辽西褐土区灭茬深松起垄联合作业机的设计

吕秋立，林 静,马 铁，宋健鹏，田 阳

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110866)

0 引言

由于辽宁省西部地区(辽西褐土区)常年降水量较低，蒸发量较大，土壤干旱程度严重，导致适用于该地区的耕整机械较少，现有的联合作业机不能从根本上满足作业需求。因此，为了满足该地区的耕作模式，提高自然降水的利用率，改善土壤的蓄水能力，适用于该地区的联合作业机的研究变得尤为重要[1-2]。

目前，中国联合整地机械种类繁多。张欣悦等研究设计的1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机主要通过变速箱进行传动，动力输入先经过一个主变速箱后再经过由旋耕变速箱和灭茬变速箱组成的两个副变速箱，经过副变速箱变速驱动灭茬刀辊和旋耕刀辊的转动，传动更为可靠；但该机器较为复杂。车刚等设计的 1ZLZQ-4.2型联合作业机，主要由自驱动弧形齿盘式破茬器、深松铲、旋耕部件、起垄器及垄体整形板等5个主要部分构成。该机以节约能耗为目的，将直径为1 400mm的盘式破茬装置的滑动阻力变为滚动阻力，并作为驱动轴将其产生的扭矩用以驱动旋耕刀轴的转动，从而实现机器的灭茬旋耕功能[3]。江苏大学毛罕平等以粉碎刀辊、旋耕装置及两个部件的耦合试验研究为基础，研制出了一种新型的秸秆粉碎掩埋复式作业机，但该机具仅适用于水稻作业[4-6]。上述这些机具均不能应用于辽西地区合理耕层构建。

因此，在现有联合作业机的研究基础上，根据辽西褐土区的作业特点和土壤环境，设计了灭茬深松起垄联合作业机。同时，通过对深松装置和起垄装置的设计与研究，使其在作业时可以实现原有垄沟、垄台的互换，并且将深松、起垄装置合二为一，使联合作业机实现“一机多用”，减少了机具进地次数，从而降低了机具的耗油量和作业成本，提高了机具的作业效率。

1 灭茬深松起垄联合作业机的设计

1.1 灭茬深松起垄联合作业机的结构

该联合作业机与拖拉机采用三点悬挂的方式相挂接。拖拉机的动力输出轴将动力传到中间变速箱，经中间变速箱里面的锥齿轮变换方向，再经联轴器把动力分别传给灭茬变速箱和旋耕变速箱；灭茬变速箱和旋耕变速箱通过齿轮传动把动力分别传给灭茬刀轴和旋耕刀轴，从而完成灭茬作业和旋耕作业；然后，完成深松、起垄和镇压作业。

灭茬旋耕深松起垄联合作业机由机架、灭茬变速箱、灭茬装置、旋耕变速箱、旋耕装置、中央变速箱、深松起垄装置及镇压装置等主要部分组成，如图1所示。

1.2 灭茬深松起垄联合作业机的性能参数

灭茬深松起垄联合作业机的性能参数如表1所示。

1.机架 2.挡板 3.传动装置 4.变速箱 5.上悬挂 6.下悬挂 7.灭茬装置 8.旋耕装置 9.深松起垄装置 10.镇压装置 图1 联合整地机结构Fig.1 Combination structure表1 灭茬深松起垄联合作业机的性能参数 Table 1 The performance parameters of deep loosening ridging stubble combined machine

项目单位参数外形尺寸mm×mm×mm2820×1980×1132工作行数行4适用垄距cm50～65作业幅宽mm2480灭茬深度cm9旋耕深度cm20深松深度cm25～30配套动力kW≥48.7

1.3 传动系统设计

联合整地机的传动系统方案的设计如图2所示。原动力来自于拖拉机的动力输出轴，经万向节传动轴将动力输入中间变速箱，实现一级变速；经一级变速后动力传入旋耕变速箱和灭茬变速箱；动力经旋耕变速箱传至旋耕轴，经灭茬变速箱传至灭茬轴。

东北地区大多数联合整地机旋耕刀轴转速为180～260r/min，灭茬刀轴转速为460～560r/min[7-9]。经计算，确定传动系统各传动比。中间变速箱传动比为i1=1.8，锥齿轮z1齿数为15，锥齿轮z2齿数为27；灭茬变速箱传动比为i2=1.10，齿轮z3、z4、z5、z6、z7齿数均为21，齿轮z8齿数为23；旋耕变速箱传动比为i3=2.69，齿轮z9齿数为13，齿轮z10、z11齿数为21，齿轮z12齿数为35。根据传动系统的设计可确定灭茬刀轴和旋耕刀轴的转速。拖拉机选用50kW，动力输出轴转速为1 000r/min，计算可得旋耕刀轴转速n旋=206r/min，灭茬刀轴转速n灭=507r/min。计算结果表明传动系统设计合理。

1.中间变速箱 2.侧箱传动轴 3.旋耕变速箱 4.旋耕刀轴 5.灭茬刀轴 6.灭茬变速箱 图2 传动系统图Fig.2 Transmission system diagram

2 关键部件的设计

2.1 灭茬装置的设计

灭茬装置的主要工作部件包括灭茬轴、灭茬刀盘及灭茬刀，如图3所示。

1.灭茬轴 2.灭茬刀盘 3.灭茬刀 图3 灭茬装置Fig.3 Stubble cleaning device

该联合作业机选用L型灭茬刀，其参数如表2所示[10]。

表2 L 型灭茬刀参数Table 2 L stubble cutter parameters

联合整地机的灭茬刀轴外径为80mm，将灭茬刀盘均匀焊接于到灭茬刀轴上，刀盘直径为 200mm，相邻两刀盘间距为100mm。在灭茬刀安装时，刀具按螺旋线方式排列，顺刀轴方向，相邻两把灭茬刀的角度为12°。

2.2 旋耕装置的设计

旋耕装置主要由旋耕轴、旋耕刀盘及旋耕刀等主要部分组成，如图4所示。

1.旋耕轴 2旋耕刀盘 3.旋耕刀 图4 旋耕装置Fig.4 Rotary tillage device

该联合作业机选用 IT245 型旋耕刀，其参数如表3所示[10]。

表3 IT245 旋耕刀参数Table 3 IT245 rotary blade parameters

与灭茬刀轴相似，旋耕刀轴外径为84mm，将旋耕刀盘均匀焊接于旋耕刀轴上，刀盘直径为220mm，相邻两刀盘的距离为200mm。在旋耕刀安装时，刀具按螺旋线方式排列，顺刀轴方向看，每组刀具与相邻组刀具的角度为44°。

2.3 深松起垄装置的设计

对土壤进行深松，可以打破犁底层，增加土壤的透气性，有利于种子生长，所以深松可以促进作物产量的增加。该机具深松起垄装置主要由铲柄、起垄犁壁、铲刃、铲尖和分土板构成，如图5所示。

1.固定夹 2.起垄犁壁 3.铲刃 4.铲尖 5.分土板 6.铲柄 图5 深松起垄装置Fig.5 Deep loosening ridging device

深松铲尖、铲刃选用65Mn钢，铲柄选用Q275钢，为提高耐磨性，应该进行刃部热处理，淬火宽度为20～30mm，硬度为48～56HRC[9]。

起垄犁壁属于翻土型犁体曲面，采用犁体曲面的几何元线设计法[11]。翻土型犁体元线角θ按抛物线规律变化，由元线角值绘制元线角变化曲线。选择水平元线的3个特征角：初始元线角θ0，最小元线角θmin，最大元线角θmax，然后按犁体曲面的性能要求确定θ0～θmin段和θmin～θmax段的变化规律，如图6所示。

图6 元线角变化曲线Fig.6 Linear angular variation curve

由图6可知：θ0～θmin段，取水平坐标轴z代表元线高度(cm)，取垂直坐标轴y代表(θ～θmin)的值(°)。坐标原点(z=0，y=0)相当于元线高度为零，θ角为θmin时的数值，这一段元线角按直线关系变化。即

y1=y0-M1·z

(1)

式中y1—θ-θmin的值(°)；

y0—θ0-θmin的值(°)；

M1—y0/zmin(直线的斜率)；

z—任一元线的高度值(cm)。

θmin至θmax段，将坐标轴y1移至z=zmin处，这一段元线角按抛物线关系变化，即[12]

(2)

式中y—以cm为单位按一定比例表示的元线角(θ-θmin)的变化值(°)；

p—抛物线焦点至准线的距离(cm)；

z—元线高度坐标(cm)；

zmin—最小元线高度坐标(cm)。

求解得

(3)

式中ymax—以cm为单位按一定比例表示的元线角最大变化值；

θmin—最小元线角(°)；

θmax—最大元线角(°)；

m—比例尺(°)/cm。

根据式(2)和式(3)可求出p值，即

(4)

式中zmax—最大元线高度坐标(cm)。

由此可得元线角的值为

θ=θmin+ym

(5)

2.4 镇压装置的设计

设计的镇压装置采用圆柱形镇压辊，如图7所示。

1.连接柱 2.镇压辊 3.侧板 图7 镇压装置Fig.7 Suppression device

镇压装置的镇压效果取决于辊筒质量和土壤质地等多种因素。对同类型机械以及其作业效果进行分析，最终确定采用直径为200mm，厚度为10mm，材料为Q235的空心圆柱镇压辊。镇压装置不仅可以将土壤压实，还能减少风蚀损害，提高蓄水能力，为农作物的生长提供良好的环境。

3 关键部件的有限元分析

3.1 灭茬刀的有限元分析

用SolidWorks软件建立灭茬刀模型，刀片材料选用65Mn，对灭茬刀进行有限元分析，结果如图8所示。

图8 灭茬刀的应力图Fig.8 Stubble stress diagram

通过有限元分析，得到灭茬刀的等效应力图，由图8可知：灭茬刀所受最大应力1.182×108N/m2，小于65Mn钢的屈服力4.300×108N/m2。结果验证灭茬刀的强度可靠，设计合理。

3.2 旋耕刀的有限元分析

用SolidWorks软件建立旋耕刀模型，刀片材料选用65Mn，对旋耕刀进行有限元分析，结果如图9所示。

图9 旋耕刀的应力图Fig.9 The rotary blade stress diagram

通过有限元分析，得到旋耕刀的等效应力图，由图9可知：旋耕刀所受最大应力3.101×108N/m2，小于65Mn钢的屈服力4.300×108N/m2。结果验证旋耕刀的强度可靠，设计合理。

3.3 深松起垄铲柄的有限元分析

用SolidWorks软件建立深松起垄铲柄模型，铲柄材料选用Q275钢，对铲柄进行有限元分析，结果如图10所示。

通过有限元分析，得到深松起垄铲柄的等效应力图，由图10可知：深松起垄铲柄所受最大应力为1.675×108N/m2，小于Q275钢的屈服力2.450×108N/m2。结果验证深松起垄铲柄的强度可靠，设计合理。

4 结论

1)利用计算机软件SolidWorks对灭茬深松起垄联合作业机优化设计，建立了三维建模。该机具由传动装置、灭茬装置、旋耕装置、深松起垄装置及镇压装置等组成，满足田间作业功能要求。

2)运用计算机软件对关键部件进行了有限元分析，验证了关键部件结构和材料选择的合理性。分析结果表明：在动力的作用下，部件所受最大应力小于屈服极限，满足强度要求。

图10 深松起垄铲柄的应力图Fig.10 Deep loosening ridging shovel handle stress

3)该机具在作业中可以一次实现灭茬、旋耕、深松、起垄及镇压等功能，可以有效打破犁底层，改善土壤的耕层结构及土壤的物理性能，使土壤有利于农作物的生长，达到辽西褐土区土壤合理耕层构建技术要求。

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