秸稈還田覆蓋播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)設(shè)計

陳書法，孫 蒨，朱曉華，孟憲清

(1.淮海工學(xué)院 ，江蘇 連云港 222005；2.贑榆區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站，江蘇 連云港 222100)

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，環(huán)境問題被視為國家未來發(fā)展的難題。目前，農(nóng)民往往在作物收獲后，大量燃燒秸稈，不僅造成了嚴(yán)重的生物資源的浪費(fèi)，更造成了霧霾及有害氣體CO、SO2,、NO2等一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，成為社會關(guān)注的重點(diǎn)話題[1]。

國外對于秸稈還田復(fù)式作業(yè)機(jī)具的研究已經(jīng)趨于成熟，很多歐美國家早已經(jīng)采取這種保護(hù)性、一次性的耕作方式。秸稈還田復(fù)式作業(yè)機(jī)在我國的起步較晚，對于這種一次性的秸稈還田耕作機(jī)具的認(rèn)識基本是空白狀態(tài)。目前，國內(nèi)作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)，功能單一，作業(yè)效果達(dá)不到農(nóng)藝要求。

施肥播種復(fù)式作業(yè)機(jī)主要是將秸稈打碎，通過螺旋輸送機(jī)將秸稈還田，不僅減少了環(huán)境的污染，而且資源得到了充分的利用。本文的秸稈還田覆蓋播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)可以提高農(nóng)作業(yè)效率、優(yōu)化播種間隔，將播種和施肥同步進(jìn)行，并實施按農(nóng)作物需量進(jìn)行施肥，大大提高肥料的利用率，減少了肥料的浪費(fèi)和多余肥料對環(huán)境的污染。

1 設(shè)計原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

本文設(shè)計了一種可以實現(xiàn)一次滅茬、秸稈還田覆蓋、旋耕及播種施肥的復(fù)式作業(yè)機(jī)，可以減少勞動強(qiáng)度，保持一致的播種行距、旋耕深度，不僅節(jié)約了資源，而且保護(hù)了環(huán)境。本機(jī)可實現(xiàn)多行播種，極大地提高了工作效率。整機(jī)采用了一些簡單、通用的零部件，更換方便。該機(jī)的播種種類多，既可以播種玉米，也可以播種小麥，且播種量也可以根據(jù)播種的需要而自行調(diào)節(jié)。該機(jī)在實現(xiàn)復(fù)式作業(yè)的同時，也考慮到了作業(yè)環(huán)境，在條件惡劣的情況下也可以工作。

1.2 總體設(shè)計

秸稈還田覆蓋播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。拖拉機(jī)輸出軸速度為540r/min，實現(xiàn)滅茬刀軸速度為2 400r/min，旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為200r/min。

本機(jī)的主要組成部分為三點(diǎn)懸掛裝置、前變速箱、滅茬側(cè)邊傳動裝、滅茬刀輥組件、絞籠及風(fēng)機(jī)，具體包括旋耕側(cè)邊傳動裝置、機(jī)架、旋耕側(cè)邊傳動箱、排肥器、種肥箱、播種器及拋灑管道等。田間作業(yè)時，機(jī)具前部三點(diǎn)懸掛于拖拉機(jī)上，動力由拖拉機(jī)輸入到前變速箱，由前變速箱帶動萬向節(jié)到側(cè)邊V帶，使得粉碎刀軸轉(zhuǎn)動，粉碎刀軸上安裝有粉碎刀具；同時，由另一側(cè)的V帶帶動絞籠旋轉(zhuǎn)，帶動地面的粉碎后的稻秸稈，通過絞籠的轉(zhuǎn)動，將粉碎的秸稈傳遞到風(fēng)機(jī)中，再由風(fēng)機(jī)向外界拋灑；與此同時，后方的側(cè)邊傳動箱，由拖拉機(jī)的動力經(jīng)過萬向節(jié)帶動使得旋耕刀軸轉(zhuǎn)動，旋耕刀軸上安裝有旋耕刀具，完成旋耕；播種排肥箱側(cè)面裝有電機(jī)，由電機(jī)帶動軸，使得播種施肥器轉(zhuǎn)動，經(jīng)過輸料管，完成播種施肥過程。

1.3 旋耕裝置傳動系統(tǒng)設(shè)計

秸稈還田播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)旋耕傳動系統(tǒng)圖如圖2所示。旋耕裝置的傳動路線為：拖拉機(jī)動力輸出軸 萬向節(jié) 旋耕側(cè)邊傳動裝置 旋耕刀輥組件(200 r/min)。

1.三點(diǎn)懸掛裝置 2.前變速箱 3.滅茬側(cè)邊傳動裝置 4.滅茬刀輥組件 5.絞籠 6.風(fēng)機(jī) 7.旋耕側(cè)邊傳動裝置 8.機(jī)架 9.旋耕側(cè)邊傳動箱 10.排肥器 11.種肥箱 12.播種器 13.拋灑管道

1．傳動軸 2.萬向節(jié) 3.旋耕側(cè)邊傳動裝置 4.旋耕刀輥組件

通過設(shè)計計算，得到各級傳動比及齒輪齒數(shù)如表1所示。

表1 旋耕裝置各級傳動比Table1 Transmission ratioofRotary device at all levels

1.4 滅茬裝置傳動系統(tǒng)設(shè)計

秸稈還田播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)滅茬傳動系統(tǒng)圖如圖3所示。傳動路線為：拖拉機(jī)輸入→前變速箱→萬向節(jié)帶動V帶→粉碎刀軸→另一側(cè)V帶→絞籠，最終粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速為2 400r/min，絞籠的轉(zhuǎn)速為1 855r/min。

1.中間變速器輸入軸 2.中間變速器輸出軸 3.右側(cè)帶傳動 4.稻秸稈粉碎軸 5.絞籠、風(fēng)機(jī)軸 6.左側(cè)帶傳動

計算得到齒輪及V帶傳動比及基本參數(shù)，如表2所示。

表2 滅茬裝置齒輪參數(shù)Table 2 Parametersstubble gear

續(xù)表2

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 旋耕刀與滅茬刀的設(shè)計與排列

旋耕機(jī)性能有很多影響因素，包括旋耕刀排列方式，其對切削扭矩、功率損耗、作業(yè)機(jī)使用后效果及作業(yè)機(jī)的平衡性等指標(biāo)有至關(guān)重要的作用。刀的排列方式應(yīng)遵循以下原則：①在刀輥軸向投影圓周內(nèi)總刀數(shù)等分排列，刀輥每轉(zhuǎn)過360°/Z有1把彎刀入土，使得切土扭矩平衡，減小波動幅度；②左右彎刀交替入土；③盡可能增大軸向同截面或相鄰兩彎刀周向夾角，以避免夾土阻塞[2]。

根據(jù)本設(shè)計中的設(shè)計參數(shù)確定耕幅為[2]

(5)

式中B—旋耕機(jī)耕幅(m)；

N—拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的額定功率(kN)。

如果幅寬大的話，刀片自然增多，這樣發(fā)動機(jī)工作會過載。所以，選擇合適的耕幅非常重要，本文幅寬選擇2m。

由于這次設(shè)計的作業(yè)機(jī)耕幅選擇為2m,左右旋耕與滅茬彎刀各20把(見圖4)，根據(jù)實際要求選取雙螺旋線排列方式。

刀軸與刀具構(gòu)成一個多剛體的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)動慣量由于不是實際的整體，因此理論上來說不是一個常值。由于刀軸的轉(zhuǎn)速高，滅茬刀質(zhì)量大，離心慣量大[2]，因此把刀與刀軸看為一個剛體后，滅茬刀排列滿足以下4個條件(圓周角度方向)，即可到達(dá)動平衡[2]，則

Ix=sinα1+sinα2+...+sinαn=0

(1)

Iy=cosα1+cosα2+...+cosαn=0

(2)

當(dāng)n為偶數(shù)時，滿足以下公式，即

Ixz=(n-1)×sinα1+(n-2)sinα2+...+

sinαn-1=0

(3)

Iyz=(n-1)×cosα1+(n-2)cosα2+...+

cosαn-1=0

(4)

n—刀軸上的組數(shù)；

α—刀座的角度；

Ix—刀軸對x軸的轉(zhuǎn)動慣量；

Iy—刀軸y軸的轉(zhuǎn)動慣量；

Ixz—刀具平面對垂直的x,z軸的慣性積；

Iyz—刀具平面對垂直的x,z軸的慣性積。

本機(jī)中，n=40,α的各個角度如圖5所示。

根據(jù)以上約束條件，設(shè)計了一個基于VB的計算程序進(jìn)行驗證。通過輸入選取的α值，使得滿足上述條件為0值；否則修改，得到以下排列雙頭螺旋排列方式展開圖。橫向為長度坐標(biāo)，縱向為角度坐標(biāo)一格90°，如圖4所示。

圖4 滅茬刀輥彎刀布置展開圖Fig.4 Stubble knife roll machetes deployment plan

2.2 施肥與播種裝置設(shè)計

播種施肥裝置由排肥器、種肥箱、播種器、輸料管及分散種子裝置組成；播種施肥裝置由電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)播種施肥，如圖5所示。在播種施肥過程中，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)出料量。其優(yōu)點(diǎn)如下：①播種器間隔分布均勻，可實現(xiàn)種子的播種均勻，以此提高產(chǎn)量；②播種施肥裝置的排量可根據(jù)需要而自行調(diào)節(jié)；③種箱和肥料箱采用漏斗形式，這樣可以減少在機(jī)器作業(yè)時種子和肥料的剩余量。

1.肥料箱 2.傳動軸 3.播種器 4.施肥器 5.電動機(jī) 6.種肥箱

2.3 播種施肥器種類的選擇

外槽輪式播種器與外槽輪式施肥器原理相似，具有結(jié)構(gòu)簡單及適用于易于攪動的化肥和顆?；N子的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于谷物條播和中耕播種機(jī)上。根據(jù)復(fù)式作業(yè)機(jī)的播種施肥的要求，選擇外槽輪式播種與外槽輪式施肥器。外槽輪式播種器的播種過程為：種子在重力的作用下滑落填滿槽輪的凹槽，槽輪在電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，種子跟隨槽輪一起轉(zhuǎn)動，進(jìn)行排種；槽輪外圍的種子由于槽輪的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的外緣波動和種子之間的摩擦而發(fā)生運(yùn)動，這種運(yùn)動逐層傳遞，由槽輪帶動的種子轉(zhuǎn)動掉入排種舌，最終落入輸種管[3]，完成播種。

2.4 施肥器的參數(shù)選擇

根據(jù)實際需要和設(shè)計要求選取外槽輪式播種器參數(shù)如下：

1)外槽輪的直徑：d=60mm。

2)外槽輪轉(zhuǎn)速n：槽輪的轉(zhuǎn)速為n=40r/min。

3)外槽輪工作長度L：播小麥類等谷物時，可取L=45mm。

4)外槽輪數(shù)Z：槽數(shù)Z選擇不能偏多，也不能偏少。選用常用外槽輪Z=14齒。

同理，選擇外槽輪式播種器主要參數(shù)如下：

1)外槽輪的直徑：d=40mm。

2)外槽輪轉(zhuǎn)速n：槽輪的適宜轉(zhuǎn)速范圍為n=40r/min，在此轉(zhuǎn)速時播量較穩(wěn)定。

3)外槽輪工作長度L：播小麥類等谷物時，可取L=35mm。

4)外槽輪數(shù)Z：槽數(shù)Z選擇不能偏多，也不能偏少，選用常用外槽輪Z=14齒。

2.5 肥料箱的設(shè)計

種箱和肥料箱容量根據(jù)播種工作的幅寬、播種量或施肥量、播種行程、種子肥料的密度等而決定，工作中不宜將子?；蚍柿先颗欧牛Ｓ嗟淖蚜；蚍柿咸贂苯咏档团欧N施肥的性能，應(yīng)至少留有10%的余量。種肥箱的容量可用下式確定，即

(6)

式中V—種肥箱容量(L)；

L—裝滿1箱種子所能播種施肥的距離，最少等于1個往返的行程，即地塊長度的1倍(m) ；

B—工作幅寬(m)；

Qmax—單位面積最大播種量或施肥量(kg/hm2)；

λ—種子或肥料的密度(kg/m3) 。

根據(jù)小麥的播種需求計算如下：B=2，L=30，Qmax=20kg/0.067hm2,λ=0.77，得出V=46L。肥料箱的設(shè)計要滿足將肥和種子分開并且自行落下的要求。

2.6 輸料管的參數(shù)選擇

輸料管主要是將播出的種子導(dǎo)入撒種器中，使種子順利到達(dá)溝內(nèi)，它的直徑選40mm，材料為塑料。輸料管的長度L用以下公式確定，即

(7)

式中H—種子從出料口到撒種器的垂直距離(mm)；

α—輸料管傾斜角度(與水平方向的夾角)。

3 田間試驗驗證

田間試驗位于江蘇省連云港灌云縣一帶一年兩熟的丘陵區(qū)域，實驗區(qū)域空氣濕度較大，播種小麥，地面平坦，鮮有障礙體，年均降水量大約為800mm，得出以下實驗數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 田間實驗數(shù)據(jù)Table 3 Field experimental data

4 結(jié)論

結(jié)合秸稈還田保護(hù)性耕作的實際需求，設(shè)計了一種秸稈還田施肥播種復(fù)式作業(yè)機(jī)。該機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊合理，工作效率高，由拋灑管道將稻秸稈覆蓋到地面上。旋耕滅茬刀軸采用雙螺旋排列方式，播種施肥器采用內(nèi)槽輪式播種施肥器，播種施肥器使用電機(jī)帶動，實現(xiàn)精量播種的需求。該機(jī)作業(yè)效果好，工作范圍廣泛，滿足了農(nóng)戶對于秸稈還田播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)的要求。