楊慶璐，王學詩，范國強，張曉輝，太健健

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；3.山東華興機械股份有限公司，山東 濱州 256500；4.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

0 引言

棉花是我國第二大農(nóng)作物，是重要的戰(zhàn)略物資和人民生活的必需品[1]。我國棉區(qū)分布廣泛，種植環(huán)境復(fù)雜，部分棉區(qū)機械化水平較低，尤其是田間管理作業(yè)基本依靠人工。人工作業(yè)勞動強度大、效率低，且勞動力成本逐年增高，棉農(nóng)生產(chǎn)積極性降低，嚴重阻礙了棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，棉田管理機械化成為棉花種植業(yè)發(fā)展的重中之重。

山東省是我國重要的棉花種植、加工生產(chǎn)基地，其種植面積和產(chǎn)量均居全國第二位[2]。山東棉區(qū)多采用地膜覆蓋植棉，但進入蕾期后，應(yīng)去除地膜配合中耕培土作業(yè)，促進植株穩(wěn)健生長。中耕培土具有利于提高地溫、改善植株根系土壤環(huán)境、促進根系生長發(fā)育、增強根莖抗倒伏和抗旱能力及消除地面雜草等作用，也有利于棉田下部的通風及棉田的排灌作業(yè)，可顯著提高棉花的產(chǎn)量和質(zhì)量，是棉花生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[3-5]。目前，我國中耕培土機械以中小型為主，種類型號繁多，工作質(zhì)量參差不齊，部分機械存在結(jié)構(gòu)簡單、耕深不穩(wěn)定、培土效果差及易造成植株葉片受損等問題[5]。針對這些問題設(shè)計了一種操作靈活、成本低、工作效果好的培土機，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 培土機整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

小型手扶自走式棉田培土機是由汽油機帶動的多功能的中耕除草培土機具，主要由驅(qū)動系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、旋耕培土系統(tǒng)、行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機架及其他附件組成，如圖1所示。驅(qū)動系統(tǒng)和動力傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、變速箱、離合器、皮帶、皮帶輪、鏈輪及鏈條等組成；行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由行走輪及扶手總成等組成；旋耕培土系統(tǒng)主要由培土刀、培土刀輥、松土鏟、碎土罩殼及限深輪等組成。

1.汽油發(fā)動機 2.機架 3.行走輪 4.松土鏟 5.旋耕培土部件 6.限深輪 7.橡膠擋土板 8.限深輪調(diào)節(jié)裝置 9.碎土罩殼 10.碎土罩殼調(diào)節(jié)裝置 11.傳動裝置 12.變速箱 13.扶手調(diào)節(jié)裝置 14.扶手總成圖1 小型手扶自走式棉田培土機的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of small self-propelled cotton field hillers

1.2 技術(shù)參數(shù)

小型手扶自走式棉田培土機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

1.3 工作原理

整個機組由汽油機提供動力，汽油機通過皮帶傳動將動力傳送到變速箱，變速箱帶動行走輪轉(zhuǎn)動，控制機組的前進與后退。作業(yè)時，變速箱通過鏈條傳動將動力傳送到培土機構(gòu)的傳動裝置，進而帶動旋耕培土部件工作，該傳動裝置可調(diào)整旋耕培土部件的轉(zhuǎn)速，增大輸出軸扭矩。旋耕培土部件將土壤切削拋灑到罩殼上，再次破碎后將土壤拋灑到作物根部，將土塊破碎為較小顆粒，減少對植株的損害。培土壟的寬度由碎土罩殼的開口角度控制，該角度可通過罩殼上的合頁來調(diào)節(jié)，土壟的高度可通過調(diào)節(jié)限深輪來控制。扶手可以繞機架上下左右調(diào)整，以適應(yīng)不同身高的作業(yè)者及特殊作業(yè)環(huán)境的需要[6]。

2 機組驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整機功耗確定

旋耕培土機的整機消耗主要來源于旋耕培土部件工作時的功耗及機組行走的功耗[7]。

2.1.1 旋耕培土功耗確定

影響旋耕培土作業(yè)功耗的主要因素有旋耕部件的轉(zhuǎn)速、旋耕深度和寬度、機組前進速度及土壤條件等。在旋耕深度和寬度及機組前進速度不變的情況下，旋耕培土部件的功耗隨其轉(zhuǎn)速的增大呈二階曲線形式增加[8]；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，旋耕培土部件的功耗隨旋耕深度和寬度及機組前進速度的增大呈近似線性增大[9]。旋耕培土作業(yè)時的功耗可通過公式計算得到[10]，根據(jù)國家相關(guān)標準[11-12]及旱田中耕的農(nóng)藝要求，其切削土壤的功耗為

(1)

式中Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)；

kq—旋耕比阻(N/m2)，取kq=1.6×105；

H—旋耕深度(m)，取H=0.15；

B—旋耕寬度(m)，B=0.3；

v—機組前進速度(m/s)，取v=0.6。

代入式(1)得：Nq=4.2kW。

拋擲土壤的功耗為

(2)

式中Np—旋耕拋擲土壤功耗(kW)；

Kp—旋耕拋土系數(shù)(N·s2/m4)，取Kp=1.3×103；

λ—運動學參數(shù)，取λ=10[13]。

代入式(2)得：Np=1.2kW。

2.1.2 機組行走功耗確定

機組旋耕培土作業(yè)時，除受到耕作阻力外，還有機組前進時驅(qū)動輪的滾動阻力、加速阻力、上坡阻力及空氣阻力。由于旋耕培土作業(yè)時機組速度較低、速度變化較小及作業(yè)環(huán)境相對平整，本文采用修正系數(shù)，簡化空氣阻力、加速阻力和上坡阻力。整機質(zhì)量為300kg，行走輪滾動摩擦驅(qū)動力應(yīng)為整機質(zhì)量的0.2～0.3倍，為保證其可靠性，取該系數(shù)為0.3[2]。計算出高地隙通用底盤的驅(qū)動力F為900N。機組行走功率為

(3)

式中NM—機組行走功率(kW)；

F—底盤驅(qū)動力(N)，F(xiàn)=900；

η—機械效率，取η=0.8；

k—修正系數(shù)，取k=1.3。

代入式(3)得：NM=0.9kW。

2.1.3 總功率的確定

為確定發(fā)動機功率參數(shù)，需計算機組的總功率，即

N=Nq+Np+NM+Nc+Ns

(4)

式中N—總功率(kW)；

Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)，Nq=4.2；

Np—旋耕拋擲土壤功耗(kW)，Np=1.2；

NM—機組行走功率(kW)，NM=0.9；

Nc—松土鏟功耗(kW)，Nc=0.1；

Ns—機械傳動部分的損耗功率(kW)，Ns=0.2。

代入式(4)得：N=6.6kW。

2.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)包括自走傳動系統(tǒng)和旋耕培土部件傳動系統(tǒng)兩部分，圖2為小型手扶自走式棉田培土機傳動結(jié)構(gòu)示意圖。

1.自走系統(tǒng)變速箱 2.皮帶傳動 3.汽油發(fā)動機 4.動力輸出軸 5.旋耕培土部件變速箱 6.鏈條傳動 7.行走輪軸圖2 傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission structure

汽油發(fā)動機通過帶傳動將動力傳送到自走系統(tǒng)變速箱，再通過鏈條傳動將動力分別傳遞到行走輪和旋耕培土部件變速箱，分別控制機組的行走和旋耕培土作業(yè)。自走系統(tǒng)變速箱可將轉(zhuǎn)速調(diào)整為3個檔位，旋耕培土部件變速箱可將轉(zhuǎn)速調(diào)整為2個檔位，以滿足不同的作業(yè)環(huán)境。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計與選型

3.1 旋耕部件傳動方式的選擇

棉田的培土作業(yè)是將壟底的土壤破碎后拋灑到植株根部，同時消滅壟底的雜草。為保證培土的質(zhì)量，旋耕部件采用逆旋方式作業(yè)，刀輥轉(zhuǎn)向與機組驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向相反，該方式具有滅草能力強、作業(yè)后土壤蓬松度好及耕深能力強等優(yōu)點。旋耕部件傳動方式采用中央傳動，該方式結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、經(jīng)濟性好，但會產(chǎn)生小部分漏耕區(qū)，為消除漏耕，在中央傳動箱下部設(shè)置漏耕松土鏟，不僅能夠消除漏耕，還能使壟溝底部覆蓋松軟土壤，以保持田間水分，降雨或灌溉時能保水蓄水防止產(chǎn)生徑流。

3.2 旋耕培土刀的設(shè)計及選型

旋耕培土作業(yè)的關(guān)鍵是培土刀對土壤的破碎和拋送，拋土能力強，其拋送的土壤到達罩殼后撞擊破碎效果更好，因此提高培土刀的拋土能力是提高培土效果的關(guān)鍵。常見的培土刀有彎刀、鑿形刀及直角刀。彎刀具有較好的碎土和拋土能力，還有較強的滅草能力，基本符合培土作業(yè)的要求。為加強培土刀的拋土能力，本研究設(shè)計改進了一種帶有焊耳的彎刀，如圖3所示。

1.彎刀 2.焊耳圖3 培土刀Fig.3 Rotary blade

該培土刀在彎刀的基礎(chǔ)上增加了帶有弧度的彎板，焊接在彎刀側(cè)切刃的背面。工作時，彎刀側(cè)切刃切削的土壤被擠壓到彎板上，彎板將土壤拋送到罩殼，增加了培土刀的拋土量，提高了培土高度，能夠滿足不同時期棉田的培土要求。

3.3 培土機驅(qū)動輪的設(shè)計

山東棉區(qū)棉花種植行距一般為760mm，土壟寬度為400～500mm，培土機沿壟溝底部行走，其輪距不能超過350mm，常見的小型中耕機械不能滿足要求。為此，設(shè)計了一種培土專用金屬行走輪(見圖4)，輪距可在300～450mm之間調(diào)節(jié)，該行走輪不僅可以減小輪距，且適合在旋耕后松軟的土壤中順利行走；作業(yè)完成后，可將金屬輪更換為普通橡膠輪胎，方便運輸。

圖4 行走輪Fig.4 Walking wheel

4 主要工作部件的靜力學分析

4.1 旋耕培土刀平均受力計算

根據(jù)培土功耗及旋耕部件轉(zhuǎn)速確定培土刀刀刃入土時所受土壤平均反力[6，14]，則有

(5)

式中F—刀刃入土時所受土壤反力(N)；

T—旋耕部件刀輥扭矩(N·m)；

L—培土刀入土時刀尖距刀輥中心距離(m)；

Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)，Nq=4.2；

n—旋耕部件轉(zhuǎn)速(r/min)，取n=244；

R—培土刀回轉(zhuǎn)半徑(m)，R=0.15、0.175、0.225；

H—旋耕深度(m)，取H=0.11。

旋耕培土刀的彎刀有多種型號，而旋耕培土機以旱地作業(yè)為主，耕深較淺，因此選擇回轉(zhuǎn)半徑較小的彎刀[6，9]。將R150、R175及R225型號彎刀參數(shù)代入式(5)求得刀刃入土時所受土壤反力。

4.2 旋耕培土刀的靜力學分析

旋耕培土刀的可靠性及穩(wěn)定性是培土機正常工作的關(guān)鍵。為此，本文通過有限元分析對培土刀進行了應(yīng)力應(yīng)變分析，確定培土刀彎刀型號。

將培土刀三維模型導入Workbench中，劃分網(wǎng)格后，在培土刀安裝孔位置添加固定約束，在培土刀側(cè)切刃、過渡刃及正切刃添加垂直于刃口方向的平均反力F150、F175、F225，得到培土刀的von Mises應(yīng)力及總變形，根據(jù)馮·米塞斯屈服準則分析比較培土刀強度是否失效。通過仿真分析得到各型號應(yīng)力和變形結(jié)果，如表2所示。

表2 應(yīng)力和變形結(jié)果Table 2 Stress and deformation results

培土刀材料為60Si2Mn合金鋼，其屈服強度最大為620.42MPa[15]。由分析結(jié)果可知：R150型培土刀最大應(yīng)力為872.2MPa，遠超其屈服強度，刀片失效。R175型培土刀最大應(yīng)力小于材料屈服強度，變形量為4.7mm，能夠滿足使用要求。R225型培土刀也滿足使用要求，但根據(jù)選用回轉(zhuǎn)半徑較小的規(guī)則，最終選用R175型培土刀。圖5和圖6為R175型培土刀仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果看出：培土刀在內(nèi)側(cè)弧與刀柄過度的位置應(yīng)力最大，易產(chǎn)生失效；在刀尖和焊耳尖端位移最大。

圖5 R175型培土刀von Mises應(yīng)力仿真結(jié)果Fig.5 Von Mises stress simulation results of R175 type rotary blade

圖6 R175型培土刀總變形仿真結(jié)果Fig.6 Total deformation simulation results of R175 type rotary blade

4.3 刀輥的靜力學分析

刀輥是主要的承載構(gòu)件，承受培土刀的反力和發(fā)動機的驅(qū)動力，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等變形，必須進行強度的校核，檢驗刀輥應(yīng)力是否滿足要求。

將刀輥三維模型導入Workbench中，添加相應(yīng)約束和受力，得到其應(yīng)力和變形結(jié)果，如圖7所示。

刀輥材料為Q235A，其屈服強度最大為235MPa。由分析結(jié)果可知：在刀輥與刀庫的連接處應(yīng)力最大，為70.9MPa，小于材料屈服強度；在刀庫的懸空端位移最大，為0.04mm，位移量較小，能夠滿足使用要求。

5 培土機性能試驗

5.1 試驗條件

2017年8月，在山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學試驗田進行樣機試驗，根據(jù)相關(guān)標準，劃定試驗測定區(qū)域(30m×5m)，在區(qū)域內(nèi)采用平行四邊形對角線等距取點，對測定區(qū)域深度15cm處的土壤情況進行測定[16-18]，測定采用設(shè)備為TYD-1型土壤硬度計和DHG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱，其測定結(jié)果如表3所示。

圖7 刀輥von Mises應(yīng)力和總變形仿真結(jié)果Fig.7 Von Mises stress and total deformation simulation results of rotary roller表3 土壤參數(shù)Table 3 Soil parameters

項目單位參數(shù)土壤硬度kg/cm215.36含水率%16.32密度kg/cm32.65容重kg/cm31.45

5.2 培土機工作參數(shù)測定

根據(jù)國家相應(yīng)標準和農(nóng)藝要求，試驗以培土機行走速度和旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，測定不同行走速度和不同轉(zhuǎn)速下培土機旋耕深度和寬度、培土高度和寬度等參數(shù)值，如圖8所示。

啟動機器調(diào)整行走速度和刀輥轉(zhuǎn)速至相應(yīng)值，進行培土作業(yè)。測量時，每隔2m取一點，每組試驗項目取10個點，測量各項目值，取其平均數(shù)。試驗結(jié)果如表4所示。

圖8 培土機試驗Fig.8 Hillers test表4 試驗結(jié)果Table 4 Test results

試驗因素作業(yè)速度/m·s-1刀輥轉(zhuǎn)速/r·min-1參數(shù)值旋耕深度/mm旋耕寬度/mm培土高度/mm培土寬度/mm0.45190137.8285.8108.2560.80.6190125.4279.4103.2548.50.45244143.6291.0118.7592.20.6244131.0280.6102.3556.7農(nóng)藝要求≥100≤350≥80≥500

由表4可知：培土機的旋耕深度和寬度及培土的高度和寬度均符合棉花培土的農(nóng)藝要求。當?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時，培土的高度和寬度隨著作業(yè)速度的增大而減小；作業(yè)速度一定時，培土的高度和寬度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而增大；當作業(yè)速度為0.45m/s，刀輥轉(zhuǎn)速244r/min時，培土高度和寬度達到最大。

5.3 培土機性能測定

耕深穩(wěn)定性和培土穩(wěn)定性是評價培土機作業(yè)性能的重要指標，反映了機組工作的穩(wěn)定性及對土壤的切削和拋送能力。根據(jù)不同工況下測得的旋耕深度和培土高度，可得機器的耕深穩(wěn)定性和培土穩(wěn)定性的變異系數(shù)，如表5所示。

由表5可知：當?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時，隨著作業(yè)速度的增大，耕深和培土的穩(wěn)定性降低；當作業(yè)速度一定時，隨著刀輥速度的增大，耕深和培土的穩(wěn)定性升高；當作業(yè)速度為0.45m/s，刀輥轉(zhuǎn)速244r/min時，穩(wěn)定性最高，培土效果最好，其作業(yè)效率為0.13hm2/h，適合山東等棉區(qū)小地塊作業(yè)。

表5 性能參數(shù)Table 5 Performance parameters

6 結(jié)論

針對我國棉花種植的特點，設(shè)計了一款小型手扶自走式棉田培土機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、成本低等特點，旋耕培土的深度和寬度均可調(diào)節(jié)，可滿足棉花不同生長時期的需要。對培土刀和行走輪進行了設(shè)計和改進，提高了碎土和拋土的能力，減少了對棉株的損害。仿真和試驗表明：該機滿足棉花培土作業(yè)的農(nóng)藝要求，實現(xiàn)了棉田管理的機械化作業(yè)。