烤烟旋耕起垄打塘机研究与试制

袁 刚，杨永发，张国鹏，张富贵

(西南林业大学 机械与制造工程学院，昆明 650051)

0 引言

我国是世界上最大的烤烟生产国和消费国，烤烟是我国近年来发展较快的经济作物之一[1]，烟草总产量约占世界烟草总产量的 1/3，是重要的经济作物之一[2]。然而在我国，烤烟种植大部分还是靠人力，机械化水平比较低，且烟草作业环境差，劳动强度大[6]。长此以往，导致烤烟生产的人工成本越来越高，严重制约我国烤烟行业的发展。旋耕起垄打塘作为烤烟生产的首要环节，对烤烟生产起着至关重要的作用，因此需要研发设计专门用于烤烟旋耕起垄打塘的组合机具。

近年来，欧美国家在整地机具领域展开了研究。目前，意大利Hortech公司生产的联合整地机具，适用于重土壤或存在细碎石粒的情况，起到旋耕起垄平整土地功能[3]。美国Kennco农机生产公司研制的半自动膜上挖穴移栽机，可以进行没有覆膜的垄上移栽，并能实现单行或多行的膜上移栽作业；但需要专人放苗，且自动化程度不高[4]。日本久保田公司研发的一种全自动鸭嘴式膜上移栽机，可以在同一垄上实现往返多行移栽，移栽株距也可进行任意调节；但该机成本较高，对育苗要求非常苛刻[5]。综上所述，国外移栽机械庞大笨重、价格昂贵，不适合我国烤烟生产现状与地理地貌特点。

国内旋耕起垄机的研究相比欧美国家较落后，目前旋耕起垄打塘机的研究在国内趋于空白，市场上大多是旋耕起垄机具，不能满足烤烟的特殊种植农艺要求[16-17]。1999年，新疆农垦科学院农机所王序检等人研制出1LZ-5.4联合整地机，一次作业能够完成平整、松土、碎土和镇压4道工序，具有生产率高、作业质量好等特点[7]。黑龙江八一农垦大学赵大勇等研制的1ZML-210深松型联合整地机，具有可打破犁底层及提高土壤透气性等优点[8]。

综上所述，随着农业机械化的不断完善及农机农艺的结合，由以前的单功能机具逐渐向多功能[9]、智能化方向发展，更加灵活的服务于农户，机具整体更加轻巧，操作更加简单[10]。为此，研究了烤烟旋耕起垄打塘机，集旋耕、起垄、打塘与一体，通过研究试制，在西南地区进行试制推广，解决了现存烤烟种植农艺问题，具有实际的研究意义。

1 整体结构和工作原理

1.1 农艺要求和工作参数

烤烟旋耕起垄打塘机的农艺要求为：垄距500mm，塘深300mm，塘距500mm。整机性能尺寸：配套动力40～70kW，外形尺寸2 600mm×1 800mm×1 300mm，工作幅宽2 600mm，作业速度2.2～5.4km/h，以上工作参数均满足设计的农艺性要求。

1.2 整体结构

烟草旋耕起垄打塘机主要由旋耕装置、起垄装置及打塘装置3部分组成，打塘部分作为研究重点，整机结构如图1所示。

1.打塘杆 2.伸缩弹簧 3.深度调节阀 4.T形支架 5.传动装置

1.3 工作原理

烤烟旋耕起垄打塘机是针对云南地区烤烟种植的农艺要求而设计的，整机主要由地轮、打塘铲、传动装置、联轴器、挂架及T形支架等部件组成。该机具配套动力由40kW的四轮拖拉机提供，采用三点悬挂式安装于拖拉机后面，特点是可一次性完成旋耕、起垄及打塘等功能[11]。作业时，由牵引机具提供作业动力，旋耕挂架与拖拉机后输出轴连接，经变速箱变速带动机具作业。由旋耕装置将土壤旋耕打碎，起垄装置将打碎的土壤起垄成型，旋耕机架后部与联轴器连接，为打塘部分提供牵引动力，牵引带动地轮运动，进而地轮经地轮轴带动齿轮组；齿轮轴与地轮轴同轴，采用两级齿轮组变速，进而将动力输送到链轮组，所述链轮组的双排链轮中装有3个拨轮，通过拨轮将打塘铲和伸缩弹簧装置抬起一定高度；打塘铲与伸缩弹簧相连，当拨轮转到脱离打塘铲卡位时，靠伸缩弹簧的自动复位，将打塘铲的重力势能和弹簧的弹性势能转化为打塘铲进入土壤的动力来源；打塘铲做类似自由落体运动，当打塘铲完全入土后，在打塘机架的水平带动下，第2个拨轮缓缓将打塘铲抬起至完全脱离土壤，至此实现一次打塘过程；当第2个拨轮将打塘铲抬起到脱离打塘铲卡位时，重复以上动作，实现第二次打塘，每3个拨轮循环实现一个打塘周期，从而完成整个旋耕起垄打塘的过程。地轮与打塘铲的周期为1∶4，实测塘距300mm，满足烤烟种植的农艺要求。

2 主要部件的设计

2.1 传动系统的设计

旋耕起垄打塘机的动力为拖拉机后的输出轴，经过变速箱，输出的转速为200～280r/min，打塘装置主要靠地轮带动，地轮直径560mm。其中一级齿轮组主动轮齿数为62，模数为3，从动轮齿数为12；二级齿轮组主动轮齿数21齿，模数为2.5，从动轮齿数为60。二级齿轮组带动链轮组传动，一级链轮组齿数比为20∶38，链节P=12.7，二级链轮组齿数比为40∶14，链节P=19.05，三级链轮组齿数比为24∶16，链节P=19.05，三级从动链轮为左右对称的两组拨轮，每组拨轮有3个，循环运动抬起打塘铲，查资料知，齿轮传动效率取98%，链轮传动效率取96%，地轮的效率为80%，经计算，地轮与三级从动轮的周期比接近1∶4。传动系统图如图2所示。

图2 传动系统示意图

2.2 旋耕装置的设计

旋耕起垄装置主要作用是翻土、切土，为后续的打塘提供条件。旋耕的主要指标是旋耕速比和切土节距，直接影响起垄的平整度。本机运动参数的确定参照旋耕机的相关计算公式[12]，即

(1)

式中R—起垄机刀片的回转半径(m)；

ω—起垄刀轴的回转角速度(rad/s)；

Vm—机组前进速度(m/s)。

查阅相关参考文献经过计算可知：旋耕刀的回转半径R=255mm，回转角速度ω=23.66rad/s，Vm=0.6m/s，带入式(1)可得旋耕速比为λ=10.06。

同理，根据切土节距公式[14]得

(2)

式中S—切土节距(cm)；

Z—同一旋耕切削面内刀具数量。

根据旋耕起垄刀轴上的排列方式，可知Z=6，代入式(1)中，可得S=2.65cm。由于云南地区烤烟种植的土壤多为红土壤，旋耕节距应小于5cm，此计算满足烤烟种植的农艺要求。

由以上计算可知：旋耕速比λ和切土节距S均在合理值范围内，符合烤烟种植的特殊农艺要求。旋耕起垄部件结构示意图如图3所示。

1.挂架 2.变速箱 3.连接装置 4.旋耕装置 5.起垄扶形器

2.3 打塘装置设计

打塘装置是在旋耕起垄的垄面垄上进行打塘，主要由伸缩弹簧、打塘铲、齿轮组、链轮组、地轮及机架等部件组成。为保证打塘效果能达到区域性农户农艺要求，通过机架上的预留孔来调节塘距的大小，通过打塘铲抬起的高度和倾斜角度来改变塘深，以适应整地农艺要求，调整塘距、塘深。

云南山旱地的土壤比较硬，且坡度比较大，为了解决该机与动力机械配套后，在小坡度地块作业时整套机械行走时稳定性问题，同时为防止多次打塘引起的打塘铲焊接点断裂问题，在两侧加固加强肋条，保障打塘过程中机具的稳定性。打塘装置如图4所示。

2.3.1 打塘功耗计算

旋耕起垄打塘机作业时，大多数功耗都来自打塘部分，由于影响打塘作业功耗的因素很多，在其他因素一定的情况下，只考虑主要影响因素，查阅相关资料可得，打塘功耗公式[13]为

P=0.1KλVmBd

(3)

式中P—打塘功耗(kW)；

Kλ—土壤比阻(N/cm2)；

d—打塘深度(cm)；

Vm—机具前进速度(m/s)；

B—塘径(m)。

在不同的土壤和作业方式上，土壤比阻Kλ应乘以适当的系数进行修正，则

Kλ=KgK1K2K3K4

式中Kg—修正前土壤比阻，受打塘深度影响，根据机械设计手册，粘性土壤含水率为20%时，取Kg=7.5N/cm2;

K1—塘深修正系数，打塘深度为15～30cm时，K1=1.0～1.2，取K1=1.0;

K2—土壤含水率修正系数，土壤含水率越小K2越大，土壤含水率为20%时，取K2=1;

K3—烟茬植被修正系数，烟茬地作业时，K3=1.0～1.2；普通地块作业时，K3=0.8～1.0,取K3=1.0;

K4—作业方式修正系数，旱地作业时取K4=0.66～0.71，水田作业时，取K4=0.3～0.5；打塘，取K4=0.7。

综上所述，结合云南地区的粘质沙土的特性，以上各修正系数的取值参考相关资料所得[15]，经计算可得Kλ=5.25，所以P=7.09kW。

1.打塘铲 2.T形焊架 3.链轮组 4.连接轴 5.齿轮组 6.地轮

3 田间试验分析

该旋耕起垄打塘机研制完成后，在云南曲靖陆良县进行了作业试验和推广示范。该机可一次性完成旋耕、起垄及打塘等联合作业，性能稳定、安全可靠，填补了烤烟行业打塘的空白。根据作业效果，实测平均塘距588mm，塘深279mm，塘径280mm，垄深打塘效果满足烤烟种植的农艺要求，旋耕起垄打塘机的田间试验结果如表1所示，旋耕起垄打塘机样机和作业质量图如图5、图6所示。

表1 整机田间试验结果

图5 旋耕起垄打塘机样机实物图

图6 打塘作业质量图

4 结论

1)该机具集旋耕、起垄、打塘等功能于一体，减少了烤烟种植的复杂工艺性环节，缩短了劳动时间。该机设计简单可靠，效率高，适于云南地区的烤烟种植的农艺性要求。

2)为方便使用，该机具设计成三点悬挂式，便于不同机具的配合使用，打塘部分为可调式，适用于烟草、蔬菜、根茎类等作物的种植要求。

3)该样机研制成功后，在曲靖陆良地区进行试验推广，经过多次优化结构，打塘效果与预期效果相差无几，填补了国内烟草种植全程机械化的空白，为更好地推进云南地区烤烟种植规模化、机械化提供了可能。