1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機的研制

青躍光 王杰 楊澤宇 周運成 林海波

摘要：為解決傳統農業耕翻土壤導致耕地退化問題，實行保護性耕作（免耕翻）生產，研制出1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機。闡述該機的整體結構設計、工作原理、主要性能指標及技術創新點，并通過田間試驗證明該機整體性能穩定可靠。

關鍵詞：聯合耕作機；保護性耕作；履帶式；設計；可調

中圖分類號：S222 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）04-0024-04

我國水田耕作一直沿用傳統的翻耕或旋耕、水耙、耢平、沉漿的方式，造成土壤結構破壞、土壤水蝕、礦質流失、作業層次多、耕作成本高、耗水量大、資源利用力低等問題。針對典型地區的水田種植模式，研究開發水田保護性耕作作業通用機械和分區域水田機械化技術及關鍵裝備，實現土壤、耕作、機具、種植等保護性耕作技術融合，對于促進水田可持續生產能力的提升和推動我國保護性農業的發展具有重要意義。為此，本課題研制出集機械、信息、電子、液壓、控制為一體的1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機，該機已通過安徽省推廣鑒定檢驗與浙江省重大科技專項重點農業項目驗收鑒定。

1 1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機的整體設計

1.1 整機結構及技術參數

1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機采用橡膠履帶行走機構，配套旋耕、施肥等機械，可一次完成耕整地、施肥等聯合作業。整機結構如圖1所示，主要技術參數見表1。

該機主要由水田專用動力底盤、耕作部件、變量施肥裝置、電液控制懸掛裝置、動力傳動系統、操控系統等組成。施肥機、耕作機分別懸掛在履帶式動力底盤前后；機體上方設有發動機、行走用途無級變速箱及電氣控制系統；機體下方設有牽引底盤架，架上設有行走輪系、行走用途無級變速箱和置于輪系上的橡膠履帶；機體前部設有施肥機及其操作機構；機體后部設有耕作機，其通過懸掛架與牽引底盤機架懸掛聯接，由液壓系統控制升降，對田地具有良好的仿形性能，并可對耕深進行實時監控，保障良好的耕作質量；設有集旋耕、滅茬于一體的旋耕刀，其轉速可通過耕作部件變擋傳動箱進行調節，實現變轉速耕作。該機作業時可保持耕作深度一致，且防陷能力強、效率高，適用于水田、旱田的壓茬、碎根及深層耕作等作業。

1.2 技術創新點

1.2.1 智能操作系統 采用傳感器感知耕深、耕作阻力、轉速、前進阻力、發動機工況等參數并傳遞給微處理器，根據土壤力學特性、禾茬力學特性、發動機輸入特性、旋耕不同工況最佳運行特性等建立多種模型，并編制不同工況下的最佳運行模式。工作時，微處理器根據田間工況推薦并顯示保證作業質量、保證工作效率等多種較優的運行模式，在操作人員選擇相應模式后，微處理器通過控制行走無級變速器使耕作機在指定的模式下作業，從而達到理想的耕作效果。智能操作系統組成與控制圖如圖2所示。

1.2.2 水田耕作專用動力底盤 為適應不同類型及含水率的土壤條件，極大地增加與地面的接觸面積及牽引動力，設計一種可在承載力差的粘濕土壤上作業的高地隙、通過能力強的全地形橡膠履帶動力底盤。在水田作業過程中，該底盤能有效降低接地壓力，對旱作土壤不壓實，不破壞基底層和土壤結構，提高機動運作能力，滿足種植農藝要求，并可通過切換耕作機部件變擋傳動箱上的“快—慢”變速桿來調整刀輥擋位，改變旋耕速度比。動力底盤結構如圖3所示。

1.2.3 電液控制懸掛裝置、耕深監控與穩定系統 液壓懸掛耕深電液調節與監控系統可實時跟蹤監控耕深、阻力等參數，并反饋信息及時調節耕深，提高機具作業時對地形的仿形性，從而獲得持續、穩定、良好的作業質量。電液控制懸掛裝置及其自動平衡裝置結構示意圖如圖4所示，電液控制圖如圖5所示。耕作機上的電液控制懸掛裝置在耕作前可定量地設定耕深。微處理器通過控制電液比例閥來改變液壓油進出油缸的流量和流向，控制懸掛機構的升降，以達到自動控制耕深的目的。具體的，在耕作過程中，由耕深傳感器實時將耕深參數傳遞至微處理控制器，并由控制器控制彈簧—阻尼耕深穩定閥，從而驅動油缸使耕深保持在設定耕深值；當耕作機耕作堅硬土壤或耕深不足時保持耕作機與田地良好的接觸，或當耕地略有下洼時使耕作機進一步下降、達到所需的耕作深度。因此，耕作機對不同地形的田地具有良好的仿形性能和高質量的耕作性能，可實現耕深一致的保護性耕作。自動水平傳感器位于旋耕部件的中間位置，并包含在“旋耕機自動平衡裝置”中，采用控制器對旋耕機進行自動平衡。

1.2.4 變量施肥復式作業技術 變量施肥裝置設于履帶式底盤前端，耕作時可對田地施以不同粒狀、不同量的肥料，實現耕作、施肥聯合作業。同時整機還具有保護性耕作要求的開溝、起壟、施肥、播種等作業項目連接口，一次可完成多項作業，實現耕作過程復式化。

1.3 主要參數設計計算

1.3.1 作業功率 耕作機作業功率按公式（1）計算：

N=0.1KλdVmB （1）

式中：d為耕深，工作部件為彎刀，實測耕深為13.1 cm；Vm為聯合耕作機組作業速度，取1.39 m/s；B為耕幅，初定2 m；Kλ為聯合耕作機的旋耕比阻，按公式（2）計算，其各修正系數均與切土節距有關，N/m2。

Kλ=KgK1K2K3K4 （2）

式中：Kg為旋耕切土比阻系數，查表取16

N/cm2；K1為耕深修正系數，K1=1.00；K2為土壤含水率修正系數，K2=0.95；K3為殘差植被修正系數，K3=1.20；K4為作業方式修正系數，K4=0.73。

由以上數據計算可得：Kλ=13.32，N=48.49（kW）。

考慮到影響功率消耗的因數較多，推算發動機平均功率時，在匡算功率基礎上乘以功率儲備系數是必要的，即：

Ne=KbN

式中：Ne為發動機額定功率，kW；Kb為儲備系數，在0.25～0.33之間選擇為宜。因為各修正系數采用上限值，所以儲備系數選取下限值足以。

計算可得：Ne=1.25（N）=60.061（kW），圓整為Ne=60（kW）。因此選用發動機額定功率60 kW與轉數

2 600 r/min的4102 型柴油機為動力。

1.3.2 旋耕速比 驗證機組前進速度Vm為5 km/h時的旋耕速比合理性，按速度比公式（3）計算：

λ=Vρ/Vm （3）

式中：Vρ為刀輥圓周線速度，Vρ=πDn/60 000；n為刀軸轉數，實測為315 r/min；D為旋耕刀端實際回轉直徑，設計為390 mm；Vm為聯合耕作機組作業速度，取1.39 m/s。

計算可得：λ=4.6。因此，所選用的機組前進上限速度是合理的。

1.3.3 割幅 驗算發動機在2 m耕幅負載情況下的滿足條件。根據經驗公式（4）計算：

B=0.26-0.29Ne （4）

式中：B為耕幅，m；Ne為發動機額定功率，kW。

計算可得：B=2.013 9（m）。因此，初設耕幅2 m滿足發動機瞬時克服超載條件。

1.3.4 生產率 生產率按公式（5）計算：

Q=5.4ηBVm （5）

式中：η為旋耕時間利用系數，稻田一般為0.4～0.8，由于旋耕環境較差、基本上處于滿負荷狀態，取0.4；B為實際耕幅，為設定耕幅的90%，即1.80 m；Vm為聯合耕作機組作業速度，一般為2～5 km/h。

根據公式（5）取上、下限值分別計算，可得：生產率Q=2.18～5.40（hm2/h）。

2 耕作部件的設計

2.1 耕作部件的結構及工作原理

耕作部件的刀輥呈水平橫軸配置，為臥式正轉旋耕機械，其結構如圖6所示。刀軸上的刀片一方面由拖拉機動力輸出軸驅動作回轉運動，一方面隨機組前進作等速直線運動。土垡被刀片切下，隨即向后方拋出，撞擊到罩殼與拖板上變得細碎后回落于地表面；隨著機組不斷前進，刀片連續不斷地對未耕地進行松碎。由于耕幅較寬，采用變擋傳動箱中間傳動形式，但中間傳動（減速）箱下部會造成漏耕，影響作業質量。為解決該問題，在傳動箱下面安裝一個松土鏟，其壓桿器由鋼條制成，安裝在刀座后上方，在作業中形成軋滾，具有碎土、滅茬及起漿性能。

2.2 刀齒的排列

為使旋耕機在作業中不發生漏耕和堵塞、寬幅刀軸負荷均勻、耕后地表平整，對耕作刀輥進行分組設計（如圖7所示）。各刀輥主體采取雙頭單向螺旋等距排列；而刀輥內外側兩端的彎刀則采取正反向組合雙頭不等距排列交替入土；同時，為防止兩組刀輥內側之間形成溝壑，加裝松土鏟。

2.3 耕作參數計算

2.3.1 刀輥半徑 按公式（6）導出計算：

λ=Rxω/Vm （6）

式中：Rx為刀輥半徑，mm；λ為旋耕速度比，4.6；Vm為旋耕機組前進速度，取1.39 m/s；ω為角速度，πn/30（其中n為刀軸轉數，取315 r/min）。

計算可得：R=195（mm）。

2.3.2 耕深 按公式（7）計算：

H

計算可得：實際耕深H=131.0（mm），小于152.6 mm，因此是合理的。

2.3.3 切土節距和碎土質量 按公式（8）計算：

S=2πR/Zλ （8）

式中：S為切土節距，cm；λ為旋耕速度比，4.6；R為刀輥半徑，195 mm；Z為在刀軸同一平面內均勻安裝的刀數。

計算可得：當Z=2時，S=13.32（cm）；當Z=3時，S=8.88（cm）。

由公式（8）可以看出：改變同一平面內旋耕刀的安裝數量、改變旋耕機前進速度或刀軸轉速，都可以改變切土節距，并且切土節距的大小直接影響碎土質量與耕地平整度。通常，降低機組前進速度、提高刀輥轉速或增加每切削小區內的刀片數，都能減少切土節距、提高碎土質量。但是，機組前進速度過慢，生產率低；刀輥轉速過快，功率消耗大；刀片數增多，刀間空隙小，容易堵泥纏草。因此，切土節距不能選擇過小。

3 田間試驗

2011年10月15日，安徽省對1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機進行初次推廣鑒定檢測。

3.1 初始條件

測試地點選在浙江省臺州市路橋區新橋鎮。試驗地為旱地，前茬作物為水稻，有適量植被，試驗地塊長31.6 m、寬20.0 m，滿足試驗要求。

3.2 結果與分析

測試機型及其主要技術規格，結果見表2。

由表2可知：檢驗結果均優于國家標準的合格指標，說明該機整體性能穩定可靠。

4 結論

1GZ60型履帶式保護性聯合耕作機于2015年1月通過浙江省科技廳專家組驗收（浙科驗字[2015]237）。該機開發了履帶式水田專用動力底盤、旋耕工作部件、電液控制懸掛裝置、液壓無極變速裝置、變量施肥裝置，具有接地壓力小、抗下陷能力強、耕深穩定、碎土滅茬性能好、耕后地表平整、對土壤結構破壞小、通過能力強等優點，能滿足不同泥腳深度的作業要求，目前該項目成果已形成產業化。

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