宋麗輝，宮喚春

(燕京理工學(xué)院 機電學(xué)院，河北 燕郊 065201)

0 引言

開溝施肥播種綜合作業(yè)機[1]一次下地能夠完成旋耕、秸稈掩埋、播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)，提高了開溝施肥及播種的效率，降低了使用不同機器設(shè)備對土壤反復(fù)的壓實，節(jié)省了施種成本和耕作費用，是目前農(nóng)業(yè)施肥播種領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點機型。目前，國內(nèi)的聯(lián)合作業(yè)機主要是完成松土、碎土、起壟、播種、施肥、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序?，F(xiàn)有資料表明，旋耕滅茬、施肥播種聯(lián)合作業(yè)機型主要針對北方保護地耕作，而對南方稻麥秸稈還田旋耕施肥播種聯(lián)合作業(yè)機具，還沒有成熟的機型應(yīng)用。新型稻麥秸稈還田施肥播種機械，是將旋耕滅茬、秸稈還田、施肥、播種及鎮(zhèn)壓多項技術(shù)集成在一起，實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，以達到一機多用、一機多能的目的。由于功能的增加，將給整機的研發(fā)帶來一定的難度，為了實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，以達到一機多用、一機多能的目的，需著重解決整機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化問題。

1 設(shè)計原理及機構(gòu)

根據(jù)南方稻麥種植特點，設(shè)計的開溝施肥播種聯(lián)合作業(yè)機如圖1所示。整機主要由萬向傳動軸裝置、開溝施耕機械系統(tǒng)、整機機體殼蓋總成、開溝施耕傳動裝置，以及土壤壓實裝置等部件構(gòu)成。

開溝施耕機械系統(tǒng)主要為用于翻土壓實的施耕刀，施耕刀結(jié)構(gòu)排列采用了雙曲線形式布置[2-3]。雙曲線刀片結(jié)構(gòu)強度硬度較大，能夠提高翻土及碎土效果，使得土壤細粒化，有利于施肥及耕作需要，播種淺、施肥深。

1.三角懸掛總成 2.旋耕滅茬傳動總成 3.中央變速器 4.種肥箱 5.罩殼柵欄調(diào)節(jié)裝置 6.罩殼柵欄總成 7.排肥排種傳動總成 8.壓力調(diào)節(jié)彈簧 9.鎮(zhèn)壓輪 10.排種排肥管調(diào)節(jié)裝置 11.萬向節(jié)軸

設(shè)計了開溝施耕傳動裝置，傳動鏈采用不同斜度的鏈條及柵格可以提高刀片工作的速度及工作的范圍，最大限度降低刀片被土壤卡死堵塞的情況，同時提高了刀片的使用壽命。在施肥耕作過程中可以調(diào)整施耕排料管的高度，根據(jù)不同土壤碎土情況及土壤含水率而動態(tài)調(diào)整施肥耕作的深度，有效提高了耕作施肥的質(zhì)量。

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計計算

2.1 掛接機構(gòu)設(shè)計

開溝裝置通過掛接機構(gòu)連接在微耕機后部，通過微耕機的液壓系統(tǒng)控制液壓缸，可以實現(xiàn)整個裝置的升降。微耕機[4]動力輸出軸的動力經(jīng)鏈傳動后，輸入到開溝裝置主軸和主動鏈輪。參考已有開溝機的掛接機構(gòu)，并充分考慮微耕機的結(jié)構(gòu)尺寸和使用環(huán)境的要求，設(shè)計開溝機的掛接機構(gòu)如圖2所示。

圖2 掛接機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

掛接機構(gòu)主要由支架和下部的兩個支撐桿組成。支架上有固定主軸軸承座的螺栓孔、安裝液壓缸的耳環(huán)和連接梁的鉸接孔。安裝時，先將架的尾端鉸接在微耕機尾座上，然后再將支撐桿下部的銷與微耕機底盤上的耳環(huán)連接起來。這樣的設(shè)計主要是充分利用微耕機已有的尾座支架，盡量不做改動，從而降低成本。針對此掛接機構(gòu)，需對微耕機做以下調(diào)整[5]：將后支架的離地高度調(diào)為420mm，通過改變傾角實現(xiàn)。設(shè)計過程必須做到以下3點：保證主軸離地高度約500mm；保證主軸軸線與微耕機后座孔的距離400mm；將底盤向后延長50mm，目的是為了焊接支撐桿的耳環(huán)，保證連接強度。

2.2 減速器及鏈傳動設(shè)計

微耕機后動力輸出軸的轉(zhuǎn)矩通過鏈傳動傳遞給開溝裝置的主動鏈輪，設(shè)計減速箱的目的是為了解決原微耕機的行進速度過高(3個檔位：Ⅰ擋1 480m/h，Ⅱ擋2 100m/h，Ⅲ擋3 300m/h)而帶來機身振動的難題，如圖3所示。在施肥耕作機械部分設(shè)置安裝減速傳動設(shè)備既可以保證動力輸出平穩(wěn)而方向變化，又可以有效降低施肥耕作速度，保證均勻施肥耕作。

圖3 加減速箱后的傳動路線圖

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

由于多數(shù)開溝施耕聯(lián)合作業(yè)機器通常是開溝施肥機和播種耕作機兩種機構(gòu)組合而成[6]，因此合理設(shè)計兩種機構(gòu)傳動連接方案及各機構(gòu)系統(tǒng)分配合理的傳動比，對機器功率的提高及使用壽命、播種施耕范圍有著重要的影響。本文對開溝施肥和播種耕作兩部分的傳動系統(tǒng)進行合理設(shè)計并計算相關(guān)參數(shù)。

本文機器要與中型農(nóng)用拖拉機匹配安裝，拖拉機動力輸入到開溝施肥機的傳動軸上，再由其帶動播種耕作機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)耕作施肥需要。該系統(tǒng)的動力傳輸裝置包括開溝施肥變速機構(gòu)和播種耕作變速機構(gòu)，如圖4所示。

1.開溝施肥變速機構(gòu) 2.開溝施肥齒輪組 3.播種耕作變速機構(gòu) 4.播種耕作齒輪組 5.鏈傳動組件

拖拉機輸出的動力傳到施肥播種機變速機構(gòu)后，通過該齒輪組將運動傳至雙曲線刀片上，刀片旋轉(zhuǎn)切割完成耕作過程，再傳動到播種耕作機上使得其完成播種。

根據(jù)使用地南方的氣候和土壤條件，將本文機器工作動力傳輸?shù)绞┓蕶C的轉(zhuǎn)速確定為720r/min。利用3級動力傳動，確保播種耕作機運轉(zhuǎn)速度大于265r/min，同時根據(jù)施肥耕作土壤條件分配不同傳動比完成施肥耕作[7]。因此，由具體施肥耕作條件可以計算出本文機器的總傳動比為

分別設(shè)計并計算各級傳動比如下：

中央齒輪傳動為

i12=1.85

側(cè)邊齒輪傳動為

則總傳動比為

i總=i12×i35=2.72

旋耕滅茬轉(zhuǎn)速為

n2=n1/i總=265r/min

2.4 鏈傳動機構(gòu)設(shè)計計算

鏈傳動機構(gòu)主要確保刀具在不同高度完成施肥耕作，由于鏈傳動主要包括主傳動鏈、連接機構(gòu)及從動傳動鏈3部分。根據(jù)耕作播種機的長度將鏈長度確定為1.25m，既保證機器整體尺寸適中，又能確保兩個鏈輪中心距小于1m。查閱現(xiàn)有資料：開溝機的鏈速一般為v=1～15m/s，綜合考慮微耕機的輸出轉(zhuǎn)速和果園及林地的土壤硬度，選定開溝鏈線速度2m/s，則由計算得開溝機主軸轉(zhuǎn)速409.32r/min。

鏈刀組合的虛擬裝配主要用骨架裝配的方法，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.外鏈板 2.套筒 3銷軸 4.內(nèi)鏈板 5.滾子 6.滾輪

開溝寬度為200mm，且刀片切削刃寬度一般不小于20mm，由于鏈寬略小于刀具刃寬，確定采用單排鏈，在溝寬方向兩把刀片左、右依次排列。

選定主動鏈輪齒數(shù)13，從動鏈輪齒數(shù)11。鏈條和鏈輪關(guān)鍵參數(shù)的計算過程如下：

鏈速為

鏈輪分度圓直徑為

齒頂圓直徑為

齒根圓直徑為

df1=d1-d0=153.325mm

df1=d2-d1=126.883mm

df3=d3-d0=113.765mm

開溝施肥耕作機的刀片類型種類眾多，如彈頭式、垂直式刀片、柱形刀片及碟形刀片等。彈頭式刀具適用于硬度較大的巖石土壤開墾，垂直刀片適用于北方寒冷地區(qū)厚實的凍土土壤。南方土壤比較松軟，因此適合應(yīng)用硬質(zhì)合金鋼制成的弧形刀片，既可以保證切削的范圍又能使土壤碎土率較高，且刀片強度硬度塑性和韌性較好適用范圍廣泛，可以使得土壤開墾深度較大，因此本開溝施肥機采用弧形刀片。

弧形刀片切削角適中，使得土壤翻滾均勻，同時刀片成楔形分布，使得切削力較大，刀片強度適中，刀口韌度穩(wěn)定，通常切削角取8°～14°[8]。本文刀片切削角取12°，刀寬70mm，切削土壤部分刃口30mm，如圖6所示。

圖6 40×90的刀片造型圖

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

2017年9月，試驗在湖南岳陽農(nóng)業(yè)種植基地。本地區(qū)年降水量平均為840mm，6-8月是雨季，常年平均氣溫19.8℃，土壤為松軟土，屬典型的濕帶氣候。利用小麥?zhǔn)┓矢髯鳛楸疚臋C器的試驗測試點。該地區(qū)土壤碎土率超過90%。種植類型是施肥直接播種，機器動力輸出超過70kW，耕作施肥行進速度為1～2.5km/ h，施肥耕作行數(shù)是8行。該測試過程中采用新中9號小麥，該類型小麥的千粒質(zhì)量為43g，粒含水率為13.9%，耕作施肥量是280kg/hm2; 使用肥料是尿素，耕作施肥量為220kg/hm2。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 通過性評價

按照國家農(nóng)業(yè)部規(guī)定的施肥耕作標(biāo)準(zhǔn)和要求，測試區(qū)域長度設(shè)定為150m。測試過程中，拖拉機以2km/h勻速行駛，施肥耕作機以1.5km/h進行耕種作業(yè)，如圖7所示。根據(jù)國家農(nóng)業(yè)部耕作標(biāo)準(zhǔn)要求，本文設(shè)計的機器要完成10次開溝施肥直接播種試驗。試驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的機器通過性能平穩(wěn)，無刀片卡死折斷的現(xiàn)象，性能良好。

3.2.2 播種施肥測試

施肥耕作等作業(yè)完成后，從播種的作物中任意抽取10行，每行在250mm范圍內(nèi)隨機選取25個測試點，檢測人員用手工工具挖卡播種土層對機器施肥耕作的深度及施肥耕作距離等參數(shù)進行測取和分析，如表1所示。

圖7 機器耕作試驗

試驗項目單位數(shù)值播種覆蓋率cm5.6土壤耕作覆蓋深度%99播種間隔%96肥料入土深度cm7.3耕作播種深度cm2.25土壤含肥料率%100

4 結(jié)論

分析了開溝施肥播種綜合作業(yè)機不同應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)進行分析設(shè)計和計算，田間試驗表明：該機種子播種深度、施肥覆蓋率及機器工作強度和通過性均滿足國家農(nóng)業(yè)相關(guān)種植標(biāo)準(zhǔn)，其有應(yīng)用推廣的價值。