STZZ1-230型整地筑埂联合作业机的研制

赵丽萍，何新如，赵清来，董良杰

(吉林农业大学 工程技术学院，长春　130118)



STZZ1-230型整地筑埂联合作业机的研制

赵丽萍，何新如，赵清来，董良杰

(吉林农业大学 工程技术学院，长春130118)

摘要：设计了STZZ1-230型整地筑埂联合作业机。该机采用拖拉机为动力，一次进地，能够同时完成整地和筑埂作业。该机主要由牵引架、机架、传动系统、旋耕部件、集土机构、筑埂压实部件及液压油缸等部分组成。田间试验表明：该机结构设计合理，为水稻生产过程中整地筑埂联合作业机械化提供了技术支持。

关键词：整地；筑埂；一机多用；联合作业

0引言

水稻是我国的主要粮食作物，在粮食生产中占有非常重要的地位。水稻生产过程中，在插秧前需要进行水田灌溉。水田灌溉是将田地划为田字形的方格，在方格周围修筑土埂，所筑土埂能够挡水，使之浸润土壤。筑埂是实现水田灌溉的关键，坚实、合理的田埂不仅能满足水稻对水分的需求，还可节约水资源。水田筑埂属于水稻机械化生产过程中的整地环节。文献表明[1-12]，长期以来水田筑埂都依靠人力完成。人工筑埂是一项既繁重又费工的劳动，即使借助一些专用工具，劳动强度依然很大，工作效率很低，成本却很高；同时，田埂的一致性和均匀性差，需要人工辅助压实。人工筑埂已不适合我国大面积平原地区种植水稻的耕作模式，更不利于推进水田生产机械化的发展。因此，及时而优质地修筑效果令人满意的土埂是水稻生产的基本条件之一。修筑田埂最好的方法就是采用机器筑埂。水田筑埂机械化是实现水田全程机械化生产必不可少的重要环节，如何实现筑埂机械化已迫在眉睫。

目前，国内外对筑埂机有一定的研究，国内对筑埂机的研究较早。周勤就、田恒增研究设计了一种平畦筑埂机[13]，由刮土板、镇压轮及防陷轮等部件组成，是在西集打埂机的基础上研制出来的。东北农学院研制了一种铧式犁取土，用成型板来进行镇压成型的水田筑埂机；刘百合对系列水田筑埂机进行了研究；重庆北磅区科委、区农机管理站等单位联合研制了一种简易筑埂机，整机质量只有73kg，结构简单，只有两对变速齿轮，操作非常方便，可在山区小田块进行筑埂作业，可有效缓解劳动力紧张的情况，适合农村小户、小面积水田作业；天津市蓟县农机化技术推广服务站研制了一种葡萄行间筑埂机，主要由机架、筑埂铲、传动箱、连杆、曲柄和地轮等部件组成，配套动力采用轮式拖拉机，由拖拉机输出的动力通过传动轴输出，传递到蜗杆减速器，由此带动曲柄旋转，曲柄和连杆连接，连杆置于曲柄和筑埂铲之间，即可使筑埂铲上下摆动，从而完成筑埂作业；中国农业大学农机研究所新研制的悬挂式田间筑埂机，适用于水渠和水田的筑埂作业，该机筑埂形状为梯形。

国外对于筑埂技术的研究，以日本处于世界领先水平。目前，日本的水田筑埂机是采用拖拉机为动力的农田机具，适用于在水田里进行长时间的筑埂作业。此类机具具有质量轻、油耗小及使用成本低的特点。其筑埂机具主要有以下3种：

1)先通过升运叶片将土壤升起，然后借助布置在机具两侧面和上面的抹埂板将土壤贴抹到田埂的两侧部和上部。

2)通过一种螺旋犁将土壤横向输送，采用培土板将土壤推向田埂中间，采用上面的镇压辊压平，而两侧面则用镇压板来抹平。

3)采用横切旋耕器，可以修复旧土埂。首先采用旋耕刀切削旧土埂的侧面，同时粉碎土埂上面的土块；然后把成形所需要的土壤运到土埂中间；最后采用旋转圆盘滚动的方法使土埂成形，并将土埂加工成较光滑的表面。

我国和其它国家的国情截然不同，国外的筑埂机不适合中国的筑埂作业。即使是在国内，不同省份在土质方面差别仍然很大。同时，由于我国南北方土质、地势、地貌差别较大，水稻的种植差别也较大。例如，在北方地区，配套拖拉机的动力在40kW以上，而在南方地区则需要与中小功率的拖拉机配套使用。

由此可见：国内外对水田筑埂机有一定的研究，但上述筑埂机只有筑埂功能，没有旋耕功能，功能单一，工作效率较低，而针对我国大面积平原水稻生产过程中整地筑埂联合作业机的研究尚未查到有关资料。为此，本文设计了STZZ1-230型整地筑埂联合作业机。该机可以与现有的60～100kW轮式拖拉机直接挂接牵引进行作业，能够在旋耕土壤的同时筑出一条土埂。整机结构设计合理，一机两用，具有油耗低、作业效率高、整地和筑埂效果好等特点，能够有效解决人工筑埂存在的许多问题，满足了水稻生产过程中节本增效的实际需要，实现了整地和筑埂作业全程机械化。

1结构与工作原理

联合作业机结构如图1所示。

1.液压缸　2.轴Ⅲ轴承座　3.连接销轴　4.集土筑埂机架

该机主要由牵引架、机架、传动系统、旋耕碎土部件、离合器、集土器、推压成型辊及液压升降机构等部件组成。牵引装置为三点式悬挂牵引，与拖拉机相连；传动系统将拖拉机输出的动力分别传递给旋耕碎土部件和推压成型辊，动力在传递给推压成型辊的过程中主要是通过双排链传动来实现的，并在传动系统的中间环节安装有离合器。离合器的作用是该机在作为旋耕、筑埂联合作业机的时候，使链传动啮合，完成动力传递；当无需筑埂作业时，离合器使链传动脱离，无动力传递，此时该机器只进行旋耕机作业。旋耕碎土部件为两旋耕刀半轴上各安装31把螺旋形布置的旋耕刀片；集土器采用一对集土铲作为集土机构，通过立柱与机架固定连接，而且立柱可上下调节，目的是调节集土量的大小，以便调节筑埂所需的不同用土量；推压成型辊采用带有弹性刀片且可旋转的推压成型辊；升降机构是以液压缸为动力控制筑埂机绕着旋转轴升降，实现旋耕作业或整地筑埂联合作业，一机两用。

该机工作原理：拖拉机通过万向节将动力传递到变速箱，再由其内的一对锥齿轮将动力通过各个输出轴传递到推压成型辊；同时，在与锥齿轮同轴上安装有一直齿轮，通过四级直齿轮传动，将动力传递到旋耕刀总成上，由此形成了一套比较完整的机械传动系统；变速箱将动力传递给旋耕刀轴，驱动两半旋耕刀轴旋转，以实现旋耕土壤的作用；被旋耕刀打碎的土壤由一对集土铲进行初步收集成土埂，土埂经推压成型辊最终压实成型，形成一条坚硬、光滑的土埂。

2主要部件的设计

2.1变速箱的设计

变速箱的设计如图2和图3所示。

1.大锥齿轮　2.大直齿轮Ⅱ　3.齿轮轴Ⅴ　4.直齿轮Ⅲ

1.大锥齿轮　2. 链轮输出轴　3.小锥齿轮　4.输入轴

变速箱主要由箱体、箱盖、主动锥齿轮、从动锥齿轮、直齿轮、过渡齿轮、输出齿轮、轴承和端盖等组成。工作时，拖拉机动力输出轴通过万向节传递给变速箱的输入轴。输出时，一方面输入轴上主动锥齿轮将动力传递给从动锥齿轮，再通过所加装的链轮将动力依次传递给后面的推压成型辊，实现推压成型辊的转动；另一方面输入轴上主动锥齿轮将动力传递给从动锥齿轮，通过直齿轮、过渡齿轮、输出齿轮等将其传至与之相连接的两个旋耕刀轴上，使其旋转。动力传动轴的转速为540r/min，传动比取2.58，则输出轴的转速为209r/min。该变速箱具有输出转矩大、结构简单、性能可靠及传动平稳等优点。

2.2传动系统的设计

传动系统的结构示意图如图4所示。

图4　传动系统的结构示意图

工作时，拖拉机输出的动力通过万向节传递给变速箱的动力输入轴Ⅰ，通过动力输入轴Ⅰ上的1对锥齿轮的啮合，带动轴Ⅱ旋转。一方面，轴Ⅱ上的动力通过4级直齿轮传动将动力传递到轴Ⅲ、轴Ⅳ，从而带动两个半旋耕刀轴旋转，完成旋耕作业；另一方面，轴Ⅱ上的动力通过安装在其上的链轮，将其依次传递到轴Ⅴ、轴Ⅵ、轴Ⅶ上，从而带动筑埂装置上的推压成型辊旋转，将土壤最终压实成型。

2.3可升降部件的设计

为实现一机两功能，在此机器上设计了可升降装置，即液压油缸将旋耕机架和筑埂机架连接起来。采用拖拉机为动力，可以将液压油缸伸长或缩进。液压油缸伸长时，将筑埂部件置于田地上，作业时可实现旋耕筑埂一次成型；当不需要筑埂只进行整地时，就可以通过液压油缸的收缩，使筑埂部件绕旋转轴Ⅴ转动90°以实现其升降，既真正实现了可调节式的一机两功能，又方便机器的运输作业。

2.4集土装置的设计

为了在整地的同时能顺利地筑出一条土埂，必须在要形成土埂的地方聚集足够多的土源。由于集土铲具有半螺旋形犁体曲面，其具有结构简单、易于装配、升降灵活、易于控制耕深的特点，且其翻垡能力强，适用于稻田地翻埋杂草、稻秆、残茬等要求覆盖性能好的土地耕翻作业，故采用一对集土铲作为本机的集土机构，如图1所示。其主要由成对的集土铲、立柱、集土铲座等组成。集土铲与立柱用螺栓固定连接，立柱安装在铲座内并用U型螺栓连接，安装座与筑埂机架固定连接。

为保证集土铲的集土效果能够满足筑埂土量要求，集土铲立柱与安装座采用可调解活动连接。也就是说，立柱沿铲座可以垂直上下调节，从而使集土铲入土深浅不同：立柱沿铲座向下调节，铲尖入土深，集土量大；反之，集土量小。这样即可实现根据需要改变集土量的大小，筑出所需田埂尺寸，并使田埂初步成形。

选择设计可调节式集土铲作为集土器的原因是该集土铲具有如下特点：集土铲入土后，左边的集土铲翻转的土向右侧翻转，右边的集土铲翻转的土向左侧翻转，这样在一对集土铲经过的地方就初步形成了一条垄畦，为下一步筑埂创造了有利的条件。

由于在作业中集土铲同时承受较大的径向力和轴向力，所承受的负荷比旋耕刀大，所以其材料选用65Mn钢板制造，热处理硬度要求HRC45～50[14]。

2.5筑埂推压成型装置的设计

如图1所示，将筑埂部件设计成可旋转式安装在集土铲的后面。本机筑埂部件所筑土埂的横截面形状为梯形，而且所筑土埂还应具有一定的坚实度。为此，将筑埂推压成型装置按土埂的轮廓外形，设计成由中部推压成型辊和左、右两侧圆锥形轮毂组成。其中，中部推压成型辊为圆柱形，左、右两侧圆锥形轮毂由塑性压片和弹性压片通过螺栓连接在一起组成，如图5所示。

1.链轮Ⅵ中 2.推压成型辊　3.螺栓孔　4.塑性压片　5.弹性压片

该机整地筑埂联合作业时，当推压成型辊旋转脱离土层时，弹性压片恢复原状；当推压成型辊旋转接触到土层时，弹性压片由于受到土埂侧表面外力的作用而向两侧圆锥形轮毂表面收缩，即完成了对土埂表面的挤压和拍打，使筑出的土埂表面既坚硬又光滑，筑埂质量非常好。改变弹性压片、塑性压片和推压成型辊的尺寸大小，即可改变所筑土埂的宽度和高度，以适应不同地区对土埂尺寸的不同要求。

本机所筑土埂的断面为梯形，高度300mm，上底顶宽300 mm，下底底宽650mm。

3联合作业机的制造

STZZ1-230型整地筑埂联合作业机实物图如图6所示。

图6　STZZ1-230型整地筑埂联合作业机实物照片

4主要技术参数

STZZ1-230型整地筑埂联合作业机的主要技术参数如表1所示。

表1　STZZ1-230型整地筑埂联合作业机的主要技术参数

5田间试验与结果

2014年10月，以拖拉机为动力源，对机具进行了田间整地筑埂作业试验。结果表明：当拖拉机的平均作业速度在1 000～1 500m/h时，所筑土埂效果良好。

为此，项目组成员采用北京盟创伟业科技有限公司生产的SL-TSB型高智能汉字显示土壤紧实度仪对此速度下所筑土埂的紧实度进行了测量，结果如表2所示。

表2　所筑土埂的紧实度

由表2可见：土埂紧实度的范围在98～115kPa之间，土埂左侧和土埂右侧的紧实度基本相当；土埂上面紧实度值虽然比土埂两侧略小，但其结实度也足够，即使体重100kg的人站在其上面，也不会发生坍塌，如图7所示。

图7　整地筑埂作业效果图片

采用北京盟创伟业科技有限公司生产的SU-LB型汉显土壤水分测试仪对所筑土埂效果满意的土壤湿度取样并进行了测定，其测量结果如表3所示。

表3　所筑满意土埂的湿度

由表3可见：获得满意紧实度土埂所需要的土壤湿度范围为25%～40%，此时整地筑埂效果最好。

可见，采用该机器可以完成整地、筑埂联合作业，所筑土埂光滑、平整，如图7所示。由图7可见：土埂紧实度足够，即使体重100kg的人站在其上面，也不会发生坍塌。该机一机两用，操作简单，作业成本低，工作效率高，为人工筑埂的几十倍，且作业成本低，仅为人工筑埂费用的20%左右。

6结论

新研制的STZZ1-230型整地筑埂联合作业机所需配套动力为60～100kW拖拉机，作业幅宽2 300mm，旋耕深度130～180mm，筑埂高度300mm，筑埂上顶宽300mm、下底宽650mm，作业速度1 000～1 500m/h，所筑土埂紧实度范围在100～115kPa之间。该机可在春天水稻插秧前，土壤的含水率为25%～40%的稻田上一次整地筑埂成型。

该机将整地与筑埂过程中的旋耕、集土、整形、拍实和压光等多道工序一次完成，而且所筑土埂外形规则、结实、美观，能够真正实现一机两用。使用该机可减少拖拉机作业次数，既提高了作业效率，又减少了油耗，适合于我国大面积平原水稻生产的整地筑埂联合作业的要求。同时，具有结构合理、生产效率高、油耗低、作业质量好、替代劳动力多、作业成本低及经济效益好等特点，一机双功能，符合当前水田机械发展的节本增效新方向。

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[14]赵丽萍，赵清来. 并列双轴整地筑埂联合作业机的设计[J].农机化研究,2013，35(10)：111-113.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0114-EA

Design and Manufacturing on Rotavating and Building Ridge Combined Work Machine in STZZ1- 230 Type

Zhao Liping, He Xinru， Zhao Qinglai， Dong Liangjie

(The Faculty of Technology and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract：In this paper, a kind of rotavating and building ridge combined work machine in STZZ1-230 type was designed and Manufactured on a rice paddy production. The tractor was used and land rotary tillage and ridging were completed at the same time. It mainly consists of the traction frame, machine frame, gearing parts, rotary parts, set shovel soil, building ridge squeezing parts，cylinder. Field tests have showed that the structure was designed reasonably and the support were provided to mechanization of rotavating and ridging combined work in paddy field.

Key words：rotavating; building ridge; a multi-purpose machine;combined work

文章编号：1003-188X(2016)02-0114-05

中图分类号：S222.5+3

文献标识码：A

作者简介：赵丽萍(1969-)，女，吉林乾安人，副教授，硕士，( E-mail)245042057@ qq．com。通讯作者：董良杰(1964-)，男，吉林梨树人，教授，博士，( E-mail)1278360576@ qq．com。

基金项目：吉林省科技厅项目(20120202)

收稿日期：2015-02-04