背負式大窩深栽成穴機設計與試驗

2018-12-05 07:50:22劉光輝喻麗華張富貴符德龍黃化剛吳雪梅

江蘇農業科學 2018年21期

劉光輝，喻麗華，陳雪，張富貴，符德龍，黃化剛，吳雪梅

(1.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025； 2.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州畢節 551700)

煙苗大窩深栽是我國廣大南方煙區為適應移栽期低溫少雨而廣泛采用的一種移栽方式。研究表明，大窩深栽能有效提高地溫，抗旱保墑，改善光照條件，提高土壤肥力，減少病蟲害，為煙苗的早期生長提供一個良好的環境[1-2]。實施煙苗大窩深栽不僅縮短了還苗期和栽培的成活率，同時也是春旱煙區提高烤煙產量與質量、實現增產增收的一種移栽技術[3]。大窩深栽技術的關鍵是挖制移栽的大窩，目前制窩作業一般是由人工用鋤頭挖制，人工制窩勞動強度大、效率低，所制窩穴一致性差，難以滿足現代煙草生產要求。開展煙苗大窩深栽成穴機具研發，突破大窩深栽機械化成穴技術的瓶頸，不僅是大窩深栽技術發展的需要，同時也是減輕移栽勞動強度，實現省工降本及煙農增產增收的迫切需求。目前未見大窩深栽成穴機具相關研究文獻，本研究從大窩深栽技術要求及提高制窩效率出發，研發一種背負式大窩深栽成穴機，并進行相關試驗研究，以期為大窩深栽機械化成穴的推廣應用提供一定的理論支撐與技術指導。

1 大窩深栽技術

大窩深栽技術屬于膜下小苗移栽方式，是壟表下移栽技術的一種，圖1為大窩深栽技術示意，其主要特點是在壟上先挖窩穴，施完底肥后將煙苗移栽到窩穴內，之后覆蓋上地膜，將窩心膜劃破1個小孔，再將小苗掏出，用土壤壓膜固苗[4]。農藝要求為保留煙苗膜下的生長空間，窩口徑為20～25 cm，窩深為15～20 cm，移栽完成后及時蓋膜，為確保煙苗有足夠的生長空間，地膜與煙苗頂部確保有6 cm以上的距離[5]。

2 整機的總體結構與工作原理

2.1 總體結構設計

背負式大窩成穴機主要包括動力系統、傳動系統、操作系統和成穴裝置4個部分。其主要結構包括發動機器、離心離合器、第1級減速器、軟軸、第2級減速器、輸出軸、擋土罩和成穴裝置(圖2)。該背負式大窩成穴機結構緊湊、操縱靈活、使用輕便，單人操作即可完成窩穴制作。

2.2 技術參數

背負式大窩成穴機主要技術指標見表1。

表1 背負式大窩成穴機主要技術指標

2.3 工作原理分析

本設計成穴機工作原理：發動機啟動后，調節油門開關，隨著發動機轉速的提升，離心離合器的閘塊壓緊并帶動鼓輪轉動，動力由離合器依次傳遞給第1級減速器、軟軸及第2級減速器，最終帶動成穴裝置旋轉。成穴裝置主要依靠螺旋的升運原理實現排土成穴，即底部刀片切去中心部分的土壤，切下的土壤被擠成散粒后，在慣性力的作用下被拋至窩穴的周圍。隨著成穴裝置的下降，螺旋葉片也開始切削土壤，窩穴口徑不斷擴大，并形成錐形的穴壁。切下的土壤沿著螺旋面被擠向穴壁，與穴壁接觸后土壤受到摩擦力的作用，土壤的旋轉角速度低于成穴裝置的旋轉速度，土粒沿著螺旋面滑動上升；外層土壤在土壤內摩擦力作用下，帶動內層土壤向上輸送，升運的土壤最終在慣性離心力的作用下被拋至窩穴的周圍。因此，螺旋葉片旋轉成穴實質是一個切土、升土和拋土的連續過程。刀具切削土壤示意見圖3。

3 關鍵部件設計及主要參數確定

3.1 成穴裝置設計

成穴裝置是大窩深栽成穴機的重要工作部件。制窩農藝要求所制窩穴形狀整體呈錐形，且尺寸較大，因此本次設計基于植樹挖坑機螺旋鉆頭排土成穴原理，設計一種錐形螺旋大窩成穴頭[6-8]。考慮到成穴頭的工作轉速較高，避免在轉動過程中動不平衡，成穴頭采用雙螺旋對稱布置的方式。成穴頭主要尺寸的設計過程如下：大窩制作過程中由于成穴裝置的擺動，使窩徑擴大，實際直徑D應比穴徑D0略小，按照經驗公式D=0.9D0[9-10]。根據農藝要求，大窩直徑為20～25 cm，取中間值22.5 cm，得到成穴裝置理論直徑為20.25 cm，考慮到手持制窩，操作振動較大，成型窩穴尺寸大于成穴頭尺寸，又因成穴裝置的質量不宜太大，故成穴裝置大端的實際直徑取D=20 cm。為了提高成穴裝置土壤切削和入土的能力，小端直徑取d=10 cm。按照要求，窩深需達到15 cm以上，螺旋長度設計為15 cm。螺旋葉片導程h確定為15 cm。圖4是大窩成穴裝置示意。根據公式(1)得出螺旋升角α：

α=arctan(h/πD)。

(1)

式中：D表示螺旋最大直徑(mm)；h表示螺旋導程(mm)。將初選的參數代入公式得：α=13.4°。

成穴裝置直徑是一個變量，整體呈錐形，成穴裝置錐度角為θ=2arctan[(D-d)/2h]，得θ=36.9°；成穴裝置直徑隨截面高度變化的關系公式：

Dx=hxtan(θ/2)+d。

(2)

式中：hx表示成穴裝置截面高度(m)；θ表示成穴裝置錐度角角度(°)；d表示成穴裝置小端直徑(m)。

成穴裝置在做旋轉運動時又有軸向進給運動，因此在切土過程中實際切土前角δ與切土后角ε應與成穴裝置每鉆進給量有關，如圖3所示，可通過下面公式計算實際刀片切土角

δ=δ0-ζr=δ0-arctan(S/2πr)。

(3)

ε=ε0-ζr=ε0-arctan(S/2πr)。

(4)

式中：δ0表示刀片名義切土前角角度(°)；ε0表示刀片名義切土后角角度(°)；r表示計量點至鉆軸中心的距離(m)；ζr表示計量點運動方向與水平面的夾角角度(°)；S表示成穴裝置每轉的進給量(m/r)，取S=0.007 5 m/r。

3.2 動力系統選定與工作參數分析

初選動力，采用1E40F-5單缸、風冷、二沖程汽油發動機，功率1.45 kW，標定轉速6 500 r/min。螺旋外緣一點的運動方向與水平面的夾角角度ζ和每轉進給量S的關系公式：

(5)

式中：hx表示成穴裝置截面的高度(m)；θ表示成穴裝置錐度角(°)；d表示成穴裝置小端直徑(m)。

在設計成穴裝置轉速時，轉速大小不僅與其工作效率和功率消耗有關，還要考慮土壤對成穴裝置磨損，根據公式(6)、(7)確定螺旋工作轉速n：

(6)

式中：Fr是一個無因次相似準數；α表示成穴裝置螺旋升角；β表示土粒運動方向與水平面的夾角(°)，取β=25°；ζ表示成穴裝置外緣一點運動方向與水平面的夾角(°)；f2表示土壤的內摩擦系數，取f2=1；φ1表示土壤與螺旋面的摩擦角(°)，取φ1=30°。將以上選定的參數代入公式得Fr=4.4。

(7)

式中：g表示重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；r表示螺旋平均半徑(m)，取r=(D+d)/4=0.075 m，得到工作轉速n=480 r/min。由公式ω=2πn得出成穴裝置的角速度ω=50.24 rad/s。

計算成穴裝置切土所消耗功率時，應按成穴裝置所消耗最大功率進行計算，即成穴裝置完全入土后所消耗功率，刀片回轉半徑r取成穴裝置最大半徑0.1 m，則成穴裝置切土所消耗功率(Nc)為

(8)

式中：ω表示成穴裝置角速度(rad/s)；i表示成穴裝置刀片數，i=2；a表示切土阻力系數，堅實土壤的a為3 500～3 600 N/m，疏松土壤的a為1 800～2 400 N/m，取a=1 800 N/m；ψ表示作用在刀片刃口上的土壤阻力與水平面的夾角角度(°)，堅實土壤的ψ為52°～58°，疏松土壤的ψ為30°～35°，取ψ=35°；S表示成穴裝置每轉進給量(m/r)，取S=0.007 5 m/r；b表示土壤變形阻力系數，堅實土壤的b=2.4×105～2.5×105Pa，松軟土壤的b=1.2×105～1.7×105Pa，取b=1.2×105Pa；δ0表示刀片名義切土前角角度(°)，取δ0=30°；φ1表示土壤與鋼的摩擦角角度(°)，φ1=15°～40°，取φ1=30°；r0表示裝置刀片回轉半徑(m)；rz表示鉆尖最大回轉半徑，rz=0.025 m。代入選定參數得Nc=0.72 kW。

單位時間土壤流量是影響成穴裝置成穴效率的主要參數。為更好地體現成穴機作業性能，應按最大單位時間土壤流量進行計算：

(9)

式中：γ表示單位容積松土質量(kg/m3)，一般γ=1 000～1 300 kg/m3取γ=1 000 kg/m3；k表示土壤疏松系數，一般k=1.2～1.6，取1.2；r0表示刀片最大回轉半徑(m)；ω表示成穴裝置角速度(rad/s)。由公式(9)得最大單位時間內土壤流量Q=3.3 kg/s。從公式(9)可知，單位時間土流量與刀片回轉半徑的3次方成正比，聯立公式(2)可知成穴裝置鉆進不同深度處單位時間土壤流量。綜上所述，所選發動機滿足成穴機動力需求。

3.3 傳動系統設計

3.3.1 離合裝置設計離合器是傳遞動力或運動時具有嚙合和分離功能的裝置。大窩成穴機對離合器的要求是在空轉時能完全分離；工作部件過載時可自動打滑，起到安全保護的作用；工作平穩，能有效傳遞發動機的動力。故本次設計選用帶徑向拉簧閘塊式離心離合器，其離心離合器原理見圖 5-a。離心離合器是一種靠離心體產生離心力來達到自動分離或結合的離合器。選用的離合器為常開式，采用2個閘塊對稱分布，閘塊數量z=2，離心離合器結構示意見圖5-b。

處于低轉速時，2個主動部分閘塊受到拉簧作用，與從動部分鼓輪脫開，離心離合器工作時，當離合器轉速達到一定數值后，離心力增大克服彈簧力，使得閘塊向外擺動與從動鼓輪壓緊，離合器進入結合狀態一起轉動[11]。在成穴機工作時，離合器傳遞發動機轉矩，因此根據公式T=9 550 P/n計算得需傳遞的轉矩Tt為1.91 N·m。初選離合器幾何參數：閘塊質心所處半徑r為22.5 mm，閘塊外半徑R為37.5 mm，閘塊的寬度b=14 mm，閘塊摩擦面所對角度φ=100°。根據公式(10)～(13)對離合器進行校核。離合器的轉矩按公式(10)計算[12-13]：

Tc=βTt。

(10)

式中：Tc表示計算轉矩(N·m)；β表示工作儲備系數，一般取β=1.5～2，取值為2；Tt表示要傳遞的轉矩(N·m)。代入參數值計算得到離合器計算轉矩Tc=3.82 N·m。

離合器傳遞轉矩Tc時所需離心力按公式(11)進行計算：

(11)

式中：Qj表示傳遞轉矩所需的離心力(N)；R表示閘塊外半徑(mm)；μ表示摩擦面材料摩擦系數，取μ=0.4；z表示閘塊數量。代入參數值計算得出所需離心力Qj=127.3 N。

選定離合器的閘塊提供有效離心力，并且閘塊有效離心力Q應大于傳遞轉矩所需的離心力Qj。閘塊有效離心力Q的計算：

(12)

式中：Q表示閘塊有效離心力(N)；m表示單個閘塊的質量(kg)；r表示閘塊質心所處半徑(mm)；n表示正常工作轉速(r/min)；n0表示開始接合轉速，一般n0=(0.7～0.8)n；將參數代入(12)公式得Q=359.3 N，大于傳遞轉矩所需的離心力Qj，符合設計要求。

離合器閘塊的摩擦面易損壞，應對其工作壓強進行校核：

(13)

式中：p表示摩擦面壓強(MPa)；Tc表示計算轉矩(N·m)；R表示閘塊外半徑(mm)；b表示閘塊寬度(mm)；φ表示閘塊摩擦面所對角度(rad)；μ表示摩擦面材料摩擦系數，取μ=0.4；z表示閘塊數量；pp表示摩擦面許用壓強(MPa)。將參數代入公式(13)得摩擦面壓強p為0.139 MPa，小于摩擦材料許用壓強0.15 MPa，滿足使用要求。

3.3.2 軟軸的設計背負式大窩成穴機在工作時要求工作裝置能靈活變換角度和方向，因此采用軟軸傳動結構[14-15]。根據發動機的旋向，采用右旋軟軸使得軟軸逆時針旋轉可傳遞更大的轉矩。工作中鋼絲軟軸的彎曲半徑變化較大，要求軟軸的長度具有補償性，因此軟軸與硬軸的連接采用方形軸端與方形孔滑動連接方式(圖6-a)。軟軸右端與第1級減速器相連，其連接方式如圖6-b所示，通過限位銷和限位銷孔固定軟軸。軟軸左端與第2級減速器相連，其連接方式如圖6-c所示，通過限位槽限制軟軸軸向滑動，保留軟軸旋轉自由度，以提高成穴機操作的靈活性。成穴機軟軸尺寸為芯軸直徑8 mm、長度890 mm。

4 田間試驗

4.1 試驗情況

試驗地點在貴州省畢節市威寧縣煙草公司科技園(地處26.75°N，103.99°E，海拔約2 130 m)。試驗時間為2017年4月1日。試驗設備為背負式大窩成穴機、緊實度測量儀、水平儀、直尺、轉速測量儀、振動測量儀。測試地塊為煙草生產現場會起壟機起壟的煙地，壟高30 cm，壟寬70 cm，制窩前，拉線定位每50 cm撒石灰定點標記。土壤情況：平均濕度10.5%，松散，黏度小，土層深度10 cm處緊實度小于 0.12 MPa。田間測試情況見圖7。本次試驗主要測試窩穴成型質量、作業效率以及成穴機傳動系統、成穴裝置、動力系統的運轉情況。在同一塊地連續制作100個大窩，完成相關參數測試。試驗中因土壤濕度較小，壟頂的寬度無法達到農藝要求，導致制窩排出的土粒沿著壟溝處下滑，致使所制窩口面不平齊，沿著壟體方向與垂直壟體方向窩穴深度存在高度差，為了真實反映所制窩穴的成型情況，本次測試窩穴成型質量參數為窩頂深、窩側深及窩口徑(圖8)。

成穴機作業性能評價指標：將平均窩頂深、平均窩側深、平均窩口徑和窩穴合格率作為評價指標，來體現大窩成型質量和考察大窩成穴機作業性能。其中窩穴合格率計算公式：

(14)

式中：Y表示窩穴合格率(%)；X表示所有指標達到要求的窩穴數(個)；N表示總的窩穴數(個)。

擋土罩安裝說明：安裝擋土罩是為了防止成穴裝置將土壤拋得過高，同時也為了將拋出的土壤引向窩穴的周圍，利于成穴。若擋土罩安裝過低，拋出土壤易回填窩穴，影響成穴質量和成穴效率；若擋土罩安裝過高，會影響擋土罩的擋土效果。因此應根據制窩時拋土情況調試擋土罩的安裝高度。

機具操作說明：本機具是依靠螺旋排土成穴，窩穴制作中土壤的升起拋出須消耗一定的時間，因此制窩時，應將成穴裝置在窩底停留片刻，待土壤被全部拋出后，再抬起成穴裝置。