背负式大窝深栽成穴机设计与试验

刘光辉， 喻丽华， 陈 雪， 张富贵， 符德龙， 黄化刚， 吴雪梅

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025； 2.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551700)

烟苗大窝深栽是我国广大南方烟区为适应移栽期低温少雨而广泛采用的一种移栽方式。研究表明，大窝深栽能有效提高地温，抗旱保墒，改善光照条件，提高土壤肥力，减少病虫害，为烟苗的早期生长提供一个良好的环境[1-2]。实施烟苗大窝深栽不仅缩短了还苗期和栽培的成活率，同时也是春旱烟区提高烤烟产量与质量、实现增产增收的一种移栽技术[3]。大窝深栽技术的关键是挖制移栽的大窝，目前制窝作业一般是由人工用锄头挖制，人工制窝劳动强度大、效率低，所制窝穴一致性差，难以满足现代烟草生产要求。开展烟苗大窝深栽成穴机具研发，突破大窝深栽机械化成穴技术的瓶颈，不仅是大窝深栽技术发展的需要，同时也是减轻移栽劳动强度，实现省工降本及烟农增产增收的迫切需求。目前未见大窝深栽成穴机具相关研究文献，本研究从大窝深栽技术要求及提高制窝效率出发，研发一种背负式大窝深栽成穴机，并进行相关试验研究，以期为大窝深栽机械化成穴的推广应用提供一定的理论支撑与技术指导。

1 大窝深栽技术

大窝深栽技术属于膜下小苗移栽方式，是垄表下移栽技术的一种，图1为大窝深栽技术示意，其主要特点是在垄上先挖窝穴，施完底肥后将烟苗移栽到窝穴内，之后覆盖上地膜，将窝心膜划破1个小孔，再将小苗掏出，用土壤压膜固苗[4]。农艺要求为保留烟苗膜下的生长空间，窝口径为20～25 cm，窝深为15～20 cm，移栽完成后及时盖膜，为确保烟苗有足够的生长空间，地膜与烟苗顶部确保有6 cm以上的距离[5]。

2 整机的总体结构与工作原理

2.1 总体结构设计

背负式大窝成穴机主要包括动力系统、传动系统、操作系统和成穴装置4个部分。其主要结构包括发动机器、离心离合器、第1级减速器、软轴、第2级减速器、输出轴、挡土罩和成穴装置(图2)。该背负式大窝成穴机结构紧凑、操纵灵活、使用轻便，单人操作即可完成窝穴制作。

2.2 技术参数

背负式大窝成穴机主要技术指标见表1。

表1 背负式大窝成穴机主要技术指标

2.3 工作原理分析

本设计成穴机工作原理：发动机启动后，调节油门开关，随着发动机转速的提升，离心离合器的闸块压紧并带动鼓轮转动，动力由离合器依次传递给第1级减速器、软轴及第2级减速器，最终带动成穴装置旋转。成穴装置主要依靠螺旋的升运原理实现排土成穴，即底部刀片切去中心部分的土壤，切下的土壤被挤成散粒后，在惯性力的作用下被抛至窝穴的周围。随着成穴装置的下降，螺旋叶片也开始切削土壤，窝穴口径不断扩大，并形成锥形的穴壁。切下的土壤沿着螺旋面被挤向穴壁，与穴壁接触后土壤受到摩擦力的作用，土壤的旋转角速度低于成穴装置的旋转速度，土粒沿着螺旋面滑动上升；外层土壤在土壤内摩擦力作用下，带动内层土壤向上输送，升运的土壤最终在惯性离心力的作用下被抛至窝穴的周围。因此，螺旋叶片旋转成穴实质是一个切土、升土和抛土的连续过程。刀具切削土壤示意见图3。

3 关键部件设计及主要参数确定

3.1 成穴装置设计

成穴装置是大窝深栽成穴机的重要工作部件。制窝农艺要求所制窝穴形状整体呈锥形，且尺寸较大，因此本次设计基于植树挖坑机螺旋钻头排土成穴原理，设计一种锥形螺旋大窝成穴头[6-8]。考虑到成穴头的工作转速较高，避免在转动过程中动不平衡，成穴头采用双螺旋对称布置的方式。成穴头主要尺寸的设计过程如下：大窝制作过程中由于成穴装置的摆动，使窝径扩大，实际直径D应比穴径D0略小，按照经验公式D=0.9D0[9-10]。根据农艺要求，大窝直径为20～25 cm，取中间值22.5 cm，得到成穴装置理论直径为20.25 cm，考虑到手持制窝，操作振动较大，成型窝穴尺寸大于成穴头尺寸，又因成穴装置的质量不宜太大，故成穴装置大端的实际直径取D=20 cm。为了提高成穴装置土壤切削和入土的能力，小端直径取d=10 cm。按照要求，窝深需达到15 cm以上，螺旋长度设计为15 cm。螺旋叶片导程h确定为15 cm。图4是大窝成穴装置示意。根据公式(1)得出螺旋升角α：

α=arctan(h/πD)。

(1)

式中：D表示螺旋最大直径(mm)；h表示螺旋导程(mm)。将初选的参数代入公式得：α=13.4°。

成穴装置直径是一个变量，整体呈锥形，成穴装置锥度角为θ=2arctan[(D-d)/2h]，得θ=36.9°；成穴装置直径随截面高度变化的关系公式：

Dx=hxtan(θ/2)+d。

(2)

式中：hx表示成穴装置截面高度(m)；θ表示成穴装置锥度角角度(°)；d表示成穴装置小端直径(m)。

成穴装置在做旋转运动时又有轴向进给运动，因此在切土过程中实际切土前角δ与切土后角ε应与成穴装置每钻进给量有关，如图3所示，可通过下面公式计算实际刀片切土角

δ=δ0-ζr=δ0-arctan(S/2πr)。

(3)

ε=ε0-ζr=ε0-arctan(S/2πr)。

(4)

式中：δ0表示刀片名义切土前角角度(°)；ε0表示刀片名义切土后角角度(°)；r表示计量点至钻轴中心的距离(m)；ζr表示计量点运动方向与水平面的夹角角度(°)；S表示成穴装置每转的进给量(m/r)，取S=0.007 5 m/r。

3.2 动力系统选定与工作参数分析

初选动力，采用1E40F-5单缸、风冷、二冲程汽油发动机，功率1.45 kW，标定转速6 500 r/min。螺旋外缘一点的运动方向与水平面的夹角角度ζ和每转进给量S的关系公式：

(5)

式中：hx表示成穴装置截面的高度(m)；θ表示成穴装置锥度角(°)；d表示成穴装置小端直径(m)。

在设计成穴装置转速时，转速大小不仅与其工作效率和功率消耗有关，还要考虑土壤对成穴装置磨损，根据公式(6)、(7)确定螺旋工作转速n：

(6)

式中：Fr是一个无因次相似准数；α表示成穴装置螺旋升角；β表示土粒运动方向与水平面的夹角(°)，取β=25°；ζ表示成穴装置外缘一点运动方向与水平面的夹角(°)；f2表示土壤的内摩擦系数，取f2=1；φ1表示土壤与螺旋面的摩擦角(°)，取φ1=30°。将以上选定的参数代入公式得Fr=4.4。

(7)

式中：g表示重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；r表示螺旋平均半径(m)，取r=(D+d)/4=0.075 m，得到工作转速n=480 r/min。由公式ω=2πn得出成穴装置的角速度ω=50.24 rad/s。

计算成穴装置切土所消耗功率时，应按成穴装置所消耗最大功率进行计算，即成穴装置完全入土后所消耗功率，刀片回转半径r取成穴装置最大半径0.1 m，则成穴装置切土所消耗功率(Nc)为

(8)

式中：ω表示成穴装置角速度(rad/s)；i表示成穴装置刀片数，i=2；a表示切土阻力系数，坚实土壤的a为3 500～3 600 N/m，疏松土壤的a为1 800～2 400 N/m，取a=1 800 N/m；ψ表示作用在刀片刃口上的土壤阻力与水平面的夹角角度(°)，坚实土壤的ψ为52°～58°，疏松土壤的ψ为30°～35°，取ψ=35°；S表示成穴装置每转进给量(m/r)，取S=0.007 5 m/r；b表示土壤变形阻力系数，坚实土壤的b=2.4×105～2.5×105Pa，松软土壤的b=1.2×105～1.7×105Pa，取b=1.2×105Pa；δ0表示刀片名义切土前角角度(°)，取δ0=30°；φ1表示土壤与钢的摩擦角角度(°)，φ1=15°～40°，取φ1=30°；r0表示装置刀片回转半径(m)；rz表示钻尖最大回转半径，rz=0.025 m。代入选定参数得Nc=0.72 kW。

单位时间土壤流量是影响成穴装置成穴效率的主要参数。为更好地体现成穴机作业性能，应按最大单位时间土壤流量进行计算：

(9)

式中：γ表示单位容积松土质量(kg/m3)，一般γ=1 000～1 300 kg/m3取γ=1 000 kg/m3；k表示土壤疏松系数，一般k=1.2～1.6，取1.2；r0表示刀片最大回转半径(m)；ω表示成穴装置角速度(rad/s)。由公式(9)得最大单位时间内土壤流量Q=3.3 kg/s。从公式(9)可知，单位时间土流量与刀片回转半径的3次方成正比，联立公式(2)可知成穴装置钻进不同深度处单位时间土壤流量。综上所述，所选发动机满足成穴机动力需求。

3.3 传动系统设计

3.3.1 离合装置设计 离合器是传递动力或运动时具有啮合和分离功能的装置。大窝成穴机对离合器的要求是在空转时能完全分离；工作部件过载时可自动打滑，起到安全保护的作用；工作平稳，能有效传递发动机的动力。故本次设计选用带径向拉簧闸块式离心离合器，其离心离合器原理见图 5-a。离心离合器是一种靠离心体产生离心力来达到自动分离或结合的离合器。选用的离合器为常开式，采用2个闸块对称分布，闸块数量z=2，离心离合器结构示意见图5-b。

处于低转速时，2个主动部分闸块受到拉簧作用，与从动部分鼓轮脱开，离心离合器工作时，当离合器转速达到一定数值后，离心力增大克服弹簧力，使得闸块向外摆动与从动鼓轮压紧，离合器进入结合状态一起转动[11]。在成穴机工作时，离合器传递发动机转矩，因此根据公式T=9 550 P/n计算得需传递的转矩Tt为1.91 N·m。初选离合器几何参数：闸块质心所处半径r为22.5 mm，闸块外半径R为37.5 mm，闸块的宽度b=14 mm，闸块摩擦面所对角度φ=100°。根据公式(10)～(13)对离合器进行校核。离合器的转矩按公式(10)计算[12-13]：

Tc=βTt。

(10)

式中：Tc表示计算转矩(N·m)；β表示工作储备系数，一般取β=1.5～2，取值为2；Tt表示要传递的转矩(N·m)。代入参数值计算得到离合器计算转矩Tc=3.82 N·m。

离合器传递转矩Tc时所需离心力按公式(11)进行计算：

(11)

式中：Qj表示传递转矩所需的离心力(N)；R表示闸块外半径(mm)；μ表示摩擦面材料摩擦系数，取μ=0.4；z表示闸块数量。代入参数值计算得出所需离心力Qj=127.3 N。

选定离合器的闸块提供有效离心力，并且闸块有效离心力Q应大于传递转矩所需的离心力Qj。闸块有效离心力Q的计算：

(12)

式中：Q表示闸块有效离心力(N)；m表示单个闸块的质量(kg)；r表示闸块质心所处半径(mm)；n表示正常工作转速(r/min)；n0表示开始接合转速，一般n0=(0.7～0.8)n；将参数代入(12)公式得Q=359.3 N，大于传递转矩所需的离心力Qj，符合设计要求。

离合器闸块的摩擦面易损坏，应对其工作压强进行校核：

(13)

式中：p表示摩擦面压强(MPa)；Tc表示计算转矩(N·m)；R表示闸块外半径(mm)；b表示闸块宽度(mm)；φ表示闸块摩擦面所对角度(rad)；μ表示摩擦面材料摩擦系数，取μ=0.4；z表示闸块数量；pp表示摩擦面许用压强(MPa)。将参数代入公式(13)得摩擦面压强p为0.139 MPa，小于摩擦材料许用压强0.15 MPa，满足使用要求。

3.3.2 软轴的设计 背负式大窝成穴机在工作时要求工作装置能灵活变换角度和方向，因此采用软轴传动结构[14-15]。根据发动机的旋向，采用右旋软轴使得软轴逆时针旋转可传递更大的转矩。工作中钢丝软轴的弯曲半径变化较大，要求软轴的长度具有补偿性，因此软轴与硬轴的连接采用方形轴端与方形孔滑动连接方式(图6-a)。软轴右端与第1级减速器相连，其连接方式如图6-b所示，通过限位销和限位销孔固定软轴。软轴左端与第2级减速器相连，其连接方式如图6-c所示，通过限位槽限制软轴轴向滑动，保留软轴旋转自由度，以提高成穴机操作的灵活性。成穴机软轴尺寸为芯轴直径8 mm、长度890 mm。

4 田间试验

4.1 试验情况

试验地点在贵州省毕节市威宁县烟草公司科技园(地处26.75°N，103.99°E，海拔约2 130 m)。试验时间为2017年4月1日。试验设备为背负式大窝成穴机、紧实度测量仪、水平仪、直尺、转速测量仪、振动测量仪。测试地块为烟草生产现场会起垄机起垄的烟地，垄高30 cm，垄宽70 cm，制窝前，拉线定位每50 cm撒石灰定点标记。土壤情况：平均湿度10.5%，松散，黏度小，土层深度10 cm处紧实度小于 0.12 MPa。田间测试情况见图7。本次试验主要测试窝穴成型质量、作业效率以及成穴机传动系统、成穴装置、动力系统的运转情况。在同一块地连续制作100个大窝，完成相关参数测试。试验中因土壤湿度较小，垄顶的宽度无法达到农艺要求，导致制窝排出的土粒沿着垄沟处下滑，致使所制窝口面不平齐，沿着垄体方向与垂直垄体方向窝穴深度存在高度差，为了真实反映所制窝穴的成型情况，本次测试窝穴成型质量参数为窝顶深、窝侧深及窝口径(图8)。

成穴机作业性能评价指标：将平均窝顶深、平均窝侧深、平均窝口径和窝穴合格率作为评价指标，来体现大窝成型质量和考察大窝成穴机作业性能。其中窝穴合格率计算公式：

(14)

式中：Y表示窝穴合格率(%)；X表示所有指标达到要求的窝穴数(个)；N表示总的窝穴数(个)。

挡土罩安装说明：安装挡土罩是为了防止成穴装置将土壤抛得过高，同时也为了将抛出的土壤引向窝穴的周围，利于成穴。若挡土罩安装过低，抛出土壤易回填窝穴，影响成穴质量和成穴效率；若挡土罩安装过高，会影响挡土罩的挡土效果。因此应根据制窝时抛土情况调试挡土罩的安装高度。

机具操作说明：本机具是依靠螺旋排土成穴，窝穴制作中土壤的升起抛出须消耗一定的时间，因此制窝时，应将成穴装置在窝底停留片刻，待土壤被全部抛出后，再抬起成穴装置。

4.2 试验结果与分析

从图9中可以看出，窝侧深主要分布在13.6～15.0 cm；窝顶深主要分布在14.6～16 cm；图9-c所示为窝径频数分布直方图，大窝直径主要分布在30.1～33 cm范围内。从整体来看，3个测量指标不同尺寸频数呈近似正态分布，符合统计学规律。

田间试验分析结果表明，大窝成穴机的试验效果良好，各项指标均达到设计要求，符合行业标准。

5 结论

本研究基于螺旋升土原理开发了背负式大窝成穴机，成穴机工作平稳、可靠、适应性好，可有效提高大窝制作质量、一致性及效率，减轻农民劳动强度。

大窝成穴机成穴情况田间测试参数均值为窝顶深 15.5 cm，窝侧深14.5 cm，窝口径31.0 cm，窝穴合格率达到70%，试验结果满足大窝制作农艺要求。

未来第2代成穴机的研制方向应基于土粒运动轨迹分析，设计挡土罩的结构形状，使其在垄侧具有培土的功能，增加窝口的平整性与饱满度；同时，进一步研究成穴机的转速对窝穴制作质量的影响，找到成穴装置最佳转速范围，使得抛出的土壤尽可能散落于窝口，提升大窝深度。

表2 田间试验结果