1LYW-1型振动式鼠道犁研设与计算

陈福坤，王之义，孙松怀，戴 勇
(江苏高邮水利局)

摘要：运用理论与实践相结合的方法，确定和优化组成振动式鼠道犁的振动、传动、成洞机构的三要件和其它组件的设计方法与制造工艺。研制具有构思新颖、设计合理、洞身可调、犁刀自收、操作方便、成洞质量好、噪音低等特点的、适合中国国情的新犁具。为农业现代化和节水革命提供一项新产品和相关的新技术。运用该项技术，可取得每公顷节地2.5%、增加麦产量495kg的经济效益。

关键词：农田鼠道；成洞机具

作者简介：陈福坤(1959-)，男，江苏高邮人，高工，从事水利水电工程、农田水利方面研究。

　　农田鼠道由鼠道犁在粘土地区田间耕作层以下一定深度挤压土壤而形成的一种无衬砌外壳的通水孔道。应用鼠道成洞技术可以改良土壤，增强土壤通透条件，调节田间水气，改善农作物的生长环境。在农田受渍地区，可以排水降渍，治理渍害，能够促进高产稳产；在农田缺水地区，可以进行渗灌，调节农田水份，促进农业节水降本，提高产出。

　　我国在农田鼠道成洞机具研制方面，虽历史悠久，但技术仍较落后，普遍存在着成洞效果差，能耗高，部件磨损严重，操作不方便，稳定性能差等不足。因此，通过引进、消化、吸收国际先进技术，成功地研制出了新型的、适合中国国情的农田鼠道成洞机具，并形成了系列化。

1 工作原理与构成研设

1.1 工作原理 1LYW-1型振动式鼠道犁，采用东风12型-195柴油机作为动力源和牵引车。其工作原理是：从拖拉机后齿轮箱输出动力，传动齿轮带动同轴的齿轮转动，产生圆周运动，通过传动装置将圆周运动转换成往复直线运动，利用杠杆原理将往复直线运动经振动架及支轴转化为底部犁刀和犁头以水平振动为主的复合振动，并扩大振幅，增强振动。犁刀垂直切割土壤，底部犁头吸收振动，破碎土壤，并带动后面与其链接的塑孔器前行挤压膨松过的土壤形成圆形孔道。犁刀自收装置使其自行出入土壤，方便机械行走、转田和易地作业，通过调节行走轮的高度来控制鼠道入土深度。除杂装置防止湿土、稻草等缠绕行走轮，保持洞深稳定。1LYW-1型振动式鼠道犁结构示意图(见图1).

1.2 1LYW-1型振动式鼠道犁主要机构

　　(1)成洞方式：犁刀末端前置深铲(犁头)掘土，后置塑孔器受牵引挤压土壤成型；

　　(2)动力传输：从后齿轮箱直接输出，利用杠杆原理传动至犁头产生振动；

　　(3)犁刀自收：工作时放下犁刀入土成洞，后退和转田易地作业时收起犁刀；

　　(4)深度调节：采用限深轮装置，一方面控制纵向作业时的横向位移偏差，另一方面调节鼠道深度。
图1 1LYW-1型振动式鼠道犁结构示意

1.2.1 振动机构 主要包括齿轮组和偏心轮。其中偏心轮上设有被动轮，当拖拉机后齿轮箱中主动轮旋转时，带动被动轮及偏心轮旋转，经传动机构变换后，将齿轮组的圆周运动变换为水平往复式直线运动。

1.2.2 传动机构 主要包括主转轴、水平往复摆动杆、支点轴和犁刀臂。主转轴提供振源，并利用水平往复摆动杆和犁刀臂的比例关系(杠杆原理)通过支点将振源振幅增大，使犁头在合适的幅度范围内上下前后运作，破碎土壤。

1.2.3 成洞机构 主要由犁头、犁刀、塑孔器等部分组成。其中犁刀材料选用弹簧钢，外形薄长，竖向切开土壤形成线沟的作用，成为透水通道，并驱使其端部固接的犁头动作；犁头设计成铲状带尖的箭尾型，起入土和松动土壤及平衡犁头上扬力；锥状弹头形的塑孔器，链接于犁头之后，利用前行拉力使之挤压土壤，塑孔成型，提高成洞强度和质量。

1.3 主要技术参数与经济指标 1LYW-1型振动式鼠道犁为单刀成洞，主要参数与指标有：鼠道埋深40±5cm，配套动力为12PS小型手扶拖拉机，成洞孔径D为65mm，作业速度1.1～1.9km/h，三维尺寸为1200mm×260mm×650mm.

2 主要工作部件及其工作参数设计计算和选择

2.1 主要工作部件设计计算和选择

2.1.1 犁头 犁头设计主要考虑入土后要使其产生的摩阻力为最小，既不使其上浮而影响成洞效率，又不使其吃土过深而加大牵引消耗。根据研究和试验，确定其型式与相关参数，犁头作业时的受力简图(见图2).

　　犁头成洞阻力P1与压缩面面积A及转角φ之间的关系[1]：
图2 犁头作业示意

S=rφ=δz/EsH 即rφ=P1/A/EsH

(1)

故

P1=rφAEs/H
式中：P1为成洞阻力(犁头损耗)；S为土壤压缩量；Es为土壤压缩模量；A为压缩面面积；φ为转角；H为犁头入土深度；δz为土壤压缩应力。

2.1.2 犁刀 作业时犁刀的受力简图如图3所示，并假定犁刀入土段所受阻力是均匀分布的。

　　则犁刀切土阻力与其表面面积A1、A2及刃角α之间的关系[2]为：
图3 犁刀横断面

P2=2K1A1sinα/2+T1+T2

(2)
式中：T1=K1A1μcosα/2, T2=K2A2μ，式中：T1为两侧刃面切向摩擦力；T2为两后侧面摩擦力；N1为土壤对刃侧面正压力，因土壤变形引起；N2为土壤对后侧面正压力，由土壤流变或回弹引起；K1为变形比阻；K2为土壤在后侧面上的压强；μ为土壤与金属间的摩擦系数；α为刃角；A1为犁刀刃面面积；A2为犁刀后侧面面积。

2.2 主要工作参数设计计算

2.2.1 犁头掘土振动功耗计算 犁具结构受力简图见图4.犁头成洞阻力P1，犁刀切土阻力P2和成型阻力P3，其中P3可近似为：
图4 犁具结构受力

P3=0.2(d/B)3×P1

(3)

式中：d为塑孔器直径；B为犁头宽度。

　　作业时犁头的相对速度，加速度与时间的关系：

　　ν=rωsinΨ,r为凸轮偏心距

　　a=rω2cosΨ,ω=2πn n为凸轮转速

　　因此，犁头振动时的功耗W2为

W2=K2(P1+P2+P3)rωsinΨ

(4)

式中：K2为土壤系数，根据土壤粘重情况在1.1～2.0间选取。

2.2.2 犁头掘土振幅计算 根据对比测试结果，振动凸轮半径R选用2.5mm，其受力简图见图4.

　　传动杆C点振幅XC=2r=5(mm)

　　则：

XC/BC=XA/AB

(5)

式中：XC为C点振幅；XA为A点振幅。

　　犁头作业时振幅XA=XC×AB/BC=15.24(mm)

3 主要参数的确定

　　考虑到农业施工机具工作条件复杂，适应性要求高，经济实用等特点和要求，综合采用理论与实践经验相结合的方法进行设计，以使犁具的各项技术性能指标达到最优化。通过理论设计与计算和13种型式的性能测试，寻求各项参数的最佳结合点，保证机具有较好的作业效率和安全性能。

3.1 犁头振幅确定 改变此参数，可以改变相对于支撑点的力矩和切土振幅，在试验的4mm、6mm、8mm三种振幅中，采用4mm的振幅，犁刀切土振幅小，机体前行拉力大；而8mm的振幅，机具振动大，运行不平稳。采用6mm的振幅，犁具运行平稳，有较好的作业性能。选定振幅为6mm.

3.2 振动支点确定 改变振动支点，即改变支撑力臂长度，可以改变切割土壤的有效作用力矩，经过试验，支撑力臂长度在192.5～225.0mm之间，机具运行良好，工作性能稳定，选定支撑力臂为210mm.

3.3 转速确定 改变转速，可以改变激振频率和扭矩，通过400rpm和800rpm两种转速试验，在800rpm转速时，机具抖动厉害，行走吃力，而在300～400rpm时，机具运行平稳，工作效率高。选定转速为300～400rpm.

3.4 传动杆长度确定 考虑传动杆长度，亦即确定犁具机体长度，主要考虑整个机体运行平稳，方便操作，过短时对稳定不利，过长操作不便。根据人体最小工作半径，避免拖拉机机架碰撞，选定传动杆长度为185mm，机具长度为520mm.

4 结语

　　利用鼠道排水降渍、节水灌溉，改良土壤是一项多年来被实践证明了的先进而又实用的技术，能有效地增加农田通透条件，改善农田生产环境，方便农业生产，促进农业节水，节约土地，提高农田产出，效益显著，成本低廉。特别是多雨年份，使用鼠道的农田产量稳收明显好于正常田块。1998年春季，我市雨水较多，三麦受渍严重，出现大面积减产欠收，而推广应用鼠道的农田均取得了丰收。根据高邮市龙奔、武安等地的调查和测试结果表明：凡是推广应用过鼠道的农田，每公顷可少挖明熵30%～40%，节省工日15个，节约土地2.5%，平均每公顷麦产量达到4500kg左右，在外部水系相同的条件下，比无鼠道田块每公顷高出495kg以上。按三麦每kg1.00元，一个工日20.00元计，平均每公顷增收495×1.00+15×20.00=795.00元，而使用鼠道平均每公顷只需投入90元，按鼠道使用寿命5年计算，每年每公顷投入18.00元，净收益达777.00元。

参 考 文 献：

[1] 黄河水利学校主编。工程地质与土力学[M]。北京：水利水电出版社，1979.

[2] 华东水利学院主编。水工设计手册(第一卷)[M]。北京：水利电力出版社，1992.