河北省耕作機械技術創(chuàng)新中心 河北圣和農業(yè)機械有限公司

□張培增 □王 帥

旋耕機屬于多用途耕整地機械，其結構形式有很多種，本文研究的是最常見的臥式旋耕機。其特點是，機動靈活，一機多用，可同時完成翻地、耙地、耢（耱）地等一系列作業(yè)；主要優(yōu)點是，土壤松碎能力強，耕后土壤細碎，地表平整，土肥摻和均勻，有利于在搶收搶種中及時完成播前整地任務，大大提高作業(yè)效率和作業(yè)質量，是我國目前使用最普遍、最受農民歡迎的農田耕作機械。

然而，旋耕機不足之處也很明顯，主要是耕作深度有限，對土壤擾動大，功率消耗高，這些問題也是長期以來業(yè)內對旋耕機發(fā)展前景爭論的焦點問題。如何提高旋耕機作業(yè)性能，降低旋耕機功率消耗，一直是旋耕機設計、制造和使用者共同關注的問題。尤其最近幾年，實現(xiàn)“碳中和”成為全球努力目標，降低旋耕機作業(yè)功率消耗也成為了重要的研究課題。

一、旋耕機構造及工作原理

旋耕機主要由土壤工作部件、傳動系統(tǒng)及輔助部件構成。旋耕刀軸總成是旋耕機的主要工作部件，機器通過機架與拖拉機進行掛接，動力由萬向節(jié)傳動軸傳到齒輪箱再傳至刀軸，從而實現(xiàn)旋耕作業(yè)。其主要構成如圖1所示。

圖1 旋耕機構造

旋耕機是一種以銑切原理加工土壤的耕耘機械。工作時，旋耕機刀軸上的刀片在動力驅動下旋轉，同時隨機組沿直線向前移動，呈余擺線運動軌跡。田間作業(yè)時，刀片在運動中切入土壤，當?shù)镀蚝笙路竭\動時切削土壤，到最下方時切土動作完成，隨后刀片向后上方運動，把切下的土垡向后上方拋擲，土垡撞擊擋土板和殼體后被破碎并落向地表，然后被后拖板拖平。

二、旋耕機作業(yè)的功率消耗分析

旋耕機工作原理如圖2所示。

圖2 旋耕機工作原理

試驗資料表明，旋耕機作業(yè)所消耗的功率N可用公式表達如下：

公式中，Nq為刀片切削土壤所消耗功率，數(shù)值在工作過程中是不斷變化的，刀片開始切削土壤時功率消耗較大，隨著耕深增大功率消耗逐步減小，平均約占42%；Np為旋耕刀拋送土壤所消耗功率，數(shù)值約占41.5%；Nt為旋耕機作業(yè)時推動機組前進所消耗功率，數(shù)值約占9.7%；Nc為旋耕機傳動系統(tǒng)各部件所消耗功率，數(shù)值約占6.8%。

由此可見，旋耕機切削和拋送土壤所消耗功率占總功耗比例達80 %以上。影響旋耕機作業(yè)功耗的主要因素是刀軸總成，包括旋耕刀形狀、旋耕刀排列方式、切土角、切土進距、機組前進速度、刀輥（刀軸總成）轉速、耕深、刀輥回轉半徑等。

三、旋耕機創(chuàng)新的技術思路

1.旋耕刀片的形狀和參數(shù)

旋耕刀輥是旋耕機的最主要部件，刀片形狀和參數(shù)對旋耕機工作質量、功率消耗影響很大。為適應不同土壤耕作需要，技術人員對旋耕刀進行了大量研究。根據(jù)現(xiàn)行國家標準《旋耕機刀和刀座》（GB/T 5669—2017），普通臥式旋耕機上使用的旋耕刀已形成系列產品，有刀座式旋耕刀和刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）兩大類。刀座式旋耕刀形式分為I型、Ⅱ型和Ⅲ型3種，I型刀主要用于一般水旱田耕作，刀輥回轉半徑有225、245、260mm等3種；Ⅱ型刀主要用于水田綠肥、稻茬、麥茬較多的田地作業(yè)，刀輥回轉半徑有195、210、225、245、260 mm等5種；Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬作業(yè)，刀輥回轉半徑有150、175mm兩種，總共有18種規(guī)格；刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）有2種規(guī)格。

圖3 刀座式旋耕刀結構簡圖

為降低旋耕作業(yè)時切削土壤所消耗功率，除保持刀片刃口鋒利外，根據(jù)實際情況選擇合理的旋耕刀形狀和尺寸非常重要。我國對新型旋耕刀創(chuàng)新研究深度和力度存在不足，雖然也有一些科研人員和高校進行了探索試驗和研究，但大多只停留在理論層面。尤其需要加強旋耕刀應用減阻耐磨新型材料的產業(yè)化研究。

2.旋耕刀的排列方式

旋耕刀在刀軸上的排列是影響旋耕機作業(yè)性能及功率消耗的重要因素之一，為使旋耕機耕后土壤細碎、地表平整，刀軸受力均勻，刀片在刀軸上的排列一般應滿足下列要求：（1）刀軸輥每轉過一個相同角度，有相同且盡可能少的旋耕刀入土，以使刀軸承受扭矩均勻，保證工作平穩(wěn)；（2）每一把旋耕刀切土量相等，以達到碎土質量好，耕后溝底平整，而且旋耕刀受力均衡；（3）在同一根刀軸上，左彎刀和右彎刀應成對入土，以使刀軸軸承所受的軸向力盡可能??；（4）相鄰刀片角位差及相繼入土的兩把刀片的軸向距離應盡量大，以防止夾土和堵塞。

一般旋耕機刀片按螺旋線規(guī)則排列。常用刀片排列方式，有單向螺旋線排列，人字形或 V 字形螺旋線排列，近年還有采用多區(qū)段排列方式。單向螺旋線排列，是從刀軸的一端向另一端按螺旋線順序排列。這種方式排列刀片規(guī)律明顯，但作業(yè)時刀輥承受的側向力較大。人字形或V字形排列，側向力可得到較好平衡，但容易在分界處出現(xiàn)凹溝或土埂。目前較多采用分區(qū)段排列方式，可以克服螺旋線排列缺點，且耕后地表平整度好，特別適合于幅寬較大的旋耕機。

3.刀輥轉速和機組前進速度

刀輥轉速和機組前進速度是旋耕機工作的主要參數(shù)，對作業(yè)質量和功率消耗影響比較復雜。資料表明，在刀輥轉速保持不變前提下，旋耕作業(yè)所消耗功率隨機組前進速度增大而近似線性增大。這是因為機組前進速度增大，切土進距就增大，也就是切土量增大。

切土進距是指在刀片旋轉的同一縱向平面內，前后相鄰兩個刀片切土的間隔距離。切土進距的大小，直接決定于旋耕刀端點圓周線速度與旋耕機前進速度的比值λ，通常λ值在4—10之間。在實際生產中，進距適度增大又可使功率減小，原因是耕作單位體積土壤時，切削總面積隨進距的增大而有所減少，同時也減少了對垡片的重復切削。此外，切土進距對旋耕機的碎土程度也有較大影響，切土進距越大，切下土塊厚度越大，碎土程度越低。通常在旱田熟地耕作時，由于刀體使垡片產生剪切破裂面，土壤強度降低，土壤容易破碎，切土進距可以大一些，故增大進距可使功耗減少而不影響碎土效果；粘重土壤和多草地耕作時，土垡不易破碎，切土進距應小一些。

由此可見，選擇合理λ值是個復雜的技術問題。為了保證旋耕機良好作業(yè)質量，同時滿足節(jié)能降耗要求，需要綜合考慮旋耕機的結構、刀片形狀、刀輥直徑、土壤條件等多種因素。λ值選擇不合理時，功率消耗會明顯上升，作業(yè)性能會明顯變差。對于這一問題，需要進行深入廣泛試驗研究，以便根據(jù)不同土壤條件調整合適的λ值，尤其應該探索借助智能化手段，根據(jù)作業(yè)條件自動調整λ值的技術途徑。

4.刀輥回轉半徑和耕深

我國目前大量使用的旋耕機耕深普遍在12cm—16cm之間，耕作深度淺，埋茬效果差。長期淺旋，還會導致土壤耕層變淺，土壤耕作層肥力降低。根據(jù)旋耕機工作原理，加大耕深的唯一辦法是增大刀輥回轉半徑（或直徑）。試驗證明，增加刀輥直徑，切土功率相應增加。直徑增大使功率增加的原因是，刀片切削土垡的行程增大和切削線速度增大（當轉速一定時）。還有試驗發(fā)現(xiàn)，在耕深一定時，刀輥直徑過小反而使功率消耗增大。由此看來，刀輥直徑與耕深之間或切削行程與耕深之間，應有一個最佳比值（即功耗最小的比值）?，F(xiàn)有的旋耕機設計，通常是使刀輥半徑接近于最大耕深。

近年來，農業(yè)生產對大耕深旋耕機也提出了需求，已有不少企業(yè)開發(fā)了產品，但仍存在不少技術上的問題。真正開發(fā)出成熟實用的大耕深旋耕機，還需要做更深入的理論研究和試驗驗證。

5.動力傳動系統(tǒng)

雖然旋耕機傳動系統(tǒng)各部件所消耗功率，只占總功耗的6.8%左右，但是這只是特定情況下的數(shù)值。實際上，旋耕機傳動系統(tǒng)的制造質量對功耗大小、作業(yè)效果、使用壽命等的影響很大，其因素很多，情況也很復雜，需要研究和解決的技術難題還有很多，包括：設計問題、制作工藝問題、檢驗手段問題、使用調整問題等。如，傳動箱體各軸孔的形狀和位置誤差，傳動箱各齒輪的嚙合誤差，刀軸軸承座在旋耕機側板上的安裝誤差，刀軸的形狀和位置誤差，各傳動部件總成和整機的裝配誤差。如何有效控制這些誤差，如何改善潤滑效果和防塵效果，如何減少空轉功率消耗，所有這些問題的解決都需要進行廣泛深入的研究。