双轴分层切土旋耕机旋耕部件的设计

梁新忠，朱 松，何彦平,

（1.江苏省农垦农业发展股份有限公司黄海分公司，江苏 盐城 224624；2.江苏省农垦农业发展股份有限公司现代农业研究院，江苏 南京 210019）

0 引 言

目前，虽然针对秸秆还田机具的研发已经取得了一定的成果，大量新型机具也已投入市场，但是机具地区适应性不佳、农机农艺融合度不高、机具作业耗能大、作业费用高等问题仍然突出。一是常用的正转旋耕机灭茬不彻底、碎土率低、秸秆不能充分掩埋和覆盖，不符合稻麦秸秆全量还田的农艺要求。现有一些反转灭茬旋耕机存在负荷重、功耗大、效率低、罩壳积土、刀轴缠草等缺点，严重制约着其在农村的应用和推广。二是现有的包括双轴灭茬旋耕机等多种秸秆全量还田作业机主要适用于北方旱田耕整地区，不能完全适应南方稻麦产区秸秆还田的农艺要求，尤其在像江苏这样稻麦轮作的土壤粘重地区问题尤为突出[1-2]。

针对1GKMS-200 型双轴分层切土旋耕机，现有的双轴旋耕机的后刀轴的安装宽度等于前刀轴的安装宽度，在此基础上直接改进为双轴分切旋耕将会导致后旋耕刀轴难以入土，很难达到要求的耕作深度。此外，双轴传动箱在土中迎土滑行，不仅增加阻力，也增加了传动箱箱体的磨损。总之，在目前现有的双轴旋耕机上直接改进为双轴分层切削旋耕机耕作深度难以达到要求，旋耕消耗功率大，旋耕机效率低，无法进行分层旋耕，实现大耕深的要求。因此，本文开展的对适应秸秆全量还田的大功率、具有分层切土功能的大耕深旋耕机具的研究具有十分重要的意义[1,3-5]。

1 双轴空间布置结构设计总体设计

本机具与一般的双轴旋耕机的最大不同之处就在于双轴的结构形式不同，所以双轴空间布置结构的设计就是秸秆全量还田大耕深双轴分层切土旋耕机的核心之处。本机具前、后刀轴采用双轴阶梯状立体空间布置结构，即前旋耕刀轴和后旋耕刀轴分别安装于双轴旋耕机的前后，在本设计中前刀轴和后刀轴在水平方向上相距45 cm，在竖直方向上后刀轴比前刀轴低11 cm。为实现后刀轴能顺利入土旋耕，前刀轴左侧板与右侧板的距离要大于后刀轴左右侧板距离加上后刀轴侧边传动箱的厚度，这样后刀轴侧边传动箱以及侧板底部才可以紧贴前刀轴旋耕后的沟底继续向前运动。机具前、后刀轴选用的旋耕刀的型号均为IT225，前刀轴的耕作深度约为11 cm，后刀轴在前刀轴耕作的基础上再向下旋耕约11 cm，以实现采用小旋耕刀分层旋耕实现大耕深、总耕作深度达到20 cm 的目的。双轴阶梯状立体空间位置如图1 所示。

双轴分层切土旋耕机的双轴空间布置结构的侧视图如图2 所示，A 为左右横向传动轴中心点；B 为前刀轴中心点；C 为后刀轴中心点；D 为前刀轴中心点到后刀轴中心点水平线的垂足；a 为左右传动轴中心点到前刀轴中心点的距离；b 为左右传动轴中心点到后刀轴中心点的距离；c 为前刀轴中心点到后刀轴中心点的距离；d 为前刀轴中心点到后刀轴中心点的垂直距离。

设计旋耕机需要考虑多方面的问题，为了尽可能的减少机具零部件的加工成本，使得零部件具有互换性，1GKMS—200 双轴分层切土旋耕机的左右横向传动轴和左右侧边箱的结构上设计为相互对称的结构，那么左右横向传动轴中心点到前刀轴中心点的距离a 与后刀轴中心点的距离b 相等，即a=b。由于前刀轴和后刀轴的旋耕刀都是国家标准IT225旋耕刀，其回转半径为225 mm，为了使得两轴上的旋耕刀不互相接触，所以前刀轴中心点到后刀轴中心点的距离c 必须大于450 mm。同时考虑到在工作过程中避免双轴旋耕起来土块和秸秆发生拥堵，依据相关实际旋耕试验，两轴旋耕刀尖间的距离留有5 cm 的余量。为了尽可能地减小旋耕机的结构尺寸，前刀轴中心点到后刀轴中心点的距离c 的设计值应为500 mm。由于1GKMS—200 双轴分层切土旋耕机前刀轴和后刀轴的最大耕深理论值为112.5 mm，要使得双轴旋耕机的耕深达到20 cm，前刀轴中心点到后刀轴中心点的垂直距离设计值应大于90 mm，由于实际工作过程存在误差，本机具前刀轴中心点到后刀轴中心点的垂直距离设计值为110 mm。

前刀轴和左右横向传动轴之间有上罩板、前支架、左右横向传动轴轴管和中间传动箱体等，考虑到以上部件的结构尺寸和装配预留尺寸，前刀轴和左右横向传动轴之间的距离设计值为575 mm。当这些尺寸都确定后整个旋耕机的主要结构尺寸和空间位置关系就定下来了，其中本机具前刀轴和后刀轴在yz 面上之间的夹角为38.48°，前刀轴在yz 面上与竖直面之间的夹角为13.06°。

2 前、后刀轴总成的设计

在作业过程中前、后旋耕刀轴是主要承载构件，它们承受土壤反力和发动机的驱动力矩作用产生弯曲、扭转、剪切等复杂组合变形，且伴随产生激烈的振动、冲击，特别是机具的前刀轴在前面切削，工作环境更为复杂，受到的冲击更为严重。目前传统的设计方法往往是按照在田间使用不至破坏的准则，根据作用在刀轴上的载荷采用静强度估算，然后通过加大安全系数的方法来满足强度要求。实际使用中发现这种传统的设计准则过于保守，需要对刀轴进行结构优化设计，提高设计的合理性。

2.1 刀轴正反转确定

刀轴反转的工作过程是，旋耕刀从土壤底层向上切削土层，旋耕刀由远及近地切土，属于无支撑的切削，对土壤有一定的拉伸破碎作用。这样的旋耕工艺具有以下优点：工作较平稳；垡块细长，易破碎；耕作底层的平整度比正转好[3-4]。反转在功能上的优越之处在于其不仅能够很好完成碎土、耕耙作业，而且可以有效掩埋秸秆、杂草等有机物，起到培肥育地、增加土壤有机质的作用，埋茬灭茬的效果也比正旋好。

但是反旋消耗的功率很大，这对旋耕机提出了更高的要求，经过比较分析，本设计双轴分层切土旋耕机的前、后刀轴仍然选择正旋的作业方式，在后续的研发工作当中可以考虑，前、后刀轴采用反旋的方式或者其中一个轴采用反旋的作业方式。

2.2 刀轴转速的确定

根据农业机械设计手册推荐的数据，在含水率为20%～30%的田块里，切土进距S=10 cm，耕作质量即可满足农艺上的要求；耕轻、中粘度土壤（含水率大于35%），S=6～9 cm 即可；粘重土壤、多草地，S=4～6 cm。

根据公式变换可得转速计算公式：

取值：vm=3.6 km/h；Z=2；S=6～9 cm；n=200～300 r/min。

根据经验数据，取n=240 r/min 时，机具在壤土与粘土上均能正常工作，并且拖拉机的载荷没有大幅提升，经试验对比确定刀轴的转速n=240 r/min。

2.3 刀轴的受力分析

刀轴工作时旋耕刀相继入土，承受弯曲、扭转复合载荷的作用。刀轴可以简化为受若干集中载荷的简支梁，如图3 所示。

若干集中载荷的位置和角度由旋耕刀的排列方式确定，刀轴在任意截面处的弯矩方程为：

根据弯矩方程再结合旋耕刀的排列位置和角度，可以推出刀轴中部，即x=L/2 为危险截面。由第四理论强度理论可以得出最大工作应力为：

式中：W 为刀轴的抗弯截面模量；M、Mn分别为刀轴危险截面处的弯矩、扭矩；D、d分别为刀轴的外径与内径。

已知：前刀轴长度L=2 300 mm，刀轴最高转速nmax=240 r/min，取临界转速安全系数δ=2，刀轴的许用应力[σ0]=90 MPa，计算得出传递扭矩M=1 352 N·m，危险截面弯矩为Mn=1 105 N·m，带入公式在满足上述计算的同时，将得出结果进行圆整，类比参考其他样机中旋耕刀轴的实际尺寸，设计时外径选取76 mm，内径为64 mm，壁厚为6 mm。考虑到加工制造成本和机具的通用性能等因素，后刀轴的设计除了其设计长度为2 000 mm，其余规格和前刀轴一样。

2.4 旋耕刀的选择

使用专用设计的旋耕刀能够改良耕作过程，改善埋茬效果，并且可以降低机具功耗。但是考虑到本机具尚处于研发试制阶段，重新设计加工生产旋耕刀的成本很高，所用本课题选用IT225 旋耕刀，而不去专门设计开发专用的旋耕刀。前、后刀轴都选用IT225 旋耕刀，前、后刀轴的回旋半径约为225 mm。

3 结 语

本文主要对双轴分层切土旋耕机旋耕部件进行了创新设计和选用，根据相关标准确定旋耕部件的主要参数，设计结果如下：

（1）对1GKMS-200 型双轴分层切土旋耕机的双轴空间布置结构进行了创新设计，机构采用两根旋耕刀轴上下错位布置，实现20 cm 以上的大耕深作业。

（2）对机具的旋耕刀轴进行了受力分析和设计，选择前、后旋耕刀轴旋向都为正旋，选用IT225 旋耕刀作为前、后旋耕刀。