自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業機及其傳動系統設計

孫啟新，陳書法，楊進，蘆新春

（222005 江蘇省 連云港市 江蘇海洋大學 機械工程學院）

0 引言

旋耕可通過刀片對土壤的切割和撞擊，使耕整后的土壤更細碎更平整，其作業適應性強。目前為了改善深層土壤的透氣性,滿足作物種植需要深耕的農藝要求[1]，國外提出了全幅深耕的耕作制度。隨著我國現代農業的發展，農機裝備向大型高效發展，大幅寬、深旋耕、高效率旋耕機的研究成為旋耕技術發展的重點之一，而作業幅寬越大，整機受力性能越差，加上田面的不平整帶來作業機具的傾斜，造成全幅寬耕深不一致，旋耕作業質量難以保證[2-3]。

針對我國當前農業生產發展方向，本文研究開發了一種自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業機。采用中間傳動錯位變速箱和階梯分段刀輥，能實現旋耕、滅茬、平地復合作業，整機左右水平方向可自動調平，作業效率高，全幅作業耕深一致，操作方便。本機適合大田耕整復合作業，一次下地完成滅茬、旋耕、平地，作業效率高，能耗低，作業精度高，操作性能好。

1 整機總體設計

自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業機，總體結構如圖1 所示。由變速箱總成1、電動缸2、懸掛總成3、控制器4、傾角傳感器5、滅茬刀輥總成6、膜片聯軸器7、滅茬刀8、旋耕刀輥總成9、旋耕刀10、機架11、側板12、旋轉關節13 以及密封緊固件組成。動力經聯軸器由拖拉機輸入到變速箱總成后，被分成兩路，一路經齒輪傳動實現增速，傳遞到滅茬刀輥總成，帶動滅茬刀對原茬進行打碎；另一路經齒輪傳動完成降速，傳遞到旋耕刀輥總成，帶動旋耕刀對土壤進行旋耕。沿拖拉機前進方向，滅茬刀輥總成在前，旋耕刀輥總成在后，同時，由于變速箱設計為左右錯位輸出動力到滅茬刀輥總成和旋耕刀輥總成，因此，可在旋耕刀輥動力輸入正前方的滅茬刀輥上安裝大一號的旋耕刀，解決中間傳動漏耕問題。該機主要工作參數如表1 所示。

圖1 自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業機總體結構Fig.1 Structure of self-balancing wider rotary tillage stubble breaking machine with double shafts

表1 主要工作參數Tab.1 Main working parameters

為有效消除因作業載荷變化帶來的刀輥振動，又便于裝配，刀輥采用階梯式，從中間到兩端刀輥直徑梯次下降，不同軸段之間采用彈性膜片聯軸器連接。

為保證作業前機身水平，全幅耕深一致，在機身上方左右兩端設置傾角傳感器，用于實時測量機身水平姿態，并將測量數據傳遞給控制器，控制系統把傾斜角度轉化為直線位移數值，驅動設置在機身上方的兩個電動缸伸縮，調整整機水平姿態，與預先設定數值進行比較，直到左右水平。

采用階梯分段刀輥，可提高傳動強度，降低整機質量、體積。寬幅旋耕滅茬機，刀輥長，且傳遞功率大，在較大扭矩、彎矩和沖擊載荷作用下為保證刀輥不變形，需提高刀輥直徑，這樣會增加整機質量和體積。采用階梯式刀輥，根據扭矩大小將左右刀輥分為2～3 段，從中間到兩端刀輥直徑梯次下降，不同段之間采用彈性膜片聯軸器連接。在兩端連接處采用撓性牙盤連接，即便于裝配，有效地消除因作業載荷變化帶來的刀輥振動，降低整機的振動。刀輥結構如圖2 所示。

圖2 刀輥總成Fig.2 Structure of knife roll

扭轉強度條件

式中：[τT]——許用扭轉剪應力，N/mm2；d——軸直徑；P——傳遞功率；β——旋耕刀輥內外軸徑比。

由于刀輥總體長度大于3 m，扭矩傳遞過程中，軸兩端扭矩數值差較大，在相同功率下采用階梯刀輥可大大降低軸的直徑和質量。本文采用中間傳動，左右鏈段軸徑相比中間段軸徑可降低20%左右，質量降低15%左右，為了便于裝備配置，各軸段之間采用彈性聯軸器連接。

2 變速器設計

目前，市場上耕整機常用的傳動方式有側邊傳動和中間傳動兩種。側邊傳動需要設置傳動軸或聯軸器，對于大功率大耕幅的旋耕機結構尺寸較大，傳動軸軸向尺寸太長，設計和加工難度大，造成傳動比不穩定，結構大而笨重，傳動效率低，可靠性差；中間傳動可減小整機縱向尺寸，但高強度變速箱的結構設計是個難題，同時會產生中間漏耕問題[4-5]。

針對寬幅雙軸旋耕滅茬作業裝備，設計了中間傳動一體化變速箱，結構如圖3 所示。變速箱兩個輸出軸空間位置錯開，旋耕刀輥作業扭矩大，動力輸入在軸的中間，滅茬刀輥動力輸入偏右。

圖3 變速器總成Fig.3 Structure of transmission System

雙軸傳動的變速箱包括箱體、輸入軸、中間軸、輸出軸和傳動齒輪。箱體在輸出端采用空間錯位式結構設計，在中間傳動的基礎上實現旋耕和滅茬動力分別輸出。一路從輸入軸經小錐齒輪16、大錐齒輪4、圓柱齒輪3、圓柱齒輪14、圓柱齒輪13、圓柱齒輪12 將轉速實現增速，并將動力傳遞到滅茬刀軸；另一路從輸入軸經小錐齒輪16、大錐齒輪4、圓柱齒輪3、圓柱齒輪6、圓柱齒輪8、圓柱齒輪9 將轉速實現減速，并將動力傳遞到旋耕刀軸。兩路傳遞路線分別實現增速和降速，整個傳動系統結構緊湊，又保證滅茬、旋耕不同作業速度需求。旋耕輸出軸10 與滅茬出軸11 在前后、左右、上下方向都實現了錯位。在旋耕機中間位置將動力輸出到旋耕刀輥，在偏右一側將動力輸出到滅茬刀棍，所以可在滅茬刀軸中間位置安裝尺寸大一點的旋耕刀，避免中間漏耕。同時上下方向錯位，滿足了滅茬、旋耕不同作業高度要求。

與現有技術相比，該減速箱用于寬幅雙軸耕整機，可用于中間傳動，縮短傳動距離，結構緊湊，能有效提高傳動效率和可靠性。作業耕深一致，空間錯位輸出動力到旋耕和滅茬軸，有效解決了中間漏耕。如圖4 所示，變速箱體采用整體式設計，并使用廢墨化鋼球一體鑄造，大幅提高其力學性能和加工精度，降低裝配難度，提高變速箱整體性能。

圖4 變速箱體結構Fig.4 Structure of transmission gearbox

3 自平衡系統設計

對于作業寬幅超過3 mm 的旋耕滅茬機，作業前的機身水平調整是一個難題，需要經驗豐富的操作手來判斷機身的傾角大小，且需花費一定時間；同時，在作業過程中，田面的高低不平和土壤松軟程度不一樣，也帶來旋耕滅茬機的傾斜，造成旋耕深度不一致，一端耕深大一端耕深小，甚至耕深達不到農藝要求；另一方面左右耕深不一致導致刀輥受力不均，產生較大振動，影響其使用壽命。為解決這一問題，在機身上方，沿水平方向布置4 個傾角傳感器，測量機身的傾斜角度與機身變形情況[6-8]，將測量數值實時傳到控制系統，控制系統把傾斜角度轉化為直線位移數值，并將數值傳遞給電動缸。

在機身上方左右各設有一電動缸，電動缸根據控制系統傳來的位移數值進行伸縮，從而帶動機身左右端繞整機中點處旋轉關節旋轉，直到機身處于水平狀態。電動缸響應速度快，位移調整精度高，與液壓缸相比不需要油箱、油路等元件。

由于旋耕作業振動大，且旋耕機質量大，因此，如何提高抗干擾能力和響應速度是自平衡系統設計的關鍵。控制系統總體運行圖如圖5 所示。

圖5 控制系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of control system

中央處理器選用可靠性、運算性能高的80C51 單片機。傾角傳感器和數據采集元件選用SST81，采用自適應模糊控制技術完成控制系統總構架設計[9]。為消除旋耕機機身振動帶來的誤差，在牽引機機身左右兩側對稱布置2 個傾角傳感器和速度傳感器，通過測量牽引機的左右傾斜角度，預估田面平整度情況，并將數據傳遞給中央處理器，與旋耕機機身上所置傳感器測量數據進行擬合，驅動電動缸動作。在旋耕機機身左右兩端各對稱布置2 個傾角傳感器同時進行測量，然后數據采集處理器對這兩個數值進行對比，若在設定范圍內，則將數據傳遞給中央處理器，否則重新采集數據[8-10]。

4 田間試驗

4.1 試驗數據

（1）選取蘇北地區小麥機收后晾曬2 天的大田，小麥留茬高度5～10 cm；

（2）以設定耕深20 cm 為試驗依據，沿耕幅方向從左到右取6 個點，在單個行程方向每隔2 m 選取1 個點，選取8×6 個點；選取2 個行程分別進行耕深測量。單行程試驗數據如表2、表3 所示。

表2 行程（1）耕整后耕深采樣點數據（cm）Tab.2 Sample point data of plough depth for march No.1（cm）

表3 耕深測量平均值Tab.3 Data of average plough depth

4.2 試驗結果分析

采用數據擬合生成耕深曲面圖6、圖7，從圖上得出，自平衡旋耕埋茬機耕深均達到預定要求，且最大耕深差不大于0.5 cm，完全符合精準農業生產的要求。在d1j位置，由于田面不平，左右耕深差較大，隨著自平衡系統啟動，到d4j位置達到左右平衡。隨著作業進行，耕深會出現較小的波動，主要是由機器的振動引起的，這是后續研究重點解決的問題。

圖6 行程（1）耕深曲線圖Fig.6 Plough depth curve of march No.1

圖7 平均耕深曲線圖Fig.7 Average plough depth curve

5 結論

針對大型耕整機發展趨勢，本文開發了一種自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業機，并設計了相配套的高效傳動系統和自平衡控制系統，與傳統旋耕滅茬機具相比作業效率提高21%左右。

（1）傳動系統采用人字形變速箱中間傳動，空間錯位輸出動力到旋耕和滅茬軸，解決中間漏耕問題，降低作業能耗16%左右；

（2）刀輥分段采用階梯式，各段通過柔性聯軸器相連接，刀輥質量減少15%左右，達到減小土壤切削過程產生的振動；

（3）針對大幅款作業機具調平難題，采用傾角傳感器和電動缸控制機身水平姿態，開發自平衡控制系統；

（4）完成大田試驗，最大耕深差控制在0.5 cm以下，完全符合精準農業生產的要求。