曹兆熊（盐城工学院机械工程学院，盐城224051）
摘要：我国手扶拖拉机面广量大，与其配套的旋耕机大多是老式产品，耕幅窄，功耗高，性能较差。近些年来，随着科技的进步，出现了一系列宽幅旋耕机、破垡盖籽机和旋耕播种机等，改善了旋耕机的性能和增加了旋耕机的用途，但这些旋耕机参数各异，功能单一，仍存在一定缺陷。本文设计一种多功能宽幅旋耕机，是在老式旋耕机的基础上改进设计而成，结构优化。通过不同形式的拆装，能够实现旋耕、破垡、埋青灭茬和播种施肥等多项作业。
关键词：手扶拖拉机；旋耕机；多功能
中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）08-0197-03
0引言
手扶拖拉机在我国农村普遍使用，与其配套的旋耕机是主要耕地机械，它与铧犁耕作相比具有切土效果好、碎土能力强等特点，深受广大用户青睐。目前市场上，配套12马力手扶拖拉机的旋耕机型号较多，如：1GS9L-60；Ouyate-60、1GZL-86、1GS9L-90和1GS9L-100等，其中1GS9L-60和Ouyate-60型为老式旋耕机，其它型号都是近些年来衍生出来的新式产品。随着科学技术的不断进步，一些新的技术在旋耕机上得到了应用，如：节能旋耕刀的应用，使用计算机对犁刀轴进行优化排列等，使旋耕机的功耗大大降低。新式旋耕机基本解决了老式旋耕机存在的二个问题，一是增加了幅宽，能够覆盖拖拉机轮辙，提高了作业性能；二是增加了旋耕机的品种和用途，如：出现了破垡盖籽机、旋耕播种机和埋青灭茬机等,能够满足多种农艺要求。同时，新式旋耕机也存在二点不足，一是型号较多，参数各异，不具有互换性和不便于标准化生产；二是功能较单一，没有形成一机多用的特色。针对以上二点不足，本文设计一种多功能宽幅旋耕机，主要设计内容是：①选择最佳参数，使之科学化、合理化；②实现一机多用，使之既能旋耕、破垡又能播种施肥和埋青灭茬等；③尽可能在老式旋耕机的基础上改进设计，以保留一部分零件的原形，降低制造成本。
1运动参数的确定
旋耕机的运动参数包括机组前进速度（v）和犁刀轴旋转速度（n）。运动参数的大小对功耗有直接影响，同时又与耕作质量密切相关。选择运动参数的原则是：在满足耕作质量的前提下，尽可能取最佳值，以获得较好的节能效果。图1是田间电测试验结果，图中曲线表明：①在相同节距（S）条件下，机组前进速度越低，功耗（N）就越低；②当机组前进速度一定时，转速越低，功耗不一定越低，而是成凹字形，因此犁刀轴转速应取在适当的范围之内。衡量耕作质量的指标是节距，节距越小，碎土越细，说明质量越好，相应的功耗也就越高。选择节距的原则是：在保证耕作要求的前提下，尽可能取较大值，以获得最大经济效益。通常情况下，节距取不大于15厘米是可行的。按照手拖最低前进速度0.39m/s和S≤15cm进行计算,旋耕作业时的刀轴转速应为≥156r/min。
播种作业时，为了避免种子埋得过深而影响出苗，要求浅耕和碎土质量好，因此参照同类型机具，取旋播节距为5厘米左右，即旋播作业时犁刀轴转速应为=468r/min左右。
2传动方案
老式旋耕机的传动路线如图2所示，在旋耕机中间齿轮箱箱体7与右支臂内装有犁刀传动轴5，在犁刀传动轴5上装有犁刀齿轮3与拖拉机齿轮2相配。当旋耕机工作时，牙嵌4在操纵杆8的作用下与犁刀齿轮3啮合，动力由拖拉机齿轮2传至犁刀齿轮3，带动犁刀传动轴5旋转。通过对调上下链轮6和9，可获得188转/分和256转/分两种转速，其中低速用于旋耕，高速用于破垡，因此老式旋耕机只具有两种作业功能。
本旋耕机设计的传动路线如图3所示，在旋耕机中间齿轮箱箱体7与右支臂内装有犁刀传动轴5，在犁刀传动轴5上装有犁刀齿轮3和牙嵌齿轮4。当旋耕机进行旋耕或破垡作业时，牙嵌齿轮4在操纵杆8的作用下，其牙嵌与犁刀齿轮3的牙嵌啮合，动力由拖拉机齿轮2传至犁刀齿轮3、牙嵌齿轮4，带动犁刀传动轴5旋转，此时旋耕机获得较低转速，为157或254转/分。当旋耕机进行播种施肥作业时，牙嵌齿轮4在操纵杆8的作用下与拖拉机齿轮1相啮合，动力由拖拉机齿轮1直接传至牙嵌齿轮4，带动犁刀传动轴5旋转，此时旋耕机获得高速转速，为423转/分。
本旋耕机的传动方案可实现低、中、高3个转速，且直接通过拨档获得高速。能够满足旋耕、破垡和播种施肥等项作业的要求。
反向旋转是在齿轮2、3之间增加一惰轮来实现，以满足埋青灭茬作业的要求。
3结构参数的确定
3.1耕深根据JB/T9798.1－1999《手扶拖拉机配套旋耕机》标准，结合农艺要求，可取旋耕时最大设计耕深为12厘米，播种时最大设计耕深为8厘米。
3.2幅宽
旋耕机幅宽（L）可按下列公式计算：
（1）
式中n——犁刀轴转速（r/min）
T——每米耕幅的耕耘所需平均扭矩（N·m/m）
Nm——耕耘所需功率（kw）
因为T=0.158shkr（2）
式中s——节距（cm）
h——耕深（cm）
kr——耕耘比阻（N/cm2）
当h≈12cm时，kr=11.76~13.73
又因为（3）
式中η———拖拉机和旋耕机的总机械效率（%），η=0.8±0.05
α———发动机功率储备系数，α=1.0~1.05
μ———拖拉机滚动阻力系数，在割稻后的一般干水田上行走时，μ=0.1~0.15
Ne———发动机功率（kw）
所以（4）
把有关数据代入（4）式，解得：
考虑到我国手扶拖拉机使用现状，实际发动机功率往往小于12马力，而计算中的功率储备系数不足以抵消实际功率的降低。因此，旋耕机实际幅宽可比计算值小Ⅰ级或Ⅱ级，即0.95或0.9m。
3.3犁刀片的选择及其在犁刀轴上的排列标准弯形犁刀片按回转半径的大小分为195、210、225和245毫米4种，选择的原则是：在保证最大设计耕深和结构允许的条件下，尽可能采用半径较小的犁刀片，以减小力矩和降低功耗。犁刀片的数量可取22或24把，使相邻两切削面间距为40毫米左右。合理的刀片排列能使犁刀轴受力均匀，不发生漏耕和堵塞现象，并能增加犁刀片对土壤的拉伸撕裂效果，有利于降低切削功耗。犁刀片排列的原则是：左右弯刀对称、等角、交替入土，尽可能增大轴向相邻两弯刀间夹角和力求使每把刀的切土量相近等，可编制程序输入计算机运算，求出最佳方案。
4总体布置
与老式旋耕机相比，由于幅宽增加了30（或35）厘米，所以重量也有所增加。为解决平衡问题，旋耕机的重心位置应尽量前移。本机采取的主要措施是：
4.1缩短犁刀轴与主机轮轴之间的距离将原回转半径为225毫米的标准弯刀，更换为195毫米的标准弯刀，把链条箱与垂线间的夹角由原来的48度减小到30度，从而使犁刀轴由原来的位置前移了约110毫米。
4.2旋播施肥机的布置方式旋播施肥机的布置是将播种施肥箱体及其机构直接置于旋耕机罩壳之上，另加上辊筒镇压机构，同时去掉尾轮乘座部分，使整个机组仍基本平衡。排种、施肥轴的旋转通过镇压轮或者拖拉机驱动轮轴及链轮链条来带动。旋播施肥机的工作过程是利用旋耕时土块后抛的作用，在旋耕碎土的同时完成播种施肥、覆盖和镇压。
5传动结构设计
本旋耕机的传动结构是在老式旋耕机的基础上改进设计而成，即把旋耕机中央齿轮箱5内的犁刀齿轮增加4齿，把啮合套改制成牙嵌齿轮，适当加长犁刀传动轴的轴端长度，改变中央齿轮箱箱体的结构尺寸和操纵杆的支点位置，并改变侧边12齿的链轮为11齿，其余与老式旋耕机相同。工作时，牙嵌齿轮2在操纵杆1的作用下可在犁刀传动轴4上左右滑动，牙嵌齿轮上有三个定位槽可使其与不同的齿轮啮合得到不同的转速。当牙嵌齿轮的牙嵌与犁刀齿轮啮合时，动力由拖拉机变速箱内的小齿轮传入旋耕机；当牙嵌齿轮直接与拖拉机变速箱内的较大齿轮啮合时，旋耕机的传动轴获得较高转速。再通过对调上下链轮便可获得各种不同的刀轴转速。
6几种工作状态
6.1旱田旋耕和犁后破垡旱田旋耕使用157转/分和Ⅰ档前进速度，土松时也可用Ⅱ档前进速度；破垡作业用254转/分和Ⅱ或Ⅲ档前进速度。
6.2水田作业水田驱动轮用Φ720毫米或Φ760毫米的铁轮，刀轴转速为254转/分，用于水田直接旋耕或犁后平整地。为避免左右支臂与铁轮干涉，在齿轮箱与拖拉机联接处附加一齿轮挂接框。
6.3反转埋青和灭茬与水田作业相比，所不同的是将铁轮更换为橡胶轮，将尾轮乘座装置更换为压辊装置，将挂接框改成单齿使刀轴反转，并将弯刀更换成灭茬刀反装。157转/分和254转/分两种转速可视土壤的坚实度情况选用。反向旋转也可用于旱田直接旋耕，在多硬杂物或地表较硬的田块里作业会比正转效果好。
6.4播种作业改装罩壳，将播种施肥部件固定在罩壳之上，用423转/分转速一次性完成旋耕、播种施肥、覆盖和镇压全过程。
7结语
为了提高旋耕机的耕作性能和满足多种农艺要求，设计旋耕机的总体思路应是“低速宽幅”和“一机多用”；为了有效地降低旋耕机的功耗，运动参数和结构参数应进行优化设计；为了节约制造成本和使用轻便，旋耕机的结构应紧凑、轻量化，重心应尽可能靠近拖拉机。节约能耗、改善性能和提高效益是旋耕机长期研究的方向，也是当前发展低碳经济的要求。
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