袁 剛，楊永發(fā)，張國鵬，張富貴

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與制造工程學(xué)院，昆明 650051)

0 引言

我國是世界上最大的烤煙生產(chǎn)國和消費(fèi)國，烤煙是我國近年來發(fā)展較快的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]，煙草總產(chǎn)量約占世界煙草總產(chǎn)量的 1/3，是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一[2]。然而在我國，烤煙種植大部分還是靠人力，機(jī)械化水平比較低，且煙草作業(yè)環(huán)境差，勞動強(qiáng)度大[6]。長此以往，導(dǎo)致烤煙生產(chǎn)的人工成本越來越高，嚴(yán)重制約我國烤煙行業(yè)的發(fā)展。旋耕起壟打塘作為烤煙生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，對烤煙生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，因此需要研發(fā)設(shè)計(jì)專門用于烤煙旋耕起壟打塘的組合機(jī)具。

近年來，歐美國家在整地機(jī)具領(lǐng)域展開了研究。目前，意大利Hortech公司生產(chǎn)的聯(lián)合整地機(jī)具，適用于重土壤或存在細(xì)碎石粒的情況，起到旋耕起壟平整土地功能[3]。美國Kennco農(nóng)機(jī)生產(chǎn)公司研制的半自動膜上挖穴移栽機(jī)，可以進(jìn)行沒有覆膜的壟上移栽，并能實(shí)現(xiàn)單行或多行的膜上移栽作業(yè)；但需要專人放苗，且自動化程度不高[4]。日本久保田公司研發(fā)的一種全自動鴨嘴式膜上移栽機(jī)，可以在同一壟上實(shí)現(xiàn)往返多行移栽，移栽株距也可進(jìn)行任意調(diào)節(jié)；但該機(jī)成本較高，對育苗要求非?？量蘙5]。綜上所述，國外移栽機(jī)械龐大笨重、價格昂貴，不適合我國烤煙生產(chǎn)現(xiàn)狀與地理地貌特點(diǎn)。

國內(nèi)旋耕起壟機(jī)的研究相比歐美國家較落后，目前旋耕起壟打塘機(jī)的研究在國內(nèi)趨于空白，市場上大多是旋耕起壟機(jī)具，不能滿足烤煙的特殊種植農(nóng)藝要求[16-17]。1999年，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)，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)[7]。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)趙大勇等研制的1ZML-210深松型聯(lián)合整地機(jī)，具有可打破犁底層及提高土壤透氣性等優(yōu)點(diǎn)[8]。

綜上所述，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷完善及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的結(jié)合，由以前的單功能機(jī)具逐漸向多功能[9]、智能化方向發(fā)展，更加靈活的服務(wù)于農(nóng)戶，機(jī)具整體更加輕巧，操作更加簡單[10]。為此，研究了烤煙旋耕起壟打塘機(jī)，集旋耕、起壟、打塘與一體，通過研究試制，在西南地區(qū)進(jìn)行試制推廣，解決了現(xiàn)存烤煙種植農(nóng)藝問題，具有實(shí)際的研究意義。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 農(nóng)藝要求和工作參數(shù)

烤煙旋耕起壟打塘機(jī)的農(nóng)藝要求為：壟距500mm，塘深300mm，塘距500mm。整機(jī)性能尺寸：配套動力40～70kW，外形尺寸2 600mm×1 800mm×1 300mm，工作幅寬2 600mm，作業(yè)速度2.2～5.4km/h，以上工作參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)的農(nóng)藝性要求。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

煙草旋耕起壟打塘機(jī)主要由旋耕裝置、起壟裝置及打塘裝置3部分組成，打塘部分作為研究重點(diǎn)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.打塘桿 2.伸縮彈簧 3.深度調(diào)節(jié)閥 4.T形支架 5.傳動裝置

1.3 工作原理

烤煙旋耕起壟打塘機(jī)是針對云南地區(qū)烤煙種植的農(nóng)藝要求而設(shè)計(jì)的，整機(jī)主要由地輪、打塘鏟、傳動裝置、聯(lián)軸器、掛架及T形支架等部件組成。該機(jī)具配套動力由40kW的四輪拖拉機(jī)提供，采用三點(diǎn)懸掛式安裝于拖拉機(jī)后面，特點(diǎn)是可一次性完成旋耕、起壟及打塘等功能[11]。作業(yè)時，由牽引機(jī)具提供作業(yè)動力，旋耕掛架與拖拉機(jī)后輸出軸連接，經(jīng)變速箱變速帶動機(jī)具作業(yè)。由旋耕裝置將土壤旋耕打碎，起壟裝置將打碎的土壤起壟成型，旋耕機(jī)架后部與聯(lián)軸器連接，為打塘部分提供牽引動力，牽引帶動地輪運(yùn)動，進(jìn)而地輪經(jīng)地輪軸帶動齒輪組；齒輪軸與地輪軸同軸，采用兩級齒輪組變速，進(jìn)而將動力輸送到鏈輪組，所述鏈輪組的雙排鏈輪中裝有3個撥輪，通過撥輪將打塘鏟和伸縮彈簧裝置抬起一定高度；打塘鏟與伸縮彈簧相連，當(dāng)撥輪轉(zhuǎn)到脫離打塘鏟卡位時，靠伸縮彈簧的自動復(fù)位，將打塘鏟的重力勢能和彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為打塘鏟進(jìn)入土壤的動力來源；打塘鏟做類似自由落體運(yùn)動，當(dāng)打塘鏟完全入土后，在打塘機(jī)架的水平帶動下，第2個撥輪緩緩將打塘鏟抬起至完全脫離土壤，至此實(shí)現(xiàn)一次打塘過程；當(dāng)?shù)?個撥輪將打塘鏟抬起到脫離打塘鏟卡位時，重復(fù)以上動作，實(shí)現(xiàn)第二次打塘，每3個撥輪循環(huán)實(shí)現(xiàn)一個打塘周期，從而完成整個旋耕起壟打塘的過程。地輪與打塘鏟的周期為1∶4，實(shí)測塘距300mm，滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

旋耕起壟打塘機(jī)的動力為拖拉機(jī)后的輸出軸，經(jīng)過變速箱，輸出的轉(zhuǎn)速為200～280r/min，打塘裝置主要靠地輪帶動，地輪直徑560mm。其中一級齒輪組主動輪齒數(shù)為62，模數(shù)為3，從動輪齒數(shù)為12；二級齒輪組主動輪齒數(shù)21齒，模數(shù)為2.5，從動輪齒數(shù)為60。二級齒輪組帶動鏈輪組傳動，一級鏈輪組齒數(shù)比為20∶38，鏈節(jié)P=12.7，二級鏈輪組齒數(shù)比為40∶14，鏈節(jié)P=19.05，三級鏈輪組齒數(shù)比為24∶16，鏈節(jié)P=19.05，三級從動鏈輪為左右對稱的兩組撥輪，每組撥輪有3個，循環(huán)運(yùn)動抬起打塘鏟，查資料知，齒輪傳動效率取98%，鏈輪傳動效率取96%，地輪的效率為80%，經(jīng)計(jì)算，地輪與三級從動輪的周期比接近1∶4。傳動系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 傳動系統(tǒng)示意圖

2.2 旋耕裝置的設(shè)計(jì)

旋耕起壟裝置主要作用是翻土、切土，為后續(xù)的打塘提供條件。旋耕的主要指標(biāo)是旋耕速比和切土節(jié)距，直接影響起壟的平整度。本機(jī)運(yùn)動參數(shù)的確定參照旋耕機(jī)的相關(guān)計(jì)算公式[12]，即

(1)

式中R—起壟機(jī)刀片的回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—起壟刀軸的回轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

Vm—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)。

查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)經(jīng)過計(jì)算可知：旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑R=255mm，回轉(zhuǎn)角速度ω=23.66rad/s，Vm=0.6m/s，帶入式(1)可得旋耕速比為λ=10.06。

同理，根據(jù)切土節(jié)距公式[14]得

(2)

式中S—切土節(jié)距(cm)；

Z—同一旋耕切削面內(nèi)刀具數(shù)量。

根據(jù)旋耕起壟刀軸上的排列方式，可知Z=6，代入式(1)中，可得S=2.65cm。由于云南地區(qū)烤煙種植的土壤多為紅土壤，旋耕節(jié)距應(yīng)小于5cm，此計(jì)算滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

由以上計(jì)算可知：旋耕速比λ和切土節(jié)距S均在合理值范圍內(nèi)，符合烤煙種植的特殊農(nóng)藝要求。旋耕起壟部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.掛架 2.變速箱 3.連接裝置 4.旋耕裝置 5.起壟扶形器

2.3 打塘裝置設(shè)計(jì)

打塘裝置是在旋耕起壟的壟面壟上進(jìn)行打塘，主要由伸縮彈簧、打塘鏟、齒輪組、鏈輪組、地輪及機(jī)架等部件組成。為保證打塘效果能達(dá)到區(qū)域性農(nóng)戶農(nóng)藝要求，通過機(jī)架上的預(yù)留孔來調(diào)節(jié)塘距的大小，通過打塘鏟抬起的高度和傾斜角度來改變塘深，以適應(yīng)整地農(nóng)藝要求，調(diào)整塘距、塘深。

云南山旱地的土壤比較硬，且坡度比較大，為了解決該機(jī)與動力機(jī)械配套后，在小坡度地塊作業(yè)時整套機(jī)械行走時穩(wěn)定性問題，同時為防止多次打塘引起的打塘鏟焊接點(diǎn)斷裂問題，在兩側(cè)加固加強(qiáng)肋條，保障打塘過程中機(jī)具的穩(wěn)定性。打塘裝置如圖4所示。

2.3.1 打塘功耗計(jì)算

旋耕起壟打塘機(jī)作業(yè)時，大多數(shù)功耗都來自打塘部分，由于影響打塘作業(yè)功耗的因素很多，在其他因素一定的情況下，只考慮主要影響因素，查閱相關(guān)資料可得，打塘功耗公式[13]為

P=0.1KλVmBd

(3)

式中P—打塘功耗(kW)；

Kλ—土壤比阻(N/cm2)；

d—打塘深度(cm)；

Vm—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；

B—塘徑(m)。

在不同的土壤和作業(yè)方式上，土壤比阻Kλ應(yīng)乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行修正，則

Kλ=KgK1K2K3K4

式中Kg—修正前土壤比阻，受打塘深度影響，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，粘性土壤含水率為20%時，取Kg=7.5N/cm2;

K1—塘深修正系數(shù)，打塘深度為15～30cm時，K1=1.0～1.2，取K1=1.0;

K2—土壤含水率修正系數(shù)，土壤含水率越小K2越大，土壤含水率為20%時，取K2=1;

K3—煙茬植被修正系數(shù)，煙茬地作業(yè)時，K3=1.0～1.2；普通地塊作業(yè)時，K3=0.8～1.0,取K3=1.0;

K4—作業(yè)方式修正系數(shù)，旱地作業(yè)時取K4=0.66～0.71，水田作業(yè)時，取K4=0.3～0.5；打塘，取K4=0.7。

綜上所述，結(jié)合云南地區(qū)的粘質(zhì)沙土的特性，以上各修正系數(shù)的取值參考相關(guān)資料所得[15]，經(jīng)計(jì)算可得Kλ=5.25，所以P=7.09kW。

1.打塘鏟 2.T形焊架 3.鏈輪組 4.連接軸 5.齒輪組 6.地輪

3 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)和推廣示范。該機(jī)可一次性完成旋耕、起壟及打塘等聯(lián)合作業(yè)，性能穩(wěn)定、安全可靠，填補(bǔ)了烤煙行業(yè)打塘的空白。根據(jù)作業(yè)效果，實(shí)測平均塘距588mm，塘深279mm，塘徑280mm，壟深打塘效果滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求，旋耕起壟打塘機(jī)的田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，旋耕起壟打塘機(jī)樣機(jī)和作業(yè)質(zhì)量圖如圖5、圖6所示。

表1 整機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

圖5 旋耕起壟打塘機(jī)樣機(jī)實(shí)物圖

圖6 打塘作業(yè)質(zhì)量圖

4 結(jié)論

1)該機(jī)具集旋耕、起壟、打塘等功能于一體，減少了烤煙種植的復(fù)雜工藝性環(huán)節(jié)，縮短了勞動時間。該機(jī)設(shè)計(jì)簡單可靠，效率高，適于云南地區(qū)的烤煙種植的農(nóng)藝性要求。

2)為方便使用，該機(jī)具設(shè)計(jì)成三點(diǎn)懸掛式，便于不同機(jī)具的配合使用，打塘部分為可調(diào)式，適用于煙草、蔬菜、根莖類等作物的種植要求。

3)該樣機(jī)研制成功后，在曲靖陸良地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)推廣，經(jīng)過多次優(yōu)化結(jié)構(gòu)，打塘效果與預(yù)期效果相差無幾，填補(bǔ)了國內(nèi)煙草種植全程機(jī)械化的空白，為更好地推進(jìn)云南地區(qū)烤煙種植規(guī)?；C(jī)械化提供了可能。