小型手扶自走式棉田培土機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊慶璐，王學(xué)詩(shī)，范國(guó)強(qiáng)，張曉輝，太健健

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.山東華興機(jī)械股份有限公司，山東 濱州 256500；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

棉花是我國(guó)第二大農(nóng)作物，是重要的戰(zhàn)略物資和人民生活的必需品[1]。我國(guó)棉區(qū)分布廣泛，種植環(huán)境復(fù)雜，部分棉區(qū)機(jī)械化水平較低，尤其是田間管理作業(yè)基本依靠人工。人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且勞動(dòng)力成本逐年增高，棉農(nóng)生產(chǎn)積極性降低，嚴(yán)重阻礙了棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，棉田管理機(jī)械化成為棉花種植業(yè)發(fā)展的重中之重。

山東省是我國(guó)重要的棉花種植、加工生產(chǎn)基地，其種植面積和產(chǎn)量均居全國(guó)第二位[2]。山東棉區(qū)多采用地膜覆蓋植棉，但進(jìn)入蕾期后，應(yīng)去除地膜配合中耕培土作業(yè)，促進(jìn)植株穩(wěn)健生長(zhǎng)。中耕培土具有利于提高地溫、改善植株根系土壤環(huán)境、促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育、增強(qiáng)根莖抗倒伏和抗旱能力及消除地面雜草等作用，也有利于棉田下部的通風(fēng)及棉田的排灌作業(yè)，可顯著提高棉花的產(chǎn)量和質(zhì)量，是棉花生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[3-5]。目前，我國(guó)中耕培土機(jī)械以中小型為主，種類型號(hào)繁多，工作質(zhì)量參差不齊，部分機(jī)械存在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耕深不穩(wěn)定、培土效果差及易造成植株葉片受損等問題[5]。針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)了一種操作靈活、成本低、工作效果好的培土機(jī)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 培土機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小型手扶自走式棉田培土機(jī)是由汽油機(jī)帶動(dòng)的多功能的中耕除草培土機(jī)具，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕培土系統(tǒng)、行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)架及其他附件組成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、離合器、皮帶、皮帶輪、鏈輪及鏈條等組成；行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由行走輪及扶手總成等組成；旋耕培土系統(tǒng)主要由培土刀、培土刀輥、松土鏟、碎土罩殼及限深輪等組成。

1.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 2.機(jī)架 3.行走輪 4.松土鏟 5.旋耕培土部件 6.限深輪 7.橡膠擋土板 8.限深輪調(diào)節(jié)裝置 9.碎土罩殼 10.碎土罩殼調(diào)節(jié)裝置 11.傳動(dòng)裝置 12.變速箱 13.扶手調(diào)節(jié)裝置 14.扶手總成圖1 小型手扶自走式棉田培土機(jī)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of small self-propelled cotton field hillers

1.2 技術(shù)參數(shù)

小型手扶自走式棉田培土機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

1.3 工作原理

整個(gè)機(jī)組由汽油機(jī)提供動(dòng)力，汽油機(jī)通過皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳送到變速箱，變速箱帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，控制機(jī)組的前進(jìn)與后退。作業(yè)時(shí)，變速箱通過鏈條傳動(dòng)將動(dòng)力傳送到培土機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，進(jìn)而帶動(dòng)旋耕培土部件工作，該傳動(dòng)裝置可調(diào)整旋耕培土部件的轉(zhuǎn)速，增大輸出軸扭矩。旋耕培土部件將土壤切削拋灑到罩殼上，再次破碎后將土壤拋灑到作物根部，將土塊破碎為較小顆粒，減少對(duì)植株的損害。培土壟的寬度由碎土罩殼的開口角度控制，該角度可通過罩殼上的合頁(yè)來調(diào)節(jié)，土壟的高度可通過調(diào)節(jié)限深輪來控制。扶手可以繞機(jī)架上下左右調(diào)整，以適應(yīng)不同身高的作業(yè)者及特殊作業(yè)環(huán)境的需要[6]。

2 機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)功耗確定

旋耕培土機(jī)的整機(jī)消耗主要來源于旋耕培土部件工作時(shí)的功耗及機(jī)組行走的功耗[7]。

2.1.1 旋耕培土功耗確定

影響旋耕培土作業(yè)功耗的主要因素有旋耕部件的轉(zhuǎn)速、旋耕深度和寬度、機(jī)組前進(jìn)速度及土壤條件等。在旋耕深度和寬度及機(jī)組前進(jìn)速度不變的情況下，旋耕培土部件的功耗隨其轉(zhuǎn)速的增大呈二階曲線形式增加[8]；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，旋耕培土部件的功耗隨旋耕深度和寬度及機(jī)組前進(jìn)速度的增大呈近似線性增大[9]。旋耕培土作業(yè)時(shí)的功耗可通過公式計(jì)算得到[10]，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]及旱田中耕的農(nóng)藝要求，其切削土壤的功耗為

(1)

式中Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)；

kq—旋耕比阻(N/m2)，取kq=1.6×105；

H—旋耕深度(m)，取H=0.15；

B—旋耕寬度(m)，B=0.3；

v—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)，取v=0.6。

代入式(1)得：Nq=4.2kW。

拋擲土壤的功耗為

(2)

式中Np—旋耕拋擲土壤功耗(kW)；

Kp—旋耕拋土系數(shù)(N·s2/m4)，取Kp=1.3×103；

λ—運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，取λ=10[13]。

代入式(2)得：Np=1.2kW。

2.1.2 機(jī)組行走功耗確定

機(jī)組旋耕培土作業(yè)時(shí)，除受到耕作阻力外，還有機(jī)組前進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)阻力、加速阻力、上坡阻力及空氣阻力。由于旋耕培土作業(yè)時(shí)機(jī)組速度較低、速度變化較小及作業(yè)環(huán)境相對(duì)平整，本文采用修正系數(shù)，簡(jiǎn)化空氣阻力、加速阻力和上坡阻力。整機(jī)質(zhì)量為300kg，行走輪滾動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為整機(jī)質(zhì)量的0.2～0.3倍，為保證其可靠性，取該系數(shù)為0.3[2]。計(jì)算出高地隙通用底盤的驅(qū)動(dòng)力F為900N。機(jī)組行走功率為

(3)

式中NM—機(jī)組行走功率(kW)；

F—底盤驅(qū)動(dòng)力(N)，F(xiàn)=900；

η—機(jī)械效率，取η=0.8；

k—修正系數(shù)，取k=1.3。

代入式(3)得：NM=0.9kW。

2.1.3 總功率的確定

為確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)，需計(jì)算機(jī)組的總功率，即

N=Nq+Np+NM+Nc+Ns

(4)

式中N—總功率(kW)；

Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)，Nq=4.2；

Np—旋耕拋擲土壤功耗(kW)，Np=1.2；

NM—機(jī)組行走功率(kW)，NM=0.9；

Nc—松土鏟功耗(kW)，Nc=0.1；

Ns—機(jī)械傳動(dòng)部分的損耗功率(kW)，Ns=0.2。

代入式(4)得：N=6.6kW。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)包括自走傳動(dòng)系統(tǒng)和旋耕培土部件傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分，圖2為小型手扶自走式棉田培土機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.自走系統(tǒng)變速箱 2.皮帶傳動(dòng) 3.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 4.動(dòng)力輸出軸 5.旋耕培土部件變速箱 6.鏈條傳動(dòng) 7.行走輪軸圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission structure

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳送到自走系統(tǒng)變速箱，再通過鏈條傳動(dòng)將動(dòng)力分別傳遞到行走輪和旋耕培土部件變速箱，分別控制機(jī)組的行走和旋耕培土作業(yè)。自走系統(tǒng)變速箱可將轉(zhuǎn)速調(diào)整為3個(gè)檔位，旋耕培土部件變速箱可將轉(zhuǎn)速調(diào)整為2個(gè)檔位，以滿足不同的作業(yè)環(huán)境。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

3.1 旋耕部件傳動(dòng)方式的選擇

棉田的培土作業(yè)是將壟底的土壤破碎后拋灑到植株根部，同時(shí)消滅壟底的雜草。為保證培土的質(zhì)量，旋耕部件采用逆旋方式作業(yè)，刀輥轉(zhuǎn)向與機(jī)組驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向相反，該方式具有滅草能力強(qiáng)、作業(yè)后土壤蓬松度好及耕深能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。旋耕部件傳動(dòng)方式采用中央傳動(dòng)，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)性好，但會(huì)產(chǎn)生小部分漏耕區(qū)，為消除漏耕，在中央傳動(dòng)箱下部設(shè)置漏耕松土鏟，不僅能夠消除漏耕，還能使壟溝底部覆蓋松軟土壤，以保持田間水分，降雨或灌溉時(shí)能保水蓄水防止產(chǎn)生徑流。

3.2 旋耕培土刀的設(shè)計(jì)及選型

旋耕培土作業(yè)的關(guān)鍵是培土刀對(duì)土壤的破碎和拋送，拋土能力強(qiáng)，其拋送的土壤到達(dá)罩殼后撞擊破碎效果更好，因此提高培土刀的拋土能力是提高培土效果的關(guān)鍵。常見的培土刀有彎刀、鑿形刀及直角刀。彎刀具有較好的碎土和拋土能力，還有較強(qiáng)的滅草能力，基本符合培土作業(yè)的要求。為加強(qiáng)培土刀的拋土能力，本研究設(shè)計(jì)改進(jìn)了一種帶有焊耳的彎刀，如圖3所示。

1.彎刀 2.焊耳圖3 培土刀Fig.3 Rotary blade

該培土刀在彎刀的基礎(chǔ)上增加了帶有弧度的彎板，焊接在彎刀側(cè)切刃的背面。工作時(shí)，彎刀側(cè)切刃切削的土壤被擠壓到彎板上，彎板將土壤拋送到罩殼，增加了培土刀的拋土量，提高了培土高度，能夠滿足不同時(shí)期棉田的培土要求。

3.3 培土機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)

山東棉區(qū)棉花種植行距一般為760mm，土壟寬度為400～500mm，培土機(jī)沿壟溝底部行走，其輪距不能超過350mm，常見的小型中耕機(jī)械不能滿足要求。為此，設(shè)計(jì)了一種培土專用金屬行走輪(見圖4)，輪距可在300～450mm之間調(diào)節(jié)，該行走輪不僅可以減小輪距，且適合在旋耕后松軟的土壤中順利行走；作業(yè)完成后，可將金屬輪更換為普通橡膠輪胎，方便運(yùn)輸。

圖4 行走輪Fig.4 Walking wheel

4 主要工作部件的靜力學(xué)分析

4.1 旋耕培土刀平均受力計(jì)算

根據(jù)培土功耗及旋耕部件轉(zhuǎn)速確定培土刀刀刃入土?xí)r所受土壤平均反力[6，14]，則有

(5)

式中F—刀刃入土?xí)r所受土壤反力(N)；

T—旋耕部件刀輥扭矩(N·m)；

L—培土刀入土?xí)r刀尖距刀輥中心距離(m)；

Nq—旋耕切削土壤功耗(kW)，Nq=4.2；

n—旋耕部件轉(zhuǎn)速(r/min)，取n=244；

R—培土刀回轉(zhuǎn)半徑(m)，R=0.15、0.175、0.225；

H—旋耕深度(m)，取H=0.11。

旋耕培土刀的彎刀有多種型號(hào)，而旋耕培土機(jī)以旱地作業(yè)為主，耕深較淺，因此選擇回轉(zhuǎn)半徑較小的彎刀[6，9]。將R150、R175及R225型號(hào)彎刀參數(shù)代入式(5)求得刀刃入土?xí)r所受土壤反力。

4.2 旋耕培土刀的靜力學(xué)分析

旋耕培土刀的可靠性及穩(wěn)定性是培土機(jī)正常工作的關(guān)鍵。為此，本文通過有限元分析對(duì)培土刀進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，確定培土刀彎刀型號(hào)。

將培土刀三維模型導(dǎo)入Workbench中，劃分網(wǎng)格后，在培土刀安裝孔位置添加固定約束，在培土刀側(cè)切刃、過渡刃及正切刃添加垂直于刃口方向的平均反力F150、F175、F225，得到培土刀的von Mises應(yīng)力及總變形，根據(jù)馮·米塞斯屈服準(zhǔn)則分析比較培土刀強(qiáng)度是否失效。通過仿真分析得到各型號(hào)應(yīng)力和變形結(jié)果，如表2所示。

表2 應(yīng)力和變形結(jié)果Table 2 Stress and deformation results

培土刀材料為60Si2Mn合金鋼，其屈服強(qiáng)度最大為620.42MPa[15]。由分析結(jié)果可知：R150型培土刀最大應(yīng)力為872.2MPa，遠(yuǎn)超其屈服強(qiáng)度，刀片失效。R175型培土刀最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，變形量為4.7mm，能夠滿足使用要求。R225型培土刀也滿足使用要求，但根據(jù)選用回轉(zhuǎn)半徑較小的規(guī)則，最終選用R175型培土刀。圖5和圖6為R175型培土刀仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果看出：培土刀在內(nèi)側(cè)弧與刀柄過度的位置應(yīng)力最大，易產(chǎn)生失效；在刀尖和焊耳尖端位移最大。

圖5 R175型培土刀von Mises應(yīng)力仿真結(jié)果Fig.5 Von Mises stress simulation results of R175 type rotary blade

圖6 R175型培土刀總變形仿真結(jié)果Fig.6 Total deformation simulation results of R175 type rotary blade

4.3 刀輥的靜力學(xué)分析

刀輥是主要的承載構(gòu)件，承受培土刀的反力和發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等變形，必須進(jìn)行強(qiáng)度的校核，檢驗(yàn)刀輥應(yīng)力是否滿足要求。

將刀輥三維模型導(dǎo)入Workbench中，添加相應(yīng)約束和受力，得到其應(yīng)力和變形結(jié)果，如圖7所示。

刀輥材料為Q235A，其屈服強(qiáng)度最大為235MPa。由分析結(jié)果可知：在刀輥與刀庫(kù)的連接處應(yīng)力最大，為70.9MPa，小于材料屈服強(qiáng)度；在刀庫(kù)的懸空端位移最大，為0.04mm，位移量較小，能夠滿足使用要求。

5 培土機(jī)性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

2017年8月，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，劃定試驗(yàn)測(cè)定區(qū)域(30m×5m)，在區(qū)域內(nèi)采用平行四邊形對(duì)角線等距取點(diǎn)，對(duì)測(cè)定區(qū)域深度15cm處的土壤情況進(jìn)行測(cè)定[16-18]，測(cè)定采用設(shè)備為TYD-1型土壤硬度計(jì)和DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，其測(cè)定結(jié)果如表3所示。

圖7 刀輥von Mises應(yīng)力和總變形仿真結(jié)果Fig.7 Von Mises stress and total deformation simulation results of rotary roller表3 土壤參數(shù)Table 3 Soil parameters

項(xiàng)目單位參數(shù)土壤硬度kg/cm215.36含水率%16.32密度kg/cm32.65容重kg/cm31.45

5.2 培土機(jī)工作參數(shù)測(cè)定

根據(jù)國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)藝要求，試驗(yàn)以培土機(jī)行走速度和旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，測(cè)定不同行走速度和不同轉(zhuǎn)速下培土機(jī)旋耕深度和寬度、培土高度和寬度等參數(shù)值，如圖8所示。

啟動(dòng)機(jī)器調(diào)整行走速度和刀輥轉(zhuǎn)速至相應(yīng)值，進(jìn)行培土作業(yè)。測(cè)量時(shí)，每隔2m取一點(diǎn)，每組試驗(yàn)項(xiàng)目取10個(gè)點(diǎn)，測(cè)量各項(xiàng)目值，取其平均數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖8 培土機(jī)試驗(yàn)Fig.8 Hillers test表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

試驗(yàn)因素作業(yè)速度/m·s-1刀輥轉(zhuǎn)速/r·min-1參數(shù)值旋耕深度/mm旋耕寬度/mm培土高度/mm培土寬度/mm0.45190137.8285.8108.2560.80.6190125.4279.4103.2548.50.45244143.6291.0118.7592.20.6244131.0280.6102.3556.7農(nóng)藝要求≥100≤350≥80≥500

由表4可知：培土機(jī)的旋耕深度和寬度及培土的高度和寬度均符合棉花培土的農(nóng)藝要求。當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時(shí)，培土的高度和寬度隨著作業(yè)速度的增大而減小；作業(yè)速度一定時(shí)，培土的高度和寬度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而增大；當(dāng)作業(yè)速度為0.45m/s，刀輥轉(zhuǎn)速244r/min時(shí)，培土高度和寬度達(dá)到最大。

5.3 培土機(jī)性能測(cè)定

耕深穩(wěn)定性和培土穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)培土機(jī)作業(yè)性能的重要指標(biāo)，反映了機(jī)組工作的穩(wěn)定性及對(duì)土壤的切削和拋送能力。根據(jù)不同工況下測(cè)得的旋耕深度和培土高度，可得機(jī)器的耕深穩(wěn)定性和培土穩(wěn)定性的變異系數(shù)，如表5所示。

由表5可知：當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著作業(yè)速度的增大，耕深和培土的穩(wěn)定性降低；當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，隨著刀輥速度的增大，耕深和培土的穩(wěn)定性升高；當(dāng)作業(yè)速度為0.45m/s，刀輥轉(zhuǎn)速244r/min時(shí)，穩(wěn)定性最高，培土效果最好，其作業(yè)效率為0.13hm2/h，適合山東等棉區(qū)小地塊作業(yè)。

表5 性能參數(shù)Table 5 Performance parameters

6 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)棉花種植的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款小型手扶自走式棉田培土機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、成本低等特點(diǎn)，旋耕培土的深度和寬度均可調(diào)節(jié)，可滿足棉花不同生長(zhǎng)時(shí)期的需要。對(duì)培土刀和行走輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提高了碎土和拋土的能力，減少了對(duì)棉株的損害。仿真和試驗(yàn)表明：該機(jī)滿足棉花培土作業(yè)的農(nóng)藝要求，實(shí)現(xiàn)了棉田管理的機(jī)械化作業(yè)。