臥式旋耕機的選型與配套研究

趙 萌

（山西省農機總公司，山西 太原 030002）

人類農耕文明的發展史，其核心就是一部“犁”的變遷史，我國從炎帝發明“耒”“耜”開始了人類農耕文明，到石制、木制、骨制、銅犁、鐵犁、牛耕，直到近現代西方農業機械文明的發展，催生了“旋耕機”。我國從20 世紀50 年代開始研究旋耕機，從開始的只有手扶拖拉機配套的單一產品，到80 年代中功率段的輪式拖拉機配套系列旋耕機，經歷了單機研制、發展系列、新產品開發和更新換代3個階段。

旋耕機是與拖拉機配套的耕耘機械，具有碎土能力強、耕后地表平整、土層松軟、土壤細碎，一次作業即可達到播前苗床整地的要求，縮短整地作業時間，有效降低人力財力資源，是目前使用最多的耕耘機械，市場份額占全部機械的一半以上。2020年上半年，各類旋耕機銷售51 951臺。同時因旋耕機的品種規格多種多樣，結構形式千變萬化，給廣大農民拖拉機駕駛員選型配套帶來一定難度和迷茫。本文從旋耕機結構與工作原理分析，為使用者與設計者提供借鑒。

1 旋耕機結構與工作原理

所有的旋耕機都是通過刀齒旋轉作為主要工作部件切碎土壤來工作的。理論界與生產企業一般是按照刀軸排列形式，將旋耕機分為橫軸式和縱軸式，橫軸式俗稱臥式旋耕機，縱軸式俗稱立式旋耕機，按照刀軸旋轉方向又可分為正旋旋耕機，反旋旋耕機，反旋旋耕機因滅茬效果好于前者，也叫反轉滅茬機。按照刀軸數量又可分為單軸旋耕機與雙軸旋耕機。按與拖拉機鏈接方式分：牽引式、懸掛式、直連式。

目前以橫軸式（臥式）懸掛式旋耕機居多，本文重點對后懸掛橫軸式（臥式）旋耕機進行分析研究。

1.1 橫軸式旋耕機結構

見圖1，橫軸式旋耕機主要由機架、傳動裝置、刀輥擋土板、平地托板（罩板）、鎮壓輥等部件組成。

圖1 旋耕機結構圖Fig.1 The structure of rotary cultivator

見圖2、圖3 為使旋耕機入土順利，作業穩定，受力均勻，旋耕機在設計中刀片在一個回轉圓周內均布等分排列等間距：在橫向刀軸上呈等間距。螺旋線排列較普遍，單頭、多頭（也有V型排列）解決橫向平衡力的問題。

圖2 旋耕機刀庫排列圖Fig.2 The arrangement of rotary tiller magazine

圖3 旋耕刀片回轉圓周面內均布排列圖Fig.3 The uniform arrangement of rotary tillage blades in the rotary circumferential surface

1.2 橫軸式旋耕機工作原理

見圖4 旋耕機工作時，旋耕刀在拖拉機旋轉動力輸出軸經萬向節換向、減速增扭后，驅動旋耕機刀軸旋轉，同時，隨拖拉機牽引力驅動下前進，刀片邊旋轉邊向前，刀刃從根部開始接觸土壤依次滑切、刀端部分的砍切，切入土壤，將土壤團粒結構從未耕地撕裂下來，切下的土塊在彎刀旋轉力矩作用下拋向后上方，與擋土板撞擊后進一步粉碎落向已耕地，隨后被托板托平，鎮壓輥碾壓密實完成旋耕作業。

圖4 臥室旋耕機工作原理Fig.4 The working principle of rotary cultivator in bedroom

1.3 旋耕機碎土原理

臥式旋耕機大多采用的是彎刀，彎刀刀刃口由正切刃和側切刃組成，見圖5，但刃口不是直線而是曲線，其中側切刃口曲線為阿基米德螺線。彎刀在切土過程按刀刃線運動方式分為滑切與砍切兩個基本過程。首先，旋轉刀靠旋耕機自重，鈍角滑切入土，彎刀根部向外滑切的位置開始滑切，切割點逐漸外移，切割半徑逐漸增加，滑切角逐漸變小，切割阻力逐漸增大。到頭端點的折彎部，變為砍切，正切刃從橫向切開土壤。其次是碎土，碎土過程土塊走過一個簡單的拋擲、檔板擊碎的過程。

圖5 臥式旋耕機的彎刀Fig.5 The cutlass of horizontal rotary cultivator

2 旋耕機運動軌跡與受力分析

2.1 旋耕刀（彎刀）受力分析

刀片在切削土壤過程中受到3個方向的力：

X方向的水平力，Y方向的垂直力，Z方向的側向力。

X方向的力從入土開始的0 逐漸加大到設計耕深時的最大值，然后逐漸減小到接近0。在一個回轉周期內呈現先升后降的趨勢，隨著切削土壤厚度、高度、接觸面積加大，扭矩呈現先增加后減小的周期性變化。不同土壤中的數據顯示，X回轉面內扭矩最大值在22～30 N·m。

Z方向側向的力是平衡的，左右刀片對稱排列，靠均勻分布來平衡。

2.2 刀片正常作業運動分析

根據旋耕機工作原理，旋耕機正常工作的必要條件是刀片向后拋土。也就是說，刀片入土后，刀刃上的任意一點，空間絕對速度與拖拉機前進方向相反——向后刨土。

設：R——刀片端點最大回轉半徑；Vm——機組前進速度；ω——刀片回轉角速度；t——時間函數。

根據已知條件，刀片的絕對運動軌跡可能會出現以下3種情況：①λ＜1，刀片軌跡為短擺線，刀片在向前推土；②λ=1，刀片軌跡滾擺線，刀片扎進土后向前推出，也不能向后拋土；③λ＞1，刀片軌跡余擺線，如圖：最大玄長以下部分刀刃部分在向后拋土。

圖6 刀片絕對運動軌跡圖Fig.6 The absolute motion trajectory of blade

根據運動軌跡分析可知：旋耕機正常工作的必要條件是λ＞1，刀片軌跡余擺線。必須保證拖拉機前進速度不能大于刀片端點的線速度。刀軸轉速與拖拉機檔位配合在一定范圍才能正常工作，適當的轉速與檔位的配合是保證作業質量的基本條件，但刀軸轉速太快，旋耕作業質量提高的同時，土壤被重復切割浪費動力，一般華北地區壤圖撕裂在5 cm以下為合適。

圖7 刀端運動軌跡分析圖Fig.7 The analysis diagram of cutter end motion trajectory

3 旋耕機選型與配套

3.1 幅寬選型

輪式拖拉機后置旋耕機的選型，首先要滿足幅寬大于輪距的要求，在動力允許的前提下，耕作幅寬盡量選擇幅寬大的旋耕機，一般中功率段拖拉機配置的旋耕機規格有1 500 mm，1 800 mm，2 000 mm 等，大、中功率段拖拉機配置2 300 mm，2 500 mm旋耕機。

3.2 PTO 高度與高低箱

同功率段拖拉機由于型號規格差異，懸掛架PTO 輸出等關鍵配套部件不同，生產企業為適應不同型號拖拉機的市場需求，設計有高低變速箱之分，有三軸與四軸變速箱區別，三軸變速箱是傳統的中、小功率段拖拉機配套，對于大中型拖拉機，由于底盤大，PTO 輸出軸高，應選用四軸高箱，作業中傳動軸盡可能保持水平或提升下降過程中傳動軸角度變化不超過15°。

3.3 速比選配

根據以上分析，參照旋耕機銘牌上的有關參數，結合輸出轉速選配合適的傘齒輪速比，拖拉機作業檔位前進速度，選擇合適的變速比，既滿足作業質量要求，又能提高作業效率。達到到高產、優質和低耗的目標。

3.4 旋耕刀片的正確安裝

正確地安裝刀片是保證作業質量的關鍵因素，刀片的安裝不當會導致旋耕作業質量下降，旋耕過得地塊波紋大，不平整，機具抖動等現象。造成機組不能正常工作。

4 存在的問題

旋耕機雖然有較強的切土與碎土能力，土壤細碎，地表平整等特點，但也有存在擾亂土層對殘茬、雜草的覆蓋能力較差等問題，最大的問題是長期使用旋耕作業使得土壤耕深淺（旱耕12～16 cm；水耕14～18 cm），犁底層變硬。

目前旋耕機另一個問題是左右旋耕深度不一，都是右邊深，左邊淺，造成這一問題的原因是設計與制造，國產拖拉機的PTO 都是順時針旋轉（拖拉機后位觀察），動力經過萬向節、變速箱、刀輥一系列的傳遞，最終到達旋耕刀，盡管設計人員在刀齒排列的設計中將刀齒設計成整個旋轉平面內均布，受力均布，使刀齒左右平衡。但從萬向節到刀齒一系列傳動過程的摩擦阻力與旋轉慣性，使得旋耕機跟著順時針旋轉。這是設計的原始缺陷，在選擇旋耕機的時候，盡量選擇轉動靈活的機具，或使用前磨合一段時間，減少傳動阻力，減少動力消耗，解決左右耕作不平衡問題。

5 結論

旋耕機旋耕作業過程除受土壤堅實度、拖拉機功率、變速箱傳動比、變速箱高低等客觀因素影響外，還與拖拉機檔位選擇、油門大小等因素有關，這些因素直接導致旋耕作業質量好壞與作業效率的提高。