劉光輝， 喻麗華， 陳 雪， 張富貴， 符德龍， 黃化剛， 吳雪梅

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州畢節(jié) 551700)

煙苗大窩深栽是我國(guó)廣大南方煙區(qū)為適應(yīng)移栽期低溫少雨而廣泛采用的一種移栽方式。研究表明，大窩深栽能有效提高地溫，抗旱保墑，改善光照條件，提高土壤肥力，減少病蟲(chóng)害，為煙苗的早期生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境[1-2]。實(shí)施煙苗大窩深栽不僅縮短了還苗期和栽培的成活率，同時(shí)也是春旱煙區(qū)提高烤煙產(chǎn)量與質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的一種移栽技術(shù)[3]。大窩深栽技術(shù)的關(guān)鍵是挖制移栽的大窩，目前制窩作業(yè)一般是由人工用鋤頭挖制，人工制窩勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，所制窩穴一致性差，難以滿足現(xiàn)代煙草生產(chǎn)要求。開(kāi)展煙苗大窩深栽成穴機(jī)具研發(fā)，突破大窩深栽機(jī)械化成穴技術(shù)的瓶頸，不僅是大窩深栽技術(shù)發(fā)展的需要，同時(shí)也是減輕移栽勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)省工降本及煙農(nóng)增產(chǎn)增收的迫切需求。目前未見(jiàn)大窩深栽成穴機(jī)具相關(guān)研究文獻(xiàn)，本研究從大窩深栽技術(shù)要求及提高制窩效率出發(fā)，研發(fā)一種背負(fù)式大窩深栽成穴機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，以期為大窩深栽機(jī)械化成穴的推廣應(yīng)用提供一定的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

1 大窩深栽技術(shù)

大窩深栽技術(shù)屬于膜下小苗移栽方式，是壟表下移栽技術(shù)的一種，圖1為大窩深栽技術(shù)示意，其主要特點(diǎn)是在壟上先挖窩穴，施完底肥后將煙苗移栽到窩穴內(nèi)，之后覆蓋上地膜，將窩心膜劃破1個(gè)小孔，再將小苗掏出，用土壤壓膜固苗[4]。農(nóng)藝要求為保留煙苗膜下的生長(zhǎng)空間，窩口徑為20～25 cm，窩深為15～20 cm，移栽完成后及時(shí)蓋膜，為確保煙苗有足夠的生長(zhǎng)空間，地膜與煙苗頂部確保有6 cm以上的距離[5]。

2 整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

背負(fù)式大窩成穴機(jī)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和成穴裝置4個(gè)部分。其主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)動(dòng)機(jī)器、離心離合器、第1級(jí)減速器、軟軸、第2級(jí)減速器、輸出軸、擋土罩和成穴裝置(圖2)。該背負(fù)式大窩成穴機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、操縱靈活、使用輕便，單人操作即可完成窩穴制作。

2.2 技術(shù)參數(shù)

背負(fù)式大窩成穴機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 背負(fù)式大窩成穴機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 工作原理分析

本設(shè)計(jì)成穴機(jī)工作原理：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)油門(mén)開(kāi)關(guān)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，離心離合器的閘塊壓緊并帶動(dòng)鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力由離合器依次傳遞給第1級(jí)減速器、軟軸及第2級(jí)減速器，最終帶動(dòng)成穴裝置旋轉(zhuǎn)。成穴裝置主要依靠螺旋的升運(yùn)原理實(shí)現(xiàn)排土成穴，即底部刀片切去中心部分的土壤，切下的土壤被擠成散粒后，在慣性力的作用下被拋至窩穴的周圍。隨著成穴裝置的下降，螺旋葉片也開(kāi)始切削土壤，窩穴口徑不斷擴(kuò)大，并形成錐形的穴壁。切下的土壤沿著螺旋面被擠向穴壁，與穴壁接觸后土壤受到摩擦力的作用，土壤的旋轉(zhuǎn)角速度低于成穴裝置的旋轉(zhuǎn)速度，土粒沿著螺旋面滑動(dòng)上升；外層土壤在土壤內(nèi)摩擦力作用下，帶動(dòng)內(nèi)層土壤向上輸送，升運(yùn)的土壤最終在慣性離心力的作用下被拋至窩穴的周圍。因此，螺旋葉片旋轉(zhuǎn)成穴實(shí)質(zhì)是一個(gè)切土、升土和拋土的連續(xù)過(guò)程。刀具切削土壤示意見(jiàn)圖3。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及主要參數(shù)確定

3.1 成穴裝置設(shè)計(jì)

成穴裝置是大窩深栽成穴機(jī)的重要工作部件。制窩農(nóng)藝要求所制窩穴形狀整體呈錐形，且尺寸較大，因此本次設(shè)計(jì)基于植樹(shù)挖坑機(jī)螺旋鉆頭排土成穴原理，設(shè)計(jì)一種錐形螺旋大窩成穴頭[6-8]?？紤]到成穴頭的工作轉(zhuǎn)速較高，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)不平衡，成穴頭采用雙螺旋對(duì)稱布置的方式。成穴頭主要尺寸的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：大窩制作過(guò)程中由于成穴裝置的擺動(dòng)，使窩徑擴(kuò)大，實(shí)際直徑D應(yīng)比穴徑D0略小，按照經(jīng)驗(yàn)公式D=0.9D0[9-10]。根據(jù)農(nóng)藝要求，大窩直徑為20～25 cm，取中間值22.5 cm，得到成穴裝置理論直徑為20.25 cm，考慮到手持制窩，操作振動(dòng)較大，成型窩穴尺寸大于成穴頭尺寸，又因成穴裝置的質(zhì)量不宜太大，故成穴裝置大端的實(shí)際直徑取D=20 cm。為了提高成穴裝置土壤切削和入土的能力，小端直徑取d=10 cm。按照要求，窩深需達(dá)到15 cm以上，螺旋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為15 cm。螺旋葉片導(dǎo)程h確定為15 cm。圖4是大窩成穴裝置示意。根據(jù)公式(1)得出螺旋升角α：

α=arctan(h/πD)。

(1)

式中：D表示螺旋最大直徑(mm)；h表示螺旋導(dǎo)程(mm)。將初選的參數(shù)代入公式得：α=13.4°。

成穴裝置直徑是一個(gè)變量，整體呈錐形，成穴裝置錐度角為θ=2arctan[(D-d)/2h]，得θ=36.9°；成穴裝置直徑隨截面高度變化的關(guān)系公式：

Dx=hxtan(θ/2)+d。

(2)

式中：hx表示成穴裝置截面高度(m)；θ表示成穴裝置錐度角角度(°)；d表示成穴裝置小端直徑(m)。

成穴裝置在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)又有軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此在切土過(guò)程中實(shí)際切土前角δ與切土后角ε應(yīng)與成穴裝置每鉆進(jìn)給量有關(guān)，如圖3所示，可通過(guò)下面公式計(jì)算實(shí)際刀片切土角

δ=δ0-ζr=δ0-arctan(S/2πr)。

(3)

ε=ε0-ζr=ε0-arctan(S/2πr)。

(4)

式中：δ0表示刀片名義切土前角角度(°)；ε0表示刀片名義切土后角角度(°)；r表示計(jì)量點(diǎn)至鉆軸中心的距離(m)；ζr表示計(jì)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角角度(°)；S表示成穴裝置每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量(m/r)，取S=0.007 5 m/r。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)選定與工作參數(shù)分析

初選動(dòng)力，采用1E40F-5單缸、風(fēng)冷、二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率1.45 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速6 500 r/min。螺旋外緣一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角角度ζ和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量S的關(guān)系公式：

(5)

式中：hx表示成穴裝置截面的高度(m)；θ表示成穴裝置錐度角(°)；d表示成穴裝置小端直徑(m)。

在設(shè)計(jì)成穴裝置轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速大小不僅與其工作效率和功率消耗有關(guān)，還要考慮土壤對(duì)成穴裝置磨損，根據(jù)公式(6)、(7)確定螺旋工作轉(zhuǎn)速n：

(6)

式中：Fr是一個(gè)無(wú)因次相似準(zhǔn)數(shù)；α表示成穴裝置螺旋升角；β表示土粒運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角(°)，取β=25°；ζ表示成穴裝置外緣一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角(°)；f2表示土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)，取f2=1；φ1表示土壤與螺旋面的摩擦角(°)，取φ1=30°。將以上選定的參數(shù)代入公式得Fr=4.4。

(7)

式中：g表示重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；r表示螺旋平均半徑(m)，取r=(D+d)/4=0.075 m，得到工作轉(zhuǎn)速n=480 r/min。由公式ω=2πn得出成穴裝置的角速度ω=50.24 rad/s。

計(jì)算成穴裝置切土所消耗功率時(shí)，應(yīng)按成穴裝置所消耗最大功率進(jìn)行計(jì)算，即成穴裝置完全入土后所消耗功率，刀片回轉(zhuǎn)半徑r取成穴裝置最大半徑0.1 m，則成穴裝置切土所消耗功率(Nc)為

(8)

式中：ω表示成穴裝置角速度(rad/s)；i表示成穴裝置刀片數(shù)，i=2；a表示切土阻力系數(shù)，堅(jiān)實(shí)土壤的a為3 500～3 600 N/m，疏松土壤的a為1 800～2 400 N/m，取a=1 800 N/m；ψ表示作用在刀片刃口上的土壤阻力與水平面的夾角角度(°)，堅(jiān)實(shí)土壤的ψ為52°～58°，疏松土壤的ψ為30°～35°，取ψ=35°；S表示成穴裝置每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(m/r)，取S=0.007 5 m/r；b表示土壤變形阻力系數(shù)，堅(jiān)實(shí)土壤的b=2.4×105～2.5×105Pa，松軟土壤的b=1.2×105～1.7×105Pa，取b=1.2×105Pa；δ0表示刀片名義切土前角角度(°)，取δ0=30°；φ1表示土壤與鋼的摩擦角角度(°)，φ1=15°～40°，取φ1=30°；r0表示裝置刀片回轉(zhuǎn)半徑(m)；rz表示鉆尖最大回轉(zhuǎn)半徑，rz=0.025 m。代入選定參數(shù)得Nc=0.72 kW。

單位時(shí)間土壤流量是影響成穴裝置成穴效率的主要參數(shù)。為更好地體現(xiàn)成穴機(jī)作業(yè)性能，應(yīng)按最大單位時(shí)間土壤流量進(jìn)行計(jì)算：

(9)

式中：γ表示單位容積松土質(zhì)量(kg/m3)，一般γ=1 000～1 300 kg/m3取γ=1 000 kg/m3；k表示土壤疏松系數(shù)，一般k=1.2～1.6，取1.2；r0表示刀片最大回轉(zhuǎn)半徑(m)；ω表示成穴裝置角速度(rad/s)。由公式(9)得最大單位時(shí)間內(nèi)土壤流量Q=3.3 kg/s。從公式(9)可知，單位時(shí)間土流量與刀片回轉(zhuǎn)半徑的3次方成正比，聯(lián)立公式(2)可知成穴裝置鉆進(jìn)不同深度處單位時(shí)間土壤流量。綜上所述，所選發(fā)動(dòng)機(jī)滿足成穴機(jī)動(dòng)力需求。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 離合裝置設(shè)計(jì) 離合器是傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)時(shí)具有嚙合和分離功能的裝置。大窩成穴機(jī)對(duì)離合器的要求是在空轉(zhuǎn)時(shí)能完全分離；工作部件過(guò)載時(shí)可自動(dòng)打滑，起到安全保護(hù)的作用；工作平穩(wěn)，能有效傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。故本次設(shè)計(jì)選用帶徑向拉簧閘塊式離心離合器，其離心離合器原理見(jiàn)圖 5-a。離心離合器是一種靠離心體產(chǎn)生離心力來(lái)達(dá)到自動(dòng)分離或結(jié)合的離合器。選用的離合器為常開(kāi)式，采用2個(gè)閘塊對(duì)稱分布，閘塊數(shù)量z=2，離心離合器結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5-b。

處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，2個(gè)主動(dòng)部分閘塊受到拉簧作用，與從動(dòng)部分鼓輪脫開(kāi)，離心離合器工作時(shí)，當(dāng)離合器轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，離心力增大克服彈簧力，使得閘塊向外擺動(dòng)與從動(dòng)鼓輪壓緊，離合器進(jìn)入結(jié)合狀態(tài)一起轉(zhuǎn)動(dòng)[11]。在成穴機(jī)工作時(shí)，離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此根據(jù)公式T=9 550 P/n計(jì)算得需傳遞的轉(zhuǎn)矩Tt為1.91 N·m。初選離合器幾何參數(shù)：閘塊質(zhì)心所處半徑r為22.5 mm，閘塊外半徑R為37.5 mm，閘塊的寬度b=14 mm，閘塊摩擦面所對(duì)角度φ=100°。根據(jù)公式(10)～(13)對(duì)離合器進(jìn)行校核。離合器的轉(zhuǎn)矩按公式(10)計(jì)算[12-13]：

Tc=βTt。

(10)

式中：Tc表示計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m)；β表示工作儲(chǔ)備系數(shù)，一般取β=1.5～2，取值為2；Tt表示要傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·m)。代入?yún)?shù)值計(jì)算得到離合器計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tc=3.82 N·m。

離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tc時(shí)所需離心力按公式(11)進(jìn)行計(jì)算：

(11)

式中：Qj表示傳遞轉(zhuǎn)矩所需的離心力(N)；R表示閘塊外半徑(mm)；μ表示摩擦面材料摩擦系數(shù)，取μ=0.4；z表示閘塊數(shù)量。代入?yún)?shù)值計(jì)算得出所需離心力Qj=127.3 N。

選定離合器的閘塊提供有效離心力，并且閘塊有效離心力Q應(yīng)大于傳遞轉(zhuǎn)矩所需的離心力Qj。閘塊有效離心力Q的計(jì)算：

(12)

式中：Q表示閘塊有效離心力(N)；m表示單個(gè)閘塊的質(zhì)量(kg)；r表示閘塊質(zhì)心所處半徑(mm)；n表示正常工作轉(zhuǎn)速(r/min)；n0表示開(kāi)始接合轉(zhuǎn)速，一般n0=(0.7～0.8)n；將參數(shù)代入(12)公式得Q=359.3 N，大于傳遞轉(zhuǎn)矩所需的離心力Qj，符合設(shè)計(jì)要求。

離合器閘塊的摩擦面易損壞，應(yīng)對(duì)其工作壓強(qiáng)進(jìn)行校核：

(13)

式中：p表示摩擦面壓強(qiáng)(MPa)；Tc表示計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m)；R表示閘塊外半徑(mm)；b表示閘塊寬度(mm)；φ表示閘塊摩擦面所對(duì)角度(rad)；μ表示摩擦面材料摩擦系數(shù)，取μ=0.4；z表示閘塊數(shù)量；pp表示摩擦面許用壓強(qiáng)(MPa)。將參數(shù)代入公式(13)得摩擦面壓強(qiáng)p為0.139 MPa，小于摩擦材料許用壓強(qiáng)0.15 MPa，滿足使用要求。

3.3.2 軟軸的設(shè)計(jì) 背負(fù)式大窩成穴機(jī)在工作時(shí)要求工作裝置能靈活變換角度和方向，因此采用軟軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[14-15]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋向，采用右旋軟軸使得軟軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)可傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。工作中鋼絲軟軸的彎曲半徑變化較大，要求軟軸的長(zhǎng)度具有補(bǔ)償性，因此軟軸與硬軸的連接采用方形軸端與方形孔滑動(dòng)連接方式(圖6-a)。軟軸右端與第1級(jí)減速器相連，其連接方式如圖6-b所示，通過(guò)限位銷和限位銷孔固定軟軸。軟軸左端與第2級(jí)減速器相連，其連接方式如圖6-c所示，通過(guò)限位槽限制軟軸軸向滑動(dòng)，保留軟軸旋轉(zhuǎn)自由度，以提高成穴機(jī)操作的靈活性。成穴機(jī)軟軸尺寸為芯軸直徑8 mm、長(zhǎng)度890 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)地點(diǎn)在貴州省畢節(jié)市威寧縣煙草公司科技園(地處26.75°N，103.99°E，海拔約2 130 m)。試驗(yàn)時(shí)間為2017年4月1日。試驗(yàn)設(shè)備為背負(fù)式大窩成穴機(jī)、緊實(shí)度測(cè)量?jī)x、水平儀、直尺、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x。測(cè)試地塊為煙草生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)起壟機(jī)起壟的煙地，壟高30 cm，壟寬70 cm，制窩前，拉線定位每50 cm撒石灰定點(diǎn)標(biāo)記。土壤情況：平均濕度10.5%，松散，黏度小，土層深度10 cm處緊實(shí)度小于 0.12 MPa。田間測(cè)試情況見(jiàn)圖7。本次試驗(yàn)主要測(cè)試窩穴成型質(zhì)量、作業(yè)效率以及成穴機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、成穴裝置、動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在同一塊地連續(xù)制作100個(gè)大窩，完成相關(guān)參數(shù)測(cè)試。試驗(yàn)中因土壤濕度較小，壟頂?shù)膶挾葻o(wú)法達(dá)到農(nóng)藝要求，導(dǎo)致制窩排出的土粒沿著壟溝處下滑，致使所制窩口面不平齊，沿著壟體方向與垂直壟體方向窩穴深度存在高度差，為了真實(shí)反映所制窩穴的成型情況，本次測(cè)試窩穴成型質(zhì)量參數(shù)為窩頂深、窩側(cè)深及窩口徑(圖8)。

成穴機(jī)作業(yè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：將平均窩頂深、平均窩側(cè)深、平均窩口徑和窩穴合格率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)體現(xiàn)大窩成型質(zhì)量和考察大窩成穴機(jī)作業(yè)性能。其中窩穴合格率計(jì)算公式：

(14)

式中：Y表示窩穴合格率(%)；X表示所有指標(biāo)達(dá)到要求的窩穴數(shù)(個(gè))；N表示總的窩穴數(shù)(個(gè))。

擋土罩安裝說(shuō)明：安裝擋土罩是為了防止成穴裝置將土壤拋得過(guò)高，同時(shí)也為了將拋出的土壤引向窩穴的周圍，利于成穴。若擋土罩安裝過(guò)低，拋出土壤易回填窩穴，影響成穴質(zhì)量和成穴效率；若擋土罩安裝過(guò)高，會(huì)影響擋土罩的擋土效果。因此應(yīng)根據(jù)制窩時(shí)拋土情況調(diào)試擋土罩的安裝高度。

機(jī)具操作說(shuō)明：本機(jī)具是依靠螺旋排土成穴，窩穴制作中土壤的升起拋出須消耗一定的時(shí)間，因此制窩時(shí)，應(yīng)將成穴裝置在窩底停留片刻，待土壤被全部拋出后，再抬起成穴裝置。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖9中可以看出，窩側(cè)深主要分布在13.6～15.0 cm；窩頂深主要分布在14.6～16 cm；圖9-c所示為窩徑頻數(shù)分布直方圖，大窩直徑主要分布在30.1～33 cm范圍內(nèi)。從整體來(lái)看，3個(gè)測(cè)量指標(biāo)不同尺寸頻數(shù)呈近似正態(tài)分布，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。

田間試驗(yàn)分析結(jié)果表明，大窩成穴機(jī)的試驗(yàn)效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本研究基于螺旋升土原理開(kāi)發(fā)了背負(fù)式大窩成穴機(jī)，成穴機(jī)工作平穩(wěn)、可靠、適應(yīng)性好，可有效提高大窩制作質(zhì)量、一致性及效率，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度。

大窩成穴機(jī)成穴情況田間測(cè)試參數(shù)均值為窩頂深 15.5 cm，窩側(cè)深14.5 cm，窩口徑31.0 cm，窩穴合格率達(dá)到70%，試驗(yàn)結(jié)果滿足大窩制作農(nóng)藝要求。

未來(lái)第2代成穴機(jī)的研制方向應(yīng)基于土粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析，設(shè)計(jì)擋土罩的結(jié)構(gòu)形狀，使其在壟側(cè)具有培土的功能，增加窩口的平整性與飽滿度；同時(shí)，進(jìn)一步研究成穴機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)窩穴制作質(zhì)量的影響，找到成穴裝置最佳轉(zhuǎn)速范圍，使得拋出的土壤盡可能散落于窩口，提升大窩深度。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果