谈筑埂机关键部件的设计

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本文以中国北方黑龙江省土壤条件为依据，进行筑埂机具主要参数的确定，以期研制出适应北方地区作业的筑埂机具。

1筑埂的农艺要求

筑埂机所筑田埂高度为250～300mm，埂底宽度为400～600mm，埂顶宽度为250～350mm，坡度系数0.6~0.85，土壤坚实度为80～110kPa，作业时间为每年4月中旬或9月下旬，取土后沟渠深度小于100mm。

2整机结构及其工作原理

悬挂式水田筑埂机是一种专门用于水田筑埂作业的农业机具，主要由旋耕集土装置、推压筑埂装置、传动系统、180°翻转装置、尾轮、罩壳、机架等组成。其中旋耕集土装置、推压筑埂装置为主要的工作部件，结构如图1所示。机架上从前至后依次安装传动轴1，带传动装置2，180°翻转变速箱4、通过联轴器与主变速箱8连接，7、9、10分别为筑埂机主要工作部件推压筑埂装置和上、下旋耕集土装置。工作时，筑埂机动力由拖拉机动力输出轴提供，通过万向联轴器与传动轴相连接，传动轴通过带轮与180°翻转变速箱连接，经过180°翻转变速箱变向后将动力传到主变速箱，由主变速箱带动上、下旋耕集土装置及推压筑埂装置工作。转动取土深度调节装置的调节手柄可以改变下旋耕集土装置的高度，实现取土深度的变化。180°翻转变速箱和翻转锁紧装置配合使用可以完成筑埂机关键工作部件180°翻转，解决了在田埂拐角处由于拖拉机机占用空间而不能修筑的一段田埂。筑埂机修筑田埂一般要经过2个工序：取土和镇压成埂。根据筑埂工序要求设计取土装置和镇压装置。这2个工作装置必须安装在机架之上，根据工序要求，取土装置在前，镇压装置在后。筑埂机工作时，取土装置将土聚拢到推压筑埂装置，通过推压筑埂装置镇压土壤形成田埂。

3关键部件设计

3.1关键部件工作原理由于旋耕刀将土壤从后方和侧后方抛出[3-7]，根据旋耕刀抛土特性，将旋耕集土装置设计成2个刀轴联合切削土壤的形式。旋耕集土装置由上、下2个旋耕刀轴组成，下旋耕装置分别由不同回转半径的旋耕弯刀组成，上旋耕装置则由相同回转半径的旋耕弯刀组成。旋耕集土装置弯刀均为右弯刀，上、下旋耕装置工作状态如图2a所示。下旋耕装置在旋转过程中取土、抛土并且可以切出阶梯型的田埂，推压筑埂圆盘可以把收集的土壤抹压在阶梯形结构之上，使筑成的田埂坚实且不容易滑落塌陷，如图2b所示。上旋耕装置可以打碎土壤表面的风干土壤和杂草，更加保证了筑出田埂的坚实性。下旋耕装置抛出的土块可以被上旋耕装置上的刀片二次旋切之后并且抛出，进一步增加了碎土率，减轻了整机的功率消耗。

3.2旋耕集土装置设计

3.2.1旋耕装置刀片运动方程设坐标原点O为旋耕集土装置某一时刻的回转中心，x方向为机器前进方向，旋耕装置刀轴为正转，旋耕刀片回转半径为R，筑埂机作业时旋耕刀上各点运动轨迹为余摆线。切土节距的大小直接影响碎土质量，降低机具前进速度，提高刀辊转速，增加每个切削小区内的刀片数量，均能减小切土节距，提高碎土质量。根据土壤种类和含水率采用适当的切土节距，土壤黏性大，含水率低，应取较小的切土节距；反之应取较大的切土节距[8-11]。旋耕装置在切削土壤后，将土收集到后面的推压筑埂装置使其成埂，切土节距的大小影响筑埂机筑埂质量和功率消耗。旋耕机在中等黏度的稻田土，土壤含水率在20%～30%时，切土节距60～90mm较为合适。由于筑埂机在筑埂时，对土壤破碎程度比旋耕机要高，因此，筑埂机切土节距取30～50mm较为合适。经过切削的土块经过罩壳击打将进一步打碎，进一步提高碎土质量，这样在筑埂时土壤将更加容易压实成埂。筑埂机在筑埂时，机组前进速度为0.6～0.8km/h，主要取土区间单位小区刀片数量为1，根据式（6），确定刀轴转速为300r/min。这时，切土节距为33～44mm，符合要求。筑埂机上下旋耕装置刀轴设计转速均为300r/min。

3.2.3旋耕装置参数确定建立如图4所示的田埂截面图，由于田埂在受到浸泡、碾压和风蚀等作用，田埂在收获后变形较大。根据变形的不同，应用筑埂机进行田埂修复需要完整田埂土量的10%～20%。工作时，旋耕刀既将田埂切成阶梯形，又在阶梯侧地面以下取土，从而补充田埂在受到浸泡、碾压和风蚀作用而损失的土壤量。根据筑埂的农艺要求，将田埂的高度、埂底宽度和埂顶宽度代入式（7）和式（8），求出A2max和A2min分别为14250和3250mm2。为了适应不同田埂高度的要求，下旋耕集土装置的取土深度应可调，为保证取土深度的变化不超过预定的范围，且拖拉机倒行时车轮不在取土后所留的沟内行驶，取土宽度B取150mm。由式（8）得，取土深度H变范围为20～95mm，不超过下旋耕集土装置高度调节范围0～120mm，即筑埂机可以根据田埂的高度和形状调节取土深度，满足筑埂时土壤量需求。设计旋耕刀的取土宽度为50mm，下旋耕集土装置在取土宽度B上应配置3～4把取土旋耕刀，而切成阶梯形截面可配置2～3把旋耕刀，阶梯高度为50～75mm，上旋耕集土装置可配置3～4把旋耕刀[11-14]。

3.3推压筑埂装置设计推压筑埂装置在筑埂时主要通过盘片和推压辊压实土壤成埂。推压筑埂装置设计成与所筑成田埂梯形顶面和侧面吻合形式。3.4180°翻转装置设计180°翻转装置由2个锥齿轮变速箱组合而成，结构如图7所示。变速箱1与变速箱3通过轴承2铰接于一体，在不影响传递动力的条件下，变速箱3可以绕变速箱1转任意角度。2个锥齿轮箱的传动比均为1。由于筑埂机悬挂在拖拉机上，当拖拉机行驶到田埂拐角处，拖拉机前端到推压圆盘之间的一段距离筑埂机不能筑埂，如图8a所示。将筑埂机翻转180°后，通过拖拉机倒行的方式可以实现田埂拐角处的筑埂作业，如图8b所示。

4试验结果与分析

悬挂式水田筑埂机的工作质量主要与旋耕集土装置、推压筑埂装置和土壤状况有关。只有通过试验研究，才能确保作业效果达到设计的技术要求[23-25]。2012年7月，黑龙江农垦农业机械试验鉴定站在东北农业大学园艺学院试验田对研制的悬挂式水田筑埂机进行了田间作业性能检测。检测地土壤绝对含水率为23.3%；土壤坚实度0.31MPa；环境温度为18℃；环境湿度为49%；配套动力为福田雷沃704（51.5kW）；操作人员操作熟练，机器状况良好。1）在作业过程中，拖拉机采用低速Ⅰ档，油门控制在80%左右，筑埂机作业不超过0.8km/h，否则田筑的侧面会出现较宽的抹压痕迹。2）筑埂机的筑埂高度通过调节尾轮与机架的相对位置来调整，适用于在平坦的地块上作业。当地表不平时，筑埂高度变化较大，上坡变小，下坡变大，坡度过大时尾轮会离开地面，降低了筑埂土壤的坚实度。

5结论

针对人工筑埂劳动强度大的主要问题，设计了一种悬挂式水田筑埂机，并对其关键部件的工作机理进行分析，得出结论如下：1）设计了筑埂机旋耕集土装置，通过对旋耕刀片的运动分析，确定了旋耕刀轴的转速为300r/min。通过对田埂取土截面的分析，得出取土宽度为150mm，取土深度为20～95mm，为旋耕刀的配置和排列提供依据。2）通过对推压筑埂装置的受力分析，得出推压筑埂装置的驱动力矩，为筑埂机的动力分配、优化和后续试验奠定了理论基础。3）设计了180°翻转装置，可实现工作部件的翻转作业，解决了在田埂拐角处由于拖拉机占用空间而不能修筑的一段田埂。4）由检测结果可知，筑埂质量良好，均达到了各项农艺技术指标的要求。悬挂式筑埂作业是完全可行的，可较好地完成修筑和筑埂的作业。

作者：王金峰王金武孔彦军张成亮赵佳乐单位：东北农业大学工程学院