1WGV-6.3微型耕作起垄机的研发与应用

胡晓阳

(四川省宜宾市农业科学院，四川 宜宾 644000)

1 国内外起垄机研究现状

目前国内的起垄机主要是以安装在大中型拖拉机上的起垄设备为主，为了不浪费动力，节省生产成本，一般都具有复合性功能，驱动行走轮、液压机构、螺旋起垄等动力输出是独立的，但功耗消耗较大，适合在大平坝地区或平原使用，不适合在丘陵山区应用。适合南方丘陵地区应用的小型起垄机研制在国内起步较晚，可应用性不够，有必要进行深入的研究和开发。而国外的起垄机研发与应用主要以日本和韩国为主，国外大型起垄机专题介绍较少，也不适用于丘陵地区使用，日本和韩国的小型起垄机对在国内用户来说性价比不够高。未来小型起垄机的研发会针对不同的作业对象完成不同的功能，既可是专业单一作业、也可是复合应用作业，功能更加全面、选择性更多、效率更高、重量更轻、实用性更广的耕作起垄机。

2 丘陵山区耕作起垄机发展趋势

川南地处丘陵山区，平坝少，丘陵多，弯多坡陡，道路崎岖，对农业机械装备的外观尺寸，整机质量均有一定的要求。目前还在应用的丘陵山区起垄机主要以12马力以下的小型机具为主，20马力以上的中大型耕作起垄机械极为少见，仅在平坝地区有一定作业数量。原有一些丘陵山区小型起垄机械应用，但设计的紧凑性不够，地头转移不便，起垄作业不够标准，工作效率体现一般，设计技术需要做改进，就目前所查阅和掌握的信息分析而言，虽然近十年来，丘陵山区耕作起垄机有了一定的发展，但是根本问题依然存在，丘陵山区农业起垄作业机械化不高，仍然需要更合适的小型、适用、高效的起垄装备来满足农业发展所需，轮式和履带式小型耕作起垄机将是未来丘陵山区所需，而AI技术、智能化、自动化控制技术的应用将是未来发展的空间。

3 研发的可行性和必要性

川南属丘陵山区，农业上栽培的很多农作物都需要起垄作业，例如烟叶、红薯、甘蔗、辣椒、蔬菜等，这些农作物大部分农村都普遍种植，是广大农户的支柱产业。在栽种前，必须人为的起出条状的垄，起垄栽种的优点在于：一是便于灌溉，抗旱防滞。二是可以使土层加厚，扩大根系和块根的生长范围。三是可以增加表土立体面，增强透气性。四是提高地温，调节昼夜温差，有助于农作物的生长发育。起垄时要求做到垄形肥胖，垄沟窄深，垄面平整，垄土夯实，垄内无硬心，起垄任务极为繁重。若农民手工作业起垄，从根本上无法达到节本增效的目的。

在农业经济作物里，烟叶类是重要的农经作物之一，烤烟竞争力最重要的就是对种植成本的控制，提高生产效率、降低劳动强度，降低烤烟生产成本，扩大生产规模。进行规模化管理从而提升烤烟的单产，生产机械化水平越高，成本越低，种植收益提升越快。我国农机装备的保有量逐年增加，耕地的机械化耕作程度也在逐年提高，有效地减轻了农民的劳动强度，提高了生产效率。但是，南方丘陵山区的农业机械化平均水平还很低，劳动强度还很大，生产效率还很低下，还迫切需要大量的更加适合丘陵地区农业生产的小型农机具，通过这些小型农机具的研发、推广应用来有力地促进丘陵山区的农业机械化发展。烟草种植耕作起垄作业农技要求是比较高的，除了烤烟种植耕地需要起垄作业外，其余种植的红薯、土豆、甘蔗等农作物也都需要起垄作业，初步统计仅仅宜宾市每年需要起垄作业的耕地面积超过6.67万hm2。如果都使用耕作起垄机作业，将极大地减轻农民的劳动强度，提高生产效率，增加农作物产量，促进农业生产，促进传统农业向现代化农业的转变。1WGV-6.3微型耕作起垄机研发能完成烟草种植农技要求耕作起垄的需要，也可以完成其它农作物农业生产起垄及其它机械化作业。丘陵山区现代农业发展是急需适合的小型耕作起垄机。

4 技术设计基础信息和关键技术分析

4.1 作业对象特性

按土壤质地，土壤一般分为3大类：砂质土、黏质土、壤土，为了正确认识在耕作过程中机械对土壤的施力状态和土壤产生的反应，不仅要了解土壤的物理特性(如土壤的机械组成、结构、容重、孔隙度、含水率等)，还必须研究土壤在机械作业过程中所产生的动力特性(如强度、流变、摩擦系数等)，即只是在受外力作用时才体现出来的力学特性，熟练掌握这些理论知识将对研发中关键技术的解决起到至关重要的作用。

4.2 农机农艺融合

研发一款适合本区域应用的农机装备必须了解作业环境特性、机耕道路的建设、相关农艺技术要求，多征求农业部门专业技术人员意见，对可能实施的设计技术进行充分讨论和论证，做出专业的判断和选择。目前丘陵山区适应农艺要求的先进的农机具推广应用缓慢，是影响和制约全国农业机械化整体水平提升的瓶颈。农业机械化作业的潜力和优势没有充分发挥出来，当前需要引导丘陵山区主要农作物生产向机械化、轻简化、集成化、标准化、规模化方向发展，实现高产、高效。

4.3 关键技术的分析

主要提出如何解决起垄成型技术设计，分为3个大的部分：一是设计方案的确定，这里包含的基本内容是动力配置及参数选择、变速箱传动方式、润滑方式等，动力输出轴机构。二是起垄器的设计，包括起垄器具体结构设计选择，金属材料的确定和热处理工艺。三是垄成型器的设计，在确保不产生作业成型拥堵的情况下，完成起垄成型的整理作业。

4.3.1 设计方案 动力的选择8～10马力汽柴油机，动力和变速箱选配为直传式传动，耕作起垄部件与变速箱动力输出轴直连，为变速箱左右布置，起垄整形部件后置，整机重心布置稍微向前置，这样便于操作人员在操作时双手不是向上的抬动力，而是需要一个向下的手腕压力，这样会有效减轻操作人员的疲劳感，有利于减轻人员工作强度，提高农户作业操作时的舒适感和愉悦感，人机工程技术未来是技术设计必须考虑周到的一个很重要的技术环节，目前整机设计要求为实用型，整机操作模式为人员随行方式，解决好丘陵山区实用技术问题，再开拓创新。未来该项技术发展的空间是乘坐式、智能控制式；包括作业程序输入、shishi定位、作业数据分析、精准监测等技术应用。

4.3.2 起垄器设计 在与动力输出轴直连的耕作起垄轴上按照螺旋方向固定安装螺旋起垄器，螺旋起垄分为左螺旋起垄器和右螺旋起垄器，两边对称分布。螺旋起垄结构设计基本分为2种类型，即连续螺旋起垄件和间断螺旋起垄件，而这2种起垄机构设计的优越性将通过性能比对试验来确定，选择出最佳螺旋起垄机构。在起垄螺旋机构与动力输出轴链接的位置部分，即靠变速箱一侧安装有一组螺旋排列的旋耕刀，一是避免漏耕，二是提升作业效果。

4.3.3 垄成型器设计 螺旋起垄后垄型是不很规范，需要通过符合农艺技术要求的梯形成型板整形完成。在螺线起垄轴的外侧安装可拆卸的驱动行走轮，使行走驱动和覆土螺旋起垄器在同一轴上，简化了结构，满足不同土壤条件下的耕整地作业求。在变速箱后置一阻力杆，可控制前行速度和一定范围起垄高度，利于耕作、起垄等作业。结构更为简单，整机的重心平衡好，使用者的操作更加轻松。

5 1WGV-6.3微型耕作起垄机研发技术路线

该技术研发具有多功能性的耕作起垄机，研究重点是关键技术起垄性能，所以其它辅组功能的阐述做相应减免，技术路线只体现耕作和起垄功能。技术路线需先根据作业要求来明确结构，根据作业时可能出现的最大载荷、速度等来选择动力和变速箱参数，动力和变速箱可以选择成熟的、技术先进的厂家适合的型号和功能配套，发动机与变速箱直传为首选，与其它类似结构相比，具有结构紧凑，便于总体布局，转移便捷，适合丘陵地区使用。

图1 技术路线

6 关键技术与部件的研究和结构设计

6.1 螺旋起垄器的设计

笔者在做结构设计时，准备有3个选项，一是开沟成型，一是挤压成型，一是堆压整形。通过技术设计、样机试制试验情况，来验证设计方案是否需要修正，技术路线是否正确。理论必须和实践相结合才能设计出适合的产品。经过技术验证，笔者选择了水平设置的螺旋起垄器，该设计具有结构先进、适应性强、阻力小、寿命长、维修方便等特点。在螺旋起垄器设计里，分别做了2款结构设计，如图2和3所示。

图2 起垄器结构11.法兰 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套轴 5.起垄螺旋 6.辅助轮 7.密封端盖

这2款螺旋起垄器原理类似，但具体结构设计不同，也具有各自不同的有点和缺点。图2采用整体螺旋拉伸设计，确定材质、螺距、螺旋直径、螺旋倾角、输送量等主要参数，件2为辅助旋耕刀，件6为辅助轮，有辅助驱动和限深作用，整体和变速箱动力六棱输出轴相连接。图3采用的是螺旋刀做螺旋排列安装，形成间断的螺旋线旋转运动，由于整体和变速箱动力六棱输出轴连接，在一定输出转速下，螺旋刀的运动可看作是连续，从而带动土壤起到输送功能。图2和图3主要不同点就是起垄螺旋零件，一是连续螺旋，一是螺旋刀螺旋排列。

图3 起垄器结构21 .法兰 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套轴 5.起垄螺旋刀 6.辅助轮 7.密封端盖

通过样机大量的试验证明：螺旋刀起垄比螺旋起垄更具有优势，在确定好主要参数的情况下，螺旋刀组成的起垄器相比螺旋起垄器而言，在有同样的功能情况下，还具有这样的一些优势和特点，容易规模化生产、标准化生产，成本更低，安装或更换便捷，维修方便。通过更换不同的螺旋刀，还可在一定合适的范围内增大螺旋直径，调整起垄的高度。

6.2 起垄成型器的设计

在成型器的设计中，主要就挤压成型和堆压整形成型进行了研究和试制试验，并对采用强行挤压成型和堆压整形成型可能出现的问题进行了进一步的分析，通过试制试验和技术分析，起垄成型器选择为图4所示：件1主要是和变速箱上牵引架其连接，件1、件3、件10为组合焊件，在焊件上安装有件2，件2为铰链组件，件5为铰链结构，件9是调整杆，件4通过件2、件5、件9可以进行一定角度转动做前后浮动调整，件7为铰链结构，件8通过件7连接，可以做一定角度的上下调节浮动，通过件8技术设计和重量，可完成对垄顶部进行平面整形。

图4 起垄成型机构简图1.连接座 2.成型器侧板铰链组件 3.上成型器、阻力杆组件 4.成型器侧板 5.成型器侧板调整铰链 6.阻力杆 7.上成型器铰链 8.上成型器 9.成型器侧板调整杆 10.成型器侧板支架

起垄成型示意简图5所示：件1和件4为垄左右成型板，通过件2、件3、件5的连接和配合，针对不同的农作物起垄尺寸要求，可以通件1、件2、件4的调整或更换来完成对垄两侧的整形作业。

图5 起垄成型器示意简图1.成型器左侧板 2.成型器板铰链座 3.转轴 4.成型器右侧板 5.转轴铰链

7 起垄作业试验情况分析

笔者在川南地区选择不同的土壤进行了样机试验，测试内容主要包括了试验旱地特征、植被覆盖测定、不同土壤的起垄作业模式、起垄主要参数、耕深耕宽数据、旋耕碎土率、经济指标测定等指标。根据试验数据和样机试验情况的分析表明，在砂质土、黏质土、壤土的起垄准备工作是有不同的，砂质土、壤土可以做到直接起垄作业，如果碎土后起垄效果更好。而黏质土尤其是粘性较为强的土壤，需要做前期的碎土耕整作业，碎土颗粒不大于2cm，碎土效果越好，起垄效果越符合农艺要求。试验要求在样机工作时的起垄、碎土率、植被覆盖率、耕深均能满足农艺上的要求，且生产效率较高，耕后地表平整，松软，能满足精耕细作要求，一次作业就能达到烟叶类农作物种植需要的起垄效果。尤其在起垄试验作业过程中也充分体现出来了，由于结构设计采用了两侧板可调整整形，同时整型板内测增加有10cm左右的软整形条，垄顶部整形采用了自由浮动整形设计，把以前体现出来的旋耕后松软土壤在经过成型器强行挤压产生的泥土拥堵难题彻底解决了，同时也解决了因为泥土拥堵造成的发动机起垄作业时负载过载的问题。

8 1WGV-6.3微型耕作起垄机应用

经过整机技术设计方案调整与样机的试制，同时不断试验、改进、试验，1WGV-6.3微型耕作起垄机的研发，通过了四川省农业机械许可证申请，获得了省级农业机械推广鉴定证书和产品定型。经过申报，取得了整机实用新型专利，并通过科技成果鉴定，获宜宾市科技进步二等奖。1WGV-6.3微型耕作起垄机通过科技成果转化，进入了国家支持推广的农业机械产品目录，进行了推广应用。在农机化技术推广应用上采取以点及面的方式。该技术的成功研发和通过成果转化应用，基本解决了丘陵地区烟叶、红薯、玉米类需起垄作业的农作物起垄作业难题，为丘陵地区农业机械化起垄作业的推动和普及起到了积极的作用。