旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率之间的关系探讨

陈小明 陈炫达 张云翔 韩晓蓉 高兴晴

摘 要 以当前农业耕地机械市场最广、占有量最大的正转卧式中间传动旋耕机为研究对象，根据影响旋耕机功率消耗的几大因素，通过分组数据收集的方式，研究在新的耕作环境下，旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率之间的关系。提供一个经验公式，为旋耕机的耕幅与动力消耗设计提供参考。

关键词 旋耕机耕幅；拖拉机发动机；额定功率；经验公式

中图分类号：S219 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.071

1 研究背景

旋耕机是拖拉机配套的耕整地作业机具。我国从20世纪50年代开始研制和生产与国产拖拉机配套的旋耕机，在土壤条件相同时，旋耕机的碎土性能和切断残茬的能力要比犁和耙更强。同样的，旋耕机消耗的功率也较大。正转卧式中间传动旋耕机是中国市场占有量最大的旋耕机种类，旋耕机作业时，影响功率消耗的主要因素有刀轴转速、机组前进速度、耕幅、耕深、土壤含水率和土壤坚实度等。为了预测旋耕机作业时消耗的功率，各国学者都做了不少研究，但由于土壤环境，试验条件的差异，所得结论不尽相同。农业机械设计手册曾给出旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率之间的经验关系[1]：

式（1）中，B为旋耕机耕幅，m；N为拖拉机发动机的额定功率，kW。此公式给出的关系限定条件为在水田一般土壤条件下，工作部件为弯刀，耕深12～16 cm，刀辊转速180～220 r·min-1，前进速度2～5 km·h-1。

如今来看，由于现代旋耕机耕作环境不同，此经验公式已经不能指导旋耕机耕幅与拖拉机功率的配套。经过改革开放40年的发展，我国的农业产业已经突破了地区、部门、所有制等局限，农机作业队跨区域作业已成为农民快速致富的手段。为了生产需要，如今的旋耕机刀轴转速更快，拖拉机作业时行驶速度也更快。陈翠英提出，旋耕机刀轴转速和机组行进速度对功率消耗都有显著影响，且机组前进速度的影响更为显著[2]。现代旋耕机刀轴转速为210～320 r·min-1，机组前进速度3～7 km·h-1。

为此，需要进一步研究，在新的耕作环境下，旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率之间的关系，为旋耕机与拖拉机配套提供依据。

2 旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率关系分析

研究旋耕机的耕幅与配套拖拉机发动机额定功率之间的关系，除了要保证3个约束条件（刀轴转速、机组前进速度、耕深）之外，还要考虑各地区耕作土壤条件，如土壤含水率、坚实度、地表植被、石块等，影响条件十分复杂，很多因素不易控制。如果使用试验的方式进行研究，要准备大量土地，旋耕机及拖拉机，模拟各种土壤环境，这在效率上和经济型上是几乎不可能完成的。因此，只能使用调查统计的方式来研究这个问题。

不同地区耕作环境的不同，同一耕幅的旋耕机的刀轴转速也存在差异。正旋旋耕机作业时，旋耕刀上各点的运动轨迹均为余摆线。旋耕刀端点运动轨迹可用下列方程表示[1]：

式中，λ为旋耕刀端点的切线速度与机组前进速度之比；R为旋耕刀回转半径，mm；ω为旋耕刀回转角速度，rad·s-1，ωt为旋耕刀转角，rad。

由式（2）可知，耕后切土节距与耕后土地底层凸起高度与旋耕速比λ和旋耕刀回转半径有关。因此，为满足耕后土地平整度要求，不同的刀轴转速必须与机组前进速度配套合理选择。

3 调查设计

当旋耕机的耕幅一定时，刀轴转速与机组前进速度是影响功率消耗的主要因素，因此可以得到以下结论：为保证旋耕速比不变，刀轴转速低的旋耕机前进速度一定较低，配套拖拉机功率消耗也較小，同理可推广到高刀轴转速（旋耕机刀轴转速与旋耕机齿轮箱内齿数比和配套拖拉机动力输出轴转速有关）。所以，可以采用分组方法进行数据收集。在收集某一地区的数据时，同耕幅只收集旋耕机刀轴转速最低的，与刀轴转速最高的两组数据，来代表配套功率最小值和最大值，以此大大减轻工作量。同时，由一般经验可知，相较于水田，旱田作业时，由于土质较硬，拖拉机所消耗的功率也比较大。因此，在收集数据时，要保证同一耕幅旋耕机要全面收集在水田地区与旱田地区的数据。

根据对市场上旋耕机销量最多的几家旋耕机厂商的调查。2016年，耕幅在160～250 cm的旋耕机是市场上的主力机型，销量占旋耕机总销量的91%，笔者选择耕幅在这一范围的旋耕机进行调查。为了方便数据收集，在这一范围内选取最常用的5种旋耕机耕幅，即160 cm、180 cm、200 cm、230 cm、250 cm，调查对象为东方红旋耕机与配套东方红拖拉机。根据其主销地区及常用刀轴转速，对调查目标进行筛选，得到调查计划表，见表1。

根据表1进行分地区调查，将各个地区数据进行收集，所得的旋耕机耕幅与配套拖拉机发动机额定功率之间的关系如图1、2所示。

图中实线代表旋耕机耕幅与拖拉机发动机额定功率之间的关系。结果表明，旋耕机耕幅与配套拖拉机发动机额定功率之间的关系呈不明显的下凹曲线关系，拖拉机功率消耗随着旋耕机耕幅增加而增加。

根据农业机械设计手册上给出的方程，使用幂函数（旋耕机耕幅为自变量，拖拉机发动机额定功率为因变量，指数为2）拟合数据曲线（得到图1、图2中虚线），可以得到公式：

N=15.795～22.893B2（3）

转换得到：

式中，B为旋耕机耕幅，m；N为拖拉机发动机的额定功率，kW。

4 结语

旋耕机在中国农业耕地机械中占有很重要的地位，旋耕机产品也在飞速发展中。本研究只针对正转卧式中间传动旋耕机，在使用本研究所给经验公式进行旋耕机设计时，根据旋耕机设计时针对的市场不同，各个地区旋耕机的配套动力可能只是所给范围内的一部分。由于所得函数的是拟合函数，部分地区也会出现配套动力超出或者低于所给范围的情况。本经验公式只是给与设计者的一种参考，当耕作条件发生了与本文中所列约束条件相违背的情况时，公式也应根据其情况进行相应的变化。

参考文献：

[1] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].中国农业科科学技术出版社，2007.

[2] 陈翠英.旋耕机速度参数的合理选择[J].农业机械学报，1985（2）：32-39.

（责任编辑：刘昀）