悬挂式旋转开沟机的设计
2022-07-13孙继东
孙继东
（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110168）
农田开沟作业是农田基本建设的重要内容，因此开沟机是不可缺少的作业机械。目前，常用的开沟机主要有铧式犁、链式、旋转式三种。旋转式开沟机是一种连续挖掘开沟机械，具有结构简单、机型小、机动性好、作业阻力小、作业效果好、作业效率高等优点，能够满足农田基本建设的开沟作业要求，应用比较广泛。根据我国农业生产的实际需要，设计一种悬挂式旋转开沟机，实现一次性挖掘梯形截面沟渠，服务于农田基本建设工作。
1 悬挂式旋转开沟机设计思路
1.1 梯形截面沟渠农艺要求
挖掘梯形截面沟渠的农艺要求为：开沟深度400 mm，下底沟宽400 mm，上口宽500 mm，详见图1。开沟刀盘转速为235 n/min。
1.2 总体结构
该悬挂式旋转开沟机主要由机架（包括悬挂机构）、传动机构、弧形挡土板、沟形整理板、开沟机构和中部开沟铲等组成，具体如图2所示。旋耕开沟机的机架与拖拉机后三点悬挂机构相连接，构成开沟作业机组实施开沟作业。
图2 机具总体结构示意图Figure 2 Schematic diagram of the overall structure of the machine
1.3 工作原理
旋转开沟机的主要工作部件是开沟机构的左、右开沟旋转刀盘。每个开沟旋转刀盘等间隔安装4把旋转刀具，两面的旋转刀具交错排列。开沟作业时，旋转刀具在绕刀盘轴旋转切削土壤的同时，随拖拉机直线前进，运动轨迹为余摆线，实现旋转碎土和抛土作业。开沟中间部分的土壤由中部开沟铲带至两侧刀盘并被抛出，沟形整理板对开沟形状进行修正，保证沟底平整和沟型完整，一次挖掘出梯形截面沟渠。
2 悬挂式旋转开沟机参数选择
2.1 动力
动力选择不仅要考虑机具的功率消耗，而且要考虑传动效率。动力计算公式为：
式中：η为传动效率，取0.95；k为旋耕比阻，取0.3；a为上口宽度，取0.5 m；b为下底沟宽度，取0.4 m；h为开沟作业深度取，0.4 m；V为作业速度,取400 m/h。
将数据代入式（1），得p=28.5 kW。经过对比选型，确定选用29.4 kW拖拉机为配套动力。
2.2 开沟刀盘
2.2.1 刀盘直径刀盘直径主要取决于开沟截面的形状。一次成型开沟机和刀盘小端半径应大于开沟深度。选择较小直径的刀盘可以减轻机具质量。但直径过小时，沟中散土无法顺利被抛出沟外，沟中回土较多。因此，在保证机具工作性能的前提下，选择较小刀盘直径。
根据梯形截面沟渠的规格，确定大开沟刀盘小端直径0.7 m、大端直径0.8 m。小铣刀盘小端直径0.5 m、大端直径0.6 m。
2.2.2 刀盘线速度刀盘圆周速度v主要根据土壤条件和土壤抛掷要求选择。圆周速度越高，抛土距离越大，抛散也比较均匀，但能量消耗剧增。为减少能量消耗，在满足工作要求的条件下，圆周速度适当减小。一般抛土距离在15 m以内时，圆周速度在7~15 m/s的范围内选择。根据选定的圆周速度和刀盘直径，刀盘转速V大=2πnR=10 m/s。
2.2.3 刀齿进给量选择进给量S的选取原则是：刀齿背部不顶土，牵引阻力在拖拉机额定牵引力许可的范围内，开沟刀盘阻力矩在拖拉机动力输出轴额定输出扭矩范围内。
根据土质类型不同，刀齿进给量在0.5～6 cm范围内选择。综合考虑所有因素，确定进给量S为44 mm。
2.2.4 刀齿数及其排列开沟刀成平行四边形共32把，每个刀盘上内外各4把刀，分布于4个刀盘（大小各2个）。开沟刀沿刀盘圆周间隔45°排列。刀齿由65Mn钢板锻打而成，刃口淬火，硬度为HRc45-52。
2.2.5 开沟刀选型旋耕刀具种类分为ⅡT195，ⅡS245，ⅡS225。由于ⅡT195型与ⅡS225型旋耕刀的开沟深度和抛土效果较差，因此选用ⅡS245旋耕刀，其结构如图3所示。
图3 ⅡS245刀具Figure 3 ⅡS245 cutter
2.2.6 刀盘旋向刀盘旋向分为正向旋转和逆向旋转。在作业条件以及结构参数相同的条件下，逆向旋转在开沟性能方面有诸多优点，因此将开沟机设计为逆向旋转。
2.3 传动系统传动比与分配
传动系统如图4所示。设动力输出轴转速为n输入，刀盘转速为n输出，则总传动比为：i=n输入/n输出=1 000/235=4.25。
图4 传动系统简图Figure 4 Schematic diagram of drive system
拖拉机输出轴标准转速为540 r/min或1 000 r/min。转 速 选 取1 000 r/min，i12=1.53，i23=3.12，i34=0.52，i45=1.23，i56=1，i67=1.4。 则i12×i23×i34×i45×i56×i67=4.27。△i=（4.27-4.25）/4.27=0.47%＜5%，说明各级传动比分配符合要求。
3 结论
悬挂式旋转开沟机与拖拉机的挂接方式采用后三点悬挂结构方式，是一种连续挖掘开沟机械，具有结构简单、机型小、机动性好、作业阻力小、作业效果好、作业效率高等优点。其作业后的沟型完整，能够满足农田基本建设的相关要求。
