1WG-6.3型微耕機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

曾　晨，李　兵，李尚慶，徐成剛，王小勇

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.茶與食品科技學(xué)院,合肥　230036)

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1WG-6.3型微耕機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

曾晨a，李兵a，李尚慶b，徐成剛a，王小勇a

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.茶與食品科技學(xué)院,合肥230036)

摘要：基于我國(guó)耕地資源的基本國(guó)情和大部分耕地分布在山地、丘陵的現(xiàn)狀，并且綜合我國(guó)微耕機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，在原有機(jī)型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造了1WG-6.3型微耕機(jī)。首先對(duì)1WG-6.3型微耕機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)使用ansys對(duì)旋耕刀進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出刀具應(yīng)力、應(yīng)變最大處，并進(jìn)行改進(jìn)；然后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后使用樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：1WG-6.3型微耕機(jī)，操作簡(jiǎn)單、平穩(wěn)可靠、工作效率高，平均耕作深度為160mm，平均耕作幅寬為390mm，各項(xiàng)參數(shù)均高于技術(shù)要求，能夠滿(mǎn)足如茶園、果園及農(nóng)田等各項(xiàng)作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī)；耕作部件；傳動(dòng)系統(tǒng)

0引言

目前，我國(guó)耕地資源面臨嚴(yán)重問(wèn)題,人均耕地少，高質(zhì)量的耕地少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)66%以上的耕地分布在山地、丘陵及高原地區(qū)，只有34%的耕地分布在平原、盆地等地勢(shì)平穩(wěn)的地區(qū)[1]；耕地地形復(fù)雜, 耕地總體質(zhì)量不高。另外，家庭經(jīng)營(yíng)還是最普遍的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)形式,種植地塊小,不適宜大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用。在這種情況下,微耕機(jī)憑借其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、維修方便的特點(diǎn)，在一定程度上解決了大型耕作機(jī)械無(wú)法進(jìn)入復(fù)雜地形田塊作業(yè)的問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用前景[2-5]。

微耕機(jī)是指配套動(dòng)力的功率不大于7.5kW,可以直接用驅(qū)動(dòng)輪軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作部件,主要用于大棚蔬菜種植、田園管理及設(shè)施農(nóng)業(yè)等耕耘作業(yè)[6]。微耕機(jī)的動(dòng)力多以小型柴油機(jī)或汽油機(jī)為主，除了能進(jìn)行基本的旋耕、碎土和犁耕作業(yè)外,如果配以相應(yīng)機(jī)具,還能完成播種、抽水、噴藥、覆土和開(kāi)溝等多種作業(yè)。按照功率的大小，可將微耕機(jī)分為小型(4.5kW以下)，中型(4.5～6.0kW)，大型(6.0～7.5kW)3類(lèi)。本文對(duì)新型微耕機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理做簡(jiǎn)要說(shuō)明，重點(diǎn)對(duì)于微耕機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行田間試驗(yàn)，把試驗(yàn)結(jié)果和理論分析進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論。

1總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

1WG-6.3型微耕機(jī)是在原有機(jī)型的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)的，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微耕機(jī)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、耕作部件、耕深調(diào)節(jié)裝置、操縱裝置、機(jī)架及外部罩殼等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)選用柴油機(jī)。傳動(dòng)系統(tǒng)由帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)及箱體組成，作用是傳輸動(dòng)力、降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩。行走機(jī)構(gòu)是由行走輪和傳動(dòng)軸組成。耕作部件主要是旋耕刀總成，包括旋耕刀、刀軸、刀座、螺栓和螺母等。耕深調(diào)節(jié)裝置是通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器前端的限深輪來(lái)完成的。操作裝置主要有把手、離合器、油門(mén)及變速桿等。在旋耕刀上方安裝有擋泥板和平土板，土塊撞到上面可以進(jìn)一步細(xì)碎和回歸地面。

發(fā)動(dòng)機(jī)選用額定功率為6.3kW的單缸立式風(fēng)冷四沖程柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min，動(dòng)力強(qiáng)勁、油耗低、污染小、噪音低。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，動(dòng)力損失小，能夠滿(mǎn)足多種作業(yè)需求。該機(jī)操作簡(jiǎn)單、行走輕便，能夠在地形復(fù)雜田塊工作，還可以更換工作部件，完成不同的田間作業(yè)。所設(shè)計(jì)微耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

微耕機(jī)采用張緊式離合器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。整機(jī)設(shè)計(jì)了3個(gè)行駛狀態(tài)和2個(gè)速度擋位，具體如表2所示。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)　2.帶傳動(dòng)　3.后機(jī)架　4.行走輪　5.驅(qū)動(dòng)輪變速箱

項(xiàng)目單位參數(shù)值配套動(dòng)力功率kW6.3外形尺寸mm1300×550×800發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nr/min1500耕作幅寬mm300~500耕作深度mm120~180刀滾轉(zhuǎn)速r/min200~300工作速度km/h3~5耕后地表平整度cm≤5碎土率%≥50耕深變異系數(shù)%≤15除草率%>90作業(yè)效率hm2/h0.13~0.27

表2　微耕機(jī)不同擋位速度表

1.2工作原理

田間作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞路線(xiàn)主要有兩條：一是通過(guò)帶傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪變速箱將動(dòng)力傳到驅(qū)動(dòng)輪，使旋耕機(jī)獲得不同的行駛速度；二是通過(guò)帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和旋耕輪變速箱將動(dòng)力傳到耕作部件，驅(qū)動(dòng)旋耕刀作業(yè)。耕作部件一般由旋耕刀、刀座和刀軸組成。其中，旋耕刀按照螺旋線(xiàn)的規(guī)律排列固定在刀軸上。當(dāng)動(dòng)力經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸旋轉(zhuǎn),旋耕刀就會(huì)隨著刀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷切削土壤；由于刀片特有的形狀和切削帶來(lái)的慣性，土壤就會(huì)被向后拋擲與擋泥板相撞細(xì)碎然后落回地面,達(dá)到了切土、拋土、碎土、松土及平地的目的。在作業(yè)過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際情況,可以通過(guò)耕深調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)耕深,也可以選擇不同的擋位調(diào)節(jié)微耕機(jī)前進(jìn)速度。

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1耕作部件

耕作部件作為旋耕機(jī)的重要工作部件，主要由旋耕刀軸、刀座和旋耕刀組成。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，旋耕刀采用65Mn或者其他品質(zhì)相當(dāng)?shù)牟牧现圃欤?jīng)鍛壓成形，刀身部分熱處理硬度為HRC48～54；刀柄部分硬度為HRC38～45，刀身部分金相組織為回火馬氏體,刀柄部分為回火屈氏體。刀軸的制造要滿(mǎn)足其剛度和強(qiáng)度要求[8]。耕作部件軸測(cè)圖如圖2所示。

圖2　耕作部件軸測(cè)圖

2.1.1旋耕刀的受力分析

旋耕機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，旋耕刀旋轉(zhuǎn)不斷進(jìn)行切土、拋土、碎土，這個(gè)過(guò)程中土壤對(duì)旋耕刀施加一個(gè)反作用力，亦稱(chēng)土壤阻力。旋耕刀在不斷切削土壤的過(guò)程中，與土壤的接觸面積不斷變化，其位置也不斷變化，因此土壤阻力的大小、方向及作用點(diǎn)在整個(gè)切削土壤的過(guò)程中都在不斷變化。

綜合以上原因，對(duì)旋耕刀所受到的土壤阻力進(jìn)行簡(jiǎn)化。在整個(gè)切削土壤的過(guò)程中，旋耕刀所受到的軸向力(垂直于XOZ平面)較小，在此忽略不記，所以主要考慮作用在旋耕刀刀刃上的力。旋耕刀受力如圖3所示。

圖3　旋耕刀受力分析圖

由圖3可知，旋耕刀所受到的土壤阻力F可做正交分解為FX、FZ，則有

也可把F沿切線(xiàn)和法線(xiàn)方向分解為切向力Ft、法向力Fn，則有

切向力Ft對(duì)刀軸中心產(chǎn)生一個(gè)阻力矩M，其大小為M=Ft·r。

2.1.2旋耕刀的有限元靜力學(xué)分析

首先，在三維軟件catia中使用描點(diǎn)法建立旋耕刀實(shí)體模型，利用ansys和catia的無(wú)縫接口，在ansys導(dǎo)入旋耕刀實(shí)體模型；然后，對(duì)該實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立旋耕刀的有限元模型(見(jiàn)圖4)。旋耕刀材料選取合金鋼，彈性模量為2.1E+011N/m2，泊松比為0.3，密度為7 800kg/m3。在旋耕刀刀柄安裝孔處施加固定約束，在旋耕刀側(cè)切刃、過(guò)渡面刃口、正切刃出分別施加500N的力[13]。最后進(jìn)行求解，得到旋耕刀受力的總變形、應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果，如圖5～圖7所示。

根據(jù)旋耕刀的有限元分析結(jié)果，可以看出：①旋耕刀在工作過(guò)程中，總變形最小地方在刀柄處，總變形最大的地方發(fā)生在安裝孔最遠(yuǎn)端，即旋耕刀的正切刃處。②旋耕刀在工作過(guò)程中，應(yīng)力最小的地方在旋耕刀正切刃處，應(yīng)力最大的地方發(fā)生在刀柄與刀背連接處。這也反映出現(xiàn)實(shí)中旋耕刀易斷裂的位置。③應(yīng)變最小處和最大處與應(yīng)力分布情況一致。所以，在選用制造旋耕刀時(shí)，需要在旋耕刀刀柄和刀背連接處，進(jìn)行加強(qiáng)處理，以防止其斷裂。

圖4　實(shí)體模型網(wǎng)格化分

圖5　變形分析結(jié)果

圖6　應(yīng)力分析結(jié)果

圖7　應(yīng)變結(jié)果圖

2.2傳動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置主要包括帶輪傳動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)輪變速箱、鏈輪傳動(dòng)部件及旋耕輪變速箱。工作時(shí)，動(dòng)力經(jīng)帶輪傳遞給驅(qū)動(dòng)輪變速箱，驅(qū)動(dòng)輪變速箱輸入軸的另一端將動(dòng)力經(jīng)鏈輪傳遞給旋耕輪變速箱。驅(qū)動(dòng)輪變速箱由齒輪變速完成的，旋耕輪變速箱由齒輪變速和鏈輪變速兩部分組成。

2.2.1驅(qū)動(dòng)輪變速箱的設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 500r/min，綜合工作人員行走速度和機(jī)器工作效率，設(shè)計(jì)如下：

1)前進(jìn)擋位時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪低速和高速速度分別為n1Ⅰ=60r/min和n1Ⅱ=75r/min。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到前進(jìn)擋低速和高速的總傳動(dòng)比為

2)倒退擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪低速、高速速度分別為n2Ⅰ=30r/min和n2Ⅱ=37.5r/min。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到倒退擋低速和高速的總傳動(dòng)比為

驅(qū)動(dòng)輪變速箱前進(jìn)檔低速和高速傳動(dòng)比分別為

驅(qū)動(dòng)輪變速箱倒退檔低速和高速傳動(dòng)比分別為

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)旋耕輪變速箱，原理如圖8所示。其中，Z1到Z12齒數(shù)分別為12、14、44、41、12、15、15、24、21、45、12、45，此時(shí)擋位為空擋，當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪B向右滑動(dòng)，滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪A不變，驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)低速檔位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z1→Z3→Z6→Z9→Z11→Z12；當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪B向右滑動(dòng)，滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪A向右滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)高速檔位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z2→Z4→Z6→Z9→Z11→Z12；當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪B向左滑動(dòng)，滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪A不變，驅(qū)動(dòng)輪倒退低速檔位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z1→Z3→Z5→Z8→Z7→Z10；當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪B向左滑動(dòng)，滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪A向右滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪倒退低速檔位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z2→Z4→Z5→Z8→Z7→Z10。實(shí)際傳動(dòng)比計(jì)算如下，有

1.輸入軸　2.中間Ⅰ軸　3.中間Ⅱ軸　4.中間Ⅲ軸　5.輸出軸

以上計(jì)算結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)輪變速箱各擋傳動(dòng)比與理論傳動(dòng)比一致，故符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2旋耕輪變速箱的設(shè)計(jì)

旋耕輪低速和高速轉(zhuǎn)速分別為n3Ⅰ=200r/min和n3Ⅱ=300r/min。則旋耕輪變速箱低速和高速理論總傳動(dòng)比為

旋耕輪變速箱低速和高速傳動(dòng)比分別為

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)旋耕輪變速箱，原理如圖9所示。其中，Z1到Z6齒數(shù)分別為：15、18、50、40、12、18，此時(shí)擋位為空擋。當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪向左滑動(dòng)，旋耕輪高速擋位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z1→Z3→Z5→Z6；當(dāng)2軸上滑動(dòng)雙聯(lián)齒輪向右滑動(dòng)，旋耕輪低速擋位傳動(dòng)路線(xiàn)為：Z2→Z4→Z5→Z6。傳動(dòng)比計(jì)算，有

1.輸入軸　2.中間軸　3.輸出軸

以上計(jì)算結(jié)果表明：旋耕輪變速箱各擋傳動(dòng)比與理論傳動(dòng)比一致，故符合設(shè)計(jì)要求。

3田間試驗(yàn)

微耕機(jī)設(shè)計(jì)制造完成后，于2014年10月在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)過(guò)程中用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有：土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀(精確度2kPa)、電子天平(精確度1g)、電子秒表、3m卷尺、30cm鋼尺；測(cè)量的項(xiàng)目有土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤相對(duì)濕度、耕作深度與寬度、微耕刀軸的轉(zhuǎn)速等。測(cè)定的方法根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)參考文獻(xiàn)。

用土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀測(cè)得該土地的平均土壤堅(jiān)實(shí)度為852kPa，試驗(yàn)測(cè)得土壤的相對(duì)濕度為21.3%。耕深測(cè)量采用手工測(cè)定，在旋耕機(jī)工作后方，選取若干點(diǎn)，由人工清理溝底，然后用耕深儀或耕深尺量取溝底至未耕地表面的距離[21]，測(cè)的微耕機(jī)的耕深為160mm左右，耕寬為390mm左右。該微耕機(jī)的在耕深調(diào)節(jié)裝置的控制下可以實(shí)現(xiàn)深度的調(diào)節(jié)，深度越深，能量的損耗也會(huì)增大。為了使微耕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中能夠靈活轉(zhuǎn)彎的同時(shí)減少在作業(yè)時(shí)能量的消耗，使用微耕機(jī)對(duì)作業(yè)區(qū)域來(lái)回4次作業(yè)，滿(mǎn)足耕作深度要求。微耕機(jī)在工作過(guò)程中，工作平穩(wěn)可靠。實(shí)驗(yàn)測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖10　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

項(xiàng)目單位參數(shù)工作效率km2/h0.26平均耕深mm160平均耕寬mm390耕深變異系數(shù)%10碎土率%80除草率%95穩(wěn)定性系數(shù)%92

4結(jié)論

所設(shè)計(jì)的微耕機(jī)適用于南方丘陵、山區(qū)或復(fù)雜地形的田塊進(jìn)行作業(yè)，使用可靠性高,能夠降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大增加了工作效率。其特點(diǎn)如下：

1)整機(jī)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)向靈活、操作方便，能夠在地形復(fù)雜田塊工作。

2)動(dòng)力強(qiáng)勁、油耗低、污染小、噪音低，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，在滿(mǎn)足作業(yè)需求的基礎(chǔ)上動(dòng)力損失小。

3)操作把手可自由調(diào)節(jié)其高度，左右360°旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)不同的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果分析顯示：所設(shè)計(jì)的微耕機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均高于微耕機(jī)的技術(shù)要求，在滿(mǎn)足耕深要求的同時(shí)，又能保持較高的工作效率和穩(wěn)定性。另外，針對(duì)該機(jī)能耗、傳動(dòng)系統(tǒng)的再優(yōu)化、刀片的選擇及安裝位置還需要進(jìn)一步的研究，以達(dá)到更好的作業(yè)效果和更低的功耗。

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Design and Experimental Study of1WG-6.3 Type Micro Cultivator

Zeng Chena,Li Binga,Li Shangqingb,Xu Chengganga,Wang Xiaoyonga

(a.Engineering College；b.Tea And Food Science College，Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

Abstract：It is the current situation of cultivated land resources in China that cultivated land mainly distributed in mountain area,hilly area. Based on fundamental realities of cultivated land resources and comprehensive its present situation in china,we design and manufacture of 1WG-6.3 type micro cultivator.Firstly，this paper introduces the structure and the working principle of 1WG-6.3 Type micro cultivator. Then focusing on the design analysis of the tillage components and transmission system for micro cultivator.Finally，we doing extensive field trials using 1WG-6.3 type micro cultivator.The results show that 1WG-6.3 type micro cultivator is simple operation,stable and reliable，high efficiency in the work process.The average farming Micro cultivator depth is 160mm and the average tillage width is 390mm. All the parameters above can meet the technical requirements, such as tea garden, orchard, farmland and other operational requirements.

Key words：micro cultivator; tillage components; transmission system

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0132-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：曾晨(1992-)，男，安徽宿州人，碩士研究生，(E-mail)729292150@qq.com。通訊作者：李兵(1971-)，男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303012);農(nóng)業(yè)部茶園機(jī)械專(zhuān)項(xiàng)(11004544)

收稿日期：2014-12-23