梁新忠，朱 松，何彥平,

（1.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司黃海分公司，江蘇 鹽城 224624；2.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

目前，雖然針對秸稈還田機(jī)具的研發(fā)已經(jīng)取得了一定的成果，大量新型機(jī)具也已投入市場，但是機(jī)具地區(qū)適應(yīng)性不佳、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度不高、機(jī)具作業(yè)耗能大、作業(yè)費(fèi)用高等問題仍然突出。一是常用的正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)滅茬不徹底、碎土率低、秸稈不能充分掩埋和覆蓋，不符合稻麥秸稈全量還田的農(nóng)藝要求?，F(xiàn)有一些反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)存在負(fù)荷重、功耗大、效率低、罩殼積土、刀軸纏草等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著其在農(nóng)村的應(yīng)用和推廣。二是現(xiàn)有的包括雙軸滅茬旋耕機(jī)等多種秸稈全量還田作業(yè)機(jī)主要適用于北方旱田耕整地區(qū)，不能完全適應(yīng)南方稻麥產(chǎn)區(qū)秸稈還田的農(nóng)藝要求，尤其在像江蘇這樣稻麥輪作的土壤粘重地區(qū)問題尤為突出[1-2]。

針對1GKMS-200 型雙軸分層切土旋耕機(jī)，現(xiàn)有的雙軸旋耕機(jī)的后刀軸的安裝寬度等于前刀軸的安裝寬度，在此基礎(chǔ)上直接改進(jìn)為雙軸分切旋耕將會(huì)導(dǎo)致后旋耕刀軸難以入土，很難達(dá)到要求的耕作深度。此外，雙軸傳動(dòng)箱在土中迎土滑行，不僅增加阻力，也增加了傳動(dòng)箱箱體的磨損?？傊?，在目前現(xiàn)有的雙軸旋耕機(jī)上直接改進(jìn)為雙軸分層切削旋耕機(jī)耕作深度難以達(dá)到要求，旋耕消耗功率大，旋耕機(jī)效率低，無法進(jìn)行分層旋耕，實(shí)現(xiàn)大耕深的要求。因此，本文開展的對適應(yīng)秸稈全量還田的大功率、具有分層切土功能的大耕深旋耕機(jī)具的研究具有十分重要的意義[1,3-5]。

1 雙軸空間布置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)

本機(jī)具與一般的雙軸旋耕機(jī)的最大不同之處就在于雙軸的結(jié)構(gòu)形式不同，所以雙軸空間布置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是秸稈全量還田大耕深雙軸分層切土旋耕機(jī)的核心之處。本機(jī)具前、后刀軸采用雙軸階梯狀立體空間布置結(jié)構(gòu)，即前旋耕刀軸和后旋耕刀軸分別安裝于雙軸旋耕機(jī)的前后，在本設(shè)計(jì)中前刀軸和后刀軸在水平方向上相距45 cm，在豎直方向上后刀軸比前刀軸低11 cm。為實(shí)現(xiàn)后刀軸能順利入土旋耕，前刀軸左側(cè)板與右側(cè)板的距離要大于后刀軸左右側(cè)板距離加上后刀軸側(cè)邊傳動(dòng)箱的厚度，這樣后刀軸側(cè)邊傳動(dòng)箱以及側(cè)板底部才可以緊貼前刀軸旋耕后的溝底繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)具前、后刀軸選用的旋耕刀的型號(hào)均為IT225，前刀軸的耕作深度約為11 cm，后刀軸在前刀軸耕作的基礎(chǔ)上再向下旋耕約11 cm，以實(shí)現(xiàn)采用小旋耕刀分層旋耕實(shí)現(xiàn)大耕深、總耕作深度達(dá)到20 cm 的目的。雙軸階梯狀立體空間位置如圖1 所示。

雙軸分層切土旋耕機(jī)的雙軸空間布置結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖如圖2 所示，A 為左右橫向傳動(dòng)軸中心點(diǎn)；B 為前刀軸中心點(diǎn)；C 為后刀軸中心點(diǎn)；D 為前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)水平線的垂足；a 為左右傳動(dòng)軸中心點(diǎn)到前刀軸中心點(diǎn)的距離；b 為左右傳動(dòng)軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的距離；c 為前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的距離；d 為前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的垂直距離。

設(shè)計(jì)旋耕機(jī)需要考慮多方面的問題，為了盡可能的減少機(jī)具零部件的加工成本，使得零部件具有互換性，1GKMS—200 雙軸分層切土旋耕機(jī)的左右橫向傳動(dòng)軸和左右側(cè)邊箱的結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為相互對稱的結(jié)構(gòu)，那么左右橫向傳動(dòng)軸中心點(diǎn)到前刀軸中心點(diǎn)的距離a 與后刀軸中心點(diǎn)的距離b 相等，即a=b。由于前刀軸和后刀軸的旋耕刀都是國家標(biāo)準(zhǔn)IT225旋耕刀，其回轉(zhuǎn)半徑為225 mm，為了使得兩軸上的旋耕刀不互相接觸，所以前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的距離c 必須大于450 mm。同時(shí)考慮到在工作過程中避免雙軸旋耕起來土塊和秸稈發(fā)生擁堵，依據(jù)相關(guān)實(shí)際旋耕試驗(yàn)，兩軸旋耕刀尖間的距離留有5 cm 的余量。為了盡可能地減小旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的距離c 的設(shè)計(jì)值應(yīng)為500 mm。由于1GKMS—200 雙軸分層切土旋耕機(jī)前刀軸和后刀軸的最大耕深理論值為112.5 mm，要使得雙軸旋耕機(jī)的耕深達(dá)到20 cm，前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的垂直距離設(shè)計(jì)值應(yīng)大于90 mm，由于實(shí)際工作過程存在誤差，本機(jī)具前刀軸中心點(diǎn)到后刀軸中心點(diǎn)的垂直距離設(shè)計(jì)值為110 mm。

前刀軸和左右橫向傳動(dòng)軸之間有上罩板、前支架、左右橫向傳動(dòng)軸軸管和中間傳動(dòng)箱體等，考慮到以上部件的結(jié)構(gòu)尺寸和裝配預(yù)留尺寸，前刀軸和左右橫向傳動(dòng)軸之間的距離設(shè)計(jì)值為575 mm。當(dāng)這些尺寸都確定后整個(gè)旋耕機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸和空間位置關(guān)系就定下來了，其中本機(jī)具前刀軸和后刀軸在yz 面上之間的夾角為38.48°，前刀軸在yz 面上與豎直面之間的夾角為13.06°。

2 前、后刀軸總成的設(shè)計(jì)

在作業(yè)過程中前、后旋耕刀軸是主要承載構(gòu)件，它們承受土壤反力和發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩作用產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等復(fù)雜組合變形，且伴隨產(chǎn)生激烈的振動(dòng)、沖擊，特別是機(jī)具的前刀軸在前面切削，工作環(huán)境更為復(fù)雜，受到的沖擊更為嚴(yán)重。目前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往是按照在田間使用不至破壞的準(zhǔn)則，根據(jù)作用在刀軸上的載荷采用靜強(qiáng)度估算，然后通過加大安全系數(shù)的方法來滿足強(qiáng)度要求。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則過于保守，需要對刀軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 刀軸正反轉(zhuǎn)確定

刀軸反轉(zhuǎn)的工作過程是，旋耕刀從土壤底層向上切削土層，旋耕刀由遠(yuǎn)及近地切土，屬于無支撐的切削，對土壤有一定的拉伸破碎作用。這樣的旋耕工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：工作較平穩(wěn)；垡塊細(xì)長，易破碎；耕作底層的平整度比正轉(zhuǎn)好[3-4]。反轉(zhuǎn)在功能上的優(yōu)越之處在于其不僅能夠很好完成碎土、耕耙作業(yè)，而且可以有效掩埋秸稈、雜草等有機(jī)物，起到培肥育地、增加土壤有機(jī)質(zhì)的作用，埋茬滅茬的效果也比正旋好。

但是反旋消耗的功率很大，這對旋耕機(jī)提出了更高的要求，經(jīng)過比較分析，本設(shè)計(jì)雙軸分層切土旋耕機(jī)的前、后刀軸仍然選擇正旋的作業(yè)方式，在后續(xù)的研發(fā)工作當(dāng)中可以考慮，前、后刀軸采用反旋的方式或者其中一個(gè)軸采用反旋的作業(yè)方式。

2.2 刀軸轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊推薦的數(shù)據(jù)，在含水率為20%～30%的田塊里，切土進(jìn)距S=10 cm，耕作質(zhì)量即可滿足農(nóng)藝上的要求；耕輕、中粘度土壤（含水率大于35%），S=6～9 cm 即可；粘重土壤、多草地，S=4～6 cm。

根據(jù)公式變換可得轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

取值：vm=3.6 km/h；Z=2；S=6～9 cm；n=200～300 r/min。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取n=240 r/min 時(shí)，機(jī)具在壤土與粘土上均能正常工作，并且拖拉機(jī)的載荷沒有大幅提升，經(jīng)試驗(yàn)對比確定刀軸的轉(zhuǎn)速n=240 r/min。

2.3 刀軸的受力分析

刀軸工作時(shí)旋耕刀相繼入土，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷的作用。刀軸可以簡化為受若干集中載荷的簡支梁，如圖3 所示。

若干集中載荷的位置和角度由旋耕刀的排列方式確定，刀軸在任意截面處的彎矩方程為：

根據(jù)彎矩方程再結(jié)合旋耕刀的排列位置和角度，可以推出刀軸中部，即x=L/2 為危險(xiǎn)截面。由第四理論強(qiáng)度理論可以得出最大工作應(yīng)力為：

式中：W 為刀軸的抗彎截面模量；M、Mn分別為刀軸危險(xiǎn)截面處的彎矩、扭矩；D、d分別為刀軸的外徑與內(nèi)徑。

已知：前刀軸長度L=2 300 mm，刀軸最高轉(zhuǎn)速nmax=240 r/min，取臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)δ=2，刀軸的許用應(yīng)力[σ0]=90 MPa，計(jì)算得出傳遞扭矩M=1 352 N·m，危險(xiǎn)截面彎矩為Mn=1 105 N·m，帶入公式在滿足上述計(jì)算的同時(shí)，將得出結(jié)果進(jìn)行圓整，類比參考其他樣機(jī)中旋耕刀軸的實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)外徑選取76 mm，內(nèi)徑為64 mm，壁厚為6 mm?？紤]到加工制造成本和機(jī)具的通用性能等因素，后刀軸的設(shè)計(jì)除了其設(shè)計(jì)長度為2 000 mm，其余規(guī)格和前刀軸一樣。

2.4 旋耕刀的選擇

使用專用設(shè)計(jì)的旋耕刀能夠改良耕作過程，改善埋茬效果，并且可以降低機(jī)具功耗。但是考慮到本機(jī)具尚處于研發(fā)試制階段，重新設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)旋耕刀的成本很高，所用本課題選用IT225 旋耕刀，而不去專門設(shè)計(jì)開發(fā)專用的旋耕刀。前、后刀軸都選用IT225 旋耕刀，前、后刀軸的回旋半徑約為225 mm。

3 結(jié) 語

本文主要對雙軸分層切土旋耕機(jī)旋耕部件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和選用，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定旋耕部件的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

（1）對1GKMS-200 型雙軸分層切土旋耕機(jī)的雙軸空間布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)采用兩根旋耕刀軸上下錯(cuò)位布置，實(shí)現(xiàn)20 cm 以上的大耕深作業(yè)。

（2）對機(jī)具的旋耕刀軸進(jìn)行了受力分析和設(shè)計(jì)，選擇前、后旋耕刀軸旋向都為正旋，選用IT225 旋耕刀作為前、后旋耕刀。