1GZ-140V2型棚室整地机设计与试验研究

李向军，许春林，赵大勇，耿　涛，张宝库

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆　163319；2.哈尔滨市农业科学院，哈尔滨　150029)



1GZ-140V2型棚室整地机设计与试验研究

李向军1,2，许春林2，赵大勇2，耿涛2，张宝库2

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆163319；2.哈尔滨市农业科学院，哈尔滨150029)

摘要：为了提高生产效率、减轻劳动强度，依据农艺要求，设计了一种新型棚室联合整地机，并对该机的总体结构、工作原理、主要工作部件和田间试验的设计进行了阐述。该机具与棚室专用拖拉机配套使用，一次整地能够完成旋耕碎土和起垄两项联合整地作业，土壤田面可达到待播状态。

关键词：棚室整地机; 横向移动; 起垄

0引言

目前,哈尔滨市全年人均蔬菜消费90kg，蔬菜耕地面积仅有11.1万hm2，导致该市蔬菜消费70%以上依赖外埠供应，特别是超市蔬菜而外埠菜运输价格较高，哈尔滨市蔬菜由于种植机械化程度过低，生产成本高，90%以上为外地菜。为了解决这一问题，哈尔滨市将重点建设“一圈两带”蔬菜产业基地。发展设施蔬菜，建设标准化蔬菜产业基地，预计到2015年，蔬菜大棚达到30万栋。目前，棚室内耕整地以微耕机整地为主，只能完成单一的旋耕、起垄作业，配套动力小，存在旋耕深度浅、作业效率低、劳动强度大的问题，未解决棚室耕整地存在的问题。为此，笔者根据棚室内耕整地的农艺要求，设计了一种适合棚室作业的专用土壤高效耕作机具。该机采用液压与机械相结合方式实现横向起垄作业，机具在向前作业时起垄装置可以起与前进方向垂直的垄向，且通过调整起垄装置可改变垄形大小和垄距大小，使垄形、垄距满足不同作物和地区的农艺要求。

1总体结构及工作过程

1.1总体结构

该机一次下地可完成旋耕碎土和起垄两项联合整地作业。其主要由吊挂架装置、主变速箱、侧变速箱、移动机架装置、移动油缸系统、旋耕系统和起垄装置等部分组成，如图1所示。

1.移动油缸　2.移动式吊挂架　3.主变速箱　4.旋耕刀轴

1.2工作过程

工作时，拖拉机通过传动轴将动力传递给机具的主变速箱，经主变速箱变速后，再通过侧六方轴将动力传递给机具的侧变速箱；经过侧变速箱变速后，由侧箱刀轴带动整个旋耕刀辊进行旋耕作业；最后，由起垄铧完成起垄作业。机具在作业时采用液压与机械相结合方式，不但能够使棚室内整地不留死角，而且还可实现与前进方向垂直横向起垄作业，能够满足不同作物和地区的农艺要求。

1.3技术参数

机具的具体技术参数如表1所示。

表1 技术参数

续表1

2主要的工作部件

2.1移动系统的设计

移动系统主要由吊挂机构、机架及移动油缸机构等组成，如图2所示。

1.移动油缸　2.吊挂架　3.机架焊合

机具作业时，利用拖拉机自身液压系统通过液压分配器来控制油缸的伸缩，从而实现机架相对于吊挂架做横向运动，最终使棚室内整地不留死角，且实现与前进方向垂直的横向起垄作业。

考虑到液压油缸收缩时，安装距离小以及展开时，行程长、受力小等特点，综合液压油缸的工作原理等因素，选用双作用单活塞杆式液压缸，工作压力P =10MPa。

液压油缸内径为

(1)

其中，D为液压油缸内径(mm)；d为活塞杆的直径(mm)；η为液压油缸机械效率，取η=0.85。

工作压力为10MPa时的速度比φ=1.33，此时推荐活塞杆直径为d=0.7D，代入数据得D=42.1mm，d=26.47mm。圆整后，取D=50mm，d=35mm。代入式(1)验算，D=0.045≤0.050，符合要求。液压油缸参数如表2所示。

2.2动力传递系统的设计

该机具采用侧边传动，主要考虑以下两点：一是机具工作宽幅较窄小，在加工制造工方面较为简单；二是机具工作时为了避免漏耕现象的发生，旋耕刀辊采用通轴方式。具体的传动方式如图3所示。

表2　液压油缸参数

1.主传动轴　2.伞齿箱1轴　3.伞齿箱2轴　4.旋耕刀辊

2.3预测功率的确定

在机具设计计算预测功率方面，国内外学者提出了诸如单元法、能量法、比功法及比阻法等解析方法。由于影响旋耕功耗的因素较多，所以解析法目前尚难以实际应用，只能用经验公式简单匡算。则有

(2)

式中η—旋耕机传动功率，0.8～0.9；

P0—旋耕切土比阻(N/cm2)，采用实测数据；

vd—刀辊外周线速度(m/s)；

n—刀辊转速(r/min)；

R—刀辊半径(m)；

δ—耕前土壤密度(kg/m3)，采用实测数据。

根据黑龙江省不同地区的土壤状况，实测耕前土壤密度并确定合理范围，将结果代入式(2)，最终确定配套动力为22.8～34.2kW。

2.4侧传动轴的设计

侧传动轴的作用是将主变速箱的动力传递给侧变速箱。如图4所示，机具作业时，通过液压控制系统，使侧变速箱带动花键套和六方轴的焊合体相对于主变速箱2轴做伸缩运动，最终确定机具作业位置。这样可使棚室内整地不留死角，而且还可实现与前进方向垂直横向起垄作业。根据经验初选参数，选六方轴的材料为45钢，进行调质处理，利用公式校核结构参数是否满足强度要求，确定六方轴的直径为36mm。

1.六方轴　2.主变速箱2轴　3.花键套

2.5侧变速结构的整体设计

目前，市场上旋耕整地机都采用独立侧箱传动方式，不仅使整机的质量增加，导致对土壤压实的加剧，还加大了机具的制造成本。基于上述情况，利用机具的侧板作为轴、齿轮的安装面，省略独立的箱体，很好地解决了上述问题；同时，旋耕刀轴采用调心轴承安装，保证了旋耕刀辊的同心度，增加了机具的使用寿命。

1.机架侧板　2.侧箱一轴　3.一轴齿轮　4.侧箱二轴　5.二轴齿轮

2.6旋耕装置设计

2.6.1旋耕刀片运动分析

设旋耕装置某一时刻的回转中心O为坐标原点，x轴正向与机器前进方向一致，y轴正向垂直向上，则旋耕装置切土过程中旋耕刀上各点运动轨迹均为余摆线，如图6所示。

图6　旋耕装置刀片端点运动轨迹

旋耕刀端点运动轨迹方程为

(3)

式中R—旋耕刀转动半径(mm)；

Ω—旋耕刀角速度(rad/s)；

vm—机具前进速度(m/s)；

t—时间(s)。

对时间求导可得旋耕刀片端点在x轴和y轴方向的分速度为

(4)

刀片端点绝对速度为

(5)

令λ=rω/vm，则式(5)可简化为

(6)

2.6.2刀齿进给量的确定

根据农业生产的要求，要求刀片进给量不得过大，旋耕刀的进给量为

式中V前—机车前进速度(m/s)；

n—刀轴转速(r/min)；

Z—刀辊单元切削小区内圆周设置的刀片数。

根据已知条件，确定旋耕刀的进给量为

S旋=5.7cm

由上述可看出：变更刀片数量、机器前进速度、刀辊转速都可改变进给量。机器工作时，应在刀齿进给量S满足农业生产要求的前提下，尽可能使用较低的转速以减少功率消耗；但同一平面内的刀片数不宜过多，否则刀片夹角减小，易发生土壤堵塞现象。

2.6.3旋耕机刀轴的应力分析

刀轴作业时每把刀片相间入土,承受弯曲、扭转复合载荷作用。就受弯而言,刀轴的力学模型可简化为受若干集中载荷作用的简支梁(见图7),集中载荷的位置和角度由刀片的排列方式确定。刀轴任意载面处的弯矩方程为

图7　刀轴的力学模型

根据此弯矩方程再结合刀片排列方式可推出刀轴部(x=L/2)为危险截面。由第四强度理论可得旋耕机刀轴的最大工作应力为

2.7起垄装置设计

起垄装置所完成的工艺过程不同于翻转犁，为减少土壤水分蒸发，应减少翻转及防止底层土壤翻到表层，但与翻转犁体曲面的相同点是其基础结构仍为成对配置的三面楔。

起垄装置由分土板、起垄座板、起垄铲柄和凿形铲尖等组成，如图8所示。起垄铲柄和铲尖将土壤按已定沟底宽度切开，并向两侧分开；分土板使土壤沿两侧向后倾斜运动上升，达到预定沟边时，推向垄中心，使土壤按自然休止角形成要求的垄型。起垄装置具有调节方便简单的特点，起垄铲柄上下可以在0～120cm范围内调节，分土板根据垄形大小和垄距大小，采用张开角度调节。

1.分土板　2.起垄座板　3.起垄铲柄　4.凿形铲尖

3试验条件与方法

2014年10月，在哈尔滨市农业科学院蔬菜与花卉示范研究温室大棚，对1GZ-140V2型棚室整地机进行了田间性能试验。选取地形与土壤状况类似、前茬作物不同的地块，重复进行5次试验。结果表明：大于6mm的茬块极少，起垄效果较好。试验区域土壤类型为黑土，土壤容重为1.3g/cm3，土壤含水率平均值为20.7%，地表10cm之内土壤坚实度平均值为37.4kPa。未作业前做好标记，作业后原地筛取土块并分级称重，计算出测区内土块最长边小于4、4～8cm和大于8cm土壤质量分别占土块总质量的比例。测试的结果如表3～表5所示。

表3　1号地碎土效果

表4　2号地碎土效果

表5　3号地碎土效果

1号地种植作物为西红柿，2号地种植作物为豆角，3号地种植作物为辣椒。

由表3可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤质量分别占土块总质量的比例均值为77.6%、18.4%和4%。由表4可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤质量分别占土块总质量的比例均值为83.8%、15.4%和0.8%。由表5可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤质量分别占土块总质量的比例均值为85.2%、14.8%和0%。试验结果表明：1GZ-140V2型棚室联合整地机作业后棚室内土壤碎土效果理想，小于4cm的土壤质量占土块总质量的比例均超过70%；在土质较为疏松的2号和3号地，作业效果优于1号地。

4经济效益与发展趋势分析

目前国内微耕机以2.20～5.88kW柴油机或汽油机作为配套动力，采用独立的传动系统和行走系统，一台主机可配带多种农机具。耕深在8～12cm，生产率0.02hm2/h。微耕机具有小巧、灵活的特点，适合独户或联户购买使用。但也存在以下问题：①动力不足的问题。耕深浅、作业效率低、劳动强度大、维修成本高。②系列化、通用化、标准化程度低。③生产规模小、成本高。因此，提高棚室耕整地工作效率，减轻人工的劳动强度和减少劳动力数量，发展高效的棚室耕整地机具是未来的发展方向。目前，农村正在大力推广棚室种植产业，大棚的保有量在逐年增加，到2015年按哈尔滨市有20万栋大棚计算，如每50栋大棚有1台棚室高效整地机，市场需求就达到4 000台。因此，棚室联合整地机具有很大的市场潜力和发展空间。

5结论

1)该机具配套专用棚室大功率拖拉机，其耕整深较大、碎土率高。

2)碎土耕整地采用旋耕作业方式，机具采用液压装置控制其作业方位，解决了棚室边角地带空间小，一般机具难以作业的问题，实现耕整地不留边、角。

3)旋耕碎土动力采用侧边箱传动，刀轴采用整体通长刀轴，机具作业时无漏耕现象。

4)机具一次进地可实现旋耕、起垄联合整地作业，使田面达到待播状态,碎土率达到70%以上。

参考文献：

[1]张兴义，隋跃宇．土壤压实对农作物影响概述[J]．农业机械学报，2005，36(10)：161-164．

[2]李汝莘，高焕文，苏元升．土壤容重和含水量对耕作阻力的影响[J]．农业工程学报，1998，14(1)：81-85．

[3]师江澜，刘建忠．保护性耕作研究进展与评述[J]．干旱地区农业研究，2006，24(1)：205-212．

[4]沈菖蒲，尹加峰．国内外研究垄作区田的情况[J]．水土保持科技情报，1995(2)：62-65．

[5]翟坤程，衡冬梅，张永智，等.旋耕深松灭茬起垄机适用性影响因素及性能指标的研究[J]．农机化研究，2013，35(6)：55-58.

[6]许益存，韩树明，崔国立，等.耕整地联合作业技术及效 益分析[J].农机化研究，2011,33(8):21-22.

[7]王芬娥，郭维俊，包翠莲.卧轴式旋耕机刀齿工作参数的图解方法[J].甘肃农业大学学报,2002,37(2):237-240.

[8]吴涛，张荣标，冯友兵. 土壤水分含量测定方法研究[J].农机化研究，2007(12)：213-217.

[9]贾洪雷,陈忠亮,郭红.旋耕碎茬工作机理研究和通用刀辊的设计[J]．农业机械学报, 2000, 31(4):29-32.

[10]毕晓伟.影响旋耕机作业质量和功耗的主要因素[J].农业机械,2009(11):109-110.

[11]中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册：上册[K]．北京：机械工业出版社，2007.

[12]邱宣怀，郭可谦，吴宗泽，等.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1997.

[13]陈翠英.旋耕机速度参数合理选择[J].农业机械学报，1985(2):30-32.

[14]朱孝录. 齿轮传动设计手册[K].北京: 化学工业出版社出版, 2010.

[15]孟宪平，张存强，韩浏.旋耕机的旋耕刀怎样安装与排列[J].现代农业装备，2008(11)：65.

[16]周宏明,薛伟,桑正中.旋耕机总体参数的优化设计模型[J].农业机械学报，2001,32(5): 37-39，43.

[17]张展．实用机械传动设计手册[K].北京：机械出版社，1995.

[18]李宝筏．农业机械学[M]．北京：中国农业出版社，2003.

[19]Batey T．Soil compaction and soil management-A review[J]．Soil Use and Management，2009，25: 335-345．

[20]李汝莘，林成厚，高焕文，等.小四轮拖拉机土壤压实的研究[J].农业机械学报,2002,33(1):126-129.

The Design and Experiment of 1GZ-140V2 Soil Preparation Machine for Greenhouse

Li Xiangjun1,2，Xu Chunlin2，Zhao Dayong2，Geng Tao2，Zhang Baoku2

(1.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China；2.Harbin Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150029，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of soil preparation in greenhouse and reduce labor intensity, this paper designed a soil preparation machine according to the agronomic requirements. Described the working principle，analyzed structural parameters，and studied the working parts . Combined with the tractor, the machine could complete the process of rotary tillage and ridging， and the field could meet the needs of agricultural demands.

Key words：soil preparation for greenhouse；lateral movement；ridging

文章编号：1003-188X(2016)01-0126-06

中图分类号：S233.1

文献标识码：A

作者简介：李向军(1981-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，硕士研究生，(E-mail)bruce-li24@163.com。

基金项目：哈尔滨市科技攻关项目(2013AA6AN037)

收稿日期：2015-02-25