一種基于微型耕作機的開溝機研制

羿洪福

摘要：為減輕秸稈生物反應(yīng)堆作業(yè)的強度，研制基于微型棚室耕作機的棚室開溝機。詳細介紹開溝機的總體設(shè)計方案、關(guān)鍵部件的設(shè)計思路及主要技術(shù)參數(shù)。樣機作業(yè)試驗表明，作業(yè)深度最大可達400 mm，可達到生物秸稈反應(yīng)堆的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：開溝機；微型耕作機；設(shè)計；溫室

中圖分類號：S222.5+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）09-0014-03

日光溫室是在我國興起的，且具有一定鮮明中國特色的園藝栽培設(shè)施。目前，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已超過150萬hm2，其中遼寧省的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達50.5萬hm2，年總產(chǎn)量高達2400萬t，年產(chǎn)值為680億元。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的農(nóng)業(yè)種植模式逐漸成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要內(nèi)容。根據(jù)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新技術(shù)——秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)推廣應(yīng)用的實際需要，研制基于微型棚室耕作機的棚室開溝機十分必要。

1 開溝機總體方案研究

1.1 作業(yè)條件與機具操作方式分析

在棚室內(nèi)進行生物秸稈反應(yīng)堆開溝作業(yè)時，秸稈反應(yīng)堆順壟布置，橫向于溫室大棚方向，因此，機具作業(yè)也必須順著秸稈反應(yīng)堆的布置方向作業(yè)?？紤]到棚室橫向長度較小，機具采用往復(fù)運動實現(xiàn)開溝作業(yè)。同時，由于棚室橫向長度小，為進一步提高機具的作業(yè)效率和操作人員的安全性，機具作業(yè)時的方向控制手柄可調(diào)整到與機具前進方向成90°布置，且操縱部件位于手柄位置，便于隨時控制機具的啟動、停止、前進和倒退。

基于上述原因，設(shè)計操縱手柄放到倒退位置，啟動離合裝置，機具運動，開始開溝器作業(yè)，向外拋送土壤；到達棚一側(cè)時，分離離合裝置，操縱手柄置于前進位置，啟動離合裝置，機具退至作業(yè)初始位置，分離離合裝置，完成一次開溝作業(yè)。通常，根據(jù)開溝深度的要求， 1～2次開溝作業(yè)即可達到生物秸稈反應(yīng)堆掩埋時所需要的開溝深度。

1.2 開溝機技術(shù)要求和總體方案

立足于我國農(nóng)村目前棚室配套機具的現(xiàn)有情況，利用現(xiàn)有機具作為動力，減少農(nóng)民的機具投入成本。經(jīng)過多地調(diào)研，選用動力為3.3～5.88 kW的微型耕作機作為配套動力。微型耕作機能滿足棚室內(nèi)狹小的作業(yè)要求，且具有轉(zhuǎn)彎靈活的特點。

充分利用微型耕作機的動力、傳動和行走系統(tǒng)，在保證原有功能不受影響的情況下，通過更換工作部件增加開溝功能，增加機具的作業(yè)功能。

根據(jù)農(nóng)藝對生物秸稈反應(yīng)堆開溝的要求和目前保有量較大的微型耕作機的技術(shù)性能，確定機具的主要技術(shù)指標為：

溝寬：400 mm；

溝深：350 mm；

效率：3 000 m/日；

汽油機額定功率：5 kW；

操作人數(shù)：1人。

整機總體技術(shù)方案為：充分利用棚室微耕機的底盤、汽油機、皮帶傳動（主離合器）、主變速箱、副變速箱、行走機構(gòu)、鏈傳動（高低速裝置）、工作離合器、工作鏈傳動、輸出軸等，增加開溝裝置和剪土鏟。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 微型棚室開溝機的設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)采用微型耕作機

為適應(yīng)在棚內(nèi)工作要求，動力系統(tǒng)和底盤結(jié)構(gòu)必須緊湊，回轉(zhuǎn)半徑小，故微型耕作機的扶手設(shè)計為360°自如旋轉(zhuǎn)式，同時高低可以自如調(diào)整；輪距設(shè)計為可調(diào)式，調(diào)整范圍為390～530 mm。為使整機重量輕、強度好，地盤使用鐵板取型焊接制造，變速箱殼體為鑄鋁。變速箱和行走系統(tǒng)利用原機系統(tǒng)，將倒擋作為機具的工作檔位。

2.2 動力選擇

為突出輕巧實用，選用汽油機為動力，手拉式啟動，啟動方便，結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)過計算與試驗，選用5 kW汽油機，能夠較好的滿足所有作業(yè)的動力要求。

2.3 剪土鏟設(shè)計

在開溝裝置前面增加剪土鏟，利用其特有的鑿形結(jié)構(gòu)破壞土壤的原有結(jié)構(gòu)，使挖開溝裝置在松軟的土壤上作業(yè)，減小挖溝阻力，提高工作速度，降低能耗。經(jīng)過測算平均提高效率在20%以上。剪土鏟如圖2所示。

剪土鏟柄截面為矩形，鏟柄的入土部分采用弧形，以減小阻力。圓弧入土部分的橫截面設(shè)計成雙面楔形，夾角為60°，起碎土和減少阻力的作用。剪土鏟刀頭模仿老鼠在土壤中行走方式，按照仿生學(xué)原理設(shè)計。剪土鏟刀頭工作時，在土壤下部向前運動，利用楔子原理使土體受剪切、彎曲、掀起和向上及兩側(cè)的擠壓等綜合作用，當擠壓力大于土體剪切強度時，土體被剪切破壞，經(jīng)過圓弧過渡達到疏松土壤的目的。測算結(jié)果表明，剪土鏟平均提高效率20%以上。

2.4 開溝裝置設(shè)計

參考多種開溝裝置結(jié)構(gòu)，經(jīng)過理論分析和部分試驗，最終設(shè)計全新的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過不斷改進，基本上達到溝型斷面為矩形、溝底平整的要求。

刀盤由大開溝刀、小開溝刀、拋土板和刀盤組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

開溝刀。利用該刀特殊的結(jié)構(gòu)對土壤進行滑切，入土性能好，工作阻力小，能有效切斷作物殘茬及雜草的莖根特點，減小工作阻力。開溝刀型為特殊曲線的彎刀，按照一定的角度通過螺栓固定于刀盤上，保證工作平穩(wěn)、阻力小、節(jié)約動力。刀片形狀如圖4所示。

拋土板。拋土板是均勻布置于刀盤的三角型板，其與刀盤呈一定角度焊接于刀盤上，如圖5所示。

開溝刀在刀盤上的布置為：每個刀盤安裝小開溝刀4把和大開溝刀4把，大開溝刀與小開溝刀背靠背安裝在刀盤兩側(cè)，構(gòu)成一組，每組大開溝刀和小開溝刀的切削刃部分在一條直線上；大小開溝刀方向相反布置。在兩刀盤面向微型耕作機動力輸出部分的內(nèi)側(cè)安裝4個拋土鏟，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.5 開溝裝置工作原理

在開溝裝置前面安裝剪土鏟。剪土鏟為鑿式，入土性能好，工作阻力小。利用其先入土破壞土壤結(jié)構(gòu)，使開溝裝置工作在較松軟的土壤中，減小機具功率消耗，提高機具工作效率。

大開溝刀與小開溝刀背靠背安裝在刀盤兩側(cè)，構(gòu)成一組，每組大開溝刀和小開溝刀的切削刃部分在一條直線上；相鄰開溝刀組與大小開溝刀方向相反布置，目的是實現(xiàn)刀盤逐漸進入土壤，減小具瞬間負荷。大開溝刀和小開溝刀的工作面上開有刃口，且刃口有一定角度，使刀切削土壤時為滑切，較大地減少其切削土壤時的阻力，進而節(jié)約動力。微型耕作機軸的兩側(cè)動力輸出盤呈對稱布置，能夠確保切削力的連續(xù)性，同時避免對傳動和動力系統(tǒng)的沖擊。拋土板與大開溝刀和小開溝刀分開布置，避免拋土板參與切削土壤工作，造成動力浪費。開溝裝置的動力來源于微型耕作機的動力輸出軸，動力輸出軸帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤帶動開溝裝置旋轉(zhuǎn)，完成切削和拋送土壤工作。

3 棚室開溝機樣機試驗

該樣機完成后，先后在遼寧省多地不同土壤條件下進行作業(yè)試驗，均作業(yè)效果良好。

作業(yè)試驗結(jié)果表明，挖掘的秸稈生物反應(yīng)堆溝型基本呈矩形，溝型整齊，溝底浮土少，作業(yè)深度最大可達400 mm，可達到生物秸稈反應(yīng)堆的技術(shù)要求。該機工作效率高，是人工作業(yè)的14倍以上，操作簡便、制作簡便、作業(yè)成本低廉，具有良好的推廣前景。

參考文獻

[1] 韓勝金.1DZ微型棚室耕作機的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012（1期）：33-34.

[2] 張琦，王偉，廖結(jié)安.國內(nèi)外果園施肥開溝機的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機化研究，2016（5）：264-268.

[3] 劉向暉，劉俊峰，李建平.圓盤式果園開溝機刀盤作業(yè)模態(tài)分析[J].農(nóng)機化研究，2016（6）：102-105.