微型耕作机的结构优化设计-以合盛1Z-135型微耕机为研究对象
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135
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第 IX 页微型耕作机的结构优化设计文献综述摘要：随着我国农业机械化的发展，由于市场的需求，适用于丘陵、山地的微型耕作机的结构优化设计已成为目前研究的重点,微型耕作机的使用操作简单，耕作效率高以及性能好。本文以合盛1Z-135微型耕作机为研究对象，对微型耕作机的部分结构进行了一定的创新优化改进，使之更加人性化。在广泛收集资料的基础上，对国内外微型耕作机的研究现状进行对比和分析，论证了微型耕作机的设计方案，重点进行对发动机以及消声器进行选型，传动部分的设计，工作部件的设计以及对微型耕作机安全性能的设计。同时，本文也从人机工程学的角度对微型耕作机的人性化设计提出了部分可行性设计改良建议。关键词：微型耕作机；结构优化；设计Abstract:With the development of agricultural mechanization in our country, due to the demand of the market, is suitable for the hills, mountains of miniature farming machine structure optimization design has been the focus of the present study, the use of miniature farming machine operation is simple, the cultivation of high efficiency and good performance. In this paper, the design of the 1z-135 micro-cultivator is studied, and the overall structure of the micro-cultivator is optimized and optimized to make it more humane. On the basis of widely collecting data, the research status quo of miniature farming machine at home and abroad were reviewed and comparison and analysis, demonstrates the design of miniature farming machine, focus on the engine type selection, the design of the transmission parts, the design of working parts and to the design of miniature farming machine safety performance. At the same time, this paper also puts forward some Suggestions for the feasibility design of miniature cultivator from the perspective of man-machine engineering.Key words:micro-cultivators; Structure optimization; design1 前言在现代农业生产中，对于丘陵和山地的翻耕，农民离不开先进适用的微型耕作机。运用它来改善农业生产条件，减轻劳动强度，提升农业生产效率，进而推动农业的发展。随着农业机械化的大力推广，微型耕作机操作简单、成本低，适应山区丘陵耕作。微型耕作机是指功率7.5KW，可直接用动力结构驱动旋转工作部件运转，主要用于果园、菜地、丘陵坡地等作业而设计的农机产品。由于其结构紧凑、操作灵活、维修方便等特点，因而广泛应用于丘陵的旱地、果园、菜地以及烟地的旋耕等环境的耕地作业。微型耕作机以柴油机或汽油机为动力，它可以在田间自由行使，便于人们使用和存放，省去了大型农用机械无法进入山地的烦恼，是广大农民消费者替代牛耕的最佳选择。微耕机在国内生产和销售的机型主要有两款：一款是由风冷汽油机或水冷柴油机作为动力，皮带或链条式齿轮箱作为传动装置，配以耕作宽度为500-1200mm的旋耕刀具，价格一般在2000-3500元之间，经济性较好，但多用途扩展能力有限，结构也较为简单，适合经济条件较差，用途较为简单的地区使用。 2 微型耕作机国内外发展现状2.1国外微耕机的发展状况2.1.1 机型与功能国外小型微耕机械发展较早，目前主要以日本、韩国、意大利、法国和美国等国家的产品为代表，配套动力为 1.475.88kW 汽油机或柴油机，普遍采用 2.25.1kW 动力。欧洲国家的产品以园艺作业为主，主要功能有旋耕、剪草、清雪、粉碎、短距离运输等。而亚洲国家的产品则以农业作业为主。如日本、韩国和我国台湾的产品中，日本机型兼顾水旱地两用，可进行翻地、旋耕、起垄、铺膜、开沟、播种及水田平整等；韩国和台湾机型则以旱地 ( 果园、菜地、温室大棚及其他小块地)作业为主。韩国机型的显著特点体现在多功能方面，其典型代表机型为亚细亚多功能管理机。该机除了可进行耕整地、栽植、开沟、起垄、铺膜、中耕锄草、施肥培土、抽水、喷药及短途运输作业外，还可进行粉碎、稻麦收割、根茎收获等 20 多项作业。2.1.2 结构欧洲机型的发动机动力轴多向后输出，通过一对难齿轮与轮(刀)轴齿轮箱联接，并通过传动轴驱动剪草机、清雪机和粉碎机等小型机具。这时扶手转到发动机前面，其优点是整机结构紧凑，但驱动一些农用机具时传动不太方便，工作部件安装不好布置。日本、韩国和我国台湾机型的发动机输出轴向一侧布置，通过两根胶带与轮(刀)轴齿轮箱联接，并利用胶带或链条驱动各种作业机具。我国台湾机型结构相对简单，外观也较日本和韩国产品有些差异。亚洲 3.7kW 以上机型在旱地深旋作业时多采用搅刀，其特点是松土性能好，旋土深，碰到石头或硬物能避让，不会损坏刀具。其缺点：一是碎土性能稍差；二是功率消耗较大。所以，动力小的机型不宜采用这种刀型。2.1.3 特点国外机型大部分都具有以下主要特点：小巧、灵活、外形美观、操作方便；采用排放量低的小型汽油机或柴油机为动力；可方便、简单、快速地更换多种工作部件，完成多项作业。2.2 国内微耕机的发展历程2.2.1 起步阶段我国很早就开始了微耕机的开发，但由于多种原因没有形成产品，直到 20 世纪 80 年代末和 90年代中期，随着土地联产承包责任制的发展、农民收入的提高，以及我国小型柴油机和汽油机趋于成熟，我国多功能微耕机的发展开始起步。这一时期，主要是仿照国外产品，但由于材料、热处理工艺和国外的差距，所以刚开始时齿轮箱和刀具部分存在的问题比较多，微耕机工作不长时间，齿轮箱就发热严重、漏油或齿轮损坏，还有旋刀不入土、刀片易断裂等故障。2.2.2 发展阶段20 世纪 90 年代中期至 2001 年，随着我国农村种植结构的调整、工厂化设施农业的迅猛发展、经济类作物种植面积的增加，以及农民收入的不断提高，我国多功能微耕机有了较大发展。这一阶段，除了许多农机厂和农机研究所外，一些发动机厂、拖拉机厂、机床厂、林业机械厂、汽车配件厂和摩托车厂等也都纷纷涉足微耕机行业。众多厂家依据自身的特点，开发和生产了不同类型的微耕机，有的还根据当地农作物的种植特点给微耕机增加了一些新功能，比如开发了一些用于套种的配套机具等。这一时期，几家合资或独资的微耕机生产企业在我国的建立，也大大促进了我国微耕机行业的发展。韩国亚细亚公司在山东寿光合资建立了亚细亚(潍坊)农业机械有限公司，生产亚细亚多功能管理机；韩国大兴工业株式会社在沈阳合资成立了沈阳金牛大兴机械有限公司，生产金牛大兴万能管理机；台湾企业在山东潍坊独资成立了潍坊杰农机械有限公司，生产杰农系列微耕机，并和国内有关单位在北京顺义合资成立了北京元凯机械制造有限公司，生产小牛系列管理机。2.2.3 成熟阶段从 2002 年起约 5 年时间里，我国的微耕机应该处于成熟阶段，机型和质量将基本稳定，生产厂家的数量也将趋于稳定。目前，国内厂家生产的微耕机产品从地域上可分为南方型和北方型。南方机型结构形式以参照欧洲的机型为主，在旋耕刀具方面又吸取了日本产品的特点，初期以水田作业为主，逐步发展成水旱兼用，代表机型为广西蓝天和重庆合盛等微耕机产品；北方机型以参照韩国和我国台湾的机型为主，代表机型有山东华兴机械集团生产的 TG 系列多功能田园管理机、北京多利多公司生产的 DWG 系列微耕机等。从性能和功能上可分为两种类型：一类是功能少(动力小于 3.7kW、配套机具少)、操作不够方便(手把不能调节、无转向离合器、前进和后退挡位少等)的机型，称之为简易型微耕机，因其价格低(主机售价低于 3000 元/台)，销售量逐步增加；另一类机型功能较多(可配套机具多)，使用可靠性高，操作方便，称之为标准型微耕机(主机售价为 40007000 元/台)。3 我国微耕机发展存在的问题3.1 规模小、成本高目前，我国生产微耕机的厂家众多，但现阶段市场总量并不大。据估计，2001 年全国微耕机总销量为 2 万台左右，平均每个生产企业的年销量不到200 台，最多的也不过 2000 台，少的只有几十台。在这种情况下，一方面企业没有效益，而另一方面，农民认为微耕机价格太高。3.2 主机机型相对较多,配套机具相对较少虽然国内生产微耕机厂家众多 , 但大部分生产厂家并未正确分析和评估微耕机在市场中的地位和发展趋势, 一哄而上, 一味地仿制国外产品 , 在主机型的设计研发方面缺少统一标准 , 造成了市场上微耕机产品良莠不齐 ,品牌众多。3.3自重偏大,耕作不便微耕机的耕作对象是小面积土地 , 由于微耕机自重偏大, 在耕作时转弯不便 ,越埂困难 , 旋耕刀片不能进入边角地带作业 , 重耕漏耕现象严重, 导致耕作效果不理想。3.4功能单一,使用水平低大多微耕机功率小 , 功能单一 , 耕作方式相对较少 ,只能在小面积土地旋耕和犁耕作业;耕作部件可靠性不高 ,耕作效率低 ,微耕机未尽其用 , 使用水平较低 ,造成了资源的闲置浪费。3.5理论研究不完善由于微耕机的开发和推广时间较短 , 涉足微耕机的生产单位大多仿制他人产品 , 没有对微耕机耕作机理和动力性能等进行深入研究 ;同时受到微耕机制造工艺水平较低的影响, 使微耕机存在耕作性能不稳定、舒适性不好和耕作部件可靠性不高等不足。3.6 使用水平低，维修成本高使用不当是造成机器故障的一个重要因素。其一是机主为了减少费用，往往不使用规定标号的燃油，再加上一些地区燃油品质较差，使发动机经常出现故障。其二是长时间超负荷作业，工作环境差。由于长时间连续大负荷作业，同时由于棚内环境很差，气温高，尘土飞扬，发动机滤清器堵塞(加高滤清器可减轻堵塞)等，造成了发动机发热严重，活塞环和缸体急剧磨损；长时间超负荷作业也造成刀轴、齿轮箱严重发热，并出现问题。造成发动机发热的另一因素是某些发动机消音器的位置设置不合理。其消音器布置在发动机贴近缸体的一侧，不仅影响缸体散热，还起加热作用，这在间断性或短时间工作时表现不太明显，一旦连续长时间大负荷作业，问题就突出了。此外，风冷柴油机和汽油机没有缸套，一旦出现“拉缸”等问题，就要更换整个缸体，加上维修工时费等，用户要花费 700800 元。有些厂家修理此类机器时，先镗缸，再加缸套，以此来降低成本。水冷发动机相对成本就低多了，而且故障少 (不易发热)。即使发生故障，换个缸套也就几十元。4 我国微耕机的发展趋势(1) 研制的机型必须考虑我国地区差异和农村经济收入的差异。微型耕作机应有专用型和通用型。不同地区作物种植类型不同，专用机型的功能设置也不相同，其总的特点是功能少而其结构简化，以利于降低成本、增强市场竞争力。通用机型的底盘设计应考虑南北方通用，要有较多的配套功能，满足用户的需要，以适应今后的农机市场。(2) 价格定位应合理。尽管农村经济有较大的发展，但从总体上来说人均收入仍然较低。该机型的价格定位应合理，要低于进口机价格。(3) 多功能化。不断配套新机具、增加新功能，在完善农用功能的基础上，逐步向城市园林、园艺领域扩展，如配套剪草、清雪、枝叶粉碎机具等。(4) 选用适应性强的发动机。低噪声、排放少、动力强劲和适应性强的发动机将更多地被应用。(5) 操作更加简单。操作手柄、前进和后退速度的调节更加方便。(6) 更换工作部件快速化。为了减轻操作者的劳动强度和节约更换不同农机具的时间，微耕机与配套机具的挂接采用快速挂接装置，拆换农具简单、快速。5 总结中国是一个丘陵和山区占主要地表的以农业为主的国家。近年来 ,随着农业改革的不断深入和农业结构的不断调整 , 我国的设施农业得到了迅速发展。为适应广大农民对温室大棚机械化作业要求和山区丘陵、小田块作业的需要, 历经十余年的历程, 微型耕作机得到了一定的发展, 国内众多的科研生产单位陆续尝试开发了一些较为适用的各型机具。农业机械化已成为农业现代化的重要标志。改革开放以来，我国农业机械化水平取得了突飞猛进的发展，但是耕作机械的研究开发，与国外相比仍然存在着较大的差距。因此，必须正视这种现状，努力发展我国的耕作机械。 总之，结合我国微型耕作机的应用现状以及国内外微型耕作机的发展历程与技术现状来看 , 我国微型耕作机目前还存在着配套机具少、自重偏大、功能单一和理论研究不完善等问题。 尽管微型耕作机仍然具有很大的发展空间，但还需要我们不断的努力进行结构优化改进。最后 , 希望我国微耕机设计更加人性化、功能多样化、控制智能化和结构标准化。参考文献1 李锦泽，李志红，侯桂凤，秦立莉. 耕作机械现状及发展对策J. 河北:农机化研究, 2003.2 马广. 一种新型微耕机的研究J. 金华:农业工程, 2014.3 丁玉兰. 人机工程学修订版M. 北京:北京理工大学出版社, 2004.4 刘芳，叶进，李卓等.微耕机与现代设计方法J. 农机化研究,2013.5 李靓.一种微耕机设计方案J. 福建农机,2012.6 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册M.北京:中国农业科学技术出版社,2007. 7 时玲, 张海东, 翟兆斌等.
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