小型多功能聯合作業耕耘機設計

李超軍，葉　進, 薛元鵬

(西南大學 工程技術學院，重慶　400715)

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小型多功能聯合作業耕耘機設計

李超軍，葉進, 薛元鵬

(西南大學 工程技術學院，重慶400715)

摘要：微型耕耘機具有體積小、質量小和方便運輸等優點，適宜在丘陵山區作業。我國的微耕機近年來經歷快速發展[1]，現已能基本滿足農業生產要求；但是，國內微耕機大多只能完成某一特定作業，功能單一，且工作穩定性不好。為此，提出一種具備深松、推土、旋耕等功能的乘坐式小型多功能聯合作業耕耘機，能同時完成兩項作業，且能根據作業要求更換配套工作部件；其配備液壓控制系統，可有效調節后旋耕部件耕深，并對工作部件起到過載保護的作用。田間試驗表明：其作業效果良好，并具有較好的操縱性和工作穩定性，能較好地滿足丘陵山區的作業要求。

關鍵詞：聯合作業；液壓控制系統；調節耕深；可更換工作部件

0引言

由于丘陵山區的特殊地貌(農田大多地塊小、田埂高、坡度大)，無法應用大型農業機械進行土地耕整作業，所以丘陵山區的農業機械化發展一直是我國的一項難題。微耕機具有體積小、質量輕、價格便宜等特點，比較適宜用于丘陵山區的農田作業，其已成為我國丘陵山區耕整地的主要農業機械，并使丘陵山區機耕水平得到了長足進步。

隨著微耕機的普及使用，其缺陷也日益凸顯。微耕機的旱地耕深一般在15cm左右，而土壤經多年的淺層翻耕后，表土下出現了硬底層，使得表層土壤內微生物積聚，土傳病害加重；且虛層和實層土壤上下分明，導致作物根系大多分布在淺層土壤中，無法突破硬底層向下生長，使作物無法從較深的土壤中吸取養分，影響作物的生長發育。同時，由于表層土壤比較淺，其蓄水能力有限，降低了土壤的儲水能力[2]。

各類微耕機作業相關資料表明，目前國內使用的微耕機大都存在以下缺陷：

①功能單一，不能多機具同時協同作業；②耕深淺，且操作勞動強度大；③缺乏過載保護能力，耕作時遇到石塊、樹根等可能會損壞機器；④深松和旋耕深度不易調節；⑤在耕作時行走輪的靈活性較差。

鑒于現有技術的上述缺陷，設計了一種小型多功能聯合作業耕耘機。其采用雙耕作部件自平衡技術，可較好地緩解旋耕振動，有效降低操作者勞動強度；采用乘坐式雙履帶底盤技術，從根本上解決了操縱舒適性的問題；采用液壓控制系統，可調節深松和旋耕深度，且可以起到過載保護的作用。

1整機布局設計

該乘坐式小型多功能聯合作業耕耘機整體布局如圖1所示。其包括動力系統、機架、驅動輪、支撐輪、履帶、前深松裝置、后旋耕部件及液壓控制系統，工作時前進方向為圖1中從左向右方向。

1.動力系統　2.主動輪　3,8液壓油缸　4.深松鏟

本機采用15kW雙缸汽油機作為動力，動力通過帶傳動傳遞給主減速器后，一部分通過變速箱傳遞到驅動輪上，驅動主動輪轉動，帶動履帶轉動，從而驅動整機前進；另一部分從主減速器通過帶傳動傳遞給液壓油泵，油泵泵油通過油管驅動液壓活塞桿做伸縮運動，驅動后懸掛裝置的液壓馬達運動，從而驅動旋耕刀軸旋轉。

液壓系統一方面通過控制液壓杠的伸縮運動來調節深松部件角度和旋耕部件的離地間隙來調節耕作深度，可以根據田間土壤情況的不同而調節耕深，使耕耘機始終保持較為理想的工作狀態；另一方面對作業部件起到過載保護的作用。當耕作部件遇到障礙物時做出避障動作，保護刀具，從而延長耕耘機的使用壽命。同時，該機工作時可同時完成深松和旋耕兩項作業，且前深松裝置可換裝成推土鏟等其它工作裝置，后懸掛裝置上也可換裝起壟部件等其它作業部件，從而達到前后協同作業和一機多用的效果。行走裝置為雙履帶式輕量化底盤，其兩邊驅動輪都裝有牙嵌式離合器，通過切斷一邊的動力來實現轉向，從而提高整機的通過性和轉向靈活性。

2液壓控制系統設計及原理

該耕耘機上配備的液壓系統主要功能為調節旋耕耕深和深松鏟及推土鏟的角度，同時對工作部件起到過載保護的作用，其工作原理如圖2所示。

1.油箱　2.過濾器　3.液壓泵　4.耕深調節電磁閥

圖2中：液壓油缸的活塞桿端與連接后懸掛部件的搖臂用銷軸鉸接，缸體端鉸接在機架上，通過控制活塞桿的伸縮運動帶動懸臂做上下運動，調節旋耕刀軸的離地間隙，從而達到調節耕深的作用[3]。當耕耘機以一定耕深正常工作時，動力經主減速器通過帶傳動來驅動液壓泵運轉，液壓油由油箱經過濾器被吸入液壓泵，然后經過溢流閥流回油箱；當耕耘機在土壤較板結或較粘黏的田塊作業時，需要減小耕深來保證發動機處于較理想的工作狀態。此時，控制耕深調節電磁閥，使液壓油經過電磁閥和單向閥進入油缸右側，同時油缸左側的液壓油回流，使得活塞桿向左縮進缸體內，帶動搖臂向上擺動以達到減小耕深的目的。當耕耘機在土壤較疏松的田塊作業時，要增大耕深。此時，控制耕深調節電磁閥，使液壓油經過電磁閥和單向閥進入油缸左側，同時油缸右側的液壓油回流回油箱，使得活塞桿向右伸出，驅動搖臂向下擺動以達到增大耕深的目的。

當耕作部件遇到大的石塊或者樹根時，耕作部件受到阻礙，產生反作用力，經過搖臂傳遞給活塞桿，從而加大油缸左側液壓油壓力。當回路中液壓油壓力超過溢流閥設定的保護閾值時，溢流閥溢流，卸荷，液壓油流回油箱。此時，耕作部件做出避讓動作，起到保護耕作部件的作用。前深松部件的液壓控制原理與控制旋耕部件的同理，故不作贅述。

3旋耕部件設計

后置旋耕部件通過懸臂掛接在機架上，旋耕刀軸通過液壓馬達驅動，從而實現旋耕刀軸轉速的無極調速，刀軸的轉速可以根據耕耘機的前進速度調節，使得旋耕刀軸的轉速和前進速度比λ>1，保證較為理想的旋耕效果。旋耕刀選用彎刀，由正切部和側切部構成，有較為鋒利的正切刃、側切刃及刃口為曲線，有較好的滑切性能。作業時，刀刃按離刀軸中心的距離先近后遠依次入土，利于將掛在刃口上的雜草和莖稈沿刃口甩出。

旋耕部件采用順銑方式作業，刀輥的轉向與履帶驅動輪的轉向相同，刀片由未耕地表向下向后切土拋土；工作時，土壤給刀片一個沿耕耘機前進方向的力，相當于增加了部分耕耘機的前進動力[4]。圖3為一定試驗條件下土壤含水率、堅實度與所需功率的關系。

由圖3可見：旋耕的功耗隨土壤含水率的增加而減小，隨土壤堅實度的減小而減小。根據經驗公式有

N=0.1KλdvmB

(1)

其中，d為耕深(cm)；vm為機組前進速度(m/s)；B為耕幅(m)；Kλ為旋耕比阻(N/cm2)。顯而易見：當耕深加大，機組前進速度加快；土壤比阻較大時，旋耕所消耗的功率也隨著增大。所以，為了適應不同條件的耕作，且保持發動機處于較理想的工作狀態，本耕耘機采用液壓馬達驅動旋耕刀軸，通過操作液壓系統可以達到調節耕深的效果。旋耕部分可以實現無極調速，使得刀軸的旋轉速度可根據前進速度適當的調節，保持旋轉速度與前進速度的比值一直在合理范圍內，以適應不同田間狀況[5]。

當耕耘機處于運輸狀態時，切斷液壓馬達動力，使旋耕部分停止轉動；同時，操作液壓控制系統將后置旋耕部分提升到最高位置，離開地面，便于耕耘機的運輸。

圖3　土壤含水率、堅實度與所需功率的關系

4前置作業部件

前置作業部件為懸掛式深松鏟，采用間隔深松，部件幅寬為1.1m，總鏟數為4條，耕深為18cm。

研究表明：不同的深松鏟在深松作業時都可以在一定程度上改善土壤的性能，但在同樣的條件下，鑿型深松鏟相對箭型深松鏟和雙翼深松鏟而言，其在改善土壤持水量、土壤溫度和土壤堅實度方面的綜合作用較其他兩種效果更好[6]。鑿型深松鏟可改善土壤的團粒結構并使土壤的堅實度降低，從而達到提高土壤溫度和蓄水能力，使作物能夠更好的生長。所以，本耕耘機的深松部件選用鑿型深松鏟。

如圖4所示：前置深松鏟鉸接在機架上，大臂油缸鉸接在機架上，活塞桿端鉸接于深松鏟安裝座上，小臂油缸鉸接在深松鏟安裝座上，活塞桿端與深松鏟連接，深松鏟則通過鉸鏈安裝在安裝座上。這樣就可以通過控制液壓系統來調節深松部件做出相關動作。當深松鏟遇到大的石塊或者樹根等障礙時，其反作用力使得液壓系統油路壓力上升；超過設定的閾值時，溢流閥卸荷，小臂活塞桿縮進油缸內，使深松鏟完成避讓的動作，起到過載保護的作用。當耕耘機處于運輸狀態時，則控制大臂油缸，將整個深松部件提起，便于運輸。同時，前置作業部件亦可換成小型推土鏟，可實現推土平地的作用。

1.深松鏟　2.小臂油缸　3.機架　4.大臂油缸

5行走裝置

本文提出的小型耕耘機行走裝置為輕量化設計的雙履帶底盤，包括主動輪、從動輪和履帶，如圖5所示。其中，主動輪安裝在動力系統輸出軸上，主動輪下方設置有若干個從動輪，安裝在底盤上，主要起支撐作用；主動輪通過履帶帶動從動輪轉動，履帶均勻地接觸地面，從而驅動整機行走。雙履帶底盤保證了耕耘機良好的通過性、轉向靈活性和地形適應能力[7]。

圖5　履帶

6結論

根據第一代樣機的田間試驗效果可知，該耕耘機可以達到較大深松耕深，前深松后旋耕協同作業效果也比較理想，其液壓耕深調節系統也可基本滿足要求。同時，由于其采用乘坐式耕作方式，有效地降低了操作者的勞動強度，總體而言效果基本達到預期要求。

但是，其存在一定的問題，當遇到比較板結的土壤時，保持設計耕深作業時發動機會冒黑煙；當耕作部件遇到石塊等障礙物時，其液壓避障系統的反應速度稍顯緩慢，且其回位速度比較不理想。所以，后續仍需繼續改進其各個部件以及部分機構的原理。

參考文獻：

[1]劉國敏.我國微耕機的現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2004(3)：13-15.

[2]王耀文，葉進.基于TRIZ理論的煙田小型深耕機研制[J].西南大學學報：自然科學版，2014(4)：198-204.

[3]季瑞，王忠賓，關明.采煤機滾筒自動調高的液壓控制方法[J].機床與液壓，2013(2)：100-101,143.

[4]蔣宏.微耕機旋耕刀組的分類與選用[J].農業機械，2011(6)：65-66.

[5]陳志，華國柱.農業機械設計手冊[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

[6]張紹軍.3種深松鏟對深松作業效果研究[J].農業科技與裝備，2012(6)：23-25.

[7]張戰文.微型履帶山地拖拉機穩定性能研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2011.

Design of Utility Combination Process Micro-cultivator

Li Chaojun, Ye Jin, Xue Yuanpeng

(College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715，China)

Abstract：Micro-cultivator , having the advantages of small size , light weight , convenient transportation , is suitable for operation in hilly regions . Owing to its great market prospects, micro-cultivator can basically meet the requirements of agricultural production now after its rapid development in recent years. However, most of the domestic micro-cultivator can do only one specific job and perform bad in working stability. In order to solve these problems, this paper puts forward a new kind of utility combination process riding micro-cultivator which has the ability of subsoiling, bulldozing, rotary tillage and so on. Also, it can once complete two operations and can meet the requirements of agricultural production by changing its working parts. The hydraulic control system, which is placed on the micro-cultivator, can effectively adjust the depth of rotary tillage part and protect the working parts from overload. Field trials have proved that the micro-cultivator, performing good at operation effect, maneuverability and working stability, can well meet the requirements of agricultural production in hilly regions.

Key words：combination process; hydraulic control system; adjusting depth; changing working parts

中圖分類號：S222.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0150-04

作者簡介：李超軍(1992-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，(E-mail) 656800187@qq.com。通訊作者：葉進(1962-)，男，四川威遠人，教授，碩士生導師，(E-mail)yejin2007@gmail.com。

基金項目：重慶市科委項目(cstc2014jcsf-nycgzhA80018)

收稿日期：2015-10-26