悬挂式水田筑埂机及其关键部件研制与试验

悬挂式水田筑埂机及其关键部件研制与试验

0 引言

水田淹灌是将灌溉田地划为田格，在田格周围修筑田埂，灌水后保持一定厚度的水层自上而下浸润土壤。筑埂是实现水田淹灌的关键，坚实合理的田埂不仅能保证水稻对水分的需求，还可以大大节约水资源，减少水资源的浪费。水田筑埂属于水稻生产过程的整地环节，也是水稻生产机械化的重要环节。

对于水田筑埂技术的研究，日本处于世界领先水平，其筑埂机具主要分为3种形式：第1种筑埂机通过升运叶片将土壤升起，借助机具上面和侧面的抹埂板将泥土贴抹到田埂的上部和侧部；第2种筑埂机通过螺旋犁将稻田泥土横向地输送，用培土板推向田埂，借助于上面和侧面的镇压辊和镇压板来压平和抹平；第3种筑埂机采用横切旋耕器，切削旧田埂倾面的同时粉碎埂面土块，并把成形所需的土运到田埂，最后以旋转圆盘滚动方式使田埂成形，将田埂加工成如抹墙后的表面。中国最早出现的水田筑埂机是1975年东北农学院研制并通过铧式犁取土，用成型板镇压成型[1-2]。目前，中国的一些中小企业也进行了筑埂机的研制，主要通过铧式犁或旋耕机取土，通过镇压辊或旋转圆盘滚动方式成形，筑出的田埂也非常坚硬，但适应性较差。中国和日本的土质不同，而且中国不同省份的土质差别也很大，日本的筑埂机并不适合在中国各地区作业。随着水稻生产机械化的发展和农户的需求，亟需研制出适合中国不同地区作业的水田筑埂机具。本文以中国北方黑龙江省土壤条件为依据，进行筑埂机具主要参数的确定，以期研制出适应北方地区作业的筑埂机具。

1 筑埂的农艺要求

筑埂机所筑田埂高度为250～300mm，埂底宽度为400～600mm，埂顶宽度为25 0～350mm，坡度系数0.6～0.85，土壤坚实度为80～llOkPa，作业时间为每年4月中旬或9月下旬，取土后沟渠深度小于lOOmm。

2整机结构及其工作原理

悬挂式水田筑埂机是一种专门用于水田筑埂作业的农业机具，主要由旋耕集土装置、推压筑埂装置、传动系统、1800翻转装置、尾轮、罩壳、机架等组成。其中旋耕集土装置、推压筑埂装置为主要的工作部件，结构如图1所示。

机架上从前至后依次安装传动轴1，带传动装置2，1800翻转变速箱4、通过联轴器与主变速箱8连接，7、9、10分别为筑埂机主要工作部件推压筑埂装置和上、下旋耕集土装置。

工作时，筑埂机动力由拖拉机动力输出轴提供，通过万向联轴器与传动轴相连接，传动轴通过带轮与1800翻转变速箱连接，经过1800翻转变速箱变向后将动力传到主变速箱，由主变速箱带动上、下旋耕集土装置及推压筑埂装置工作。转动取土深度调节装置的调节手柄可以改变下旋耕集土装置的高度，实现取土深度的变化。1800翻转变速箱和翻转锁紧装置配合使用可以完成筑埂机关键工作部件1800翻转，解决了在田埂拐角处由于拖拉机机占用空间而不能修筑的一段田埂。

筑埂机修筑田埂一般要经过2个工序：取土和镇压成埂。根据筑埂工序要求设计取土装置和镇压装置。这2个工作装置必须安装在机架之上，根据工序要求，取土装置在前，镇压装置在后。筑埂机工作时，取土装置将士聚拢到推压筑埂装置，通过推压筑埂装置镇压土壤形成田埂。

3关键部件设计

3.1 关键部件工作原理

由于旋耕刀将土壤从后方和侧后方抛出[3-71，根据旋耕刀抛土特性，将旋耕集土装置设计成2个刀轴联合切削土壤的形式。旋耕集土装置由上、下2个旋耕刀轴组成，下旋耕装置分别由不同回转半径的旋耕弯刀组成，上旋耕装置则由相同回转半径的旋耕弯刀组成。旋耕集土装置弯刀均为右弯刀，上、下旋耕装置工作状态如图2a所示。下旋耕装置在旋转过程中取土、抛土并且可以切出阶梯型的田埂，推压筑埂圆盘可以把收集的土壤抹压在阶梯形结构之上，使筑成的田埂坚实且不容易滑落塌陷，如图2b所示。上旋耕装置可以打碎土壤表面的风干土壤和杂草，更加保证了筑出田埂的坚实性。下旋耕装置抛出的土块可以被上旋耕装置上的刀片二次旋切之后并且抛出，进一步增加了碎土率，减轻了整机的功率消耗。

3.2旋耕集土装置设计

3.2.1旋耕装置刀片运动方程

设坐标原点D为旋耕集土装置某一时刻的回转中心，石方向为机器前进方向，旋耕装置刀轴为正转，旋耕刀片回转半径为R，筑埂机作业时旋耕刀上各点运动轨迹为余摆线，如图3所示。

旋耕刀端点运动轨迹可用下列方程表示

3.2.2旋耕集土装置刀辊转速确定

旋耕装置切土节距S为

旋耕装置在切削土壤后，将土收集到后面的推压筑埂装置使其成埂，切土节距的大小影响筑埂机筑埂质量和功率消耗。旋耕机在中等黏度的稻田土，土壤含水率在20%～30%时，切土节距60～90 mm较为合适。由于筑埂机在筑埂时，对土壤破碎程度比旋耕机要高，因此，筑埂机切土节距取30～50mm较为合适。经过切削的土块经过罩壳击打将进一步打碎，进一步提高碎土质量，这样在筑埂时土壤将更加容易压实成埂。

筑埂机在筑埂时，机组前进速度为0.6～0.8 km/h，主要取土区间单位小区刀片数量为1，根据式(6)，确定刀轴转速为300 r/min。这时，切土节距为33—44mm，符合要求。筑埂机上下旋耕装置刀轴设计转速均为300r/min。

3.2.3旋耕装置参数确定

建立如图4所示的田埂截面图，由于田埂在受到浸泡、碾压和风蚀等作用，田埂在收获后变形较大。根据变形的不同，应用筑埂机进行田埂修复需要完整田埂土量的10%～20%。工作时，旋耕刀既将田埂切成阶梯形，又在阶梯侧地面以下取土，从而补充田埂在受到浸泡、碾压和风蚀作用而损失的土壤量。完整田埂的截面面积(A1，mm2)为

根据筑埂的农艺要求，将田埂的高度、埂底宽度和埂顶宽度代入式(7)和式(8)，求出A2m。。和A2mi。分别为14250和3250 mmz。为了适应不同田埂高度的要求，下旋耕集土装置的取土深度应可调，为保证取土深度的变化不超过预定的范围，且拖拉机倒行时车轮不在取土后所留的沟内行驶，取土宽度日取150mm。由式(8)得，取土深度日变范围为20～95mm，不超过下旋耕集土装置高度调节范围0～120mm，即筑埂机可以根据田埂的高度和形状调节取土深度，满足筑埂时