烟草中耕培土机传动系统设计

范沿沿+李建华+王龙飞+仝振伟+夏云飞+张秀丽

摘要：烟叶在生长期间，需要中耕机械来实现除草、培土、施肥等多项田间管理功能。针对现有培土机易伤苗、作业效率低，且传动方式单一的特点，设计了一种新型烟草中耕培土机，高地隙拖拉机动力输出轴通过二级升速器将动力传递给液压系统，最终驱动四个液压马达转动实现跨行两垄沟培土。主要对其传动系统进行设计与分析，为烟草中耕培土机制造提供数据基础。

Abstract： A cultivator is needed to realize a plurality of field management functions such as weeding， banking and fertilization during the growth period of tobacco. A new type of tobacco cultivators was designed according to the characteristics of the existing machine which was easy to hurt seedlings and had low operation efficiency and with the single drive mode. The power was transmitted to the hydraulic system via a two stage elevator through the high-clearance tractor power output shaft. Finally， two ridge was banked up by the rotation of four hydraulic motors. The drive system was designed and analyzed. The data base was provided for the manufacture of tobacco cultivators.

关键词： 中耕培土机；烟草；传动系统；校核分析

Key words： cultivators；tobacco；drive system；check and analysis

中图分类号：S224.1；S365 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0131-03

0 引言

中耕培土是烟草种植环节中的重要组成部分，是提高烟叶产量的重要措施之一[1]。烟草中耕培土具有疏松土壤，调节水肥供应，改善土壤水、气、热状况等优点[2-4]。培土的方法主要有人工培土和机械培土，人工培土效率低，主要以机械培土为主。目前国内培土机械大多是与手扶拖拉机配合的小型培土机，主要类型有螺旋式，圆盘式，犁刀式等，其中较高水平的是由中农机械生产的中农牌的培土机[5]。现有培土机械在培土过程中，难以达到高培土；土壤流向不易控制，易伤苗[6-8]；作业效率低，难以满足大田作业[9-10]。所以急需研制出高效、安全的新型培土机，为提高烟叶产量与质量提供保障。

1 培土机设计要求

经过调查研究，确定烟草中耕培土机的设计要求：中耕培土机械要能实现垄形与垄距调节，且在地表起伏不平的情况下亦能保证稳定的耕深[11]；培土时要尽量达到土壤表层疏松平整，土壤位置变动小；培土时培土高度要达到作物要求的高度，将土壤送至烟苗根部，但不得压倒或伤害烟苗[12]；培土效率高，能实现多垄培土。

2 培土机总体设计

2.1 整机设计与工作原理

烟草中耕培土机是由拖拉机作为牵引机械，且由拖拉机提供动力作为液压系统动力源的培土机具。其结构如图1所示，主要由液压系统，机架，垄距调整装置，限深装置，护叶装置，犁刀装置，螺旋培土总成等组成。该机可实现一次多垄培土，垄形定量定位可调，垄距可以不对等调节，适应性强，适合大田作业，作物损伤小，效率高。

本机由高地隙拖拉机提供动力，要求轮距跨单垄，机架挂接在拖拉机后。变速机构和液压系统安装在机架上，拖拉机动力输出轴与变速机构相连，通过改变转速来适应液压泵的需要，液压泵为螺旋培土刀提供动力。通过限深机构来保证松土的深度，犁刀装置将碎土分到两侧，螺旋培土刀将土输送到垄坡与垄顶作物的根部。

2.2 传动路线

如图2所示，培土机是由拖拉机提供动力。拖拉机动力输出轴通过万向联轴器与变速箱的动力输出轴相连接，然后通过变速箱升速后从传动轴输出，传递到液压泵，液压泵工作带动四个液压马达的转动，进而实现螺旋培土刀的转动。

3 传动部件的设计

3.1 培土機技术参数（如表1）

3.2 拖拉机功率的选择

拖拉机必须为整机行走系统、中耕培土机具及其他辅助装置提供足够的动力。其中烟草培土机在培土过程中，轮胎滚动产生的阻力消耗功率P滚（kW）可由式（1）计算：

式中：f—烟草培土机的滚动阻力系数，取0.1；m—烟草培土机的质量（kg）；V—烟草培土机培土时工作速度（km/h），得P滚=0.348～0.446kW。

结合烟草中耕培土作业的技术要求，初步选用型号BM2-50液压马达。根据液压泵的最大工作压力Pp和qp，计算得到液压泵的驱动功率为5.74kW。由上述条件现选择额定压力14MPa；最高转速3000r/min的HGP-3A-23齿轮泵。综上选用拖拉机型号为东方红ME-350H，输出轴的转速为540r/min，最大输出功率为21.85kW。

3.3 传动方案的选择与设计

烟草培土机的螺旋培土刀由液压装置提供动力，参考其他两垄起垄机，初步设计液压泵的转速为2000r/min，功率为10kW。所以，需要设计变速器来提升转速。根据已知条件：选用拖拉机的输出轴转速n1=540r/min，最大输出功率21.85kW，液压泵所需的转速n2=2000r/min，输入功率为10kW。根据已知变速箱有两种设计方案：一级升速器和二级升速器。endprint

①一级升速器的设计。采用单级变速器，联轴器为万向联轴器，轴承选用滚动轴承。其传动原理图如图3所示。由已知可得其传动比为u=，经过计算可得变速器的模数m=6，初步选小齿轮的齿数Z2=24，则大齿轮Z1的齿数Z1=≈89。根据培土机的整体设计发现，一级升速器的齿轮尺寸太大，不能安装在机架上，不符合设计要求。

②二级升速器设计。二级升速器联轴器为万向联轴器，轴承选用滚动轴承。其传动原理图如图4所示。由已知可得其总传动比为u==0.27，二级升速器按展开式布置，考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，取i12=0.59，i34==0.46。根据计算，齿轮模数为m=3，初选小齿轮齿数Z2=27，大齿轮齿数Z1=≈46，齿轮Z3=53，齿轮Z4=24。空间尺寸满足设计要求，所以选用二级升速器。

4 样机试验

2017年4月，在河南省许昌市许昌烟草所试验田进行了烟草中耕培土机的现场操作演示与田间作业性能试验。试验地土壤为褐土，土壤绝对含水率为24.2%，土壤容重为1300kg/m3，坚实度小于0.20MPa。经过多次试验，测量数据，当作业速度为2.5～3.2km/h时，培土深度合格率为95%，碎土率为90%，培土垄形倾角合格率为93%，螺旋培土刀转速202r/min。结果表明：整机传动机构设计合理，培土效率高，运行平稳。

5 结束语

本文设计出一种调节方便、作业效率高的烟草中耕培土机构，重点对传动部件进行了设计和计算。设计的二级升速器，输出转速达到2000r/min，达到液压装置所需要求。采用二级变速，减小了变速器尺寸，节省了空间；且由拖拉机动力输出轴到液压泵的动力传动平稳，保证功率的有效传递。试验结果表明：该机具传动结构设计合理，培土效率高，运行平稳。本研究可为烟草中耕培土机样机制造提供数据基础，也可作为其它中耕机械传动系统分析的参考。

参考文献：

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