè)效果

5 結(jié)論

(1)該機(jī)具可一次完成旋耕、起壟、打塘等多項(xiàng)作業(yè)，減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)，具有效率高、能耗小、降低作業(yè)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是山區(qū)種植烤煙的理想機(jī)具。

(2)整套機(jī)具結(jié)構(gòu)合理，穩(wěn)定性好，其與拖拉機(jī)裝配操作簡(jiǎn)單。

(3)為使打塘效果好，滿足農(nóng)藝要求，起壟器和打塘鏟均設(shè)計(jì)成可調(diào)式，可根據(jù)整地的具體要求調(diào)整塘深和塘距。

(4)該機(jī)具的推廣應(yīng)用可降低烤煙種植的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，促進(jìn)干旱山區(qū)烤煙種植的產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化和規(guī)?；?。

[1] 李發(fā)新.從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)看煙葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007(11)：431-434.

[2] 姜福東，陳德鑫.我國(guó)丘陵煙區(qū)煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J].畜牧與飼料科學(xué)，2009(2)：97-99.

[3] 鮑震宇，王立海.黑龍江省林業(yè)采運(yùn)機(jī)械化發(fā)展變化及驅(qū)動(dòng)力分析[J].森林工程，2014，30(2)：176-181.

[4] 李智偉，楊永發(fā)，劉渝妍.基于ADAMS/Cable的煙草打頂機(jī)鋼絲繩升降系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(6)：28-33.

[5] 安世才，張勇.起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2009(6)：20-21.

[6] 林建康.新型旋耕起壟機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2008(11)：69-71.

RotaryTillageRidgePondMulti-functionalCompositeSoilPreparationMachines

LIUJia-hong1，YUANGang2*，YANGYong-fa2

(1.Yunnan Tobacco Company，Qujing City，Qujing Yunnan 655000，China；2.College of Mechanical and Transportation，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650100，China)

A composite machine which is used exclusively for the three-in-one of the ridge of the turntable is developed，featuring improving working efficiency and even pond digging depth and size compared with existing pond machines，meeting the requirements for transplanting on tobacco film.With the design concept of existing pond digging machines referred to，a systematic transmission scheme is obtained through calculation and analysis.Pro/E is used for 3D modeling，with a finite element analysis method used to analyze the mechanical properties of the rack under the two operating conditions，with the maximum stress and the maximum deformation amount withstood by the rack obtained.Field testing is performed to evaluate the operation of pond digging equipment.

pond digging machine；rotary tillage ridge；finite element；test

S23

A

2095-2953(2017)11-0034-03

2017-07-25

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目“烤煙移栽打塘機(jī)裝備平臺(tái)的開發(fā)研究與應(yīng)用”

劉加紅(1970-)，男，高級(jí)工藝師，本科，研究方向?yàn)闊煵菰耘啵珽-mail：1015333785@qq.com。

*通訊作者：袁 剛(1991-)，男，研究生，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化，E-mail：1962292894@qq.com。

(責(zé)任編輯 張雅芳)