常樹堂，申月華，郜向旗，王 彥

(河南省漯河市郾城區(qū)農(nóng)機(jī)推廣服務(wù)中心，河南 漯河 462300)

0 引言

隨著我國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)、承包、托管步伐的加快，農(nóng)田地塊得到了適度的整合集中，為大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)提供了便利條件。大中型農(nóng)機(jī)由于功率大、動力強(qiáng)勁、作業(yè)效率高，能有效節(jié)約作業(yè)成本，深受廣大農(nóng)民的歡迎。

近些年，大中型農(nóng)機(jī)如大中型拖拉機(jī)保有量迅猛發(fā)展，僅河南省漯河市郾城區(qū)2019年就新增大中型拖拉機(jī)239臺，2018年該區(qū)大中拖占拖拉機(jī)保有量的8.9%，2019年大中拖占9.6%，這一比例還在持續(xù)提高。旋耕機(jī)是大中型拖拉機(jī)標(biāo)配的農(nóng)具之一，旋耕作業(yè)也是郾城區(qū)主要的整地模式，但在實(shí)際作業(yè)中，出現(xiàn)了旋耕機(jī)入土性差、作業(yè)效果不好等問題，需要引起生產(chǎn)企業(yè)、管理部門、用戶等的關(guān)注和重視，共同制定合理的整改方案，確保大中型拖拉機(jī)及配套旋耕機(jī)發(fā)揮最大效用[1-3]。

1 案例分析

2020年“三秋”季節(jié)，郾城區(qū)裴城鎮(zhèn)坡邊村一名拖拉機(jī)手向郾城區(qū)農(nóng)機(jī)服務(wù)中心打電話求助，反映他當(dāng)年新買了一臺東方紅LX1604型拖拉機(jī)，選配一臺豪豐230H型高箱體旋耕機(jī)，在農(nóng)田作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)一側(cè)入土，另一側(cè)不入土，作業(yè)過后的土壤一側(cè)較好，另一側(cè)極差，并且作業(yè)過后的地表出現(xiàn)腳印型凹坑。據(jù)介紹，出現(xiàn)這種情況的不止他一個(gè)人的機(jī)器。

郾城區(qū)農(nóng)機(jī)服務(wù)中心技術(shù)人員開始以為，旋耕機(jī)在作業(yè)前，拖拉機(jī)后面兩側(cè)懸掛臂沒有調(diào)水平或旋耕機(jī)刀軸上旋耕刀片沒有裝對所致。到作業(yè)現(xiàn)場后，經(jīng)過仔細(xì)檢查，以上問題均不存在。技術(shù)人員嘗試用拖拉機(jī)的強(qiáng)壓機(jī)構(gòu)迫使旋耕機(jī)強(qiáng)制入土，但作業(yè)效果仍不明顯；技術(shù)人員又試著用化肥袋裝滿土，壓在旋耕機(jī)不入土一側(cè)，作業(yè)效果雖有所好轉(zhuǎn)，但與另一側(cè)相比差別仍較大，遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)定的整地質(zhì)量要求。當(dāng)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)該拖拉機(jī)作業(yè)速度較快時(shí)，要求機(jī)手使用中速Ⅰ擋作業(yè)，即作業(yè)速度改為4.89 km/h，結(jié)果旋耕機(jī)上述現(xiàn)象消失，作業(yè)恢復(fù)正常。

技術(shù)人員告訴機(jī)手，旋耕作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)行走速度不能太高。農(nóng)田旋耕作業(yè)不是公路運(yùn)輸，不是動力大就可以多拉快跑。旋耕機(jī)是整地機(jī)械，也是典型的減速增扭農(nóng)業(yè)機(jī)械，旋耕機(jī)刀軸上的旋耕刀在切割土壤時(shí)，阻力較大，需要耗費(fèi)的扭力也較大，同時(shí)為了減輕其沖擊力和振動，旋耕刀在刀軸上的排列順序都呈雙螺旋線形，旋耕作業(yè)時(shí)，旋耕刀軸上同方向的彎刀漸次入土切割土壤。旋耕機(jī)左右彎刀在刀軸上裝好后，彎刀部分呈現(xiàn)兩條包絡(luò)線，并且旋耕機(jī)兩側(cè)刀軸，以旋耕機(jī)中間的變速箱中線為對稱軸相對稱，旋耕作業(yè)時(shí)，兩側(cè)左右對稱彎刀同時(shí)切入土壤，對刀軸所產(chǎn)生的橫向作用力相互抵消，保證旋耕機(jī)在作業(yè)時(shí)向前走直線，不發(fā)生橫向偏移，彎刀刨出的土坑正好相互回填，作業(yè)后地面保持平坦。旋耕刀刨地阻力大，所以刀軸轉(zhuǎn)速不能太高，一般300 r/min左右，要求拖拉機(jī)從事旋耕作業(yè)時(shí)，其前進(jìn)速度一般為3～6 km/h(旋耕深度15～16cm)，如果拖拉機(jī)前進(jìn)速度太高，旋耕刀刨地速度趕不上拖拉機(jī)前進(jìn)速度，旋耕機(jī)刀片還沒有落下，拖拉機(jī)已帶著旋耕機(jī)前移，會出現(xiàn)旋耕機(jī)刀片不入土、漏刨、少刨，作業(yè)過的地塊出現(xiàn)夾生地等，導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量變差[4-6]。

2 拖拉機(jī)行走速度與旋耕作業(yè)質(zhì)量的關(guān)系

一般對旋耕機(jī)整地作業(yè)質(zhì)量的要求是“耕深、耙透、耙勻、耙平、深淺一致，耙后沒有大土塊，中間沒有夾生地，耙后壓實(shí)，墑情好可直接播種”，這就要求拖拉機(jī)帶動旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)速度不能太快。分別以雷沃歐豹500～754B型中型拖拉機(jī)，東方紅LX1604型、LX1804型大型拖拉機(jī)為例介紹行走速度與旋耕作業(yè)質(zhì)量的關(guān)系。

2.1 雷沃歐豹中型拖拉機(jī)

雷沃歐豹500～754B型中型拖拉機(jī)各擋位的行走速度如表1所示。機(jī)手在進(jìn)行旋耕整地作業(yè)時(shí)，一般選擇主變速桿置于Ⅱ擋，副變速桿置于一級減速低擋(低速擋)或二級減速高擋(B擋)作業(yè)。為了便于比較，暫不考慮拖拉機(jī)作業(yè)幅寬問題。由表1可知，雷沃歐豹500型拖拉機(jī)旋耕作業(yè)時(shí)選3.59 km/h作業(yè)速度，504型拖拉機(jī)選3.89 km/h，550型拖拉機(jī)選3.59 km/h，554、600、604型拖拉機(jī)選4.28 km/h，650、654、700、704、750B、754B型拖拉機(jī)選4.01 km/h。

表1 雷沃歐豹中型拖拉機(jī)各擋位行走速度

為便于分析，計(jì)算各型號拖拉機(jī)采用以上作業(yè)速度走完100 m所需時(shí)間。雷沃歐豹500型拖拉機(jī)V=3.59 km/h=59.83 m/min，行走100 m用時(shí)1.671 min；500型拖拉機(jī)用時(shí)1.542 min；550型拖拉機(jī)用時(shí)1.671 min；554、600、604型拖拉機(jī)用時(shí)1.402 min；650、654、700、704、750B、754B型拖拉機(jī)用時(shí)1.496 min。

從雷沃歐豹拖拉機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)可知，以上型號的拖拉機(jī)，當(dāng)發(fā)動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下作業(yè)時(shí)，其后動力輸出軸轉(zhuǎn)速為796 r/min；從豪豐200H～230H型高箱體旋耕機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)可知，變速箱的變速比為1∶0.371?？捎?jì)算出旋耕機(jī)在這些拖拉機(jī)帶動下的旋耕刀軸轉(zhuǎn)速796×0.371=295.32 r/min，因此也可以計(jì)算出不同型號的拖拉機(jī)，正常情況下帶動豪豐200H～230H型高箱體旋耕機(jī)走完100 m距離，每把旋耕刀切割土地的次數(shù)(旋耕機(jī)刀軸每轉(zhuǎn)一周，每把旋耕刀對土壤完成一次切割)，切割土壤次數(shù)越多，整地效果越好。雷沃歐豹500型拖拉機(jī)，走完100 m用時(shí)1.671 min，則旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)1.671×295.32=493.48周；504型拖拉機(jī)走完100 m，旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)455.38周；550型拖拉機(jī)走完100 m，旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)493.48周；554、600、604型拖拉機(jī)走完100 m，旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)414.04周；650、654、700、704、750B、754B型拖拉機(jī)走完100 m，旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)441.8周。這些不同型號的拖拉機(jī)作業(yè)完100 m，平均每把旋耕刀切割土壤459.64次。

2.2 東方紅大型拖拉機(jī)

東方紅LX1604型、LX1804型大型拖拉機(jī)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)，中低擋行走速度如表2所示。

表2 東方紅大型拖拉機(jī)中低擋行走速度(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min)

東方紅LX1604、LX1804型拖拉機(jī)旋耕作業(yè)時(shí)，選用中速Ⅰ擋作業(yè)，即4.89 km/h行走速度，則走完100 m需時(shí)1.227 min，拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速850 r/min，選配豪豐230H型高箱體旋耕機(jī)，則旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為850×0.371=315 r/min，拖拉機(jī)走完100 m，旋耕刀軸可轉(zhuǎn)315×1.227=385.51周。

與雷沃歐豹中型拖拉機(jī)相比，用東方紅大型拖拉機(jī)帶動旋耕機(jī)作業(yè)，走完100 m，平均每把旋耕刀少切割土壤459.64-385.51=73.13次。如果同是帶動230H型高箱旋耕機(jī)作業(yè)(作業(yè)幅寬2.3 m)，則作業(yè)完666.67 m2(1畝)地，需行走289.86 m(666.67/2.3=289.86)，每把刀少刨地289.86/100×73.13=211.97次。2.3 m旋耕機(jī)一般裝64把彎刀，旋耕666.67 m2(1畝)地，少切割土壤64×211.97=13 566次。盡管每把旋耕刀的刨地寬度有限，但綜合起來，整地效果差別還是很大。

前面所述那名東方紅大型拖拉機(jī)機(jī)手，旋耕作業(yè)選用的還不是中速Ⅰ擋，而是中速Ⅱ擋，即7.32 km/h行走速度，則走完100 m用時(shí)0.819 7 min，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速850×0.371=315 r/min，旋耕機(jī)刀軸可轉(zhuǎn)315×0.819 7=258.21周，即旋耕機(jī)刀軸上的每把旋耕刀刨地258.21次，比雷沃歐豹中型拖拉機(jī)作業(yè)，每把旋耕刀少刨地459.64-258.21=201.43次，這僅是100 m距離、每把刀少切割土壤的次數(shù)，而綜合計(jì)算，旋耕作業(yè)質(zhì)量變差是在所難免的。這就是大型拖拉機(jī)帶動旋耕機(jī)進(jìn)行高速作業(yè)時(shí)，刀片不入土、存在夾生地、留下凹坑腳印的根本原因。

上面分析的是相同后動力輸出條件下不同型號拖拉機(jī)的情況，如果是同型號的拖拉機(jī)有兩種后動力輸出軸轉(zhuǎn)速，則在同一轉(zhuǎn)速下，拖拉機(jī)行走速度越快，旋耕作業(yè)質(zhì)量就會越差。

3 提高旋耕作業(yè)效率的措施

機(jī)手在進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，最大的愿望是在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下提高作業(yè)效率，從而多出活、多收益。一般情況下，提高旋耕作業(yè)效率有3種方法：一是提高拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速；二是改變旋耕機(jī)變速箱內(nèi)部齒輪配比，提高旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速；三是根據(jù)土壤比阻和拖拉機(jī)動力大小，盡量選配寬幅旋耕機(jī)。

目前常用的拖拉機(jī)后動力輸出一般為雙速，如760/850、720/760、700/850、540/796 r/min等，個(gè)別拖拉機(jī)有1 000 r/min輸出速度設(shè)計(jì)。如果改變拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速，牽涉的因素和環(huán)節(jié)非常多，對拖拉機(jī)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)改動也非常大，是一個(gè)浩大的工程，因此一般不采用“提高拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速”的方法來提高旋耕作業(yè)效率。以下對第2種、第3種方法進(jìn)行詳細(xì)分析對比。

3.1 改變旋耕機(jī)變速箱齒輪配比

旋耕機(jī)是減速增扭的機(jī)具，旋耕作業(yè)時(shí)除了切割土壤，有時(shí)還要破除土壤表層的農(nóng)作物根茬，作業(yè)阻力較大，耗費(fèi)扭力也較大，因此作業(yè)時(shí)旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速不能太高(300 r/min左右)。刀軸轉(zhuǎn)速除與拖拉機(jī)后動力輸出轉(zhuǎn)速有關(guān)系外，還與旋耕機(jī)變速箱的傳動比有密切關(guān)系。旋耕機(jī)變速箱有低箱體和高箱體之分，其變速是靠內(nèi)部上下齒輪嚙合傳動實(shí)現(xiàn)的[7-10]。

3.1.1 低箱體變速箱

大約20年前，我國生產(chǎn)的輪式拖拉機(jī)功率較小，一般多是51.5 kW(70 hp)以下的中型拖拉機(jī)，這類拖拉機(jī)底盤較低、輪胎型號小、后動力輸出軸離地間隙小，與之配套的旋耕機(jī)變速箱均為低箱體(變速箱內(nèi)部有4根傳動軸)。作業(yè)時(shí)，聯(lián)接拖拉機(jī)后動力輸出軸與旋耕機(jī)變速箱之間傳遞動力的傳動軸(又稱萬向節(jié))中軸線，與地面所形成的夾角很小(<15°)，傳動軸工作時(shí)幾乎與地面平行，對旋耕作業(yè)影響不大。

以豪豐低箱體旋耕機(jī)變速箱為例，分析其內(nèi)部齒輪嚙合傳動情況，變速箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。該旋耕機(jī)變速箱為14∶26型，即變速箱內(nèi)部一對相互嚙合的錐齒輪齒數(shù)比為14∶26，則傳動比為0.368 4。

1.旋耕機(jī)I軸上14齒錐齒輪 2.旋耕機(jī)II軸上26齒錐齒輪 3.旋耕機(jī)II軸上13齒直齒輪 4.旋耕機(jī)Ⅲ軸上29齒直齒輪 5.旋耕機(jī)Ⅳ軸(刀軸)上19齒直齒輪 6.旋耕機(jī)刀軸 7.旋耕彎刀

在拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，要改變旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速，一般是通過改變錐齒輪的配比來實(shí)現(xiàn)，并且不需要改變變速箱的結(jié)構(gòu)，換裝也比較方便。如將14∶26型變速箱改裝為15∶27型高速機(jī)型，則其傳動比為0.380 1。

如果都采用后動力輸出轉(zhuǎn)速為850 r/min的拖拉機(jī)帶動，則兩種旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速分別為850×0.368 4=313.14 r/min和850×0.380 1=323.09 r/min，兩者相差323.09-313.14=9.95 r/min，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速得以提高。

3.1.2 高箱體變速箱

隨著國家惠農(nóng)政策的扶持，以及土地規(guī)模化、集約化經(jīng)營的發(fā)展，大型拖拉機(jī)發(fā)展迅猛，逐漸得到市場的認(rèn)可和青睞，尤其是73.5～117.6 kW(100～160 hp)拖拉機(jī)保有量急劇增加。這些大型拖拉機(jī)后驅(qū)動輪胎不斷增大、底盤離地間隙不斷增加，后動力輸出軸離地高度也有所增加，如果還繼續(xù)與傳統(tǒng)的低箱體變速箱旋耕機(jī)配套作業(yè)，則傳動軸聯(lián)接時(shí)與地面夾角明顯增大(>30°)，作業(yè)中很容易損壞，對拖拉機(jī)動力輸出軸后端的危害也很大。

為了使大型拖拉機(jī)與旋耕機(jī)更好地配套，旋耕機(jī)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)出高箱體變速箱機(jī)型，即在原低箱體變速箱的高度方向上，增加一個(gè)中間軸及惰輪，該惰輪在旋耕作業(yè)中只起傳遞動力和改變刀軸旋轉(zhuǎn)方向的作用，不改變旋耕機(jī)變速箱的傳動比，這樣旋耕機(jī)變速箱就由低箱體變成了高箱體，變速箱內(nèi)部由4根軸變成了5根軸。為使刀軸旋轉(zhuǎn)方向不發(fā)生改變，可將原低箱體變速箱內(nèi)側(cè)的大錐齒輪從右側(cè)換到左側(cè)。

高箱體變速箱的研發(fā)，使大型拖拉機(jī)后動力輸出軸與旋耕機(jī)之間傳動軸與地面的夾角變小，傳動軸運(yùn)轉(zhuǎn)更柔順。以豪豐200H～230H型高箱體旋耕機(jī)為例介紹其變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及傳動比情況，變速箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，豪豐200H～230H型高箱體旋耕機(jī)的傳動比為0.370 6，如配后動力輸出轉(zhuǎn)速為850 r/min的拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，則旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速為850×0.3706=315.01 r/min。與低箱體旋耕機(jī)類似，在拖拉機(jī)后動力輸出軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，如果要改變旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速，也是通過改變錐齒輪的配比來實(shí)現(xiàn)。

1.旋耕機(jī)I軸上13齒錐齒輪 2.旋耕機(jī)II軸上13齒直齒輪 3.旋耕機(jī)Ⅲ軸上21齒直齒輪 4.旋耕機(jī)Ⅳ軸上29齒直齒輪 5.旋耕機(jī)Ⅴ軸(刀軸)上19齒直齒輪 6.旋耕彎刀 7.旋耕機(jī)刀軸 8.旋耕機(jī)II軸上24齒錐齒輪

由以上分析可知，通過改變旋耕機(jī)變速箱齒輪配比的方法，可以提高旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速，但提高效果不明顯。一是受旋耕作業(yè)特性限制，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速不能太高；二是提高的旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速，與拖拉機(jī)各擋位之間的速度差異相比，變化不顯著。因而，在其他條件不變的情況下，這種方法并不能顯著提高旋耕作業(yè)效率。

3.2 選擇寬幅旋耕機(jī)

選擇幅寬更大的旋耕機(jī)進(jìn)行研究，以豪豐250H～300H型高箱體旋耕機(jī)為例，其作業(yè)幅寬為2.5～3.0 m，200H～230H型旋耕機(jī)作業(yè)幅寬為2.0～2.3 m。豪豐250H～300H型高箱體旋耕機(jī)變速箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.旋耕機(jī)I軸上13齒錐齒輪 2.旋耕機(jī)II軸上13齒直齒輪 3.旋耕機(jī)Ⅲ軸上21齒直齒輪 4.旋耕機(jī)Ⅳ軸上21齒直齒輪 5.旋耕機(jī)Ⅴ軸(刀軸)上19齒直齒輪 6.旋耕彎刀 7.旋耕機(jī)刀軸 8.旋耕機(jī)II軸上24齒錐齒輪

由圖3可知，豪豐250H～300H型高箱體旋耕機(jī)的傳動比為0.370 6，如配后動力輸出轉(zhuǎn)速為850 r/min的拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，則旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速為850×0.370 6=315.01 r/min。

由圖2、圖3可知，兩種作業(yè)幅寬不同的高箱體旋耕機(jī)只是變速箱內(nèi)部中間兩個(gè)惰輪齒數(shù)不同，并不影響傳動比，因而在相同后動力輸出軸轉(zhuǎn)速下，兩種旋耕機(jī)的旋耕刀軸轉(zhuǎn)速相同。如果拖拉機(jī)行走速度也相同，則影響機(jī)組作業(yè)效率的因素就是旋耕機(jī)的作業(yè)幅寬，很明顯，作業(yè)幅寬越大，作業(yè)效率就越高，從理論上計(jì)算，豪豐300H型高箱體旋耕機(jī)作業(yè)效率是豪豐230H型高箱體旋耕機(jī)的1.3倍(3.0/2.3=1.3)，相當(dāng)于作業(yè)效率提高了30%。當(dāng)然，旋耕機(jī)作業(yè)幅寬也不是無限大，而是要綜合考慮土壤比阻和拖拉機(jī)動力大小，在不影響作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量選配寬幅旋耕機(jī)。

4 結(jié)束語

介紹一則大型拖拉機(jī)帶動旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量差的案例，分析其原因并提出了處置方案。同時(shí)，進(jìn)一步以雷沃歐豹中型拖拉機(jī)和東方紅大型拖拉機(jī)為例，分析其各擋位行走速度、后動力輸出軸轉(zhuǎn)速，以及在不同行走作業(yè)速度下帶動旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)彎刀在單位面積上切割土壤次數(shù)的差異，從而得出拖拉機(jī)行走速度與旋耕作業(yè)質(zhì)量的關(guān)系，并不是行走速度越快作業(yè)質(zhì)量越好，而是要在合適的速度范圍內(nèi)才能保證作業(yè)質(zhì)量。以豪豐旋耕機(jī)為例，分析旋耕機(jī)變速箱內(nèi)部傳動情況可知，無論是低箱旋耕機(jī)，還是高箱旋耕機(jī)，通過改變變速箱齒輪配比，可以提高旋耕刀軸轉(zhuǎn)速，從而提高旋耕作業(yè)效率，但效果不明顯。提高旋耕作業(yè)效率最有效的方法是綜合考慮土壤比阻和拖拉機(jī)動力大小，在不影響作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量選配寬幅旋耕機(jī)。