預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的設計

王 超，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學 機電工程學院，?？?570228)

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預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的設計

王 超，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學 機電工程學院，?？?570228)

針對中國熱帶、亞熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)香蕉莖稈粗大、含水率高、富含植物纖維等特點，為解決香蕉莖稈粉碎過程中纖維纏繞嚴重、粉碎效果差的難題，設計了一種預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機，并確定了該機的主要部件結(jié)構(gòu)及總體方案。該機結(jié)構(gòu)簡單新穎、工作可靠、效率高，能夠避免香蕉莖稈纖維對機具的纏繞，大幅降低勞動強度，適宜香蕉主產(chǎn)區(qū)的香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)，有利于熱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

香蕉莖稈；粉碎；還田；預切

0 引言

香蕉是芭蕉科多年生大型單子葉草本植物，是全球重要的經(jīng)濟、糧食作物，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)定為發(fā)展中國家的第四大糧食作物[1]。香蕉種植是我國熱帶、亞熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)栽培面積最廣的產(chǎn)業(yè)之一，是熱區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的支柱[2-3]。2015年，我國香蕉種植面積約為39.6萬hm2，產(chǎn)量932.05萬t[4-5]。若香蕉莖稈鮮重以94t/hm2計算，2015年我國香蕉莖稈生物總量高達3 700萬t。

長期以來，由于缺乏高效的田間香蕉莖稈廢棄物處理機械，絕大多數(shù)香蕉種植區(qū)依然采用傳統(tǒng)的人工處理方法[6]，即將香蕉莖稈手工砍伐后搬運至田間地頭任其自然腐爛或進行就地焚燒處理，這種處理方式不僅費時費力、成本高、環(huán)境污染嚴重[7-9]，而且易滋生細菌污染蕉園，影響香蕉種植。因此，如何高效處理香蕉莖稈廢棄物，實現(xiàn)香蕉莖稈的化害為利已成為蕉農(nóng)和社會關心的一大難點。

香蕉莖稈具有莖稈粗大、含水率高和富含植物纖維等特點，現(xiàn)有針對主要糧食作物(如玉米、小麥等)秸稈的粉碎還田機具不適宜香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。目前，國內(nèi)外針對香蕉莖稈處理的研究較少。在印度、馬來西亞等國家，采用人工處理上部香蕉莖稈和挖莖機處理香蕉底部莖稈相結(jié)合的方法[10]。曹衛(wèi)東[11]等研制的1XHJ系列香蕉莖稈還田機，該機主要采用甩刀切碎原理，能夠?qū)崿F(xiàn)一定的香蕉莖稈切斷，但不能較好地切斷香蕉莖稈纖維，導致粉碎效果較差、功率消耗過高，目前仍處于小規(guī)模試驗階段。

本文基于香蕉莖稈莖稈粗大、含水率高、富含纖維等特性，在分析現(xiàn)有香蕉莖稈粉碎還田機器的基礎上，設計了預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機。該機采用預切裝置中預切刀預先切割分段和后粉碎裝置中粉碎刀再切削的組合粉碎方式，實現(xiàn)對香蕉莖稈的粉碎，能夠有效減少香蕉莖稈纖維對機具的纏繞，從而高效、低能耗地完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)，防止廢棄的香蕉莖稈對環(huán)境的污染。

1 整體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機為三點懸掛式，整機主要由機架、三點懸掛裝置、預切裝置、后粉碎裝置和支撐裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

作業(yè)中，輪式拖拉機通過三點懸掛裝置牽引預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機向前行駛，輪式拖拉機的動力經(jīng)動力輸入軸輸入，經(jīng)齒輪箱變向后通過皮帶傳動機構(gòu)分別傳遞給預切裝置和后粉碎裝置，預切裝置通過預切刀輥回轉(zhuǎn)切割完成香蕉莖稈的預先切斷均勻成節(jié)；隨后后粉碎裝置對每節(jié)香蕉莖稈進行再粉碎，完成香蕉莖稈的粉碎還田。預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機通過預先切斷均勻成節(jié)工序，減少了纖維纏繞現(xiàn)象，經(jīng)一次田間作業(yè)實現(xiàn)較好的香蕉莖稈粉碎，完成香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)。

1.動力輸入軸 2.齒輪箱 3.機架 4.支撐裝置 5.預切裝置 6.后粉碎裝置 7.三點懸掛裝置圖1 預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pre-cutting type of banana stalk chopper

1.2 技術(shù)參數(shù)

預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 The main technical parameters of the pre-cutting type of banana stalk chopper

指標單位參數(shù)外形尺寸mm2130×1820×1350配套動力kW/h≥59.4機具工作幅寬mm1400預切軸轉(zhuǎn)速r/min1368后粉碎軸轉(zhuǎn)速r/min1857粉碎率(≤25mm)%89.6燃油消耗量kg/h3.7工作效率hm2/h0.43～0.49

2 關鍵部件設計與計算

2.1 預切裝置的設計

預切輥是預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的關鍵部件之一，作用是對喂入的香蕉莖稈均勻切割成小節(jié)，使得香蕉莖稈的纖維長度變短，進而實現(xiàn)減少纖維對機器的纏繞，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預切輥主要由預切軸、刀座和預切刀等零部件組成。兩把預切刀對稱設置且分別與刀座構(gòu)成轉(zhuǎn)動聯(lián)接，工作時預切刀隨預切軸順時針方向轉(zhuǎn)動，刀座通過限位板限制預切刀的最大擺動幅度為30°。在工作中，擺動幅度在預切刀觸碰到木樁、石塊等較為堅硬土塊時，可為刀具提供緩沖區(qū)間，進而降低堅硬物體對刀具的損壞[12]。

根據(jù)機具性能和工作實際的需要，該機器的預切輥回轉(zhuǎn)半徑設計為360mm，預切軸直徑設計為60mm；預切刀刀長設計為840mm，刀寬設計為45mm，刀厚度設計為12mm。設計中，預切輥轉(zhuǎn)速n1為

(1)

其中，n1為預切輥轉(zhuǎn)速(r/min)；v為預切輥線速度(m/s)；r為預切輥回轉(zhuǎn)半徑(mm)。根據(jù)實際工作需求，預切輥的線速度v=59.3m/s，結(jié)合回轉(zhuǎn)半徑r=360mm，計算可得預切輥轉(zhuǎn)速n1=1 573r/min。

1.刀座 2.預切軸 3.預切刀圖2 預切輥三維示意圖Fig.2 Schematic diagram of line-cutting roller

2.2 后粉碎裝置

后粉碎裝置的作用是將通過預切裝置切削成段的每小節(jié)香蕉莖稈打擊切碎成碎渣，進而完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。其主要由后粉碎刀軸、粉碎刀座和粉碎刀組成，如圖3所示。

1.后粉碎刀軸 2.粉碎刀座 3.粉碎刀圖3 后粉碎刀輥三維示意圖Fig.3 Schematic diagram of crushing roller

兩排粉碎刀通過粉碎刀座等間隔交錯固接在后粉碎刀軸上，且兩排粉碎刀座關于后粉碎刀軸徑向?qū)ΨQ。其中，一排有12把粉碎刀，另一排有13把粉碎刀，后粉碎刀軸上共有25把粉碎刀。根據(jù)生產(chǎn)實際需求，后粉碎刀棍的回轉(zhuǎn)半徑設計為390mm，后粉碎刀軸直徑設計為80mm，粉碎刀為直刀且厚度為9mm，粉碎刀長度為300mm。

工作時，粉碎刀隨后粉碎刀軸逆時針方向轉(zhuǎn)動，合理的后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速能夠保證合理的功率消耗和粉碎效果。若轉(zhuǎn)速過小，則香蕉莖稈粉碎后的碎渣粒度較大，導致粉碎還田質(zhì)量差；若轉(zhuǎn)速過大，機械能耗增多，影響經(jīng)濟效益[13]。此外，結(jié)合前期試驗結(jié)果和理論分析結(jié)論，在后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速應大于預切輥轉(zhuǎn)速的前提下，本設計取后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速n2=1 965r/min。

2.3 傳動系統(tǒng)的設計

預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的傳動系統(tǒng)由齒輪箱和皮帶傳動機構(gòu)組成，如圖4所示。

1.主動帶輪Ⅱ 2.錐形齒輪Ⅲ 3.錐形齒輪Ⅰ 4.動力輸入軸 5.錐形齒輪Ⅱ 6主動帶輪Ⅰ 7.皮帶Ⅰ 8.從動帶輪Ⅰ 9.預切軸 10.后粉碎軸 11.從動帶輪Ⅱ 12.皮帶Ⅱ圖4 傳動系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission system

輪式拖拉機的動力經(jīng)動力輸入軸輸入，齒輪箱內(nèi)互相嚙合的錐形齒輪Ⅰ、錐形齒輪Ⅱ和錐形齒輪Ⅲ實現(xiàn)動力的變向轉(zhuǎn)換；然后分別通過由主動帶輪Ⅰ、皮帶Ⅰ和從動帶輪Ⅰ構(gòu)成的皮帶傳動機構(gòu)傳遞給預切軸，通過由主動帶輪Ⅱ、皮帶Ⅱ和從動帶輪Ⅱ構(gòu)成的皮帶傳動機構(gòu)傳遞給后粉碎軸，分別實現(xiàn)預切軸轉(zhuǎn)動完成香蕉莖稈的切段和后粉碎軸的回轉(zhuǎn)，以及每段香蕉莖稈的粉碎。

傳動比計算公式為

(2)

其中，i預為預切裝置傳動系統(tǒng)總傳動比；i后為后粉碎裝置總傳動比；n入為動力輸入軸轉(zhuǎn)速(r/min)，其數(shù)值等于拖拉機的動力輸出軸轉(zhuǎn)速；n1為預切輥轉(zhuǎn)速(r/min)；n2為后粉碎輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

國家標準中，農(nóng)業(yè)拖拉機的后置動力輸出軸轉(zhuǎn)速標準值有540r/min和1 000r/min共兩種[14]。本次設計綜合考慮香蕉莖稈莖稈粗大等特性，以及粉碎還田作業(yè)需求和機械功率消耗等問題，選取拖拉機的動力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000r/min，故n入=1 000r/min。結(jié)合上文求得的n1=1 573r/min、n2=1 965r/min，帶入式(2)可得：預切裝置傳動系統(tǒng)總傳動比i預=0.51，后粉碎裝置總傳動比i后=0.64。

2.4 其它設計

本機的機架的中部構(gòu)型為一前一后兩個圓形回轉(zhuǎn)壁，如圖5所示。

1.圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅰ 2.圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅱ 3.尾部斜板圖5 機架示意圖Fig.5 Schematic diagram of frame

綜合考慮莖稈粉碎效果與防止刀輥卡死，預切輥的回轉(zhuǎn)柱面和與圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅰ間的間隙為60mm，后粉碎輥的回轉(zhuǎn)柱面與圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅱ間的間隙為20mm。為避免后粉碎裝置甩出的香蕉莖稈碎渣四處飛散對工作人員造成傷害，以及使粉碎的香蕉莖稈碎渣均勻鋪放在田間地表，設計機架尾部的機架板向下傾斜，且尾部斜板傾斜角度(與水平面間所夾銳角)為60°。此外，為防止前后兩刀輥作業(yè)中發(fā)生干涉現(xiàn)象，預切輥與后粉碎輥的回轉(zhuǎn)柱面之間的間隙取值為100mm。

3 性能試驗及結(jié)果

3.1 試驗條件

試驗在海南省儋州市寶島新村的香蕉田進行。試驗用拖拉機為東方紅-LX804 型，作業(yè)的速度為Ⅱ擋，香蕉樹品種為巴西蕉。試驗的基本情況如表2所示。

表2 試驗基本情況

香蕉莖稈粉碎還田試驗后，在粉碎區(qū)域內(nèi)隨機選取6個面積為1m2的測量區(qū)，并從中隨機抽取一定量的香蕉莖稈碎渣，分別測量其長度并取平均值，即測得香蕉莖稈的粉碎長度。工作效率的測算公式為

(3)

其中，η為粉碎還田機的工作效率(%)；LA為粉碎還田機作業(yè)的幅寬(m)；LC為試驗測定的初始點間的距離(m)；T為粉碎還田機在試驗測定的初始點間的作業(yè)時間(s)。此外，粉碎還田機的可靠性測試及計算方式參照農(nóng)業(yè)機械測試標準[15]進行。

3.2 試驗結(jié)果

預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機的性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 主要性能測試結(jié)果

根據(jù)試驗測試結(jié)果可知：在我國熱帶農(nóng)業(yè)香蕉田進行香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)后，香蕉莖稈粉碎長度平均為41.3mm，工作效率平均為0.423 hm2/h，可靠性平均為91.2%。以上結(jié)果表明：預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機粉碎效果良好，可滿足熱區(qū)香蕉莖稈粉碎還田農(nóng)藝需求。

4 結(jié)論

1)基于香蕉莖稈莖稈粗大、含水率高、富含纖維等特性設計了預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機，該機采用預切裝置預先切斷成節(jié)和后粉碎裝置切削粉碎，完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。

2)預切組合式香蕉莖稈粉碎還田機性能測試結(jié)果表明：該機的香蕉莖稈粉碎長度平均為41.3mm，工作效率平均為0.423 hm2/h，可靠性平均為91.2%，滿足香蕉莖稈粉碎還田農(nóng)藝需求。

3)該機的研制成功能夠降低香蕉莖稈纖維對粉碎還田機具的纏繞，并減輕土壤中石塊、木塊等對刀具的損傷，經(jīng)濟和社會效益顯著，對促進我國熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

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Design of the Pre-cutting Combined Type of Banana Stalk Chopper

Wang Chao, Zhang Xirui, Li Yue, Liang Dong

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Considering the large stalk, high moisture content, rich in fiber and other characteristics of banana stalk in Chinese tropical agricultural areas, a pre-cutting combined type of banana stalk chopper was designed in order to solve the problem of the serious winding of banana stalk fiber and the poor crushing performance. The mechanism of the pre-cutting combined type of banana stalk chopper and the main structure parameters of the transmission system were studied in this project. With the advantages of simple-novel structure, reliable performance and high efficiency of the pre-cutting combined type of banana stalk chopper, it can reduce labor intensity, protect the environment effectively, and thus promote the development of the tropical agricultural.

banana stalk; chopper; returning; pre-cutting

2016-05-19

國家自然科學基金項目(51565010)；海南省自然科學基金項目(20163038)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503136-3)；海口專利實施引導資助項目(?？乒ば胖a(chǎn)2015-03)

王 超(1991-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail) superwang_999@sina.com。

張喜瑞(1981-)，男，山東臨沂人，副教授，碩士生導師，工學博士， (E-mail)zhangxirui_999@sina.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)06-0111-04