陳小明 陳炫達(dá) 張?jiān)葡? 韓曉蓉 高興晴

摘 要 以當(dāng)前農(nóng)業(yè)耕地機(jī)械市場(chǎng)最廣、占有量最大的正轉(zhuǎn)臥式中間傳動(dòng)旋耕機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)影響旋耕機(jī)功率消耗的幾大因素，通過(guò)分組數(shù)據(jù)收集的方式，研究在新的耕作環(huán)境下，旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系。提供一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，為旋耕機(jī)的耕幅與動(dòng)力消耗設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 旋耕機(jī)耕幅；拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)；額定功率；經(jīng)驗(yàn)公式

中圖分類(lèi)號(hào)：S219 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.071

1 研究背景

旋耕機(jī)是拖拉機(jī)配套的耕整地作業(yè)機(jī)具。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研制和生產(chǎn)與國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī)，在土壤條件相同時(shí)，旋耕機(jī)的碎土性能和切斷殘茬的能力要比犁和耙更強(qiáng)。同樣的，旋耕機(jī)消耗的功率也較大。正轉(zhuǎn)臥式中間傳動(dòng)旋耕機(jī)是中國(guó)市場(chǎng)占有量最大的旋耕機(jī)種類(lèi)，旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，影響功率消耗的主要因素有刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度、耕幅、耕深、土壤含水率和土壤堅(jiān)實(shí)度等。為了預(yù)測(cè)旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)消耗的功率，各國(guó)學(xué)者都做了不少研究，但由于土壤環(huán)境，試驗(yàn)條件的差異，所得結(jié)論不盡相同。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)曾給出旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[1]：

式（1）中，B為旋耕機(jī)耕幅，m；N為拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，kW。此公式給出的關(guān)系限定條件為在水田一般土壤條件下，工作部件為彎刀，耕深12～16 cm，刀輥轉(zhuǎn)速180～220 r·min-1，前進(jìn)速度2～5 km·h-1。

如今來(lái)看，由于現(xiàn)代旋耕機(jī)耕作環(huán)境不同，此經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)不能指導(dǎo)旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)功率的配套。經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放40年的發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)突破了地區(qū)、部門(mén)、所有制等局限，農(nóng)機(jī)作業(yè)隊(duì)跨區(qū)域作業(yè)已成為農(nóng)民快速致富的手段。為了生產(chǎn)需要，如今的旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速更快，拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)行駛速度也更快。陳翠英提出，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速和機(jī)組行進(jìn)速度對(duì)功率消耗都有顯著影響，且機(jī)組前進(jìn)速度的影響更為顯著[2]?，F(xiàn)代旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速為210～320 r·min-1，機(jī)組前進(jìn)速度3～7 km·h-1。

為此，需要進(jìn)一步研究，在新的耕作環(huán)境下，旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系，為旋耕機(jī)與拖拉機(jī)配套提供依據(jù)。

2 旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率關(guān)系分析

研究旋耕機(jī)的耕幅與配套拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系，除了要保證3個(gè)約束條件（刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度、耕深）之外，還要考慮各地區(qū)耕作土壤條件，如土壤含水率、堅(jiān)實(shí)度、地表植被、石塊等，影響條件十分復(fù)雜，很多因素不易控制。如果使用試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，要準(zhǔn)備大量土地，旋耕機(jī)及拖拉機(jī)，模擬各種土壤環(huán)境，這在效率上和經(jīng)濟(jì)型上是幾乎不可能完成的。因此，只能使用調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方式來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。

不同地區(qū)耕作環(huán)境的不同，同一耕幅的旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速也存在差異。正旋旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，旋耕刀上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線(xiàn)。旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可用下列方程表示[1]：

式中，λ為旋耕刀端點(diǎn)的切線(xiàn)速度與機(jī)組前進(jìn)速度之比；R為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm；ω為旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1，ωt為旋耕刀轉(zhuǎn)角，rad。

由式（2）可知，耕后切土節(jié)距與耕后土地底層凸起高度與旋耕速比λ和旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。因此，為滿(mǎn)足耕后土地平整度要求，不同的刀軸轉(zhuǎn)速必須與機(jī)組前進(jìn)速度配套合理選擇。

3 調(diào)查設(shè)計(jì)

當(dāng)旋耕機(jī)的耕幅一定時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速與機(jī)組前進(jìn)速度是影響功率消耗的主要因素，因此可以得到以下結(jié)論：為保證旋耕速比不變，刀軸轉(zhuǎn)速低的旋耕機(jī)前進(jìn)速度一定較低，配套拖拉機(jī)功率消耗也較小，同理可推廣到高刀軸轉(zhuǎn)速（旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速與旋耕機(jī)齒輪箱內(nèi)齒數(shù)比和配套拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速有關(guān)）。所以，可以采用分組方法進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。在收集某一地區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，同耕幅只收集旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速最低的，與刀軸轉(zhuǎn)速最高的兩組數(shù)據(jù)，來(lái)代表配套功率最小值和最大值，以此大大減輕工作量。同時(shí)，由一般經(jīng)驗(yàn)可知，相較于水田，旱田作業(yè)時(shí)，由于土質(zhì)較硬，拖拉機(jī)所消耗的功率也比較大。因此，在收集數(shù)據(jù)時(shí)，要保證同一耕幅旋耕機(jī)要全面收集在水田地區(qū)與旱田地區(qū)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)對(duì)市場(chǎng)上旋耕機(jī)銷(xiāo)量最多的幾家旋耕機(jī)廠(chǎng)商的調(diào)查。2016年，耕幅在160～250 cm的旋耕機(jī)是市場(chǎng)上的主力機(jī)型，銷(xiāo)量占旋耕機(jī)總銷(xiāo)量的91%，筆者選擇耕幅在這一范圍的旋耕機(jī)進(jìn)行調(diào)查。為了方便數(shù)據(jù)收集，在這一范圍內(nèi)選取最常用的5種旋耕機(jī)耕幅，即160 cm、180 cm、200 cm、230 cm、250 cm，調(diào)查對(duì)象為東方紅旋耕機(jī)與配套東方紅拖拉機(jī)。根據(jù)其主銷(xiāo)地區(qū)及常用刀軸轉(zhuǎn)速，對(duì)調(diào)查目標(biāo)進(jìn)行篩選，得到調(diào)查計(jì)劃表，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1進(jìn)行分地區(qū)調(diào)查，將各個(gè)地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，所得的旋耕機(jī)耕幅與配套拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系如圖1、2所示。

圖中實(shí)線(xiàn)代表旋耕機(jī)耕幅與拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，旋耕機(jī)耕幅與配套拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之間的關(guān)系呈不明顯的下凹曲線(xiàn)關(guān)系，拖拉機(jī)功率消耗隨著旋耕機(jī)耕幅增加而增加。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上給出的方程，使用冪函數(shù)（旋耕機(jī)耕幅為自變量，拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為因變量，指數(shù)為2）擬合數(shù)據(jù)曲線(xiàn)（得到圖1、圖2中虛線(xiàn)），可以得到公式：

N=15.795～22.893B2（3）

轉(zhuǎn)換得到：

式中，B為旋耕機(jī)耕幅，m；N為拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，kW。

4 結(jié)語(yǔ)

旋耕機(jī)在中國(guó)農(nóng)業(yè)耕地機(jī)械中占有很重要的地位，旋耕機(jī)產(chǎn)品也在飛速發(fā)展中。本研究只針對(duì)正轉(zhuǎn)臥式中間傳動(dòng)旋耕機(jī)，在使用本研究所給經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行旋耕機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)旋耕機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)的市場(chǎng)不同，各個(gè)地區(qū)旋耕機(jī)的配套動(dòng)力可能只是所給范圍內(nèi)的一部分。由于所得函數(shù)的是擬合函數(shù)，部分地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)配套動(dòng)力超出或者低于所給范圍的情況。本經(jīng)驗(yàn)公式只是給與設(shè)計(jì)者的一種參考，當(dāng)耕作條件發(fā)生了與本文中所列約束條件相違背的情況時(shí)，公式也應(yīng)根據(jù)其情況進(jìn)行相應(yīng)的變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)科科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2] 陳翠英.旋耕機(jī)速度參數(shù)的合理選擇[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1985（2）：32-39.

（責(zé)任編輯：劉昀）