1GKN系列旋耕机的研制

佟军民，燕亚民，韩根发，岳志刚，李保谦

(1.许昌职业技术学院，河南 许昌 461000；2.河南豪丰机械装备有限公司，河南 许昌 461000；3.河南农业大学 机电工程学院，郑州 450002)

0 引言

随着农业耕作技术的不断进步，农业装备在农业生产中发挥的作用也越来越明显。但是，各种小、中型农业机械连年频繁对土壤重复碾压和化肥、农药的广泛使用，易引起土壤板结、肥力减退、蓄水能力下降、物理性能变坏、病虫害增多、抗灾害能力减退等一系列问题。同时，大力推广秸秆粉碎还田，减少了环境污染，对培肥地力、延缓土壤板结、提高单位面积产量起到了一定的积极作用。随之而来，出现了新的问题, 主要是秸秆粉碎后得不到及时掩埋, 极易干燥, 不仅肥效减退, 且不易腐烂,影响下茬农作物根系的发育，不利于高产。如果对土壤实施深翻或深耕，对解决土壤板结问题虽然比较有效，但是消耗动力大，投资费用高。行之有效的方法是秸秆粉碎还田机与旋耕机配套作业, 利用旋耕作业技术将粉碎后的碎秸秆掩埋。

目前，国内虽然有众多企业生产不同类型的旋耕机，其作业质量大都也能满足农艺要求；但随着社会的进步和广大农村的生产生活节奏的加快, 农民对农业装备的要求也越来越高,大部分机型的作业性能质量均出现了不能满足要求的情况[1-3]。因此,对原旋耕机实施改进研究和技术提升, 并适时研究开发大马力拖拉机配套作业的旋耕机显得尤为重要[4]。

为此，研制开发了1GKN系列新一代旋耕机。该系列旋耕机主要有1GKN-125、1GKN-140、1GKN-150、1GKN-165、1GKN-180、1GKN-200H、1GKN-230H、1GKN-250H、1GKN-280H 9种型号，与该系列旋耕机配套的动力范围为14.7～95.6kW。该系列旋耕机工作宽幅范围为1 250～2 800mm，适应作业前进速度为2～7km/h，工作效率为0.2～0.7m2/h，使用可靠性≥90%，旋耕深度为8～16cm，耕深稳定性≥85%，碎土率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆盖率≥85%。

1 整机结构与工作原理

1.1 基本结构

1GKN系列旋耕机的主要工作部件包括机架、减速箱、旋耕刀轴、旋耕刀座、旋耕刀、悬挂架、输入轴、镇压辊等。旋耕机齿轮箱采用中间传动，传动平稳，整体采用框架式结构，受力平衡。该机具以机架为装配主体，所有零部件通过机架链接为一个整体，并通过机架保证各零部件之间的相对位置关系，从而保证机具的正常工作。减速箱安装在机架的中央位置，通过机架保证减速箱输出轴与机架两侧板上的刀轴安装孔同轴；悬挂架安装在机架的上方并与减速箱保证一定的位置关系；旋耕刀安装在刀座上，刀座焊接在旋耕轴管上，旋耕刀轴一端通过轴承、轴承座安装在机架侧板上，另一端安装在减速箱输出轴上；镇压辊通过销轴与机架相连接并采用弹簧施压，保证在工作时对地面产生一定的镇压作用。

1.2 工作原理

旋耕机作业时，拖拉机动力输出轴传递的动力经万向节传动轴直接传入本机减速箱，经箱内齿轮组减速后传到输出轴(花键轴), 直接带动安装在花键轴上的左右旋耕刀轴做旋切转动；随着拖拉机起步前进，机具缓慢落地，在拖拉机牵引力作用下匀速前进；旋耕刀在旋转中将耕深范围内土壤切碎的同时，将前茬作物秸秆、根茬及其它植被覆盖在地表以下, 紧随其后的复土装置或镇压辊将旋耕后的松土拖平或压实完成旋耕整地作业。

1.悬挂架 2.输入轴 3.减速箱 4.机架 5.镇压辊 6.旋耕刀轴 7.旋耕刀座 8.旋耕刀 图1 1GKN-200型旋耕机结构示意图Fig.1 The structure diagram of 1GKN-200 rotary tiller

1.3 主要参数

设计的1GKN系列旋耕机主要参数如表1所示。

表1 1GKN主要技术参数Table 1 The 1GKN Technical parameter

2 关键部件的设计与要求

2.1 机架

机架是旋耕机的主要部件之一，关系到机具装配时各种不同零部件的安装、定位，以及用于田间不同作业要求时各种部件位置调整等。设计时，既要考虑到选用的原辅材料受力强度、外观的规整和用材的节俭，又要考虑原辅材料市场的供应状况。制造时，要尽量规避焊接变形；装配时，要保证各纵梁位置与其他各种部件不干扰。为了确保制造的机架满足设计要求, 需要对该机架的前后梁实行下料后校直, 两端侧板下料后校平, 对焊后的机架进行校正，并严格控制前后梁的平行度、两端侧板的平行度、前后梁与两端侧板的垂直度, 以及机架(框架) 与箱体联接点的位置准确度和联结孔轴线的相互平行度、同轴度。

2.2 旋耕机减速箱[5]

减速箱是旋耕机的核心部件, 关系到拖拉机输出动力的平稳、安全、可靠传递及机具的工作性能。研制的1GKN系列旋耕机需要根据工作幅宽选择配套动力, 由于工作幅宽大于2m的旋耕机一般应与大马力拖拉机配套作业, 而大马力拖拉机后驱动轮直径较大, 后动力输出轴中心离地高, 为保证作业时万向节传动轴的倾斜角度在安全作业范围内, 设计时，把减速箱分为高、低两种箱体。图2为1GKN-250H型旋耕机减速箱。

1.连轴锥齿轮 2.锥齿轮 3～5.直齿轮 6.放油螺栓 7.永磁体 图2 1GKN-250H型旋耕机减速箱Fig.2 The reduction gearbox of 1GKN-250H rotary tiller

该减速箱是一个圆锥-圆柱齿轮减速器，主要由齿数分别为z1、z2、z3、z4、z5的连轴锥齿轮1、锥齿轮2、圆柱直齿轮3、4、5，以及永磁体和放油螺栓等组成。其中，齿数为z4的圆柱齿轮，对传动比没有影响，是过桥齿轮。其作用有两个：一是为了使输出轴(带动旋耕刀轴转动)获得工作时的转动方向，二是为输出轴的工作位置要求。设计的减速箱传动比为

由于不同型号的拖拉机动力输出转速不同，该减速箱预留有可调空间，可适当调整锥齿轮z1、z2的齿数比，以此达到车辆行进速度与旋耕刀轴转速相匹配的有机结合，从而保证作业质量与效率的完美结合。减速箱下部放油孔处，永磁体与放油螺栓的配合使用，可将箱体内齿轮、轴承在磨合过程中研磨下的粉末颗粒经沉淀后及时吸附到磁铁上。经测量，安装永磁体后减速箱体内齿轮油在正常使用中含杂率由30mg降到0.5mg，大大提高了齿轮、轴承的使用寿命，减速箱整体使用寿命提高3～5倍。

2.3 旋耕刀轴

旋耕刀轴[6-7]是旋耕机上的主要部件，与减速箱动力输出轴联结，在动力输出轴带动下旋转，安装在上面的旋耕刀将土壤旋起，并粉碎。一般情况下，旋耕机上刀轴没有采取防尘措施，在土壤中作业时，尘土很容易进入从刀轴两端进入轴承内，从而损坏轴承，引起机具故障。

为了防止尘土进入，设计了防尘旋耕刀轴,如图3所示。在旋耕刀轴轴管圆周上焊接有旋耕刀座,轴头和连接法兰分别焊接在旋耕刀轴轴管两端,联接套安装在连接法兰上,在轴头和联接套上分别焊接有挡土环,轴头上的挡土环与侧板轴承室的卡槽相配合,联接套上的挡土环与箱体轴承室的卡槽相配合,从而起到了防止尘土进入侧板轴承室和箱体轴承室轴承内的作用。为了进一步改善整机润滑部位的密封性能，把常用的骨架油封改选为内旋油封。

旋耕刀轴的使用寿命不仅与设计有关, 还与加工工艺有很大关系。为确保旋耕轴制造质量, 除严控材质外, 对轴身(轴管)料在加工前增加校直工艺, 在刀轴焊接时, 采用机械手对焊机床, 从而保证旋耕刀轴焊接质量。

1.轴承 2.侧板轴承室 3.挡土环 4.轴头 5.旋耕刀轴轴管 6.旋耕刀座 7.连接法兰 8.联接套 9.箱体轴承室 图3 防尘旋耕刀轴Fig.3 The dustproof cutter shaft

2.4 旋耕刀座

旋耕刀座[8-9]主要由刀座主体和月牙形加强筋组成，如图4所示。其结构特征是在刀座主体的一侧增加月牙形加强筋，月牙形加强筋的底部圆弧与刀座主体下端圆弧同心，从而增加了刀座与刀轴管焊接时的焊缝长度，提高刀座焊接处的强度，避免因焊接应力集中造成容易在焊接处开焊和断裂的问题。月牙形加强筋的侧面为刀刃形，在刀轴旋转时能将作物的根茎及杂草切碎，从而防止杂草缠绕到刀轴上面，影响刀轴的正常工作。

1.刀座主体 2.月牙形加强筋 图4 旋耕刀座Fig.4 The cutter shaft seat

3 田间性能试验与分析

田间性能试验[10]按照GB/T 5668-2008《旋耕机》规定的试验方法进行。试验地点位于许昌县惠民农机专业合作社的农田，试验地长度100m、宽80m，两端地头各留有10m长的稳定区和停车区，地势平坦、无坡度，土壤含水率22.8%，土壤坚实度1.5MPa。依次对9种旋耕机进行了田间性能试验。以试验样机1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕机为例，使用的测试仪器、量具主要有：超速表1块、秒表1块、3m合尺1把、50m卷尺1把、500mm钢板尺2把、台磅1架、水平尺1把、500mmX500mm方框1个。

首先对样机进行了技术参数测定，测定结果如表2和表3所示。

表2 1GKN-250H技术参数测定表Table 2 The determination of 1GKN-250H Technical parameter

表3 1GKN-150技术参数测定表Table 3 The determination of 1GKN-150 Technical parameter

取作业速度2～7km/h，生产效率0.2～0.7h/h，分别在规定旋耕深度旋耕过程中随机抽样10次，对旋耕机田间作业性能进行了测定试验，结果如表4和表5所示。

表4 1GKN-250H试验结果Table 4 Experimental performance results of 1GKN-250H

表5 1GKN-150试验结果Table 5 Experimental performance results of 1GKN-150

结果表明：1GKN-250H型和1GKN-150型旋耕机旋耕深度、土壤破碎率、耕后平整度及植被覆盖率，均符合设计标准要求(标准要求旋耕深度8～16cm、土壤破碎率≥60%、耕后平整度≤3cm、植被覆盖率≥85%)，旋耕质量完全满足耕整土地的农艺要求。在同样的试验条件下，其他7种型号的旋耕机，分别在对应的配套动力(动力范围14.7～95.6kW)拖拉机的牵引下，依次进行了试验，经汇总，也均满足了设计标准要求。

4 结论

1)1GKN系列旋耕机结构布局和参数设计合理，关键部件的制造工艺安排得当，与该系列旋耕机配套的动力范围达14.7～95.6kW，能满足与大中型拖拉机配套作业的旋耕机的耕作要求。

2)1GKN系列旋耕机各项田间性能指标符合设计要求，旋耕深度8～16cm，土壤破碎率≥60%，耕后平整度≤3cm，植被覆盖率≥85%，生产效率0.2～0.7hm2/h，旋耕质量完全满足耕整土地的农艺要求。

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