1GN—180型旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)

張吉營(yíng)

摘要：介紹旋耕機(jī)的工作原理和總體設(shè)計(jì)思路，論述1GN-180型旋耕機(jī)主要參數(shù)的確定方法，重點(diǎn)討論旋耕刀的結(jié)構(gòu)組成， 以及側(cè)切刃、正切刃曲線、制作材料的設(shè)計(jì)及確定，為相關(guān)人員設(shè)計(jì)、改進(jìn)旋耕機(jī)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：旋耕機(jī)；設(shè)計(jì)；旋耕刀；工作原理；側(cè)切刃

中圖分類號(hào)：S222 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）03-0035-03

旋耕機(jī)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)，與其它耕作機(jī)具相比，具有碎土充分、耕后地表平整、減少機(jī)組進(jìn)地次數(shù)、充分發(fā)揮拖拉機(jī)功率等優(yōu)點(diǎn)，是小型田地土壤耕作的理想機(jī)械。在分析小型水田旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理的基礎(chǔ)上，介紹一種小型水田旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)思路。

1 1GN-180型旋耕機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

旋耕機(jī)是一種利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工作部件切碎土壤的耕作機(jī)械，兼有耕翻和碎土功能，一次作業(yè)可達(dá)到土碎地平的效果。而犁耕很難一次達(dá)到土壤松碎、地表平整，無(wú)法滿足播種或插秧要求，必須經(jīng)過(guò)整地才能進(jìn)行種植作業(yè)。因此，用旋耕機(jī)耕地可大大縮短耕整地的時(shí)間，有利于搶農(nóng)時(shí)和提高功效。

如圖1所示，旋耕機(jī)工作時(shí)，刀片隨著刀軸在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的驅(qū)動(dòng)下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又隨機(jī)組前進(jìn)做等速直線運(yùn)動(dòng)。刀片切削土壤時(shí)，刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)由機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成。為使機(jī)組正常工作，刀片在整個(gè)切土過(guò)程中不發(fā)生推土現(xiàn)象，要求其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡為余擺線。余擺線繞圈最大橫弦以下任意一點(diǎn)的水平分速度方向與機(jī)組前進(jìn)方向相反，刀片將切下的土塊向后拋擲，并與擋泥罩以及平土拖板相撞擊，使土塊進(jìn)一步破碎再落到地面。機(jī)組不斷前進(jìn)，刀片連續(xù)不斷地對(duì)未耕地進(jìn)行松碎。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

1GN-180型旋耕機(jī)采用橫軸中央傳動(dòng)形式，主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕刀軸、旋耕刀、機(jī)具護(hù)罩等組成，詳見(jiàn)圖2。機(jī)架由懸掛架、主梁、傳動(dòng)箱支撐板、兩側(cè)支撐板等組成。懸掛架與拖拉機(jī)上、下拉桿相連，傳動(dòng)箱支撐板用于安裝傳動(dòng)箱，兩側(cè)支撐板通過(guò)軸承分別與刀軸相連。傳動(dòng)系統(tǒng)由萬(wàn)向傳動(dòng)軸、動(dòng)力輸入軸、傳動(dòng)箱、動(dòng)力輸出軸等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)將拖拉機(jī)的動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向傳動(dòng)軸、動(dòng)力輸入軸傳給傳動(dòng)箱，再由動(dòng)力輸出軸傳給左、右旋耕刀軸。旋耕刀軸分左、右兩部分，由無(wú)縫鋼管制成，一端與傳動(dòng)箱輸出軸相連，另一端與兩側(cè)支撐板通過(guò)軸承相連，詳見(jiàn)圖3。刀座按螺旋排列焊在刀軸上，用來(lái)安裝旋耕刀。機(jī)具護(hù)罩用來(lái)防止泥土飛濺和進(jìn)一步碎土，也具有保護(hù)人員安全的作用。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

配套動(dòng)力：40.4 kW；耕幅1.8 m；耕深：14 cm；刀片型式：彎刀；刀片數(shù)量：54；刀軸轉(zhuǎn)速：220 r/min；生產(chǎn)率：6 hm2/h。

2 1GN-180型旋耕機(jī)主要參數(shù)的確定

2.1 耕幅

這里拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率N=44.4 kW ，代入得：B=1 7～1.9m。設(shè)計(jì)選取B=1.8 m。

2.2 傳動(dòng)形式

三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)有中間傳動(dòng)和側(cè)邊傳動(dòng)2種形式。中間傳動(dòng)式適宜耕幅為1.75～2.00 m。本設(shè)計(jì)中的旋耕機(jī)耕幅為1.8 m，故采用中間全齒輪傳動(dòng)。利用萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸將拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)箱輸入軸，經(jīng)圓錐齒輪減速并改變方向后，由傳動(dòng)箱左右輸出軸傳遞到刀輥軸。為避免出現(xiàn)漏耕，在傳動(dòng)箱的下方增設(shè)了小犁體總成，以消除漏耕現(xiàn)象。

2.3 刀軸轉(zhuǎn)速

在機(jī)組前進(jìn)速度不變的情況下，旋耕機(jī)所需功率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增加。較理想的配合是低刀軸轉(zhuǎn)速和較高的前進(jìn)速度，雖然功耗要增加些，但生產(chǎn)率較高，仍可降低單位面積的能耗。近年來(lái)，刀軸轉(zhuǎn)速降低的趨勢(shì)尤為明顯。另外旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速一般在200～285 r/min。隨著土壤比阻的不同，旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速也不同：粘性重的土壤比阻大，轉(zhuǎn)速偏低；砂性土壤比阻小，轉(zhuǎn)速可偏高。

為提高生產(chǎn)率及地區(qū)適應(yīng)性、減少能耗，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速選擇220 r/min。

3 旋耕刀的設(shè)計(jì)

彎刀刀刃設(shè)計(jì)包括切溝墻的側(cè)切刃和切溝底的正切刃兩部分。用于多草莖的水田作業(yè)的旋耕機(jī)，最容易出現(xiàn)刀軸纏草問(wèn)題，對(duì)彎刀設(shè)計(jì)的要求更高。其刃口曲線的要求是：彎刀耕作時(shí)，側(cè)切刃沿縱向切削土壤，離軸心較近的刃口開(kāi)始切割，由近及遠(yuǎn)，最后由正切刃橫向切開(kāi)土壤。這種切削過(guò)程可以把草莖及殘茬壓向未耕地，進(jìn)行有支持切割，未被切斷的草莖及殘茬，可利用刃口曲線的合理形狀使其從端部滑離彎刀，避免纏草。

3.1 旋耕刀的結(jié)構(gòu)組成

旋耕刀主要由側(cè)切面、正切面、過(guò)渡面組成。側(cè)切面具有切開(kāi)土垡，切斷或推開(kāi)草莖、殘茬的功能；正切面除切土外，還有翻土、碎土、拋土等功能。

3.2 側(cè)切刃的設(shè)計(jì)

在前進(jìn)速度Vm=2.17 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速n=200 r/min、同一切割小區(qū)內(nèi)的彎刀z=2.5的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，有S=60 000Vm/nz=60 000×2.17/（200×2.5）=260（mm）。將數(shù)據(jù)代入式（3）得ρ0=120.8 mm。

為使螺旋線能與正切刃圓滑過(guò)渡，螺線終點(diǎn)處的極徑ρn值一般較彎刀回轉(zhuǎn)半徑小10～20 m，故將其確定為230 mm。

螺線終點(diǎn)的極角θn計(jì)算公式為：θn=（ρn-ρ0）/ρntgτn。式中：τn為螺線終點(diǎn)處的滑切角，常取50～60 °。經(jīng)計(jì)算得θn=0.332 3 r/min；α'=320.52 mm。

將α'代入式（3），并從0到θn之間分成若干份，順序選定若干θ代入該式，分別求出對(duì)應(yīng)的ρ，即可做出側(cè)切刃螺線。

螺線的靜態(tài)滑切角τ（刀刃的曲線角）即刀刃上某一點(diǎn)的極徑與該點(diǎn)切線之間的夾角。其數(shù)值應(yīng)滿足不纏草和耕耘阻力小的要求，即τ<90°-φ。式中：φ為根莖對(duì)刀刃的摩擦角。

3.3 正切刃曲線的設(shè)計(jì)

正切刃是空間曲線，為使溝底較平整，正切刃曲線位于刀滾的圓柱面上及在側(cè)視圖上的投影為圓弧，兩段刃口間以圓弧線連接。

3.4 旋耕刀的材料確定

旋耕刀用65Mn鋼制造，切削部分進(jìn)行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC 50～55。旋耕彎刀應(yīng)用樣板進(jìn)行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3 mm。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： The article introduces the operating principle and general design idea of rotary cultivator， and expounds the determination method of main parameters for type 1GN-180 cultivator， mainly discusses the structure composition， side-cutting blade， curves of tangent edge and materials of rotary cultivator， and provides a technical reference for designing and improving the rotary cultivator for relative staff.

Key words： rotary cultivator； design； rotary blade； operating principle； side-cutting blade