胡科全

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家優(yōu)民惠民政策深入實(shí)施，玉米等壟作糧食作物生產(chǎn)得到飛速發(fā)展，在改善居民膳食營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高全民健康素質(zhì)，保障國(guó)家糧食安全等方面做出了重要貢獻(xiàn)。玉米是中國(guó)三大糧食作物之一，年種植面積達(dá)到2 500萬(wàn)hm2，2015年，我國(guó)玉米總產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的36.14%，居糧食作物之首[1]。玉米等壟作作物的收獲期工作緊，任務(wù)繁重，耕整地是必不可少的環(huán)節(jié)，市場(chǎng)現(xiàn)有的整地動(dòng)力消耗大，效率低，整地機(jī)械效果不理想，因而急需研究、生產(chǎn)一種新型高效的整地機(jī)械。

滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)是東北壟作區(qū)域常用的耕作機(jī)械，具有滅茬、旋耕、起壟、鎮(zhèn)壓等功能，一次作業(yè)就能達(dá)到待播狀態(tài)，成為農(nóng)民在土壤耕作機(jī)械中優(yōu)選機(jī)型之一。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)走向成熟，市場(chǎng)占比不斷增加。產(chǎn)品質(zhì)量不斷加強(qiáng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量明顯提升，與主機(jī)的配套適應(yīng)性提高，故障率不斷降低。東北區(qū)域地理位置差異較大，土地種類(lèi)、硬度各不相同[2]，現(xiàn)有的聯(lián)合整地機(jī)械遇到丘陵、山地和起伏較大的土地，無(wú)法完全滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，工作穩(wěn)定性降低，增加產(chǎn)品的故障率。

1 工作原理和主要參數(shù)

1.1 工作原理

1SGFB-200型整地機(jī)與中型輪式拖拉機(jī)配套，采用后懸掛式，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞到變速箱，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后的動(dòng)力由聯(lián)接軸傳遞給左齒輪箱和右齒輪箱,再經(jīng)左、右齒輪箱可快速掛接齒輪實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并將傳到滅茬傳動(dòng)齒輪箱、旋耕傳動(dòng)齒輪箱，從而帶動(dòng)滅茬裝置和旋耕裝置完成作業(yè)。在工作過(guò)程中，整地機(jī)根據(jù)需要可以通過(guò)左齒輪箱和右齒輪箱快捷調(diào)整轉(zhuǎn)速后，固定于左側(cè)板的滅茬傳動(dòng)齒輪箱與調(diào)節(jié)彈簧的作用，左側(cè)板和右側(cè)板裝配著滅茬裝置，可以隨地形仿形作業(yè)，完成各種高低不平和山區(qū)復(fù)雜多樣地形的整地作業(yè)模式，工作性能穩(wěn)定，適應(yīng)性能廣泛。

1.2 主要參數(shù)

外型尺寸(長(zhǎng)×寬×高): 4 265 mm×2 464 mm×3 670 mm；

配套動(dòng)力:48～67 kW；

工作幅寬:2 m；

滅茬輥直徑:450 mm；

旋耕輥直徑:480 mm；

工作效率:0.8～1.2 hm2·h-1；

行走速度:4～6 km·h-1。

2 整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1SGFB-200型整地機(jī)，主要包括調(diào)節(jié)彈簧裝置、滅茬傳動(dòng)齒輪箱、左側(cè)板、滅茬裝置、左齒輪箱、聯(lián)接軸、機(jī)架、牽引懸掛架、變速箱、起壟裝置、深松碎土器、右齒輪箱、旋耕裝置、右側(cè)板和旋耕傳動(dòng)齒輪箱。如圖1為整地機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖，如圖2為整地機(jī)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，如圖3為整地機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖。

1.調(diào)節(jié)彈簧裝置;2.滅茬傳動(dòng)齒輪箱;3.左側(cè)板;4.滅茬裝置;5.左齒輪箱;6.機(jī)架;7.牽引懸掛架;8.變速箱;9.起壟裝置;10.深松碎土器;11.旋耕裝置圖1 1SGFB-200型整地機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖

1.旋耕傳動(dòng)齒輪箱;2.右側(cè)板;3.右齒輪箱;4.深松碎土器;5.起壟裝置;6.變速箱;7.牽引懸掛架;8.機(jī)架;9.聯(lián)接軸;10.左齒輪箱;11.滅茬裝置;12.左側(cè)板;13.滅茬傳動(dòng)齒輪箱;14.調(diào)節(jié)彈簧裝置圖2 1SGFB-200型整地機(jī)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

1.調(diào)節(jié)彈簧裝置;2.滅茬傳動(dòng)齒輪箱;3.左側(cè)板;4.左齒輪箱;5.聯(lián)接軸;6.機(jī)架;7.牽引懸掛架;8.變速箱;9.起壟裝置;10.深松碎土器;11.右齒輪箱;12.右側(cè)板;13.旋耕傳動(dòng)齒輪箱圖3 1SGFB-200型整地機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖

機(jī)架呈框架結(jié)構(gòu)，牽引懸掛架固裝在機(jī)架上，滅茬裝置、旋耕裝置分別經(jīng)軸及軸承座支撐自前至后安裝于機(jī)架下方，起壟裝置和深松碎土器分別經(jīng)支架支撐固定設(shè)置在旋耕裝置后方的機(jī)架上。變速箱固定設(shè)置在機(jī)架上方中間位置，左和右齒輪箱分別固定設(shè)置在變速箱兩側(cè)的機(jī)架上，變速箱經(jīng)聯(lián)接軸分別與兩齒輪箱相連接，滅茬傳動(dòng)齒輪箱和左側(cè)板通過(guò)螺紋聯(lián)接固定，滅茬傳動(dòng)齒輪箱經(jīng)長(zhǎng)軸銷(xiāo)、左側(cè)板和右側(cè)板利用軸銷(xiāo)與機(jī)架兩側(cè)相鉸接，左輪箱和右齒輪箱動(dòng)力輸出齒輪分別驅(qū)動(dòng)滅茬傳動(dòng)齒輪箱和旋耕傳動(dòng)齒輪箱的動(dòng)力輸入齒輪，在經(jīng)介輪和動(dòng)力輸出齒輪分別傳動(dòng)滅茬裝置和旋耕裝置。

2.2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.2.1 調(diào)節(jié)彈簧裝置設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)彈簧裝置由焊接在機(jī)架側(cè)板和左、右側(cè)板擋板、調(diào)節(jié)桿和彈簧組成，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧裝置可以調(diào)節(jié)滅茬裝置的滅茬刀，當(dāng)遇到硬度差異較大的土地或起伏較大的山地、丘陵，滅茬裝置帶動(dòng)左、右側(cè)板抬起壓縮調(diào)節(jié)彈簧并將固定于左側(cè)板的滅茬傳動(dòng)齒輪箱抬起、降落，起到仿形作用，保護(hù)零部件，提高適應(yīng)能力。

2.2.2 滅茬傳動(dòng)齒輪箱設(shè)計(jì)

滅茬傳動(dòng)齒輪箱分別與機(jī)架左側(cè)板和右側(cè)板固定，并與左齒輪箱相連接，滅茬傳動(dòng)齒輪箱為5軸直齒傳動(dòng)箱，通過(guò)經(jīng)介輪和動(dòng)力輸出齒輪帶動(dòng)滅茬裝置，滅茬傳動(dòng)齒輪箱經(jīng)長(zhǎng)軸銷(xiāo)、左側(cè)板和右側(cè)板分別經(jīng)軸銷(xiāo)，與機(jī)架兩側(cè)相鉸接及調(diào)節(jié)彈簧裝置隨地隙仿形作業(yè),完成丘陵、山地整地，適應(yīng)性廣泛。

2.2.3 左右齒輪箱設(shè)計(jì)

左右齒輪箱為便攜掛接式調(diào)速箱體，主要由箱體和一對(duì)掛接直齒輪組成，不需承受較大的扭力和強(qiáng)度，因而箱體材質(zhì)采用鋼板，齒輪的材質(zhì)是20CrMnTi，模數(shù)為M5，左齒輪箱和右齒輪箱分別固定安裝在變速箱兩側(cè)的機(jī)架上，左齒輪箱和右齒輪箱靠近機(jī)架中間的一側(cè)分別經(jīng)聯(lián)接軸與變速箱連接，另一側(cè)分別與滅茬傳動(dòng)齒輪箱、旋耕傳動(dòng)齒輪箱相連接，采用二級(jí)傳動(dòng)形式，可隨時(shí)便接調(diào)速，箱體側(cè)面為開(kāi)放式，便于齒輪掛接，滿足速度調(diào)整需要。

2.2.4 機(jī)架設(shè)計(jì)

考慮到整機(jī)與中型輪式拖拉機(jī)配套，機(jī)架需承受牽引力和抗拉力，機(jī)架采用方鋼框架結(jié)構(gòu)，前、后梁為80 mm×80 mm×5 mm的方管,能保證機(jī)架的強(qiáng)度和減輕重量，機(jī)架兩側(cè)與機(jī)架側(cè)板焊合，側(cè)板為16 mm鋼板，分別用于固定滅茬傳動(dòng)齒輪箱和旋耕傳動(dòng)齒輪箱，為了便于固定變速箱，機(jī)架中間前、后梁焊接有變速箱座板，靠近機(jī)架側(cè)板的機(jī)架內(nèi)側(cè)在前、后梁焊接有左、右齒輪箱座板，變速箱和齒輪箱座板采用前、后梁斷接式16 mm鋼板，可以減輕重量、方便裝配，機(jī)架前梁焊接下懸掛板，下懸掛板為左右兩側(cè)中心對(duì)稱，每側(cè)由兩個(gè)16 mm鋼板焊合組成，下懸掛板組裝上拉板和懸掛銷(xiāo)，與拖拉機(jī)裝配聯(lián)結(jié)。

2.2.5 變速箱設(shè)計(jì)

變速箱為整地機(jī)的主傳動(dòng)箱體，固定安裝在機(jī)架上方中間位置，經(jīng)聯(lián)接軸分別與兩齒輪箱相連接，主要由箱體和一對(duì)錐齒輪組成，成為動(dòng)力傳遞的一級(jí)傳動(dòng)裝置，作業(yè)過(guò)程中需承受較大的扭力和強(qiáng)度，因而箱體材質(zhì)采用QT-400鑄造而成，錐齒輪的材質(zhì)是20CrMnTi，模數(shù)為M8，滿足工作需要和減輕動(dòng)力的消耗。

2.2.6 起壟裝置設(shè)計(jì)

起壟裝置安裝在機(jī)架后梁壟臺(tái)位置，本機(jī)耕幅為2.0 m,設(shè)置三個(gè)起壟裝置，起壟裝置主要由掛接梁、調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)桿和擋板組成，起壟裝置屬于一種仿形裝置，滅茬裝置和旋耕裝置作業(yè)后，整機(jī)運(yùn)行的后方留下切碎的根茬和土壤，通過(guò)起壟裝置受到根茬和土壤給擋板施加的反作用力來(lái)壓縮調(diào)節(jié)彈簧，隨地勢(shì)高低，彈簧可以隨時(shí)自動(dòng)調(diào)整，起到仿形效果。

2.2.7 深松碎土器設(shè)計(jì)

深松碎土器安裝在機(jī)架后梁壟溝位置，設(shè)置四個(gè)碎土器，可以將壟溝內(nèi)的土壤松碎，提升土壤的通透性，防止板結(jié)，深松碎土器主要由夾座、彈簧、彈簧桿、固定梁和碎土鉤組成，夾座通過(guò)螺栓固定在機(jī)架后梁上，固定梁前端通過(guò)螺栓固定在夾座下，彈簧通過(guò)彈簧桿一端螺接在夾座上，另一端固接于固定梁后端，碎土鉤螺接在固定梁上，作業(yè)時(shí)，碎土勾受到阻力增大，彈簧壓縮，改善深松碎土器和機(jī)架的受力狀態(tài)，保護(hù)整機(jī)部件和拖拉機(jī)安全。

2.2.8 旋耕傳動(dòng)齒輪箱設(shè)計(jì)

旋耕傳動(dòng)齒輪箱主要由箱體和直齒輪組成，因需承受較大的扭力和強(qiáng)度，因而箱體材質(zhì)采用QT-400鑄造而成，齒輪的材質(zhì)是20CrMnTi，模數(shù)為M8。旋耕傳動(dòng)齒輪箱和機(jī)架右側(cè)板聯(lián)接固定，并與右齒輪箱相連接，旋耕傳動(dòng)齒輪箱為三軸直齒傳動(dòng)箱，在經(jīng)介輪和動(dòng)力輸出齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)旋耕裝置，完成碎土、攪拌，增強(qiáng)地力，提高有機(jī)質(zhì)含量。

3 變速箱錐齒輪的理論設(shè)計(jì)

根據(jù)齒輪要求及整機(jī)設(shè)計(jì)，需滿足使用要求。選用錐齒輪傳動(dòng)，模數(shù)為M8，小齒輪齒數(shù)Z114, 大齒輪齒數(shù)Z226, 小齒輪軸齒一體設(shè)計(jì)，大齒輪軸采用花鍵連接，保證維修、拆卸方便。表1為變速箱錐齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 變速箱錐齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)

4 優(yōu)化作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)

優(yōu)化作業(yè)參數(shù)可提升整機(jī)的可靠性和適應(yīng)性，通過(guò)滅茬裝置、旋耕裝置轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度關(guān)系對(duì)切碎率和油耗的影響規(guī)律，得到符合作業(yè)要求的作業(yè)參數(shù)。行進(jìn)速度可以影響到切碎率及油耗,本測(cè)試選取5 km·h-1的速度時(shí)，用滅茬裝置、旋耕裝置轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素對(duì)切碎率及油耗的影響關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的期望值是切碎率高，油耗低，經(jīng)試驗(yàn)得出取其綜合值最佳時(shí)，行進(jìn)速度為5 km·h-1時(shí)作業(yè)效果最優(yōu)。如圖4為滅茬裝置轉(zhuǎn)速對(duì)碎茬率、油耗的影響圖，如圖5為旋耕裝置轉(zhuǎn)速對(duì)碎土率、油耗的影響圖。

圖4 1SGFB-200型滅茬裝置轉(zhuǎn)速對(duì)碎茬率、油耗的影響

圖5 1SGFB-200型旋耕裝置轉(zhuǎn)速對(duì)碎土率、油耗的影響

由圖4可知：滅茬裝置轉(zhuǎn)速266 r·min-1時(shí)，碎茬率65%,油耗0.62 L·km-1；滅茬裝置轉(zhuǎn)速326 r·min-1時(shí)，碎茬率71%,油耗0.68 L·km-1；滅茬裝置轉(zhuǎn)速396 r·min-1時(shí)，碎茬率79%,油耗0.71 L·km-1；滅茬裝置轉(zhuǎn)速479 r·min-1時(shí)，碎茬率91%,油耗0.75 L·km-1；滅茬裝置轉(zhuǎn)速580 r·min-1時(shí)，碎茬率88%,油耗0.79 L·km-1；滅茬裝置轉(zhuǎn)速?gòu)?66～862 r·min-1，碎茬率先上升再下降，油耗不斷上升，滅茬裝置轉(zhuǎn)速為479 r·min-1時(shí)，碎茬率升到91%最高值，油耗為0.75 L；此時(shí)碎茬率最高，油耗較少，作業(yè)效果最好，工作效率較高。

由圖5可知：旋耕裝置轉(zhuǎn)速110 r·min-1時(shí)，碎土率76%,油耗0.79 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速135 r·min-1時(shí)，碎土率79%,油耗0.86 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速164 r·min-1時(shí)，碎土率85%,油耗0.91 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速199 r·min-1時(shí)，碎土率92%,油耗0.93 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速241 r·min-1時(shí)，碎土率93%,油耗0.97 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速?gòu)?10～358 r·min-1，碎土率先上升再下降，油耗不斷上升，旋耕裝置轉(zhuǎn)速為199 r·min-1時(shí)，碎土率升到92%最高值，油耗為0.93 L·km-1；此時(shí)碎土率最高，油耗較少，作業(yè)效果最好，工作效率較高。

5 使用效果及結(jié)論

1)該機(jī)采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念，整體結(jié)構(gòu)以各部件組裝而成，有利于部件的安裝和調(diào)換，以適應(yīng)不同農(nóng)藝要求。2) 該機(jī)轉(zhuǎn)速配置合理，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，左右齒輪箱的側(cè)面為開(kāi)放式，便于齒輪的掛接，滿足速度調(diào)整需要，操控方便，可實(shí)現(xiàn)便捷調(diào)速，效率高。3)滅茬傳動(dòng)齒輪箱經(jīng)長(zhǎng)軸銷(xiāo)、左側(cè)板和右側(cè)板分別經(jīng)軸銷(xiāo)，與機(jī)架兩側(cè)相鉸接及調(diào)節(jié)彈簧裝置隨地隙仿形作業(yè), 起壟裝置和深松碎土器可調(diào)節(jié)彈簧設(shè)置，起到仿形作用，完成丘陵、山地整地，適應(yīng)性廣泛。4)通過(guò)試運(yùn)行證實(shí)，機(jī)具達(dá)到了預(yù)期目的，該機(jī)具省力、油耗小，作業(yè)質(zhì)量高，可靠性好，是整地作業(yè)理想的配套農(nóng)具。5)該機(jī)一次進(jìn)地可完成滅茬、旋耕、深松、起壟、鎮(zhèn)壓等項(xiàng)作業(yè)，可減少機(jī)車(chē)進(jìn)地2～3次，減輕土壤壓實(shí)，防止水土流失，有利于促進(jìn)糧食增產(chǎn)。作物根茬粉碎還田，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥了地力，減少了化肥用量，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。6)該機(jī)在海倫同心鄉(xiāng)工作并進(jìn)行考核驗(yàn)證，當(dāng)整地機(jī)行進(jìn)速度為5 km·h-1時(shí)：滅茬裝置轉(zhuǎn)速為479 r·min-1時(shí)，碎茬率91%,油耗0.75 L·km-1；旋耕裝置轉(zhuǎn)速199 r·min-1時(shí)，碎土率92%,油耗0.93 L·km-1，作業(yè)效果最好，可靠性高，綜合各方面條件最優(yōu)。