機(jī)電一體化秸稈就地旋切滅茬裝置的研究與應(yīng)用

王偉　盧思迪　左振　王哲

[中圖分類(lèi)號(hào)] S23 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1003-1650（2017）03-0211-02

1 項(xiàng)目背景

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，糧食產(chǎn)量大幅提高，秸稈數(shù)量也迅速增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的作物秸稈產(chǎn)出量約為7～8億噸。由于目前農(nóng)村中燒煤、用電和液化氣的普及，農(nóng)村中使用秸稈生火做飯、取暖的做法已微乎其微。由于秸稈在短期內(nèi)不易腐解，利用率低，尤其是小麥秸稈，農(nóng)民更不愿意回收利用，在小麥?zhǔn)斋@后，田地里總有大量秸稈剩余。為了不影響下茬耕作，以往的做法都是就地焚燒，由此引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和有機(jī)資源的浪費(fèi)，操作不慎時(shí)，還經(jīng)常發(fā)生燒壞鄰邊的莊稼、樹(shù)木及人身傷亡等現(xiàn)象，給國(guó)家和個(gè)人財(cái)產(chǎn)造成不應(yīng)有的損失，給社會(huì)穩(wěn)定也帶來(lái)不利因素，由田間焚燒秸稈而引起的大氣污染、地表生態(tài)環(huán)境破壞、交通出行受阻等間接經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年前，全國(guó)用作還田和有機(jī)肥料的作物秸稈僅占總量的20%左右，田間直接焚燒的占50%以上。秸稈焚燒的另一后果是：消防工作壓力巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)：2014至2015年，全國(guó)因焚燒秸稈發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)12萬(wàn)起，燒壞莊稼近百萬(wàn)畝，燒傷燒死一千余人，燒壞民房、樹(shù)木不計(jì)其數(shù)。消防部門(mén)出警近15萬(wàn)次，直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元。

1.1 2015年安徽省出臺(tái)秸稈禁燒零容忍辦法，嚴(yán)禁秸稈焚燒。為了有效禁燒秸稈，就必須對(duì)秸稈的處理及綜合利用提出切實(shí)可行的方案，變“堵”為“疏”，在不影響農(nóng)民耕作播種的前提下，讓農(nóng)民朋友自覺(jué)不燒，這樣才能把禁燒工作長(zhǎng)久、平穩(wěn)、有效地開(kāi)展下去。

目前我國(guó)對(duì)秸稈處理的方式大致有兩種方法：秸稈粉碎還田和秸稈打包離田。秸稈粉碎還田是在小麥?zhǔn)崭詈?，采用甩刀式粉碎機(jī)對(duì)小麥留茬部分和聯(lián)合收割機(jī)脫粒后拋撒的秸稈進(jìn)行粉碎，然后用旋耕刀旋起約5厘米左右的薄土覆蓋秸稈。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作成本低、工作周期短。缺點(diǎn)是：

1.1.1 粉碎效果不好：尤其是在早晚田間有露水，秸稈比較潮濕的情況下，粉碎后的秸稈長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，留在土地中容易纏繞農(nóng)機(jī)具，影響下茬播種機(jī)工作。

1.1.2 覆土掩埋的深度不夠：由于粉碎后秸稈量比較大，覆土厚度太薄，大面積的秸稈不能很好掩埋，露在地表上面，影響下季播種、出苗和打藥、追肥等田間管理。

1.1.3 秸稈暴露在地表層上面，不能在短期內(nèi)腐熟，前茬遺留的病菌、蟲(chóng)卵附著在秸稈上，轉(zhuǎn)移給下茬作物，對(duì)下茬作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。

1.1.4 越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)專(zhuān)家和農(nóng)民擔(dān)憂(yōu)：用這樣的方法使秸稈還田，長(zhǎng)期下來(lái)，秸稈不能很快腐熟轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，田地里未腐熟的秸稈總量不斷增多，土壤的生物結(jié)構(gòu)不平衡，也會(huì)給作物生長(zhǎng)帶來(lái)負(fù)面影響。

1.2 秸稈打包離田是在小麥?zhǔn)崭詈?，將剪切下?lái)的秸稈用機(jī)械撿拾起來(lái)后打包成捆，然后運(yùn)出發(fā)電或堆漚肥。秸稈打包離田的優(yōu)點(diǎn)是：地表干凈整潔，有利于下茬耕作；秸稈送去發(fā)電或集中堆漚肥等，秸稈可以再次利用，發(fā)揮效益。缺點(diǎn)是：

1.2.1 收割機(jī)的工作效率嚴(yán)重降低。因?yàn)椴辉賹?duì)小麥留茬部分進(jìn)行粉碎，為便于下茬耕作，一般要求留茬高度不高于10厘米，這樣就使收割機(jī)的工作負(fù)荷增大，工作效率嚴(yán)重降低。因?yàn)樾←溄斩捲娇拷撞?，直徑越粗，硬度也越大，同時(shí)枯萎垂落的葉片也越多，收割機(jī)的往復(fù)式刀片剪切起來(lái)就非常吃力。剪切后的小麥秸稈經(jīng)輸送裝置全部送入脫粒機(jī)脫粒，因?yàn)榻斩捔吭龃?，收割機(jī)的輸送裝置經(jīng)常阻塞，皮帶燒壞屢屢發(fā)生，故障頻發(fā)。脫粒機(jī)的工作負(fù)荷也隨之增大，整個(gè)收割機(jī)的工作效率下降約一倍左右，本來(lái)1小時(shí)可以收割8畝左右的，因?yàn)榱舨绺叨炔荒艹^(guò)10厘米，1小時(shí)只能收割4畝左右，收割機(jī)手抵觸情緒非常大，有時(shí)是拒絕下地收割。有時(shí)遇到陰雨天氣即將來(lái)臨的關(guān)口，農(nóng)民為了搶收糧食，也不愿意因?yàn)榭紤]留茬高度而耽誤收割，他們情愿留茬高度高一點(diǎn)，也要把糧食搶收上來(lái)。

1.2.2 能耗增加。因?yàn)樾枰嗲谐斩挘鸵嗪馁M(fèi)刀片動(dòng)力，這樣使收割機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的工作效率下降，單位能耗隨之增加。秸稈在輸送和脫粒的過(guò)程中，需要消耗大量動(dòng)力，這些動(dòng)力的消耗，對(duì)秸稈的粉碎和回收，沒(méi)有任何作用，純粹是無(wú)用功，還在一定程度上影響機(jī)械的使用可靠性，增加維修費(fèi)用，浪費(fèi)資源。同時(shí)秸稈碎片進(jìn)入糧食之中，使糧食含雜率增高，需要進(jìn)一步清理，又再一次消耗能源。

1.2.3 打捆機(jī)撿拾作業(yè)不干凈。經(jīng)收割機(jī)脫粒后小麥秸稈，成團(tuán)成堆地拋撒在地面。打捆機(jī)撿拾時(shí)，因?yàn)榻斩挿植疾痪鶆?，厚的地方太厚，撿拾爪通過(guò)時(shí)，一次旋轉(zhuǎn)不能全部摟起，往往撿拾不干凈，地面留有大量秸稈，既浪費(fèi)資源，又影響農(nóng)民耕種。

2 本項(xiàng)目的研發(fā)方向和擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上存在問(wèn)題，按照國(guó)家政策要求，結(jié)合農(nóng)民和收割機(jī)手的利益訴求，蚌埠市龍?zhí)┫烙邢薰狙邪l(fā)部在2015年初組織研發(fā)人員開(kāi)展了“機(jī)電一體化秸稈就地旋切滅茬裝置” 項(xiàng)目的研究工作。通過(guò)大量調(diào)研、走訪、論證、比對(duì)，我們最終確定了研發(fā)方向及技術(shù)路線(xiàn)：

2.1 研發(fā)方向：秸稈切割、打捆離田

該方向既符合國(guó)家政策，又使田地整潔，沒(méi)有上茬作物遺留的病菌蟲(chóng)卵等，有利于農(nóng)民根據(jù)墑情及時(shí)播種和后期管理，符合農(nóng)民耕種要求。秸稈離田后可送去發(fā)電廠發(fā)電，也可留作農(nóng)民生產(chǎn)有機(jī)肥，均符合環(huán)保要求。

2.2 關(guān)鍵要求：收割機(jī)留茬高度不大于10厘米。

為了保證收割機(jī)工作效率，在關(guān)鍵時(shí)刻把農(nóng)民糧食收割上來(lái)，同時(shí)減少能耗，減少污染和浪費(fèi)，需要采取二次切割的方案，即：

2.2.1 收割機(jī)原有的往復(fù)式剪刀提高收割高度，只剪切麥穗以下20厘米左右的長(zhǎng)度，剪切后的留茬高度約在60厘米左右。

2.2.2 在收割機(jī)下部適當(dāng)?shù)牟课涣硗獍惭b一組旋切式刀具，專(zhuān)門(mén)切削往復(fù)式剪刀剪切后的小麥秸稈，留茬高度不大于10厘米。剪切后的小麥秸稈擺放基本整齊有序，便于打捆機(jī)撿拾。

2.3 技術(shù)路線(xiàn)

2.3.1 采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，直流電機(jī)直接帶動(dòng)刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全滿(mǎn)足收割機(jī)整體收割需要。收割機(jī)采用二次切割的辦法，在收割小麥時(shí)，每小時(shí)能提高工作效率30%以上。

2.3.2 采用刀片分組裝配、整機(jī)并聯(lián)的方法，工作幅寬可以根據(jù)需要任意組合調(diào)整，通用性好。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

本裝置由機(jī)架、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)軸皮帶輪、軸承座、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)皮帶輪、牽引軸、間隔套、提升桿、旋切架、尾輪、尾輪軸、直流電機(jī)、調(diào)整墊片、旋切刀片、避障架、整流器、控制開(kāi)關(guān)等組成。機(jī)架和四輪拖拉機(jī)通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)相連接，拖拉機(jī)輸出軸和該裝置傳動(dòng)軸相連接，傳動(dòng)軸通過(guò)軸承座固定在機(jī)架上，發(fā)電機(jī)固定在機(jī)架上，通過(guò)傳動(dòng)軸皮帶輪，皮帶和發(fā)電機(jī)皮帶輪相連接，旋切架前端套在牽引軸上用間隔套隔開(kāi)并固定在機(jī)架上，直流電機(jī)通過(guò)調(diào)整墊片固定在旋切架上，旋切刀片固定在直流電機(jī)輸出軸上，避障架固定在最下面直流電機(jī)輸出軸套管上，尾輪通過(guò)尾輪軸固定在旋切架的尾部，發(fā)電機(jī)輸出通過(guò)電纜后和整流器連接，整流后接控制開(kāi)關(guān)，再?gòu)拈_(kāi)關(guān)連接到各直流電機(jī)。

上述設(shè)計(jì)的有益效果是：通過(guò)發(fā)電轉(zhuǎn)換，解決了機(jī)械方法難以實(shí)現(xiàn)的多個(gè)活動(dòng)部位高速旋轉(zhuǎn)裝置，能夠?qū)κ崭詈蟮拇筇锝諚U進(jìn)行就地快速粉碎，也可對(duì)大田秸桿就地快速收割回收，可適應(yīng)任何高低不平地塊。和現(xiàn)有的其他滅茬裝置比較，在相同功率的情況下，該裝置可提高效率30%以上。

工作原理：四輪拖拉機(jī)通過(guò)輸出軸及懸掛機(jī)構(gòu)和該裝置連接后，通過(guò)皮帶傳輸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出電再經(jīng)過(guò)整流器整流后進(jìn)入控制開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)入各直流電機(jī)。帶動(dòng)刀片以90M/S左右的線(xiàn)速度高速旋切。本裝置采用四組旋切架，每組裝有三個(gè)旋切刀片，三個(gè)旋切刀片的高度差可根據(jù)需要粉碎的長(zhǎng)度，通過(guò)固定直流電機(jī)調(diào)整墊片調(diào)整，為了防止兩組相鄰的刀片間距過(guò)近造成擦碰，兩組兩相鄰的刀片前后軸線(xiàn)間距設(shè)計(jì)相差1/2刀片直徑，為防止最下面離地較近的刀片被大的異物損傷，刀片前裝有避障架，秸桿留茬高度可通過(guò)改變尾輪和旋切架之間的上下位置確定。各組旋切架通過(guò)尾輪和地面高度變化自動(dòng)上下活動(dòng)。在行駛路途或地頭轉(zhuǎn)彎，拖拉機(jī)通過(guò)液壓懸掛機(jī)構(gòu)將該裝置機(jī)架升起，在提升桿的作用下各旋切架將同時(shí)升高。

本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，對(duì)較濕潤(rùn)和較軟的秸桿有著很好的切割效果，可適應(yīng)各種不同平整度的田塊，本裝置不但對(duì)秸桿能夠就地粉碎還田，而且在只使用底刀的狀態(tài)下，可對(duì)秸桿進(jìn)行旋切回收利用，有利于廣泛推廣使用。

4 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，直流電機(jī)直接帶動(dòng)刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全滿(mǎn)足收割機(jī)整體收割需要。收割機(jī)采用二次切割的辦法，在收割小麥時(shí)，每小時(shí)能提高工作效率30%以上。

4.2 本機(jī)械采用刀片分組裝配、整機(jī)并聯(lián)的方法，工作幅寬可以根據(jù)需要任意組合調(diào)整，通用性好。

4.3 本機(jī)械的每組刀片均能根據(jù)地面情況隨機(jī)調(diào)節(jié)工作高度，能切實(shí)保證刀片在工作時(shí)留茬高度完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又能使刀片在遇到硬物時(shí)有效保護(hù)自己不被碰壞。

4.4 本機(jī)械的每組刀片數(shù)量可以根據(jù)需要增加或減少。如果下道工序是撿拾打捆，那么一根刀桿只需要在最下部安裝一個(gè)刀片；如果下道工序是腐熟還田，那就可以根據(jù)需要每間隔一段距離裝一個(gè)刀片，多塊刀片分層切割，不受秸稈水分高低的影響，切割后的秸稈長(zhǎng)度一致，便于腐熟和耕種管理。

4.5 本機(jī)械還可以根據(jù)需要安裝在播種機(jī)的前部。如果小麥留茬高度低于20厘米，切茬后不需要回收打捆，而不切茬又影響播種和出苗后的田間管理時(shí)，可以使用本機(jī)械在切除秸稈后直接播種，這樣可以大大提高工作效率，減少機(jī)械反復(fù)下地作業(yè)對(duì)農(nóng)田土壤的碾壓侵害。

5 使用特點(diǎn)

5.1 與小麥聯(lián)合收割機(jī)配套使用時(shí)

5.1.1 將收割機(jī)原有的往復(fù)式剪刀裝置提高，只剪切麥穗以下20厘米左右的長(zhǎng)度，剪切后的留茬高度約在60厘米左右。

5.1.2 在收割機(jī)下部安裝本旋切式秸稈切茬裝置，專(zhuān)門(mén)切削往復(fù)式剪刀剪切后的小麥秸稈，留茬高度不大于5厘米。剪切后的小麥秸稈擺放基本整齊有序，便于打捆機(jī)撿拾。

5.2 與打捆機(jī)配套時(shí)：

在打捆機(jī)或播種機(jī)的前部安裝本旋切式秸稈切茬裝置。

本裝置與打捆機(jī)的踩壓裝置直接通過(guò)輸送裝置相連，去除打捆機(jī)的撿拾裝置，也就是說(shuō)，秸稈切茬后不落地，直接送入打捆機(jī)打捆。這樣即減少了動(dòng)力消耗，簡(jiǎn)化了機(jī)械機(jī)構(gòu)，又使地表面更加干凈，利于農(nóng)民播種和田間管理。

6 試驗(yàn)情況

我公司研發(fā)人員自2015年午收以來(lái)，已經(jīng)對(duì)該產(chǎn)品在小麥秸稈上的切割效果反復(fù)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，積累了大量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)證明：

6.1 切割效率高：旋切式刀具切割小麥秸稈，不受秸稈高低、干濕、粗細(xì)等條件的限制，完全能滿(mǎn)足割副寬度2.5米的收割機(jī)1小時(shí)收割10畝以上的技術(shù)要求。

6.2 切割效果好：因?yàn)椴捎脵C(jī)電一體化設(shè)計(jì)和旋切式刀具，切割長(zhǎng)度和留茬高度可以根據(jù)要求隨意設(shè)定。切割后地面干凈、整潔，有利于農(nóng)民耕種和田間管理。

6.3 采用直流電機(jī)直接帶動(dòng)刀片的方法，極大地簡(jiǎn)化了傳輸裝置，與采用機(jī)械傳動(dòng)方式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，節(jié)約能源在30%以上。

6.4 裝置底部設(shè)計(jì)有防硬物保護(hù)裝置，確保刀片在高速工作狀態(tài)下不受損壞，機(jī)械故障率低，使用可靠性好。

7 結(jié)論

本機(jī)械的安裝使用，雖然本身消耗了一些動(dòng)力，但因?yàn)檎{(diào)整了收割機(jī)的收割高度（穗下20厘米），實(shí)行二次切割，大大降低了收割機(jī)原有模式的動(dòng)力消耗，兩相比較，總體上完全起到了能耗降低的作用。同時(shí)減少了收割機(jī)的故障時(shí)間，減少了收割機(jī)的維修費(fèi)用，提高了收割機(jī)的工作效率，滿(mǎn)足了農(nóng)民在三夏期間搶收搶種的根本需求。最重要的是在秸稈禁燒方面，徹底解決了因?yàn)閺?qiáng)行禁燒而產(chǎn)生的一系列矛盾，有效地解決了禁燒和播種之間存在的問(wèn)題，變“堵”為“疏”，使國(guó)家和我省的禁燒政策能有效地得到貫徹落實(shí)，使各地的禁燒工作能有條不紊、全面深入地開(kāi)展下去，同時(shí)對(duì)資源的回收利用，對(duì)環(huán)境保護(hù)，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定，都有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。