第一篇：懸掛式水田筑埂機(jī)及其關(guān)鍵部件研制與試驗(yàn)

懸掛式水田筑埂機(jī)及其關(guān)鍵部件研制與試驗(yàn)

0 引 言

水田淹灌是將灌溉田地劃為田格，在田格周圍修筑田埂，灌水后保持一定厚度的水層自上而下浸潤土壤。筑埂是實(shí)現(xiàn)水田淹灌的關(guān)鍵，堅(jiān)實(shí)合理的田埂不僅能保證水稻對水分的需求，還可以大大節(jié)約水資源，減少水資源的浪費(fèi)。水田筑埂屬于水稻生產(chǎn)過程的整地環(huán)節(jié)，也是水稻生產(chǎn)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)。

對于水田筑埂技術(shù)的研究，日本處于世界領(lǐng)先水平，其筑埂機(jī)具主要分為3種形式：第1種筑埂機(jī)通過升運(yùn)葉片將土壤升起，借助機(jī)具上面和側(cè)面的抹埂板將泥土貼抹到田埂的上部和側(cè)部；第2種筑埂機(jī)通過螺旋犁將稻田泥土橫向地輸送，用培土板推向田埂，借助于上面和側(cè)面的鎮(zhèn)壓輥和鎮(zhèn)壓板來壓平和抹平；第3種筑埂機(jī)采用橫切旋耕器，切削舊田埂傾面的同時(shí)粉碎埂面土塊，并把成形所需的土運(yùn)到田埂，最后以旋轉(zhuǎn)圓盤滾動(dòng)方式使田埂成形，將田埂加工成如抹墻后的表面。中國最早出現(xiàn)的水田筑埂機(jī)是1975年東北農(nóng)學(xué)院研制并通過鏵式犁取土，用成型板鎮(zhèn)壓成型[1-2]。目前，中國的一些中小企業(yè)也進(jìn)行了筑埂機(jī)的研制，主要通過鏵式犁或旋耕機(jī)取土，通過鎮(zhèn)壓輥或旋轉(zhuǎn)圓盤滾動(dòng)方式成形，筑出的田埂也非常堅(jiān)硬，但適應(yīng)性較差。中國和日本的土質(zhì)不同，而且中國不同省份的土質(zhì)差別也很大，日本的筑埂機(jī)并不適合在中國各地區(qū)作業(yè)。隨著水稻生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展和農(nóng)戶的需求，亟需研制出適合中國不同地區(qū)作業(yè)的水田筑埂機(jī)具。本文以中國北方黑龍江省土壤條件為依據(jù)，進(jìn)行筑埂機(jī)具主要參數(shù)的確定，以期研制出適應(yīng)北方地區(qū)作業(yè)的筑埂機(jī)具。筑埂的農(nóng)藝要求 筑埂機(jī)所筑田埂高度為250～300mm，埂底寬度為400～600mm，埂頂寬度為250～350mm，坡度系數(shù)0.6～0.85，土壤堅(jiān)實(shí)度為80～llOkPa，作業(yè)時(shí)間為每年4月中旬或9月下旬，取土后溝渠深度小于lOOmm。

2整機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

懸掛式水田筑埂機(jī)是一種專門用于水田筑埂作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)具，主要由旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、1800翻轉(zhuǎn)裝置、尾輪、罩殼、機(jī)架等組成。其中旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置為主要的工作部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)架上從前至后依次安裝傳動(dòng)軸1，帶傳動(dòng)裝置2，1800翻轉(zhuǎn)變速箱

4、通過聯(lián)軸器與主變速箱8連接，7、9、10分別為筑埂機(jī)主要工作部件推壓筑埂裝置和上、下旋耕集土裝置。

工作時(shí)，筑埂機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供，通過萬向聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相連接，傳動(dòng)軸通過帶輪與1800翻轉(zhuǎn)變速箱連接，經(jīng)過1800翻轉(zhuǎn)變速箱變向后將動(dòng)力傳到主變速箱，由主變速箱帶動(dòng)上、下旋耕集土裝置及推壓筑埂裝置工作。轉(zhuǎn)動(dòng)取土深度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)手柄可以改變下旋耕集土裝置的高度，實(shí)現(xiàn)取土深度的變化。1800翻轉(zhuǎn)變速箱和翻轉(zhuǎn)鎖緊裝置配合使用可以完成筑埂機(jī)關(guān)鍵工作部件1800翻轉(zhuǎn)，解決了在田埂拐角處由于拖拉機(jī)機(jī)占用空間而不能修筑的一段田埂。

筑埂機(jī)修筑田埂一般要經(jīng)過2個(gè)工序：取土和鎮(zhèn)壓成埂。根據(jù)筑埂工序要求設(shè)計(jì)取土裝置和鎮(zhèn)壓裝置。這2個(gè)工作裝置必須安裝在機(jī)架之上，根據(jù)工序要求，取土裝置在前，鎮(zhèn)壓裝置在后。筑埂機(jī)工作時(shí)，取土裝置將士聚攏到推壓筑埂裝置，通過推壓筑埂裝置鎮(zhèn)壓土壤形成田埂。

3關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 3.1 關(guān)鍵部件工作原理

由于旋耕刀將土壤從后方和側(cè)后方拋出[3-71，根據(jù)旋耕刀拋土特性，將旋耕集土裝置設(shè)計(jì)成2個(gè)刀軸聯(lián)合切削土壤的形式。旋耕集土裝置由上、下2個(gè)旋耕刀軸組成，下旋耕裝置分別由不同回轉(zhuǎn)半徑的旋耕彎刀組成，上旋耕裝置則由相同回轉(zhuǎn)半徑的旋耕彎刀組成。旋耕集土裝置彎刀均為右彎刀，上、下旋耕裝置工作狀態(tài)如圖2a所示。下旋耕裝置在旋轉(zhuǎn)過程中取土、拋土并且可以切出階梯型的田埂，推壓筑埂圓盤可以把收集的土壤抹壓在階梯形結(jié)構(gòu)之上，使筑成的田埂堅(jiān)實(shí)且不容易滑落塌陷，如圖2b所示。上旋耕裝置可以打碎土壤表面的風(fēng)干土壤和雜草，更加保證了筑出田埂的堅(jiān)實(shí)性。下旋耕裝置拋出的土塊可以被上旋耕裝置上的刀片二次旋切之后并且拋出，進(jìn)一步增加了碎土率，減輕了整機(jī)的功率消耗。

3.2旋耕集土裝置設(shè)計(jì) 3.2.1旋耕裝置刀片運(yùn)動(dòng)方程

設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)D為旋耕集土裝置某一時(shí)刻的回轉(zhuǎn)中心，石方向?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)方向，旋耕裝置刀軸為正轉(zhuǎn)，旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑為R，筑埂機(jī)作業(yè)時(shí)旋耕刀上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，如圖3所示。

旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可用下列方程表示

3.2.2旋耕集土裝置刀輥轉(zhuǎn)速確定

旋耕裝置切土節(jié)距S為

旋耕裝置在切削土壤后，將土收集到后面的推壓筑埂裝置使其成埂，切土節(jié)距的大小影響筑埂機(jī)筑埂質(zhì)量和功率消耗。旋耕機(jī)在中等黏度的稻田土，土壤含水率在20%～30%時(shí)，切土節(jié)距60～90 mm較為合適。由于筑埂機(jī)在筑埂時(shí)，對土壤破碎程度比旋耕機(jī)要高，因此，筑埂機(jī)切土節(jié)距取30～50mm較為合適。經(jīng)過切削的土塊經(jīng)過罩殼擊打?qū)⑦M(jìn)一步打碎，進(jìn)一步提高碎土質(zhì)量，這樣在筑埂時(shí)土壤將更加容易壓實(shí)成埂。

筑埂機(jī)在筑埂時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度為0.6～0.8 km/h，主要取土區(qū)間單位小區(qū)刀片數(shù)量為1，根據(jù)式(6)，確定刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min。這時(shí)，切土節(jié)距為33—44mm，符合要求。筑埂機(jī)上下旋耕裝置刀軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為300r/min。

3.2.3旋耕裝置參數(shù)確定

建立如圖4所示的田埂截面圖，由于田埂在受到浸泡、碾壓和風(fēng)蝕等作用，田埂在收獲后變形較大。根據(jù)變形的不同，應(yīng)用筑埂機(jī)進(jìn)行田埂修復(fù)需要完整田埂土量的10%～20%。工作時(shí)，旋耕刀既將田埂切成階梯形，又在階梯側(cè)地面以下取土，從而補(bǔ)充田埂在受到浸泡、碾壓和風(fēng)蝕作用而損失的土壤量。完整田埂的截面面積(A1，mm2)為

根據(jù)筑埂的農(nóng)藝要求，將田埂的高度、埂底寬度和埂頂寬度代入式(7)和式(8)，求出A2m。和A2mi。分別為14250和3250 mmz。為了適應(yīng)不同田埂高度的要求，下旋耕集土裝置的取土深度應(yīng)可調(diào)，為保證取土深度的變化不超過預(yù)定的范圍，且拖拉機(jī)倒行時(shí)車輪不在取土后所留的溝內(nèi)行駛，取土寬度日取150mm。由式(8)得，取土深度日變范圍為20～95mm，不超過下旋耕集土裝置高度調(diào)節(jié)范圍0～120mm，即筑埂機(jī)可以根據(jù)田埂的高度和形狀調(diào)節(jié)取土深度，滿足筑埂時(shí)土壤量需求。設(shè)計(jì)旋耕刀的取土寬度為50mm，下旋耕集土裝置在取土寬度B上應(yīng)配置3～4把取土旋耕刀，而切成階梯形截面可配置2～3把旋耕刀，階梯高度為50～75mm，上旋耕集土裝置可配置3～4把旋耕刀。

3.3推壓筑埂裝置設(shè)計(jì)

推壓筑埂裝置在筑埂時(shí)主要通過盤片和推壓輥壓實(shí)土壤成埂。推壓筑埂裝置設(shè)計(jì)成與所筑成田埂梯形頂面和側(cè)面吻合形式，如圖5所示。

推壓筑埂裝置的受力情況如圖6所示。

當(dāng)推壓筑埂裝置作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在xoy平面內(nèi)平衡方程為

式中，md為推壓筑埂裝置主動(dòng)力矩，Nmm．丁為機(jī)具對推壓筑埂裝置的作用力，N；晦為軸承的摩擦力矩，Nmm;R1為推壓輥與土壤接觸面上所產(chǎn)生的摩擦力，N;R2為盤片與土壤接觸產(chǎn)生的摩擦力，N;N1為土壤對推壓輥的正壓力，N；Ⅳ2為土壤對盤片的正壓力，N;W1為盤片組合體重力，N；%為推壓輥和羽片組合體的重力，N;∥l為推壓輥與土壤接觸的摩擦系數(shù)；f12為盤片與土壤接觸的摩擦系數(shù)；媯推壓輥和盤片的安裝角度，rad;P為M到y(tǒng)軸的距離，mm;，為R2到工軸的距離，mm。Rx、RE、e、向、丁均因Md的存在而存在，但也都有一個(gè)極限值。在N1和Ⅳ2不變的情況下，R1、R2的大小與摩擦系數(shù)∥

1、p2有關(guān)，即與推壓筑埂裝置的表面狀態(tài)和土壤性質(zhì)有關(guān)。摩擦力越大，推壓筑埂裝置所產(chǎn)生的拉力或推力也越大。為了獲得較大的風(fēng)和R2，將推壓筑埂裝置設(shè)計(jì)成盤片和羽片組合體的形式來加強(qiáng)推壓筑埂裝置與土壤的法向接觸面，使土壤產(chǎn)生較大的切向反作用力，盤片和羽片在推壓筑埂裝置上的分布如圖5所示。選取圓盤厚度為(s，mm)，推壓輥和盤片的重力礬和WE為

在zoy平面內(nèi)，F(xiàn)e=N2cosO，F(xiàn)e是尾輪作用在推壓筑埂裝置上的軸向力，N；主要用于抵消土壤對盤片的側(cè)向力。

推壓輥、盤片與土壤接觸面上所產(chǎn)生的摩擦力和土壤對推壓筑埂裝置的壓力需要通過試驗(yàn)獲得[15-221，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化推壓筑埂裝置，但通過推壓筑埂裝置的理論分析可以確定驅(qū)動(dòng)力矩，完成推壓筑埂裝置的設(shè)計(jì)，也為推壓筑埂裝置的優(yōu)化和后續(xù)試驗(yàn)提供了合理的參數(shù)。

3.41800翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

1800翻轉(zhuǎn)裝置由2個(gè)錐齒輪變速箱組合而成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。變速箱1與變速箱3通過軸承2鉸接于一體，在不影響傳遞動(dòng)力的條件下，變速箱3可以繞變速箱1轉(zhuǎn)任意角度。2個(gè)錐齒輪箱的傳動(dòng)比均為1。

筑埂機(jī)在田間作業(yè)行走方式如圖8所示。

由于筑埂機(jī)懸掛在拖拉機(jī)上，當(dāng)拖拉機(jī)行駛到田埂拐角處，拖拉機(jī)前端到推壓圓盤之間的一段距離筑埂機(jī)不能筑埂，如圖8a所示。將筑埂機(jī)翻轉(zhuǎn)1800后，通過拖拉機(jī)倒行的方式可以實(shí)現(xiàn)田埂拐角處的筑埂作業(yè)，如圖8b所示。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

懸掛式水田筑埂機(jī)的工作質(zhì)量主要與旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置和土壤狀況有關(guān)。只有通過試驗(yàn)研究，才能確保作業(yè)效果達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求[23-25]。2012年7月，黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院試驗(yàn)田對研制的懸掛式水田筑埂機(jī)進(jìn)行了田間作業(yè)性能檢測，如圖9所示。檢測地土壤絕對含水率為2313%；土壤堅(jiān)實(shí)度0.31MPa;環(huán)境溫度為18℃；環(huán)境濕度為49%；配套動(dòng)力為福田雷沃704(51.5kW)；操作人員操作熟練，機(jī)器狀況良好。檢測結(jié)果如表1所示。

1)在作業(yè)過程中，拖拉機(jī)采用低速I檔，油門控制在80%左右，筑埂機(jī)作業(yè)不超過0.8km/h，否則田筑的側(cè)面會(huì)出現(xiàn)較寬的抹壓痕跡。

2)筑埂機(jī)的筑埂高度通過調(diào)節(jié)尾輪與機(jī)架的相對位置來調(diào)整，適用于在平坦的地塊上作業(yè)。當(dāng)?shù)乇聿黄綍r(shí)，筑埂高度變化較大，上坡變小，下坡變大，坡度過大時(shí)尾輪會(huì)離開地面，降低了筑埂土壤的堅(jiān)實(shí)度。

5結(jié)論

針對人工筑埂勞動(dòng)強(qiáng)度大的主要問題，設(shè)計(jì)了一種懸掛式水田筑埂機(jī)，并對其關(guān)鍵部件的工作機(jī)理進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1)設(shè)計(jì)了筑埂機(jī)旋耕集土裝置，通過對旋耕刀片的運(yùn)動(dòng)分析，確定了旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速為300 r/min。通過對田埂取土截面的分析，得出取土寬度為150 mm，取土深度為20～95 mm，為旋耕刀的配置和排列提供依據(jù)。

2)通過對推壓筑埂裝置的受力分析，得出推壓筑埂裝置的驅(qū)動(dòng)力矩，為筑埂機(jī)的動(dòng)力分配、優(yōu)化和后續(xù)試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

3)設(shè)計(jì)了1800翻轉(zhuǎn)裝置，可實(shí)現(xiàn)工作部件的翻轉(zhuǎn)作業(yè)，解決了在田埂拐角處由于拖拉機(jī)占用空間而不能修筑的一段田埂。

4)由檢測結(jié)果可知，筑埂質(zhì)量良好，均達(dá)到了各項(xiàng)農(nóng)藝技術(shù)指標(biāo)的要求。懸掛式筑埂作業(yè)是完全可行的，可較好地完成修筑和筑埂的作業(yè)。

王金峰，王金武※，孔彥軍，張成亮，趙佳樂（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）