葛大萌，吕钊钦

(山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安　271018)



小型甘薯旋耕起垄机的设计

葛大萌，吕钊钦

(山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安271018)

摘要：根据甘薯农艺要求和种植模式，设计了一种小型甘薯旋耕起垄机。同时，介绍了旋耕起垄机的总体结构及主要工作部件松土、垅土、垄成型、镇压的设计原理。采用旋耕刀和起垄犁相结合的结构，能有效地实现垄的初步成形；垄面成型装置进一步对垄进行抚平，使垄形成效率高，成形规整，提高了劳动生产率。

关键词：甘薯；旋耕；起垄机；垄面成形

0引言

甘薯是一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、地瓜、红薯、朱薯等，由于区域不同而有不一样的名称。甘薯起源于美洲，如今已在100多个国家广泛种植，16世纪末从南洋传入我国[1-5]。甘薯是一种营养丰富、用途广泛、高产稳产的农作物。我国的甘薯种植面积和总产量均世界首位，它不但是主要的粮食作物，而且是很好的饲料作物，也是工业生产中的原料作物[6]。

我国虽然是甘薯生产大国，但不是强国，甘薯生产存在着一系列的问题，如农艺标准不单一、品种单一、生产技术不够精细、管理水平差和机械化程度低等[5]。我国甘薯的种植面积在逐年增加。甘薯是劳动密集型的地下作物，其生产过程主要包括育苗、耕整、施肥、起垄、移栽、中耕管理、去蔓、挖掘、捡拾及储藏等，与此对应的作业机械主要包括排种机、剪苗机、旋耕机、施肥机及筑垄机等[7]。

甘薯起垄种植能够起到调节温度、合理利用水分、改善土壤环境与光照条件等作用。起垄的目的就是为了加深土层，为甘薯块根形成和膨大营造一个疏松、良好的土壤环境，并且在雨水较多的时间里能够有效克服平作土温低、水分易流失的缺点，并可保持地表合理的湿度来抑制甘薯地表上面部分生长过旺等趋势。起垄是甘薯种植前的一道非常重要的工序，也是甘薯全程机械种植快速推进的瓶颈之一，也是甘薯生产中最为耗工、耗力、耗时的工序之一，人工起垄费用通常占甘薯种植用工费的30%左右[7-9]。

在丘陵地区及地块较小的土地，大型的机械无法工作，因此研究小型的甘薯机械也是一种当前农业机械发展的趋势。小型机械机动灵活，便于安装拆卸，价格相对便宜，可降低生产成本。经过相关理论研究，本文设计研制出一种小型甘薯旋耕起垄机。

1总体结构与工作原理

1.1　作业要求

起垄机采用一垄一行的起垄模式,间距1 000mm；作业对象为地块较小的土地；在秧苗种植之前，进行作业。甘薯垄的模式如图1所示。

图1　甘薯垄模式示意图

1.2　总体结构

小型甘薯旋耕起垄机主要由垄成型装置、抚平装置、起垄装置和仿形限深轮装置4部分组成，整机结构如图2所示，其三维图如图3所示。

起垄装置主要由旋耕刀组成。工作过程中，旋耕刀主要用于翻土、碎土，利于解决碎土难、刀具夹土和送土效率等问题；对于土质较硬的地块，可以更好地进行工作，提高起垄率。

垄成型装置采用的是自行设计的单翼旋耕起垄犁，它是甘薯起垄的重要作业部件之一，作用是借助垅土、成型等部分装置，将田地里的土块在一定范围内转移，从而形成预定形状和尺寸的土垄，以适应甘薯种植的农艺要求。

旋耕起垄犁设计要求主要有：起垄高度稳定、自洁性好、前行阻力小、耐磨损、制作工艺方便、土性好及对邻垄影响小等[10]。

抚平装置采用全新的梯形镇压轮仿形装置，主要作用是在起垄后对土壤表层进行压碎、压实，以防止水分损失，提高垄的紧实度，减少土块空隙。

1. 弹簧　2.机架　3.变速箱　4.旋耕刀

图3　旋耕起垄机三维图

1.3　主要技术参数

作业幅度/mm:900(可调)

挖掘深度/mm：150～300(可调)

挖掘行数：1垄1行

作业速度/km·h-1：4～5

配套动力/kW：≥12.5(小型四轮拖拉机)

挂接方式：后三点悬挂

机器质量/kg：260

生产率/hm2·h-1：0.20～0.25

起垄高度/mm：≥260

垄形状：梯形

成型率/%：98

1.3.1主要运动参数的选择

在小型旋耕起垄机的运动参数中，旋耕的速比α和切土节距β是两个非常重要的运动参数，决定着旋耕起垄机的作业效果[11]。

样机的设计参照旋耕起垄机的有关计算公式[11-13]。起垄旋耕速比α同样定义为

α=Rω/Vm

(1)

式中ω—旋耕刀轴的回转角速度，设计中取ω=18.95~23.25rad/s；

Vm—整机组的前进速度，根据拖拉机Ⅱ挡前进速度计算，Vm=0.74m/s；

R—旋耕刀片的回转半径，取R=220mm。

带入数据,由式(1)可得：α=5.7~7.0。

同理，切土节距β定义为

(2)

式中H—旋转切削同一面内刀具数量，H=3；

β—切土节距(cm)。

由式(2)可得：β=6.63~8.09cm。

由计算出来的切土节距β和旋耕速比α的数值范围分析可知：参数的选择是有效的，并且符合农机和农艺的要求[12-14]。

1.3.2机器的工作幅宽

在参考旋耕机器的作业中，机械的有关经验设计公式[5-6,8]为

(3)

式中D—小型拖拉机额定功率(kW)；

T—作业幅度(m)。

小型拖拉机的额定功率取D=13.4kW，根据公式(3)可得：T=0.94~1.23m。参考其他农作物垄面载植时的技术要求，该机器的设计幅宽取T=1m，符合农艺要求。

1.3.3功率消耗计算

根据单位面积消耗总功率计算，发动机总功率P=13.4kW，取功率利用率ηr=0.8，则

1000P·ηr=B·H·KP

(4)

式中B—作业幅宽，取B=100cm；

H—旋耕深度，取H=250cm；

KP—单位面积所需总功率(kW/cm2)。

计算出KP=0.48kW/cm2。

1.4　工作原理

悬挂架通过螺栓与机架连接，采用三点悬挂的方式配挂在小四轮拖拉机上。机架主要用60mm×60mm×3mm的方钢焊接而成。工作时，拖拉机带动机具前行，拖拉机输出动力通过变速箱传输，传给起垄刀轴，带动旋耕刀工作；旋耕刀实现初步对土的旋耕起垄，对土质较硬，旋耕刀起到了旋耕开沟、翻土、起垄等作用。后边的垄面成型装置，圆柱镇压轮进一步对垄的顶端和两侧进行抚平、压实，达到起垄的最终效果；限深轮随着机具前行，高度可调，方便控制旋耕刀的挖掘深度。

2主要工作部件设计

2.1　起垄刀轴

旋耕刀是旋耕起垄机的重要工作部件之一，主要用于开沟、翻土、碎土等，利于后期起垄和抚平作业的顺利进行。所以，要求旋耕刀具有很强的入土性能、稳定的工作深度、不抛土且有良好的脱土性能。

旋耕刀通过起垄刀轴和轴承固联在机架的两侧，刀片形状为风扇叶形，其入土角度和入土深度都可通过相应调节装置进行调整，以满足不同条件的要求。

旋耕刀主要结构参数的选择是确保该机器成功起垄的关键。为了降低旋耕刀在土层中的前进阻力，并确保整机作业的顺利进行，入土深度在150~200mm。

旋耕刀通过底盘按装在旋耕刀轴上，一组3把刀，一共4组。变速箱的输出轴与旋耕刀轴由锥齿轮连接，从而带动旋耕刀轴转动。

旋耕刀方向安装统一向里对应，是为了更好地将土翻起，初步将土向中间堆积，使垄初步形成。

该机作业时，刀轴每个截面受到的扭矩N为[12,15]

N=9550×P/n

(5)

其中，n为起垄刀轴的转速(r/min)；P为拖拉机功率(kW)。

取小型拖拉机功率P=13.4kW，起垄刀轴转速n=180r/min，由式(5)得：N=710.9N·m。因此，刀片受到的周向载荷Ft为[12，15-16]

Ft=N/R

(6)

其中，R为起垄刀轴的回转半径，R=220mm。

由式(6)可得：Ft=3.23×103N。

根据安装要求，刀轴轴线和刀盒的夹角为20°， 因此刀片受到的轴向力Fa为

Fa=Fttan20°

(7)

带入相关数据，由式(7)得：Fa=1.175×103N。

由计算出的数据分析可知：刀片的受力是合理的，符合要求。

2.2　起垄犁

为了适应一垄一行的起垄模式，该设计采用单翼整体式的设计。设计时，应考虑甘薯种植起垄过程中的受力、农艺要求及天气情况等。甘薯载植要求垄距为850～100mm，垄顶宽为200～260mm，垄高为160～220mm，垄坡外斜度为125°～135°。

起垄犁为成对存在设计，通过U型螺母安装在机架上，方便调整两个犁之间的距离。它由犁柱及犁壁组成。起垄时犁壁循着水平方向把土块切开，切下的土块沿着犁壁的运动翻至内侧形成土垄，两侧的犁一起将土整合，完成甘薯垄的初步形成，如图4所示。

1.犁柱　2.犁壁

2.3　圆柱镇压轮

在起垄工作过程中，垄的成型效果直接影响到甘薯产量。所以，对起垄犁初步形成的甘薯垄进一步的压实、定型，确保垄的成型和甘薯的种植和收获，如图5所示。

3个圆柱镇压轮安装整体呈梯形，符合甘薯垄的形状；侧方圆柱滚轮和支撑杆连接，通过U型螺母固定在机架上，可以随时调节滚轮的高度和倾斜角度；弹簧将顶端圆柱滚轮与机架相连，通过弹簧的作用，控制滚轮对于垄顶端的抚平作用及滚轮对垄顶压力。

2.4　仿形限深装置

限深装置主要由仿形限深轮、轴承座、销轴、带有外螺纹的旋转把手和拥有内螺纹的支撑杆组成。通过旋转把手来调节限深轮的高度，方便快捷。

限深装置的作用是调节旋耕刀和起垄犁的入土深度，可以根据土地情况、起垄要求、入土深度和农艺要求等情况，随时调节限深轮的高度。

1.U型螺母　2.支撑杆　3.弹簧　4.侧方圆柱滚轮　5.顶端圆柱滚轮

3结论

1)理论分析与试验表明：研制的小型旋耕起垄机能顺利实现一垄一行的甘薯起垄作业要求，各项作业指标满足农艺要求。

2)针对土质较硬的地块，采用旋耕刀和起垄犁相结合的起垄结构，能够保证起垄的效率。

3)抚平装置的圆柱镇压轮能很好地完成垄的抚平成型工作，有效地对垄进行压实，对于前期秧苗的生长及后期甘薯的生长都有较好的作用。

参考文献：

[1]何伟忠，木泰华.我国甘薯加工业的发展现状概述[J].食

品研究与开发，2006,27(11):176-180.

[2]房伯平，张雄坚.我国甘薯种质资源研究的历史与现状[J].广东农业科学,2004(12):3-5.

[3]贾赵东，郭小丁.甘薯黑斑病的研究现状与展望[J].江苏农业科学，2011(1)：144-147.

[4]马代夫.世界甘薯生产现状和发展预测[J].世界农业，2001(1)：17-19.

[5]胡良龙，胡志超，王冰，等.国内甘薯生产机械化研究进展与趋势[J].中国农机化，2012(2):14-16.

[6]张一芝，张黎玉.甘薯育种研究动态及展望[J].世界农业，2000(12)：21-23.

[7]王冰，胡良龙，胡志超，等.我国甘薯起垄技术及设备探讨[J].江苏农业科学，2012,40(3)：353-356.

[8]王建玲，刘学庆，林祖军，等.特用甘薯的研究进展及综合开发利用[J].杂粮作物，2000,20(3)：43-49.

[9]邱瑞镰，戴起伟.我国甘薯品质育种现状及其对策[J].江苏农业科学，1994(2)：29-32.

[10]计福来，王冰，胡良龙，等.4QL-1型甘薯起垄收获多功能机的设计与实验[J].江苏农业科学，2012,40(3)：353-356.

[11]中国农业机械化科学院.农业机械设计手册(上册)[K].北京：机械工业出版社，1998.

[12]谭宏杰.1GZL-140(2)耕整联合作业机的研究[D].长春：吉林大学，2009.

[13]刘小伟.双棍秸秆还田旋耕机的研制开发[D].长春：吉林大学，2000.

[14]孔令德，王国林.旋耕抛土模型研究综述[J].江苏理工大学学报,1997,18(5)：32-36.

[15]申屠留芳，邵鹏.正反转旋耕灭茬机刀片的功耗分析[J].农机化研究，2007(11)：87-89.

[16]葛云.微型旋耕机主要工作部件的应力仿真与可靠性设计[D].石河子：石河子大学，2005.

[17]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[18]姜文龙.1GL-60型旋耕机的改进设计[J].广东农机,1995(1)：4-7.

Design of a Rotary Cultivation Ridger of Sweet Potatoes

Ge Dameng, Lv Zhaoqin

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China)

Abstract：A rotary cultivation ridger was designed according to the agronomic requirements and planting modes of sweet potatoes. This paper introduces the overall structure of rotary cultivation ridger and the design principle of scarification, ridge soil, ridge forming and suppression of main working parts. The structure of rotary cultivation ridger comprises a rotary blade and ridger, it can effectively complete the preliminary forming of the ridge. The ridge forming device will smooth the rige ,it has the advantages of high efficiency of forming, regular forming and high labor productivity.

Key words：rotary tilling; rigder; rigde forming; sweet potatoes

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0109-04

作者简介：葛大萌(1990-)，男，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)15269863811@163.com。通讯作者：吕钊钦(1962-)，男，山东高密人，教授，博士生导师，(E-mail)lzqsdau2003@126.com。

基金项目：山东省现代农业产业技术体系薯类产业创新团队农业机械岗位专家项目(SDAIT-10-011-10)

收稿日期：2015-08-05