可调节水稻筑埂开沟一体机设计与试验

李玲 仇维佑 邢全道 朱松

摘要：为解决当前江苏农垦各分公司水稻种植过程中筑埂作业质量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修沟、劳动强度大、成本高等问题，研制一种适应垦区规模化作业条件下的可调节水稻筑埂开沟一体机。对筑埂开沟一体机整体结构进行总体方案设计，确定齿轮箱传动比分别为1.25和1.69。田间试验前，调整角度调节装置使其适用于不同区域水稻田筑埂开沟作业，田间试验结束后检测埂高、埂顶宽、沟深、沟宽、埂体坚实度，根据田间试验结果进行优化改进直至机具定型。结果表明：所设计的机具可在不同区域水稻田一次筑埂成型且同步完成埂边开沟作业，埂高全部合格且平均值达24.5 cm，埂顶宽全部合格且平均值达21.8 cm，沟深平均值达25.1 cm，沟宽平均值达37.6 cm，埂体坚实度平均值达1 992 kPa。该机具通用性和灵活性较好，作业各项指标皆优于相关技术标准，有效提高作业效率和埂体质量，节约作业成本。

关键词：埂型可调；集土开沟；埂体成型；同步作业

中图分类号：S222.5

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0022-07

Abstract： In order to solve the problems of low quality and low efficiency， artificial secondary construction ridge and ditch for water direct seeding field， high labor intensity and high cost of the ridge work in rice planting process of all branches of Jiangsu Agricultural Reclamation， a kind of adjustable rice ridge building and ditching integrated machine suitable for largescale operation in reclamation area was studied and developed. The overall design of the whole structure of the simultaneous ridging and ditching machine was carried out， the gearbox transmission ratio was determined to be 1.25 and 1.69， respectively. Before the rice paddy field experiment， the angle adjustment device was adjusted to make it suitable for simultaneous ridging and ditching operation in different areas; after the rice paddy field experiment， the ridge height， ridge top width， ditch depth， ditch width， soil firmness of the formed ridge was detected， the machine was optimized and improved according to the rice paddy field experiment results until the machine was finalized. The analysis results showed that all the measured data of the ridge height were qualified and the average value was 24.5 cm， all the measured data of the ridge top width were qualified and the average value was 21.8 cm， the average value of ditch depth was 25.1 cm， the average value of ditch width was 37.6 cm， the average value of soil firmness of the formed ridge was 1 992 kPa. The indexes of the rice paddy field operation of machine were better than relevant technical standards， which could effectively improve working efficiency and improve ridge quality， reduce operating costs.

Keywords：  ridge type adjustable; scooping up the soil and gathering in the middle; ridge body forming; simultaneous ridging and ditching

0引言

開沟筑埂作业是水稻实际生产过程中必不可少的田管过程，也是水稻生产全程机械化的重要环节［14］，其作业质量对水稻田田间管水有较大影响，从而间接影响水稻收获作业过程和水稻产量。当前我国水稻田筑埂主要方式是人工筑埂、筑埂机筑埂，其中人工筑埂主要存在筑埂劳动强度大、筑埂工作效率低、筑埂成本高、所筑埂体坚实度和埂体均匀性差等问题，筑埂机筑埂主要存在筑埂作业完成后需要人工进行二次修埂、修沟等［57］问题，均不利于水稻生产全程机械化的发展。

查阅文献可知：从20世纪60年代，国内外对筑埂机已经有了一定的研究成果［811］。当前日本和韩国对筑埂机的研究处于世界领先的地位，其主要作业方式为单面筑埂，工作效率比人工高几十倍［12］，但存在价格高、维修不便等问题，不适合在中国各地区大面积推广使用［1314］；国内对筑埂机的研究主要有：筑埂机机具材料的选择［15］、筑埂机结构设计［1618］等，但国内市场上尚未有水稻田筑埂作业、开沟作业同步进行的机具导致国内研制的筑埂机等，但国内市场上尚未有水稻田筑埂作业、开沟作业同步进行的机具导致国内研制的筑埂机不适合在垦区规模化水稻种植地区大面积推广应用，且鲜少有关于水稻田田间筑埂作业、田间开沟作业同步进行的机具的相关报道。

本文针对上述现状，设计了一种可调节水稻筑埂开沟一体机，该机配套使用40～60 kW拖拉机。整机结构设计合理，可适用于旱地和水田，机具通用性和灵活性较强，可实现一次筑埂成型且同步完成埂边开沟作业，摆脱了水直播田人工二次筑埂修沟的困扰，降低了劳动强度，可调节水稻筑埂开沟一体机作业过程中可根据实际生产情况进行埂型和沟型尺寸大小的调节，所筑埂体质量好，所开的沟便于水稻田后期搁田作业，能够有效解决当前垦区水稻田筑埂所存在的问题，加快垦区水稻生产全程机械化的进程。

1整机结构及工作原理

本机具针对当前江苏农垦各分公司水稻種植过程中筑埂作业质量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修沟、劳动强度大、成本高等问题，在满足结构要求、可靠性要求、成本要求等情况下自主研发设计了一种可调节水稻筑埂开沟一体机，对可调节水稻筑埂开沟一体机动力传动路线进行设计，并采用角度调节装置、集土开沟装置、埂体成型装置实现埂型和沟型大小可调、一次筑埂成型且同步完成埂边开沟作业的目的，满足不同区域地块筑埂、开沟作业的农艺要求，提高机具的通用性和灵活性，成功解决当前江苏农垦水稻种植过程中筑埂开沟作业的难题。

1.1整机结构

可调节水稻筑埂开沟一体机主要组成：机架、三点仿形悬挂架、主减速器、前侧边齿轮传动箱、后侧边齿轮传动箱、万向节、角度调节装置、集土开沟装置、埂体成型装置、减震装置、二级减速器等组成。可调节水稻筑埂开沟一体机机具结构示意图如图1所示。

1.2工作原理

自主研发设计的可调节水稻筑埂开沟一体机可通用于垦区规模化旱地、水田的筑埂、开沟作业。根据田间实际情况，该机具旱地筑埂、开沟作业时，配套拖拉机连接三点仿形悬挂架的圆形销孔；该机具水田筑埂、开沟作业时，配套拖拉机连接三点仿形悬挂架的上下浮动式环形销孔，前机架后端左右移动式销孔和后机架前端固定销孔之间连接减震装置，便于后机架上下弹性浮动，避免打滑。可调节水稻筑埂开沟一体机筑埂、开沟作业主要通过调整角度调节装置实现埂型和沟型尺寸大小调节的目的，使该机具满足各种田间筑埂要求，避免了不同田间地况所要求的筑埂过大或过小等问题。

可调节水稻筑埂开沟一体机作业时，拖拉机动力通过万向节传递到主减速器，主减速器动力可通过前两侧边万向节传递到前两侧边齿轮传动箱以此带动集土开沟装置随机具前进，集土开沟装置进行自行旋转使圆盘开沟犁切削土壤，并带动切削后的土壤向机架中心线方向翻转、堆集，形成不规则的埂型，主减速器动力还可以通过后侧中间万向节传递到二级减速器，二级减速器动力通过后侧万向节传递到后侧边齿轮传动箱以此带动埂体成型装置随机具前进，埂体成型装置进行自行旋转使压实轮、反向驱动圆盘犁、扇形刮土板对集土开沟装置作业后形成的未成型埂体进行埂体两侧的表面和埂体顶面的挤压、压实塑形以形成密实光滑的埂体。

可调节水稻筑埂开沟一体机作业完成后，埂体断面为等腰梯形，埂体断面上底边长度为上埂宽，埂体断面下底边长度为下埂宽，埂顶到地表垂直距离为埂高，地表到沟底垂直距离为沟深，地表到埂体断面两腰的水平距离为沟宽，两沟外边界的水平距离为全长。

1.3主要技术参数

可调节水稻筑埂开沟一体机主要通过切削土壤、集土开沟和埂体镇压成型等方式，完成旱地、水田开沟、筑埂作业，其整机结构紧凑简单、整机质量轻，且该机可通过调节角度调节装置来调整埂型和沟型大小以适应不同区域地块筑埂开沟作业，有效提高可调节水稻筑埂开沟一体机作业通用性及灵活性、提高作业效率和作业质量、降低了劳动强度。可调节水稻筑埂开沟一体机的主要技术参数如表1所示。

2关键部件设计

自主研制的可调节水稻筑埂开沟一体机可在旱地、水稻田进行筑埂作业同步完成埂体两侧开沟作业，且机具作业时埂型和沟型尺寸大小可调，提高了机具的通用性和适用性。为避免机具前进速度过快造成部分零部件损坏，设定该机具田间作业时前进速度为1.8～3.6 km/h，集土开沟装置转速为420～540 r/min，埂体成型装置转速为280～340 r/min。

2.1集土开沟装置设计

该机具集土开沟装置中两侧圆盘开沟犁关于机架纵向面对称布置，其结构图如图2所示，两侧圆盘开沟犁设计其直径为80 cm。该机具田间筑埂开沟作业时，集土开沟装置依靠前侧边齿轮传动箱输出的动力随机具前进，同时自身进行旋转运动。集土开沟装置工作过程：圆盘开沟犁与土壤表面相切，机具前进时，圆盘开沟犁将土壤切削，切削后的土壤通过圆盘开沟犁向机架中心线方向翻转、堆积，集中到两圆盘开沟犁中间，形成不规则的埂型。集土开沟装置作业过程中需要考虑机具前进速度，机具前进速度越快，则集土开沟装置的转速越快，容易导致圆盘开沟犁切削土壤不充分、切削的土壤土块较大会造成所筑土埂疏松，此外，还易造成所切土壤不能顺利排出的问题，导致土壤在圆盘开沟犁内产生拥堵，低集土开沟装置堆积土壤的效果。

2.2埂体成型装置设计

该机具田间筑埂开沟作业时，埂体成型装置依靠后侧边齿轮传动箱传输的动力随机具前进，同时自身进行旋转运动。埂体成型装置将集土开沟装置作业后的不规则埂体挤压成横截面为梯形的埂体，埂体两侧为相同的管水沟，其过程为：反向驱动压埂犁和扇形压实板对不规则埂体两侧面反复有规律地向中间挤压和拍打，压实轮对不规则埂体顶面进行压实，即扇形压实板、反向驱动压埂犁和压实轮共同作用下，实现振动压实和静压塑形相结合，使土壤颗粒重新紧密排布，从而得到光滑紧实的埂体，成型埂体顶面宽为上埂宽，顶面到未切削土壤表面垂直距离为埂高；此外，反向驱动压埂犁切削的土壤向反向驱动压埂犁外侧翻转，未切削土壤表面与成型埂体两侧面之间形成两条管水沟，其水平距离为沟宽，未切削土壤表面到切削土壤最低处的垂直距离为沟深。

该机具埂体成型装置中两侧反向驱动压埂犁关于压实轮轴对称布置，扇形压实板均布在反向驱动压埂犁外表面，其结构图如图4所示，设计反向驱动压埂犁直径100 cm，集土开沟装置转速：埂体成型装置转速为3∶2，则埂体成型装置转速为320 r/min，符合埂体成型装置转速为280～340 r/min之间。

2.3角度调节装置设计

角度调节装置关于机架中纵平面对称布置，其结构图如图5所示。集土开沟装置通过支撑板焊接在角度调节装置上，调整角度调节装置可改变集土开沟装置中两侧圆盘开沟犁的入土角度θ和两侧圆盘开沟犁的入土距离X，以实现调整埂型尺寸大小、沟型尺寸大小的目的。

角度调节装置水平面运动轨迹如图6所示。设定前后梁水平间距为h，方管的长度为l，前梁初始长度为H，后梁初始长度为L。

可根据农艺田埂、管水道相关参数进行角度调节装置的调整，使其田间作业时符合当地田埂、沟道的农艺要求。

2.4动力传动路线设计

传动设计路线决定了机具的整体结构是否紧凑，它是整机结构布置的依据。集土开沟装置和埂体成型装置的动力都需要拖拉机PTO动力输出带动，根据实际筑埂开沟作业需要，设计可调节水稻筑埂开沟一体机传动装置，其原理图如图7所示。

拖拉机动力通过万向节输入至主减速器，主减速器内有三个锥齿轮和五个直齿轮，主减速器第二锥齿轮通过万向节将动力传递至前侧边齿轮传动箱，前侧边齿轮传动箱通过第五直齿轮将动力传递至集土开沟装置，主减速器通过第三锥齿轮将动力传递至二级减速装置，二级减速装置第二锥齿轮通过万向节将动力传递至后侧边传动箱，侧边传动箱含有五个圆柱直齿轮，将动力传递至埂体成型装置。由于齿轮传动存在效率损失，所以在设计传动比的时候要考虑传动效率，主要包括万向节传动效率和齿轮传动效率，根据式（6）和式（7）计算各机构的传动效率。

3田间试验

根据当前粘土地水稻田筑埂开沟作业对机具的实际需求，设计适用于粘土地旱地、水田的筑埂开沟一体机。2020年12月—2021年8月，由整机图纸加工出的机具在江苏省盐城市黄海农场中德示范园进行筑埂开沟试验，记录机具在试验过程中存在的问题与试验结束后埂型尺寸大小和沟型尺寸大小。根据旱地试验结果进行机具优化改进直至样机初步定型，初步定型的樣机进行水田筑埂开沟试验，根据水田试验结果进行机具优化改进直至样机定型。

3.1试验条件

可调节水稻筑埂开沟一体机在粘土地地区进行田间试验。试验前，试验样机进行试运转，达到正常工作状态，试验期间机具工况应保持稳定；试验地块为旱地、水田且试验满足筑埂开沟作业农艺要求。

3.2性能试验

旱地筑埂开沟作业结束后其埂成型且埂两侧的沟明显，满足粘土地地区旱地筑埂开沟作业要求，因本机具主要解决水稻田田间筑埂开沟作业过程存在的问题，所以主要在水稻田进行机具性能试验。

样机定型后，为验证机具各项参数可靠性，配套拖拉机（功率44.1 kW）的前进速度1.8 km/h，测试总距离为100 m，工况相同的情况下重复3次试验。可调节水稻筑埂开沟一体机田间筑埂开沟作业结束后，依据相关检测标准［19］，使用土壤坚实度测定仪、卷尺对成型埂体同一检测点的埂体坚实度、埂高、埂顶宽、沟深、沟宽、进行人工检测取平均值，以评价机具作业性能。

3.3田间作业结果

3.3.1埂高合格率测定

在测定区内，沿机具前进方向每隔5 m测定一个点，测定11点，测量地表到埂顶的垂直距离，埂高20～30 cm为合格。其中埂高测量值如表2所示，埂高合格率按照式（10）计算。

Gg=Ghgn×100%

由表2可知，3次田间试验埂高合格率均为100%，均大于埂高合格率标准85%。

3.3.2埂顶宽合格率测定

测定时应与埂高测试点进行对应，测量埂顶表面水平宽度，埂顶宽18～30 cm为合格。按照式（11）计算埂顶宽合格率。试验结果如表3所示。

由表3可知，3次田间试验埂顶宽合格率均为100%，均大于埂顶宽合格率标准80%。

3.3.3田间作业指标检测结果

可调节水稻筑埂开沟一体机水稻田田间筑埂开沟作业检测指标的结果如表4所示。

由表4可知，埂体坚实度3次田间试验平均值为1 992 kPa，埂高3次田间试验平均值为24.5 cm，埂顶宽3次田间试验平均值为21.8 cm，沟深3次田间试验平均值为25.1 cm，沟宽3次田间试验平均值为37.6 cm。

田间试验结果表明，可调节水稻筑埂开沟一体机作业各项指标皆优于相关技术标准，埂体坚实度、埂高、埂顶宽、沟深、沟宽比较均匀。可调节水稻筑埂开沟一体机可一次性完成集土、镇压、开沟、成型作业，实现了埂型及沟型大小可调以适应不同区域田间筑埂开沟作业。在工况条件下，机具筑埂开沟作业占用耕地面积较小、所筑埂体坚实光滑且均匀、所开沟道通畅，满足农业生产农艺要求。

4结论

1）  设计研制了一种可调节水稻筑埂开沟一体机，解决了传统水稻种植过程中筑埂作业质量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修沟、劳动强度大、成本高等问题，摆脱了人工修埂、人工修沟的困扰。

2）  提出可调节水稻筑埂开沟一体机的整体结构方案，确定了集土开沟装置转速为480 r/min，埂体成型装置转速为320 r/min，并对机具的传动系统进行设计，选取合适的齿轮箱，确定齿轮箱传动比分别为1.25和1.69，为机具筑埂开沟作业提供了可靠的技术参考。

3）  本文设计的机具可在不同区域水稻田一次筑埂成型且同步完成埂边开沟作业，提高了埂体质量且所开沟道通畅，埂型与沟型均匀一致。埂高全部合格且平均值达24.5 cm，埂顶宽全部合格且平均值达21.8 cm，沟深达25.1 cm，沟宽达37.6 cm，埂体坚实度平均值达1 992 kPa，其各项检测指标皆优于参照技术标准，提高了工作效率，降低了劳动强度，节约了作业成本，减少耕地的占用面积，能大面积推广应用。

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