張大成，黃毅成，繆 磊，於海明，胡運軍，包義亮

(1.南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇 南京 210095； 2.泰州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇 泰州 225300；3.江蘇柳瑞機械設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213000； 4.灌云縣振興機械制造有限公司，江蘇 灌云 222200)

0 引言

“十四五”是江蘇省基本實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的關(guān)鍵5年。農(nóng)業(yè)機械化是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的重要支撐。響應農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展政策，新的農(nóng)機具不斷涌現(xiàn)，可靠性不斷提高，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化集成與應用提供了動力和有效保證[1-2]。

2BG-14型旋耕施肥播種機在江蘇、安徽等南方市場應用廣泛，一次性可完成旋耕、施肥和播種3項工序。播種環(huán)節(jié)之后，還需要在地面上進行開溝作業(yè)，仍需進地一次，導致對土壤進一步壓實[3]。鑒于此，本文在2BG-14型旋耕施肥播種機上增設(shè)開溝裝置，以期達到一次作業(yè)可以完成耕地、播種、施肥和開溝4道作業(yè)工序，有效避免在已播地上進行開溝，出現(xiàn)壓種的問題，保證種子出苗率，提高作業(yè)效率[4]。

1 設(shè)計要求

根據(jù)農(nóng)藝要求，將開溝部件增設(shè)到旋耕施肥播種一體化作業(yè)環(huán)節(jié)，其裝置設(shè)計需要滿足以下要求[5]。

(1)機具適應性要求：由于機具機身加長，設(shè)計中需要解決工作時產(chǎn)生劇烈振動、直線行駛時發(fā)生方向偏移和地頭轉(zhuǎn)彎時開溝刀盤的提升等方面問題。

(2)功能技術(shù)要求：根據(jù)江蘇地區(qū)稻麥輪作田塊的農(nóng)藝規(guī)范，開溝部件應達到開溝農(nóng)藝要求。排水溝溝距4 m，溝面寬度25～35 cm，溝底寬度18～22 cm，溝深>12 cm可調(diào)。

(3)開溝部件類型的選擇：圓盤式開溝機是常見的開挖農(nóng)田排灌溝渠的開溝機具，其結(jié)構(gòu)簡單，開出的溝型整齊，故選用單圓盤式開溝部件。

(4)安裝及控制的便利性：為了滿足復合作業(yè)要求，需要合理設(shè)計旋播機的機架及開溝部件的安裝位置。

(5)傳動系統(tǒng)可靠性：由于傳動線路變長，傳動可靠性變差，合理的傳動路線為整個機具的穩(wěn)定作業(yè)提供重要保障。

2 總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

2BG-14型旋播機按結(jié)構(gòu)可分為傳動裝置、工作裝置和輔助裝置。傳動裝置主要由萬向節(jié)總成、齒輪箱總成和地輪驅(qū)動總成組成。工作裝置主要包括旋耕刀輥總成、中間犁體、播種雙圓盤開溝器總成、排種器總成和排肥器總成。輔助裝置主要包括機罩、擋土板、懸掛架總成、機架總成、種肥箱總成和鎮(zhèn)壓輪總成。2BG-14型旋播機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.懸掛架總成 2.種肥箱總成 3.播種箱總成 4.鎮(zhèn)壓輪總成5.播種雙圓盤開溝器 6.刀軸總成 7.齒輪箱總成 8.框架總成 9.萬向節(jié)圖1 2BG-14型旋耕播種機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 2BG-14 rotary tillage fertilizing and seeding machine

2.2 主要設(shè)計參數(shù)

開溝裝置的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 開溝裝置主要設(shè)計參數(shù)

2.3 設(shè)計方案

機架部分采用雙臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對稱，受力均勻，能較好地平衡側(cè)向力，保證操縱駕駛的方向性，并將開溝部件布置于播種機正后方位置，采用萬向節(jié)傳動[6-7]。開溝器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.分土板 2.開溝刀盤 3.萬向節(jié) 4.旋耕部分齒輪箱圖2 開溝器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ditcher

2.4 刀具切削土壤運動分析

開溝器刀盤上的刀片進行切土工作時，刀片運動由兩種運動組合而成：一種是跟隨機組前進的直線運動；另一種是刀片繞刀盤的圓周運動。由于圓周運動的線速度大于前進速度，因此最終刀片的運動軌跡是余擺線，如圖3所示。

圖3 刀片切土軌跡Fig.3 Blade cutting track

開溝器正向(旋轉(zhuǎn)方向與前進方向相同)旋轉(zhuǎn)工作時，刀片是從土壤表面向下切削土壤，刀片利用剪切擠壓作用進行開溝，此種方式土塊難以破碎。當開溝機反向(旋轉(zhuǎn)方向與前進方向相反)作業(yè)時，刀片由溝底向土壤表面進行切土，此時土壤表面不會產(chǎn)生約束面，刀片所切下的土塊易于破碎。研究顯示，在進行相同切削量的作業(yè)時，采取反轉(zhuǎn)的刀片其扭轉(zhuǎn)峰值較小，總體功耗也較小[8]。因此，現(xiàn)有開溝器大多采用反轉(zhuǎn)工作方式。

2.5 主要參數(shù)

2.5.1 刀盤線速度

刀盤的圓周速度影響土壤被拋送的距離及切土的速度。刀盤速度越高，拋送效果越好，但單位土方的功耗會增加，當?shù)侗P速度降低時，會導致拋送效果變差。維持拋送能力的最低線速度被稱為臨界卸載線速度，工作時刀盤的端點線速度必須大于臨界卸載線速度[9]。

研究表明，刀盤的臨界卸載線速度5 m/s是能使土壤卸載拋出的最低線速度。如果想讓土壤拋撒一定距離，并且能達到良好的效果，則刀盤的線速度需要達到10～15 m/s。

綜合考慮，在保證土壤的拋撒達到較好的效果且功率消耗較低的前提下，刀盤圓周線速度通常取12 m/s。

2.5.2 刀盤直徑

刀盤直徑是旋轉(zhuǎn)式開溝機主要參數(shù)之一。通常采用經(jīng)驗公式確定刀盤直徑：

D=(1.25～1.45)l

(1)

式中D——刀盤直徑，mm

l——溝壁斜邊長度，mm

結(jié)合農(nóng)藝要求，l=350 mm，故取刀盤直徑D=460 mm。刀片回轉(zhuǎn)半徑通常取150 mm(回轉(zhuǎn)直徑為300 mm)，則刀盤最大回轉(zhuǎn)直徑760 mm。

2.5.3 刀盤轉(zhuǎn)速

根據(jù)力學公式[10]

V=ωR

(2)

ω=πn/30

(3)

式中ω——刀盤角速度，rad/s

n——刀盤轉(zhuǎn)速，r/min

計算可得刀盤轉(zhuǎn)速n=297 r/min。

2.6 傳動系統(tǒng)設(shè)計

開溝裝置傳動路線如圖4所示。拖拉機的動力由動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)聯(lián)軸器總成傳遞到播種機中間齒輪箱第1軸，經(jīng)過一對錐齒輪減速并改變方向，再通過一對圓柱齒輪減速，通過齒輪花鍵軸與 左、右刀輥軸的花鍵連接，把動力傳至左、右刀軸，驅(qū)動旋耕刀片旋轉(zhuǎn)。同時利用錐齒輪換向，通過旋耕機齒輪箱后方輸出動力，連接動力離合裝置，再經(jīng)萬向節(jié)總成，傳送到開溝齒輪箱，最后傳送到刀盤。

1.動力輸出軸 2.聯(lián)軸器 3.開溝裝置離合器 4.萬向節(jié)總成5.刀盤 6.開溝裝置齒輪箱圖4 開溝裝置傳動路線Fig.4 Transmission roadmap of trenching device

3 試驗與結(jié)論

對設(shè)計樣機進行大田試驗，開溝器實際作業(yè)指標如表2所示。

表2 開溝器實際作業(yè)指標

試驗結(jié)果表明，樣機在工作過程中的開溝深度、開溝深度穩(wěn)定性、溝寬、溝底浮土厚度和碎土率等各項指標均符合田間開溝農(nóng)藝要求的規(guī)定。