1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

胡曉陽

(四川省宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 宜賓 644000)

1 國內(nèi)外起壟機(jī)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的起壟機(jī)主要是以安裝在大中型拖拉機(jī)上的起壟設(shè)備為主，為了不浪費(fèi)動力，節(jié)省生產(chǎn)成本，一般都具有復(fù)合性功能，驅(qū)動行走輪、液壓機(jī)構(gòu)、螺旋起壟等動力輸出是獨(dú)立的，但功耗消耗較大，適合在大平壩地區(qū)或平原使用，不適合在丘陵山區(qū)應(yīng)用。適合南方丘陵地區(qū)應(yīng)用的小型起壟機(jī)研制在國內(nèi)起步較晚，可應(yīng)用性不夠，有必要進(jìn)行深入的研究和開發(fā)。而國外的起壟機(jī)研發(fā)與應(yīng)用主要以日本和韓國為主，國外大型起壟機(jī)專題介紹較少，也不適用于丘陵地區(qū)使用，日本和韓國的小型起壟機(jī)對在國內(nèi)用戶來說性價(jià)比不夠高。未來小型起壟機(jī)的研發(fā)會針對不同的作業(yè)對象完成不同的功能，既可是專業(yè)單一作業(yè)、也可是復(fù)合應(yīng)用作業(yè)，功能更加全面、選擇性更多、效率更高、重量更輕、實(shí)用性更廣的耕作起壟機(jī)。

2 丘陵山區(qū)耕作起壟機(jī)發(fā)展趨勢

川南地處丘陵山區(qū)，平壩少，丘陵多，彎多坡陡，道路崎嶇，對農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的外觀尺寸，整機(jī)質(zhì)量均有一定的要求。目前還在應(yīng)用的丘陵山區(qū)起壟機(jī)主要以12馬力以下的小型機(jī)具為主，20馬力以上的中大型耕作起壟機(jī)械極為少見，僅在平壩地區(qū)有一定作業(yè)數(shù)量。原有一些丘陵山區(qū)小型起壟機(jī)械應(yīng)用，但設(shè)計(jì)的緊湊性不夠，地頭轉(zhuǎn)移不便，起壟作業(yè)不夠標(biāo)準(zhǔn)，工作效率體現(xiàn)一般，設(shè)計(jì)技術(shù)需要做改進(jìn)，就目前所查閱和掌握的信息分析而言，雖然近十年來，丘陵山區(qū)耕作起壟機(jī)有了一定的發(fā)展，但是根本問題依然存在，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)起壟作業(yè)機(jī)械化不高，仍然需要更合適的小型、適用、高效的起壟裝備來滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展所需，輪式和履帶式小型耕作起壟機(jī)將是未來丘陵山區(qū)所需，而AI技術(shù)、智能化、自動化控制技術(shù)的應(yīng)用將是未來發(fā)展的空間。

3 研發(fā)的可行性和必要性

川南屬丘陵山區(qū)，農(nóng)業(yè)上栽培的很多農(nóng)作物都需要起壟作業(yè)，例如煙葉、紅薯、甘蔗、辣椒、蔬菜等，這些農(nóng)作物大部分農(nóng)村都普遍種植，是廣大農(nóng)戶的支柱產(chǎn)業(yè)。在栽種前，必須人為的起出條狀的壟，起壟栽種的優(yōu)點(diǎn)在于：一是便于灌溉，抗旱防滯。二是可以使土層加厚，擴(kuò)大根系和塊根的生長范圍。三是可以增加表土立體面，增強(qiáng)透氣性。四是提高地溫，調(diào)節(jié)晝夜溫差，有助于農(nóng)作物的生長發(fā)育。起壟時(shí)要求做到壟形肥胖，壟溝窄深，壟面平整，壟土夯實(shí)，壟內(nèi)無硬心，起壟任務(wù)極為繁重。若農(nóng)民手工作業(yè)起壟，從根本上無法達(dá)到節(jié)本增效的目的。

在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物里，煙葉類是重要的農(nóng)經(jīng)作物之一，烤煙競爭力最重要的就是對種植成本的控制，提高生產(chǎn)效率、降低勞動強(qiáng)度，降低烤煙生產(chǎn)成本，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。進(jìn)行規(guī)模化管理從而提升烤煙的單產(chǎn)，生產(chǎn)機(jī)械化水平越高，成本越低，種植收益提升越快。我國農(nóng)機(jī)裝備的保有量逐年增加，耕地的機(jī)械化耕作程度也在逐年提高，有效地減輕了農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。但是，南方丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化平均水平還很低，勞動強(qiáng)度還很大，生產(chǎn)效率還很低下，還迫切需要大量的更加適合丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的小型農(nóng)機(jī)具，通過這些小型農(nóng)機(jī)具的研發(fā)、推廣應(yīng)用來有力地促進(jìn)丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。煙草種植耕作起壟作業(yè)農(nóng)技要求是比較高的，除了烤煙種植耕地需要起壟作業(yè)外，其余種植的紅薯、土豆、甘蔗等農(nóng)作物也都需要起壟作業(yè)，初步統(tǒng)計(jì)僅僅宜賓市每年需要起壟作業(yè)的耕地面積超過6.67萬hm2。如果都使用耕作起壟機(jī)作業(yè)，將極大地減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)研發(fā)能完成煙草種植農(nóng)技要求耕作起壟的需要，也可以完成其它農(nóng)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起壟及其它機(jī)械化作業(yè)。丘陵山區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展是急需適合的小型耕作起壟機(jī)。

4 技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)信息和關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 作業(yè)對象特性

按土壤質(zhì)地，土壤一般分為3大類：砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土，為了正確認(rèn)識在耕作過程中機(jī)械對土壤的施力狀態(tài)和土壤產(chǎn)生的反應(yīng)，不僅要了解土壤的物理特性(如土壤的機(jī)械組成、結(jié)構(gòu)、容重、孔隙度、含水率等)，還必須研究土壤在機(jī)械作業(yè)過程中所產(chǎn)生的動力特性(如強(qiáng)度、流變、摩擦系數(shù)等)，即只是在受外力作用時(shí)才體現(xiàn)出來的力學(xué)特性，熟練掌握這些理論知識將對研發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)的解決起到至關(guān)重要的作用。

4.2 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

研發(fā)一款適合本區(qū)域應(yīng)用的農(nóng)機(jī)裝備必須了解作業(yè)環(huán)境特性、機(jī)耕道路的建設(shè)、相關(guān)農(nóng)藝技術(shù)要求，多征求農(nóng)業(yè)部門專業(yè)技術(shù)人員意見，對可能實(shí)施的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行充分討論和論證，做出專業(yè)的判斷和選擇。目前丘陵山區(qū)適應(yīng)農(nóng)藝要求的先進(jìn)的農(nóng)機(jī)具推廣應(yīng)用緩慢，是影響和制約全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化整體水平提升的瓶頸。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)的潛力和優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來，當(dāng)前需要引導(dǎo)丘陵山區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)向機(jī)械化、輕簡化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)的分析

主要提出如何解決起壟成型技術(shù)設(shè)計(jì)，分為3個(gè)大的部分：一是設(shè)計(jì)方案的確定，這里包含的基本內(nèi)容是動力配置及參數(shù)選擇、變速箱傳動方式、潤滑方式等，動力輸出軸機(jī)構(gòu)。二是起壟器的設(shè)計(jì)，包括起壟器具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇，金屬材料的確定和熱處理工藝。三是壟成型器的設(shè)計(jì)，在確保不產(chǎn)生作業(yè)成型擁堵的情況下，完成起壟成型的整理作業(yè)。

4.3.1 設(shè)計(jì)方案 動力的選擇8～10馬力汽柴油機(jī)，動力和變速箱選配為直傳式傳動，耕作起壟部件與變速箱動力輸出軸直連，為變速箱左右布置，起壟整形部件后置，整機(jī)重心布置稍微向前置，這樣便于操作人員在操作時(shí)雙手不是向上的抬動力，而是需要一個(gè)向下的手腕壓力，這樣會有效減輕操作人員的疲勞感，有利于減輕人員工作強(qiáng)度，提高農(nóng)戶作業(yè)操作時(shí)的舒適感和愉悅感，人機(jī)工程技術(shù)未來是技術(shù)設(shè)計(jì)必須考慮周到的一個(gè)很重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，目前整機(jī)設(shè)計(jì)要求為實(shí)用型，整機(jī)操作模式為人員隨行方式，解決好丘陵山區(qū)實(shí)用技術(shù)問題，再開拓創(chuàng)新。未來該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的空間是乘坐式、智能控制式；包括作業(yè)程序輸入、shishi定位、作業(yè)數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)監(jiān)測等技術(shù)應(yīng)用。

4.3.2 起壟器設(shè)計(jì) 在與動力輸出軸直連的耕作起壟軸上按照螺旋方向固定安裝螺旋起壟器，螺旋起壟分為左螺旋起壟器和右螺旋起壟器，兩邊對稱分布。螺旋起壟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本分為2種類型，即連續(xù)螺旋起壟件和間斷螺旋起壟件，而這2種起壟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性將通過性能比對試驗(yàn)來確定，選擇出最佳螺旋起壟機(jī)構(gòu)。在起壟螺旋機(jī)構(gòu)與動力輸出軸鏈接的位置部分，即靠變速箱一側(cè)安裝有一組螺旋排列的旋耕刀，一是避免漏耕，二是提升作業(yè)效果。

4.3.3 壟成型器設(shè)計(jì) 螺旋起壟后壟型是不很規(guī)范，需要通過符合農(nóng)藝技術(shù)要求的梯形成型板整形完成。在螺線起壟軸的外側(cè)安裝可拆卸的驅(qū)動行走輪，使行走驅(qū)動和覆土螺旋起壟器在同一軸上，簡化了結(jié)構(gòu)，滿足不同土壤條件下的耕整地作業(yè)求。在變速箱后置一阻力桿，可控制前行速度和一定范圍起壟高度，利于耕作、起壟等作業(yè)。結(jié)構(gòu)更為簡單，整機(jī)的重心平衡好，使用者的操作更加輕松。

5 1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)研發(fā)技術(shù)路線

該技術(shù)研發(fā)具有多功能性的耕作起壟機(jī)，研究重點(diǎn)是關(guān)鍵技術(shù)起壟性能，所以其它輔組功能的闡述做相應(yīng)減免，技術(shù)路線只體現(xiàn)耕作和起壟功能。技術(shù)路線需先根據(jù)作業(yè)要求來明確結(jié)構(gòu)，根據(jù)作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷、速度等來選擇動力和變速箱參數(shù)，動力和變速箱可以選擇成熟的、技術(shù)先進(jìn)的廠家適合的型號和功能配套，發(fā)動機(jī)與變速箱直傳為首選，與其它類似結(jié)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，便于總體布局，轉(zhuǎn)移便捷，適合丘陵地區(qū)使用。

圖1 技術(shù)路線

6 關(guān)鍵技術(shù)與部件的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 螺旋起壟器的設(shè)計(jì)

筆者在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，準(zhǔn)備有3個(gè)選項(xiàng)，一是開溝成型，一是擠壓成型，一是堆壓整形。通過技術(shù)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制試驗(yàn)情況，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否需要修正，技術(shù)路線是否正確。理論必須和實(shí)踐相結(jié)合才能設(shè)計(jì)出適合的產(chǎn)品。經(jīng)過技術(shù)驗(yàn)證，筆者選擇了水平設(shè)置的螺旋起壟器，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、適應(yīng)性強(qiáng)、阻力小、壽命長、維修方便等特點(diǎn)。在螺旋起壟器設(shè)計(jì)里，分別做了2款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2和3所示。

圖2 起壟器結(jié)構(gòu)11.法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋 6.輔助輪 7.密封端蓋

這2款螺旋起壟器原理類似，但具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，也具有各自不同的有點(diǎn)和缺點(diǎn)。圖2采用整體螺旋拉伸設(shè)計(jì)，確定材質(zhì)、螺距、螺旋直徑、螺旋傾角、輸送量等主要參數(shù)，件2為輔助旋耕刀，件6為輔助輪，有輔助驅(qū)動和限深作用，整體和變速箱動力六棱輸出軸相連接。圖3采用的是螺旋刀做螺旋排列安裝，形成間斷的螺旋線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于整體和變速箱動力六棱輸出軸連接，在一定輸出轉(zhuǎn)速下，螺旋刀的運(yùn)動可看作是連續(xù)，從而帶動土壤起到輸送功能。圖2和圖3主要不同點(diǎn)就是起壟螺旋零件，一是連續(xù)螺旋，一是螺旋刀螺旋排列。

圖3 起壟器結(jié)構(gòu)21 .法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋刀 6.輔助輪 7.密封端蓋

通過樣機(jī)大量的試驗(yàn)證明：螺旋刀起壟比螺旋起壟更具有優(yōu)勢，在確定好主要參數(shù)的情況下，螺旋刀組成的起壟器相比螺旋起壟器而言，在有同樣的功能情況下，還具有這樣的一些優(yōu)勢和特點(diǎn)，容易規(guī)模化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，成本更低，安裝或更換便捷，維修方便。通過更換不同的螺旋刀，還可在一定合適的范圍內(nèi)增大螺旋直徑，調(diào)整起壟的高度。

6.2 起壟成型器的設(shè)計(jì)

在成型器的設(shè)計(jì)中，主要就擠壓成型和堆壓整形成型進(jìn)行了研究和試制試驗(yàn)，并對采用強(qiáng)行擠壓成型和堆壓整形成型可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，通過試制試驗(yàn)和技術(shù)分析，起壟成型器選擇為圖4所示：件1主要是和變速箱上牽引架其連接，件1、件3、件10為組合焊件，在焊件上安裝有件2，件2為鉸鏈組件，件5為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件9是調(diào)整桿，件4通過件2、件5、件9可以進(jìn)行一定角度轉(zhuǎn)動做前后浮動調(diào)整，件7為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件8通過件7連接，可以做一定角度的上下調(diào)節(jié)浮動，通過件8技術(shù)設(shè)計(jì)和重量，可完成對壟頂部進(jìn)行平面整形。

圖4 起壟成型機(jī)構(gòu)簡圖1.連接座 2.成型器側(cè)板鉸鏈組件 3.上成型器、阻力桿組件 4.成型器側(cè)板 5.成型器側(cè)板調(diào)整鉸鏈 6.阻力桿 7.上成型器鉸鏈 8.上成型器 9.成型器側(cè)板調(diào)整桿 10.成型器側(cè)板支架

起壟成型示意簡圖5所示：件1和件4為壟左右成型板，通過件2、件3、件5的連接和配合，針對不同的農(nóng)作物起壟尺寸要求，可以通件1、件2、件4的調(diào)整或更換來完成對壟兩側(cè)的整形作業(yè)。

圖5 起壟成型器示意簡圖1.成型器左側(cè)板 2.成型器板鉸鏈座 3.轉(zhuǎn)軸 4.成型器右側(cè)板 5.轉(zhuǎn)軸鉸鏈

7 起壟作業(yè)試驗(yàn)情況分析

筆者在川南地區(qū)選擇不同的土壤進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，測試內(nèi)容主要包括了試驗(yàn)旱地特征、植被覆蓋測定、不同土壤的起壟作業(yè)模式、起壟主要參數(shù)、耕深耕寬數(shù)據(jù)、旋耕碎土率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測定等指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和樣機(jī)試驗(yàn)情況的分析表明，在砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土的起壟準(zhǔn)備工作是有不同的，砂質(zhì)土、壤土可以做到直接起壟作業(yè)，如果碎土后起壟效果更好。而黏質(zhì)土尤其是粘性較為強(qiáng)的土壤，需要做前期的碎土耕整作業(yè)，碎土顆粒不大于2cm，碎土效果越好，起壟效果越符合農(nóng)藝要求。試驗(yàn)要求在樣機(jī)工作時(shí)的起壟、碎土率、植被覆蓋率、耕深均能滿足農(nóng)藝上的要求，且生產(chǎn)效率較高，耕后地表平整，松軟，能滿足精耕細(xì)作要求，一次作業(yè)就能達(dá)到煙葉類農(nóng)作物種植需要的起壟效果。尤其在起壟試驗(yàn)作業(yè)過程中也充分體現(xiàn)出來了，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了兩側(cè)板可調(diào)整整形，同時(shí)整型板內(nèi)測增加有10cm左右的軟整形條，壟頂部整形采用了自由浮動整形設(shè)計(jì)，把以前體現(xiàn)出來的旋耕后松軟土壤在經(jīng)過成型器強(qiáng)行擠壓產(chǎn)生的泥土擁堵難題徹底解決了，同時(shí)也解決了因?yàn)槟嗤翐矶略斐傻陌l(fā)動機(jī)起壟作業(yè)時(shí)負(fù)載過載的問題。

8 1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)應(yīng)用

經(jīng)過整機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)方案調(diào)整與樣機(jī)的試制，同時(shí)不斷試驗(yàn)、改進(jìn)、試驗(yàn)，1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)的研發(fā)，通過了四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械許可證申請，獲得了省級農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定證書和產(chǎn)品定型。經(jīng)過申報(bào)，取得了整機(jī)實(shí)用新型專利，并通過科技成果鑒定，獲宜賓市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1WGV-6.3微型耕作起壟機(jī)通過科技成果轉(zhuǎn)化，進(jìn)入了國家支持推廣的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品目錄，進(jìn)行了推廣應(yīng)用。在農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣應(yīng)用上采取以點(diǎn)及面的方式。該技術(shù)的成功研發(fā)和通過成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，基本解決了丘陵地區(qū)煙葉、紅薯、玉米類需起壟作業(yè)的農(nóng)作物起壟作業(yè)難題，為丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化起壟作業(yè)的推動和普及起到了積極的作用。