1WG-6.3型微耕机的设计与实验研究

曾　晨，李　兵，李尚庆，徐成刚，王小勇

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶与食品科技学院,合肥　230036)



1WG-6.3型微耕机的设计与实验研究

曾晨a，李兵a，李尚庆b，徐成刚a，王小勇a

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶与食品科技学院,合肥230036)

摘要：基于我国耕地资源的基本国情和大部分耕地分布在山地、丘陵的现状，并且综合我国微耕机的发展现状，在原有机型的基础上设计制造了1WG-6.3型微耕机。首先对1WG-6.3型微耕机的主要结构和工作原理进行简要介绍，重点使用ansys对旋耕刀进行静力学分析，找出刀具应力、应变最大处，并进行改进；然后对传动系统进行设计计算，最后使用样机进行田间试验。试验结果表明：1WG-6.3型微耕机，操作简单、平稳可靠、工作效率高，平均耕作深度为160mm，平均耕作幅宽为390mm，各项参数均高于技术要求，能够满足如茶园、果园及农田等各项作业要求。

关键词：微耕机；耕作部件；传动系统

0引言

目前，我国耕地资源面临严重问题,人均耕地少，高质量的耕地少。据统计，全国66%以上的耕地分布在山地、丘陵及高原地区，只有34%的耕地分布在平原、盆地等地势平稳的地区[1]；耕地地形复杂, 耕地总体质量不高。另外，家庭经营还是最普遍的农业经营形式,种植地块小,不适宜大型农业机械的应用。在这种情况下,微耕机凭借其体积小、结构简单、机动性强、维修方便的特点，在一定程度上解决了大型耕作机械无法进入复杂地形田块作业的问题，具有广泛的应用前景[2-5]。

微耕机是指配套动力的功率不大于7.5kW,可以直接用驱动轮轴驱动旋转工作部件,主要用于大棚蔬菜种植、田园管理及设施农业等耕耘作业[6]。微耕机的动力多以小型柴油机或汽油机为主，除了能进行基本的旋耕、碎土和犁耕作业外,如果配以相应机具,还能完成播种、抽水、喷药、覆土和开沟等多种作业。按照功率的大小，可将微耕机分为小型(4.5kW以下)，中型(4.5～6.0kW)，大型(6.0～7.5kW)3类。本文对新型微耕机的总体结构和工作原理做简要说明，重点对于微耕机传动系统和工作部件进行设计；最后进行田间试验，把试验结果和理论分析进行比对，得出结论。

1总体结构和工作原理

1.1主要结构组成及特点

1WG-6.3型微耕机是在原有机型的基础上研究开发的，设计结构如图1所示。

微耕机主要是由发动机、传动系统、行走机构、耕作部件、耕深调节装置、操纵装置、机架及外部罩壳等组成。发动机选用柴油机。传动系统由带传动、齿轮传动、链传动及箱体组成，作用是传输动力、降低转速、增大扭矩。行走机构是由行走轮和传动轴组成。耕作部件主要是旋耕刀总成，包括旋耕刀、刀轴、刀座、螺栓和螺母等。耕深调节装置是通过调节机器前端的限深轮来完成的。操作装置主要有把手、离合器、油门及变速杆等。在旋耕刀上方安装有挡泥板和平土板，土块撞到上面可以进一步细碎和回归地面。

发动机选用额定功率为6.3kW的单缸立式风冷四冲程柴油机，额定转速为1 500r/min，动力强劲、油耗低、污染小、噪音低。动力传动系统结构简单，稳定可靠，动力损失小，能够满足多种作业需求。该机操作简单、行走轻便，能够在地形复杂田块工作，还可以更换工作部件，完成不同的田间作业。所设计微耕机主要技术参数如表1所示。

微耕机采用张紧式离合器，结构简单。整机设计了3个行驶状态和2个速度挡位，具体如表2所示。

1.发动机　2.带传动　3.后机架　4.行走轮　5.驱动轮变速箱

项目单位参数值配套动力功率kW6.3外形尺寸mm1300×550×800发动机转速nr/min1500耕作幅宽mm300~500耕作深度mm120~180刀滚转速r/min200~300工作速度km/h3~5耕后地表平整度cm≤5碎土率%≥50耕深变异系数%≤15除草率%>90作业效率hm2/h0.13~0.27

表2　微耕机不同挡位速度表

1.2工作原理

田间作业时，发动机的动力传递路线主要有两条：一是通过带传动和驱动轮变速箱将动力传到驱动轮，使旋耕机获得不同的行驶速度；二是通过带传动、链传动和旋耕轮变速箱将动力传到耕作部件，驱动旋耕刀作业。耕作部件一般由旋耕刀、刀座和刀轴组成。其中，旋耕刀按照螺旋线的规律排列固定在刀轴上。当动力经过传动系统驱动旋耕刀轴旋转,旋耕刀就会随着刀轴的转动不断切削土壤；由于刀片特有的形状和切削带来的惯性，土壤就会被向后抛掷与挡泥板相撞细碎然后落回地面,达到了切土、抛土、碎土、松土及平地的目的。在作业过程中,根据实际情况,可以通过耕深调节装置调节耕深,也可以选择不同的挡位调节微耕机前进速度。

2关键部件的设计

2.1耕作部件

耕作部件作为旋耕机的重要工作部件，主要由旋耕刀轴、刀座和旋耕刀组成。根据国家标准，旋耕刀采用65Mn或者其他品质相当的材料制造，经锻压成形，刀身部分热处理硬度为HRC48～54；刀柄部分硬度为HRC38～45，刀身部分金相组织为回火马氏体,刀柄部分为回火屈氏体。刀轴的制造要满足其刚度和强度要求[8]。耕作部件轴测图如图2所示。

图2　耕作部件轴测图

2.1.1旋耕刀的受力分析

旋耕机在田间作业时，旋耕刀旋转不断进行切土、抛土、碎土，这个过程中土壤对旋耕刀施加一个反作用力，亦称土壤阻力。旋耕刀在不断切削土壤的过程中，与土壤的接触面积不断变化，其位置也不断变化，因此土壤阻力的大小、方向及作用点在整个切削土壤的过程中都在不断变化。

综合以上原因，对旋耕刀所受到的土壤阻力进行简化。在整个切削土壤的过程中，旋耕刀所受到的轴向力(垂直于XOZ平面)较小，在此忽略不记，所以主要考虑作用在旋耕刀刀刃上的力。旋耕刀受力如图3所示。

图3　旋耕刀受力分析图

由图3可知，旋耕刀所受到的土壤阻力F可做正交分解为FX、FZ，则有

也可把F沿切线和法线方向分解为切向力Ft、法向力Fn，则有

切向力Ft对刀轴中心产生一个阻力矩M，其大小为M=Ft·r。

2.1.2旋耕刀的有限元静力学分析

首先，在三维软件catia中使用描点法建立旋耕刀实体模型，利用ansys和catia的无缝接口，在ansys导入旋耕刀实体模型；然后，对该实体模型进行网格划分，建立旋耕刀的有限元模型(见图4)。旋耕刀材料选取合金钢，弹性模量为2.1E+011N/m2，泊松比为0.3，密度为7 800kg/m3。在旋耕刀刀柄安装孔处施加固定约束，在旋耕刀侧切刃、过渡面刃口、正切刃出分别施加500N的力[13]。最后进行求解，得到旋耕刀受力的总变形、应力、应变分析结果，如图5～图7所示。

根据旋耕刀的有限元分析结果，可以看出：①旋耕刀在工作过程中，总变形最小地方在刀柄处，总变形最大的地方发生在安装孔最远端，即旋耕刀的正切刃处。②旋耕刀在工作过程中，应力最小的地方在旋耕刀正切刃处，应力最大的地方发生在刀柄与刀背连接处。这也反映出现实中旋耕刀易断裂的位置。③应变最小处和最大处与应力分布情况一致。所以，在选用制造旋耕刀时，需要在旋耕刀刀柄和刀背连接处，进行加强处理，以防止其断裂。

图4　实体模型网格化分

图5　变形分析结果

图6　应力分析结果

图7　应变结果图

2.2传动系统

该机设计的传动装置主要包括带轮传动部件、驱动轮变速箱、链轮传动部件及旋耕轮变速箱。工作时，动力经带轮传递给驱动轮变速箱，驱动轮变速箱输入轴的另一端将动力经链轮传递给旋耕轮变速箱。驱动轮变速箱由齿轮变速完成的，旋耕轮变速箱由齿轮变速和链轮变速两部分组成。

2.2.1驱动轮变速箱的设计

发动机转速n=1 500r/min，综合工作人员行走速度和机器工作效率，设计如下：

1)前进挡位时，驱动轮低速和高速速度分别为n1Ⅰ=60r/min和n1Ⅱ=75r/min。经过计算，得到前进挡低速和高速的总传动比为

2)倒退挡时，驱动轮低速、高速速度分别为n2Ⅰ=30r/min和n2Ⅱ=37.5r/min。经过计算，得到倒退挡低速和高速的总传动比为

驱动轮变速箱前进档低速和高速传动比分别为

驱动轮变速箱倒退档低速和高速传动比分别为

根据以上计算结果，设计旋耕轮变速箱，原理如图8所示。其中，Z1到Z12齿数分别为12、14、44、41、12、15、15、24、21、45、12、45，此时挡位为空挡，当2轴上滑动双联齿轮B向右滑动，滑动双联齿轮A不变，驱动轮前进低速档位传动路线为：Z1→Z3→Z6→Z9→Z11→Z12；当2轴上滑动双联齿轮B向右滑动，滑动双联齿轮A向右滑动，驱动轮前进高速档位传动路线为：Z2→Z4→Z6→Z9→Z11→Z12；当2轴上滑动双联齿轮B向左滑动，滑动双联齿轮A不变，驱动轮倒退低速档位传动路线为：Z1→Z3→Z5→Z8→Z7→Z10；当2轴上滑动双联齿轮B向左滑动，滑动双联齿轮A向右滑动，驱动轮倒退低速档位传动路线为：Z2→Z4→Z5→Z8→Z7→Z10。实际传动比计算如下，有

1.输入轴　2.中间Ⅰ轴　3.中间Ⅱ轴　4.中间Ⅲ轴　5.输出轴

以上计算结果表明：驱动轮变速箱各挡传动比与理论传动比一致，故符合设计要求。

2.2.2旋耕轮变速箱的设计

旋耕轮低速和高速转速分别为n3Ⅰ=200r/min和n3Ⅱ=300r/min。则旋耕轮变速箱低速和高速理论总传动比为

旋耕轮变速箱低速和高速传动比分别为

根据以上计算结果，设计旋耕轮变速箱，原理如图9所示。其中，Z1到Z6齿数分别为：15、18、50、40、12、18，此时挡位为空挡。当2轴上滑动双联齿轮向左滑动，旋耕轮高速挡位传动路线为：Z1→Z3→Z5→Z6；当2轴上滑动双联齿轮向右滑动，旋耕轮低速挡位传动路线为：Z2→Z4→Z5→Z6。传动比计算，有

1.输入轴　2.中间轴　3.输出轴

以上计算结果表明：旋耕轮变速箱各挡传动比与理论传动比一致，故符合设计要求。

3田间试验

微耕机设计制造完成后，于2014年10月在安徽农业大学农萃园实验基地进行田间试验，如图10所示。试验过程中用到的试验设备主要有：土壤坚实度测定仪(精确度2kPa)、电子天平(精确度1g)、电子秒表、3m卷尺、30cm钢尺；测量的项目有土壤坚实度、土壤相对湿度、耕作深度与宽度、微耕刀轴的转速等。测定的方法根据农业机械行业标准和相关参考文献。

用土壤坚实度测定仪测得该土地的平均土壤坚实度为852kPa，试验测得土壤的相对湿度为21.3%。耕深测量采用手工测定，在旋耕机工作后方，选取若干点，由人工清理沟底，然后用耕深仪或耕深尺量取沟底至未耕地表面的距离[21]，测的微耕机的耕深为160mm左右，耕宽为390mm左右。该微耕机的在耕深调节装置的控制下可以实现深度的调节，深度越深，能量的损耗也会增大。为了使微耕机在作业过程中能够灵活转弯的同时减少在作业时能量的消耗，使用微耕机对作业区域来回4次作业，满足耕作深度要求。微耕机在工作过程中，工作平稳可靠。实验测得相关数据如表3所示。

图10　现场实验图

项目单位参数工作效率km2/h0.26平均耕深mm160平均耕宽mm390耕深变异系数%10碎土率%80除草率%95稳定性系数%92

4结论

所设计的微耕机适用于南方丘陵、山区或复杂地形的田块进行作业，使用可靠性高,能够降低人们的劳动强度，大大增加了工作效率。其特点如下：

1)整机质量轻、转向灵活、操作方便，能够在地形复杂田块工作。

2)动力强劲、油耗低、污染小、噪音低，动力传动系统结构简单，稳定可靠，在满足作业需求的基础上动力损失小。

3)操作把手可自由调节其高度，左右360°旋转，适应不同的工作状态。

试验结果分析显示：所设计的微耕机各项参数均高于微耕机的技术要求，在满足耕深要求的同时，又能保持较高的工作效率和稳定性。另外，针对该机能耗、传动系统的再优化、刀片的选择及安装位置还需要进一步的研究，以达到更好的作业效果和更低的功耗。

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Design and Experimental Study of1WG-6.3 Type Micro Cultivator

Zeng Chena,Li Binga,Li Shangqingb,Xu Chengganga,Wang Xiaoyonga

(a.Engineering College；b.Tea And Food Science College，Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

Abstract：It is the current situation of cultivated land resources in China that cultivated land mainly distributed in mountain area,hilly area. Based on fundamental realities of cultivated land resources and comprehensive its present situation in china,we design and manufacture of 1WG-6.3 type micro cultivator.Firstly，this paper introduces the structure and the working principle of 1WG-6.3 Type micro cultivator. Then focusing on the design analysis of the tillage components and transmission system for micro cultivator.Finally，we doing extensive field trials using 1WG-6.3 type micro cultivator.The results show that 1WG-6.3 type micro cultivator is simple operation,stable and reliable，high efficiency in the work process.The average farming Micro cultivator depth is 160mm and the average tillage width is 390mm. All the parameters above can meet the technical requirements, such as tea garden, orchard, farmland and other operational requirements.

Key words：micro cultivator; tillage components; transmission system

文章编号：1003-188X(2016)01-0132-06

中图分类号：S222.2

文献标识码：A

作者简介：曾晨(1992-)，男，安徽宿州人，硕士研究生，(E-mail)729292150@qq.com。通讯作者：李兵(1971-)，男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303012);农业部茶园机械专项(11004544)

收稿日期：2014-12-23