小型水田耕耙平地机旋耕刀系统原理分析

范永锋 房灿松 崔新德

摘 要：小型水田耕耙平地机旋耕刀系统是作业时的主要部件，为了更好的完成小型水田耕耙平地机的工作情况任务，有必要对其工作原理做进一步详尽的分析。

关键词：旋耕刀；工作原理

一、 旋耕刀系统结构原理

小型水田耕耙平地机是耕粑平地为一体的农业机械，是与15马力拖拉机配套工作的设备，作业一次就可达到土碎地平的效果，在水田中旋耕后即可直接插秧。

1.1 旋耕刀轴结构原理

刀轴有整体式和组合式两种，整体式的刀轴为一段完整的轴而组合式刀轴由多节管轴通过接盘连接而成，组合式特点是通用性好，可以根据不同的幅宽要求进行组合。考虑到本课题设计的特点，耕幅为1.2m，且和固定型号的手扶拖拉机配套使用，因此用整体式刀轴更为经济合理。组合式刀轴，其适用于大中型机型[1]。

1.2 旋耕刀结构原理

旋耕刀是旋耕刀系统的主要工作零件，目前的旋耕刀主要有凿型刀、直刀、弯刀。

凿型刀正面有凿型刃口，有较好的入土性能。工作时凿尖首先刺入土壤，然后在刀身作用下使土壤破碎；直角刀刃口由正切刃和侧切刃组成，两刃口相交成 左右，工作时先由正切刃从横向切开土壤，再由侧切刃逐渐切土。凿型刀和直刀对土壤均有较大的松碎作用，但草茎易缠于刀轴，其中凿型刀尤为严重。弯刀可有效解决缠草问题，所以應用最为广泛（本设计也将采用弯刀）。旋耕刀是按螺旋线安装在水平刀轴上，刀轴与拖拉机轮轴平行，由拖拉机输出轴经万向节、两级链传动驱动转动完成耕耙作业[2]。

1.3 刀裤原理结构

旋耕刀在刀轴上的安装有刀裤和刀盘两种形式，刀裤又有直线型和曲线型两种，直线型容易缠草而曲线型刀裤滑草性能好但制造工艺复杂。

二、旋耕刀运动原理

旋耕刀随刀轴转动自地面从上向下切削土壤，由于拖拉机的前进，旋耕刀不断进入未耕土壤，切下的土块被抛向后方，与罩壳、托板相撞击，进一步破碎再落到地面，最后由拖板拉平因而碎土充分，地面平整。

旋耕刀的绝对速度时刀轴旋转和旋耕机前进二运动的合成，以刀轴旋转中心为原点建立坐标系，x轴正向和旋耕机前进方向一致，y轴正向垂直向下。

设旋耕刀刀的线速度为V，旋耕机前进速度为 ，V=Rω， ω为刀轴旋转角速度，R为旋耕刀的旋转半径。开始运动时刀片端点位于前方水平位置与x轴正向重合，则旋耕刀端点运动方程为[3]：

（t为时间）（1.1）

式1.1对时间求导，可求得刀片端点在x轴和y轴方向的分速度：

（1.2）

刀片端点绝对速度大小为：

（1.3）

为了分析问题的需要，用速比系数λ来表示旋耕刀转速与拖拉机前进速度的关系，定义速比系数 ：

（1.4）

λ的大小对旋耕刀运动轨迹及旋耕机工作状况有重要影响。将λ代入速度式中得：

（1.5）

由式1.5分析，当 λ=1时， ，则不论旋耕刀运动到什么位置，均有Vx>0，即刀片端点的水平速度始终与旋耕机前进方向相同，这时旋耕刀不能向后抛土而出现向前推土的现象，是旋耕机不能正常工作。如果 λ >1，则当旋耕刀运动到一定位置时，就会出现Vx<0的情况，即刀端点水平速度与旋耕机前进方向相反，从而使旋耕刀能够向后切削土壤，所以旋耕刀正常工作的条件是λ >1，而且不同的 值对切土形状有重要影响。据资料介绍，当λ=3时，刀片切出的土块很大，不能满足农业对耕地的要求；当 λ=6时土块形状已经成月牙形了，土块也小了很多，基本能满足农耕要求，由此分析可见λ值越大切土越细，碎土效果越好。我所设计的水田耕耙平地机旋耕刀系统除了具有耕耙功能外，还需要具有除茬功能，因此要求旋耕刀轴转速比一般旋耕机要高，所以我的设计将λ进一步提高，可达到极好的碎土、除茬效果。

为初步确定刀轴的转速范围现将λ暂定为12（具体数值需待传动系统的传动比定下后再确定，保证大于6即可）。上面分析的λ与所切土块形状关系及旋耕刀如图1.5，其中S表示土块厚度，R表示刀半径，刀半径是刀轴回转中心到刀片端点的距离，刀半径的确定主要考虑旋耕的最大深度，在满足耕深的前提下刀半径要尽可能小，使刀的线速度不致过大，避免增加旋耕功率的消耗，同时也可使整个机构重量减轻，我所设计的小型水田耕耙机工作环境在有水的田地里，耕深要求达到10m以上，再结合小型机功率小的特点所以初定旋耕刀半径为245mm。

由以上分析，旋耕刀切下的土块是由旋耕刀与拖拉机共同运动的结果，旋耕刀转速和拖拉机前进速度的快慢就决定了土块形状。耕刀转速大而拖拉机前进速度小时，土块细小；旋耕刀转速小而拖拉机前进速度大时，土块粗大。图1.6为所切土形状图，其中S表示土块厚度，a表示耕深，b表示耕幅旋。

下面确定刀轴转速范围，小型水田耕耙平地机作业幅宽1.2m，生产率0.18～0.3公顷/小时，据此可算出拖拉机前进速度为0.417～0.694m/s，再由速比系数λ （λ=12），可计算出旋耕刀线速度为5.04～8.33 m/s，由公式2.6可确定刀轴转速范围为194～324 r/min。

（r=245mm）（1.6）

三、旋耕刀的排列原理

旋耕刀在刀轴上的排列是影响耕作质量及功率消耗的重要因素之一。旋耕刀在刀轴上是按螺旋线排列的，小型水田耕耙平地机采用的是侧面传动，因此旋耕刀的排列是连续的，只要旋耕刀的设计保证有一定宽度，漏耕问题便可以解决。

旋耕刀的排列应使旋耕机作业时受到的阻力小、耕作质量好、刀轴受力均匀，避免堵塞现象的发生。在同一回转平面内， 需要配置两把以上的刀片， 并且要求每切割小区内几把弯刀的切土量相近，以保证碎土质量好，耕后沟底平整。在刀轴回转一周过程中，刀轴每转过一个相等的角度时，在同一相位角，必须是只有一把弯刀入土，这样可以使扭矩较为均衡，减少扭矩波动幅度，保证工作稳定性和刀轴负荷均匀，刀需具有一定的宽度加上合理的排列以保证不发生漏耕现象 [4]。

左右弯刀的安装方法有内装法、外装法和混合装法。内装时所用弯刀都朝向刀轴中央，耕作后地面中央凸起；外装时，除最外面的刀内装外其余刀片全部向外装，耕作后地面中部凹下；混合装法，刀片内外交错排列，耕作后地面平整。由此分析安装方法选混合装法较好[5]。

四、结论

本章对小型水田耕耙平地机旋耕刀系统的原理进行了分析，初步确定了设计方案。首先对旋耕刀及刀裤、刀轴的结构原理的分析确定了旋耕刀和刀裤的类型，然后通过对旋耕刀运动原理的分析，确定了旋耕刀轴的转速，最后分析了旋耕刀排列原理。

参考文献：

[1] 葛云.微型旋耕机主要工作部件的应力仿真[D].石河子大学，2005.

[2] 杨玉栋，徐浩.旋耕机的旋耕刀怎样排列和安装[J].农业装备技术，2008，5：32-35.