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第一章 概述
大田的耕作機(jī)械主要有鏵式犁和旋耕機(jī)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(jī)由于具有耕地和耙地的雙重作用,在耕地機(jī)械中占有重要的地位。
旋耕機(jī)是一種由動力驅(qū)動的土壤耕作機(jī)械，旋耕機(jī)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(jī)于19世紀(jì)中葉問世,但直到本世紀(jì)20年代歐洲研制成功直角旋耕刀以后,旋耕機(jī)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(fù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,決定從歐美引進(jìn)旋耕機(jī)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(jìn)行水田耕作。一大批日本學(xué)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(shí),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(yuǎn),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(jìn)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(dá)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(yīng)用最廣。
旋耕機(jī)切土、碎土能力強(qiáng)，一次旋耕能夠達(dá)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(xì)作要求，且縮短工序間隔，有利于搶農(nóng)時(shí)抗旱保墑，減少拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)，減輕對土壤壓實(shí)，減少能源消耗，降低作業(yè)成本，減少機(jī)具投資，提高機(jī)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(yīng)用，旋耕機(jī)得到了迅猛發(fā)展，已成為拖拉機(jī)的主要配套機(jī)具之一。
第二章 對旋耕機(jī)的展望及發(fā)展現(xiàn)狀
2.1對旋耕機(jī)的展望
現(xiàn)有旋耕機(jī)產(chǎn)品雖然在理論上可以配套58.8－73.5kw的拖拉機(jī)，但實(shí)際上因受傳動系統(tǒng)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，配套合理范圍僅達(dá)48kw的拖拉機(jī)；耕深亦局限在旱耕12－16cm，水耕14－18cm。因此，現(xiàn)有旋耕機(jī)產(chǎn)品在品種上尚有大型和深耕型的缺門。20世紀(jì)90年代以來，為適應(yīng)市場需要，有些企業(yè)試圖開發(fā)大型旋耕機(jī)，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(jìn)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(jī)應(yīng)向以下幾個(gè)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(jī)成為發(fā)展方面。水田土壤含水率高，抗剪切、抗壓強(qiáng)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(jī)旋耕機(jī)組水耕時(shí)，為充分發(fā)揮其功率，實(shí)現(xiàn)高效率、高效益，需要工作幅寬3m以上的寬幅旋耕機(jī)。但寬幅又受到道路行駛和入庫停機(jī)不便的制約，解決途徑有二：一是旋耕機(jī)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(jìn)旋耕機(jī)及工作部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，研制寬幅高速旋耕機(jī)及滅茬、旋耕、旋耙和深施化肥的復(fù)式作業(yè)機(jī)械。
大中型拖拉機(jī)具有強(qiáng)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(jī)作為驅(qū)動型耕作機(jī)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(xiàng)作業(yè)的結(jié)構(gòu)緊湊的聯(lián)合作業(yè)機(jī)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(fù)式作業(yè)機(jī)具主要配套中型拖拉機(jī)，在型機(jī)具尚待研制開發(fā)。
深耕型旋耕機(jī)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(jī)和間隔窄幅深旋耕機(jī)，耕深達(dá)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(jī)，耕深達(dá)30cm。加大旋耕深度的主要難點(diǎn)是引起動力機(jī)作業(yè)負(fù)荷和功率消耗急劇增大，機(jī)械強(qiáng)度不足和機(jī)組功率不平衡。而大功率拖拉機(jī)具有雙速獨(dú)立動力輸出軸，可以全功率輸出，同時(shí)具有多個(gè)慢速擋以及爬行擋，這也為配套深耕旋耕機(jī)提供了條件。臥式深耕旋耕機(jī)在國內(nèi)外正處于轉(zhuǎn)型期，而國內(nèi)專家學(xué)者認(rèn)為反轉(zhuǎn)旋耕是一種大有前途的耕耘方式，潛土逆轉(zhuǎn)應(yīng)用在深耕旋耕機(jī)上將更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，目前需進(jìn)一步開展這方面的研究工作，完善理論，積累經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出成功的產(chǎn)品。
現(xiàn)在旋耕機(jī)的研究另外兩個(gè)熱點(diǎn)是,一個(gè)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(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目的。秸桿還田無疑是一個(gè)重要的研究方向,其中已出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)等新的旋耕機(jī)機(jī)型。另一個(gè)熱點(diǎn)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(jī)械的研制成為目前的研究重點(diǎn)。據(jù)報(bào)道,日本已研制出重量僅為8.6公斤的小型旋耕機(jī),婦女都可以使用。
2.2旋耕機(jī)的的發(fā)展現(xiàn)狀
2.2.1國外旋耕機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
縱觀國外旋耕機(jī)現(xiàn)狀，由于拖拉機(jī)功率的提高，具有水平軸旋耕部件的旋耕機(jī)更加先進(jìn)、合理，大大提高了旋耕機(jī)生產(chǎn)率。上世紀(jì)90年代前國外旋耕機(jī)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(jī)的主要參數(shù)看，其單位能耗高達(dá)280KJ/m3~700KJ/m3,大約高于翻整地機(jī)械能耗的3倍~6倍。
國外旋耕機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)
為了降低旋耕機(jī)的單位能耗，現(xiàn)在普遍采用了改進(jìn)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(yùn)動參數(shù)等方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低能耗的目的。
此外，為了降低能耗，提高旋耕機(jī)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(shè)計(jì)上強(qiáng)下弱的松土工作部件。目前得到廣泛應(yīng)用的分層作業(yè)機(jī)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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國近年來旋耕機(jī)的保有量增加很快，為了適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)形式（規(guī)模），為不同機(jī)型拖拉機(jī)配套，生產(chǎn)了作業(yè)幅：1.25m~2.8m多種型號的旋耕機(jī)。如南昌旋耕機(jī)廠的1GN系列和1G系列多種型號旋耕機(jī)。連云港旋耕機(jī)集團(tuán)公司生產(chǎn)的1GE2-210型旋耕機(jī)，1GQN-250S型旋耕機(jī)等。
在黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用的機(jī)型還有1GHL-280型松旋起壟機(jī)、1GSZ-201/280型組合式旋耕多用機(jī)、1GZJ-210型旋耕滅茬起壟通用機(jī)及1GQH-280D型滅茬旋耕多用機(jī)等。很多機(jī)型為了適應(yīng)黑龍江省農(nóng)藝要求，在旋耕機(jī)后部安裝了起壟犁鏵。為了裝配各種不同的工作件組合設(shè)計(jì)了專門的機(jī)架，以提高旋耕機(jī)的應(yīng)用水平。
第三章設(shè)計(jì)及其計(jì)算
近幾十年來，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，旋耕機(jī)的研究和應(yīng)用有很大的進(jìn)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(jī)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(jī)的工作原理與設(shè)計(jì)原則、思想
3.1.1工作原理
旋耕機(jī)工作時(shí)，其刀片隨著刀軸由拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)又隨機(jī)組前進(jìn)作等速直線運(yùn)動（如圖1所示）。刀片切削土壤時(shí)，刀片的絕對運(yùn)動是由機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動與刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動所合成。為了使機(jī)組能正常工作，刀片在整個(gè)切土過程中不能產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求其絕對運(yùn)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(diǎn)的水平分速度的方向與機(jī)組前進(jìn)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(jìn)一步破碎再落到地面。由于機(jī)組不斷前進(jìn)，刀片就連續(xù)不斷地對未耕地進(jìn)行松碎。
3.1.2設(shè)計(jì)原則、思想
進(jìn)行廣泛的市場調(diào)研，分析市場上現(xiàn)有的國內(nèi)外機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)，盡可能利用先進(jìn)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(chǔ)，達(dá)到可靠性、適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性及系列化的統(tǒng)一，爭取好的經(jīng)濟(jì)效益。
3.2 旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù).(表 1)
旋耕機(jī)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(jī)罩拖板總成等組成。
表 1 主要技術(shù)參數(shù)
旋耕機(jī)型號
旋耕機(jī)
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(jī)掛接型式
標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)懸掛（I類）
前進(jìn)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(shí)
注：1、耕深：按旋耕機(jī)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(jì)算值的70%計(jì)算（作業(yè)時(shí)的最大耕幅）。
3.3 旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)
3.3.1總體設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)包括類型的選擇、旋耕機(jī)耕幅的確定、與拖拉機(jī)的掛接型式及配置型式、傳動型式、前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速等內(nèi)容?？傮w設(shè)計(jì)要體現(xiàn)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的合理匹配，達(dá)到可靠性、適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性及系列化的統(tǒng)一。
3.3.2 旋耕機(jī)類型的選擇
臥式順銑（正轉(zhuǎn)）旋耕機(jī)具有良好的碎土、覆蓋綠肥功能和水田適應(yīng)性，耕后地表平整，消耗功率較小。臥式正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)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(jī)（蓋麥機(jī)）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(jī)也采用這種類型。
3.3.3 旋耕機(jī)耕幅的確定
根據(jù)主機(jī)動力輸出功率和旋耕作業(yè)時(shí)單位幅寬功耗可對幅寬進(jìn)行初步選定,幅寬過大(刀片增多)將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作過載,合適的幅寬則可保證主機(jī)功率的充分利用。實(shí)際中幅寬的初選可采用經(jīng)驗(yàn)公式B=0.26~0.29N?,但最終的確定必須經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。事實(shí)上,對于同一種旋耕機(jī),主機(jī)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(fèi),通過試驗(yàn)?zāi)芎侠泶_定對應(yīng)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(jī)的功率有關(guān)，并影響旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的配置方式。耕幅B與拖拉機(jī)動力輸出軸的額定輸出功率大體成以下關(guān)系（已考慮拖拉機(jī)提升能力在內(nèi)）：
B=0.26~0.29N?
式中N——拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的額定功率（KW）
B=1.653m~1.843m
3.3.4旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接型式
旋耕機(jī)與拖拉機(jī)有三點(diǎn)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(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)的懸掛方法類似鏵式犁，動力有拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸傳遞至旋耕機(jī)第一軸，驅(qū)動刀軸工作。旋耕機(jī)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(jī)的通過性能來確定，要求耕作時(shí)該夾不超過10o；地頭轉(zhuǎn)彎提升至旋耕刀離地100-250mm時(shí)，夾角不超過30o。切斷動力輸出軸動力，提升旋耕機(jī)到最高位置時(shí)，機(jī)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(yīng)有40mm的重疊量，還應(yīng)考慮在最大耕深和提升到最高位置時(shí)，機(jī)架和旋耕機(jī) 不碰到拖拉機(jī)。
三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)能與多種拖拉機(jī)配套，掛接方便，使用較多。本設(shè)計(jì)旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接采用三點(diǎn)懸掛式。
3.3.5旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的配置型式
旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的配置有兩種形式，正配置和偏配置。當(dāng)旋耕機(jī)的耕幅超過拖拉機(jī)后輪外緣10cm以上時(shí)，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(jī)對土地的壓實(shí)，且由于旋耕機(jī)的耕幅184cm,大于所配套拖拉機(jī)的后輪外緣10cm，所以采用正后配置。
3.3.6 旋耕機(jī)的傳動型式
三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)是機(jī)架牢固、剛性好、布局合理，適用于寬幅旋耕機(jī)。缺點(diǎn)是箱體處不能安裝彎刀，如不設(shè)置特殊工作部件，將出現(xiàn)漏耕。
3.3.7 旋耕機(jī)的前進(jìn)速度
根據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度和旋耕機(jī)的生產(chǎn)率計(jì)算，由公式：
P=B · Vm 得Vm =P/B=4000/1.84=2.17Km/h
故旋耕機(jī)的前進(jìn)速度確定為 2.17km/h。鐵牛-55使用Ⅲ檔前進(jìn)。
3.3.8旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速
在機(jī)組前進(jìn)速度不變的情況下，旋耕機(jī)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(jìn)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(yīng)性（見 2.3 項(xiàng)），減少能耗，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速選擇240r/min 。
3.4旋耕機(jī)的部件設(shè)計(jì)
3.4.1萬向節(jié)總成
萬向節(jié)總成是將拖拉機(jī)動力傳遞給旋耕機(jī)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(yīng)旋耕機(jī)的升、降變化。由于旋耕機(jī)工作負(fù)荷為變載荷工作條件差，因此選用的十字軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和可靠性。
配套設(shè)計(jì)時(shí)，耕幅為1~1.5m的旋耕機(jī)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(gè)配合孔的同軸度公差帶0.05mm，也可選用帶塑料防護(hù)罩的NCT型農(nóng)用萬向節(jié)傳動軸系列產(chǎn)品。
旋耕機(jī)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(jī)的機(jī)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(jī)與拖拉機(jī)掛接的部件，為了適應(yīng)與不同的拖拉機(jī)配套，在懸掛架上有與拖拉機(jī)下懸掛點(diǎn)聯(lián)接的可安裝在不同位置的下懸掛銷以及與拖拉機(jī)上懸掛點(diǎn)聯(lián)接的不同位置的孔。
3.4.3 齒輪箱
齒輪箱是旋耕機(jī)的主要傳動部件，其功能是將動力傳遞給旋耕機(jī)的刀軸，并降速到刀軸所需的轉(zhuǎn)速。旋耕機(jī)在使用中要求達(dá)到額定耕深時(shí)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(dāng)與之配套的拖拉機(jī)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(yīng)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(dá)到不同的刀軸轉(zhuǎn)速。
3.4.4 左、右主梁總成及機(jī)罩拖板總成
由于開發(fā)的是加強(qiáng)型旋耕機(jī)，所以除左、右主梁總成外，在機(jī)罩拖板總成中設(shè)計(jì)有后梁，它們側(cè)板共同構(gòu)成了旋耕機(jī)的機(jī)架機(jī)罩能擋住旋耕刀拋出的土塊，并使其在撞擊過程中進(jìn)一步破碎，同時(shí)還可以保護(hù)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(shí)的作用。為了提高碎土率、地表平整度和壓實(shí)表土的效果，設(shè)計(jì)中使用了強(qiáng)壓式的拖板結(jié)構(gòu)，且其壓力可調(diào)，以適應(yīng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)件，旋耕機(jī)選用剛性傳動和 IT245 彎刀。
3.4.6旋耕機(jī)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(jī)在作業(yè)時(shí)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(yīng)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(gè)相等的角度時(shí)，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(fù)荷均勻。3）左彎刀片和右彎刀片應(yīng)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(jī)重心的轉(zhuǎn)矩，保持旋耕機(jī)組工作時(shí)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(jī)刀片排列存在的問題
根據(jù)上述旋耕機(jī)刀軸上刀片排列的要求，我國現(xiàn)生產(chǎn)的旋耕機(jī)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(shí)際應(yīng)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(shí)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(jī)容易跑偏。2）在同一個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，相間一定角度焊 2 個(gè)刀座，很容易產(chǎn)生焊接變形，使刀軸的直線度達(dá)不到要求。3）采用此刀片排列法，刀片的個(gè)數(shù)多，耕作阻力大，旋耕機(jī)制造成本高，旋耕機(jī)工作效率低。
3.4.8解決方法
1）由于旋耕機(jī)工作時(shí)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(shí)針或逆時(shí)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(gè)刀軸上的刀片排列分成幾個(gè)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(fù)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(yīng)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(jī)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(shè)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(shí)加熱不對稱，刀軸必然發(fā)生彎曲變形。所以在刀片排列時(shí)要盡量使同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)對稱設(shè)置。
3) 旋耕機(jī)的刀片排列一般是在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)設(shè)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(gè)或稍大點(diǎn)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(shè)計(jì)
3.5.1旋耕刀的分類
旋耕刀是旋耕機(jī)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(yùn)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(yuǎn)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(yán)重；第二種，彎刀工作時(shí)，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(yuǎn)，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(jìn)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(xué)曲國良進(jìn)行研究,提出了多種刃口曲線，刃口曲線傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法見圖6。正切刃部分主要由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)彭松植進(jìn)行研究，提出了平面型和曲面型正切面的設(shè)計(jì)方法。過渡面部分主要由江蘇理工大學(xué)陳均進(jìn)行研究,采用了鐵路彎道設(shè)計(jì)中的放射螺線作為生成過渡面的曲導(dǎo)線。放射螺線的基本性質(zhì)是曲線上任一點(diǎn)的曲率半 徑與該點(diǎn)距曲線起點(diǎn)的弧長距離之積為常數(shù)。
3.5.3旋耕刀的設(shè)計(jì)
彎刀刀刃的設(shè)計(jì) 彎刀刀刃的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 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(diǎn)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(diǎn)的極角（rad）。
螺線終點(diǎn)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(diǎn)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(shè)計(jì)切土節(jié)距；
a—設(shè)計(jì)耕深
R—彎刀回轉(zhuǎn)半徑，為減小阻扭矩，應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)的極角?n 可由下式求得：
?n=（ ρn-ρ0）/ρn·tgτn
式中 τn—為螺線終點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)的極徑與該點(diǎn)切線之間的夾角。其數(shù)值應(yīng)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(jī)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50~55。旋耕彎刀應(yīng)用樣板進(jìn)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(jī)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(gè)問題，可以在中間傳動旋耕機(jī)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?xí)r就偏斜到箱體下切削土壤，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。1.2型旋耕機(jī)采用前一種。
第四章 旋耕機(jī)的幾項(xiàng)驗(yàn)算
刀齒工作時(shí)的切削速度、入土角和最大工作深度是臥軸式旋耕機(jī)最基本的工作參數(shù)，其性能直接影響著旋耕機(jī)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(diǎn)的圓周速度 Vo
據(jù)設(shè)計(jì)資料介紹，旋耕刀片端點(diǎn)的圓周速度一般為 3-8m/s。旋耕機(jī)選用 IT245彎刀，則刀片端點(diǎn)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(jī)刀齒端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡和常規(guī)旋耕機(jī)刀齒端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡一樣,是由機(jī)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(diǎn)位于前方水平位置時(shí)的刀輥軸心為固定坐標(biāo)系
的原點(diǎn)Ｏ,ｘ軸正方向和機(jī)組前進(jìn)方向一致,ｙ軸正向垂直向下,機(jī)組的前進(jìn)速度為Ｖｍ,刀輥的轉(zhuǎn)動角速度為ω,則旋耕刀端點(diǎn)的運(yùn)動方程為:
ｘ＝Ｖｍｔ+Ｒｃｏｓｗｔ…（１）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ…………（２）
其中Ｒ—旋耕機(jī)刀齒端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動半徑 ｔ—時(shí)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(diǎn)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(dāng)λ＝１時(shí),（即Ｖｍ＝Ｕ）,刀齒端點(diǎn)的運(yùn)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(dāng)λ＞１（即Ｖｍ＜Ｕ）時(shí),刀齒端點(diǎn)絕對運(yùn)動軌跡為一具有繞扣的余擺線,如圖7機(jī)組前進(jìn)速度Ｖｍ越?。é嗽酱髸r(shí)）曲線形成的繞扣越大;當(dāng)Ｖｍ趨近于０時(shí),繞扣的最大橫弦趨近于刀齒端點(diǎn)回轉(zhuǎn)直徑。此時(shí),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(jī)組前進(jìn)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(dāng)Ｖｍ＜Ｕ,（即λ＞１）時(shí),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(diǎn)的運(yùn)動軌跡:
ｘ＝Ｖｍｔ+Ｒｃｏｓωｔ…（１）
ｙ＝Ｒｓｉｎωｔ…………（２）
將此方程分別對ｔ求導(dǎo)數(shù),即得刀齒端點(diǎn)的運(yùn)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(jī)器的前進(jìn)速度。Ｒω為刀齒端點(diǎn)的圓周速度,Ｒωｓｉｎωｔ為刀齒端點(diǎn)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(jī)刀齒端點(diǎn)的圓周速度只能大于機(jī)器前進(jìn)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(yīng)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(jī)的耕深與其結(jié)構(gòu)參數(shù)Ｒ和運(yùn)動參數(shù)Ｖｍ和Ｕ（Ｒω）有關(guān)。
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(guān),當(dāng)Ｒ增大時(shí)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(dāng)Ｖｍ/Ｕ比值減小時(shí),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(jī)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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