某系列多功能高效联合整地机结构设计

李 妍

（锦州市农业农村综合服务中心，辽宁锦州 121000）

0 引言

我国是农业大国，农村有着丰富的农作物秸秆资源，秸秆资源的废弃与焚烧，既浪费了大量的生物能源，又对大气环境污染严重。近七年的中央一号文件精神表明，我国的秸秆使用已经完成从“单一化利用”到“综合转化利用”再到“多元化利用”的转变。2019年，全国农作物秸秆利用量5.25亿t，综合利用率达71.5%；2020年，全国农作物秸秆利用量5.41亿t，综合利用率达73.6%；2021年，全国农作物秸秆利用量6.47亿t，综合利用率达88.1%。在利用渠道上，实现了从堆肥、菌床、饲料、生物质燃料扩充到生物塑料、生物降解等更高层次的应用范围，并且在各领域的安全性、减排程度、利用效率方面都得到了极大的提升。2021年，锦州市秸秆综合利用176.7万t，秸秆综合利用率91.25%。从上述数据分析，虽然锦州市秸秆综合利用率比全国综合利用率高出3%，但是在农村燃料、秸秆还田、饲料及工、副业生产原料综合利用方面，秸秆综合利用仍有很大的提升空间。

1 概述

我国已形成了以铧式犁、旋耕机、联合整地机、保护性耕作机械作业等技术为理论支撑的保护性耕作体系。但是，从我国现有农机企业研发能力上来看，多数是外部引进与外部模仿，自主研发与科研创新能力较弱，科研投入不足。从耕整地机具配套情况来比较，发达国家机具配套比例达14%左右，国内机具配套比例达不到50%，国内机具配套部件的通用性和适配性均有较大差距。由于整地机的动力输出为拖拉机，在调研中发现，市面上大部分产品在设计上与大马力拖拉机研发水平脱节。国内企业多数产品属于中低端产品，过剩纺织品过多，高端农机或零部件仍过度依赖进口，关键重要“卡脖子”问题得不到解决。从用户操作方式上来看，我国耕地整地产品主要采用手动调整、手动控制或半自动半智能化操作方式，而国外农机智能化水平较高，我们在液压、气动、信息化方面仍有提升空间。从机具材料选取方面来看，国内企业普遍采用能够承载载荷较小的钢型材材料，而较少采用多复合材料、特殊钢材、覆膜等材料技术。在加工工艺上，我国仍沿用传统的机加工设备和工艺，在零件质量与加工制造精度上均难以保障，而国外农机企业在制造上采用数字化设计、激光线切割、柔性装配生产线等先进制造工艺。在安全性能上，缺少过载保护和先进的安全防护及自动报警装置。

针对以上问题，按照农业农村部和辽宁省《关于开展主要农作物生产全程机械化推进行动的意见》要求，锦州市将秸秆全程机械化还田作为农机技术推广的主推工作。以秸秆全程机械化技术为主导方向，以增加农民收入为目标，通过引进新机具、示范推广秸秆全程机械化技术模式，开展作业示范和适用技术试验推广。

2 设计原理

2.1 耕整地机技术发展方向

2.1.1 大田整地方面。多功能联合整地机、浅翻深松机等新机具已代替传统机具。据统计，2019年，我国农业机械总动力为1.63亿kW，耕地总面积为1.82亿hm2，机械化耕作面积为1.68亿hm2，机械化耕地率达到92.3%；2021年，农业机械总动力为1.8亿kW，机械化耕种面积达到1.7亿hm2，机械化耕作率超过95%。

2.1.2 宽幅大型化方面。随着农业技术和农机制造水平的协调发展，我国土地集约和农业技术集约化程度大幅度提高。随着我国大马力拖拉机不断发展，380马力功率段拖拉机已经实现批量销售，大马力拖拉机销量突破了200万台，给配套研制的大型联合整地机、液压翻转犁、重型圆盘耙等宽幅大型耕整地机械提供了发展的空间。据统计，2019～2022年，我国大型耕作机械市场年均增长率达到了9.7%。

2.1.3 功能化发展方面。现有市场产品在复式作业和联合作业方向取得了长足进步，耕整地机不仅能够进行土地耕作、整地等基本工作，还能够实现种植、施肥、除草、灌溉等复合工序。通过一次作业完成，达到了充分利用功率、降低油耗、节约劳动时间、减少土壤压实的效果。

2.1.4 高效智能化发展方面。部分耕整地机采用了GPS遥控、田间信息快速获取与分析等先进技术，运用不同规格激光控制平底网格、耕整地机械数字化计量技术及作业状态信息技术，实现了精准施肥、精准定位等精准化作业。并且，在作业过程中对实际情况进行记录和分析，为农业生产提供科学依据，形成了现代化耕整地机械装备自动化控制体系，实现了现代农业机械技术水平的提升。

2.2 具体设计参数和构造

根据机具设计的具体要求，本产品重点围绕灭茬、旋耕和深松于一体的联合作业方式，针对传统农机旋耕不到位、刀片方向影响作业效率、旋耕灭茬效果不理想的问题，对机具进行设计改进。试制中，先后解决了变速箱后支撑板与刀片刮碰、灭茬轴弯曲、部分刀库六方孔与圆孔装配不同心的问题，并开展了作业机具应用与示范。具体参数见表1。

表1 联合整地机技术参数

本机具主要由机架、万向节、主副变速箱、旋耕刀轴、盖板、起垄器（选配）等部件组成。将由拖拉机产生的动力通过传动轴输入到整地机，机具上的刀轴带动刀片旋转并向前移动与土壤产生相对运动，实现作物根茬被灭茬刀高速粉碎、土壤被旋耕刀疏松。然后，进行起垄，由此完成灭茬、旋耕和深松的联合作业循环。整地后，土壤疏松、平整、保水、保肥、有机质含量高，具备播种和作物生长的良好条件。机具具体构造见图1。

图1 联合整地机结构示意图

3 重要部件设计

3.1 变速箱总成设计

我国土壤环境不同，如果设计单独转速的农机装备，将会造成整地机刀轴转速不适的现象。针对以上情况，本产品在变速箱总成上采用了可更换齿轮的方式。可以根据不同地区，配备齿轮比不同的齿轮副，动力由拖拉机的后输出轴输出，经万向节传递给中齿轮箱，由中齿轮箱输出动力，经由插筒装置的花键套与右齿轮箱连结，右齿轮箱带动旋耕轴，旋耕轴上的旋耕刀进行碎土及旋耕整地的农田作业，从而适应各地的旋耕灭茬的需求。

为了增加变速箱的可靠性，我们将传统机具中大多采用的6模数齿轮，改为8与10模数齿轮，在齿轮强度上做了加强，提高了整地机的使用寿命。另外，为了弥补机具主、侧箱传动轴同轴度的不足，本方案在保证主、侧箱传动轴同轴度的前提下，采用花键轴传动的传动方式。材质选用40Cr加工成的花键轴，40Cr具备耐高温、不退火、不易折等特点，通过日常加入齿轮油，提高其稳定性。

3.2 防断裂主轴的设计

近年来，土壤板结情况愈演愈烈，土壤表面变得十分坚硬，使农业机械的主轴负荷加重，经常发生主轴断裂等故障。针对以上问题，发现主要原因是现有同类产品主轴承受的负荷过大，主轴上焊接缺陷所形成的应力集中，造成现有主轴断裂的情况。本产品设计了整地机防断裂主轴，其结构要点包括轴管，轴管一端连接有法兰，轴管的另一端为轴头；轴筒由无缝钢管组成，轴管上分布焊接有多个刀库，刀库上安装有旋耕刀。该防断裂主轴不仅增加了承载强度，同时刀库呈4条螺旋均匀排列且没有焊接缺陷，不易形成应力集中等缺陷，从而确保了主轴不会发生断裂（图2）。

图2 防断裂主轴示意图

3.3 加油口防漏结构设计

目前，整地机齿轮箱普遍采用一个带孔螺栓作为油箱和通气孔使用。箱体内齿轮工作时，高速旋转的齿轮将润滑油搅动飞溅，并通过通孔缝隙处向外泄漏形成油泥，从而易造成排气孔堵塞。此外，由于齿轮箱工作时会产生热量形成压力，气孔堵塞造成箱体内压力增大，导致润滑油泄漏，影响机器的正常使用。

针对上述问题，本产品在齿轮箱上设计了防漏结构（图3）。其特征在于：在齿轮箱上部设有与齿轮箱相连通的隔离腔，进油口在隔离腔顶部，在隔离腔下部设有导油板，并沿齿轮旋转方向设置，导油板的一端与隔离腔底部开口一端相连，导油板另一端与隔离腔底部开口另一端之间具有导气孔。这样，导油板挡住飞溅油液，避免了油液漏出齿轮箱，从而解决油液与泥土混合形成的油泥堵塞通气孔的问题。

图3 防漏结构示意图

3.4 万向节传动总成设计

万向节传动总成主要由活节夹叉、十字轴、方轴夹叉焊合、方轴套夹叉焊合组成。十字轴两端装有孔用弹性挡圈，防止十字轴轴向移动。十字轴上装有黄油嘴，注满黄油，可保证轴承润滑。万向节保护套，按需配套。

3.5 刀片设计

传统的阿基米德螺线曲线刃口的弯刀片，耕地深度不够，并且弯刀切不断植物根茎，使得植物根茎缠绕刀轴。基于上述问题，本产品采用非对称的阿基米德螺线曲线刃口的弯刀片（左弯刀和右弯刀），提高了耕地深度，使切不断的根茎滑向刀片端部脱开，不至于缠绕到刀轴上，解决了刀轴缠草的问题。刀片采用沉头方颈螺栓连接，可保证连接部分的强度；刀柄与连接架通过安全销钉连接；连接架与整机通过“U”形卡和螺栓与机架后梁连接。刀片形状如图4。

图4 刀片示意图

4 结论

本文介绍了某系列高效联合整地机构在设计原理、重要创新部件的设计方案。在推广应用中，该整地机作业质量较好，碎土率达90%以上，其碎土率和破茬率都高于多次耕作机械；节省油耗，在同等作业面积上，节耗率达13.9%。并且，在配套上提供了系列配套机具，配套动力从130马力以上均有配套型号生产，大大提高了该系列产品的适应性。在不同工况下做到了一机多能、一次下地完成旋耕或起垄作业、一次作业达到待播状态，满足了农艺要求，减少了机具对土壤的压实度，减少了农机投入，降低了作业成本。