孫繼東
(遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所,沈陽 110168)
農(nóng)田開溝作業(yè)是農(nóng)田基本建設的重要內(nèi)容,因此開溝機是不可缺少的作業(yè)機械。目前,常用的開溝機主要有鏵式犁、鏈式、旋轉式三種。旋轉式開溝機是一種連續(xù)挖掘開溝機械,具有結構簡單、機型小、機動性好、作業(yè)阻力小、作業(yè)效果好、作業(yè)效率高等優(yōu)點,能夠滿足農(nóng)田基本建設的開溝作業(yè)要求,應用比較廣泛。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要,設計一種懸掛式旋轉開溝機,實現(xiàn)一次性挖掘梯形截面溝渠,服務于農(nóng)田基本建設工作。
挖掘梯形截面溝渠的農(nóng)藝要求為:開溝深度400 mm,下底溝寬400 mm,上口寬500 mm,詳見圖1。開溝刀盤轉速為235 n/min。
該懸掛式旋轉開溝機主要由機架(包括懸掛機構)、傳動機構、弧形擋土板、溝形整理板、開溝機構和中部開溝鏟等組成,具體如圖2所示。旋耕開溝機的機架與拖拉機后三點懸掛機構相連接,構成開溝作業(yè)機組實施開溝作業(yè)。
圖2 機具總體結構示意圖Figure 2 Schematic diagram of the overall structure of the machine
旋轉開溝機的主要工作部件是開溝機構的左、右開溝旋轉刀盤。每個開溝旋轉刀盤等間隔安裝4把旋轉刀具,兩面的旋轉刀具交錯排列。開溝作業(yè)時,旋轉刀具在繞刀盤軸旋轉切削土壤的同時,隨拖拉機直線前進,運動軌跡為余擺線,實現(xiàn)旋轉碎土和拋土作業(yè)。開溝中間部分的土壤由中部開溝鏟帶至兩側刀盤并被拋出,溝形整理板對開溝形狀進行修正,保證溝底平整和溝型完整,一次挖掘出梯形截面溝渠。
動力選擇不僅要考慮機具的功率消耗,而且要考慮傳動效率。動力計算公式為:
式中:η為傳動效率,取0.95;k為旋耕比阻,取0.3;a為上口寬度,取0.5 m;b為下底溝寬度,取0.4 m;h為開溝作業(yè)深度取,0.4 m;V為作業(yè)速度,取400 m/h。
將數(shù)據(jù)代入式(1),得p=28.5 kW。經(jīng)過對比選型,確定選用29.4 kW拖拉機為配套動力。
2.2.1 刀盤直徑刀盤直徑主要取決于開溝截面的形狀。一次成型開溝機和刀盤小端半徑應大于開溝深度。選擇較小直徑的刀盤可以減輕機具質(zhì)量。但直徑過小時,溝中散土無法順利被拋出溝外,溝中回土較多。因此,在保證機具工作性能的前提下,選擇較小刀盤直徑。
根據(jù)梯形截面溝渠的規(guī)格,確定大開溝刀盤小端直徑0.7 m、大端直徑0.8 m。小銑刀盤小端直徑0.5 m、大端直徑0.6 m。
2.2.2 刀盤線速度刀盤圓周速度v主要根據(jù)土壤條件和土壤拋擲要求選擇。圓周速度越高,拋土距離越大,拋散也比較均勻,但能量消耗劇增。為減少能量消耗,在滿足工作要求的條件下,圓周速度適當減小。一般拋土距離在15 m以內(nèi)時,圓周速度在7~15 m/s的范圍內(nèi)選擇。根據(jù)選定的圓周速度和刀盤直徑,刀盤轉速V大=2πnR=10 m/s。
2.2.3 刀齒進給量選擇進給量S的選取原則是:刀齒背部不頂土,牽引阻力在拖拉機額定牽引力許可的范圍內(nèi),開溝刀盤阻力矩在拖拉機動力輸出軸額定輸出扭矩范圍內(nèi)。
根據(jù)土質(zhì)類型不同,刀齒進給量在0.5~6 cm范圍內(nèi)選擇。綜合考慮所有因素,確定進給量S為44 mm。
2.2.4 刀齒數(shù)及其排列開溝刀成平行四邊形共32把,每個刀盤上內(nèi)外各4把刀,分布于4個刀盤(大小各2個)。開溝刀沿刀盤圓周間隔45°排列。刀齒由65Mn鋼板鍛打而成,刃口淬火,硬度為HRc45-52。
2.2.5 開溝刀選型旋耕刀具種類分為ⅡT195,ⅡS245,ⅡS225。由于ⅡT195型與ⅡS225型旋耕刀的開溝深度和拋土效果較差,因此選用ⅡS245旋耕刀,其結構如圖3所示。
圖3 ⅡS245刀具Figure 3 ⅡS245 cutter
2.2.6 刀盤旋向刀盤旋向分為正向旋轉和逆向旋轉。在作業(yè)條件以及結構參數(shù)相同的條件下,逆向旋轉在開溝性能方面有諸多優(yōu)點,因此將開溝機設計為逆向旋轉。
傳動系統(tǒng)如圖4所示。設動力輸出軸轉速為n輸入,刀盤轉速為n輸出,則總傳動比為:i=n輸入/n輸出=1 000/235=4.25。
圖4 傳動系統(tǒng)簡圖Figure 4 Schematic diagram of drive system
拖拉機輸出軸標準轉速為540 r/min或1 000 r/min。轉 速 選 取1 000 r/min,i12=1.53,i23=3.12,i34=0.52,i45=1.23,i56=1,i67=1.4。 則i12×i23×i34×i45×i56×i67=4.27?!鱥=(4.27-4.25)/4.27=0.47%<5%,說明各級傳動比分配符合要求。
懸掛式旋轉開溝機與拖拉機的掛接方式采用后三點懸掛結構方式,是一種連續(xù)挖掘開溝機械,具有結構簡單、機型小、機動性好、作業(yè)阻力小、作業(yè)效果好、作業(yè)效率高等優(yōu)點。其作業(yè)后的溝型完整,能夠滿足農(nóng)田基本建設的相關要求。