FM200反转旋耕灭茬机的研制

何 林，何文浩，谢泽健，黄文杰

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642）

0 引言

机械化秸秆还田技术是实施秸秆全量还田、增肥改土工程的一项重要技术，是实现大面积、大数量秸秆还田的有效途径[1]，是保证农业和农村经济持续发展的一项重要技术措施。机械化秸秆还田技术是在作物收割以后，用灌水软化土壤并施肥处理，再使用整地机械将秸秆、田间杂草等埋压还田，以达到水稻栽植的耕整要求。

目前，广东省水稻种植面积为189万hm2，每年处理秸秆还田面积在200万hm2以上，每年产生秸秆1 500 t左右（广东一年两季水稻种植）。以往对于秸秆的处理是直接燃烧，既造成了严重的环境污染，还浪费了有利于土壤肥力增加的资源。随着各地政府重视秸秆后续处理，秸秆焚烧已经逐步减少并接近消失。鉴于此，将大面积、大数量实现秸秆还田，机械化还田显得尤为重要。

通过调查统计，人畜耕作平均每hm2成本在1 950元以上，采用秸秆还田技术装备耕作后，每hm2成本约为510元，即每hm2约节省1 440元。另外，水稻秸秆还田的增产、沃土作用尤为突出[2]。2000年梅州市兴宁、蕉岭、梅县等县（市）推广了“水稻机械化秸秆还田沃土技术”，实施面积2.07万hm2（31.12万亩），经省、市、县有关部门专家验收，平均每 hm2增加产量546 kg；经广东省农科院土肥所测定，机械化秸秆还田的土壤肥力，比无实施秸秆还田的土壤肥力有明显提高，其中有机质增加12.6%，全氮增加16.5%，全磷增加39%，碱解氮增加20%，速效磷增加190%，速效钾增加5.7%，改善了土壤的理化性和透气性[3]。

为示范与推广水稻秸秆机械化还田技术，研制了FM200反转旋耕灭茬机。

1 总体布置及技术方案

1.1 总体布置

FM200反转旋耕灭茬机在总体布置上充分考虑了整体重心的位置合理性、动力传递简单可靠性、配套拖拉机广泛性等问题，见图1—2。

图2 结构简图

由图1—2可见：

1）减速箱处于机架中心线上方，使得配套拖拉机易于传递动力。

2）侧边变速箱置于机架一侧，由万向节与减速箱连接，保证旋耕部件的动力输送。

3）旋耕部件位于机架下方，作业时，以配套拖拉机前进方向顺时针旋转，实现灭茬旋耕。

4）地表平整部分位于旋耕部件后方，用弹性元件连接机架，可在作业中根据实际升降，满足作业。

1.2 技术方案

1）减速箱采用锥齿轮减速箱，实现配套拖拉机动力的接入，以及改变动力输出的方向，实现减速箱与变速箱之间的动力传递。

2）侧边变速箱采用4组齿轮实现变速，在满足传动距离的同时，还使得变速箱结构紧凑，满足旋耕部件的转速要求。

3）旋耕部件采用22对旋耕刀，在布置上，采用螺旋式排列，并且同一截面上，安装2把旋耕刀，以提高切割频率。另外，得益于旋耕部件的宽度较大且满足转弯半径，作业效率高，实现大面积的秸秆还田作业。

4）镇压滚轮外壁采用钢板卷圆焊接，两端焊接轴头，外壁坚固，不易变形，能把切碎后的秸秆、杂草平整，并具有较长的寿命满足作业。

1.3 主要技术参数

FM200反转旋耕灭茬机的主要技术参数见表1。

表1 FM200反转旋耕灭茬机的主要技术参数

2 主要部件设计

2.1 锥齿轮减速器传动比

式中 i1为锥齿轮减速器的传动比；n2为从动齿轮的齿数；n1为主动齿轮的齿数。

计算得出

2.2 变速箱传动比

式中 i2为变速箱的传动比；n3、n4、n5、n6分别为变速器从上至下的齿轮齿数。

计算得出

2.3 机架

本机器的设计支撑以机架为支点，机器的机架通过焊接或螺栓连接各处，宽度为1 035 mm，长度为2 000 mm，高度为940 mm，其中，长悬挂臂的长度为970 mm，短悬挂臂的长度为570 mm。机架上承载着锥齿轮减速器，侧边传动变速箱，机架材料选用钢板。

2.3.1 机架受力分析

机架是FM200反转灭茬机的主要承载部件，其所受的静载荷主要包括机架自身质量、减速箱质量、侧边传动变速箱质量、旋耕刀辊质量等，以及旋耕刀旋转入土时的阻力、镇压滚轮等所带来的冲击载荷。

为简化分析机架的受力情况，将对机架的受力做如下的理想化处理：①视机架质量为均布载荷，平均分布到机架各处。②变速箱质量、旋耕刀辊质量等视为集中载荷[4]。

1）机架质量对梁上各节点的作用力为

机架质量M0=150 kg，g=9.8 m/s2，节点总数n=167 990，求得F0=0.01 N。

2）减速箱质量对机架的作用力为

减速箱质量M1=175.13 kg，求得F1=1 716.27 N。

3）变速箱质量对机架的作用力为

变速箱质量M2=80 kg，求得F2=784 N。

3）旋耕刀辊质量对机架的作用力为

旋耕刀辊质量M3=57.9 kg，求得F3=567.4 N。

3）镇压滚轮质量对机架的作用力为

镇压滚轮质量M4=43.2 kg，求得F4=423.36 N。

旋耕刀入土阻力按3 500 N计算，回转半径270 mm，则旋耕刀受到的阻力对机架造成的扭矩为9.45×105N·mm。

2.3.2 机架弯曲工况分析

在静止放置状态下，机架由深松部件和旋耕刀辊支撑，因此将机架连接旋耕部件的侧板设置为固定约束，机架质量均匀施加至各梁上，减速箱、侧边传动变速箱、旋耕刀辊、镇压滚轮等集中载荷施加在各支撑位置上。进行求解计算，得到机架弯曲工况的应力云图如图1所示，最大应力为18.75 MPa。弯曲工况下的变形云图如图2所示，机架的最大变形位置为三点悬挂处，最大位移为0.353 mm。

图1 应力云图

图2 变形云图

2.3.3 机架扭转工况分析

机架的扭转工况主要校核在旋耕刀入土作业时，机架的扭转变形。FM200反转灭茬机通过三点悬挂与拖拉机相连， 因此在机架与拖拉机三点悬挂连接处施加固定约束；旋耕刀辊动力输入轴的连接在机架的左侧，因此在其机架连接处分别施加9.45×105N·mm的扭矩和沿X轴正方向3 500 N的力。进行求解计算，得到机架扭转工况的应力云图如图3所示，最大应力为88.23 MPa。扭转工况下的变形云图如图4所示，机架的最大变形位置为机架左侧，最大位移为2.009 mm。

图3 应力云图

图4 变形云图

2.3.4 机架强度校核

取安全系数s=1.3，机架Q235材料的屈服极限为235 MPa，结合以上机架弯曲工况和扭转工况的分析，对机架进行强度校核。弯曲工况中机架最大弯曲应力为18.75 MPa，则σ弯max=18.75 MPa＜ [σ]=σS/1.3=180.77 MPa。 式 中σ弯max为 最 大弯曲应力，MPa；[σ]为许用应力，MPa；σS为材料屈服极限，MPa。扭转工况机架最大扭转应力为88.23 MPa，则σ扭max=88.23 MPa ＜ [σ]=σS/1.3=180.77 MPa。式中σ扭max为最大扭转应力，MPa。可见，FM200反转灭茬机机架满足强度设计要求。

3 试验数据分析

检测数据见表2。

表2 检测数据

从上述数据中可知，FM200反转旋耕灭茬机满足各项数据符合国标GB/T 5668—2008的性能指标，并且超出指标预期。可用于广东省内水稻秸秆还田技术的示范与推广。

4 结语

FM200反转旋耕灭茬机工作效率高，作业性能良好，适用水田、旱地的秸秆还田，相对人工或手扶拖拉机作业，效率明显提高。

旋耕刀具排列合理，整机工作时平衡性好，使得可以在更高速的情况下进行作业，缩短作业时间。

侧边传动使用4组并排的齿轮实现变速，使得在中心距离不变的情况下，所占体积减小，结构紧凑，减低了制造成本，更利于推广。