1GKN系列旋耕機的研制

佟軍民，燕亞民，韓根發，岳志剛，李保謙

(1.許昌職業技術學院，河南 許昌 461000；2.河南豪豐機械裝備有限公司，河南 許昌 461000；3.河南農業大學 機電工程學院，鄭州 450002)

0 引言

隨著農業耕作技術的不斷進步，農業裝備在農業生產中發揮的作用也越來越明顯。但是，各種小、中型農業機械連年頻繁對土壤重復碾壓和化肥、農藥的廣泛使用，易引起土壤板結、肥力減退、蓄水能力下降、物理性能變壞、病蟲害增多、抗災害能力減退等一系列問題。同時，大力推廣秸稈粉碎還田，減少了環境污染，對培肥地力、延緩土壤板結、提高單位面積產量起到了一定的積極作用。隨之而來，出現了新的問題, 主要是秸稈粉碎后得不到及時掩埋, 極易干燥, 不僅肥效減退, 且不易腐爛,影響下茬農作物根系的發育，不利于高產。如果對土壤實施深翻或深耕，對解決土壤板結問題雖然比較有效，但是消耗動力大，投資費用高。行之有效的方法是秸稈粉碎還田機與旋耕機配套作業, 利用旋耕作業技術將粉碎后的碎秸稈掩埋。

目前，國內雖然有眾多企業生產不同類型的旋耕機，其作業質量大都也能滿足農藝要求；但隨著社會的進步和廣大農村的生產生活節奏的加快, 農民對農業裝備的要求也越來越高,大部分機型的作業性能質量均出現了不能滿足要求的情況[1-3]。因此,對原旋耕機實施改進研究和技術提升, 并適時研究開發大馬力拖拉機配套作業的旋耕機顯得尤為重要[4]。

為此，研制開發了1GKN系列新一代旋耕機。該系列旋耕機主要有1GKN-125、1GKN-140、1GKN-150、1GKN-165、1GKN-180、1GKN-200H、1GKN-230H、1GKN-250H、1GKN-280H 9種型號，與該系列旋耕機配套的動力范圍為14.7～95.6kW。該系列旋耕機工作寬幅范圍為1 250～2 800mm，適應作業前進速度為2～7km/h，工作效率為0.2～0.7m2/h，使用可靠性≥90%，旋耕深度為8～16cm，耕深穩定性≥85%，碎土率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆蓋率≥85%。

1 整機結構與工作原理

1.1 基本結構

1GKN系列旋耕機的主要工作部件包括機架、減速箱、旋耕刀軸、旋耕刀座、旋耕刀、懸掛架、輸入軸、鎮壓輥等。旋耕機齒輪箱采用中間傳動，傳動平穩，整體采用框架式結構，受力平衡。該機具以機架為裝配主體，所有零部件通過機架鏈接為一個整體，并通過機架保證各零部件之間的相對位置關系，從而保證機具的正常工作。減速箱安裝在機架的中央位置，通過機架保證減速箱輸出軸與機架兩側板上的刀軸安裝孔同軸；懸掛架安裝在機架的上方并與減速箱保證一定的位置關系；旋耕刀安裝在刀座上，刀座焊接在旋耕軸管上，旋耕刀軸一端通過軸承、軸承座安裝在機架側板上，另一端安裝在減速箱輸出軸上；鎮壓輥通過銷軸與機架相連接并采用彈簧施壓，保證在工作時對地面產生一定的鎮壓作用。

1.2 工作原理

旋耕機作業時，拖拉機動力輸出軸傳遞的動力經萬向節傳動軸直接傳入本機減速箱，經箱內齒輪組減速后傳到輸出軸(花鍵軸), 直接帶動安裝在花鍵軸上的左右旋耕刀軸做旋切轉動；隨著拖拉機起步前進，機具緩慢落地，在拖拉機牽引力作用下勻速前進；旋耕刀在旋轉中將耕深范圍內土壤切碎的同時，將前茬作物秸稈、根茬及其它植被覆蓋在地表以下, 緊隨其后的復土裝置或鎮壓輥將旋耕后的松土拖平或壓實完成旋耕整地作業。

1.懸掛架 2.輸入軸 3.減速箱 4.機架 5.鎮壓輥 6.旋耕刀軸 7.旋耕刀座 8.旋耕刀 圖1 1GKN-200型旋耕機結構示意圖Fig.1 The structure diagram of 1GKN-200 rotary tiller

1.3 主要參數

設計的1GKN系列旋耕機主要參數如表1所示。

表1 1GKN主要技術參數Table 1 The 1GKN Technical parameter

2 關鍵部件的設計與要求

2.1 機架

機架是旋耕機的主要部件之一，關系到機具裝配時各種不同零部件的安裝、定位，以及用于田間不同作業要求時各種部件位置調整等。設計時，既要考慮到選用的原輔材料受力強度、外觀的規整和用材的節儉，又要考慮原輔材料市場的供應狀況。制造時，要盡量規避焊接變形；裝配時，要保證各縱梁位置與其他各種部件不干擾。為了確保制造的機架滿足設計要求, 需要對該機架的前后梁實行下料后校直, 兩端側板下料后校平, 對焊后的機架進行校正，并嚴格控制前后梁的平行度、兩端側板的平行度、前后梁與兩端側板的垂直度, 以及機架(框架) 與箱體聯接點的位置準確度和聯結孔軸線的相互平行度、同軸度。

2.2 旋耕機減速箱[5]

減速箱是旋耕機的核心部件, 關系到拖拉機輸出動力的平穩、安全、可靠傳遞及機具的工作性能。研制的1GKN系列旋耕機需要根據工作幅寬選擇配套動力, 由于工作幅寬大于2m的旋耕機一般應與大馬力拖拉機配套作業, 而大馬力拖拉機后驅動輪直徑較大, 后動力輸出軸中心離地高, 為保證作業時萬向節傳動軸的傾斜角度在安全作業范圍內, 設計時，把減速箱分為高、低兩種箱體。圖2為1GKN-250H型旋耕機減速箱。

1.連軸錐齒輪 2.錐齒輪 3～5.直齒輪 6.放油螺栓 7.永磁體 圖2 1GKN-250H型旋耕機減速箱Fig.2 The reduction gearbox of 1GKN-250H rotary tiller

該減速箱是一個圓錐-圓柱齒輪減速器，主要由齒數分別為z1、z2、z3、z4、z5的連軸錐齒輪1、錐齒輪2、圓柱直齒輪3、4、5，以及永磁體和放油螺栓等組成。其中，齒數為z4的圓柱齒輪，對傳動比沒有影響，是過橋齒輪。其作用有兩個：一是為了使輸出軸(帶動旋耕刀軸轉動)獲得工作時的轉動方向，二是為輸出軸的工作位置要求。設計的減速箱傳動比為

由于不同型號的拖拉機動力輸出轉速不同，該減速箱預留有可調空間，可適當調整錐齒輪z1、z2的齒數比，以此達到車輛行進速度與旋耕刀軸轉速相匹配的有機結合，從而保證作業質量與效率的完美結合。減速箱下部放油孔處，永磁體與放油螺栓的配合使用，可將箱體內齒輪、軸承在磨合過程中研磨下的粉末顆粒經沉淀后及時吸附到磁鐵上。經測量，安裝永磁體后減速箱體內齒輪油在正常使用中含雜率由30mg降到0.5mg，大大提高了齒輪、軸承的使用壽命，減速箱整體使用壽命提高3～5倍。

2.3 旋耕刀軸

旋耕刀軸[6-7]是旋耕機上的主要部件，與減速箱動力輸出軸聯結，在動力輸出軸帶動下旋轉，安裝在上面的旋耕刀將土壤旋起，并粉碎。一般情況下，旋耕機上刀軸沒有采取防塵措施，在土壤中作業時，塵土很容易進入從刀軸兩端進入軸承內，從而損壞軸承，引起機具故障。

為了防止塵土進入，設計了防塵旋耕刀軸,如圖3所示。在旋耕刀軸軸管圓周上焊接有旋耕刀座,軸頭和連接法蘭分別焊接在旋耕刀軸軸管兩端,聯接套安裝在連接法蘭上,在軸頭和聯接套上分別焊接有擋土環,軸頭上的擋土環與側板軸承室的卡槽相配合,聯接套上的擋土環與箱體軸承室的卡槽相配合,從而起到了防止塵土進入側板軸承室和箱體軸承室軸承內的作用。為了進一步改善整機潤滑部位的密封性能，把常用的骨架油封改選為內旋油封。

旋耕刀軸的使用壽命不僅與設計有關, 還與加工工藝有很大關系。為確保旋耕軸制造質量, 除嚴控材質外, 對軸身(軸管)料在加工前增加校直工藝, 在刀軸焊接時, 采用機械手對焊機床, 從而保證旋耕刀軸焊接質量。

1.軸承 2.側板軸承室 3.擋土環 4.軸頭 5.旋耕刀軸軸管 6.旋耕刀座 7.連接法蘭 8.聯接套 9.箱體軸承室 圖3 防塵旋耕刀軸Fig.3 The dustproof cutter shaft

2.4 旋耕刀座

旋耕刀座[8-9]主要由刀座主體和月牙形加強筋組成，如圖4所示。其結構特征是在刀座主體的一側增加月牙形加強筋，月牙形加強筋的底部圓弧與刀座主體下端圓弧同心，從而增加了刀座與刀軸管焊接時的焊縫長度，提高刀座焊接處的強度，避免因焊接應力集中造成容易在焊接處開焊和斷裂的問題。月牙形加強筋的側面為刀刃形，在刀軸旋轉時能將作物的根莖及雜草切碎，從而防止雜草纏繞到刀軸上面，影響刀軸的正常工作。

1.刀座主體 2.月牙形加強筋 圖4 旋耕刀座Fig.4 The cutter shaft seat

3 田間性能試驗與分析

田間性能試驗[10]按照GB/T 5668-2008《旋耕機》規定的試驗方法進行。試驗地點位于許昌縣惠民農機專業合作社的農田，試驗地長度100m、寬80m，兩端地頭各留有10m長的穩定區和停車區，地勢平坦、無坡度，土壤含水率22.8%，土壤堅實度1.5MPa。依次對9種旋耕機進行了田間性能試驗。以試驗樣機1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕機為例，使用的測試儀器、量具主要有：超速表1塊、秒表1塊、3m合尺1把、50m卷尺1把、500mm鋼板尺2把、臺磅1架、水平尺1把、500mmX500mm方框1個。

首先對樣機進行了技術參數測定，測定結果如表2和表3所示。

表2 1GKN-250H技術參數測定表Table 2 The determination of 1GKN-250H Technical parameter

表3 1GKN-150技術參數測定表Table 3 The determination of 1GKN-150 Technical parameter

取作業速度2～7km/h，生產效率0.2～0.7h/h，分別在規定旋耕深度旋耕過程中隨機抽樣10次，對旋耕機田間作業性能進行了測定試驗，結果如表4和表5所示。

表4 1GKN-250H試驗結果Table 4 Experimental performance results of 1GKN-250H

表5 1GKN-150試驗結果Table 5 Experimental performance results of 1GKN-150

結果表明：1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕機旋耕深度、土壤破碎率、耕后平整度及植被覆蓋率，均符合設計標準要求(標準要求旋耕深度8～16cm、土壤破碎率≥60%、耕后平整度≤3cm、植被覆蓋率≥85%)，旋耕質量完全滿足耕整土地的農藝要求。在同樣的試驗條件下，其他7種型號的旋耕機，分別在對應的配套動力(動力范圍14.7～95.6kW)拖拉機的牽引下，依次進行了試驗，經匯總，也均滿足了設計標準要求。

4 結論

1)1GKN系列旋耕機結構布局和參數設計合理，關鍵部件的制造工藝安排得當，與該系列旋耕機配套的動力范圍達14.7～95.6kW，能滿足與大中型拖拉機配套作業的旋耕機的耕作要求。

2)1GKN系列旋耕機各項田間性能指標符合設計要求，旋耕深度8～16cm，土壤破碎率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆蓋率≥85%，生產效率0.2～0.7hm2/h，旋耕質量完全滿足耕整土地的農藝要求。

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