某系列多功能高效聯合整地機結構設計

李 妍

（錦州市農業農村綜合服務中心，遼寧錦州 121000）

0 引言

我國是農業大國，農村有著豐富的農作物秸稈資源，秸稈資源的廢棄與焚燒，既浪費了大量的生物能源，又對大氣環境污染嚴重。近七年的中央一號文件精神表明，我國的秸稈使用已經完成從“單一化利用”到“綜合轉化利用”再到“多元化利用”的轉變。2019年，全國農作物秸稈利用量5.25億t，綜合利用率達71.5%；2020年，全國農作物秸稈利用量5.41億t，綜合利用率達73.6%；2021年，全國農作物秸稈利用量6.47億t，綜合利用率達88.1%。在利用渠道上，實現了從堆肥、菌床、飼料、生物質燃料擴充到生物塑料、生物降解等更高層次的應用范圍，并且在各領域的安全性、減排程度、利用效率方面都得到了極大的提升。2021年，錦州市秸稈綜合利用176.7萬t，秸稈綜合利用率91.25%。從上述數據分析，雖然錦州市秸稈綜合利用率比全國綜合利用率高出3%，但是在農村燃料、秸稈還田、飼料及工、副業生產原料綜合利用方面，秸稈綜合利用仍有很大的提升空間。

1 概述

我國已形成了以鏵式犁、旋耕機、聯合整地機、保護性耕作機械作業等技術為理論支撐的保護性耕作體系。但是，從我國現有農機企業研發能力上來看，多數是外部引進與外部模仿，自主研發與科研創新能力較弱，科研投入不足。從耕整地機具配套情況來比較，發達國家機具配套比例達14%左右，國內機具配套比例達不到50%，國內機具配套部件的通用性和適配性均有較大差距。由于整地機的動力輸出為拖拉機，在調研中發現，市面上大部分產品在設計上與大馬力拖拉機研發水平脫節。國內企業多數產品屬于中低端產品，過剩紡織品過多，高端農機或零部件仍過度依賴進口，關鍵重要“卡脖子”問題得不到解決。從用戶操作方式上來看，我國耕地整地產品主要采用手動調整、手動控制或半自動半智能化操作方式，而國外農機智能化水平較高，我們在液壓、氣動、信息化方面仍有提升空間。從機具材料選取方面來看，國內企業普遍采用能夠承載載荷較小的鋼型材材料，而較少采用多復合材料、特殊鋼材、覆膜等材料技術。在加工工藝上，我國仍沿用傳統的機加工設備和工藝，在零件質量與加工制造精度上均難以保障，而國外農機企業在制造上采用數字化設計、激光線切割、柔性裝配生產線等先進制造工藝。在安全性能上，缺少過載保護和先進的安全防護及自動報警裝置。

針對以上問題，按照農業農村部和遼寧省《關于開展主要農作物生產全程機械化推進行動的意見》要求，錦州市將秸稈全程機械化還田作為農機技術推廣的主推工作。以秸稈全程機械化技術為主導方向，以增加農民收入為目標，通過引進新機具、示范推廣秸稈全程機械化技術模式，開展作業示范和適用技術試驗推廣。

2 設計原理

2.1 耕整地機技術發展方向

2.1.1 大田整地方面。多功能聯合整地機、淺翻深松機等新機具已代替傳統機具。據統計，2019年，我國農業機械總動力為1.63億kW，耕地總面積為1.82億hm2，機械化耕作面積為1.68億hm2，機械化耕地率達到92.3%；2021年，農業機械總動力為1.8億kW，機械化耕種面積達到1.7億hm2，機械化耕作率超過95%。

2.1.2 寬幅大型化方面。隨著農業技術和農機制造水平的協調發展，我國土地集約和農業技術集約化程度大幅度提高。隨著我國大馬力拖拉機不斷發展，380馬力功率段拖拉機已經實現批量銷售，大馬力拖拉機銷量突破了200萬臺，給配套研制的大型聯合整地機、液壓翻轉犁、重型圓盤耙等寬幅大型耕整地機械提供了發展的空間。據統計，2019～2022年，我國大型耕作機械市場年均增長率達到了9.7%。

2.1.3 功能化發展方面。現有市場產品在復式作業和聯合作業方向取得了長足進步，耕整地機不僅能夠進行土地耕作、整地等基本工作，還能夠實現種植、施肥、除草、灌溉等復合工序。通過一次作業完成，達到了充分利用功率、降低油耗、節約勞動時間、減少土壤壓實的效果。

2.1.4 高效智能化發展方面。部分耕整地機采用了GPS遙控、田間信息快速獲取與分析等先進技術，運用不同規格激光控制平底網格、耕整地機械數字化計量技術及作業狀態信息技術，實現了精準施肥、精準定位等精準化作業。并且，在作業過程中對實際情況進行記錄和分析，為農業生產提供科學依據，形成了現代化耕整地機械裝備自動化控制體系，實現了現代農業機械技術水平的提升。

2.2 具體設計參數和構造

根據機具設計的具體要求，本產品重點圍繞滅茬、旋耕和深松于一體的聯合作業方式，針對傳統農機旋耕不到位、刀片方向影響作業效率、旋耕滅茬效果不理想的問題，對機具進行設計改進。試制中，先后解決了變速箱后支撐板與刀片刮碰、滅茬軸彎曲、部分刀庫六方孔與圓孔裝配不同心的問題，并開展了作業機具應用與示范。具體參數見表1。

表1 聯合整地機技術參數

本機具主要由機架、萬向節、主副變速箱、旋耕刀軸、蓋板、起壟器（選配）等部件組成。將由拖拉機產生的動力通過傳動軸輸入到整地機，機具上的刀軸帶動刀片旋轉并向前移動與土壤產生相對運動，實現作物根茬被滅茬刀高速粉碎、土壤被旋耕刀疏松。然后，進行起壟，由此完成滅茬、旋耕和深松的聯合作業循環。整地后，土壤疏松、平整、保水、保肥、有機質含量高，具備播種和作物生長的良好條件。機具具體構造見圖1。

圖1 聯合整地機結構示意圖

3 重要部件設計

3.1 變速箱總成設計

我國土壤環境不同，如果設計單獨轉速的農機裝備，將會造成整地機刀軸轉速不適的現象。針對以上情況，本產品在變速箱總成上采用了可更換齒輪的方式。可以根據不同地區，配備齒輪比不同的齒輪副，動力由拖拉機的后輸出軸輸出，經萬向節傳遞給中齒輪箱，由中齒輪箱輸出動力，經由插筒裝置的花鍵套與右齒輪箱連結，右齒輪箱帶動旋耕軸，旋耕軸上的旋耕刀進行碎土及旋耕整地的農田作業，從而適應各地的旋耕滅茬的需求。

為了增加變速箱的可靠性，我們將傳統機具中大多采用的6模數齒輪，改為8與10模數齒輪，在齒輪強度上做了加強，提高了整地機的使用壽命。另外，為了彌補機具主、側箱傳動軸同軸度的不足，本方案在保證主、側箱傳動軸同軸度的前提下，采用花鍵軸傳動的傳動方式。材質選用40Cr加工成的花鍵軸，40Cr具備耐高溫、不退火、不易折等特點，通過日常加入齒輪油，提高其穩定性。

3.2 防斷裂主軸的設計

近年來，土壤板結情況愈演愈烈，土壤表面變得十分堅硬，使農業機械的主軸負荷加重，經常發生主軸斷裂等故障。針對以上問題，發現主要原因是現有同類產品主軸承受的負荷過大，主軸上焊接缺陷所形成的應力集中，造成現有主軸斷裂的情況。本產品設計了整地機防斷裂主軸，其結構要點包括軸管，軸管一端連接有法蘭，軸管的另一端為軸頭；軸筒由無縫鋼管組成，軸管上分布焊接有多個刀庫，刀庫上安裝有旋耕刀。該防斷裂主軸不僅增加了承載強度，同時刀庫呈4條螺旋均勻排列且沒有焊接缺陷，不易形成應力集中等缺陷，從而確保了主軸不會發生斷裂（圖2）。

圖2 防斷裂主軸示意圖

3.3 加油口防漏結構設計

目前，整地機齒輪箱普遍采用一個帶孔螺栓作為油箱和通氣孔使用。箱體內齒輪工作時，高速旋轉的齒輪將潤滑油攪動飛濺，并通過通孔縫隙處向外泄漏形成油泥，從而易造成排氣孔堵塞。此外，由于齒輪箱工作時會產生熱量形成壓力，氣孔堵塞造成箱體內壓力增大，導致潤滑油泄漏，影響機器的正常使用。

針對上述問題，本產品在齒輪箱上設計了防漏結構（圖3）。其特征在于：在齒輪箱上部設有與齒輪箱相連通的隔離腔，進油口在隔離腔頂部，在隔離腔下部設有導油板，并沿齒輪旋轉方向設置，導油板的一端與隔離腔底部開口一端相連，導油板另一端與隔離腔底部開口另一端之間具有導氣孔。這樣，導油板擋住飛濺油液，避免了油液漏出齒輪箱，從而解決油液與泥土混合形成的油泥堵塞通氣孔的問題。

圖3 防漏結構示意圖

3.4 萬向節傳動總成設計

萬向節傳動總成主要由活節夾叉、十字軸、方軸夾叉焊合、方軸套夾叉焊合組成。十字軸兩端裝有孔用彈性擋圈，防止十字軸軸向移動。十字軸上裝有黃油嘴，注滿黃油，可保證軸承潤滑。萬向節保護套，按需配套。

3.5 刀片設計

傳統的阿基米德螺線曲線刃口的彎刀片，耕地深度不夠，并且彎刀切不斷植物根莖，使得植物根莖纏繞刀軸。基于上述問題，本產品采用非對稱的阿基米德螺線曲線刃口的彎刀片（左彎刀和右彎刀），提高了耕地深度，使切不斷的根莖滑向刀片端部脫開，不至于纏繞到刀軸上，解決了刀軸纏草的問題。刀片采用沉頭方頸螺栓連接，可保證連接部分的強度；刀柄與連接架通過安全銷釘連接；連接架與整機通過“U”形卡和螺栓與機架后梁連接。刀片形狀如圖4。

圖4 刀片示意圖

4 結論

本文介紹了某系列高效聯合整地機構在設計原理、重要創新部件的設計方案。在推廣應用中，該整地機作業質量較好，碎土率達90%以上，其碎土率和破茬率都高于多次耕作機械；節省油耗，在同等作業面積上，節耗率達13.9%。并且，在配套上提供了系列配套機具，配套動力從130馬力以上均有配套型號生產，大大提高了該系列產品的適應性。在不同工況下做到了一機多能、一次下地完成旋耕或起壟作業、一次作業達到待播狀態，滿足了農藝要求，減少了機具對土壤的壓實度，減少了農機投入，降低了作業成本。