河北省耕作機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新中心 河北圣和農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司

□張培增 □王 帥

旋耕機(jī)屬于多用途耕整地機(jī)械，其結(jié)構(gòu)形式有很多種，本文研究的是最常見(jiàn)的臥式旋耕機(jī)。其特點(diǎn)是，機(jī)動(dòng)靈活，一機(jī)多用，可同時(shí)完成翻地、耙地、耢（耱）地等一系列作業(yè)；主要優(yōu)點(diǎn)是，土壤松碎能力強(qiáng)，耕后土壤細(xì)碎，地表平整，土肥摻和均勻，有利于在搶收搶種中及時(shí)完成播前整地任務(wù)，大大提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，是我國(guó)目前使用最普遍、最受農(nóng)民歡迎的農(nóng)田耕作機(jī)械。

然而，旋耕機(jī)不足之處也很明顯，主要是耕作深度有限，對(duì)土壤擾動(dòng)大，功率消耗高，這些問(wèn)題也是長(zhǎng)期以來(lái)業(yè)內(nèi)對(duì)旋耕機(jī)發(fā)展前景爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題。如何提高旋耕機(jī)作業(yè)性能，降低旋耕機(jī)功率消耗，一直是旋耕機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用者共同關(guān)注的問(wèn)題。尤其最近幾年，實(shí)現(xiàn)“碳中和”成為全球努力目標(biāo)，降低旋耕機(jī)作業(yè)功率消耗也成為了重要的研究課題。

一、旋耕機(jī)構(gòu)造及工作原理

旋耕機(jī)主要由土壤工作部件、傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助部件構(gòu)成。旋耕刀軸總成是旋耕機(jī)的主要工作部件，機(jī)器通過(guò)機(jī)架與拖拉機(jī)進(jìn)行掛接，動(dòng)力由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸傳到齒輪箱再傳至刀軸，從而實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)。其主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 旋耕機(jī)構(gòu)造

旋耕機(jī)是一種以銑切原理加工土壤的耕耘機(jī)械。工作時(shí)，旋耕機(jī)刀軸上的刀片在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)隨機(jī)組沿直線向前移動(dòng)，呈余擺線運(yùn)動(dòng)軌跡。田間作業(yè)時(shí)，刀片在運(yùn)動(dòng)中切入土壤，當(dāng)?shù)镀蚝笙路竭\(yùn)動(dòng)時(shí)切削土壤，到最下方時(shí)切土動(dòng)作完成，隨后刀片向后上方運(yùn)動(dòng)，把切下的土垡向后上方拋擲，土垡撞擊擋土板和殼體后被破碎并落向地表，然后被后拖板拖平。

二、旋耕機(jī)作業(yè)的功率消耗分析

旋耕機(jī)工作原理如圖2所示。

圖2 旋耕機(jī)工作原理

試驗(yàn)資料表明，旋耕機(jī)作業(yè)所消耗的功率N可用公式表達(dá)如下：

公式中，Nq為刀片切削土壤所消耗功率，數(shù)值在工作過(guò)程中是不斷變化的，刀片開始切削土壤時(shí)功率消耗較大，隨著耕深增大功率消耗逐步減小，平均約占42%；Np為旋耕刀拋送土壤所消耗功率，數(shù)值約占41.5%；Nt為旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)推動(dòng)機(jī)組前進(jìn)所消耗功率，數(shù)值約占9.7%；Nc為旋耕機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各部件所消耗功率，數(shù)值約占6.8%。

由此可見(jiàn)，旋耕機(jī)切削和拋送土壤所消耗功率占總功耗比例達(dá)80 %以上。影響旋耕機(jī)作業(yè)功耗的主要因素是刀軸總成，包括旋耕刀形狀、旋耕刀排列方式、切土角、切土進(jìn)距、機(jī)組前進(jìn)速度、刀輥（刀軸總成）轉(zhuǎn)速、耕深、刀輥回轉(zhuǎn)半徑等。

三、旋耕機(jī)創(chuàng)新的技術(shù)思路

1.旋耕刀片的形狀和參數(shù)

旋耕刀輥是旋耕機(jī)的最主要部件，刀片形狀和參數(shù)對(duì)旋耕機(jī)工作質(zhì)量、功率消耗影響很大。為適應(yīng)不同土壤耕作需要，技術(shù)人員對(duì)旋耕刀進(jìn)行了大量研究。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《旋耕機(jī)刀和刀座》（GB/T 5669—2017），普通臥式旋耕機(jī)上使用的旋耕刀已形成系列產(chǎn)品，有刀座式旋耕刀和刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）兩大類。刀座式旋耕刀形式分為I型、Ⅱ型和Ⅲ型3種，I型刀主要用于一般水旱田耕作，刀輥回轉(zhuǎn)半徑有225、245、260mm等3種；Ⅱ型刀主要用于水田綠肥、稻茬、麥茬較多的田地作業(yè)，刀輥回轉(zhuǎn)半徑有195、210、225、245、260 mm等5種；Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬作業(yè)，刀輥回轉(zhuǎn)半徑有150、175mm兩種，總共有18種規(guī)格；刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）有2種規(guī)格。

圖3 刀座式旋耕刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為降低旋耕作業(yè)時(shí)切削土壤所消耗功率，除保持刀片刃口鋒利外，根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的旋耕刀形狀和尺寸非常重要。我國(guó)對(duì)新型旋耕刀創(chuàng)新研究深度和力度存在不足，雖然也有一些科研人員和高校進(jìn)行了探索試驗(yàn)和研究，但大多只停留在理論層面。尤其需要加強(qiáng)旋耕刀應(yīng)用減阻耐磨新型材料的產(chǎn)業(yè)化研究。

2.旋耕刀的排列方式

旋耕刀在刀軸上的排列是影響旋耕機(jī)作業(yè)性能及功率消耗的重要因素之一，為使旋耕機(jī)耕后土壤細(xì)碎、地表平整，刀軸受力均勻，刀片在刀軸上的排列一般應(yīng)滿足下列要求：（1）刀軸輥每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相同角度，有相同且盡可能少的旋耕刀入土，以使刀軸承受扭矩均勻，保證工作平穩(wěn)；（2）每一把旋耕刀切土量相等，以達(dá)到碎土質(zhì)量好，耕后溝底平整，而且旋耕刀受力均衡；（3）在同一根刀軸上，左彎刀和右彎刀應(yīng)成對(duì)入土，以使刀軸軸承所受的軸向力盡可能?。唬?）相鄰刀片角位差及相繼入土的兩把刀片的軸向距離應(yīng)盡量大，以防止夾土和堵塞。

一般旋耕機(jī)刀片按螺旋線規(guī)則排列。常用刀片排列方式，有單向螺旋線排列，人字形或 V 字形螺旋線排列，近年還有采用多區(qū)段排列方式。單向螺旋線排列，是從刀軸的一端向另一端按螺旋線順序排列。這種方式排列刀片規(guī)律明顯，但作業(yè)時(shí)刀輥承受的側(cè)向力較大。人字形或V字形排列，側(cè)向力可得到較好平衡，但容易在分界處出現(xiàn)凹溝或土埂。目前較多采用分區(qū)段排列方式，可以克服螺旋線排列缺點(diǎn)，且耕后地表平整度好，特別適合于幅寬較大的旋耕機(jī)。

3.刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度

刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度是旋耕機(jī)工作的主要參數(shù)，對(duì)作業(yè)質(zhì)量和功率消耗影響比較復(fù)雜。資料表明，在刀輥轉(zhuǎn)速保持不變前提下，旋耕作業(yè)所消耗功率隨機(jī)組前進(jìn)速度增大而近似線性增大。這是因?yàn)闄C(jī)組前進(jìn)速度增大，切土進(jìn)距就增大，也就是切土量增大。

切土進(jìn)距是指在刀片旋轉(zhuǎn)的同一縱向平面內(nèi)，前后相鄰兩個(gè)刀片切土的間隔距離。切土進(jìn)距的大小，直接決定于旋耕刀端點(diǎn)圓周線速度與旋耕機(jī)前進(jìn)速度的比值λ，通常λ值在4—10之間。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)距適度增大又可使功率減小，原因是耕作單位體積土壤時(shí)，切削總面積隨進(jìn)距的增大而有所減少，同時(shí)也減少了對(duì)垡片的重復(fù)切削。此外，切土進(jìn)距對(duì)旋耕機(jī)的碎土程度也有較大影響，切土進(jìn)距越大，切下土塊厚度越大，碎土程度越低。通常在旱田熟地耕作時(shí)，由于刀體使垡片產(chǎn)生剪切破裂面，土壤強(qiáng)度降低，土壤容易破碎，切土進(jìn)距可以大一些，故增大進(jìn)距可使功耗減少而不影響碎土效果；粘重土壤和多草地耕作時(shí)，土垡不易破碎，切土進(jìn)距應(yīng)小一些。

由此可見(jiàn)，選擇合理λ值是個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。為了保證旋耕機(jī)良好作業(yè)質(zhì)量，同時(shí)滿足節(jié)能降耗要求，需要綜合考慮旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)、刀片形狀、刀輥直徑、土壤條件等多種因素。λ值選擇不合理時(shí)，功率消耗會(huì)明顯上升，作業(yè)性能會(huì)明顯變差。對(duì)于這一問(wèn)題，需要進(jìn)行深入廣泛試驗(yàn)研究，以便根據(jù)不同土壤條件調(diào)整合適的λ值，尤其應(yīng)該探索借助智能化手段，根據(jù)作業(yè)條件自動(dòng)調(diào)整λ值的技術(shù)途徑。

4.刀輥回轉(zhuǎn)半徑和耕深

我國(guó)目前大量使用的旋耕機(jī)耕深普遍在12cm—16cm之間，耕作深度淺，埋茬效果差。長(zhǎng)期淺旋，還會(huì)導(dǎo)致土壤耕層變淺，土壤耕作層肥力降低。根據(jù)旋耕機(jī)工作原理，加大耕深的唯一辦法是增大刀輥回轉(zhuǎn)半徑（或直徑）。試驗(yàn)證明，增加刀輥直徑，切土功率相應(yīng)增加。直徑增大使功率增加的原因是，刀片切削土垡的行程增大和切削線速度增大（當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)）。還有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在耕深一定時(shí)，刀輥直徑過(guò)小反而使功率消耗增大。由此看來(lái)，刀輥直徑與耕深之間或切削行程與耕深之間，應(yīng)有一個(gè)最佳比值（即功耗最小的比值）。現(xiàn)有的旋耕機(jī)設(shè)計(jì)，通常是使刀輥半徑接近于最大耕深。

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)大耕深旋耕機(jī)也提出了需求，已有不少企業(yè)開發(fā)了產(chǎn)品，但仍存在不少技術(shù)上的問(wèn)題。真正開發(fā)出成熟實(shí)用的大耕深旋耕機(jī)，還需要做更深入的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

雖然旋耕機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各部件所消耗功率，只占總功耗的6.8%左右，但是這只是特定情況下的數(shù)值。實(shí)際上，旋耕機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的制造質(zhì)量對(duì)功耗大小、作業(yè)效果、使用壽命等的影響很大，其因素很多，情況也很復(fù)雜，需要研究和解決的技術(shù)難題還有很多，包括：設(shè)計(jì)問(wèn)題、制作工藝問(wèn)題、檢驗(yàn)手段問(wèn)題、使用調(diào)整問(wèn)題等。如，傳動(dòng)箱體各軸孔的形狀和位置誤差，傳動(dòng)箱各齒輪的嚙合誤差，刀軸軸承座在旋耕機(jī)側(cè)板上的安裝誤差，刀軸的形狀和位置誤差，各傳動(dòng)部件總成和整機(jī)的裝配誤差。如何有效控制這些誤差，如何改善潤(rùn)滑效果和防塵效果，如何減少空轉(zhuǎn)功率消耗，所有這些問(wèn)題的解決都需要進(jìn)行廣泛深入的研究。