青躍光 王杰 楊澤宇 周運(yùn)成 林海波

摘要：為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕翻土壤導(dǎo)致耕地退化問(wèn)題，實(shí)行保護(hù)性耕作（免耕翻）生產(chǎn)，研制出1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)。闡述該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、主要性能指標(biāo)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，并通過(guò)田間試驗(yàn)證明該機(jī)整體性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合耕作機(jī)；保護(hù)性耕作；履帶式；設(shè)計(jì)；可調(diào)

中圖分類號(hào)：S222 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2018）04-0024-04

我國(guó)水田耕作一直沿用傳統(tǒng)的翻耕或旋耕、水耙、耢平、沉漿的方式，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤水蝕、礦質(zhì)流失、作業(yè)層次多、耕作成本高、耗水量大、資源利用力低等問(wèn)題。針對(duì)典型地區(qū)的水田種植模式，研究開(kāi)發(fā)水田保護(hù)性耕作作業(yè)通用機(jī)械和分區(qū)域水田機(jī)械化技術(shù)及關(guān)鍵裝備，實(shí)現(xiàn)土壤、耕作、機(jī)具、種植等保護(hù)性耕作技術(shù)融合，對(duì)于促進(jìn)水田可持續(xù)生產(chǎn)能力的提升和推動(dòng)我國(guó)保護(hù)性農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。為此，本課題研制出集機(jī)械、信息、電子、液壓、控制為一體的1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)，該機(jī)已通過(guò)安徽省推廣鑒定檢驗(yàn)與浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目驗(yàn)收鑒定。

1 1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)的整體設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)采用橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)，配套旋耕、施肥等機(jī)械，可一次完成耕整地、施肥等聯(lián)合作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

該機(jī)主要由水田專用動(dòng)力底盤、耕作部件、變量施肥裝置、電液控制懸掛裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等組成。施肥機(jī)、耕作機(jī)分別懸掛在履帶式動(dòng)力底盤前后；機(jī)體上方設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)、行走用途無(wú)級(jí)變速箱及電氣控制系統(tǒng)；機(jī)體下方設(shè)有牽引底盤架，架上設(shè)有行走輪系、行走用途無(wú)級(jí)變速箱和置于輪系上的橡膠履帶；機(jī)體前部設(shè)有施肥機(jī)及其操作機(jī)構(gòu)；機(jī)體后部設(shè)有耕作機(jī)，其通過(guò)懸掛架與牽引底盤機(jī)架懸掛聯(lián)接，由液壓系統(tǒng)控制升降，對(duì)田地具有良好的仿形性能，并可對(duì)耕深進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障良好的耕作質(zhì)量；設(shè)有集旋耕、滅茬于一體的旋耕刀，其轉(zhuǎn)速可通過(guò)耕作部件變擋傳動(dòng)箱進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速耕作。該機(jī)作業(yè)時(shí)可保持耕作深度一致，且防陷能力強(qiáng)、效率高，適用于水田、旱田的壓茬、碎根及深層耕作等作業(yè)。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.2.1 智能操作系統(tǒng) 采用傳感器感知耕深、耕作阻力、轉(zhuǎn)速、前進(jìn)阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等參數(shù)并傳遞給微處理器，根據(jù)土壤力學(xué)特性、禾茬力學(xué)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)輸入特性、旋耕不同工況最佳運(yùn)行特性等建立多種模型，并編制不同工況下的最佳運(yùn)行模式。工作時(shí)，微處理器根據(jù)田間工況推薦并顯示保證作業(yè)質(zhì)量、保證工作效率等多種較優(yōu)的運(yùn)行模式，在操作人員選擇相應(yīng)模式后，微處理器通過(guò)控制行走無(wú)級(jí)變速器使耕作機(jī)在指定的模式下作業(yè)，從而達(dá)到理想的耕作效果。智能操作系統(tǒng)組成與控制圖如圖2所示。

1.2.2 水田耕作專用動(dòng)力底盤 為適應(yīng)不同類型及含水率的土壤條件，極大地增加與地面的接觸面積及牽引動(dòng)力，設(shè)計(jì)一種可在承載力差的粘濕土壤上作業(yè)的高地隙、通過(guò)能力強(qiáng)的全地形橡膠履帶動(dòng)力底盤。在水田作業(yè)過(guò)程中，該底盤能有效降低接地壓力，對(duì)旱作土壤不壓實(shí)，不破壞基底層和土壤結(jié)構(gòu)，提高機(jī)動(dòng)運(yùn)作能力，滿足種植農(nóng)藝要求，并可通過(guò)切換耕作機(jī)部件變擋傳動(dòng)箱上的“快—慢”變速桿來(lái)調(diào)整刀輥擋位，改變旋耕速度比。動(dòng)力底盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2.3 電液控制懸掛裝置、耕深監(jiān)控與穩(wěn)定系統(tǒng) 液壓懸掛耕深電液調(diào)節(jié)與監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控耕深、阻力等參數(shù)，并反饋信息及時(shí)調(diào)節(jié)耕深，提高機(jī)具作業(yè)時(shí)對(duì)地形的仿形性，從而獲得持續(xù)、穩(wěn)定、良好的作業(yè)質(zhì)量。電液控制懸掛裝置及其自動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，電液控制圖如圖5所示。耕作機(jī)上的電液控制懸掛裝置在耕作前可定量地設(shè)定耕深。微處理器通過(guò)控制電液比例閥來(lái)改變液壓油進(jìn)出油缸的流量和流向，控制懸掛機(jī)構(gòu)的升降，以達(dá)到自動(dòng)控制耕深的目的。具體的，在耕作過(guò)程中，由耕深傳感器實(shí)時(shí)將耕深參數(shù)傳遞至微處理控制器，并由控制器控制彈簧—阻尼耕深穩(wěn)定閥，從而驅(qū)動(dòng)油缸使耕深保持在設(shè)定耕深值；當(dāng)耕作機(jī)耕作堅(jiān)硬土壤或耕深不足時(shí)保持耕作機(jī)與田地良好的接觸，或當(dāng)耕地略有下洼時(shí)使耕作機(jī)進(jìn)一步下降、達(dá)到所需的耕作深度。因此，耕作機(jī)對(duì)不同地形的田地具有良好的仿形性能和高質(zhì)量的耕作性能，可實(shí)現(xiàn)耕深一致的保護(hù)性耕作。自動(dòng)水平傳感器位于旋耕部件的中間位置，并包含在“旋耕機(jī)自動(dòng)平衡裝置”中，采用控制器對(duì)旋耕機(jī)進(jìn)行自動(dòng)平衡。

1.2.4 變量施肥復(fù)式作業(yè)技術(shù) 變量施肥裝置設(shè)于履帶式底盤前端，耕作時(shí)可對(duì)田地施以不同粒狀、不同量的肥料，實(shí)現(xiàn)耕作、施肥聯(lián)合作業(yè)。同時(shí)整機(jī)還具有保護(hù)性耕作要求的開(kāi)溝、起壟、施肥、播種等作業(yè)項(xiàng)目連接口，一次可完成多項(xiàng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)耕作過(guò)程復(fù)式化。

1.3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.3.1 作業(yè)功率 耕作機(jī)作業(yè)功率按公式（1）計(jì)算：

N=0.1KλdVmB （1）

式中：d為耕深，工作部件為彎刀，實(shí)測(cè)耕深為13.1 cm；Vm為聯(lián)合耕作機(jī)組作業(yè)速度，取1.39 m/s；B為耕幅，初定2 m；Kλ為聯(lián)合耕作機(jī)的旋耕比阻，按公式（2）計(jì)算，其各修正系數(shù)均與切土節(jié)距有關(guān)，N/m2。

Kλ=KgK1K2K3K4 （2）

式中：Kg為旋耕切土比阻系數(shù)，查表取16

N/cm2；K1為耕深修正系數(shù)，K1=1.00；K2為土壤含水率修正系數(shù)，K2=0.95；K3為殘差植被修正系數(shù)，K3=1.20；K4為作業(yè)方式修正系數(shù)，K4=0.73。

由以上數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Kλ=13.32，N=48.49（kW）。

考慮到影響功率消耗的因數(shù)較多，推算發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率時(shí)，在匡算功率基礎(chǔ)上乘以功率儲(chǔ)備系數(shù)是必要的，即：

Ne=KbN

式中：Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW；Kb為儲(chǔ)備系數(shù)，在0.25～0.33之間選擇為宜。因?yàn)楦餍拚禂?shù)采用上限值，所以儲(chǔ)備系數(shù)選取下限值足以。

計(jì)算可得：Ne=1.25（N）=60.061（kW），圓整為Ne=60（kW）。因此選用發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率60 kW與轉(zhuǎn)數(shù)

2 600 r/min的4102 型柴油機(jī)為動(dòng)力。

1.3.2 旋耕速比 驗(yàn)證機(jī)組前進(jìn)速度Vm為5 km/h時(shí)的旋耕速比合理性，按速度比公式（3）計(jì)算：

λ=Vρ/Vm （3）

式中：Vρ為刀輥圓周線速度，Vρ=πDn/60 000；n為刀軸轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)測(cè)為315 r/min；D為旋耕刀端實(shí)際回轉(zhuǎn)直徑，設(shè)計(jì)為390 mm；Vm為聯(lián)合耕作機(jī)組作業(yè)速度，取1.39 m/s。

計(jì)算可得：λ=4.6。因此，所選用的機(jī)組前進(jìn)上限速度是合理的。

1.3.3 割幅 驗(yàn)算發(fā)動(dòng)機(jī)在2 m耕幅負(fù)載情況下的滿足條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算：

B=0.26-0.29Ne （4）

式中：B為耕幅，m；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW。

計(jì)算可得：B=2.013 9（m）。因此，初設(shè)耕幅2 m滿足發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)克服超載條件。

1.3.4 生產(chǎn)率 生產(chǎn)率按公式（5）計(jì)算：

Q=5.4ηBVm （5）

式中：η為旋耕時(shí)間利用系數(shù)，稻田一般為0.4～0.8，由于旋耕環(huán)境較差、基本上處于滿負(fù)荷狀態(tài)，取0.4；B為實(shí)際耕幅，為設(shè)定耕幅的90%，即1.80 m；Vm為聯(lián)合耕作機(jī)組作業(yè)速度，一般為2～5 km/h。

根據(jù)公式（5）取上、下限值分別計(jì)算，可得：生產(chǎn)率Q=2.18～5.40（hm2/h）。

2 耕作部件的設(shè)計(jì)

2.1 耕作部件的結(jié)構(gòu)及工作原理

耕作部件的刀輥呈水平橫軸配置，為臥式正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)械，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。刀軸上的刀片一方面由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一方面隨機(jī)組前進(jìn)作等速直線運(yùn)動(dòng)。土垡被刀片切下，隨即向后方拋出，撞擊到罩殼與拖板上變得細(xì)碎后回落于地表面；隨著機(jī)組不斷前進(jìn)，刀片連續(xù)不斷地對(duì)未耕地進(jìn)行松碎。由于耕幅較寬，采用變擋傳動(dòng)箱中間傳動(dòng)形式，但中間傳動(dòng)（減速）箱下部會(huì)造成漏耕，影響作業(yè)質(zhì)量。為解決該問(wèn)題，在傳動(dòng)箱下面安裝一個(gè)松土鏟，其壓桿器由鋼條制成，安裝在刀座后上方，在作業(yè)中形成軋滾，具有碎土、滅茬及起漿性能。

2.2 刀齒的排列

為使旋耕機(jī)在作業(yè)中不發(fā)生漏耕和堵塞、寬幅刀軸負(fù)荷均勻、耕后地表平整，對(duì)耕作刀輥進(jìn)行分組設(shè)計(jì)（如圖7所示）。各刀輥主體采取雙頭單向螺旋等距排列；而刀輥內(nèi)外側(cè)兩端的彎刀則采取正反向組合雙頭不等距排列交替入土；同時(shí)，為防止兩組刀輥內(nèi)側(cè)之間形成溝壑，加裝松土鏟。

2.3 耕作參數(shù)計(jì)算

2.3.1 刀輥半徑 按公式（6）導(dǎo)出計(jì)算：

λ=Rxω/Vm （6）

式中：Rx為刀輥半徑，mm；λ為旋耕速度比，4.6；Vm為旋耕機(jī)組前進(jìn)速度，取1.39 m/s；ω為角速度，πn/30（其中n為刀軸轉(zhuǎn)數(shù)，取315 r/min）。

計(jì)算可得：R=195（mm）。

2.3.2 耕深 按公式（7）計(jì)算：

H

計(jì)算可得：實(shí)際耕深H=131.0（mm），小于152.6 mm，因此是合理的。

2.3.3 切土節(jié)距和碎土質(zhì)量 按公式（8）計(jì)算：

S=2πR/Zλ （8）

式中：S為切土節(jié)距，cm；λ為旋耕速度比，4.6；R為刀輥半徑，195 mm；Z為在刀軸同一平面內(nèi)均勻安裝的刀數(shù)。

計(jì)算可得：當(dāng)Z=2時(shí)，S=13.32（cm）；當(dāng)Z=3時(shí)，S=8.88（cm）。

由公式（8）可以看出：改變同一平面內(nèi)旋耕刀的安裝數(shù)量、改變旋耕機(jī)前進(jìn)速度或刀軸轉(zhuǎn)速，都可以改變切土節(jié)距，并且切土節(jié)距的大小直接影響碎土質(zhì)量與耕地平整度。通常，降低機(jī)組前進(jìn)速度、提高刀輥轉(zhuǎn)速或增加每切削小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)，都能減少切土節(jié)距、提高碎土質(zhì)量。但是，機(jī)組前進(jìn)速度過(guò)慢，生產(chǎn)率低；刀輥轉(zhuǎn)速過(guò)快，功率消耗大；刀片數(shù)增多，刀間空隙小，容易堵泥纏草。因此，切土節(jié)距不能選擇過(guò)小。

3 田間試驗(yàn)

2011年10月15日，安徽省對(duì)1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)進(jìn)行初次推廣鑒定檢測(cè)。

3.1 初始條件

測(cè)試地點(diǎn)選在浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)新橋鎮(zhèn)。試驗(yàn)地為旱地，前茬作物為水稻，有適量植被，試驗(yàn)地塊長(zhǎng)31.6 m、寬20.0 m，滿足試驗(yàn)要求。

3.2 結(jié)果與分析

測(cè)試機(jī)型及其主要技術(shù)規(guī)格，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知：檢驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的合格指標(biāo)，說(shuō)明該機(jī)整體性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

1GZ60型履帶式保護(hù)性聯(lián)合耕作機(jī)于2015年1月通過(guò)浙江省科技廳專家組驗(yàn)收（浙科驗(yàn)字[2015]237）。該機(jī)開(kāi)發(fā)了履帶式水田專用動(dòng)力底盤、旋耕工作部件、電液控制懸掛裝置、液壓無(wú)極變速裝置、變量施肥裝置，具有接地壓力小、抗下陷能力強(qiáng)、耕深穩(wěn)定、碎土滅茬性能好、耕后地表平整、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞小、通過(guò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足不同泥腳深度的作業(yè)要求，目前該項(xiàng)目成果已形成產(chǎn)業(yè)化。

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