1GN—180型旋耕机的设计

张吉营

摘要：介绍旋耕机的工作原理和总体设计思路，论述1GN-180型旋耕机主要参数的确定方法，重点讨论旋耕刀的结构组成， 以及侧切刃、正切刃曲线、制作材料的设计及确定，为相关人员设计、改进旋耕机提供技术参考。

关键词：旋耕机；设计；旋耕刀；工作原理；侧切刃

中图分类号：S222 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）03-0035-03

旋耕机由拖拉机动力输出轴带动旋耕机旋转，与其它耕作机具相比，具有碎土充分、耕后地表平整、减少机组进地次数、充分发挥拖拉机功率等优点，是小型田地土壤耕作的理想机械。在分析小型水田旋耕机的结构组成及工作原理的基础上，介绍一种小型水田旋耕机的设计思路。

1 1GN-180型旋耕机的总体设计

1.1 工作原理

旋耕机是一种利用动力驱动工作部件切碎土壤的耕作机械，兼有耕翻和碎土功能，一次作业可达到土碎地平的效果。而犁耕很难一次达到土壤松碎、地表平整，无法满足播种或插秧要求，必须经过整地才能进行种植作业。因此，用旋耕机耕地可大大缩短耕整地的时间，有利于抢农时和提高功效。

如图1所示，旋耕机工作时，刀片随着刀轴在拖拉机动力输出轴的驱动下做回转运动，同时又随机组前进做等速直线运动。刀片切削土壤时，刀片的绝对运动由机组的前进运动与刀轴的回转运动合成。为使机组正常工作，刀片在整个切土过程中不发生推土现象，要求其绝对运动的轨迹为余摆线。余摆线绕圈最大横弦以下任意一点的水平分速度方向与机组前进方向相反，刀片将切下的土块向后抛掷，并与挡泥罩以及平土拖板相撞击，使土块进一步破碎再落到地面。机组不断前进，刀片连续不断地对未耕地进行松碎。

1.2 总体结构

1GN-180型旋耕机采用横轴中央传动形式，主要由机架、传动系统、旋耕刀轴、旋耕刀、机具护罩等组成，详见图2。机架由悬挂架、主梁、传动箱支撑板、两侧支撑板等组成。悬挂架与拖拉机上、下拉杆相连，传动箱支撑板用于安装传动箱，两侧支撑板通过轴承分别与刀轴相连。传动系统由万向传动轴、动力输入轴、传动箱、动力输出轴等组成。传动系统将拖拉机的动力经万向传动轴、动力输入轴传给传动箱，再由动力输出轴传给左、右旋耕刀轴。旋耕刀轴分左、右两部分，由无缝钢管制成，一端与传动箱输出轴相连，另一端与两侧支撑板通过轴承相连，详见图3。刀座按螺旋排列焊在刀轴上，用来安装旋耕刀。机具护罩用来防止泥土飞溅和进一步碎土，也具有保护人员安全的作用。

1.3 主要技术参数

配套动力：40.4 kW；耕幅1.8 m；耕深：14 cm；刀片型式：弯刀；刀片数量：54；刀轴转速：220 r/min；生产率：6 hm2/h。

2 1GN-180型旋耕机主要参数的确定

2.1 耕幅

这里拖拉机发动机的额定功率N=44.4 kW ，代入得：B=1 7～1.9m。设计选取B=1.8 m。

2.2 传动形式

三点悬挂式旋耕机有中间传动和侧边传动2种形式。中间传动式适宜耕幅为1.75～2.00 m。本设计中的旋耕机耕幅为1.8 m，故采用中间全齿轮传动。利用万向节传动轴将拖拉机动力输出轴的动力传递给传动箱输入轴，经圆锥齿轮减速并改变方向后，由传动箱左右输出轴传递到刀辊轴。为避免出现漏耕，在传动箱的下方增设了小犁体总成，以消除漏耕现象。

2.3 刀轴转速

在机组前进速度不变的情况下，旋耕机所需功率随刀轴转速的增加而增加。较理想的配合是低刀轴转速和较高的前进速度，虽然功耗要增加些，但生产率较高，仍可降低单位面积的能耗。近年来，刀轴转速降低的趋势尤为明显。另外旋耕机的刀轴转速一般在200～285 r/min。随着土壤比阻的不同，旋耕机的刀轴转速也不同：粘性重的土壤比阻大，转速偏低；砂性土壤比阻小，转速可偏高。

为提高生产率及地区适应性、减少能耗，旋耕机刀轴转速选择220 r/min。

3 旋耕刀的设计

弯刀刀刃设计包括切沟墙的侧切刃和切沟底的正切刃两部分。用于多草茎的水田作业的旋耕机，最容易出现刀轴缠草问题，对弯刀设计的要求更高。其刃口曲线的要求是：弯刀耕作时，侧切刃沿纵向切削土壤，离轴心较近的刃口开始切割，由近及远，最后由正切刃横向切开土壤。这种切削过程可以把草茎及残茬压向未耕地，进行有支持切割，未被切断的草茎及残茬，可利用刃口曲线的合理形状使其从端部滑离弯刀，避免缠草。

3.1 旋耕刀的结构组成

旋耕刀主要由侧切面、正切面、过渡面组成。侧切面具有切开土垡，切断或推开草茎、残茬的功能；正切面除切土外，还有翻土、碎土、抛土等功能。

3.2 侧切刃的设计

在前进速度Vm=2.17 km/h、刀轴转速n=200 r/min、同一切割小区内的弯刀z=2.5的情况下，根据经验公式，有S=60 000Vm/nz=60 000×2.17/（200×2.5）=260（mm）。将数据代入式（3）得ρ0=120.8 mm。

为使螺旋线能与正切刃圆滑过渡，螺线终点处的极径ρn值一般较弯刀回转半径小10～20 m，故将其确定为230 mm。

螺线终点的极角θn计算公式为：θn=（ρn-ρ0）/ρntgτn。式中：τn为螺线终点处的滑切角，常取50～60 °。经计算得θn=0.332 3 r/min；α'=320.52 mm。

将α'代入式（3），并从0到θn之间分成若干份，顺序选定若干θ代入该式，分别求出对应的ρ，即可做出侧切刃螺线。

螺线的静态滑切角τ（刀刃的曲线角）即刀刃上某一点的极径与该点切线之间的夹角。其数值应满足不缠草和耕耘阻力小的要求，即τ<90°-φ。式中：φ为根茎对刀刃的摩擦角。

3.3 正切刃曲线的设计

正切刃是空间曲线，为使沟底较平整，正切刃曲线位于刀滚的圆柱面上及在侧视图上的投影为圆弧，两段刃口间以圆弧线连接。

3.4 旋耕刀的材料确定

旋耕刀用65Mn钢制造，切削部分进行淬火处理，淬火区硬度为HRC 50～55。旋耕弯刀应用样板进行检查，刃口曲线形状误差不得大于3 mm。

参考文献

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[2] 孟庆福新式小型旋耕机的设计与研究[J].农村牧区机械化，2013（6）：15-17.

[3] 易继炎.旋耕机的加装设计[J].湖南农机：学术版，2013（4）：152-153.

Abstract： The article introduces the operating principle and general design idea of rotary cultivator， and expounds the determination method of main parameters for type 1GN-180 cultivator， mainly discusses the structure composition， side-cutting blade， curves of tangent edge and materials of rotary cultivator， and provides a technical reference for designing and improving the rotary cultivator for relative staff.

Key words： rotary cultivator； design； rotary blade； operating principle； side-cutting blade