旋耕机的结构特点对其作业性能的影响分析

来源:用户上传      作者: 赵亚祥 田耘

　　摘 要：旋耕机是一种重要的耕整地机械，在我国的需求量非常大。本文通过比对国内外旋耕机的研究现状，对影响旋耕机作业性能的结构特点进行分析总结，提出今后我国旋耕机械主要的发展方向和趋势。
　　关键词：旋耕机；结构特点；功率消耗；作业质量
　　中图分类号：S222 文献标识码：A
　　引言
　　旋耕机是一种实用性很强的耕整地机械。随着农业技术的不断进步，国家相关政策的要求，以及保护性耕作的提出，旋耕机的需求量越来越大。目前，旋耕机在我国应用十分广泛，在北方水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬整地中也被广泛采用；在南方水稻生产机械化中已占80%[1]。但旋耕机在其研究和发展的进程中仍然存在一些不可忽视的问题，动力匹配的不恰当。现有旋耕机采取动力匹配时，会有不止一种动力匹配，不是拖拉机动力过小，驱动不了旋耕机，就是动力过剩，成为“大马拉小车”，由于动力匹配的不规范，必然会导致功率消耗不合理，作业质量不理想；国内生产旋耕机的厂家技术水平参差不齐，甚至存在借鉴和模仿的，在生产制造的过程存在标准不统一、规范陈杂等问题，导致生产出的机具不能很好地满足田间作业性能[2]。
　　1 国外研究现状
　　国外对旋耕机的研究早于国内，且现今对旋耕机的研究重点也与国内有所不同。国外一些学者除了研究旋耕刀片的类型、刀片的排列方式，也开始着手研究旋耕刀片的表层材料等物理和化学参数[3]。除了考虑功率消耗和作业质量，也开始关注机具的耐用程度，即机具的抗磨损、抗破坏的能力，目的是延长机具的使用寿命。
　　旋耕刀是旋耕机的主要工作部件，刀片的形状和参数对旋耕机的作业质量、功率消耗影响很大。采用不同形式的刀片进行田间作业时，对功率的消耗以及获得的作业质量都是不同的。常见的旋耕刀片有弯形、凿形和直角形3种类型，其工作原理相近似：侧切面可以切开土块，切断或推开草茎、残茬；正切面除了切土还能翻土、碎土、抛土[4]。印度学者Jafar Habibi Asl和Surendra Singh对旋耕刀片进行了研究，通过优化现有3种形式的旋耕刀片进行实验室土槽实验（即C形、L形和RC形，3种刀片的旋转角度不同，工作时的切土进距也不相同）。试验时采用不同结构参数的旋耕刀片，得到各个形式的刀片与前进速度、旋转速度、速比、切土进距的影响关系。采用统一标准进行评估，得出不同旋耕刀片对功率消耗以及作业质量的影响。实验结果表明，RC形旋耕刀较另外2种刀片具有更好的作业性能，且作业时的功率消耗较低[5]。
　　旋耕刀在刀轴上的排列是影响旋耕机作业质量及功率消耗的重要因素之一。旋耕刀片的排列方式应使得旋耕机在工作时刀轴受力均匀、不产生漏耕和堵塞，耕后地表平整。满足上述要求的刀片排列方式有阿基米德螺线、等角对数螺线、正弦指数曲线等[4]。采用螺旋线排列方式，其优点是规律明显，参数单一，但在工作过程中土壤或秸秆侧向移动现象较严重，作业时所产生的侧向偏移力矩较大。而采用人字形或 V字形排列方式，侧向力可得到较好的平衡，但分界处土壤容易出现凹沟或土埂。对此，日本学者进行试验研究，最终得出结论：对旋耕刀片采用分区段排列方式，避免了前两者的作业时的共同弊病，耕后地表平整度也比较好，特别适用于幅宽较大的旋耕机。最具代表性的分区段排列方式为：以幅宽中央为基准，左右螺旋线分区段排列，对个别刀片作适当调整[6]。以使用最为广泛的弯形刀片为例，作业时采用的排列方式为不等间距排列方式，左弯和右弯的刀片尽可能交错入土，使刀轴两端轴承所承受的侧向压力较为平衡，耕后地表平整。
　　在研究刀片的结构参数和布置形式时，也有一部分学者致力于研究旋耕刀片的抗磨损能力。泰国学者Satit Karoonboonyanan等人，通过对旋耕刀片进行加工处理，来改善其相应的作业性能。具体处理情况如下，HVOF超音速火焰喷涂处理，这种方式是对旋耕刀片进行WC/Co的涂层处理；等离子喷涂处理，这种方式是对旋耕刀片进行Al2O3-Tio2/NiAl的涂层处理，经处理过的旋耕刀片会有一个与之前不同的抗磨损特性。研究结果表明，超音速火焰喷涂处理的旋耕刀片和等离子喷涂的处理的旋耕刀片在入土工作的初期均有一个较好的耐磨特性，但是随着作业时间的增加，前者的喷涂表层较后者更容易被打破，一旦打破后，反而会加速刀片的磨损，进而影响机具的工作寿命和作业质量[7]。
　　2国内研究现状
　　国内的研究由于起步的比国外稍晚一些，研究重点也与国外有所不同。国内的专家学者，研究重点还落在旋耕机的结构设计上，不论是传动部件还是工作部件。另外，国内对旋耕机工作部件的研究除了考虑相邻刀片的夹角这些结构特点，也有所创新。例如潜土式深耕旋耕机、反转式旋耕机以及刀轴斜置式旋耕机[3]。
　　旋耕刀片作为旋耕机的主要工作部件被安装在旋耕刀轴上，有些刀轴采用刀盘的形式，有的则是直接固定于刀轴上的刀库里，但无论是刀盘还是刀库，均需考虑相邻刀片夹角的问题。旋耕机的这一结构特性在田间作业时表现出来的是切土进距[4]。因此，同一纵垂面内相邻2刀片的夹角对旋耕机的功率消耗和作业质量有很大的影响。通常情况下，相邻刀片的夹角越大，切下的土块厚度越大，碎土程度越低、耕底平整度越差（作业质量不好），功率消耗越低。其原因是：在对单位体积的土壤进行作业时，切削的总面积随进距的增大而有所减少，同时对垡片的重复切削程度也减少了，所以在一定程度上会降低功率消耗。众多田间试验的结果也表明，增大相邻刀片的夹角可降低功率消耗。采用直角刀片试验的结果是：相邻刀片夹角增大2倍，功率减小70%；而采用凿形刀试验的结果是：相邻夹角增大3倍，功率减小90%。但相邻刀片的夹角如果过小，碎土率和耕底平整度虽然会得到提高，但功率消耗也会随之上升，而且还可能造成缠草等问题，影响田间作业[8]。由此可见，相邻刀片的夹角对旋耕机功率消耗和作业质量有着很大的影响作用。对照国内各方面研究来看，改变刀片夹角（即同一纵垂面内刀片的个数）的宗旨就是在降低功率消耗的同时保证作业质量。 　　旋耕刀的回转半径（可以是刀片的长度，也可以是刀轴的直径）也是一个重要的影响因素，其在田间作业时表现为耕深。国内的研究者采用弯形刀片、凿形刀片和直角刀片进行田间试验，试验结果表明，旋耕机田间作业的功率消耗与耕作深度间存在线性关系，并且回归分析的直线通过坐标原点。当切土节距为定值时，旋耕机的比功耗（切削单位体积的土壤所消耗的能量）随耕深的增加而下降。但在轻质土壤中作业时，与深度的关系不明显。除此之外，相关的研究还有潜土式深耕旋耕机、反转旋耕机[9]。其研究目的是：在低功耗的前提下，提高作业质量，加大旋耕刀的耕作深度。对于潜土式深耕旋耕机，国内的研究也是从旋耕机最基本的结构特点入手，通过设置和选定一些实验参数进行试验，所得的试验结果通过能量法、单元法等方法进行分析，得出相应的结论。试验结果表明，进行深耕时功率消耗是首要克服的问题，另外，深耕一般需要不同的机具进行配套联合作业，以达到增产节能的目的[10]。
　　幅宽既是一个结构参数，同时也是一个评价指标。其对旋耕机功率消耗的影响作用显而易见，幅宽增加，旋耕机功率消耗增大。旋耕机的工作幅宽应根据配套拖拉机功率的大小、旋耕比能耗（旋耕比阻，即旋耕单位体积土壤所消耗的能量）、耕深要求来共同确定。除上述问题外，还需要考虑旋耕机的工作幅宽与牵引拖拉机的匹配问题。确定采取何种配置方式（正配置、偏配置）[11]。与通常旋耕机幅宽研究不同的是，江苏大学进行了刀轴斜置式旋耕机的研究，并取得了相应的研究进展。刀轴斜置式旋耕机的最大特点就是刀轴所在直线方向不再与机具前进方向垂直，而是成一定角度，且角度可以人为的有级调节，调节值从0°到30°成等差数列。试验结果表明，采用斜置式旋耕机作业时，刀片所受的垂直水平分力随斜置角度的增大先减小后增大，轴向分力则随斜置角度的增大而增大；而刀片所受的水平分力随斜置角度的增大而减小；整个旋耕机的比功耗随机具前进速度的增大而减小，随刀轴转速的增大而增大，随斜置角度的增大先减小后增大[12]。
　　刀轴转速过快，功率消耗大；刀片数增多，相邻刀片夹角减小（切土节距减小），容易堵土和缠草；机组前进速度过慢，生产效率低；耕作幅宽过大，作业质量差等等[13.14.15]。
　　3旋耕机今后的发展方向和研究重点
　　影响旋耕机田间作业性能的因素很多，发动机状况、旋耕机技术状态恶化等不利因素，上述的结构特点都会造成影响。因此设计并生产出低功耗、高质量的旋耕机一直是研究者和广大农民们的心声。
　　今后的旋耕机发展方向应当是大幅宽、高速型、深耕旋耕机，现有的旋耕机多数在低速状态下进行田间工作，且工作幅宽和耕作深度都很有限，为了提高作业效率，旋耕机应朝着大幅、高速、深耕方向发展；单一的旋耕作业不能更好地利用农业资源，同时还会增加拖拉机进地的次数，因此应朝着旋耕机联合作业方向发展，已经实现的灭茬和旋耕相结合，另外还有深松和旋耕相结合、旋耕与播种相结合等等，但这需在解决动力合理匹配的前提下进行；现有旋耕机的传动部件的参数还需要进一步优化，以便获得更好的作业性能。另外，随着科学技术的进步与发展，对农机具又提出了新的要求和期望，耐用、抗磨损，不易损坏，这将是今后旋耕机研究的一个重点，也会是更多农机具研究的方向。
　　参考文献
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　　[15] 李理，霍春明. 提高旋耕机作业质量的几点建议[J]. 农机使用与维修，2005（1）：52-53.
　　作者简介：赵亚祥（1990-），男，吉林农业大学工程技术学院2012级硕士研究生，研究方向：农业机械设计及制造；田耘（1964-），男，吉林农业大学工程技术学院副院长，硕士研究生导师，主要研究方向：农业机械设计及制造、精准农业准备等。
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