CN102918945A - 变曲率轮齿式破茬松土器 - Google Patents

Abstract

变曲率轮齿式破茬松土器属农业机械技术领域，本发明将传统圆盘类刀盘单元化，即采用组合刀片式结构，每个刀片在地表能够砍切和压制秸秆，入土过程中对土壤产生撬动、抬升的作用，出土过程将抬升的土壤逐渐释放，且不产生翻动；本发明既能提高耕作部件的破茬和入土性能，又能通过更换刀片(易损部件)提高其可维护性；合理优化刀片入土曲线保证刀片良好的滑切性能的同时保证刀片根部的强度要求；刀片选取弹簧钢板制成，可以定向弯曲扰动土壤，当受力减少时可恢复原状减少表层土壤破坏。

Description

变曲率轮齿式破茬松土器

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种变曲率轮齿式破茬松土器。

背景技术

少动土、少失墒是保护性耕作的基本要求。免耕施肥播种时，地表有秸秆残茬覆盖，并且土壤紧实，要求土壤工作部件具有良好的破茬、入土和松表土性能，以达到防堵和疏松种床的目的，为后续的施肥、播种开沟和覆土镇压创造良好的土壤条件。

目前，保护性耕作技术实施中所采用的破茬、松土技术的工作部件主要有以下几种。

1、驱动式破茬、松土耕作部件。该类部件主要包括旋耕(碎茬)刀片和动力驱动耙片两种，其原理是利用拖拉机的动力输出轴驱动旋转轴，通过安装在旋转轴上的旋耕碎茬刀片或缺口耙片旋转入土破茬、松土。动力驱动式耕作部件存在土壤扰动大、能耗高等缺点，属于传统耕作技术。

2、滚动式圆盘类破茬、松土耕作部件。该类部件主要包括波纹类圆盘刀和凹面圆盘耙片两种。其中，波纹类圆盘刀目前在农业发达国家中应用较为广泛，主要应用于免耕播种机上作为破茬、松土耕作部件。波纹类圆盘刀根据波纹的数量和幅宽又大致分为波浪形圆盘刀(wave coulter)、褶皱形圆盘刀(ripple coulter)。其中，波浪形圆盘刀波纹数量较少(一般为4～13个)，耕幅较宽，适合在土壤含水率较低的土壤作业；其缺点是：破茬和入土性能较差，波谷处易粘土且不易脱附，高速作业时，旋转的凸出波纹可将土壤抛离种床，不利于后继的播种作业。褶皱形圆盘刀能够改善波浪形圆盘刀上述缺点，但其耕幅较窄，松土效果较差。凹面圆盘耙片多应用于整地机具或耕播联合作业机上，主要用来平整土地、除草、疏松表土等，工作时耙片与前进方向有一定夹角，所以比波纹类圆盘刀牵引阻力大，而且动土量较大，回土性较差，可将秸秆、根茬和表土抛离原位，需要多组刀盘并排作业，不适合免耕播种作业。

所述的滚动式圆盘类耕作部件还经常遇到这类问题：由于农田条件复杂，工作时常会碰击坚硬石块，圆盘边缘极易崩裂，影响作业质量，由于不可修复致使整个刀盘报废。

发明内容

基于驱动式破茬、松土耕作部件具有土壤扰动大和能耗高的缺点，本发明的目的是提供一种新型滚动式的破茬、松土免耕播种耕作部件，相对现有滚动式圆盘类破茬、松土耕作部件，本发明部件具有更好破茬入土性能和松土效果，而且不扰动土壤耕层结构。

为了实现上述目的，本发明从触土工作部件与土壤相互作用的力学与运动学关系出发，结合保护性耕作技术特点，采取以下技术方案：

本发明由固定环I 1、固定环II 2、支架板I 3、支架板II 4、右刀片6、右刀盘7、左刀盘8、刀轴9、右轴承座总成5、左轴承座总成10、左刀片11、支架12、支架板Ⅵ13、支架板Ⅲ14和固定板15组成，其中支架板I 3和支架板Ⅲ14左端与固定板15固接，支架板I 3和支架板III14右端与支架板II 4和支架板Ⅵ13上端固接，支架板II 4和支架板Ⅵ13下端与支架12顶端固接；固定环I 1和固定环II 2与固定板15螺栓连接；本机构通过固定环I 1、固定环II 2安装在免耕播种机的机架横梁上。机具工作时(一般指免耕播种机)，左刀片11和右刀片6在支架12推力和土壤反力形成的力偶作用下产生转动。

左轴承座总成10中的左轴承座16和右轴承座总成5中的右轴承座19分别固接于支架12的左右两端；左轴承座总成10由左轴承座16、左轴承17、左弹性挡圈18组成，其中左轴承17的外圈与左轴承座16固接，左弹性挡圈18与左轴承17外圈的一侧连接；右轴承座总成5由右轴承座19、右轴承20、右弹性挡圈21组成，其中右轴承20的外圈与右轴承座19固接，右弹性挡圈21与右轴承20外圈的一侧连接；刀轴9两端分别与左轴承17和右轴承20的内圈过盈配合。

右刀盘7和左刀盘8固接于刀轴9，且以刀轴9中线为基准对称布置，右刀盘7和左刀盘8的间距为30～100mm；右刀片6和左刀片11均为4--8片，分别均布并固接于右刀盘7和左刀盘8表面，两组刀片轴向投影呈均匀交错分布；右刀盘7和左刀盘8一侧设计为斜面，斜面与右刀盘7和左刀盘8另一侧平面夹角β为0°～10°，右刀盘7和左刀盘8的直径D为150～240mm，右刀盘7和左刀盘8的厚度t₃为3～10mm，右刀盘7和左刀盘8的斜面朝向外侧。

所述的右刀片6和左刀片11的厚度t₁为1.5～4mm，右刀片6和左刀片11的长度l为12～200mm，右刀片6和左刀片11的宽度m为20～50mm，右刀片6和左刀片11的入土工作区间A一侧为斜面，其由上至下逐渐变薄至刃口的厚度t₂为0.5～1mm，右刀片6和左刀片11的另一侧为平面。

所述的右刀片6和左刀片11在入土工作区间A中具有切削刃口曲线B，其参数方程式为：ρ²-2bρcosθ＝r²-b²，

其中：ρ＝bcosθ+rsinτ，

ρ为曲线任意一点到回转中心即刀盘中心的距离，b为偏心距，r为偏心圆半径，θ为曲线任意一点和回转中心连线与偏心圆圆心和回转中心连线的夹角，τ为曲线上任意一点滑切角；方程式中30°≤τ≤50°，15°≤θ≤35°，140mm≤b≤240mm，80mm≤r≤160mm；刀片的刃口斜面终止曲线C与刃口曲线B平行，两条曲线间距即刃口斜面宽度n为5～15mm。

所述的右刀片6和左刀片11的材料为弹簧钢。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、将传统圆盘类刀盘单元化，即采用组合刀片式结构，这样设计既能提高耕作部件的破茬和入土性能，又能通过更换刀片(易损部件)提高其可维护性。

2、每个刀片在地表能够砍切和压制秸秆，入土过程中对土壤产生撬动、抬升的作用，出土过程将抬升的土壤逐渐释放，且不产生翻动。

3、合理优化刀片入土曲线保证刀片良好的滑切性能的同时保证刀片根部的强度要求。

4、刀片选取弹簧钢板制成，可以定向弯曲扰动土壤，当受力减少时可恢复原状减少表层土壤破坏。

附图说明

图1为变曲率轮齿式破茬松土器的结构示意图

图2为变曲率轮齿式破茬松土器的正视图

图3为刀盘示意图

图4为左刀盘和右刀盘与刀轴安装的示意图

图5为左刀片正视图

图6为左刀片侧视图

图7为右刀片正视图

图8为右刀片侧视图

图9为左轴承座总成图

图10为右轴承座总成图

图11为刃口曲线参数图

图12为变曲率轮齿式破茬松土器上任意两个刀片运动轨迹的轴向投影图

图13为变曲率轮齿式破茬松土器上任意两个刀片运动轨迹的运动方向投影图

图1--图10中：1.固定环I  2.固定环Ⅱ  3.支架板I  4.支架板II  5.右轴承座总成  6.右刀片  7.右刀盘  8.左刀盘  9.刀轴  10.左轴承座总成  11.左刀片  12.支架  13.支架板Ⅵ  14.支架板Ⅲ  15.固定板  16.左轴承座  17.左轴承  18.左弹性挡圈  19.右轴承座  20.右轴承  21.右弹性挡圈

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述：

图1、图2所示变曲率轮齿式破茬松土机构结构示意图，由固定环I 1、固定环II 2、支架板I 3、支架板Ⅱ4、右轴承座总成5、右刀片6、右刀盘7、左刀盘8、刀轴9、左轴承座总成10、左刀片11、支架12、支架板Ⅵ13、支架板Ⅲ14和固定板15组成，其中支架板I 3和支架板Ⅲ14左端与固定板15固接，支架板I 3和支架板Ⅲ14右端与支架板Ⅱ4和支架板Ⅵ13上端固接，支架板I4和支架板Ⅵ13下端与支架12顶端固接；固定环I 1和固定环II 2与固定板15螺栓连接。每个刀盘中安装6把刀片，两个刀盘焊合后孔位相差30°，两个刀盘内表面的距离a为40mm，每片刀盘有直径为11mm的6组安装孔，每组2个孔，成径向分布，中心距为28mm。每组通过螺栓安装一把刀片。刀盘固定在刀轴9上，在轴向上两个刀盘保持一定距离。刀轴通过轴承座总成安装在支架1上。支架1通过U型螺栓将本机构安装在免耕播种机的机架横梁上。工作时刀片的刃口曲线B侧先接触土壤，将地表上的秸秆或根茬切断、破开，进而切入土壤。

图3所示，两片刀盘的斜面朝外固定在刀轴9上，两片刀盘轴向上保持一定距离，距离a在40mm。两组左右对称的刀片4通过刀盘上的安装孔安装在两个刀盘斜面上，两组刀片轴向投影呈交错均匀分布(如图1所示)，机构运动方向投影呈向内侧倾斜(如图2所示)。

图4刀盘的一侧设计有斜面，刀盘的斜面和直面间的夹角β为3°，刀盘厚度10mm，刀盘直径200mm。

图5、图6、图7、图8所示，所述的两组刀片为左右对称，其厚度t₁为3mm。刀片的长度l为160mm，刀片的宽度m为50mm。刀片入土工作区间A一侧为斜面，其厚度由上至下逐渐变薄至刃口厚度t₂为1mm；刀片的另一侧为平面。工作时，刀片的刃口曲线B先接触地表。

图9左轴承座总成10由左轴承座16、左轴承17、左弹性挡圈18组成，其中左轴承17的外圈与左轴承座19固接、左弹性挡圈18与左轴承17外圈的一侧连接。

图10右轴承座总成5由右轴承座19、右轴承20、右弹性挡圈21组成，其中右轴承20的外圈与右轴承座19固接、右弹性挡圈21与右轴承20外圈的一侧连接。

图11所示，所述的刀片在入土工作区间A中具有切削刃口曲线B，该曲线采用偏心圆弧的形式，偏心圆参数方程为：ρ²-2bρcosθ＝r²-b²，其中ρ＝bcosθ+rsinτ，

ρ为曲线任意一点到回转中心即刀盘中心的距离，b为偏心距，r为偏心圆半径，θ为曲线任意一点和回转中心连线与偏心圆圆心和回转中心连线的夹角，τ为曲线上任意一点滑切角。式中40°≤τ≤50°，24°≤θ≤27°，b=152mm，r=95mm。刀片的刃口斜面终止曲线C和刃口曲线B平行，两条曲线间距即刃口斜面宽度n为10mm。

刀片材质选用65Mn弹簧钢，经处理后硬度应达到39～47HRC，并在刀片区间A平面侧(产生弯曲变形时的凹面区域)进行喷丸处理，并且作强压处理至不再有显著的剩余变形，以提高使用寿命。

左右两组刀片在刀盘周向上呈均匀交错分布，工作过程中，左右刀片依次旋转砍切秸秆、入土。在没有限深轮的情况下，本机构刀片的转动同时存在滑移和滑转两种倾向。当土壤较为坚硬时(土层在5cm之内，平均坚实度值大于1.2Mpa)，主要体现为滑移。由于本机构应用于免耕播种机等保护性耕作机具上，作业土壤没有经过耕整地机具的耕作，土壤较为坚硬，而且，为了保证松土深度，一般加有限深装置，所以，本机构在实际工作中会产生滑移现象。

图12和图13表示当本机构工作时，其任意相邻左右两个刀片从入土到出土时的运动轨迹简图(分别用实线和虚线表示)，滑移率设为0.1。图12中两个刀片在土壤中的运动轨迹轮廓线，中间视图为用样条曲线圆滑地将左视图中刀片在地表以下的运动轨迹包络起来，即刀片在轴向投影面上的实际作用范围。图13为刀片在运动方向上的投影。

结合图12、图13，具体说明本机构刀片入土后对土壤的实际作用如下：

刀片入土的过程中，刀片产生向内侧弯曲，刀片对土壤具有向内侧挤推的作用。随着入土深度的增加刀片的弯曲程度随之也增加，刀片长度方向和水平面间夹角也逐渐增大，对土壤轴向的挤推作用和竖直向上抬升作用也逐渐增大。当刀片长度方向和土壤垂直时，两个方向上对土壤的作用效果均达到最大。刀片出土的过程中，土壤作用在刀片的弯矩逐渐变小，在刀片自身弹性的作用下，工作区间A的曲率逐渐减小，被挤推和抬升的土壤在重力的作用下逐渐回落。土壤层在这种一升一落和挤推以及弹性刀片所产生的振动的作用下，能够产生断裂、散落的效果，从而达到了疏松土壤，而不改变耕层结构的目的，有利于土壤保墒，符合保护性耕作的技术要求。

Claims (4)

1.一种变曲率轮齿式破茬松土器，其特征在于由固定环I(1)、固定环Ⅱ(2)、支架板I(3)、支架板II(4)、右刀片(6)、右刀盘(7)、左刀盘(8)、刀轴(9)、右轴承座总成(5)、左轴承座总成(10)、左刀片(11)、支架(12)、支架板Ⅵ(13)、支架板Ⅲ(14)和固定板(15)组成，其中支架板I(3)和支架板Ⅲ(14)左端与固定板(15)固接，支架板I(3)和支架板Ⅲ(14)右端与支架板II(4)和支架板Ⅵ(13)上端固接，支架板II(4)和支架板Ⅵ(13)下端与支架(12)顶端固接；固定环I(1)和固定环II(2)与固定板(15)螺栓连接；左轴承座总成(10)中的左轴承座(16)和右轴承座总成(5)中的右轴承座(19)分别固接于支架(12)的左右两端；左轴承座总成(10)由左轴承座(16)、左轴承(17)、左弹性挡圈(18)组成，其中左轴承(17)的外圈与左轴承座(16)固接，左弹性挡圈(18)与左轴承(17)外圈的一侧连接；右轴承座总成(5)由右轴承座(19)、右轴承(20)、右弹性挡圈(21)组成，其中右轴承(20)的外圈与右轴承座(19)固接，右弹性挡圈(21)与右轴承(20)外圈的一侧连接；刀轴(9)两端分别与左轴承(17)和右轴承(20)的内圈过盈配合；右刀盘(7)和左刀盘(8)固接于刀轴(9)，且以刀轴(9)中线为基准对称布置，右刀盘(7)和左刀盘(8)的间距为30～100mm；右刀片(6)和左刀片(11)均为4--8片，分别均布并固接于右刀盘(7)和左刀盘(8)表面，两组刀片轴向投影呈均匀交错分布；右刀盘(7)和左刀盘(8)一侧设计为斜面，斜面与右刀盘(7)和左刀盘(8)另一侧平面夹角β为0°～10°，右刀盘(7)和左刀盘(8)的直径D为150～240mm，右刀盘(7)和左刀盘(8)的厚度t₃为3～10mm，右刀盘(7)和左刀盘(8)的斜面朝向外侧。

2.按权利要求1所述的变曲率轮齿式破茬松土器，其特征在于所述的右刀片(6)和左刀片(11)的厚度t₁为1.5～4mm，右刀片(6)和左刀片(11)的长度l为12～200mm，右刀片(6)和左刀片(11)的宽度m为20～50mm，右刀片(6)和左刀片(11)的入土工作区间A一侧为斜面，其由上至下逐渐变薄至刃口的厚度t₂为0.5～1mm，右刀片(6)和左刀片(11)的另一侧为平面。

3.按权利要求1所述的变曲率轮齿式破茬松土器，其特征在于所述的右刀片(6)和左刀片(11)在入土工作区间A中具有切削刃口曲线B，其参数方程式为：ρ²-2bρcosθ＝r²-b²，

其中：ρ＝bcosθ+rsinτ，

ρ为曲线任意一点到回转中心即刀盘中心的距离，b为偏心距，r为偏心圆半径，θ为曲线任意一点和回转中心连线与偏心圆圆心和回转中心连线的夹角，τ为曲线上任意一点滑切角；方程式中30°≤τ≤50°，15°≤θ≤35°，140mm≤b≤240mm，80mm≤r≤160mm；刀片的刃口斜面终止曲线C与刃口曲线B平行，两条曲线间距即刃口斜面宽度n为5～15mm。

4.按权利要求1所述的变曲率轮齿式破茬松土器，其特征在于所述的右刀片(6)和左刀片(11)的材料为弹簧钢。

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