悬挂式水田筑埂机及其关键部件研制与试验

第一篇：悬挂式水田筑埂机及其关键部件研制与试验

悬挂式水田筑埂机及其关键部件研制与试验

0 引 言

水田淹灌是将灌溉田地划为田格，在田格周围修筑田埂，灌水后保持一定厚度的水层自上而下浸润土壤。筑埂是实现水田淹灌的关键，坚实合理的田埂不仅能保证水稻对水分的需求，还可以大大节约水资源，减少水资源的浪费。水田筑埂属于水稻生产过程的整地环节，也是水稻生产机械化的重要环节。

对于水田筑埂技术的研究，日本处于世界领先水平，其筑埂机具主要分为3种形式：第1种筑埂机通过升运叶片将土壤升起，借助机具上面和侧面的抹埂板将泥土贴抹到田埂的上部和侧部；第2种筑埂机通过螺旋犁将稻田泥土横向地输送，用培土板推向田埂，借助于上面和侧面的镇压辊和镇压板来压平和抹平；第3种筑埂机采用横切旋耕器，切削旧田埂倾面的同时粉碎埂面土块，并把成形所需的土运到田埂，最后以旋转圆盘滚动方式使田埂成形，将田埂加工成如抹墙后的表面。中国最早出现的水田筑埂机是1975年东北农学院研制并通过铧式犁取土，用成型板镇压成型[1-2]。目前，中国的一些中小企业也进行了筑埂机的研制，主要通过铧式犁或旋耕机取土，通过镇压辊或旋转圆盘滚动方式成形，筑出的田埂也非常坚硬，但适应性较差。中国和日本的土质不同，而且中国不同省份的土质差别也很大，日本的筑埂机并不适合在中国各地区作业。随着水稻生产机械化的发展和农户的需求，亟需研制出适合中国不同地区作业的水田筑埂机具。本文以中国北方黑龙江省土壤条件为依据，进行筑埂机具主要参数的确定，以期研制出适应北方地区作业的筑埂机具。筑埂的农艺要求 筑埂机所筑田埂高度为250～300mm，埂底宽度为400～600mm，埂顶宽度为250～350mm，坡度系数0.6～0.85，土壤坚实度为80～llOkPa，作业时间为每年4月中旬或9月下旬，取土后沟渠深度小于lOOmm。

2整机结构及其工作原理

悬挂式水田筑埂机是一种专门用于水田筑埂作业的农业机具，主要由旋耕集土装置、推压筑埂装置、传动系统、1800翻转装置、尾轮、罩壳、机架等组成。其中旋耕集土装置、推压筑埂装置为主要的工作部件，结构如图1所示。

机架上从前至后依次安装传动轴1，带传动装置2，1800翻转变速箱

4、通过联轴器与主变速箱8连接，7、9、10分别为筑埂机主要工作部件推压筑埂装置和上、下旋耕集土装置。

工作时，筑埂机动力由拖拉机动力输出轴提供，通过万向联轴器与传动轴相连接，传动轴通过带轮与1800翻转变速箱连接，经过1800翻转变速箱变向后将动力传到主变速箱，由主变速箱带动上、下旋耕集土装置及推压筑埂装置工作。转动取土深度调节装置的调节手柄可以改变下旋耕集土装置的高度，实现取土深度的变化。1800翻转变速箱和翻转锁紧装置配合使用可以完成筑埂机关键工作部件1800翻转，解决了在田埂拐角处由于拖拉机机占用空间而不能修筑的一段田埂。

筑埂机修筑田埂一般要经过2个工序：取土和镇压成埂。根据筑埂工序要求设计取土装置和镇压装置。这2个工作装置必须安装在机架之上，根据工序要求，取土装置在前，镇压装置在后。筑埂机工作时，取土装置将士聚拢到推压筑埂装置，通过推压筑埂装置镇压土壤形成田埂。

3关键部件设计 3.1 关键部件工作原理

由于旋耕刀将土壤从后方和侧后方抛出[3-71，根据旋耕刀抛土特性，将旋耕集土装置设计成2个刀轴联合切削土壤的形式。旋耕集土装置由上、下2个旋耕刀轴组成，下旋耕装置分别由不同回转半径的旋耕弯刀组成，上旋耕装置则由相同回转半径的旋耕弯刀组成。旋耕集土装置弯刀均为右弯刀，上、下旋耕装置工作状态如图2a所示。下旋耕装置在旋转过程中取土、抛土并且可以切出阶梯型的田埂，推压筑埂圆盘可以把收集的土壤抹压在阶梯形结构之上，使筑成的田埂坚实且不容易滑落塌陷，如图2b所示。上旋耕装置可以打碎土壤表面的风干土壤和杂草，更加保证了筑出田埂的坚实性。下旋耕装置抛出的土块可以被上旋耕装置上的刀片二次旋切之后并且抛出，进一步增加了碎土率，减轻了整机的功率消耗。

3.2旋耕集土装置设计 3.2.1旋耕装置刀片运动方程

设坐标原点D为旋耕集土装置某一时刻的回转中心，石方向为机器前进方向，旋耕装置刀轴为正转，旋耕刀片回转半径为R，筑埂机作业时旋耕刀上各点运动轨迹为余摆线，如图3所示。

旋耕刀端点运动轨迹可用下列方程表示

3.2.2旋耕集土装置刀辊转速确定

旋耕装置切土节距S为

旋耕装置在切削土壤后，将土收集到后面的推压筑埂装置使其成埂，切土节距的大小影响筑埂机筑埂质量和功率消耗。旋耕机在中等黏度的稻田土，土壤含水率在20%～30%时，切土节距60～90 mm较为合适。由于筑埂机在筑埂时，对土壤破碎程度比旋耕机要高，因此，筑埂机切土节距取30～50mm较为合适。经过切削的土块经过罩壳击打将进一步打碎，进一步提高碎土质量，这样在筑埂时土壤将更加容易压实成埂。

筑埂机在筑埂时，机组前进速度为0.6～0.8 km/h，主要取土区间单位小区刀片数量为1，根据式(6)，确定刀轴转速为300 r/min。这时，切土节距为33—44mm，符合要求。筑埂机上下旋耕装置刀轴设计转速均为300r/min。

3.2.3旋耕装置参数确定

建立如图4所示的田埂截面图，由于田埂在受到浸泡、碾压和风蚀等作用，田埂在收获后变形较大。根据变形的不同，应用筑埂机进行田埂修复需要完整田埂土量的10%～20%。工作时，旋耕刀既将田埂切成阶梯形，又在阶梯侧地面以下取土，从而补充田埂在受到浸泡、碾压和风蚀作用而损失的土壤量。完整田埂的截面面积(A1，mm2)为

根据筑埂的农艺要求，将田埂的高度、埂底宽度和埂顶宽度代入式(7)和式(8)，求出A2m。和A2mi。分别为14250和3250 mmz。为了适应不同田埂高度的要求，下旋耕集土装置的取土深度应可调，为保证取土深度的变化不超过预定的范围，且拖拉机倒行时车轮不在取土后所留的沟内行驶，取土宽度日取150mm。由式(8)得，取土深度日变范围为20～95mm，不超过下旋耕集土装置高度调节范围0～120mm，即筑埂机可以根据田埂的高度和形状调节取土深度，满足筑埂时土壤量需求。设计旋耕刀的取土宽度为50mm，下旋耕集土装置在取土宽度B上应配置3～4把取土旋耕刀，而切成阶梯形截面可配置2～3把旋耕刀，阶梯高度为50～75mm，上旋耕集土装置可配置3～4把旋耕刀。

3.3推压筑埂装置设计

推压筑埂装置在筑埂时主要通过盘片和推压辊压实土壤成埂。推压筑埂装置设计成与所筑成田埂梯形顶面和侧面吻合形式，如图5所示。

推压筑埂装置的受力情况如图6所示。

当推压筑埂装置作匀速运动时，在xoy平面内平衡方程为

式中，md为推压筑埂装置主动力矩，Nmm．丁为机具对推压筑埂装置的作用力，N；晦为轴承的摩擦力矩，Nmm;R1为推压辊与土壤接触面上所产生的摩擦力，N;R2为盘片与土壤接触产生的摩擦力，N;N1为土壤对推压辊的正压力，N；Ⅳ2为土壤对盘片的正压力，N;W1为盘片组合体重力，N；%为推压辊和羽片组合体的重力，N;∥l为推压辊与土壤接触的摩擦系数；f12为盘片与土壤接触的摩擦系数；妫推压辊和盘片的安装角度，rad;P为M到y轴的距离，mm;，为R2到工轴的距离，mm。Rx、RE、e、向、丁均因Md的存在而存在，但也都有一个极限值。在N1和Ⅳ2不变的情况下，R1、R2的大小与摩擦系数∥

1、p2有关，即与推压筑埂装置的表面状态和土壤性质有关。摩擦力越大，推压筑埂装置所产生的拉力或推力也越大。为了获得较大的风和R2，将推压筑埂装置设计成盘片和羽片组合体的形式来加强推压筑埂装置与土壤的法向接触面，使土壤产生较大的切向反作用力，盘片和羽片在推压筑埂装置上的分布如图5所示。选取圆盘厚度为(s，mm)，推压辊和盘片的重力矾和WE为

在zoy平面内，Fe=N2cosO，Fe是尾轮作用在推压筑埂装置上的轴向力，N；主要用于抵消土壤对盘片的侧向力。

推压辊、盘片与土壤接触面上所产生的摩擦力和土壤对推压筑埂装置的压力需要通过试验获得[15-221，根据试验数据优化推压筑埂装置，但通过推压筑埂装置的理论分析可以确定驱动力矩，完成推压筑埂装置的设计，也为推压筑埂装置的优化和后续试验提供了合理的参数。

3.41800翻转装置设计

1800翻转装置由2个锥齿轮变速箱组合而成，结构如图7所示。变速箱1与变速箱3通过轴承2铰接于一体，在不影响传递动力的条件下，变速箱3可以绕变速箱1转任意角度。2个锥齿轮箱的传动比均为1。

筑埂机在田间作业行走方式如图8所示。

由于筑埂机悬挂在拖拉机上，当拖拉机行驶到田埂拐角处，拖拉机前端到推压圆盘之间的一段距离筑埂机不能筑埂，如图8a所示。将筑埂机翻转1800后，通过拖拉机倒行的方式可以实现田埂拐角处的筑埂作业，如图8b所示。

4试验结果与分析

悬挂式水田筑埂机的工作质量主要与旋耕集土装置、推压筑埂装置和土壤状况有关。只有通过试验研究，才能确保作业效果达到设计的技术要求[23-25]。2012年7月，黑龙江农垦农业机械试验鉴定站在东北农业大学园艺学院试验田对研制的悬挂式水田筑埂机进行了田间作业性能检测，如图9所示。检测地土壤绝对含水率为2313%；土壤坚实度0.31MPa;环境温度为18℃；环境湿度为49%；配套动力为福田雷沃704(51.5kW)；操作人员操作熟练，机器状况良好。检测结果如表1所示。

1)在作业过程中，拖拉机采用低速I档，油门控制在80%左右，筑埂机作业不超过0.8km/h，否则田筑的侧面会出现较宽的抹压痕迹。

2)筑埂机的筑埂高度通过调节尾轮与机架的相对位置来调整，适用于在平坦的地块上作业。当地表不平时，筑埂高度变化较大，上坡变小，下坡变大，坡度过大时尾轮会离开地面，降低了筑埂土壤的坚实度。

5结论

针对人工筑埂劳动强度大的主要问题，设计了一种悬挂式水田筑埂机，并对其关键部件的工作机理进行分析，得出结论如下：

1)设计了筑埂机旋耕集土装置，通过对旋耕刀片的运动分析，确定了旋耕刀轴的转速为300 r/min。通过对田埂取土截面的分析，得出取土宽度为150 mm，取土深度为20～95 mm，为旋耕刀的配置和排列提供依据。

2)通过对推压筑埂装置的受力分析，得出推压筑埂装置的驱动力矩，为筑埂机的动力分配、优化和后续试验奠定了理论基础。

3)设计了1800翻转装置，可实现工作部件的翻转作业，解决了在田埂拐角处由于拖拉机占用空间而不能修筑的一段田埂。

4)由检测结果可知，筑埂质量良好，均达到了各项农艺技术指标的要求。悬挂式筑埂作业是完全可行的，可较好地完成修筑和筑埂的作业。

王金峰，王金武※，孔彦军，张成亮，赵佳乐（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）