HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)的研制

黃高鑒，程永鋼，鄭普山，張建杰，孫崇鳳

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈是糧食生產(chǎn)中主要副產(chǎn)品，產(chǎn)量多達(dá)數(shù)億噸，且秸稈中富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機(jī)質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生的生物資源；但現(xiàn)階段農(nóng)民對(duì)秸稈的綜合利用意識(shí)比較淡薄，致使田間地頭秸稈焚燒現(xiàn)象屢禁不止，秸稈利用效率極其低下，不僅造成資源浪費(fèi)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了破壞[1-4]。因此，如何提高農(nóng)民對(duì)秸稈的綜合利用意識(shí)以及秸稈利用效率，是促進(jìn)農(nóng)民增收、環(huán)境友好、資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展有效途徑[5]。

近年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了一系列政策，嚴(yán)禁秸稈就地焚燒，專家也建議秸稈還田，主要有以下三點(diǎn)好處：能有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境、增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、改善土壤物理性狀和提高土壤的生物活性，這樣不僅有助于解決秸稈焚燒等問(wèn)題，而且有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]。為能使秸稈還田技術(shù)大面積推廣應(yīng)用，秸稈還田機(jī)具研制勢(shì)在必行。而現(xiàn)有的秸稈還田機(jī)功能單一，且經(jīng)過(guò)粉碎后秸稈鋪于地表，需再通過(guò)旋耕機(jī)進(jìn)行作業(yè)使秸稈和土進(jìn)行混合，通過(guò)2種方式處理，增加機(jī)器作業(yè)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，加大了田間工作量和工作難度。筆者針對(duì)上述情況，研制了HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，旨在為當(dāng)?shù)氐慕斩捹Y源化利用提供一種新型農(nóng)機(jī)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

綜合考慮我國(guó)農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的實(shí)際情況，根據(jù)我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8401.3—2001和JB/T 6678—2001，提出以下主要技術(shù)指標(biāo)（表1）。

表1 秸稈粉碎功能的旋耕一體機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

要在滿足表1中主要技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量減輕機(jī)具質(zhì)量，同時(shí)要注意零件的裝配性和互換性等。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)（圖1）采用秸稈粉碎機(jī)部、旋耕機(jī)部、秸稈導(dǎo)流倉(cāng)與鎮(zhèn)壓輪組合設(shè)計(jì)。外殼的內(nèi)壁處從左到右依次固定連接有秸稈粉碎部和旋耕機(jī)部，外殼的外壁處通過(guò)卡塊活動(dòng)連接有第一連接桿，第一連接桿的底部通過(guò)夾持塊螺紋連接有固定板，固定板的一端通過(guò)第一安裝板活動(dòng)連接在外殼的外壁處，另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接有鎮(zhèn)壓輪。由圖1可知，秸稈粉碎機(jī)部的內(nèi)部固定連接有秸稈導(dǎo)流倉(cāng)，導(dǎo)流倉(cāng)的內(nèi)部活動(dòng)連接有粉碎刀輥，粉碎刀輥的一端通過(guò)傳送皮帶活動(dòng)連接有電機(jī)，秸稈導(dǎo)流倉(cāng)的底部設(shè)置有壓輥，旋耕機(jī)部的頂部活動(dòng)連接有懸掛桿。由圖1可知，懸掛桿的頂部與秸稈粉碎機(jī)部的頂部活動(dòng)連接，懸掛桿的底部活動(dòng)連接在齒輪箱的頂部，齒輪箱外壁的一側(cè)固定連接有萬(wàn)向節(jié)，齒輪箱的底部固定連接有第二連接桿，第二連接桿的底部貫穿框架活動(dòng)連接有軸承座，軸承座的一端活動(dòng)連接有旋耕刀軸。

該機(jī)具在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給變速箱，經(jīng)變速箱增速后，通過(guò)皮帶傳送帶動(dòng)秸稈粉碎機(jī)部對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎，利用秸稈導(dǎo)流倉(cāng)將粉碎后的秸稈傳送至旋耕刀軸外壁處，利用旋耕刀軸一邊翻土一邊將粉碎的秸稈與土壤混合，經(jīng)由后面的鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓，可達(dá)到秸稈粉碎還田、作業(yè)后土地平整的效果。

2 功能特點(diǎn)與配套動(dòng)力計(jì)算

2.1 功能特點(diǎn)

HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)，通過(guò)對(duì)秸稈還田機(jī)部、旋耕機(jī)部和鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用秸稈粉碎機(jī)部和旋耕機(jī)部，周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)，將粉碎的秸稈與土壤充分混合，達(dá)到了秸稈一次性還田目的；由于鎮(zhèn)壓輪承擔(dān)了部分機(jī)具的重量，使鎮(zhèn)壓輪可對(duì)作業(yè)后的土壤進(jìn)行平整和壓實(shí)，后續(xù)免耕播種提供便利條件。該機(jī)具達(dá)到了粉碎旋耕一體的效果，大大減少了田間的工作量，同時(shí)提高了秸稈的處理效率和利用率。

2.2 配套動(dòng)力計(jì)算

2.2.1 秸稈粉碎機(jī)功耗計(jì)算 HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，粉碎秸稈主要在秸稈粉碎機(jī)部和秸稈導(dǎo)流倉(cāng)中進(jìn)行，只有當(dāng)粉碎機(jī)粉碎時(shí)的刀端線速度大于34 m/s時(shí)，并且刀軸的轉(zhuǎn)向?yàn)榉崔D(zhuǎn)，粉碎效果才最好[7-8]，故需要較大的功率消耗。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[9]，秸稈粉碎還田的功耗一般為8～11 kW/壟，本機(jī)具設(shè)計(jì)為四壟作業(yè)，每壟取最大功耗11kW，則秸稈粉碎機(jī)部功耗應(yīng)為N1＝44 kW。

2.2.2 旋耕機(jī)部功耗計(jì)算 旋耕機(jī)部工作時(shí)，功率消耗主要與旋耕機(jī)作業(yè)幅度、旋耕刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕深度、土壤條件、機(jī)組前進(jìn)速度等因素有關(guān)。影響因素較多，可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算[10-11]。

式中，Kλ表示旋耕比阻，h表示旋耕深度，Vm表示機(jī)具前進(jìn)速度，B表示旋耕幅度。根據(jù)資料可知，Kλ＝K1K2K3K4Kg；其中，K1＝1.2，K2＝0.92，K3＝1.2，K4＝0.71，Kg＝16，故Kλ＝15.05 N/cm2。本研究選取h＝80 mm，B＝2 000 mm，Vm＝1.35 m/s。將以上參數(shù)帶入公式（1）可得，N2≈32.5 kW。

2.2.3 拖拉機(jī)行進(jìn)功耗計(jì)算 拖拉機(jī)在作業(yè)過(guò)程中要克服各種各樣阻力，本文主要主要考慮機(jī)組前進(jìn)速度Vm、土壤滾動(dòng)阻力Pf和行駛過(guò)程中受到的牽引阻力PT[12]。拖拉機(jī)行進(jìn)過(guò)程消耗的功率為：

其中，Pf＝Gs×f，PT＝Kr×h×B，Kλ表示土壤比阻，f表示滾動(dòng)阻力系數(shù)，Gs表示拖拉機(jī)的使用質(zhì)量作用在拖拉機(jī)上的重力。本文選取Kr＝9 N/cm2，h＝80 mm，B＝2 000 mm，f＝0.1，Gs按照東方紅LX1204拖拉機(jī)的使用質(zhì)量5 030 kg進(jìn)行計(jì)算。將以上參數(shù)代入（2）可得，Pf＝4 930 N，PT＝14 400 N；N3≈26 kW。

2.2.4 傳動(dòng)功耗計(jì)算 對(duì)于功耗，本研究按照最大功耗進(jìn)行計(jì)算。

閉式齒輪的傳動(dòng)效率（c）一般為0.97，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率（e）一般為0.93，萬(wàn)向聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率（s）一般為0.98[10]，將以上參數(shù)代入公式（3）可得，N＝116kW。故選用功率為120kW拖拉機(jī)進(jìn)行作業(yè)。2.2.5 主要技術(shù)參數(shù) HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)（表2）。

表2 HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院朔州分院基地開(kāi)展，所選試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，長(zhǎng)度與寬度都滿足機(jī)具作業(yè)要求，且玉米收獲后的莖稈無(wú)嚴(yán)重倒伏。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)使用東方紅LX1204型拖拉機(jī)進(jìn)行配套作業(yè)，對(duì)機(jī)組作業(yè)范圍內(nèi)采用隨機(jī)選取檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行還田深度、還田深度穩(wěn)定性、碎稈長(zhǎng)度、秸稈粉碎率性能指標(biāo)檢測(cè)。

3.2.1 還田深度及穩(wěn)定性測(cè)定 在HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)已作業(yè)范圍內(nèi)，每隔3 m選取一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，選取10點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算其平均值。測(cè)定結(jié)果列于表3[11]。

表3 還田深度的測(cè)定 mm

其中，還田深度標(biāo)準(zhǔn)誤差式（4）中，hi表示每個(gè)測(cè)點(diǎn)的還田深度，h表示作業(yè)范圍的平均還田深度，單位為mm。計(jì)算得出，A＝97.31%。

3.2.2 粉碎率測(cè)定 秸稈粉碎率測(cè)定方法為在一體機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)試區(qū)面積為1 m×1 m，分別稱取測(cè)試區(qū)內(nèi)所有秸稈和不合格長(zhǎng)度的秸稈重量[13-14]，并計(jì)算出平均值。測(cè)試結(jié)果列于表4。

表4 秸稈粉碎率的測(cè)定結(jié)果

式（5）中，Mb表示測(cè)區(qū)內(nèi)不合格長(zhǎng)度秸稈質(zhì)量，Mz表示測(cè)區(qū)內(nèi)全部秸稈質(zhì)量，單位為g。

3.2.3 測(cè)式結(jié)果對(duì)比 從表5可以看出，該一體機(jī)的主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)家及行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)[12-13]，滿足市場(chǎng)需求。

表5 測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)比

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)該機(jī)具整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)并結(jié)合農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝要求，研制出一種多功能的HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)。經(jīng)田間試驗(yàn)測(cè)定，HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)的碎稈長(zhǎng)度58 mm、秸稈粉碎率86.94%、平均還田深度96 mm、還田深度穩(wěn)定性97.31%，測(cè)試結(jié)果已達(dá)到了國(guó)家及行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體機(jī)是一種多功能的秸稈處理機(jī)具，可以實(shí)現(xiàn)秸稈一次性粉碎翻壓均勻還田，為后續(xù)免耕播種提供便利條件；并且細(xì)碎秸稈有利于分解轉(zhuǎn)化，從而培肥地力；更是大大減少了機(jī)器重復(fù)作業(yè)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，降低了田間工作量和工作難度。

由于時(shí)間所限，本機(jī)具只對(duì)玉米進(jìn)行了田間試驗(yàn)，未進(jìn)行更多作物試驗(yàn)。今后應(yīng)進(jìn)一步在更多作物上進(jìn)行試驗(yàn)。由于機(jī)械化技術(shù)的不斷發(fā)展，以后應(yīng)探索在HCZ-220型秸稈粉碎旋耕一體的基礎(chǔ)上增加一些結(jié)構(gòu)，使之具備施肥、播種等聯(lián)合作業(yè)功能。