大中型拖拉机旋耕作业研究与思考

常树堂，申月华，郜向旗，王 彦

(河南省漯河市郾城区农机推广服务中心，河南 漯河 462300)

0 引言

随着我国农村土地流转、承包、托管步伐的加快，农田地块得到了适度的整合集中，为大中型农业机械作业提供了便利条件。大中型农机由于功率大、动力强劲、作业效率高，能有效节约作业成本，深受广大农民的欢迎。

近些年，大中型农机如大中型拖拉机保有量迅猛发展，仅河南省漯河市郾城区2019年就新增大中型拖拉机239台，2018年该区大中拖占拖拉机保有量的8.9%，2019年大中拖占9.6%，这一比例还在持续提高。旋耕机是大中型拖拉机标配的农具之一，旋耕作业也是郾城区主要的整地模式，但在实际作业中，出现了旋耕机入土性差、作业效果不好等问题，需要引起生产企业、管理部门、用户等的关注和重视，共同制定合理的整改方案，确保大中型拖拉机及配套旋耕机发挥最大效用[1-3]。

1 案例分析

2020年“三秋”季节，郾城区裴城镇坡边村一名拖拉机手向郾城区农机服务中心打电话求助，反映他当年新买了一台东方红LX1604型拖拉机，选配一台豪丰230H型高箱体旋耕机，在农田作业时，旋耕机一侧入土，另一侧不入土，作业过后的土壤一侧较好，另一侧极差，并且作业过后的地表出现脚印型凹坑。据介绍，出现这种情况的不止他一个人的机器。

郾城区农机服务中心技术人员开始以为，旋耕机在作业前，拖拉机后面两侧悬挂臂没有调水平或旋耕机刀轴上旋耕刀片没有装对所致。到作业现场后，经过仔细检查，以上问题均不存在。技术人员尝试用拖拉机的强压机构迫使旋耕机强制入土，但作业效果仍不明显；技术人员又试着用化肥袋装满土，压在旋耕机不入土一侧，作业效果虽有所好转，但与另一侧相比差别仍较大，远达不到规定的整地质量要求。当技术人员发现该拖拉机作业速度较快时，要求机手使用中速Ⅰ挡作业，即作业速度改为4.89 km/h，结果旋耕机上述现象消失，作业恢复正常。

技术人员告诉机手，旋耕作业时拖拉机行走速度不能太高。农田旋耕作业不是公路运输，不是动力大就可以多拉快跑。旋耕机是整地机械，也是典型的减速增扭农业机械，旋耕机刀轴上的旋耕刀在切割土壤时，阻力较大，需要耗费的扭力也较大，同时为了减轻其冲击力和振动，旋耕刀在刀轴上的排列顺序都呈双螺旋线形，旋耕作业时，旋耕刀轴上同方向的弯刀渐次入土切割土壤。旋耕机左右弯刀在刀轴上装好后，弯刀部分呈现两条包络线，并且旋耕机两侧刀轴，以旋耕机中间的变速箱中线为对称轴相对称，旋耕作业时，两侧左右对称弯刀同时切入土壤，对刀轴所产生的横向作用力相互抵消，保证旋耕机在作业时向前走直线，不发生横向偏移，弯刀刨出的土坑正好相互回填，作业后地面保持平坦。旋耕刀刨地阻力大，所以刀轴转速不能太高，一般300 r/min左右，要求拖拉机从事旋耕作业时，其前进速度一般为3～6 km/h(旋耕深度15～16cm)，如果拖拉机前进速度太高，旋耕刀刨地速度赶不上拖拉机前进速度，旋耕机刀片还没有落下，拖拉机已带着旋耕机前移，会出现旋耕机刀片不入土、漏刨、少刨，作业过的地块出现夹生地等，导致作业质量变差[4-6]。

2 拖拉机行走速度与旋耕作业质量的关系

一般对旋耕机整地作业质量的要求是“耕深、耙透、耙匀、耙平、深浅一致，耙后没有大土块，中间没有夹生地，耙后压实，墒情好可直接播种”，这就要求拖拉机带动旋耕机作业时速度不能太快。分别以雷沃欧豹500～754B型中型拖拉机，东方红LX1604型、LX1804型大型拖拉机为例介绍行走速度与旋耕作业质量的关系。

2.1 雷沃欧豹中型拖拉机

雷沃欧豹500～754B型中型拖拉机各挡位的行走速度如表1所示。机手在进行旋耕整地作业时，一般选择主变速杆置于Ⅱ挡，副变速杆置于一级减速低挡(低速挡)或二级减速高挡(B挡)作业。为了便于比较，暂不考虑拖拉机作业幅宽问题。由表1可知，雷沃欧豹500型拖拉机旋耕作业时选3.59 km/h作业速度，504型拖拉机选3.89 km/h，550型拖拉机选3.59 km/h，554、600、604型拖拉机选4.28 km/h，650、654、700、704、750B、754B型拖拉机选4.01 km/h。

表1 雷沃欧豹中型拖拉机各挡位行走速度

为便于分析，计算各型号拖拉机采用以上作业速度走完100 m所需时间。雷沃欧豹500型拖拉机V=3.59 km/h=59.83 m/min，行走100 m用时1.671 min；500型拖拉机用时1.542 min；550型拖拉机用时1.671 min；554、600、604型拖拉机用时1.402 min；650、654、700、704、750B、754B型拖拉机用时1.496 min。

从雷沃欧豹拖拉机设计参数可知，以上型号的拖拉机，当发动机在额定转速下作业时，其后动力输出轴转速为796 r/min；从豪丰200H～230H型高箱体旋耕机设计参数可知，变速箱的变速比为1∶0.371。可计算出旋耕机在这些拖拉机带动下的旋耕刀轴转速796×0.371=295.32 r/min，因此也可以计算出不同型号的拖拉机，正常情况下带动豪丰200H～230H型高箱体旋耕机走完100 m距离，每把旋耕刀切割土地的次数(旋耕机刀轴每转一周，每把旋耕刀对土壤完成一次切割)，切割土壤次数越多，整地效果越好。雷沃欧豹500型拖拉机，走完100 m用时1.671 min，则旋耕机刀轴可转1.671×295.32=493.48周；504型拖拉机走完100 m，旋耕机刀轴可转455.38周；550型拖拉机走完100 m，旋耕机刀轴可转493.48周；554、600、604型拖拉机走完100 m，旋耕机刀轴可转414.04周；650、654、700、704、750B、754B型拖拉机走完100 m，旋耕机刀轴可转441.8周。这些不同型号的拖拉机作业完100 m，平均每把旋耕刀切割土壤459.64次。

2.2 东方红大型拖拉机

东方红LX1604型、LX1804型大型拖拉机在发动机转速2 200 r/min时，中低挡行走速度如表2所示。

表2 东方红大型拖拉机中低挡行走速度(发动机转速2 200 r/min)

东方红LX1604、LX1804型拖拉机旋耕作业时，选用中速Ⅰ挡作业，即4.89 km/h行走速度，则走完100 m需时1.227 min，拖拉机后动力输出轴转速850 r/min，选配豪丰230H型高箱体旋耕机，则旋耕刀轴转速为850×0.371=315 r/min，拖拉机走完100 m，旋耕刀轴可转315×1.227=385.51周。

与雷沃欧豹中型拖拉机相比，用东方红大型拖拉机带动旋耕机作业，走完100 m，平均每把旋耕刀少切割土壤459.64-385.51=73.13次。如果同是带动230H型高箱旋耕机作业(作业幅宽2.3 m)，则作业完666.67 m2(1亩)地，需行走289.86 m(666.67/2.3=289.86)，每把刀少刨地289.86/100×73.13=211.97次。2.3 m旋耕机一般装64把弯刀，旋耕666.67 m2(1亩)地，少切割土壤64×211.97=13 566次。尽管每把旋耕刀的刨地宽度有限，但综合起来，整地效果差别还是很大。

前面所述那名东方红大型拖拉机机手，旋耕作业选用的还不是中速Ⅰ挡，而是中速Ⅱ挡，即7.32 km/h行走速度，则走完100 m用时0.819 7 min，旋耕机刀轴转速850×0.371=315 r/min，旋耕机刀轴可转315×0.819 7=258.21周，即旋耕机刀轴上的每把旋耕刀刨地258.21次，比雷沃欧豹中型拖拉机作业，每把旋耕刀少刨地459.64-258.21=201.43次，这仅是100 m距离、每把刀少切割土壤的次数，而综合计算，旋耕作业质量变差是在所难免的。这就是大型拖拉机带动旋耕机进行高速作业时，刀片不入土、存在夹生地、留下凹坑脚印的根本原因。

上面分析的是相同后动力输出条件下不同型号拖拉机的情况，如果是同型号的拖拉机有两种后动力输出轴转速，则在同一转速下，拖拉机行走速度越快，旋耕作业质量就会越差。

3 提高旋耕作业效率的措施

机手在进行旋耕作业时，最大的愿望是在保证作业质量的前提下提高作业效率，从而多出活、多收益。一般情况下，提高旋耕作业效率有3种方法：一是提高拖拉机后动力输出轴转速；二是改变旋耕机变速箱内部齿轮配比，提高旋耕机刀轴转速；三是根据土壤比阻和拖拉机动力大小，尽量选配宽幅旋耕机。

目前常用的拖拉机后动力输出一般为双速，如760/850、720/760、700/850、540/796 r/min等，个别拖拉机有1 000 r/min输出速度设计。如果改变拖拉机后动力输出轴转速，牵涉的因素和环节非常多，对拖拉机各个部件的设计改动也非常大，是一个浩大的工程，因此一般不采用“提高拖拉机后动力输出轴转速”的方法来提高旋耕作业效率。以下对第2种、第3种方法进行详细分析对比。

3.1 改变旋耕机变速箱齿轮配比

旋耕机是减速增扭的机具，旋耕作业时除了切割土壤，有时还要破除土壤表层的农作物根茬，作业阻力较大，耗费扭力也较大，因此作业时旋耕机刀轴转速不能太高(300 r/min左右)。刀轴转速除与拖拉机后动力输出转速有关系外，还与旋耕机变速箱的传动比有密切关系。旋耕机变速箱有低箱体和高箱体之分，其变速是靠内部上下齿轮啮合传动实现的[7-10]。

3.1.1 低箱体变速箱

大约20年前，我国生产的轮式拖拉机功率较小，一般多是51.5 kW(70 hp)以下的中型拖拉机，这类拖拉机底盘较低、轮胎型号小、后动力输出轴离地间隙小，与之配套的旋耕机变速箱均为低箱体(变速箱内部有4根传动轴)。作业时，联接拖拉机后动力输出轴与旋耕机变速箱之间传递动力的传动轴(又称万向节)中轴线，与地面所形成的夹角很小(<15°)，传动轴工作时几乎与地面平行，对旋耕作业影响不大。

以豪丰低箱体旋耕机变速箱为例，分析其内部齿轮啮合传动情况，变速箱结构如图1所示。该旋耕机变速箱为14∶26型，即变速箱内部一对相互啮合的锥齿轮齿数比为14∶26，则传动比为0.368 4。

1.旋耕机I轴上14齿锥齿轮 2.旋耕机II轴上26齿锥齿轮 3.旋耕机II轴上13齿直齿轮 4.旋耕机Ⅲ轴上29齿直齿轮 5.旋耕机Ⅳ轴(刀轴)上19齿直齿轮 6.旋耕机刀轴 7.旋耕弯刀

在拖拉机后动力输出轴转速不变的情况下，要改变旋耕机刀轴转速，一般是通过改变锥齿轮的配比来实现，并且不需要改变变速箱的结构，换装也比较方便。如将14∶26型变速箱改装为15∶27型高速机型，则其传动比为0.380 1。

如果都采用后动力输出转速为850 r/min的拖拉机带动，则两种旋耕机的刀轴转速分别为850×0.368 4=313.14 r/min和850×0.380 1=323.09 r/min，两者相差323.09-313.14=9.95 r/min，旋耕机刀轴转速得以提高。

3.1.2 高箱体变速箱

随着国家惠农政策的扶持，以及土地规模化、集约化经营的发展，大型拖拉机发展迅猛，逐渐得到市场的认可和青睐，尤其是73.5～117.6 kW(100～160 hp)拖拉机保有量急剧增加。这些大型拖拉机后驱动轮胎不断增大、底盘离地间隙不断增加，后动力输出轴离地高度也有所增加，如果还继续与传统的低箱体变速箱旋耕机配套作业，则传动轴联接时与地面夹角明显增大(>30°)，作业中很容易损坏，对拖拉机动力输出轴后端的危害也很大。

为了使大型拖拉机与旋耕机更好地配套，旋耕机生产企业设计出高箱体变速箱机型，即在原低箱体变速箱的高度方向上，增加一个中间轴及惰轮，该惰轮在旋耕作业中只起传递动力和改变刀轴旋转方向的作用，不改变旋耕机变速箱的传动比，这样旋耕机变速箱就由低箱体变成了高箱体，变速箱内部由4根轴变成了5根轴。为使刀轴旋转方向不发生改变，可将原低箱体变速箱内侧的大锥齿轮从右侧换到左侧。

高箱体变速箱的研发，使大型拖拉机后动力输出轴与旋耕机之间传动轴与地面的夹角变小，传动轴运转更柔顺。以豪丰200H～230H型高箱体旋耕机为例介绍其变速箱内部结构及传动比情况，变速箱结构如图2所示。

由图2可知，豪丰200H～230H型高箱体旋耕机的传动比为0.370 6，如配后动力输出转速为850 r/min的拖拉机进行旋耕作业，则旋耕机刀轴转速为850×0.3706=315.01 r/min。与低箱体旋耕机类似，在拖拉机后动力输出轴转速不变的条件下，如果要改变旋耕机刀轴转速，也是通过改变锥齿轮的配比来实现。

1.旋耕机I轴上13齿锥齿轮 2.旋耕机II轴上13齿直齿轮 3.旋耕机Ⅲ轴上21齿直齿轮 4.旋耕机Ⅳ轴上29齿直齿轮 5.旋耕机Ⅴ轴(刀轴)上19齿直齿轮 6.旋耕弯刀 7.旋耕机刀轴 8.旋耕机II轴上24齿锥齿轮

由以上分析可知，通过改变旋耕机变速箱齿轮配比的方法，可以提高旋耕机刀轴转速，但提高效果不明显。一是受旋耕作业特性限制，旋耕机刀轴转速不能太高；二是提高的旋耕机刀轴转速，与拖拉机各挡位之间的速度差异相比，变化不显著。因而，在其他条件不变的情况下，这种方法并不能显著提高旋耕作业效率。

3.2 选择宽幅旋耕机

选择幅宽更大的旋耕机进行研究，以豪丰250H～300H型高箱体旋耕机为例，其作业幅宽为2.5～3.0 m，200H～230H型旋耕机作业幅宽为2.0～2.3 m。豪丰250H～300H型高箱体旋耕机变速箱结构如图3所示。

1.旋耕机I轴上13齿锥齿轮 2.旋耕机II轴上13齿直齿轮 3.旋耕机Ⅲ轴上21齿直齿轮 4.旋耕机Ⅳ轴上21齿直齿轮 5.旋耕机Ⅴ轴(刀轴)上19齿直齿轮 6.旋耕弯刀 7.旋耕机刀轴 8.旋耕机II轴上24齿锥齿轮

由图3可知，豪丰250H～300H型高箱体旋耕机的传动比为0.370 6，如配后动力输出转速为850 r/min的拖拉机进行旋耕作业，则旋耕机刀轴转速为850×0.370 6=315.01 r/min。

由图2、图3可知，两种作业幅宽不同的高箱体旋耕机只是变速箱内部中间两个惰轮齿数不同，并不影响传动比，因而在相同后动力输出轴转速下，两种旋耕机的旋耕刀轴转速相同。如果拖拉机行走速度也相同，则影响机组作业效率的因素就是旋耕机的作业幅宽，很明显，作业幅宽越大，作业效率就越高，从理论上计算，豪丰300H型高箱体旋耕机作业效率是豪丰230H型高箱体旋耕机的1.3倍(3.0/2.3=1.3)，相当于作业效率提高了30%。当然，旋耕机作业幅宽也不是无限大，而是要综合考虑土壤比阻和拖拉机动力大小，在不影响作业质量的基础上，尽量选配宽幅旋耕机。

4 结束语

介绍一则大型拖拉机带动旋耕机作业质量差的案例，分析其原因并提出了处置方案。同时，进一步以雷沃欧豹中型拖拉机和东方红大型拖拉机为例，分析其各挡位行走速度、后动力输出轴转速，以及在不同行走作业速度下带动旋耕机作业时，旋耕机弯刀在单位面积上切割土壤次数的差异，从而得出拖拉机行走速度与旋耕作业质量的关系，并不是行走速度越快作业质量越好，而是要在合适的速度范围内才能保证作业质量。以豪丰旋耕机为例，分析旋耕机变速箱内部传动情况可知，无论是低箱旋耕机，还是高箱旋耕机，通过改变变速箱齿轮配比，可以提高旋耕刀轴转速，从而提高旋耕作业效率，但效果不明显。提高旋耕作业效率最有效的方法是综合考虑土壤比阻和拖拉机动力大小，在不影响作业质量的基础上，尽量选配宽幅旋耕机。