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第一章 概述
大田的耕作機械主要有鏵式犁和旋耕機兩種。傳統(tǒng)的耕作方式是三年一深耕(犁耕)、一年一旋耕(淺耕)。旋耕機由于具有耕地和耙地的雙重作用,在耕地機械中占有重要的地位。
旋耕機是一種由動力驅(qū)動的土壤耕作機械，旋耕機的耕作部件為旋耕刀輥,是由多把旋耕刀在刀軸上按螺旋線排列而成。旋耕機于19世紀中葉問世,但直到本世紀20年代歐洲研制成功直角旋耕刀以后,旋耕機才在歐洲旱地得到推廣使用,日本二戰(zhàn)之后為了盡快恢復經(jīng)濟發(fā)展,決定從歐美引進旋耕機用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由于日本大多為水田,直角形旋耕刀不適宜于進行水田耕作。一大批日本學者開始致力于水田用旋耕刀的研究,如吉田富穗、松尾昌樹、坂井純等人研制出了旋耕彎刀,成功地解決了刀軸纏草等問題。旋耕彎刀的刃口曲線的要求是：彎刀耕作時,先由側(cè)切刃沿縱向切削土壤,并且是由離軸心較近的刃口開始切割,由近及遠,最后由正切刃橫向切開土壤。這種切削過程可以把草莖及殘茬壓向未耕地,進行有支持切割,草莖及殘茬即使不被切斷,也可以利用刃口曲線的合理形狀使其從端部滑離彎刀,彎刀不致于纏草。這樣,彎刀適合于在多草莖的水田耕作。能達到這種要求的刃口曲線有阿基米德螺線、等角對數(shù)螺線、正弦指數(shù)曲線等,其中,阿基米德螺線應用最廣。
旋耕機切土、碎土能力強，一次旋耕能夠達到一般犁耙作業(yè)幾次的碎土效果，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細作要求，且縮短工序間隔，有利于搶農(nóng)時抗旱保墑，減少拖拉機進地次數(shù)，減輕對土壤壓實，減少能源消耗，降低作業(yè)成本，減少機具投資，提高機具利用率，加之近年來國內(nèi)還田技術(shù)和免耕少耕技術(shù)的推廣應用，旋耕機得到了迅猛發(fā)展，已成為拖拉機的主要配套機具之一。
第二章 對旋耕機的展望及發(fā)展現(xiàn)狀
2.1對旋耕機的展望
現(xiàn)有旋耕機產(chǎn)品雖然在理論上可以配套58.8－73.5kw的拖拉機，但實際上因受傳動系統(tǒng)強度及結(jié)構(gòu)尺寸、機架結(jié)構(gòu)強度的限制，配套合理范圍僅達48kw的拖拉機；耕深亦局限在旱耕12－16cm，水耕14－18cm。因此，現(xiàn)有旋耕機產(chǎn)品在品種上尚有大型和深耕型的缺門。20世紀90年代以來，為適應市場需要，有些企業(yè)試圖開發(fā)大型旋耕機，但因水平有限，僅采用原有產(chǎn)品外延放大和堆砌材料的方法，沒有著重結(jié)構(gòu)的改進和參數(shù)的優(yōu)化，因而走了彎路。結(jié)合各種因素分析，今后旋耕機應向以下幾個方向發(fā)展。
隨著水稻集約化、規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，水田耕整用寬幅高速型旋耕機成為發(fā)展方面。水田土壤含水率高，抗剪切、抗壓強度特別低，附著力、外摩擦力也接近為零，切土部件與土壤之間存在潤滑水膜。因此，大塊水田使用大型拖拉機旋耕機組水耕時，為充分發(fā)揮其功率，實現(xiàn)高效率、高效益，需要工作幅寬3m以上的寬幅旋耕機。但寬幅又受到道路行駛和入庫停機不便的制約，解決途徑有二：一是旋耕機采用寬度伸縮或折疊式結(jié)構(gòu)；二是采用適中的幅寬，提高作業(yè)速度，從現(xiàn)有的2－5km/h提高到4－8km/h。為滿足以上要求，需要改進旋耕機及工作部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，研制寬幅高速旋耕機及滅茬、旋耕、旋耙和深施化肥的復式作業(yè)機械。
大中型拖拉機具有強勁的動力輸出、較大的犖引力和懸掛提升能力，為配套旱地耕作型聯(lián)合作業(yè)提供了先決條件。而旋耕機作為驅(qū)動型耕作機械，易于更換和附加工作部件，形成滅茬、深松、碎土、做畦、起壟、開溝、精量半精量播種、深施化肥、鋪膜、鎮(zhèn)壓和噴藥等多項作業(yè)的結(jié)構(gòu)緊湊的聯(lián)合作業(yè)機組，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了作業(yè)成本。國內(nèi)現(xiàn)有小批量生產(chǎn)和投放市場的系列旋耕復式作業(yè)機具主要配套中型拖拉機，在型機具尚待研制開發(fā)。
深耕型旋耕機耕深一般不超過20cm。為了滿足增厚土壤熟化層、改善深層透氣性以及栽培薯類、根莖類作物需要深耕的農(nóng)藝要求，近年來國外開發(fā)了全幅深旋耕機和間隔窄幅深旋耕機，耕深達到30－60cm或90－120cm。國內(nèi)該型產(chǎn)品的開發(fā)剛起步，目前已經(jīng)批出加深型中間傳動臥式旋耕機，耕深達30cm。加大旋耕深度的主要難點是引起動力機作業(yè)負荷和功率消耗急劇增大，機械強度不足和機組功率不平衡。而大功率拖拉機具有雙速獨立動力輸出軸，可以全功率輸出，同時具有多個慢速擋以及爬行擋，這也為配套深耕旋耕機提供了條件。臥式深耕旋耕機在國內(nèi)外正處于轉(zhuǎn)型期，而國內(nèi)專家學者認為反轉(zhuǎn)旋耕是一種大有前途的耕耘方式，潛土逆轉(zhuǎn)應用在深耕旋耕機上將更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，目前需進一步開展這方面的研究工作，完善理論，積累經(jīng)驗，開發(fā)出成功的產(chǎn)品。
現(xiàn)在旋耕機的研究另外兩個熱點是,一個是國家今年提出可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略,降低污染和資源重用已成為當前農(nóng)業(yè)機械設計的最終目的。秸桿還田無疑是一個重要的研究方向,其中已出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機等新的旋耕機機型。另一個熱點是隨著溫室技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)村已大力推廣大棚的使用,如太原北郊蔬菜辦已提出很多優(yōu)惠政策來吸引菜農(nóng)使用大棚。這樣,小型大棚機械的研制成為目前的研究重點。據(jù)報道,日本已研制出重量僅為8.6公斤的小型旋耕機,婦女都可以使用。
2.2旋耕機的的發(fā)展現(xiàn)狀
2.2.1國外旋耕機的發(fā)展現(xiàn)狀
縱觀國外旋耕機現(xiàn)狀，由于拖拉機功率的提高，具有水平軸旋耕部件的旋耕機更加先進、合理，大大提高了旋耕機生產(chǎn)率。上世紀90年代前國外旋耕機的技術(shù)參數(shù)如下頁表所示。
從表列出的國外大公司的旋耕機的主要參數(shù)看，其單位能耗高達280KJ/m3~700KJ/m3,大約高于翻整地機械能耗的3倍~6倍。
國外旋耕機的基本技術(shù)參數(shù)
為了降低旋耕機的單位能耗，現(xiàn)在普遍采用了改進工作部件的幾何參數(shù)、選用符合旋耕工作部件作業(yè)條件的運動參數(shù)等方法進行優(yōu)化設計，以達到降低能耗的目的。
此外，為了降低能耗，提高旋耕機的工作效率，在滿足農(nóng)藝要求的前提下，必須采用適合分層作業(yè)的生產(chǎn)工藝，設計上強下弱的松土工作部件。目前得到廣泛應用的分層作業(yè)機具采用的是被動（松土）工作部件和主動（旋耕）工作部件。
2.2.2國內(nèi)旋耕機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國近年來旋耕機的保有量增加很快，為了適應當前的生產(chǎn)形式（規(guī)模），為不同機型拖拉機配套，生產(chǎn)了作業(yè)幅：1.25m~2.8m多種型號的旋耕機。如南昌旋耕機廠的1GN系列和1G系列多種型號旋耕機。連云港旋耕機集團公司生產(chǎn)的1GE2-210型旋耕機，1GQN-250S型旋耕機等。
在黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用的機型還有1GHL-280型松旋起壟機、1GSZ-201/280型組合式旋耕多用機、1GZJ-210型旋耕滅茬起壟通用機及1GQH-280D型滅茬旋耕多用機等。很多機型為了適應黑龍江省農(nóng)藝要求，在旋耕機后部安裝了起壟犁鏵。為了裝配各種不同的工作件組合設計了專門的機架，以提高旋耕機的應用水平。
第三章設計及其計算
近幾十年來，隨著農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的發(fā)展，旋耕機的研究和應用有很大的進展，出現(xiàn)了多種形式的產(chǎn)品：
1、按旋耕刀軸的位置可分為橫軸式（臥式）、立軸式（立式）、斜軸式。
2、按與拖拉機連接型式可分為牽引式、懸掛式、直接連接式。
3、按刀軸傳動形式可分為中間傳動、側(cè)邊傳動。
3.1旋耕機的工作原理與設計原則、思想
3.1.1工作原理
旋耕機工作時，其刀片隨著刀軸由拖拉機動力輸出軸驅(qū)動作回轉(zhuǎn)運動，同時又隨機組前進作等速直線運動（如圖1所示）。刀片切削土壤時，刀片的絕對運動是由機組的前進運動與刀軸的回轉(zhuǎn)運動所合成。為了使機組能正常工作，刀片在整個切土過程中不能產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求其絕對運動的軌跡為余擺線。在這一余擺線繞圈最大橫弦以下任意一點的水平分速度的方向與機組前進方向相反。這樣刀片將切下的土塊向后拋擲與擋泥罩以及平土拖板相撞擊，使土塊進一步破碎再落到地面。由于機組不斷前進，刀片就連續(xù)不斷地對未耕地進行松碎。
3.1.2設計原則、思想
進行廣泛的市場調(diào)研，分析市場上現(xiàn)有的國內(nèi)外機型的優(yōu)缺點，盡可能利用先進的、成熟的技術(shù)，力求有所創(chuàng)新，并充分考慮農(nóng)民的需求及承受能力和現(xiàn)有工廠條件，也就是說以滿足工作性能為基礎，達到可靠性、適用性、先進性、經(jīng)濟性及系列化的統(tǒng)一，爭取好的經(jīng)濟效益。
3.2 旋耕機的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù).(表 1)
旋耕機主要由萬向節(jié)總成、懸掛架總成、齒輪箱、左彎刀、右主梁總成、右彎刀、左主梁總成、左刀軸總成、右刀軸總成、機罩拖板總成等組成。
表 1 主要技術(shù)參數(shù)
旋耕機型號
旋耕機
配套動力
鐵牛-55
耕幅
1.84m
耕深
14cm
刀片型式
彎刀
刀片數(shù)量（把）
54
輸入轉(zhuǎn)速
532r/min
刀軸轉(zhuǎn)速
240r/min
與主機掛接型式
標準三點懸掛（I類）
前進速度
2.17km/h
結(jié)構(gòu)質(zhì)量
402Kg
外形尺寸
長
1374mm
寬
2077mm
高
1328mm
生產(chǎn)率
6畝/時
注：1、耕深：按旋耕機在土壤絕對含水率為15%——75%的壤土、輕粘土的情況下測得值。
2、生產(chǎn)率按理論計算值的70%計算（作業(yè)時的最大耕幅）。
3.3 旋耕機的設計
3.3.1總體設計
總體設計包括類型的選擇、旋耕機耕幅的確定、與拖拉機的掛接型式及配置型式、傳動型式、前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速等內(nèi)容?？傮w設計要體現(xiàn)設計原則和設計思想，實現(xiàn)旋耕機與拖拉機的合理匹配，達到可靠性、適用性、先進性、經(jīng)濟性及系列化的統(tǒng)一。
3.3.2 旋耕機類型的選擇
臥式順銑（正轉(zhuǎn)）旋耕機具有良好的碎土、覆蓋綠肥功能和水田適應性，耕后地表平整，消耗功率較小。臥式正轉(zhuǎn)旋耕機可用于稻茬田秋季播麥前耕作，水稻插秧前整地，犁耕后耙地碎土，秋耕玉米茬等作業(yè)。在稻麥兩熟撒播的麥田，采用刀滾直徑較小，轉(zhuǎn)速偏高的旋耕機（蓋麥機）淺耙，碎土蓋麥，有良好的增產(chǎn)效果。所以使用較為普遍，旋耕機也采用這種類型。
3.3.3 旋耕機耕幅的確定
根據(jù)主機動力輸出功率和旋耕作業(yè)時單位幅寬功耗可對幅寬進行初步選定,幅寬過大(刀片增多)將導致發(fā)動機工作過載,合適的幅寬則可保證主機功率的充分利用。實際中幅寬的初選可采用經(jīng)驗公式B=0.26~0.29N?,但最終的確定必須經(jīng)過試驗驗證。事實上,對于同一種旋耕機,主機功率大的配套并不一定有好的作業(yè)質(zhì)量,相反卻有可能造成功率的浪費,通過試驗能合理確定對應幅寬的最佳配套功率,可以避免“大馬拉小車”的情況。耕幅與拖拉機的功率有關，并影響旋耕機與拖拉機的配置方式。耕幅B與拖拉機動力輸出軸的額定輸出功率大體成以下關系（已考慮拖拉機提升能力在內(nèi)）：
B=0.26~0.29N?
式中N——拖拉機發(fā)動機的額定功率（KW）
B=1.653m~1.843m
3.3.4旋耕機與拖拉機的掛接型式
旋耕機與拖拉機有三點懸掛、直接連接和牽引式等三種連接方式，目前我國多采用前兩種連接方式。
三點懸掛式旋耕機的懸掛方法類似鏵式犁，動力有拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸傳遞至旋耕機第一軸，驅(qū)動刀軸工作。旋耕機懸掛裝置參數(shù)主要根據(jù)萬向節(jié)伸縮軸與前后軸間的夾角大小和旋耕機的通過性能來確定，要求耕作時該夾不超過10o；地頭轉(zhuǎn)彎提升至旋耕刀離地100-250mm時，夾角不超過30o。切斷動力輸出軸動力，提升旋耕機到最高位置時，機下的通過高度一般不小于400mm，萬象節(jié)伸縮軸和軸套至少應有40mm的重疊量，還應考慮在最大耕深和提升到最高位置時，機架和旋耕機 不碰到拖拉機。
三點懸掛式旋耕機能與多種拖拉機配套，掛接方便，使用較多。本設計旋耕機與拖拉機的掛接采用三點懸掛式。
3.3.5旋耕機與拖拉機的配置型式
旋耕機與拖拉機的配置有兩種形式，正配置和偏配置。當旋耕機的耕幅超過拖拉機后輪外緣10cm以上時，采用正配置否則采用偏配置，以消除輪轍，使耕后地表平整，耕幅偏出輪胎外緣的距離大于5~10cm。為了減少拖拉機對土地的壓實，且由于旋耕機的耕幅184cm,大于所配套拖拉機的后輪外緣10cm，所以采用正后配置。
3.3.6 旋耕機的傳動型式
三點懸掛式旋耕機有中間傳動和側(cè)邊傳動兩種形式。中間傳動適合于耕幅為1.75~2m，旋耕機的耕幅為1.84m，采用中間全齒輪傳動。利用萬向節(jié)傳動軸將拖拉機動力輸出軸的動力傳遞給圓錐齒輪減速并改變方向后，由刀滾齒輪軸帶動刀軸旋轉(zhuǎn)。刀軸分為左、右兩側(cè)。這種齒輪箱特點是機架牢固、剛性好、布局合理，適用于寬幅旋耕機。缺點是箱體處不能安裝彎刀，如不設置特殊工作部件，將出現(xiàn)漏耕。
3.3.7 旋耕機的前進速度
根據(jù)機組前進速度和旋耕機的生產(chǎn)率計算，由公式：
P=B · Vm 得Vm =P/B=4000/1.84=2.17Km/h
故旋耕機的前進速度確定為 2.17km/h。鐵牛-55使用Ⅲ檔前進。
3.3.8旋耕機的刀軸轉(zhuǎn)速
在機組前進速度不變的情況下，旋耕機所需功率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，較理想的配合是低刀軸轉(zhuǎn)速和較高的前進速度，雖然功耗要增加些，但因生產(chǎn)率提高了，仍可降低單位面積的能耗。近年來，刀軸轉(zhuǎn)速降低的趨勢尤為明顯。為了提高生產(chǎn)率及地區(qū)適應性（見 2.3 項），減少能耗，旋耕機刀軸轉(zhuǎn)速選擇240r/min 。
3.4旋耕機的部件設計
3.4.1萬向節(jié)總成
萬向節(jié)總成是將拖拉機動力傳遞給旋耕機齒輪箱的傳動件, 萬向節(jié)總成的一端為方軸，另一端為套管，方軸可以在套管內(nèi)自由伸縮，它能適應旋耕機的升、降變化。由于旋耕機工作負荷為變載荷工作條件差，因此選用的十字軸應具有足夠的強度和可靠性。
配套設計時，耕幅為1~1.5m的旋耕機可選用NJ-130型汽車十字軸總成；耕幅為1.5~2m的選用CA-10B型汽車十字軸總成。萬向節(jié)夾叉軸線與十字軸軸承配合孔的中心線的位置度公差帶為0.2mm，垂直度公差帶為0.2mm，十字節(jié)軸承二個配合孔的同軸度公差帶0.05mm，也可選用帶塑料防護罩的NCT型農(nóng)用萬向節(jié)傳動軸系列產(chǎn)品。
旋耕機的耕幅為1.84m，選用CA-10B型汽車十字軸總成。
3.4.2 懸掛架總成
臥式旋耕機的機架呈矩形，由前梁（左、右主梁）左、右支臂及作為刀軸的后梁所組成。前梁為鑄造圓管，中間有齒輪箱，兩側(cè)為支臂。懸掛架總成是旋耕機與拖拉機掛接的部件，為了適應與不同的拖拉機配套，在懸掛架上有與拖拉機下懸掛點聯(lián)接的可安裝在不同位置的下懸掛銷以及與拖拉機上懸掛點聯(lián)接的不同位置的孔。
3.4.3 齒輪箱
齒輪箱是旋耕機的主要傳動部件，其功能是將動力傳遞給旋耕機的刀軸，并降速到刀軸所需的轉(zhuǎn)速。旋耕機在使用中要求達到額定耕深時齒輪箱的輸入齒輪軸(件2)處于水平狀態(tài)，且萬向節(jié)傳動軸的夾角不大于±10°，這就意味著當與之配套的拖拉機選定之后，齒輪箱的輸入軸在高度方向上的位置也就基本確定下來了。另外為了適應不同地區(qū)的需要，可以通過更換一對錐齒輪(件 2和件 8)來達到不同的刀軸轉(zhuǎn)速。
3.4.4 左、右主梁總成及機罩拖板總成
由于開發(fā)的是加強型旋耕機，所以除左、右主梁總成外，在機罩拖板總成中設計有后梁，它們側(cè)板共同構(gòu)成了旋耕機的機架機罩能擋住旋耕刀拋出的土塊，并使其在撞擊過程中進一步破碎，同時還可以保護操作者的安全，改善勞動條件。罩殼一般成凸弧形，布置在刀滾的后上部。罩殼與刀滾之間的空隙，前端約30~40mm，后端約70~80mm.
拖板對地表起平整和稍加壓實的作用。為了提高碎土率、地表平整度和壓實表土的效果，設計中使用了強壓式的拖板結(jié)構(gòu)，且其壓力可調(diào)，以適應不同的土壤條件。
3.4.5 左、右刀軸總成
左、右刀軸總成由彎刀、刀座及軸組成，是旋耕機的主要工作部件。刀軸傳動有剛性傳動、扭桿傳動和彈性傳動三種，彎刀及刀座都是標準件，旋耕機選用剛性傳動和 IT245 彎刀。
3.4.6旋耕機對刀片排列的要求
彎刀在刀軸上的排列是影響耕作質(zhì)量及功率消耗的重要因素之一， 為了使旋耕機在作業(yè)時受到的阻力小，耕作質(zhì)量好，刀軸受力均勻，避免漏耕和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，刀片在刀軸上的排列應滿足下列要求：1）在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，若配置 2把以上的刀片，要求每切割小區(qū)內(nèi)幾把彎刀的切土量相近，以保證碎土質(zhì)量好，耕后溝底平整。2）在刀軸回轉(zhuǎn) 1周過程中，刀軸每轉(zhuǎn)過一個相等的角度時，在同一相位角，必須是一把彎刀入土，使扭矩較為均衡，減少扭矩波動幅度，以保證工作穩(wěn)定性和刀軸負荷均勻。3）左彎刀片和右彎刀片應交替入土，使刀軸兩端的軸承所受的側(cè)壓力平衡，以減少旋耕刀對旋耕機重心的轉(zhuǎn)矩，保持旋耕機組工作時的直線性。4）相繼入土的刀片在刀軸上的軸向距離越大越好，盡可能地增大軸向相鄰兩彎刀間的夾角，以避免發(fā)生堵塞。
3.4.7現(xiàn)有旋耕機刀片排列存在的問題
根據(jù)上述旋耕機刀軸上刀片排列的要求，我國現(xiàn)生產(chǎn)的旋耕機的刀片一般按雙螺旋線規(guī)則排列。采用此排列方法較好地滿足了以上要求，但是在實際應用中又出現(xiàn)了許多新問題：1）由于刀軸上的刀片按2 條螺旋線排列，其中左彎刀按一條螺旋線排列，相間180o，右彎刀按另一條螺旋線排列，而且 2條螺旋線的旋向一致，所以工作時刀軸旋轉(zhuǎn)彎刀就會將土壤沿著螺旋線的方向輸送，因此耕后的地表一邊土多，另一邊土少，并且旋耕機容易跑偏。2）在同一個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，相間一定角度焊 2 個刀座，很容易產(chǎn)生焊接變形，使刀軸的直線度達不到要求。3）采用此刀片排列法，刀片的個數(shù)多，耕作阻力大，旋耕機制造成本高，旋耕機工作效率低。
3.4.8解決方法
1）由于旋耕機工作時向側(cè)邊輸土，主要原因是刀片在刀軸上按 2條螺旋線從左到右順時針或逆時針排列，這樣就為側(cè)向輸土造成了條件，所以解決問題的方法是使 2 條螺旋線不要連續(xù)，而且旋向不一樣，把整個刀軸上的刀片排列分成幾個區(qū)段（區(qū)段數(shù)為偶數(shù)）。我們知道區(qū)段分得越多，側(cè)向輸土越少；但是區(qū)段越多，刀片排列越復雜，排列越?jīng)]有規(guī)律性，給使用者安裝刀片帶來了很大的困難。所以區(qū)段不能分得過多，也不能分得過少，具體數(shù)量應根據(jù)刀軸的長度而定,一般區(qū)段長度定為25cm-35cm，相鄰區(qū)段螺旋線的旋向要相反。 圖4 旋耕機刀軸上刀片排列圖
2) 由于刀片排列是按 2條螺旋線排列的，為了不產(chǎn)生漏耕，一般在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，設置 2把刀(1 把右彎刀，1 把左彎刀)，而且 2 把刀的相間角一般在 90o-180o，這樣焊刀座時加熱不對稱，刀軸必然發(fā)生彎曲變形。所以在刀片排列時要盡量使同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)對稱設置。
3) 旋耕機的刀片排列一般是在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)設置 2把刀，由于刀片有一定的厚度，所以必然產(chǎn)生重耕。如果把這 2 把刀軸向相間一個或稍大點的刀片厚度，這樣即不會產(chǎn)生漏耕又不會產(chǎn)生重耕，還可以節(jié)省刀片數(shù)量，減少功率消耗，降低耕作阻力。
3.5旋耕刀的設計
3.5.1旋耕刀的分類
旋耕刀是旋耕機的主要工作部件，旋耕刀按結(jié)構(gòu)形式大致分三種類型：鑿形刀，直角刀，彎刀，如圖5；三種刀片相對土壤運動的情況基本上可以分為兩種：第一種，鑿形刀及直角刀在切削過程中其側(cè)切刃由遠及近切削土壤，正切刃先入土，對土壤有較大的松碎作用，但草莖，殘茬易纏于刀軸，其中鑿形刀尤為嚴重；第二種，彎刀工作時，先由側(cè)切刃沿縱向切削土壤，并且是先由離軸心較近的刃口開始切割，由近及遠，最后由正切刃橫向切開土壤，這種切削過程，可以把草莖及殘茬壓向未耕地，進行有支持切割。這樣，草莖及殘茬較易切斷，即使不被切斷，也可以利用刃口曲線的合理形狀，使其滑向端部離開彎刀，彎刀不易纏草。
圖5 旋耕刀的種類
3.5.2旋耕刀的結(jié)構(gòu)
旋耕刀主要有側(cè)切面、正切面、過渡面三部分組成，旋耕刀各部位名稱見圖6，側(cè)切面具有切開土垡，切斷或推開草莖、殘茬的功能；正切面除了切土外還具有翻土、碎土、拋土等功能。
側(cè)切面部分主要由南京農(nóng)業(yè)大學曲國良進行研究,提出了多種刃口曲線，刃口曲線傳統(tǒng)設計方法見圖6。正切刃部分主要由南京農(nóng)業(yè)大學彭松植進行研究，提出了平面型和曲面型正切面的設計方法。過渡面部分主要由江蘇理工大學陳均進行研究,采用了鐵路彎道設計中的放射螺線作為生成過渡面的曲導線。放射螺線的基本性質(zhì)是曲線上任一點的曲率半 徑與該點距曲線起點的弧長距離之積為常數(shù)。
3.5.3旋耕刀的設計
彎刀刀刃的設計 彎刀刀刃的設計包括切溝墻的側(cè)切刃和切溝底的正切刃兩部分。
（1）側(cè)切刃的設計 國產(chǎn)的各種彎刀，側(cè)切刃均為等近螺旋線（阿基米德螺線），其方程為
ρ=ρ0+a'?
式中 ρ0——螺線起點的極徑（mm）;
a'—螺線極角每增加1弧度，極徑的增量(mm);
?—螺線上任意點的極角（rad）。
螺線終點處的極徑 ρn=ρ0+a'?n
在確定ρn、ρ0及 ?n值后可求出a'值。
a'= （ ρn-ρ0）/?n
螺線起點的極徑ρ0 為避免無刃部分切土，ρ0可由下式求得
ρ0=[R2+S2-2S(2Ra-a2)?]?
式中 S—設計切土節(jié)距；
a—設計耕深
R—彎刀回轉(zhuǎn)半徑，為減小阻扭矩，應在滿足耕深要求和結(jié)構(gòu)許可的情況下，采用較小的尺寸。
ρ0=[2452+171.252-2*171.25(2*245*140-1402)?]?=116.344mm;
螺線終點處的極徑 ρn 為使螺旋線能與正切刃圓滑過渡，ρn值一般較彎刀回轉(zhuǎn)半徑小10~20mm,ρn=230mm。
螺線終點的極角?n 可由下式求得：
?n=（ ρn-ρ0）/ρn·tgτn
式中 τn—為螺線終點處的滑切角，常取50o~60o。
這樣可得
?n=（ ρn-ρ0）/ρn·tgτn=(230-116.344)/230·tg55o=0.706rad;
a'= （ ρn-ρ0）/?n=(230-116.344)/0.706=160.986;
將a'代入式 ρ=ρ0+a'?，并從0到?n之間分成若干份，順序選定若干?代入該式，分別求出對應的ρ，即可作出側(cè)切刃螺線。
螺線的靜態(tài)滑切角τ（刀刃的曲線角）即刀刃上某一點的極徑與該點切線之間的夾角。其數(shù)值應滿足不纏草和耕耘阻力小的要求，即
τ<90o- φ
式中 φ—根莖對刀刃的摩擦角。
（2）正切刃曲線 正切刃是一空間曲線，為使溝底較平整，正切刃曲線位于刀滾的圓柱面上及在側(cè)視圖上其投影為圓弧，兩段刃口間以圓弧線連接。
（3）彎刀的其他參數(shù)
彎刀工作幅寬b 增大幅寬可減少旋耕機上的彎刀總數(shù)，但過大則影響彎刀的剛度和碎土質(zhì)量，取b=50mm。
彎刀橫彎半徑r 通常大于30mm，半徑過小，工作時彎折圓弧處易粘土，功率消耗也增加。
磨刃為便于制造，一般采用雙磨面刃，NJ103—75標準彎刀的雙磨面刃，磨刃寬度為12mm，刃口厚0.5~1.5mm。由于刀厚從近刀柄處至刀端逐漸減薄，刃角i由36o減小至7o。
材料和技術(shù)條件 用GB699—65規(guī)定的65Mn鋼制造。切削部分必須進行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50~55。旋耕彎刀應用樣板進行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3mm。刃口的殘缺深度不得大于2mm,每把刀上不得多于2處。
3.6犁體總成
中間傳動旋耕機由于中間傳動箱較寬，通用的旋耕刀耕不到箱體下面的土壤，影響耕作質(zhì)量。為解決這個問題，可以在中間傳動旋耕機的傳動箱的前下方安裝竄垡型小犁，或者安裝帶斜面偏心軸套式旋耕裝置，即在傳動箱兩側(cè)固定偏心軸套，軸套中心線和刀軸中心線相交成一角度，刀軸通過齒輪帶動內(nèi)軸套轉(zhuǎn)動，內(nèi)軸套外面安裝帶刀座的外軸套，旋耕刀由偏心旋轉(zhuǎn)的外軸套帶動旋轉(zhuǎn)，旋耕刀入土時就偏斜到箱體下切削土壤，但結(jié)構(gòu)復雜。1.2型旋耕機采用前一種。
第四章 旋耕機的幾項驗算
刀齒工作時的切削速度、入土角和最大工作深度是臥軸式旋耕機最基本的工作參數(shù)，其性能直接影響著旋耕機的作業(yè)質(zhì)量、功率消耗及生產(chǎn)率的大小。
4.1旋耕刀片端點的圓周速度 Vo
據(jù)設計資料介紹，旋耕刀片端點的圓周速度一般為 3-8m/s。旋耕機選用 IT245彎刀，則刀片端點的圓周速度分別為:
Vo=2πRn/60000=6.158m/s
式中:R—刀軸回轉(zhuǎn)半徑，R=245;
n—刀軸轉(zhuǎn)速，n=240r/min.
輪軸式旋耕機刀齒端點的運動軌跡和常規(guī)旋耕機刀齒端點的運動軌跡一樣,是由機組的移動和旋耕刀齒的轉(zhuǎn)動合成的。如圖7所示：以旋耕刀齒端點位于前方水平位置時的刀輥軸心為固定坐標系
的原點Ｏ,ｘ軸正方向和機組前進方向一致,ｙ軸正向垂直向下,機組的前進速度為Ｖｍ,刀輥的轉(zhuǎn)動角速度為ω,則旋耕刀端點的運動方程為:
ｘ＝Ｖｍｔ+Ｒｃｏｓｗｔ…（１）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ…………（２）
其中Ｒ—旋耕機刀齒端點的轉(zhuǎn)動半徑 ｔ—時間
令λ＝Ｖｍ/Ｕ（為旋耕速比）
則Ｖｍ＝Ｕ/λ
將其代入（１）式得:
ｘ＝Ｕ/λ·ｔ+Rｃｏｓωｔ……（３）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ………………（４）
∵Ｕ＝Ｒω刀齒端點回轉(zhuǎn)圓周速度）將其代入（３）式得:
ｘ＝Ｒ（ω/λ·λｔ+ｃｏｓωｔ）…（５）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ………………（６）
從上式可見:
（１）當λ＝１時,（即Ｖｍ＝Ｕ）,刀齒端點的運動軌跡為:
ｘ＝Ｒ（ωｔ+ｃｏｓωｔ）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ
此方程系一正常普通擺線,在這種情況下,旋耕刀齒就象具有輪爪的輪子一樣,在地上滾動,刀齒只能在地表上鑿一小窩,而不能耕松土壤。
（２）當λ＞１（即Ｖｍ＜Ｕ）時,刀齒端點絕對運動軌跡為一具有繞扣的余擺線,如圖7機組前進速度Ｖｍ越?。é嗽酱髸r）曲線形成的繞扣越大;當Ｖｍ趨近于０時,繞扣的最大橫弦趨近于刀齒端點回轉(zhuǎn)直徑。此時,曲線趨近于以刀齒長度為半徑的圓周。在這種情況下,旋耕輪原地刨坑。
對旋耕輪而言,機組前進速度Ｖｍ只能小于或等于旋耕輪的旋轉(zhuǎn)圓周速度Ｕ。即Ｖｍ≤Ｕ。
由以上分析可見:只有當Ｖｍ＜Ｕ,（即λ＞１）時,旋耕輪才能正常作業(yè)。但Ｖｍ又不能太小,太小,則生產(chǎn)效率又太低,甚至于原地刨坑。Ｖｍ太大,又影響作業(yè)質(zhì)量。故Ｖｍ和Ｕ必須有一合理比值。
4.2 最大耕深 Hmax
從圖7可知:刀齒端點的運動軌跡:
ｘ＝Ｖｍｔ+Ｒｃｏｓωｔ…（１）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ…………（２）
將此方程分別對ｔ求導數(shù),即得刀齒端點的運動速度在ｘ軸和ｙ軸方向的分量。
Ｖｘ＝Ｖｍ-Ｒｓｉｎωｔ…（３）
Ｖｙ＝Ｒω·ｃｏｓｔ……（４）
由（３）式可知,其中Ｖｍ為機器的前進速度。Ｒω為刀齒端點的圓周速度,Ｒωｓｉｎωｔ為刀齒端點的圓周速度在ｘ軸上的分量。據(jù)前面分析可知:輪軸式旋耕機刀齒端點的圓周速度只能大于機器前進速度（Ｕ＞Ｖｍ）,才能正常作業(yè)。為了保證刀刃切土,刀齒從開始切土到銑切完畢,都不應使刀齒頂土,這樣,就必須使刀齒刃口有向后的分速度。
即Ｖｘ＝Ｖｍ-Ｒωｓｉｎωｔ＜０…（５）
旋耕機的耕深與其結(jié)構(gòu)參數(shù)Ｒ和運動參數(shù)Ｖｍ和Ｕ（Ｒω）有關。
從圖7可知:ｙ＝Ｒ-ｈ將此式代入（２）可得:
ｓｉｎωｔ＝（Ｒ-ｈ）/Ｒ
再將此式代入（５）得:
Ｖｍ＜ω（Ｒ-ｈ）此式即為刀齒合理的切土條件。
∵Ｕ＝Ｒω整理得:
ｈ＜Ｒ（１-Ｖｍ/Ｕ）
由上式可見:耕深與Ｒ、Ｖｍ和Ｕ有關,當Ｒ增大時耕深可增大,∵Ｕ＝Ｒω,也即使Ｒ或ω增大,功率消耗也增大。但Ｒ不能太大。太大,功率消耗增大。當Ｖｍ/Ｕ比值減小時,耕深ｈ也增大。但Ｖｍ減小,生產(chǎn)率又下降。若使Ｕ增大，對輪軸式旋耕機而言,輪軸（刀軸）轉(zhuǎn)速不可能太高,因此,Ｕ將不能隨意增大。故Ｖｍ/Ｕ必有一合理比值,這樣,就限制了耕深不可能太大。
合理的切土條件是：Hmax
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