1GZ60型履带式保护性联合耕作机的研制

青跃光 王杰 杨泽宇 周运成 林海波

摘要：为解决传统农业耕翻土壤导致耕地退化问题，实行保护性耕作（免耕翻）生产，研制出1GZ60型履带式保护性联合耕作机。阐述该机的整体结构设计、工作原理、主要性能指标及技术创新点，并通过田间试验证明该机整体性能稳定可靠。

关键词：联合耕作机；保护性耕作；履带式；设计；可调

中图分类号：S222 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）04-0024-04

我国水田耕作一直沿用传统的翻耕或旋耕、水耙、耢平、沉浆的方式，造成土壤结构破坏、土壤水蚀、矿质流失、作业层次多、耕作成本高、耗水量大、资源利用力低等问题。针对典型地区的水田种植模式，研究开发水田保护性耕作作业通用机械和分区域水田机械化技术及关键装备，实现土壤、耕作、机具、种植等保护性耕作技术融合，对于促进水田可持续生产能力的提升和推动我国保护性农业的发展具有重要意义。为此，本课题研制出集机械、信息、电子、液压、控制为一体的1GZ60型履带式保护性联合耕作机，该机已通过安徽省推广鉴定检验与浙江省重大科技专项重点农业项目验收鉴定。

1 1GZ60型履带式保护性联合耕作机的整体设计

1.1 整机结构及技术参数

1GZ60型履带式保护性联合耕作机采用橡胶履带行走机构，配套旋耕、施肥等机械，可一次完成耕整地、施肥等联合作业。整机结构如图1所示，主要技术参数见表1。

该机主要由水田专用动力底盘、耕作部件、变量施肥装置、电液控制悬挂装置、动力传动系统、操控系统等组成。施肥机、耕作机分别悬挂在履带式动力底盘前后；机体上方设有发动机、行走用途无级变速箱及电气控制系统；机体下方设有牵引底盘架，架上设有行走轮系、行走用途无级变速箱和置于轮系上的橡胶履带；机体前部设有施肥机及其操作机构；机体后部设有耕作机，其通过悬挂架与牵引底盘机架悬挂联接，由液压系统控制升降，对田地具有良好的仿形性能，并可对耕深进行实时监控，保障良好的耕作质量；设有集旋耕、灭茬于一体的旋耕刀，其转速可通过耕作部件变挡传动箱进行调节，实现变转速耕作。该机作业时可保持耕作深度一致，且防陷能力强、效率高，适用于水田、旱田的压茬、碎根及深层耕作等作业。

1.2 技术创新点

1.2.1 智能操作系统 采用传感器感知耕深、耕作阻力、转速、前进阻力、发动机工况等参数并传递给微处理器，根据土壤力学特性、禾茬力学特性、发动机输入特性、旋耕不同工况最佳运行特性等建立多种模型，并编制不同工况下的最佳运行模式。工作时，微处理器根据田间工况推荐并显示保证作业质量、保证工作效率等多种较优的运行模式，在操作人员选择相应模式后，微处理器通过控制行走无级变速器使耕作机在指定的模式下作业，从而达到理想的耕作效果。智能操作系统组成与控制图如图2所示。

1.2.2 水田耕作专用动力底盘 为适应不同类型及含水率的土壤条件，极大地增加与地面的接触面积及牵引动力，设计一种可在承载力差的粘湿土壤上作业的高地隙、通过能力强的全地形橡胶履带动力底盘。在水田作业过程中，该底盘能有效降低接地压力，对旱作土壤不压实，不破坏基底层和土壤结构，提高机动运作能力，满足种植农艺要求，并可通过切换耕作机部件变挡传动箱上的“快—慢”变速杆来调整刀辊挡位，改变旋耕速度比。动力底盘结构如图3所示。

1.2.3 电液控制悬挂装置、耕深监控与稳定系统 液压悬挂耕深电液调节与监控系统可实时跟踪监控耕深、阻力等参数，并反馈信息及时调节耕深，提高机具作业时对地形的仿形性，从而获得持续、稳定、良好的作业质量。电液控制悬挂装置及其自动平衡装置结构示意图如图4所示，电液控制图如图5所示。耕作机上的电液控制悬挂装置在耕作前可定量地設定耕深。微处理器通过控制电液比例阀来改变液压油进出油缸的流量和流向，控制悬挂机构的升降，以达到自动控制耕深的目的。具体的，在耕作过程中，由耕深传感器实时将耕深参数传递至微处理控制器，并由控制器控制弹簧—阻尼耕深稳定阀，从而驱动油缸使耕深保持在设定耕深值；当耕作机耕作坚硬土壤或耕深不足时保持耕作机与田地良好的接触，或当耕地略有下洼时使耕作机进一步下降、达到所需的耕作深度。因此，耕作机对不同地形的田地具有良好的仿形性能和高质量的耕作性能，可实现耕深一致的保护性耕作。自动水平传感器位于旋耕部件的中间位置，并包含在“旋耕机自动平衡装置”中，采用控制器对旋耕机进行自动平衡。

1.2.4 变量施肥复式作业技术 变量施肥装置设于履带式底盘前端，耕作时可对田地施以不同粒状、不同量的肥料，实现耕作、施肥联合作业。同时整机还具有保护性耕作要求的开沟、起垄、施肥、播种等作业项目连接口，一次可完成多项作业，实现耕作过程复式化。

1.3 主要参数设计计算

1.3.1 作业功率 耕作机作业功率按公式（1）计算：

N=0.1KλdVmB （1）

式中：d为耕深，工作部件为弯刀，实测耕深为13.1 cm；Vm为联合耕作机组作业速度，取1.39 m/s；B为耕幅，初定2 m；Kλ为联合耕作机的旋耕比阻，按公式（2）计算，其各修正系数均与切土节距有关，N/m2。

Kλ=KgK1K2K3K4 （2）

式中：Kg为旋耕切土比阻系数，查表取16

N/cm2；K1为耕深修正系数，K1=1.00；K2为土壤含水率修正系数，K2=0.95；K3为残差植被修正系数，K3=1.20；K4为作业方式修正系数，K4=0.73。

由以上数据计算可得：Kλ=13.32，N=48.49（kW）。

考虑到影响功率消耗的因数较多，推算发动机平均功率时，在匡算功率基础上乘以功率储备系数是必要的，即：

Ne=KbN

式中：Ne为发动机额定功率，kW；Kb为储备系数，在0.25～0.33之间选择为宜。因为各修正系数采用上限值，所以储备系数选取下限值足以。

计算可得：Ne=1.25（N）=60.061（kW），圆整为Ne=60（kW）。因此选用发动机额定功率60 kW与转数

2 600 r/min的4102 型柴油机为动力。

1.3.2 旋耕速比 验证机组前进速度Vm为5 km/h时的旋耕速比合理性，按速度比公式（3）计算：

λ=Vρ/Vm （3）

式中：Vρ为刀辊圆周线速度，Vρ=πDn/60 000；n为刀轴转数，实测为315 r/min；D为旋耕刀端实际回转直径，设计为390 mm；Vm为联合耕作机组作业速度，取1.39 m/s。

计算可得：λ=4.6。因此，所选用的机组前进上限速度是合理的。

1.3.3 割幅 验算发动机在2 m耕幅负载情况下的满足条件。根据经验公式（4）计算：

B=0.26-0.29Ne （4）

式中：B为耕幅，m；Ne为发动机额定功率，kW。

计算可得：B=2.013 9（m）。因此，初设耕幅2 m满足发动机瞬时克服超载条件。

1.3.4 生产率 生产率按公式（5）计算：

Q=5.4ηBVm （5）

式中：η为旋耕时间利用系数，稻田一般为0.4～0.8，由于旋耕环境较差、基本上处于满负荷状态，取0.4；B为实际耕幅，为设定耕幅的90%，即1.80 m；Vm为联合耕作机组作业速度，一般为2～5 km/h。

根据公式（5）取上、下限值分别计算，可得：生产率Q=2.18～5.40（hm2/h）。

2 耕作部件的设计

2.1 耕作部件的结构及工作原理

耕作部件的刀辊呈水平横轴配置，为卧式正转旋耕机械，其结构如图6所示。刀轴上的刀片一方面由拖拉机动力输出轴驱动作回转运动，一方面随机组前进作等速直线运动。土垡被刀片切下，随即向后方抛出，撞击到罩壳与拖板上变得细碎后回落于地表面；随着机组不断前进，刀片连续不断地对未耕地进行松碎。由于耕幅较宽，采用变挡传动箱中间传动形式，但中间传动（减速）箱下部会造成漏耕，影响作业质量。为解决该问题，在传动箱下面安装一个松土铲，其压杆器由钢条制成，安装在刀座后上方，在作业中形成轧滚，具有碎土、灭茬及起浆性能。

2.2 刀齿的排列

为使旋耕机在作业中不发生漏耕和堵塞、宽幅刀轴负荷均匀、耕后地表平整，对耕作刀辊进行分组设计（如图7所示）。各刀辊主体采取双头单向螺旋等距排列；而刀辊内外侧两端的弯刀则采取正反向组合双头不等距排列交替入土；同时，为防止两组刀辊内侧之间形成沟壑，加装松土铲。

2.3 耕作参数计算

2.3.1 刀辊半径 按公式（6）导出计算：

λ=Rxω/Vm （6）

式中：Rx为刀辊半径，mm；λ为旋耕速度比，4.6；Vm为旋耕机组前进速度，取1.39 m/s；ω为角速度，πn/30（其中n为刀轴转数，取315 r/min）。

計算可得：R=195（mm）。

2.3.2 耕深 按公式（7）计算：

H

计算可得：实际耕深H=131.0（mm），小于152.6 mm，因此是合理的。

2.3.3 切土节距和碎土质量 按公式（8）计算：

S=2πR/Zλ （8）

式中：S为切土节距，cm；λ为旋耕速度比，4.6；R为刀辊半径，195 mm；Z为在刀轴同一平面内均匀安装的刀数。

计算可得：当Z=2时，S=13.32（cm）；当Z=3时，S=8.88（cm）。

由公式（8）可以看出：改变同一平面内旋耕刀的安装数量、改变旋耕机前进速度或刀轴转速，都可以改变切土节距，并且切土节距的大小直接影响碎土质量与耕地平整度。通常，降低机组前进速度、提高刀辊转速或增加每切削小区内的刀片数，都能减少切土节距、提高碎土质量。但是，机组前进速度过慢，生产率低；刀辊转速过快，功率消耗大；刀片数增多，刀间空隙小，容易堵泥缠草。因此，切土节距不能选择过小。

3 田间试验

2011年10月15日，安徽省对1GZ60型履带式保护性联合耕作机进行初次推广鉴定检测。

3.1 初始条件

测试地点选在浙江省台州市路桥区新桥镇。试验地为旱地，前茬作物为水稻，有适量植被，试验地块长31.6 m、宽20.0 m，满足试验要求。

3.2 结果与分析

测试机型及其主要技术规格，结果见表2。

由表2可知：检验结果均优于国家标准的合格指标，说明该机整体性能稳定可靠。

4 结论

1GZ60型履带式保护性联合耕作机于2015年1月通过浙江省科技厅专家组验收（浙科验字[2015]237）。该机开发了履带式水田专用动力底盘、旋耕工作部件、电液控制悬挂装置、液压无极变速装置、变量施肥装置，具有接地压力小、抗下陷能力强、耕深稳定、碎土灭茬性能好、耕后地表平整、对土壤结构破坏小、通过能力强等优点，能满足不同泥脚深度的作业要求，目前该项目成果已形成产业化。

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