可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

章志強(qiáng) 何 進(jìn) 李洪文 王慶杰 琚佳偉 鄢雄磊

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

章志強(qiáng) 何 進(jìn) 李洪文 王慶杰 琚佳偉 鄢雄磊

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

針對(duì)秸稈粉碎還田機(jī)粉碎后的秸稈拋撒均勻度差和幅寬不可調(diào)節(jié)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機(jī)。該機(jī)主要由曲面機(jī)殼、粉碎裝置、拋撒裝置和傳動(dòng)裝置等組成，可以實(shí)現(xiàn)玉米、小麥秸稈的粉碎和粉碎后秸稈的拋撒還田。曲面機(jī)殼包括對(duì)數(shù)螺旋線型前殼體、左側(cè)板、右側(cè)板和后擋板等。 Fluent仿真分析結(jié)果表明，曲面機(jī)殼相比傳統(tǒng)折線型機(jī)殼有利于提高秸稈在機(jī)殼內(nèi)的流動(dòng)性。粉碎裝置包括粉碎刀軸、組合甩刀、定刀等，其中粉碎刀軸兩端裝有扇形葉片，提高了曲面機(jī)殼內(nèi)流體流動(dòng)速度和曲面機(jī)殼入口處秸稈喂入性能。在曲面機(jī)殼出口處增加了裝有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流板，并設(shè)計(jì)了一種同步調(diào)節(jié)所有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)向葉片同步調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)了粉碎后秸稈拋撒幅寬、均勻度的可調(diào)節(jié)。田間試驗(yàn)表明，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1.8 m/s，秸稈平均含水率為78.4%，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min的未收獲玉米地里，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率達(dá)90.01%，平均拋撒幅寬達(dá)2 223.3 mm，平均留茬高度為62.0 mm，拋撒不均勻度為22.95%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

秸稈還田； 組合甩刀； 曲面機(jī)殼

引言

我國(guó)秸稈總量大、種類(lèi)多、分布廣，每年秸稈產(chǎn)量8億多噸，秸稈產(chǎn)量約占全世界秸稈總量的30%，位列世界之首，秸稈以水稻、小麥和玉米等為主[1]。秸稈機(jī)械化粉碎還田能夠節(jié)省勞力，增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)[2-3]；同時(shí)，還能避免多余秸稈的焚燒和化肥的過(guò)度使用[4]。

粉碎后秸稈的長(zhǎng)度和拋撒均勻度作為秸稈粉碎還田機(jī)的2個(gè)重要工作性能參數(shù)，對(duì)下茬作物的播種和生長(zhǎng)有重要的影響。為了提高秸稈粉碎質(zhì)量，減小粉碎后秸稈長(zhǎng)度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)出了Y-L型[5]、T型[6]、組合Y型[7]和三節(jié)鞭式[8]等多種形式的秸稈粉碎還田刀具，研究了不同動(dòng)定刀間隙、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度等機(jī)具結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)[9-12]對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度的影響，并研發(fā)出了針對(duì)小麥、玉米、棉花、香蕉、甘蔗和水稻等多種作物秸稈的秸稈粉碎還田機(jī)[13-15]。現(xiàn)有研究大多針對(duì)減小粉碎后的秸稈長(zhǎng)度，對(duì)調(diào)節(jié)粉碎后秸稈拋撒均勻度、幅寬等的研究相對(duì)較少。提高粉碎后秸稈拋撒均勻度方面的研究主要是針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)配套的秸稈粉碎裝置，如安裝風(fēng)機(jī)提高粉碎室內(nèi)氣流流速[16]和增加旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)輔助拋撒。安裝風(fēng)機(jī)雖然能提高粉碎后秸稈拋撒的均勻度，但會(huì)使機(jī)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顯著增加機(jī)器功耗，秸稈的拋撒幅寬、均勻度等也比較難控制。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，在黃淮海小麥-玉米一年兩熟區(qū)，設(shè)計(jì)一種帶導(dǎo)向葉片同步調(diào)節(jié)裝置的秸稈粉碎拋撒還田機(jī)來(lái)粉碎和拋撒玉米、小麥秸稈，實(shí)現(xiàn)粉碎后秸稈拋撒的均勻度、幅寬等的可調(diào)節(jié)，以滿足不同的秸稈還田要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)主要由曲面機(jī)殼、粉碎裝置(粉碎刀軸、組合甩刀、定刀)、拋撒裝置(導(dǎo)向葉片、導(dǎo)流板、導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置)和傳動(dòng)裝置等組成，如圖1所示。導(dǎo)流板鉸接在機(jī)殼排草口處，導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置安裝在導(dǎo)流板上下兩面，粉碎裝置安裝在曲面機(jī)殼內(nèi)部，傳動(dòng)裝置安裝在曲面機(jī)殼左側(cè)和上部。其中，傳動(dòng)裝置用于把拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力傳遞到粉碎刀軸，為秸稈粉碎拋撒還田機(jī)提供動(dòng)力；導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的位置，從而控制曲面機(jī)殼出口處拋出秸稈的幅寬、均勻度和距離等；粉碎裝置用于粉碎和拋撒作物秸稈，懸掛裝置用于把秸稈粉碎拋撒還田機(jī)掛接于四輪拖拉機(jī)，行走裝置用于支撐機(jī)器行走和調(diào)節(jié)粉碎刀刀尖離地間隙。

圖1 秸稈粉碎拋撒還田機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural schematic diagrams of straw chopper cum spreader1.曲面機(jī)殼 2.定刀 3.懸掛裝置 4.動(dòng)力輸入軸 5.變速箱6.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 7.導(dǎo)流板 8.導(dǎo)向葉片 9.導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置 10.行走裝置 11.粉碎刀軸 12.組合甩刀

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的動(dòng)力經(jīng)變速箱和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)二次增速后帶動(dòng)粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)，使粉碎刀軸上的組合甩刀砍切地表秸稈；同時(shí)組合甩刀和扇形葉片對(duì)曲面機(jī)殼入口處的氣體做功，使氣體流速增加，氣壓減小，在入口處形成負(fù)壓區(qū)；切斷的秸稈在入口負(fù)壓和組合甩刀的作用下進(jìn)入曲面機(jī)殼內(nèi)，并在組合甩刀和定刀的多次砍切、撕裂和揉搓等綜合作用下被粉碎成小段或纖維狀；粉碎后的秸稈在高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀軸產(chǎn)生的氣流和離心力的作用下從曲面機(jī)殼出口處經(jīng)導(dǎo)向葉片導(dǎo)流，均勻拋出撒落地表。調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置，使粉碎后的秸稈在曲面機(jī)殼出口處以不同的拋射角度和位置從導(dǎo)向葉片拋出，便能獲得不同的秸稈拋撒均勻度、幅寬和距離等。

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 曲面機(jī)殼設(shè)計(jì)與機(jī)殼內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的曲面機(jī)殼(圖2)主要由對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體、左側(cè)板、右側(cè)板和后擋板組成，其中對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體焊接在左、右側(cè)板之間，后擋板通過(guò)螺栓固接在左、右側(cè)板之間。地表秸稈被組合甩刀切斷后進(jìn)入曲面機(jī)殼，在曲面機(jī)殼內(nèi)被粉碎后拋撒出曲面機(jī)殼。因此，機(jī)殼的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)秸稈喂入、粉碎和拋撒都有重要的影響。

表1 秸稈粉碎拋撒還田機(jī)參數(shù)Tab.1 Main parameters of straw chopper cum spreader

圖2 曲面機(jī)殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of shell1.曲面前殼體 2.左側(cè)板 3.后擋板 4.右側(cè)板

2.1.1對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體設(shè)計(jì)

現(xiàn)有秸稈粉碎還田機(jī)的機(jī)殼在設(shè)計(jì)時(shí)，從入口到出口的前殼體的內(nèi)切理論曲線為一偏心圓，即入口處粉碎刀刀尖到前殼體的間隙ε1至出口處間隙ε2由小逐漸增大，如圖3所示。較小的入口間隙有利于粉碎刀對(duì)進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)秸稈的集中粉碎，提高粉碎質(zhì)量；較大的出口間隙有利于粉碎后的秸稈順利拋出[17]。

圖3 偏心圓式折線前殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of eccentric circle type broken-line front casing

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)工作時(shí)氣流從機(jī)殼底部垂直方向進(jìn)入然后從頂部水平方向流出，氣流方向與橫流風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流方向相似，因此本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體來(lái)替代傳統(tǒng)的折線型前殼體。對(duì)數(shù)螺旋線型蝸殼狀曲面前殼體滿足了入口處粉碎刀刀尖到前殼體的間隙ε1至出口處間隙ε2由小逐漸增大的要求，同時(shí)流體在對(duì)數(shù)螺旋線型殼體內(nèi)比折線型殼體內(nèi)具有更好的流動(dòng)性。

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)蝸殼線型有兩種：基于周向平均速度方法設(shè)計(jì)的阿基米德螺旋線；基于等環(huán)量法設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)螺旋線。根據(jù)LAZZAROTTO等[18]的研究，對(duì)數(shù)螺旋線型蝸殼(圖4)的型線公式為

(1)

式中R——蝸殼型線上點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心O的距離，mmεr——螺旋線起點(diǎn)處的蝸殼間隙，mmθ——從蝸殼型線上點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心O距離為R時(shí)對(duì)應(yīng)的角度，(°)

D——旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)直徑，mm

α0——螺旋線起點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心O連線與水平軸的夾角，(°)

θ*——蝸殼壁面徑向?qū)挾认禂?shù),(°)

當(dāng)蝸殼壁面寬度較小時(shí)θ*取359°，當(dāng)蝸殼壁面寬度較大時(shí)θ*取139°，相對(duì)協(xié)調(diào)寬度的蝸殼壁面θ*取191°。

圖4 對(duì)數(shù)螺旋線型蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of logarithmic spiral type volute

由表1中秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的參數(shù)可知，式(1)中的旋轉(zhuǎn)直徑D對(duì)應(yīng)粉碎刀軸的旋轉(zhuǎn)直徑為542 mm；采用較小的蝸殼壁面寬度，即θ*取359°與秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的機(jī)殼后殼體匹配[19]；α0為30°，εr最小蝸殼間隙確定為10 mm[20]。因此，秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體的型線方程為

(2)

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的喂入口高度h對(duì)秸稈割茬高度有重要影響，增大h能顯著減小割茬高度，但過(guò)大的h會(huì)使切斷的秸稈向前飛出，影響秸稈的順利喂入。為了同時(shí)滿足秸稈順利喂入和留茬高度的要求，喂入口高度h需要滿足條件[21]

(3)

式中t——粉碎刀刀尖離地高度，mm

根據(jù)表1中設(shè)計(jì)的粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)直徑和粉碎刀刀尖的離地間隙，結(jié)合式(3)確定h為180 mm。最終，確定秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的曲面前殼體和機(jī)殼分別如圖5和圖2所示。

圖5 對(duì)數(shù)螺旋線型曲面前殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of logarithmic spiral type curved front housing cover

2.1.2機(jī)殼內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，機(jī)殼內(nèi)的流體包括空氣流和秸稈流，秸稈在機(jī)殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間短且與空氣的作用較弱，因此機(jī)殼內(nèi)的流動(dòng)可以看作是穩(wěn)態(tài)、有粘性、不可壓縮和絕熱的單相湍流。Realizablek-ε模型相比于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型為湍流粘性增加了一個(gè)公式，能更好地模擬強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，因此本文利用Realizablek-ε模型來(lái)計(jì)算機(jī)殼內(nèi)的湍流。

定義粉碎刀軸區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度為粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)；其余區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系。將機(jī)殼表面設(shè)置為靜止壁面；刀軸表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。入口和出口邊界條件采用壓力入口和壓力出口，壓力大小都為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼的Fluent仿真分析結(jié)果表明，曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼入口處空氣的質(zhì)量流量分別為0.439 4、0.379 5 kg/s，曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼入口處總壓分別為-1 384.7、-1 367.58 Pa，機(jī)殼入口處壓力云圖如圖6所示，說(shuō)明曲面機(jī)殼相比折線型機(jī)殼能使更多的流體進(jìn)入機(jī)殼。

曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼出口處流體最大速度分別為37.268、35.457 m/s，曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼出口處流體平均速度分別為3.848、3.466 m/s，機(jī)殼出口處速度云圖如圖7所示，說(shuō)明曲面機(jī)殼相比折線型機(jī)殼更容易使流體流出機(jī)殼。

圖6 入口處壓力云圖Fig.6 Contours of pressure field at inlet

圖7 出口處速度云圖Fig.7 Contours of velocity field at outlet

圖8 左截面流線圖Fig.8 Streamlines on left-side plan

圖9 中間截面流線圖Fig.9 Streamlines on middle-side plan

圖10 右截面流線圖Fig.10 Streamlines on right-side plan

在機(jī)殼寬度方向的左、中、右3個(gè)位置各取一個(gè)截面，3個(gè)截面的流線圖如圖8～10所示。由圖8可知，在機(jī)殼出口處曲面機(jī)殼相比折線型機(jī)殼有更多流線，因此更有利于流體的流出。由圖9可知，在機(jī)殼出口處曲面機(jī)殼和折線型機(jī)殼都產(chǎn)生了渦流，但折線型機(jī)殼在出口處產(chǎn)生的渦流比曲面機(jī)殼大，出口處大的渦流會(huì)影響流體的順利流出。由圖10可知，在靠近機(jī)殼出口處曲面機(jī)殼產(chǎn)生了輕微的回流而折線型機(jī)殼產(chǎn)生了較大面積的回流，機(jī)殼內(nèi)回流會(huì)影響流體在機(jī)殼內(nèi)的流動(dòng)性。通過(guò)對(duì)圖8～10的分析可知，曲面機(jī)殼更有利于粉碎后秸稈的順利拋出。

2.2 粉碎裝置設(shè)計(jì)

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的粉碎裝置主要由粉碎刀軸、粉碎刀(組合甩刀、定刀)、定刀板和扇形葉片等組成，如圖11所示。粉碎刀軸和定刀板安裝在左、右兩側(cè)板之間，其中粉碎刀軸的中心線經(jīng)過(guò)圖4中的旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)，定刀固接在定刀板上，組合甩刀鉸接在粉碎刀軸上，扇形葉片固接在粉碎刀軸兩端。進(jìn)入曲面機(jī)殼內(nèi)的秸稈被組合甩刀和定刀粉碎，粉碎后的秸稈在氣流和離心力的共同作用下運(yùn)動(dòng)到拋撒裝置。

圖11 粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structure diagram of chopping device1.組合甩刀 2.粉碎刀軸 3.扇形葉片 4.定刀板 5.定刀

2.2.1粉碎刀設(shè)計(jì)

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的粉碎刀包括鉸接在粉碎刀軸上的組合甩刀和固接在粉碎刀板上與甩刀形成支撐切割的定刀，動(dòng)、定刀的支持切割能減小粉碎后秸稈長(zhǎng)度和提高秸稈粉碎質(zhì)量[22]。

甩刀的類(lèi)型對(duì)秸稈粉碎質(zhì)量有很大影響。L改進(jìn)型刀具有較好的秸稈撿拾性能，但粉碎性能差；直刀相比L改進(jìn)型刀有較好的秸稈粉碎能力，但撿拾能力相對(duì)不足。L改進(jìn)型刀和直刀組合的組合甩刀，兼有直刀的粉碎性能和L改進(jìn)型刀的粉碎性能[23]。因此，確定采用1或2把L改進(jìn)型刀+1把十字型直刀的組合式甩刀，如圖12所示?？紤]到粉碎刀軸左右兩端空間位置的限制，在粉碎刀軸左右兩端靠近扇形葉片處安裝1把L改進(jìn)型刀+1把十字型直刀的組合甩刀，粉碎刀軸其他位置安裝2把L改進(jìn)型刀+1把十字型直刀的組合甩刀，如圖11所示。L改進(jìn)型刀為秸稈粉碎還田機(jī)上普遍使用的甩刀。十字型直刀相比傳統(tǒng)的直刀在刀片左、右兩端增加了刀肩，從而增加了粉碎刀工作部分(刀刃)的長(zhǎng)度，同時(shí)在秸稈隨甩刀旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中刀肩對(duì)秸稈有支撐作用，提高了秸稈粉碎質(zhì)量；左、右刀刃部分都有鋸齒，提高了刀片的耐磨性和秸稈粉碎質(zhì)量，同時(shí)使刀片在一端磨損時(shí)可以替換另一端工作[24]。

圖12 甩刀和組合甩刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure diagrams of blades and combined flails

合理的甩刀數(shù)量對(duì)保證秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的粉碎和拋撒質(zhì)量有重要的意義。甩刀數(shù)量多能有較好的粉碎和拋撒質(zhì)量，但機(jī)具功耗大；減少甩刀數(shù)量可顯著降低機(jī)器功耗，但作業(yè)后部分秸稈的長(zhǎng)度大。甩刀理論上的數(shù)量計(jì)算式為[25]

Nc=CLc

(4)

式中Nc——甩刀總數(shù)，把C——甩刀密度，把/mmLc——甩刀在粉碎刀軸上的分布長(zhǎng)度，mm

對(duì)于直刀C通常取0.05～0.07把/mm，L及L改進(jìn)型刀C通常取0.02～0.04把/mm，對(duì)于T型刀C通常取0.01把/mm。

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的工作幅寬為2 000 mm，因此Lc的長(zhǎng)度為2 000 mm?？紤]到甩刀需要同時(shí)粉碎玉米等硬質(zhì)和小麥等軟質(zhì)秸稈，甩刀的數(shù)量不能太少。組合甩刀相比L改進(jìn)型甩刀增加了直刀，可以適度減少甩刀數(shù)量。最終確定組合甩刀的密度C取0.021組/mm，根據(jù)公式(4)可得組合甩刀的總數(shù)量為42組，其中十字型直刀42把，L改進(jìn)型刀80把。

為了更好地粉碎小麥等韌性較大的軟質(zhì)秸稈，在秸稈粉碎拋撒還田機(jī)曲面機(jī)殼內(nèi)安裝有一排定刀來(lái)輔助秸稈的粉碎，使動(dòng)、定刀形成支撐切割[26]。定刀為普通的直刀，長(zhǎng)170 mm，寬50 mm，厚4 mm，材料為45Mn鋼，左、右兩端都有刃口，且刃口經(jīng)過(guò)淬火處理。

2.2.2粉碎刀排列設(shè)計(jì)

粉碎刀的排列包括甩刀在粉碎刀軸上的布置和定刀在定刀板上的布置，不合理的粉碎刀排列不僅會(huì)降低秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的秸稈粉碎和拋撒質(zhì)量，而且會(huì)使機(jī)具產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，甚至損壞機(jī)具[27]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)甩刀排列的研究，確定采用雙螺旋線的方式排列組合甩刀，使粉碎刀輥的受力均勻，減小機(jī)器振動(dòng)[28-30]。

2.2.1節(jié)中確定的組合甩刀總數(shù)量為42組，因此按雙螺旋線方式排列的組合甩刀在每條螺旋線上排列的數(shù)量為21組，初始相位角分別為0°和180°；單條螺旋線上相鄰兩組甩刀軸向間距為2000/20=100 mm，單條螺旋線上相繼與秸稈接觸的甩刀的相位差為360°/20=18°。參考旋耕機(jī)的刀片排列，確定單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差φ計(jì)算公式為[31]

(5)

式中φ——單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差，(°)

θn——單條螺旋線上相繼與秸稈接觸的兩組甩刀的相位差，(°)

n——單條螺旋線上甩刀總數(shù)量，組

單條螺旋線上組合甩刀數(shù)n為21，代入式(5)確定單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差為72°。最終得到組合甩刀在粉碎刀軸上的排列如圖13所示。

圖13 組合甩刀雙螺旋線排列展開(kāi)圖Fig.13 Double helix arrangement of combined flails in unfold drawing

動(dòng)、定刀之間的間隙直接影響到秸稈的粉碎長(zhǎng)度。在秸稈含水率低時(shí)，動(dòng)、定刀間隙對(duì)秸稈粉碎效果影響較小，但秸稈含水率高時(shí)，秸稈的粉碎質(zhì)量會(huì)顯著降低；較小的動(dòng)、定刀間隙能獲得好的秸稈粉碎質(zhì)量，但過(guò)小的動(dòng)、定刀間隙易使甩刀與定刀發(fā)生碰撞，損壞工作部件和造成安全隱患。GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》中規(guī)定玉米和小麥粉碎后的長(zhǎng)度分布不能超過(guò)100、150 mm，在同時(shí)滿足玉米和小麥秸稈要求的前提下確定相鄰兩定刀距離為100 mm，定刀排列情況如圖14所示。

圖14 定刀排列示意圖Fig.14 Arrangement of stationary blade

2.2.3粉碎刀軸設(shè)計(jì)

粉碎刀軸轉(zhuǎn)速是秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的重要工作參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)滿足對(duì)地面秸稈的有效切割和適宜的秸稈粉碎長(zhǎng)度、拋撒均勻度等要求。粉碎刀軸轉(zhuǎn)速高，動(dòng)力消耗大，機(jī)器振動(dòng)和噪聲也增大。粉碎小麥等韌性較強(qiáng)的秸稈時(shí)需要較大的粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，拋撒玉米等質(zhì)量較大的秸稈時(shí)也需要足夠大的粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，因此適度提高粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速來(lái)同時(shí)滿足粉碎和拋撒要求。研究表明，切割和粉碎秸稈需要的粉碎刀尖線速度為30～48 m/s[26]，小麥秸稈的懸浮速度為2.3～4.7 m/s[32]，玉米的懸浮速度大約為7 m/s[33]，結(jié)合張佳喜等[34]提出的理論，確定粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。

粉碎刀軸回轉(zhuǎn)直徑的確定主要考慮其對(duì)整機(jī)作業(yè)效果及刀輥平衡的影響?；剞D(zhuǎn)直徑增加，回轉(zhuǎn)慣性隨之增大，但整機(jī)的工作負(fù)荷也增加。綜合機(jī)殼尺寸、秸稈留茬高度等影響因素，在保證粉碎軸強(qiáng)度的前提下，盡量地減少整機(jī)質(zhì)量，確定使用φ170×5無(wú)縫鋼管與兩軸頭焊接成粉碎刀軸。同時(shí)在刀軸兩端各焊接一個(gè)扇形葉片盤(pán)，扇形葉片盤(pán)上各安裝6片扇形葉片。這種帶扇形葉片的粉碎刀軸(圖11)相比傳統(tǒng)的僅依靠甩刀來(lái)粉碎和拋撒秸稈的粉碎刀軸，增加的扇形葉片能提高機(jī)殼內(nèi)氣流速度。

通過(guò)熱線風(fēng)速儀多次測(cè)量，在粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min時(shí)，秸稈粉碎拋撒還田機(jī)曲面機(jī)殼入口處和出口處氣流最高流速可達(dá)11.4、13.5 m/s。

2.3 拋撒裝置設(shè)計(jì)

秸稈拋撒裝置(圖15)主要包括導(dǎo)流板、導(dǎo)向葉片和導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置，其中導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置包括上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、左右同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。導(dǎo)流板的后端通過(guò)鉸鏈與機(jī)殼連接，導(dǎo)向葉片安裝在導(dǎo)流板下方。粉碎后的秸稈在導(dǎo)流板上的導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用下被均勻地拋撒覆蓋在秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的后方。

圖15 拋撒裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.15 Structure diagram of spreading device1.導(dǎo)流板 2.導(dǎo)向葉片 3.連桿銷(xiāo) 4.短連桿 5.長(zhǎng)連桿 6.長(zhǎng)齒條 7.大齒輪 8.小齒輪 9.短齒條 10.左右調(diào)節(jié)板 11.螺紋調(diào)節(jié)套 12.螺紋調(diào)節(jié)軸

不同地區(qū)、作物和種植農(nóng)藝對(duì)秸稈拋撒的特性(拋撒幅寬和均勻度等)有不同的要求，秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的作業(yè)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、秸稈量、秸稈含水率和地表狀況等)對(duì)秸稈的拋撒特性有顯著的影響，因此設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的工作位置，以獲得粉碎后秸稈的不同拋撒幅寬、均勻度和距離等。

2.3.1導(dǎo)向葉片排列設(shè)計(jì)

為了使粉碎后的秸稈更均勻的拋撒出曲面機(jī)殼，在曲面機(jī)殼出口處增加了一個(gè)裝有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流板，導(dǎo)向葉片能對(duì)拋撒出的秸稈起到導(dǎo)流作用。導(dǎo)流板為2 240 mm×300 mm×4 mm普通鋼板，導(dǎo)流板與曲面機(jī)殼同寬。導(dǎo)流板的中間位置沿寬度方向設(shè)置一條導(dǎo)流板條形槽，在導(dǎo)流板條形槽的左右兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向分別設(shè)置4個(gè)導(dǎo)流板半圓形槽，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的位置。導(dǎo)向葉片為弧形折彎板，導(dǎo)向葉片安裝在導(dǎo)流板上。導(dǎo)向葉片之間的距離會(huì)影響導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用，從而影響粉碎后秸稈在地表覆蓋的均勻性?？紤]到導(dǎo)流板的尺寸和導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)位置的限制，以及對(duì)玉米、小麥秸稈覆蓋均勻度的要求，確定在導(dǎo)流板左、右兩邊各對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)導(dǎo)向葉片，導(dǎo)向葉片的安裝位置如圖16所示。

圖16 導(dǎo)向葉片排列圖Fig.16 Arrangement of stationary blade guide vanes

2.3.2上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)螺紋調(diào)節(jié)套，改變螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長(zhǎng)度，使導(dǎo)流板上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)安裝在導(dǎo)流板上的8片導(dǎo)向葉片的上下同步調(diào)節(jié)。上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是使導(dǎo)流板能繞曲面機(jī)殼上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變安裝在導(dǎo)流板上的導(dǎo)向葉片的上下位置，進(jìn)而影響流經(jīng)導(dǎo)向葉片的粉碎后秸稈的運(yùn)動(dòng)狀況。根據(jù)不同地區(qū)玉米和小麥種植農(nóng)藝，通過(guò)改變導(dǎo)流板與水平面的夾角，獲得不同的秸稈拋撒幅寬、均勻度和距離等。導(dǎo)流板向上或向下轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大都不利于秸稈的拋撒，設(shè)計(jì)導(dǎo)流板上、下轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度α、β分別為20°和15°。

如圖17所示，導(dǎo)流板US處于水平位置時(shí)，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長(zhǎng)度為AB；當(dāng)導(dǎo)流板US往上轉(zhuǎn)動(dòng)α?xí)r，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長(zhǎng)度為lA1B；當(dāng)導(dǎo)流板US向下轉(zhuǎn)動(dòng)β時(shí)，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長(zhǎng)度為lA2B。lA1B與lA2B之差Δl即為能滿足導(dǎo)流板向上轉(zhuǎn)動(dòng)α和向下轉(zhuǎn)動(dòng)β所需要的調(diào)節(jié)螺紋的長(zhǎng)度。根據(jù)螺旋機(jī)構(gòu)的基本規(guī)律可得Δl的求解公式為

(6)

其中

式中l(wèi)UA、lUC、lBC——上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定部件的長(zhǎng)度，mm

圖17 上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.17 Schematic diagram of upwards-downwards synchronization regulation mechanism

由上下同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的安裝位置參數(shù)可知，lBC=69.4 mm，lUC=220.7 mm，lUA=240.9 mm，代入式(6)可求得螺紋調(diào)節(jié)長(zhǎng)度為123.2 mm。

2.3.3前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，通過(guò)長(zhǎng)齒條帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的大齒輪帶動(dòng)同軸的小齒輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的小齒輪進(jìn)而帶動(dòng)嚙合的短齒條使導(dǎo)向葉片前后移動(dòng)。前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是改變導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的前后位置，調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片前端弧形部分伸出導(dǎo)流板的長(zhǎng)度，進(jìn)而影響流經(jīng)導(dǎo)向葉片的粉碎后秸稈的運(yùn)動(dòng)狀況，從而改變秸稈在出口處的拋射位置。根據(jù)對(duì)秸稈拋撒均勻度的要求，通過(guò)改變導(dǎo)向葉片伸出長(zhǎng)度，使秸稈從不同位置被拋撒出。導(dǎo)向葉片直線段的長(zhǎng)度為150mm，為了使導(dǎo)向葉片安裝方便，確定導(dǎo)向葉片前后調(diào)節(jié)的最大距離(lHH1)為130mm。

圖18a為前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)向前調(diào)節(jié)的極限位置，其中G點(diǎn)和H點(diǎn)分別為小齒輪與短齒條和大齒輪與長(zhǎng)齒條在前極限位置的嚙合點(diǎn)；圖18b為前后同步調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)向后調(diào)節(jié)的極限位置，其中G1點(diǎn)和H1點(diǎn)分別為小齒輪與短齒條和大齒輪與長(zhǎng)齒條在后極限位置的嚙合點(diǎn)。lGG1即為能滿足導(dǎo)向葉片前后移動(dòng)距離lHH1所需的長(zhǎng)度。根據(jù)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的基本規(guī)律可得lGG1的求解公式為

圖18 前后同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.18 Schematic diagram of frontwards-backwards synchronization regulation mechanism

(7)

(8)

其中

γ1=γ2

式中 lHH1——短齒條移動(dòng)的距離，mmlGG1——長(zhǎng)齒條移動(dòng)的距離，mmγ1——大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，(°) γ2——小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，(°) m1——大齒輪模數(shù)，mmm2——小齒輪模數(shù)，mmz1——大齒輪齒數(shù) z2——小齒輪齒數(shù)

圖19 左右同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.19 Schematic diagram of leftwards-rightwards synchronization regulation mechanism

考慮到導(dǎo)向葉片上安裝位置的限制，查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定m1=2mm，m2=2mm，z1=24，z2=18，代入式(7)、(8)可求得導(dǎo)向葉片可在導(dǎo)流板上前后移動(dòng)的距離lGG1=97.5mm。

2.3.4左右同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

左右同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為平面連桿機(jī)構(gòu)，移動(dòng)左、右兩長(zhǎng)連桿連接部位的連桿銷(xiāo)帶動(dòng)長(zhǎng)連桿運(yùn)動(dòng)，通過(guò)長(zhǎng)連桿帶動(dòng)短連桿運(yùn)動(dòng)，短連桿進(jìn)而帶動(dòng)插入左右調(diào)節(jié)板內(nèi)的左、右兩邊的導(dǎo)向葉片沿不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。左右同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是改變導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的左右位置，進(jìn)而改變秸稈在出口處的拋射角度。使秸稈以不同的初始角度從曲面機(jī)殼出口處被拋撒出，能獲得不同的秸稈拋撒幅寬、均勻度和距離等。考慮到導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上長(zhǎng)度的限制，同時(shí)調(diào)節(jié)角度過(guò)大相鄰的兩導(dǎo)向葉片會(huì)阻擋秸稈的拋出，確定導(dǎo)向葉片可以左右調(diào)節(jié)的角度η為60°。

如圖19所示，K1和I1為導(dǎo)向葉片在右極限位置時(shí)短連桿和滑塊的位置，K2和I2為導(dǎo)向葉片在左極限位置時(shí)短連桿和滑塊的位置。lJK、lIK和lI1I2分別為使導(dǎo)向葉片左右調(diào)節(jié)η時(shí)所需的長(zhǎng)連桿、短連桿和滑槽的長(zhǎng)度。根據(jù)平面連桿機(jī)構(gòu)的基本規(guī)律可得lJK、lIK和lI1I2的求解公式為

lJK=3lF1F2

(9)

(10)

(11)

其中

lIK=lI1K1=lI2K2

式中 lF1F2——兩弧形滑槽圓心之間的距離，mm

由導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，lF1F2=265mm，lK1R=40mm，lF1K1=175mm，lF1L=127.5mm，lI1L=59.7mm，代入式(9)～(11)可求得lJK=795mm、lIK=215.2mm和lI1I2=202mm。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2部分組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出，先經(jīng)變速箱錐齒輪完成第1次加速，再由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成第2次加速，帶動(dòng)粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)，如圖20所示。

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)值有540、720、1 100r/min3種，考慮粉碎刀軸對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的要求，確定動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min。經(jīng)過(guò)變速箱和傳動(dòng)帶2次加速使粉碎刀軸轉(zhuǎn)速達(dá)到2 100r/min，總傳動(dòng)比i=2 100/540=3.89。綜合考慮傳動(dòng)系統(tǒng)輪廓尺寸、潤(rùn)滑條件等因素，確定i1=2.21、i2=1.76。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相同長(zhǎng)度的玉米秸稈體積和質(zhì)量都比小麥秸稈大，拋撒的難度也更大，因此本文選擇玉米秸稈作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)時(shí)間為2016年10月，試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，在夏玉米未收獲試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)田地面有輕微起伏，玉米種植行距為620 mm，株距為234 mm，玉米品種為P型958；玉米秸稈平均直徑為19 mm，平均高度為2 290 mm，含水率為78.4%。田間試驗(yàn)及作業(yè)效果如圖21所示。

圖20 秸稈粉碎拋撒還田機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.20 Transmission system schematic of straw chopper cum spreader1.變速箱 2.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.粉碎刀輥

圖21 秸稈粉碎拋撒還田機(jī)田間試驗(yàn)Fig.21 Field trials of straw chopper cum spreader

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》對(duì)秸稈粉碎拋撒還田機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，選取秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、留茬平均高度、秸稈拋撒不均勻度和秸稈拋撒幅寬作為試驗(yàn)參數(shù)。拖拉機(jī)以1.8 m/s的速度前進(jìn)，測(cè)定2個(gè)行程(往返)。

3.2.1秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率

拖拉機(jī)每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向上等間距測(cè)定3點(diǎn)，每點(diǎn)隨機(jī)測(cè)定1 m2，收集所有秸稈用振動(dòng)篩清除秸稈里混有的泥土、碎石等雜物并稱(chēng)量。從中選出粉碎長(zhǎng)度不合格的秸稈(大于100 mm)稱(chēng)量。計(jì)算每點(diǎn)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率

(12)

式中i——測(cè)試點(diǎn)序號(hào)Fni——測(cè)點(diǎn)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率，%Mzi——測(cè)點(diǎn)秸稈總質(zhì)量，kgMbi——測(cè)點(diǎn)不合格秸稈質(zhì)量，kg

3.2.2秸稈拋撒幅寬和不均勻度

拖拉機(jī)每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向上等間距測(cè)定3點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量碎稈覆蓋寬度并計(jì)算平均拋撒幅寬。在每點(diǎn)隨機(jī)測(cè)定1m2，收集所有秸稈用振動(dòng)篩清除秸稈里混有的泥土、碎石等雜物并稱(chēng)量。計(jì)算秸稈拋撒不均勻度

(13)

其中

(14)

3.2.3秸稈平均留茬高度

拖拉機(jī)每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向上測(cè)定2點(diǎn)，測(cè)定每點(diǎn)1 m2范圍內(nèi)秸稈留茬高度并計(jì)算平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的多次田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在未收獲的玉米地且玉米秸稈含水率較高(75%～85%)的情況下，機(jī)具性能良好；秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的秸稈拋撒不均勻度僅為22.95%，與GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》中規(guī)定的30%有顯著降低，拋撒均勻度提高幅度達(dá)10.07%；秸稈拋撒幅寬達(dá)2 223.3 mm，與設(shè)計(jì)的機(jī)器工作幅寬2 000 mm相比，粉碎后秸稈在橫向覆蓋寬度增加了11.165%；秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率達(dá)90.01%，與GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》中規(guī)定的85%提高了5.89%；秸稈平均留茬高度為62.0 mm，與GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》中規(guī)定的80 mm有顯著降低，平均留茬高度降低了22.5%。與現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機(jī)相比，秸稈粉碎拋撒還田機(jī)能提高秸稈拋撒幅寬和均勻度。

秸稈粉碎拋撒還田機(jī)雖能較好地粉碎和拋撒秸稈，但在土壤含水率較高或地表不平整的情況下，粉碎刀會(huì)出現(xiàn)輕微的打土和拋土現(xiàn)象。因此，在后續(xù)的研究?jī)?yōu)化中特別是機(jī)具工作幅寬較大時(shí)，需要提高行走裝置的仿形能力或采用鎮(zhèn)壓輥替代行走輪。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機(jī)，通過(guò)導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)了秸稈粉碎后的不同拋撒幅寬、均勻度和距離等可調(diào)節(jié)，以滿足不同的秸稈還田需求。秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的田間試驗(yàn)表明，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1.8 m/s，秸稈平均含水率為78.4%，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min的未收獲玉米地里，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率達(dá)90.01%，平均拋撒幅寬達(dá)2 223.3 mm，平均留茬高度為62.0 mm，拋撒不均勻度為22.95%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

(2)設(shè)計(jì)了一種秸稈粉碎拋撒還田機(jī)的曲面機(jī)殼，其中曲面機(jī)殼的前殼體為對(duì)數(shù)螺旋線型。Fluent仿真分析得出曲面機(jī)殼比折線型機(jī)殼具有更好的流體流動(dòng)性，為秸稈粉碎拋撒還田機(jī)機(jī)殼的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

(3) 粉碎刀軸兩端安裝有扇形葉片，在粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min時(shí)，秸稈粉碎拋撒還田機(jī)曲面機(jī)殼入口處和出口處氣流最高流速可達(dá)11.4、13.5 m/s，提高了秸稈粉碎和拋撒質(zhì)量，特別是提高了對(duì)地表倒伏秸稈的粉碎能力。

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DesignandExperimentonStrawChopperCumSpreaderwithAdjustableSpreadingDevice

ZHANG Zhiqiang HE Jin LI Hongwen WANG Qingjie JU Jiawei YAN Xionglei

(CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China)

A straw chopper cum spreader was developed to deal with the problems of unadjustable chopped straw spreading uniformity and width. The machine which was mainly composed of a curved shell, transmission system, eight guide vanes, a deflector, a guide vane regulating device, a running gear, a hood and a straw chopping device can realize the function of crop straw chopping and chopped straw spreading. The front casing of the shell was a logarithmic spiral line surface, and the equation of the front casing was built. The comparison between curved type shell and break line type shell was made by using Fluent software, the results of which showed that the curved type shell could improve the flowability of straw in the shell. A row of stationary blades was mounted to support the chopping process of the combined flails, which could help to reduce length of the chopped straw. The distance between the stationary blade and combined flail was determined according to the chopping quality. The fan-shaped blades which were mounted on both side of the roller increased the fluid flow rate, and improved the straw feeding ability. The guide vane can guide the flow of chopped straw at the outlet of the shell, which improved the spreading uniformity of the chopped straw. The guide vane regulating device can control the spreading width, velocity and uniformity of the chopped straw by adjusting the guide vanes position on the deflector. The structural parameters of the guide vane regulating device were determined according to the features of mechanisms. Field experiment results showed that with the forward speed of 1.8 m/s, straw moisture of 78.4%, and PTO rotation speed of 540 r/min in the unharvested cornfield, the machine could achieve a qualification rate of straw chopping of 90.01%, spreading width of 2 223.3 mm, average stubble height of 62.0 mm, and spreading unevenness of 22.95%. The performance indexes of the machine satisfied the agronomic requirements of returning straw onto soil surface. The research can provide some references for the design of new chopper with good straw chopping and spreading ability.

straw returning； combined flails； curved type shell

S224.29

A

1000-1298(2017)09-0076-12

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.010

2016-12-18

2017-03-02

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201503136)和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT13039)

章志強(qiáng)(1990—)，男，博士生，主要從事保護(hù)性耕作秸稈還田機(jī)具研究，E-mail： 1208998732@qq.com

何進(jìn)(1979—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作研究，E-mail： hejin@cau.edu.cn