摘 要：针对烟草机械化开沟培土作业过程中土壤抛送与落点等问题，采用“切土刀碎土— 培土刀抛送 — 螺旋输送推出”的作 业方式，设计了一种铣抛式烟草开沟培土机。依据其工作原理，对关键部件进行了分析设计。田间作业试验结果表明，开沟培 土作业后垄沟土壤细碎，培土量充足，培土平均高度 64.9mm，平均幅宽 187. 1mm。铣抛式烟草开沟培土机作业质量满足烟田 开沟培土需求。

　　关键词：烟草,开沟培土机,铣抛式

　　烟草是我国主要的经济作物之一，2023 年我国 烟草种植面积超一百万公顷，目前仍呈现持续增长趋 势。烟草是喜温作物，对温度的反应比较敏感。烟草 在田间管理过程中，开沟培土是其重要的栽培环节之 一。开沟培土作业能够增加活土层，扩大烟草营养吸 收面积，促进不定根系生长，有利于烟田灌溉和排水， 增强防风抗倒伏能力，改善田间小气候环境，减少病 虫害发生。开沟培土作业后，人在垄沟行走操作，可 以避免踩紧烟株附近土壤，使采收烟叶、清除杂草、 喷洒农药等操作更加方便，减少因田间操作而损伤烟 叶，对其烟叶产出的品质和数量具有显著影响。但是 在当前的多数烟草种植区域，开沟培土作业依然依靠 手工操作，作业效率低、劳动强度高，对烟草行业的 发展产生了一定的限制 [1-3]。

　　为实现烟田开沟培土，采用自走式动力底盘带动 铣抛装置配合水平输送器实现开沟培土作业，设计了 一种铣抛式烟草开沟培土机。该机一次作业完成旋耕 碎土、抛土、横向输送、定点培土作业，工作性能满 足烟田作业需求。

　　1. 总体结构与工作原理

　　1.1 整机结构

　　整机包括控制系统、动力输出底盘和开沟培土部件，开沟培土部件主要包括铣抛装置和水平输送器。 铣抛装置主要由旋耕刀轴、旋耕刀盘、切土刀和培土 刀组成，水平输送器由水平搅龙、水平固定座等组成， 整机采用前端挂接铣抛装置的安装方式。整机如图 1 所示，其技术参数如表 1 所示。

　　1.2 工作原理

　　整机由汽油机提供动力，通过动力输出底盘带动 该机行走，同时动力输出轴将动力传递至铣抛装置进 行高速旋转，切土刀铣削沟底土壤，切碎的土壤在护 土箱的作用下在后方集中，再由培土刀进行土壤装载 抛送，在培土刀与护土箱的相互配合下，土壤被抛送 至水平输送器的进料口，然后在水平输送器内向右推 送落入垄顶烟苗根部，实现培土作业。整机采用“切 土刀碎土—培土刀抛送—螺旋输送推出”的作业方式， 一次完成土壤的铣削、抛送、螺旋输送等步骤。

　　2. 关键部件结构及参数设计

　　2.1 碎土护土装置

　　2.1.1 铣抛装置

　　目前圆盘式开沟使用 6 把通用旋耕刀圆周等距分 布，开沟作业时其铣削土壤能力较好，但抛土能力较 弱，难以满足开沟培土土壤定点抛撒至烟株根部附近 [4]。针对该问题，结合烟田土壤特性，设计了铣抛装置。

　　铣抛装置由碎土刀、培土刀、刀盘、刀轴组成。使用 对称安装的方式将 2 把培土刀、4 把碎土刀安装在刀 盘上，其铣抛装置总体结构如图 2 所示。

　　旋耕刀片的选型直接影响铣抛装置的作业效果。 根据烟田开沟培土农艺要求，选取在传统IS225旋耕 刀的基础上进行培土刀与碎土刀关键参数调整[5 -7]。 铣抛装置作业的烟田土壤大多为旋耕起垄后经过数月晒白后的土壤，土壤会有严重的板结，因此对其刀具 的碎土性能要求较高。根据文献可知 [8] ，若想提高刀 具碎土性能，可以通过增加刀具正切面端面高度实 现，当功耗和土壤破碎率均为最优时，刀具正切端面 高度为 60mm。因此对传统IS225旋耕刀进行调整， 将刀具正切端面高度由40mm增加至 60mm，培土刀 培土片安装角度γ为 30°, 其他参数不变。刀具结构 如图 3所示。

　　根据其作业方式，选择采用正转旋耕：旋耕刀转 动方向与机器前进方向相同。根据相关参考文献，旋 耕开沟一般采用转速范围是 200~280 r/min。

　　旋耕切土节距sJ(同一纵垂面内相邻两把刀相继 切土的时间间隔内旋耕机前进的距离)的关系式为：

　　式中sJ——切土节距，m vm——机具速度，m ·s-1 t——时间，s

　　z——同一回转切面刀片数量

　　ω——旋耕角速度，rad/s u——刀轴线速度，m/s nd——旋耕转速，r/min λ——旋耕速比

　　由式(1)可知，机具作业速度 vm 越快切土节距sJ 越大，刀片数量z、旋耕角速度 ω 越大切土节距sJ 越小。减少切土节距可增加土壤细碎程度，但机具作 业速度慢，导致生产率下降;若刀片安装过多，导致 刀具间的间隙变小，容易引发缠草等问题，从而增加 整机质量，加重作业负担。根据旋耕作业后垄沟土壤 细碎要求，切土节距一般取值在 30~60mm，取 50mm 计算，旋耕转速 260r/min，刀轴线速度u 为 6.12m/s， 机具作业速度为 0.353m/s，同一回转切面刀片数量z 为 1.62.取整为 2 后计算旋耕速比 λ为 14.1.

　　2.1.2 护土箱结构及参数

　　根据农艺要求，为保证整机在作业过程中护土箱 不与内部部件发生干涉，同时不破坏垄体，护土箱宽 度取值范围为 260 ≤ lk<300mm。护土箱如图 4 所示， 根据实际作业需求，将宽度lk 设置为 290mm。为收 集铣抛装置作业时细碎的土壤，设计了护土铲，通过 已有参数将其护土铲倾角 δ设置为 45°, 铣抛装置与 护土箱之间安全间隙l1 为 5mm;为利于旋耕土壤以及 护土铲土壤的收集，旋耕深度 H设置为 45mm; 铣抛 装置与存土管间的安全间隙l2 为 5mm。其中， 为控 制抛送土壤有效落入存土管内部设置了活动窗口，同 样便于观察机器内部装置运行状态。

　　2.2 碎土抛土过程受力分析

　　2.2.1 碎土过程受力分析

　　在开沟作业过程中，碎土刀的侧切刃沿纵向入 土，使土壤沿刃口发生滑切，碎土刀开沟作业过程如 图 5 所示。

　　碎土刀在作业过程中，结合图 5a 所示，碎土刀 在入土作业时受力方程为：

　　式中 FN——碎土刀对土壤的压力，N Ff——碎土刀所受的摩擦力，N

　　G——土壤所受重力，N

　　Fc——向心力，N Fk——科氏力，N

　　θ1——摩擦力与重力的夹角，°

　　μ——碎土刀与土壤间的摩擦因数 τ——碎土刀的静态滑切角，°

　　r——螺旋线极径，mm ω——刀轴角速度，rad/s H——开沟深度，mm

　　vm——机具速度，m/s

　　碎土刀在脱离土壤时，受力分析如图 5b 所示， 受力方程为

　　式中 Fa——离心力，N

　　2.2.2 护土铲铲土护土受力分析

　　机具前进时，护土铲能够对土壤施加沿着护土铲 方向的剪切力，使得土壤发生剪切变形;护土铲的土 壤不断堆积，土壤沿护土铲前铲面发生滑移。

　　护土铲在铲土过程中对土壤施加剪切力，使之发 生剪切变形，从而使得土壤向护土铲方向发生滑移。 为了量化护土铲的土壤滑移效率，要找出发生滑移时 护土铲倾角 δ与护土铲对土壤的剪切力之间的关系。

　　护土铲在铲土瞬间剪切部分土壤，土壤沿剪切面 方向发生滑移。为简化剪切滑移模型，观察土壤滑移 程度，用 ε来定义相对滑移，提出假设：

　　假设每次发生剪切时机具速度不变、剪切方向不 变、护土铲倾角 δ不变;护土铲每次剪切的土壤体积相同，发生滑移的程 度一样。

　　土壤剪切滑移过程如图 6 所示，通过将面积插补 简化模型可以近似看作是四边形 OABC 发生剪切变形 后，变成 OGDC，剪应变可表示为：

　　故可以将剪应变近似看作发生在 AB 剪切面上， 四边形 AB 边变化为四边形 GD 边，其滑移可以表示 为：

　　护土铲在铲土过程中，护土铲作用在土壤上的力 与力之间的关系如图 7 所示。

　　剪切面上的法向力 Fτn 和剪切力 Fτ 如图(a)所示。 设两对力的合力互相平衡，将所有受力点移动至O上， 可得图(b)所示各力之间关系。

　　图(b)中 F 是 Fn 和 Ff1 的合力，即土壤沿前铲 面运动的力; φ 是剪切角;摩擦角 β ; Fx 是护土铲 移动方向的剪切分力;Fy 是和移动方向垂直的剪切分 力;h 是旋耕铣削后堆积的土壤厚度。

　　2.2.3 培土刀抛土运动分析

　　铣抛式烟草开沟培土机的培土刀能够承载更多的 土壤进行抛送至水平输送器处的关键在于具有培土片 结构。如图 8 所示，培土片安装于旋耕刀正切部与侧 切部的非作业端，整体形状为长方体，对其两端边缘 进行倒圆角，防止增大开沟阻力，为保证培土片所载 土壤可全部抛送至水平输送器进料口，对培土片的宽 度与安装位置进行设计。

　　采取旋耕刀轴中心为坐标原点建立坐标系，如 图 9 所示。设 X 轴正方向为机具前进方向，Z 轴正方 向垂直于X轴向上，Y轴正方向垂直于XOZ平面向外， 刀尖运动由机具速度vm 和刀轴角速度 ω 合成，其运 动方程式为

　　式中 t——机具工作时间

　　R——培土刀旋转半径，mm

　　其中护土铲前铲面上的法向力 Fn 和摩擦力 Ff1 与剪切面上的法向力 Fτn 和剪切力 Fτ 如图(a)所示。 设两对力的合力互相平衡，将所有受力点移动至O上， 可得图(b)所示各力之间关系。

　　图(b)中 F 是 Fn 和 Ff1 的合力，即土壤沿前铲 面运动的力; φ 是剪切角;摩擦角 β ; Fx 是护土铲 移动方向的剪切分力;Fy 是和移动方向垂直的剪切分 力;h 是旋耕铣削后堆积的土壤厚度。

　　2.2.3 培土刀抛土运动分析

　　铣抛式烟草开沟培土机的培土刀能够承载更多的 土壤进行抛送至水平输送器处的关键在于具有培土片 结构。如图 8 所示，培土片安装于旋耕刀正切部与侧 切部的非作业端，整体形状为长方体，对其两端边缘 进行倒圆角，防止增大开沟阻力，为保证培土片所载 土壤可全部抛送至水平输送器进料口，对培土片的宽 度与安装位置进行设计。

　　采取旋耕刀轴中心为坐标原点建立坐标系，如 图 9 所示。设 X 轴正方向为机具前进方向，Z 轴正方 向垂直于X轴向上，Y轴正方向垂直于XOZ平面向外， 刀尖运动由机具速度vm 和刀轴角速度 ω 合成，其运 动方程式为

　　式中 t——机具工作时间

　　R——培土刀旋转半径，mm

　　x——培土刀刀尖水平位移分量，mm y——培土刀刀尖竖直位移分量，mm

　　对式(6)进行求导计算，得出培土刀刀尖x 轴 和z 轴的速度表达式为：

　　由式(6)可对其刀尖绝对速度v 进行求解，其 表达式为：

　　式中v——刀尖绝对速度，m/s

　　vx——刀尖沿 x 轴的速度分量，m/s

　　vz——刀尖沿 z 轴的速度分量，m/s 将(1)式中 旋耕速比 λ 代入绝对速度v 的表达式(8)中进行简 化，其表达式为

　　根据式(9)可得出旋耕速比 λ 越大，土壤抛出 动作完成得越好，碎土效果越好。

　　3. 田间试验

　　3.1 试验条件

　　2023 年 4 月 9 日在湖南省宁乡市双凫铺镇烟草 种植基地对铣抛式烟草开沟培土机进行田间试验，试 验地块垄沟含水率 10.6%，土壤坚实度 632kPa，土 壤容重采用环刀取土进行取样测定。田间试验如图 10 所示。

　　3.2 评价指标

　　参考 JB/T7679-2008《螺旋输送机》、YC/T569-2018《烟草田间作业机械选型测试规程》选取培土高 度、培土幅度为试验指标。

　　3.3 试验结果

　　田间试验结果如表 2 所示。田间验证试验中铣抛 式烟草开沟培土机作业性能良好，顺利完成作业，满 足烟草开沟培土机对烟苗作业农艺要求。

　　4. 结论

　　4.1 设计了一款铣抛式烟草开沟培土机。分析旋 耕铣抛装置切抛土壤作业过程原理，将其土壤准确送 至烟苗根部，符合烟草开沟培土作业农艺要求。

　　4.2 提出了“切土刀碎土—培土刀抛送—螺旋输 送推出”的作业方式，一次作业完成旋耕碎土、抛土、 横向输送、定点培土等步骤，提高作业效率。

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