1GZ-140V2型棚室整地機設計與試驗研究

李向軍，許春林，趙大勇，耿　濤，張寶庫

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶　163319；2.哈爾濱市農業科學院，哈爾濱　150029)

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1GZ-140V2型棚室整地機設計與試驗研究

李向軍1,2，許春林2，趙大勇2，耿濤2，張寶庫2

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶163319；2.哈爾濱市農業科學院，哈爾濱150029)

摘要：為了提高生產效率、減輕勞動強度，依據農藝要求，設計了一種新型棚室聯合整地機，并對該機的總體結構、工作原理、主要工作部件和田間試驗的設計進行了闡述。該機具與棚室專用拖拉機配套使用，一次整地能夠完成旋耕碎土和起壟兩項聯合整地作業，土壤田面可達到待播狀態。

關鍵詞：棚室整地機; 橫向移動; 起壟

0引言

目前,哈爾濱市全年人均蔬菜消費90kg，蔬菜耕地面積僅有11.1萬hm2，導致該市蔬菜消費70%以上依賴外埠供應，特別是超市蔬菜而外埠菜運輸價格較高，哈爾濱市蔬菜由于種植機械化程度過低，生產成本高，90%以上為外地菜。為了解決這一問題，哈爾濱市將重點建設“一圈兩帶”蔬菜產業基地。發展設施蔬菜，建設標準化蔬菜產業基地，預計到2015年，蔬菜大棚達到30萬棟。目前，棚室內耕整地以微耕機整地為主，只能完成單一的旋耕、起壟作業，配套動力小，存在旋耕深度淺、作業效率低、勞動強度大的問題，未解決棚室耕整地存在的問題。為此，筆者根據棚室內耕整地的農藝要求，設計了一種適合棚室作業的專用土壤高效耕作機具。該機采用液壓與機械相結合方式實現橫向起壟作業，機具在向前作業時起壟裝置可以起與前進方向垂直的壟向，且通過調整起壟裝置可改變壟形大小和壟距大小，使壟形、壟距滿足不同作物和地區的農藝要求。

1總體結構及工作過程

1.1總體結構

該機一次下地可完成旋耕碎土和起壟兩項聯合整地作業。其主要由吊掛架裝置、主變速箱、側變速箱、移動機架裝置、移動油缸系統、旋耕系統和起壟裝置等部分組成，如圖1所示。

1.移動油缸　2.移動式吊掛架　3.主變速箱　4.旋耕刀軸

1.2工作過程

工作時，拖拉機通過傳動軸將動力傳遞給機具的主變速箱，經主變速箱變速后，再通過側六方軸將動力傳遞給機具的側變速箱；經過側變速箱變速后，由側箱刀軸帶動整個旋耕刀輥進行旋耕作業；最后，由起壟鏵完成起壟作業。機具在作業時采用液壓與機械相結合方式，不但能夠使棚室內整地不留死角，而且還可實現與前進方向垂直橫向起壟作業，能夠滿足不同作物和地區的農藝要求。

1.3技術參數

機具的具體技術參數如表1所示。

表1 技術參數

續表1

2主要的工作部件

2.1移動系統的設計

移動系統主要由吊掛機構、機架及移動油缸機構等組成，如圖2所示。

1.移動油缸　2.吊掛架　3.機架焊合

機具作業時，利用拖拉機自身液壓系統通過液壓分配器來控制油缸的伸縮，從而實現機架相對于吊掛架做橫向運動，最終使棚室內整地不留死角，且實現與前進方向垂直的橫向起壟作業。

考慮到液壓油缸收縮時，安裝距離小以及展開時，行程長、受力小等特點，綜合液壓油缸的工作原理等因素，選用雙作用單活塞桿式液壓缸，工作壓力P =10MPa。

液壓油缸內徑為

(1)

其中，D為液壓油缸內徑(mm)；d為活塞桿的直徑(mm)；η為液壓油缸機械效率，取η=0.85。

工作壓力為10MPa時的速度比φ=1.33，此時推薦活塞桿直徑為d=0.7D，代入數據得D=42.1mm，d=26.47mm。圓整后，取D=50mm，d=35mm。代入式(1)驗算，D=0.045≤0.050，符合要求。液壓油缸參數如表2所示。

2.2動力傳遞系統的設計

該機具采用側邊傳動，主要考慮以下兩點：一是機具工作寬幅較窄小，在加工制造工方面較為簡單；二是機具工作時為了避免漏耕現象的發生，旋耕刀輥采用通軸方式。具體的傳動方式如圖3所示。

表2　液壓油缸參數

1.主傳動軸　2.傘齒箱1軸　3.傘齒箱2軸　4.旋耕刀輥

2.3預測功率的確定

在機具設計計算預測功率方面，國內外學者提出了諸如單元法、能量法、比功法及比阻法等解析方法。由于影響旋耕功耗的因素較多，所以解析法目前尚難以實際應用，只能用經驗公式簡單匡算。則有

(2)

式中η—旋耕機傳動功率，0.8～0.9；

P0—旋耕切土比阻(N/cm2)，采用實測數據；

vd—刀輥外周線速度(m/s)；

n—刀輥轉速(r/min)；

R—刀輥半徑(m)；

δ—耕前土壤密度(kg/m3)，采用實測數據。

根據黑龍江省不同地區的土壤狀況，實測耕前土壤密度并確定合理范圍，將結果代入式(2)，最終確定配套動力為22.8～34.2kW。

2.4側傳動軸的設計

側傳動軸的作用是將主變速箱的動力傳遞給側變速箱。如圖4所示，機具作業時，通過液壓控制系統，使側變速箱帶動花鍵套和六方軸的焊合體相對于主變速箱2軸做伸縮運動，最終確定機具作業位置。這樣可使棚室內整地不留死角，而且還可實現與前進方向垂直橫向起壟作業。根據經驗初選參數，選六方軸的材料為45鋼，進行調質處理，利用公式校核結構參數是否滿足強度要求，確定六方軸的直徑為36mm。

1.六方軸　2.主變速箱2軸　3.花鍵套

2.5側變速結構的整體設計

目前，市場上旋耕整地機都采用獨立側箱傳動方式，不僅使整機的質量增加，導致對土壤壓實的加劇，還加大了機具的制造成本?；谏鲜銮闆r，利用機具的側板作為軸、齒輪的安裝面，省略獨立的箱體，很好地解決了上述問題；同時，旋耕刀軸采用調心軸承安裝，保證了旋耕刀輥的同心度，增加了機具的使用壽命。

1.機架側板　2.側箱一軸　3.一軸齒輪　4.側箱二軸　5.二軸齒輪

2.6旋耕裝置設計

2.6.1旋耕刀片運動分析

設旋耕裝置某一時刻的回轉中心O為坐標原點，x軸正向與機器前進方向一致，y軸正向垂直向上，則旋耕裝置切土過程中旋耕刀上各點運動軌跡均為余擺線，如圖6所示。

圖6　旋耕裝置刀片端點運動軌跡

旋耕刀端點運動軌跡方程為

(3)

式中R—旋耕刀轉動半徑(mm)；

Ω—旋耕刀角速度(rad/s)；

vm—機具前進速度(m/s)；

t—時間(s)。

對時間求導可得旋耕刀片端點在x軸和y軸方向的分速度為

(4)

刀片端點絕對速度為

(5)

令λ=rω/vm，則式(5)可簡化為

(6)

2.6.2刀齒進給量的確定

根據農業生產的要求，要求刀片進給量不得過大，旋耕刀的進給量為

式中V前—機車前進速度(m/s)；

n—刀軸轉速(r/min)；

Z—刀輥單元切削小區內圓周設置的刀片數。

根據已知條件，確定旋耕刀的進給量為

S旋=5.7cm

由上述可看出：變更刀片數量、機器前進速度、刀輥轉速都可改變進給量。機器工作時，應在刀齒進給量S滿足農業生產要求的前提下，盡可能使用較低的轉速以減少功率消耗；但同一平面內的刀片數不宜過多，否則刀片夾角減小，易發生土壤堵塞現象。

2.6.3旋耕機刀軸的應力分析

刀軸作業時每把刀片相間入土,承受彎曲、扭轉復合載荷作用。就受彎而言,刀軸的力學模型可簡化為受若干集中載荷作用的簡支梁(見圖7),集中載荷的位置和角度由刀片的排列方式確定。刀軸任意載面處的彎矩方程為

圖7　刀軸的力學模型

根據此彎矩方程再結合刀片排列方式可推出刀軸部(x=L/2)為危險截面。由第四強度理論可得旋耕機刀軸的最大工作應力為

2.7起壟裝置設計

起壟裝置所完成的工藝過程不同于翻轉犁，為減少土壤水分蒸發，應減少翻轉及防止底層土壤翻到表層，但與翻轉犁體曲面的相同點是其基礎結構仍為成對配置的三面楔。

起壟裝置由分土板、起壟座板、起壟鏟柄和鑿形鏟尖等組成，如圖8所示。起壟鏟柄和鏟尖將土壤按已定溝底寬度切開，并向兩側分開；分土板使土壤沿兩側向后傾斜運動上升，達到預定溝邊時，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成要求的壟型。起壟裝置具有調節方便簡單的特點，起壟鏟柄上下可以在0～120cm范圍內調節，分土板根據壟形大小和壟距大小，采用張開角度調節。

1.分土板　2.起壟座板　3.起壟鏟柄　4.鑿形鏟尖

3試驗條件與方法

2014年10月，在哈爾濱市農業科學院蔬菜與花卉示范研究溫室大棚，對1GZ-140V2型棚室整地機進行了田間性能試驗。選取地形與土壤狀況類似、前茬作物不同的地塊，重復進行5次試驗。結果表明：大于6mm的茬塊極少，起壟效果較好。試驗區域土壤類型為黑土，土壤容重為1.3g/cm3，土壤含水率平均值為20.7%，地表10cm之內土壤堅實度平均值為37.4kPa。未作業前做好標記，作業后原地篩取土塊并分級稱重，計算出測區內土塊最長邊小于4、4～8cm和大于8cm土壤質量分別占土塊總質量的比例。測試的結果如表3～表5所示。

表3　1號地碎土效果

表4　2號地碎土效果

表5　3號地碎土效果

1號地種植作物為西紅柿，2號地種植作物為豆角，3號地種植作物為辣椒。

由表3可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤質量分別占土塊總質量的比例均值為77.6%、18.4%和4%。由表4可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤質量分別占土塊總質量的比例均值為83.8%、15.4%和0.8%。由表5可知：小于4、4～8cm和大于8cm土壤質量分別占土塊總質量的比例均值為85.2%、14.8%和0%。試驗結果表明：1GZ-140V2型棚室聯合整地機作業后棚室內土壤碎土效果理想，小于4cm的土壤質量占土塊總質量的比例均超過70%；在土質較為疏松的2號和3號地，作業效果優于1號地。

4經濟效益與發展趨勢分析

目前國內微耕機以2.20～5.88kW柴油機或汽油機作為配套動力，采用獨立的傳動系統和行走系統，一臺主機可配帶多種農機具。耕深在8～12cm，生產率0.02hm2/h。微耕機具有小巧、靈活的特點，適合獨戶或聯戶購買使用。但也存在以下問題：①動力不足的問題。耕深淺、作業效率低、勞動強度大、維修成本高。②系列化、通用化、標準化程度低。③生產規模小、成本高。因此，提高棚室耕整地工作效率，減輕人工的勞動強度和減少勞動力數量，發展高效的棚室耕整地機具是未來的發展方向。目前，農村正在大力推廣棚室種植產業，大棚的保有量在逐年增加，到2015年按哈爾濱市有20萬棟大棚計算，如每50棟大棚有1臺棚室高效整地機，市場需求就達到4 000臺。因此，棚室聯合整地機具有很大的市場潛力和發展空間。

5結論

1)該機具配套專用棚室大功率拖拉機，其耕整深較大、碎土率高。

2)碎土耕整地采用旋耕作業方式，機具采用液壓裝置控制其作業方位，解決了棚室邊角地帶空間小，一般機具難以作業的問題，實現耕整地不留邊、角。

3)旋耕碎土動力采用側邊箱傳動，刀軸采用整體通長刀軸，機具作業時無漏耕現象。

4)機具一次進地可實現旋耕、起壟聯合整地作業，使田面達到待播狀態,碎土率達到70%以上。

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The Design and Experiment of 1GZ-140V2 Soil Preparation Machine for Greenhouse

Li Xiangjun1,2，Xu Chunlin2，Zhao Dayong2，Geng Tao2，Zhang Baoku2

(1.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China；2.Harbin Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150029，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of soil preparation in greenhouse and reduce labor intensity, this paper designed a soil preparation machine according to the agronomic requirements. Described the working principle，analyzed structural parameters，and studied the working parts . Combined with the tractor, the machine could complete the process of rotary tillage and ridging， and the field could meet the needs of agricultural demands.

Key words：soil preparation for greenhouse；lateral movement；ridging

文章編號：1003-188X(2016)01-0126-06

中圖分類號：S233.1

文獻標識碼：A

作者簡介：李向軍(1981-)，男，內蒙古赤峰人，工程師，碩士研究生，(E-mail)bruce-li24@163.com。

基金項目：哈爾濱市科技攻關項目(2013AA6AN037)

收稿日期：2015-02-25