微耕机旋耕刀具结构特点及性能优化探讨
赵建军
摘 要：微耕机在我国农业生产中应用较为广泛，在山地、丘陵、果园等地区的应用效果好，能有效替代传统的人力劳动，有利于农业机械化的普及与生产效率的提升。针对微耕机的应用情况和原理进行了研究，在此基础上给出了现阶段微耕机旋耕刀具的结构形式和关键技术特点，并对刀具的功能结构进行了优化和技术分析，有利于提高微耕机的作业效率和效果。
关键词：微耕机;旋耕刀具;结构特点;性能;优化
中图分类号：S222.3??????? 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.003
随着我国农业生产过程中农业机械日渐普及，要进一步提高农业机械化程度，在继续推进中大型农机具普及的同时，也应重视研究和推广适合丘陵、山地等使用的小型农业机具。微耕机是一种适用于地形复杂农田、水田、果园等使用的半自动化农机具，根据不同微耕机的结构特点，其能够进行旋耕、犁耕、开沟、覆土等多种耕整地农业生产项目，部分机型还能完成播种、除草、植保等相关作业，具有灵活性好、质量轻、对地形适应能力强的优点。就目前农业生产中使用的微耕机技术来说，其产品成熟度仍不高，还有较大的技术提升空间，因此，针对微耕机旋耕刀具的结构进行研究，对其进行了一定的优化与改进。
1 微耕机的技术特点与结构
根据微型耕耘机机械部标准：JB/T 10266-2013的要求，将功率小于或等于7.5 kW的耕地机械定义为微耕机，市场上使用的微耕机动力通常在2.4～6.7 kW，常规微耕机的主要结构如图1所示，关键部件包括了柴油机、离合器、侧方变速箱、手扶方向盘、中央减速器、旋耕刀组等部件。微耕机工作的主要动力来自于柴油机，以满足行驶和刀具运转所需的动力，行驶的方向通过手扶方向盘控制，同时在手扶方向盘附近驾驶员还能对部分机具状态进行调整。侧方变速箱和中央减速器用于不同的动力传递要求，用以改变刀具旋转速度和行驶速度，通过限深装置的调节还能实现耕深的调整。在实际工作中，旋耕刀轴接收到柴油机提供的动力后，刀轴带动旋耕刀片转动，使其由上向下切削土壤，在前進过程中，耕地土壤依次被切碎，并向后方抛洒，被挡泥板阻挡后，松散的分布于耕地表面，从而达到翻耕土壤的目的。
2 旋耕刀具的结构及特点
微耕机的旋耕刀采用与刀轴固定的安装形式，工作中由刀轴带动刀片旋转作业，从而完成将土壤切割、破碎、翻搅的工作任务。旋耕刀具工作时由刀具的刃缘部分对土壤进行切割作用，而通过正切部分内表面的楔角和侧切部分与已切土壤接触的侧面实现破碎土壤和抛掷功能。对于不同的土壤条件，应选择不同形状规格的刀具进行作业，以满足在不同湿度、杂草条件下的耕地要求。现阶段微耕机产品所使用的旋耕刀具按照其几何结构可分为以下三大类：
（1） 凿形旋耕刀片，结构如图2a所示。通过刀片正方向的凿形刃口实现对土壤的切割，由于其作业时与土壤接触面积较小，入土能力较强，能实现松土的作业要求，且作业过程功率损耗小，经济性好。但作业过程中存在土块细碎不彻底问题，且由于刀刃直且狭窄，作业过程易缠绕杂草，影响作业质量和效率。
（2） 直角形旋耕刀片，结构如图2b所示。直角形刃口由两部分构成，分别为正切刃和侧切刃，两部分大体呈90°夹角关系，旋耕刀具作业时，先由与地面平行的正切刃将土壤延微耕机前进方向切开，再利用侧切刃切出土垈的侧面。直角形旋耕刀片相对于凿形旋耕刀片具有更好的切土和碎土能力，且能适用于较硬的耕地土壤，在旱田微耕作业应用较多。但其结构形式也易缠绕杂草，在一定程度影响作业效率和质量。
（3） 弯形旋耕刀片，结构如图2c所示。弯形旋耕刀片采用了曲线形式的刀刃使刃口变得更长，根据刃口所处位置也可将其刃口分为正切刃和侧切刃两部分。旋耕刀具转动时，侧切刃沿着机具的行进方向先对土壤产生切割，土壤最先与回转轴中心较近的刃口相接触，在曲线形状刀刃的作用下，由正切刃将土壤彻底切碎翻动。因弯形旋耕刀片侧切刃呈弧形，旋转过程会产生一定的滑切，能有效将田间杂草切断，避免缠绕，适用于杂草较多的耕地使用。
3 微耕机旋耕切土关键参数
由于弯形旋耕刀片具备更广泛的适用性特点，因此，本文后续研究主要针对弯形旋耕刀片展开。
3.1 切土深度
切土深度H在实际作业时受到机具行驶速度、旋耕刀具旋转半径以及刀具回转角速度等因素的共同影响，通常情况下符合下式特点
3.2 切土节距
切土节距主要是指在纵向切割面内刀片沿着机具前进方向切下的土块厚度，用M表示，其影响因素关系如下式所示
式中vm—旋耕机行驶速度（m·s-1）;
z—旋耕刀数;
n—刀轴转速（r·min-1）。
由式（3）可知切土节距主要受到旋耕机行驶速度、旋耕刀数和刀轴转速的共同影响，通常情况下，若切土节距过大，会引起土块厚度增大，不仅作业过程的阻力增加，而且对土壤的细碎效果产生不良影响，因此，应根据作业耕地需求合理选择或调整作业参数，以达到作业效率和耕地品质的统一。
4 旋耕刀具的性能优化方向
4.1 刀具曲线的优化
由于旋耕机刀刃主要是利用正切刃将土壤切开、破碎并翻起，并利用侧切刃的滑切作用将杂草切断，从而起到翻耕土壤、防止缠绕杂草的工作要求。旋耕机刀刃的曲线形式直接关系到作业过程所受阻力情况和土壤翻耕细碎的实际质量。现阶段所使用的弯形旋耕刀片刃口多采用空间曲线的形式，正切刃刀面与侧切刃刀面经曲线平滑过渡最大呈接近120°左右的夹角。在生产制造过程中，先将正切刃的展开结构加工在金属板材上，经特定弯折后形成统一的空间曲线。
现阶段的刀具曲线加工多采用试验方式获得最佳效果，在实际应用过程中还有较大的提升空间。为保证使用过程具备最低能耗、最高效率和良好的防缠草效果，在设计刀刃的空间曲线时，可选用回旋线作为刃口设计的基础，并保证空间曲线曲率变化的连续性，避免旋耕作业过程中与土壤作用力发生突变，进而保证微耕机良好的使用性能。
4.2 刀片弯折角度优化
刀片转角、速度比、耕深等很多因素直接影响着旋耕刀具的工作质量和能耗情况，由于正切刃与侧切刃的功能不同，设计过程的侧重点也不同。通常情况下正切刃要求具备良好的碎土和翻耕能力，同时尽可能地减小作业过程中的阻力，因此正切刃的刀刃阻力是刀具设计过程中的重要事项，在实际生产和计算机仿真过程中证实，旋耕刀具刀刃的切土阻力与刀片弯折角度有很大关系。折弯角的大小直接影响到翻耕土壤的深度和向后抛洒土壤的状态，良好的折弯角度能在前刀作业后显著降低后刀作业的阻力，从而实现平均耕作阻力的降低，同时延长刀片的使用寿命。
经计算机仿真和实践试验，旋耕刀具刀片的最佳折弯角度范围在118°～130°之间，为保证刀具具有良好的滑切效果，建议刀具选择的折弯角度在125°左右，在保证良好耕深的前提下，有效实现翻耕土壤和切碎杂草的功能需求。
5 结论
在我国机械技术水平不断提升的支撑下，微耕机的技术研究也应突破传统的技术壁垒，向着更加自动化和人性化的方向发展，在满足基本功能和不断优化的前提下，相关研究和设计人员还应重视微耕机产品的系列化和模块化开发，研究通过刀具的快捷更换实现对旱地、水田、果园、大棚等不同生产场景的高度适应，以实现微耕机产品的高效率科学化使用，保证农业机械化生产的顺利开展与农机化水平的不断提升。
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