复合切削式烟草中耕培土机设计与试验

2018-09-17张秀丽仝振伟李连豪李拥军侯朝朋夏云飞

农业机械学报 2018年9期

张秀丽仝振伟李连豪李拥军侯朝朋夏云飞

(河南农业大学机电工程学院，郑州 450002)

0 引言

烟草中耕作业可以除去垄间和株间杂草，减少杂草对土壤内营养的消耗，提高烟草在生长过程中的营养条件；垄间松土可以切除土壤间的毛细管，减缓水分的蒸发，起到蓄水保墒、防止干旱的作用；还可以对土壤进行疏松，增加土壤中氧气的含量，加强植株作物的呼吸作用[1-3]；疏松的土壤加大了雨水的渗透能力，有利于雨水渗入，能够减少水土流失，增加土壤含水量；中耕培土后，土壤疏松，土壤受光面积增大，吸收太阳辐射的能力增强，散热能力减弱，可以提高土壤温度；另外进行中耕培土作业可以抗倒伏，增加作物的产量[4-6]。

目前，烟草中耕培土有人工中耕培土、机械中耕培土两种方法[7]。其中人工中耕培土作业是利用锄头在烟垄周围进行松土和除草，然后将垄周围的土堆积到烟苗根部的周围，劳动工作量大，效率低，成本高，培土质量没有机械培土好，不利于田间管理；机械中耕培土作业是由中耕培土机在已经完成揭膜的烟田垄沟上行驶，驱动松土机具松动垄边上的土，实现破碎土壤和除草功能，随后培土机具将碎土翻转堆积到烟苗的根部周围。国外培土作业整机配合良好[8]，COLLINS[9]发明的烟田培土机，作业时培土铲将土壤抛向作物行内形成垄，而压辊用于压紧行内侧及下侧土壤；日本研制的V600+培土整形机，能够适应大面积的田间作业，但其价格昂贵，不适合国内生产状况。相比而言，国内主要是一些小型中耕培土机械[10-12]，目前国内所用培土机械多与手扶拖拉机配套使用，主要有螺旋式、圆盘式、铣盘式、铧式、犁刀式等类型[13-15]。车刚等[16]研究设计了全方位复式中耕机，能一次完成深松、施肥和除草等多项作业。吕金庆等[17]、石林榕等[18]对驱动式马铃薯中耕机关键部件进行了设计，确定了碎土刀的结构参数等。吕美巧等[19]设计了新型甘蔗中耕培土机，用于浙江一带的窄行甘蔗中耕、起垄、培土施肥等作业，操作简单。张婷等[20]对甘蔗中耕施肥培土机进行了设计优化，解决了机器易出现动力输出轴角度难控制、传动轴易断裂等问题。张松泓[21]对电动旋耕培土机进行了设计研究，完成了电驱动系统的设计以及动力匹配。郑俊等[22]对开沟式和盒式1WG-6.3型自走式小型起垄机进行了田间试验与研究。张阳光等[23]对烤烟田间管理培土机进行了研究设计和田间性能分析。对于目前市场上的中耕培土机械来说，基本上都能完成作物的中耕培土，但大多数中耕机械培土高度较低，难以达到高培土[24-26]，起不到培土抗倒伏的作用；而且中耕机械上缺少土壤流向控制机构，土壤随意抛撒，易造成作物幼苗的损伤；有的机器单垄培土工作效率低，而多垄培土机垄形难以控制，适应性差，难以满足大田作业要求。为此，本文设计复合切削式烟草中耕培土机。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

复合切削式烟草中耕培土机是由拖拉机作为牵引机械，并由拖拉机提供动力作为液压传动系统动力源的多功能中耕培土机具，主要由螺旋培土总成、送分土犁刀装置、护叶装置、限深装置、垄距调整装置、机架、液压传动系统等组成。结构如图1所示。

图1 复合切削式烟草中耕培土机结构图Fig.1 Structure diagram of tobacco hilling machine for compound cutting1.螺旋培土总成 2.送分土犁刀装置 3.护叶装置 4.限深装置 5.垄距调整装置 6.机架 7.液压传动系统

其中垄距调整装置由模块化培土小车、调节丝杠、调节手柄、锁紧手柄等组成；螺旋培土总成由支架、垄形调节装置、锁紧固定装置、侧板、导向罩装置、螺旋培土刀、护叶装置、液压马达支架等组成；液压传动系统由液压油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、分流阀、背压阀、液压马达等组成。

1.2 传动系统

图2 复合切削式烟草中耕培土机传动系统原理图Fig.2 Schematic diagram of transmission system of tobacco hilling machine for compound cutting1.变速箱 2.万向联轴器 3.动力轴 4.中间轴 5.输出轴 6.联轴器 7.溢流阀 8.节流阀 9.分流阀 10.液压马达 11.背压阀 12.螺旋培土刀 13.截止阀 14.单向阀 15.液压泵 16.油液过滤器 17.空气过滤器 18.液压油箱

复合切削式烟草中耕培土机传动系统如图2所示，机具以三点后悬挂方式与拖拉机连接，当拖拉机牵引机具作业时，由拖拉机的动力输出轴提供动力，带动后面的液压传动系统进行作业。拖拉机动力输出轴输出动力通过万向联轴器传递到变速箱，变速箱输出轴通过联轴器与液压泵输入轴连接，液压泵工作带动液压马达转动，液压马达输出轴与螺旋培土刀连接，进而实现螺旋培土刀的转动。其中，螺旋培土刀的转速可通过节流阀控制液压油的流量来进行调节。

1.3 复合切削原理

机具田间工作时，在拖拉机牵引下向前运动。机具的前端安装有限深装置，根据土壤的湿度、硬度等条件，通过丝杠调节限深装置中限深轮高度，进而调节控制送分土犁刀装置的入土深度。随着机具的向前运动，送分土犁刀装置对垄底的土壤进行深松并进行送分，形成对土壤的斜向切削运动，螺旋培土总成的螺旋培土刀转动形成对土壤的铣削运动，两种切削合成为复合切削。

1.3.1斜向切削运动

如图3所示，vm为车行驶速度，送分土犁刀工作时，切削刃与切削速度方向不垂直，斜向相交，角度为α，土壤的流出方向不与送分土犁刀直线切削刃垂直，而是偏离直线切削刃法线方向一个流屑角ψα，即土壤在犁壁上不是垂直向上运动，而是沿犁壁向远离胫刃斜向上方向运动，形成送分土犁刀对土壤的斜向切削。由于土壤传动方向的偏离，土壤经受复杂的剪切扭转及弯曲等复合作用，之间的连接被破坏导致土壤被切碎，切削阻力减小，切削过程轻松。

图3 斜向切削原理图Fig.3 Schematic diagram of oblique cutting1.胫刃面 2.胫刃线 3.土壤 4.土壤流出方向 5.切削刃

1.3.2螺旋铣削运动

如图4a所示，螺旋培土刀一边以角速度ω旋转一边以vm向前进给运动形成对土层铣削。所需要铣削的土层由松土层和实土层形成：送分土犁刀斜向切削使垄沟的土壤沿犁壁运动在垄坡形成松土层；实土层为由于雨水等冲刷而滑落的且送分土犁刀未切削到的部分垄坡土壤；松土层分布在实土层表面。螺旋培土刀铣削时，对松土层实现二次破碎土壤，消耗功率较小；对实土层进行破碎、输送作业，相对消耗功率较大。

图4 铣削原理图Fig.4 Schematic diagram of milling principle1.实土层 2.松土层 3.螺旋培土刀 4.垄体 5.铣削层

螺旋培土刀在铣削作业时有逆铣和顺铣两种铣削作业方式。vC表示螺旋培土刀在切削点M处的瞬时线速度；v′m表示垄体相对于螺旋培土刀的进给速度(与螺旋培土刀相对垄体移动速度vm方向相反)；M表示土层任一切削点；v′表示逆铣时M点土壤的合速度，v″表示顺铣时M点土壤所受的合速度，合速度为vm与vC的矢量之和；F′表示逆铣时M点土壤所受的合力，F″表示顺铣时M点土壤所受的合力；FC表示螺旋培土刀对土壤合力在切削点切线方向分力；Fm表示螺旋培土刀对土壤合力在进给方向分力；合力为Fm与FC的矢量之和。当vC与v′m方向相反时为逆铣，螺旋培土刀对土壤的铣削层厚度从小到大，如图4b所示。当vC与v′m方向相同时为顺铣，螺旋培土刀对土壤的铣削层厚度是从大到小，如图4c所示。在螺旋培土刀旋转速度相同的情况下，逆铣时Fm与FC、vm与vC的夹角小于90°；而顺铣时两者力与速度的夹角均大于90°，所以，逆铣时土壤所受合力大于顺铣，所产生的合速度大于顺铣；相对于顺铣，逆铣更易于对土壤进行铣削，能达到较好的培土效果。

在保持土壤物理性质、送进量和松土速度相同的条件下，进一步进行室内试验观察验证。采用人工浇水改变土壤含水率，并利用WYS-1型土壤水分测定仪测量土壤含水率，利用TYY-2型土壤硬度仪测量土壤硬度。所有数据测量3点，取平均值。土壤含水率为15.1%，土壤坚实度为2.0×105Pa。试验条件接近于田间地况。试验时，调节螺旋培土刀转速为265 r/min，利用输送带由螺旋培土刀侧面与底部进给土壤。图5a、5b是逆铣时土壤铣削情况，在逆铣时土壤经螺旋培土刀抛撒后，落地后呈“L”或“U”形，如图5b箭头所示，逆铣时向后方抛撒最大距离为T1，T1=290 mm。图5c、5d是顺铣时土壤铣削情况，在顺铣时土壤经螺旋培土刀抛撒后，落地后呈线形，如图5d箭头所示。顺铣时向后方抛撒距离为T2，T2=150 mm。结合试验分析可得，在铣削时土壤抛撒距离方面，T1>T2，即逆铣大于顺铣；从土壤抛撒情况来看，逆铣时土壤向垄形上方抛撒，顺铣时土壤具有向垄沟抛撒的趋势。试验进一步验证了逆铣效果更优于顺铣。

图5 铣削试验效果Fig.5 Test effects of milling principle

1.3.3土壤复合运动

如图6所示，红色曲线为土壤颗粒的运动路线。通过送分土犁刀进行斜向切削，土壤由犁壁斜向上运动，输送到垄坡，或部分落到垄沟，然后螺旋培土刀对垄沟土壤与垄坡进行铣削、输送。通过送分土犁刀的切削、破碎与螺旋培土刀的铣削、二次破碎，实现对土壤的复合切削，土壤实现复合运动，达到培土的目的。

图6 烟草垄形Fig.6 Tobacco ridge1.螺旋培土刀 2.烟草植株 3.送分土犁刀 4.作业后垄形 5.作业前垄形 6.土壤流动方向

1.4 主要技术指标

复合切削式烟草中耕培土机对应的农艺栽培模式如图6所示，培土前垄高h为270～330 mm，培土高度H为300～500 mm，垄顶宽B1为400～450 mm，垄底宽B2为800～900 mm，相邻两垄中心距L为1 100～1 300 mm。考虑到本机器特点是通过调整单个螺旋培土总成的一对螺旋刀相互位置来调整沟面宽度B来保证垄顶宽B1，因此机器设计参数取B=L-B1,为650～900 mm。垄形坡度θ根据以上数据可以推算出。复合切削式烟草中耕培土机主要技术参数如表1所示。

表1 复合切削式烟草中耕培土机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of tobacco hilling machine for compound cutting

2 关键部件设计

模块化培土小车和垄距调整装置安装在机架上。机器采用模块式组合结构设计，其中螺旋培土总成、送分土犁刀装置与限深装置及护叶装置共同组成模块化培土小车，单独组成一个部件体系，在机器生产过程中部装以后再与机架组装，为机器工厂生产过程管理提供了方便，也利于为多垄机型的设计提供通用模块。

2.1 垄距调节装置

在利用垄距调整装置调节垄距时，模块化培土小车各装置实现联动以满足不同地况下垄距不同的需要。如图7所示，调节垄距时，可以通过锁紧手柄实现对培土小车的锁紧与固定。当锁紧手柄松开时，转动调节手柄，通过调节丝杠上的螺纹传动实现培土小车在机架上的左右移动。其中左右调节丝杠相连接，实现了左右两个培土小车同时联动，保证了垄距调节时的一致性，可在L为1 100～1 300 mm内调节。

图7 垄距调整装置结构图Fig.7 Structure diagram of ridge distance adjustment device1.模块化培土小车 2.机架 3.调节丝杠 4.调节手柄 5.锁紧手柄

2.2 螺旋培土总成

2.2.1总体结构

图8 螺旋培土总成结构图Fig.8 Structure diagram of spiral soil assembly1.支架 2.垄形调节装置 3.锁紧固定装置 4.侧板 5.导向罩装置 6.螺旋培土刀 7.护叶装置 8.液压马达支架

如图8所示，螺旋培土总成由支架、垄形调节装置、锁紧固定装置、侧板、导向罩装置、螺旋培土刀、护叶装置、液压马达支架等组成。在进行培土作业时，根据不同烟叶的种植农艺要求，可以通过调整垄形调节装置以适应不同垄形的要求。螺旋培土刀在液压马达的带动下进行作业，土壤沿着螺旋培土刀的螺旋叶片向上输送，在外加导向罩的共同作用下，将土壤输送到植株根部，完成培土的过程。

2.2.2垄形调节装置

如图9所示，在螺旋培土总成上安装有垄形调节装置(右侧表示螺旋培土刀最小倾角位置，左侧表示螺旋培土刀最大倾角位置)。垄形调节装置包括垄形坡度调节装置与垄底宽调节装置，实现对机器主要技术参数(垄的坡度和垄沟上口宽度)的调节。其中垄形坡度调节装置由调节丝杠、滑动座、螺纹套、拉杆、锁紧固定装置、侧板等组成。调节时，转动调节丝杠推动螺纹套上下移动，通过拉杆拉动侧板绕底部销轴转动进而实现垄的坡度调节。垄底宽调节装置由调节板、固定螺栓、固定弯板、销轴等组成。调节时，通过调节板与固定弯板之间不同螺栓孔之间的配合，实现垄底宽的调节。

图9 垄形调节装置结构图Fig.9 Structure diagram of ridge shape adjustment device1.调节丝杠 2.滑动座 3.螺纹套 4.拉杆 5.锁紧固定装置 6.侧板 7.调节板 8.固定螺栓 9.固定弯板 10.销轴

结合机器设计参数B、H、θ，设计调节丝杠的运动范围为180 mm，可得到在螺纹套处于上下极限状态时，螺旋培土刀倾斜角的最小值β1=50°，最大值β2=70°，保证了垄形坡度调节的角度范围在50°～65°之间；在螺旋培土刀处于倾斜极限时，螺旋培土刀的垂直高度最小值为h1=400 mm，最大值为h2=500 mm。底部调节板上螺栓孔的间距为20 mm，有3种位置，使固定弯板处于左右极限状态时，能满足参数需要。两个调节装置相互配合，实现垄沟面宽度的调节范围在最小值L1=650 mm与最大值L2=900 mm之间变化。

2.3 螺旋培土刀

2.3.1刀轴

螺旋培土刀是复合切削式烟草中耕培土机的核心工作部件。根据输送土壤的特性与输送土壤的目的，选用实体螺旋式的螺旋培土刀[27]。如图10所示，螺旋培土刀的螺旋叶片用4 mm的薄钢板冲压而成，然后焊接到螺旋培土刀刀轴上。为提高刀轴的刚性和减轻样机的重量，将刀轴设计为空心轴，结合垄形沟底宽和刀轴的强度校核，确定轴的内径d1为98 mm，外径d2为108 mm，高度A为490 mm。

图10 螺旋培土刀结构图Fig.10 Structure diagram of spiral soil knife

2.3.2螺旋叶片外径

螺旋培土刀外径是螺旋培土刀的重要设计参数。一般根据螺旋培土刀的输送能力、输送类型、结构和布置形式确定螺旋培土刀的外径[28-29]。由图8可以看出，在螺旋培土总成中两侧螺旋培土刀采用“V”字形布置，考虑垄沟空间尺寸，螺旋培土刀螺旋叶片的外径尺寸受垄形沟底宽影响较大。所以，根据实际要求，设计螺旋叶片外径D为190 mm。

2.3.3螺距

螺旋叶片的螺距S可根据螺旋培土刀的布置形式、输送物料的特性以及螺旋叶片直径来选取，通常采用推荐的标准值。

S=K1D

(1)

式中K1为比例系数，取0.8～1.0[30-31]，结合土壤的特性以及对土壤松碎程度的要求，选择比例系数为0.94，则螺距S为178 mm。

2.3.4螺旋输送器土壤输送量中间值的理论计算

如图11所示，在机具向前运动时，螺旋培土刀将垄沟土壤与部分垄侧土壤(区域Ⅱ)输送至垄顶(区域Ⅰ)，取培土垄形前后高度的中间值h′=300 mm、H′=400 mm与培土前后垄形坡度的中间值θ1=37°、θ2=58°进行计算。区域Ⅱ的土壤是培土前压实的区域，区域Ⅰ的土壤是培土后松软的区域，区域Ⅰ的土壤和区域Ⅱ的土壤在质量上相等，但在体积上有差别[32]。在垄形截面上，区域Ⅰ的面积为SⅠ，则需要进行培土的土壤输送量为

Q′=γlSⅠ

(2)

其中

l=vmt

(3)

式中Q′——所需培土量，kg/h

γ——土壤(褐土)容重，为1 300 kg/m3

l——单位时间内培土长度，m

SⅠ——垄形横截面Ⅰ的面积，为0.032 m2

t——培土单位时间，取1 h

由式(2)计算得出Q′为104 000～133 120 kg/h。

图11 培土前后垄形横截面Fig.11 Cross section shape of ridge1.培土前垄形 2.培土后垄形

根据耕作前后土壤质量不变原则，相同单位长度SⅠ区域的土壤质量应与SⅡ区域的土壤质量相等，但是由于土壤经送分土犁刀松土、螺旋培土后土壤疏松体积增大，土壤容重发生改变，需增加膨松系数λ，对培土前后实土与松土的体积进行测量，测得λ=2.09，有

SⅠ=λSⅡ

(4)

式中SⅡ——垄形横截面Ⅱ的面积

所以，单个螺旋培土刀在进行培土时，螺旋输送的土壤输送量Q″为49 760.77～63 693.78 kg/h。

2.3.5螺旋培土刀土壤输送量中间值的理论计算

由于在螺旋培土刀的前方设置有送分土犁刀装置，送分土犁刀装置可以对沟底土壤进行深松，同时垄沟土壤会沿着犁壁向垄侧面运动，然后螺旋培土刀将垄侧面土壤向上输送，但向上输送的部分土壤会沿垄侧面滑落，这与螺旋输送器送料是有区别的。因此，在计算培土机的输送量时不能按照普通螺旋输送器工作环境进行计算，一个螺旋培土刀对土壤的输送量Q应该占螺旋输送器的输送量Q1一定的比例，即

Q=CQ1≈CQ″

(5)

式中C——修正系数，由经验取0.27

Q1——螺旋输送器的输送量，Q1≈Q″

由式(5)计算可得Q为13 435.41～17 197.32 kg/h。

2.3.6螺旋培土刀的转速

由分析可得，螺旋刀具输送土量计算式为

(6)

(7)

(8)

式中S′——所送物料的横截面积，m2

vz——土壤轴向移动速度，m/s

φ——填充系数，取0.3[33]

nmin——螺旋培土刀最低转速，r/min

当螺旋培土刀的转速n≥nmin时，且其垄形两侧的输送土壤量均达到Q′时，培土的高度才会满足相关农艺技术要求，通常在不考虑土壤轴向阻滞作用影响的情况下[34]，螺旋培土刀的最低转速由式(6)～(8)得出,nmin为167.51～214.54 r/min。

分析可得，当垄形参数取中间值时，考虑到行驶速度不同，螺旋培土刀最低转速应该在上述范围之间，在进行培土时，转速必须大于其最小值。在螺旋培土刀外侧安装有导向罩装置，当转速过高时，土壤在垄上抛撒距离会远一些，但不会超过导向罩装置控制的土壤流向的范围。为了节约能源，不宜使用较大转速。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件与材料

2018年5月，在河南省许昌市禹州市小吕乡罗庄全程机械化示范点试验田进行了复合切削式烟草中耕培土机的田间作业性能试验，如图12所示。试验地土壤为褐土，土壤绝对含水率为14.2%，土壤容重为1 300 kg/m3，垄侧土壤坚实度为2.2×105Pa，垄沟土壤坚实度为3.8×105Pa。试验前对复合切削式烟草中耕培土机进行调试，调节送分土犁刀装置使其最下面与螺旋培土总成的最下面在铅垂方向上相差20 mm，调节螺旋培土总成的最底部与限深装置的限深轮底部在同一平面，调节垄距调节装置，调整垄距为1 200 mm，调节垄形调节装置，调整垄形坡度为60°。

图12 田间试验Fig.12 Field test

3.2 试验方法

按照复合切削式烟草中耕培土机预期实现的设计功能，结合DB50/T 686—2016《培土机》和DB34/T 2672—2016《培土机技术条件》规定的试验方法进行田间作业性能试验，选用拖拉机标定功率为29.4 kW，拖拉机前进速度为2.5～3.2 km/h。试验选取碎土率、垄形坡度、培土厚度、培土高度、沟面宽度等作为能够体现复合切削式烟草中耕培土机工作性能的测试指标；同时考察复合切削式烟草中耕培土机液压传动系统、限深装置、送分土犁刀装置、螺旋培土总成的工作运转情况。参考文献[35-36]规定的具体计算方法，测定各项作业性能指标。试验结果统计与计算中规定试验小区以3垄宽度(4 800 mm)为基准，试验准备区长度为5 m，测定区长度为20 m，试验小区在试验地中随机选取。

3.2.1碎土率试验方法

在已培土的垄上测定0.2 m×0.2 m×0.2 m范围内的土壤，土块大小按其长边分为0～4 cm、4～8 cm、大于8 cm 3级。并以0～4 cm的土块质量占总质量的百分比为碎土率，选择10个测量点。

3.2.2培土厚度合格率试验方法

培土厚度合格率测定方法：沿机具前进方向每隔2 m左右两侧各取一点，测量20个点，在每个测定点上测定培土厚度，求平均值。

(9)

式中f——培土厚度合格率，%

m0——培土厚度总测定点数

m1——培土厚度合格点数，其中培土厚度达到15～150 mm为合格样本

3.2.3培土高度和沟面宽度试验方法

沿机具前进方向每隔2 m测定一个点，测量20个点，在每个测定点测定培土高度与沟面宽度，求平均值

(10)

式中ψ——培土高度或沟面宽度平均值，mm

ψi——培土高度或沟面宽度测定点数据，mm

3.3 试验结果与分析

复合切削式烟草中耕培土机田间试验结果如表2所示。

表2 田间试验结果Tab.2 Results of field experiment

由试验结果可得，复合切削式烟草中耕培土机试验指标均达到相关标准要求。

试验过程中发现，当复合切削式烟草中耕培土机前进的速度保持在2.5～3.2 km/h时，其各组成系统的作业性能较高且相对稳定。当前进速度进一步提高时，相应的螺旋培土刀的转速增大，此时土壤在随螺旋培土刀向上输送时，受到的离心力增大，土壤抛撒不易控制，易损伤烟苗；同时，当前进速度较快时，培土量不易控制，导致培土厚度不一致。因此，需要适当调整培土机前进速度，确保送分土犁刀装置与田间土壤的充分作用时间，以获取高质量的培土效果。