小型双轴旋耕机的设计

小型双轴旋耕机的设计

作者：林宇钢姚爱萍翁晓星等

来源：《农业开发与装备》 2014年第12期

林宇钢，姚爱萍，翁晓星，王刚，周益君

（浙江省农业机械研究院，浙江金华 321017）

摘要：本文阐述了小型双轴旋耕机的结构设计及其工作原理。针对丘陵山区旱地、果园等

板结土壤耕作难题，提出双轴正反旋组合的耕作机理。利用反旋凿切入土性能好，破土能力强，适宜切削硬土的特点结合正旋深耕碎土效果高的特点，通过反旋凿切刀具结构设计及机具前进

速度和刀具转速的匹配，提高机具的效能比，实现小功率板结土壤作业需求。

关键词：丘陵山区机械；双轴正反旋；旋耕机

0引言

浙江省属丘陵山区地貌，山地和丘陵占总土地面积的70.4%，农业生产以粮油为主，林、竹、茶、桑、果、茶等多种产业并存，如何利用山区丘陵地带的地理环境，大力发展经济作物，是解决这些地区“三农”问题的有效手段。但这些地区土壤多为红壤土、黄壤土和棕红土壤，

具有贫瘠、粘性大、易板结等特点。同时因过渡依赖化肥，使得土壤有机质含量和含水量较低，土地板结十分严重，采用人工方式耕作劳动强度大，人工成本高。因此，丘陵山地农业发展急

需农机化，丘陵山地机械化发展已经成为下一轮农机化发展热点。现有微耕机，具有体积小，

重量轻等优点，普遍应用于丘陵山区小田块作业，但由于其功率偏小，重量轻导致机具附着力

较小，难以满足板结土壤的耕作要求。本文涉及的旋耕机采用牵引式双轴结构设计，使用反旋

凿切松土加正旋旋耕碎土的旋耕技术，提高机具的效能比，为解决板结土壤耕作难题提供了一

种新型实用机具。

1结构与工作原理

1.1结构

双轴旋耕机采用牵引式的结构，动力由通用手扶动力底盘输出，经PTO三爪快速接口传输

至工作部件，实现旋耕作业。本机内设差速机构提高了机具的山地小田块转向通过性，采用全

封闭的齿轮传动，提高了机具的效率和安全性。工作部件采用双轴正反旋结构，即前轴反旋凿

切作业，后轴正旋作业。结合正旋旋耕耕后土壤松碎，地表平整的优点和反旋耕耘入土性能好，作业平稳，功耗低的优点，提高机具的附着力，实现小功率板结土壤作业需求。双轴旋耕机主

要技术参数见表1。

1.2工作原理

双轴旋耕机传动结构如图2所示，动力经过底盘变速箱PTO输出轴输入，锥齿轮轴2通过离合套1和PTO轴连接，和凿切刀轴上的锥齿轮3啮合驱动凿切刀轴4反旋。通过凿切刀轴上的传动齿轮5和中间轴传动齿轮6的啮合，把动力传输至旋耕刀轴7，驱动其正旋作业。

1.离合套

2.锥齿轮轴

3.锥齿轮

4.凿切刀轴

5.传动齿轮

6.中间轴传动齿轮

7.旋耕刀轴

2总体方案设计

2.1底盘选择

双轴旋耕机选用爱司米动力底盘，配套功率6.3kw。它有以下特点：1）动力前置，使整机重心更靠近轮轴回转中心，整机平衡性能好，操作更省力，同时降低整机高度，提高其在果园等特殊地形的通过性；2）动力传动采用齿轮传动方式，放弃以往传统的皮带传动方式，提高动力效率；3）内置安全离合器，避免负载过高熄火状况，提高操作安全性；4）内置差速器提高机具的田间转向性能。

2.2行走作业方式选择

该机采用牵引式作业方式。牵引式的优点是可以方便的设计行走速度和刀盘旋转速度的匹配关系，优化作业效果，降低能耗。

3关键部件的设计

3.1正反旋交错双轴结构设计

双轴旋耕机设计有前后2根横轴，前轴上安装4组凿切刀盘，反旋作业；后轴安装4组深

耕锄刀盘，正旋作业，前后刀盘交错布置。采用正反旋交错双轴结构设计有以下优点：1）提高机具附着性；2）反旋凿切能增大刀具的对土壤的切削合力，提高切土性能；3）双轴交错结构

提高机具结构的紧凑性，同时对土壤形成剪切作用，防止壅泥和缠草。4）工作时采用先切削

7cm硬土层，后切削8cm下层土的工作方式，功率分配上更合理。5）双轴作业，能提高碎土率。

3.2双轴组合刀具设计

双轴旋耕机前反旋轴安装自主设计的4组凿切刀盘，其作用在于把整块硬土层进行分割破坏，后正旋轴使用4组深耕锄刀盘，进一步对已破裂的硬土层进行粉碎作业，这种设计可以减

小机具的总切削扭矩。正旋作业时产生的机具前进推力能部分或全部抵消反旋凿切时产生的机

具前进阻力，减小机具功率消耗。

3.3反旋凿切刀盘设计

3.3.1凿切刀总体设计

1.凿切刀

2.刀座

3.刀轴管

如图3所示刀反旋凿切盘回转半径设计为400mm，保证机具在工作状态下满足前轴先切削

7cm硬土层，后轴切削8cm下层土的作业要求，使功率分配更合理。反旋凿切刀盘使用刀座安

装方式，在圆周上均匀分布3把凿切刀，凿切刀前后端面开有波口以减小入土阻力。

3.3.2 凿切刀尖结构设计

如图 3 所示，在凿切刀回转半径圆周着地点处，刀尖切土角应大于0°，同时也不能过大，造成切土量过大。按经验设计刀尖切土角为15°，使凿切刀能以薄层小切土量的作业方式作业，减小其切土阻力从而降低功率消耗。

3.4防漏犁头设计

防漏犁头安装在箱体尾部，和箱体轴线夹角为65°，连接直杆前端面开刃以减小装置的拖

行阻力。犁头焊接在连接直杆底端为脊状小三角结构，增加其入土压强。

4机具前进速度和刀具转速匹配关系确定

对于板结土壤而言，机具耕作所需的功率将远远大于一般的土壤，在刀具形状、刀尖结构

参数一定的前提下，以作业所需要的功率最小为目标，开展刀具旋切的转速和机具前进的速度

的优化组合是很有必要的。根据三维仿真模拟，可以得出以下结论：当机具前进速度不变时，随着刀具转速的增加，平均扭矩增加，但增加不大；当刀具转速不变，机组前进速度的增加，将使切向力和前进阻力增加，同时扭矩将迅速增加，但增加的幅度小于前进速度。因此本机具设计工作前进速度为0.1m/s,凿切刀转速为247.5 r/min，旋耕刀转速为355.8 r/min.通过仿真，其消耗功率最少。

5试验

5.1试验概况（条件）

该机在荒地、果园、茶园、大棚等各种不同土壤紧实度的土壤条件下进行了试验，试验结果表明该机操作方便轻松，作业平稳，各项性能指标均能达到设计要求。

5.2试验结果

试验结果见表2。

6结论

该机经过多次改进设计和性能试验，其性能已能够满足丘陵山区茶园果园等各种板结土壤的旋耕松土作业要求。经过检测，各项性能指标均达到设计要求，为解决小功率板结土壤作业难题提供了一种新型机具。

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