第一篇：懸掛式水田筑埂機及其關鍵部件研制與試驗

懸掛式水田筑埂機及其關鍵部件研制與試驗

0 引 言

水田淹灌是將灌溉田地劃為田格，在田格周圍修筑田埂，灌水后保持一定厚度的水層自上而下浸潤土壤。筑埂是實現水田淹灌的關鍵，堅實合理的田埂不僅能保證水稻對水分的需求，還可以大大節約水資源，減少水資源的浪費。水田筑埂屬于水稻生產過程的整地環節，也是水稻生產機械化的重要環節。

對于水田筑埂技術的研究，日本處于世界領先水平，其筑埂機具主要分為3種形式：第1種筑埂機通過升運葉片將土壤升起，借助機具上面和側面的抹埂板將泥土貼抹到田埂的上部和側部；第2種筑埂機通過螺旋犁將稻田泥土橫向地輸送，用培土板推向田埂，借助于上面和側面的鎮壓輥和鎮壓板來壓平和抹平；第3種筑埂機采用橫切旋耕器，切削舊田埂傾面的同時粉碎埂面土塊，并把成形所需的土運到田埂，最后以旋轉圓盤滾動方式使田埂成形，將田埂加工成如抹墻后的表面。中國最早出現的水田筑埂機是1975年東北農學院研制并通過鏵式犁取土，用成型板鎮壓成型[1-2]。目前，中國的一些中小企業也進行了筑埂機的研制，主要通過鏵式犁或旋耕機取土，通過鎮壓輥或旋轉圓盤滾動方式成形，筑出的田埂也非常堅硬，但適應性較差。中國和日本的土質不同，而且中國不同省份的土質差別也很大，日本的筑埂機并不適合在中國各地區作業。隨著水稻生產機械化的發展和農戶的需求，亟需研制出適合中國不同地區作業的水田筑埂機具。本文以中國北方黑龍江省土壤條件為依據，進行筑埂機具主要參數的確定，以期研制出適應北方地區作業的筑埂機具。筑埂的農藝要求 筑埂機所筑田埂高度為250～300mm，埂底寬度為400～600mm，埂頂寬度為250～350mm，坡度系數0.6～0.85，土壤堅實度為80～llOkPa，作業時間為每年4月中旬或9月下旬，取土后溝渠深度小于lOOmm。

2整機結構及其工作原理

懸掛式水田筑埂機是一種專門用于水田筑埂作業的農業機具，主要由旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置、傳動系統、1800翻轉裝置、尾輪、罩殼、機架等組成。其中旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置為主要的工作部件，結構如圖1所示。

機架上從前至后依次安裝傳動軸1，帶傳動裝置2，1800翻轉變速箱

4、通過聯軸器與主變速箱8連接，7、9、10分別為筑埂機主要工作部件推壓筑埂裝置和上、下旋耕集土裝置。

工作時，筑埂機動力由拖拉機動力輸出軸提供，通過萬向聯軸器與傳動軸相連接，傳動軸通過帶輪與1800翻轉變速箱連接，經過1800翻轉變速箱變向后將動力傳到主變速箱，由主變速箱帶動上、下旋耕集土裝置及推壓筑埂裝置工作。轉動取土深度調節裝置的調節手柄可以改變下旋耕集土裝置的高度，實現取土深度的變化。1800翻轉變速箱和翻轉鎖緊裝置配合使用可以完成筑埂機關鍵工作部件1800翻轉，解決了在田埂拐角處由于拖拉機機占用空間而不能修筑的一段田埂。

筑埂機修筑田埂一般要經過2個工序：取土和鎮壓成埂。根據筑埂工序要求設計取土裝置和鎮壓裝置。這2個工作裝置必須安裝在機架之上，根據工序要求，取土裝置在前，鎮壓裝置在后。筑埂機工作時，取土裝置將士聚攏到推壓筑埂裝置，通過推壓筑埂裝置鎮壓土壤形成田埂。

3關鍵部件設計 3.1 關鍵部件工作原理

由于旋耕刀將土壤從后方和側后方拋出[3-71，根據旋耕刀拋土特性，將旋耕集土裝置設計成2個刀軸聯合切削土壤的形式。旋耕集土裝置由上、下2個旋耕刀軸組成，下旋耕裝置分別由不同回轉半徑的旋耕彎刀組成，上旋耕裝置則由相同回轉半徑的旋耕彎刀組成。旋耕集土裝置彎刀均為右彎刀，上、下旋耕裝置工作狀態如圖2a所示。下旋耕裝置在旋轉過程中取土、拋土并且可以切出階梯型的田埂，推壓筑埂圓盤可以把收集的土壤抹壓在階梯形結構之上，使筑成的田埂堅實且不容易滑落塌陷，如圖2b所示。上旋耕裝置可以打碎土壤表面的風干土壤和雜草，更加保證了筑出田埂的堅實性。下旋耕裝置拋出的土塊可以被上旋耕裝置上的刀片二次旋切之后并且拋出，進一步增加了碎土率，減輕了整機的功率消耗。

3.2旋耕集土裝置設計 3.2.1旋耕裝置刀片運動方程

設坐標原點D為旋耕集土裝置某一時刻的回轉中心，石方向為機器前進方向，旋耕裝置刀軸為正轉，旋耕刀片回轉半徑為R，筑埂機作業時旋耕刀上各點運動軌跡為余擺線，如圖3所示。

旋耕刀端點運動軌跡可用下列方程表示

3.2.2旋耕集土裝置刀輥轉速確定

旋耕裝置切土節距S為

旋耕裝置在切削土壤后，將土收集到后面的推壓筑埂裝置使其成埂，切土節距的大小影響筑埂機筑埂質量和功率消耗。旋耕機在中等黏度的稻田土，土壤含水率在20%～30%時，切土節距60～90 mm較為合適。由于筑埂機在筑埂時，對土壤破碎程度比旋耕機要高，因此，筑埂機切土節距取30～50mm較為合適。經過切削的土塊經過罩殼擊打將進一步打碎，進一步提高碎土質量，這樣在筑埂時土壤將更加容易壓實成埂。

筑埂機在筑埂時，機組前進速度為0.6～0.8 km/h，主要取土區間單位小區刀片數量為1，根據式(6)，確定刀軸轉速為300 r/min。這時，切土節距為33—44mm，符合要求。筑埂機上下旋耕裝置刀軸設計轉速均為300r/min。

3.2.3旋耕裝置參數確定

建立如圖4所示的田埂截面圖，由于田埂在受到浸泡、碾壓和風蝕等作用，田埂在收獲后變形較大。根據變形的不同，應用筑埂機進行田埂修復需要完整田埂土量的10%～20%。工作時，旋耕刀既將田埂切成階梯形，又在階梯側地面以下取土，從而補充田埂在受到浸泡、碾壓和風蝕作用而損失的土壤量。完整田埂的截面面積(A1，mm2)為

根據筑埂的農藝要求，將田埂的高度、埂底寬度和埂頂寬度代入式(7)和式(8)，求出A2m。和A2mi。分別為14250和3250 mmz。為了適應不同田埂高度的要求，下旋耕集土裝置的取土深度應可調，為保證取土深度的變化不超過預定的范圍，且拖拉機倒行時車輪不在取土后所留的溝內行駛，取土寬度日取150mm。由式(8)得，取土深度日變范圍為20～95mm，不超過下旋耕集土裝置高度調節范圍0～120mm，即筑埂機可以根據田埂的高度和形狀調節取土深度，滿足筑埂時土壤量需求。設計旋耕刀的取土寬度為50mm，下旋耕集土裝置在取土寬度B上應配置3～4把取土旋耕刀，而切成階梯形截面可配置2～3把旋耕刀，階梯高度為50～75mm，上旋耕集土裝置可配置3～4把旋耕刀。

3.3推壓筑埂裝置設計

推壓筑埂裝置在筑埂時主要通過盤片和推壓輥壓實土壤成埂。推壓筑埂裝置設計成與所筑成田埂梯形頂面和側面吻合形式，如圖5所示。

推壓筑埂裝置的受力情況如圖6所示。

當推壓筑埂裝置作勻速運動時，在xoy平面內平衡方程為

式中，md為推壓筑埂裝置主動力矩，Nmm．丁為機具對推壓筑埂裝置的作用力，N；晦為軸承的摩擦力矩，Nmm;R1為推壓輥與土壤接觸面上所產生的摩擦力，N;R2為盤片與土壤接觸產生的摩擦力，N;N1為土壤對推壓輥的正壓力，N；Ⅳ2為土壤對盤片的正壓力，N;W1為盤片組合體重力，N；%為推壓輥和羽片組合體的重力，N;∥l為推壓輥與土壤接觸的摩擦系數；f12為盤片與土壤接觸的摩擦系數；媯推壓輥和盤片的安裝角度，rad;P為M到y軸的距離，mm;，為R2到工軸的距離，mm。Rx、RE、e、向、丁均因Md的存在而存在，但也都有一個極限值。在N1和Ⅳ2不變的情況下，R1、R2的大小與摩擦系數∥

1、p2有關，即與推壓筑埂裝置的表面狀態和土壤性質有關。摩擦力越大，推壓筑埂裝置所產生的拉力或推力也越大。為了獲得較大的風和R2，將推壓筑埂裝置設計成盤片和羽片組合體的形式來加強推壓筑埂裝置與土壤的法向接觸面，使土壤產生較大的切向反作用力，盤片和羽片在推壓筑埂裝置上的分布如圖5所示。選取圓盤厚度為(s，mm)，推壓輥和盤片的重力礬和WE為

在zoy平面內，Fe=N2cosO，Fe是尾輪作用在推壓筑埂裝置上的軸向力，N；主要用于抵消土壤對盤片的側向力。

推壓輥、盤片與土壤接觸面上所產生的摩擦力和土壤對推壓筑埂裝置的壓力需要通過試驗獲得[15-221，根據試驗數據優化推壓筑埂裝置，但通過推壓筑埂裝置的理論分析可以確定驅動力矩，完成推壓筑埂裝置的設計，也為推壓筑埂裝置的優化和后續試驗提供了合理的參數。

3.41800翻轉裝置設計

1800翻轉裝置由2個錐齒輪變速箱組合而成，結構如圖7所示。變速箱1與變速箱3通過軸承2鉸接于一體，在不影響傳遞動力的條件下，變速箱3可以繞變速箱1轉任意角度。2個錐齒輪箱的傳動比均為1。

筑埂機在田間作業行走方式如圖8所示。

由于筑埂機懸掛在拖拉機上，當拖拉機行駛到田埂拐角處，拖拉機前端到推壓圓盤之間的一段距離筑埂機不能筑埂，如圖8a所示。將筑埂機翻轉1800后，通過拖拉機倒行的方式可以實現田埂拐角處的筑埂作業，如圖8b所示。

4試驗結果與分析

懸掛式水田筑埂機的工作質量主要與旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置和土壤狀況有關。只有通過試驗研究，才能確保作業效果達到設計的技術要求[23-25]。2012年7月，黑龍江農墾農業機械試驗鑒定站在東北農業大學園藝學院試驗田對研制的懸掛式水田筑埂機進行了田間作業性能檢測，如圖9所示。檢測地土壤絕對含水率為2313%；土壤堅實度0.31MPa;環境溫度為18℃；環境濕度為49%；配套動力為福田雷沃704(51.5kW)；操作人員操作熟練，機器狀況良好。檢測結果如表1所示。

1)在作業過程中，拖拉機采用低速I檔，油門控制在80%左右，筑埂機作業不超過0.8km/h，否則田筑的側面會出現較寬的抹壓痕跡。

2)筑埂機的筑埂高度通過調節尾輪與機架的相對位置來調整，適用于在平坦的地塊上作業。當地表不平時，筑埂高度變化較大，上坡變小，下坡變大，坡度過大時尾輪會離開地面，降低了筑埂土壤的堅實度。

5結論

針對人工筑埂勞動強度大的主要問題，設計了一種懸掛式水田筑埂機，并對其關鍵部件的工作機理進行分析，得出結論如下：

1)設計了筑埂機旋耕集土裝置，通過對旋耕刀片的運動分析，確定了旋耕刀軸的轉速為300 r/min。通過對田埂取土截面的分析，得出取土寬度為150 mm，取土深度為20～95 mm，為旋耕刀的配置和排列提供依據。

2)通過對推壓筑埂裝置的受力分析，得出推壓筑埂裝置的驅動力矩，為筑埂機的動力分配、優化和后續試驗奠定了理論基礎。

3)設計了1800翻轉裝置，可實現工作部件的翻轉作業，解決了在田埂拐角處由于拖拉機占用空間而不能修筑的一段田埂。

4)由檢測結果可知，筑埂質量良好，均達到了各項農藝技術指標的要求。懸掛式筑埂作業是完全可行的，可較好地完成修筑和筑埂的作業。

王金峰，王金武※，孔彥軍，張成亮，趙佳樂（東北農業大學工程學院，哈爾濱150030）