壟作玉米雙軸高低刀秸稈粉碎還田機(jī)的研究設(shè)計(jì)

河北圣和農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司 劉建華

1 問題的提出

目前，國(guó)內(nèi)中原平作區(qū)秸稈還田技術(shù)非常成熟，配套秸稈還田機(jī)基本已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

東北三省（黑龍江、吉林、遼寧）和內(nèi)蒙古東部地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱東北四省區(qū)）耕地面積大（僅黑龍江耕地就占全國(guó)的1/9），年秸稈產(chǎn)量高，在秸稈禁燒政策引導(dǎo)下，秸稈技術(shù)還田逐步展開。東北四省區(qū)農(nóng)作物多采用壟作模式，壟頂和壟底存在5～6cm的高度差（部分壟高差更高），傳統(tǒng)的還田機(jī)動(dòng)刀長(zhǎng)度一致，難以滿足該地區(qū)壟作模式作業(yè)要求：以壟頂為作業(yè)基準(zhǔn)面，壟底秸稈難以撿拾或粉碎；以壟底為作業(yè)基準(zhǔn)面，動(dòng)刀切削壟上土壤，耗能增加且加速還田機(jī)損壞。

在東北四省區(qū)，動(dòng)力設(shè)備多以大馬力拖拉機(jī)為主，但目前國(guó)內(nèi)與之配套的大型作業(yè)機(jī)具種類相對(duì)較少。

鑒于此，本公司開展了研制適合東北四省區(qū)壟作模式、與大馬力拖拉機(jī)配套使用的秸稈粉碎還田機(jī)工作。

2 雙軸高低刀秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

該機(jī)作業(yè)幅寬為2800mm，采用雙軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與147Kw～161.76Kw的拖拉機(jī)配套，推薦工作速度為6～9km/h。與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛型式連接，拖拉機(jī)后輸出軸動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸傳遞至秸稈粉碎機(jī)變速箱，后經(jīng)過橋軸、帶傳動(dòng)把動(dòng)力傳遞給前軸。前軸上的長(zhǎng)短錘爪根據(jù)壟形規(guī)律分布，且長(zhǎng)錘爪中心線與壟溝中心線重合。

圖1 秸稈還田機(jī)主要結(jié)構(gòu)

作業(yè)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的前軸長(zhǎng)短錘爪同時(shí)將壟頂和壟底的秸稈撿拾，由于前軸的高速旋轉(zhuǎn)，在喂入口所形成的負(fù)壓作用下，秸稈被吸入機(jī)殼內(nèi)，錘爪與機(jī)殼內(nèi)第一排定刀齒對(duì)秸稈進(jìn)行第一次切割粉碎；隨后，在流經(jīng)折線型的機(jī)殼內(nèi)壁時(shí)，由于截面變化導(dǎo)致氣流速度改變，使秸稈多次受到刀片的擊打；當(dāng)秸稈進(jìn)入后軸所在的腔體時(shí)，在后軸和后腔體頂大的作用下又一次受到剪切和擊打作用，經(jīng)過二次粉碎后的秸稈以絲絮狀被氣流拋送出機(jī)殼，均勻拋撒到田間。

2.2 前后軸轉(zhuǎn)速的確定

刀軸的轉(zhuǎn)速是由秸稈切斷長(zhǎng)度和秸稈無支撐時(shí)被切割所需最低切割線速度來確定的。

根據(jù)玉米秸稈還田技術(shù)要求，秸稈粉碎長(zhǎng)度≤10cm，留茬平均高度≤4cm。理論研究和試驗(yàn)表明，玉米秸稈粉碎還田屬于無支撐切割，動(dòng)刀刀端的線速度大于30m/s時(shí)才能滿足作業(yè)需求。

大馬力拖拉機(jī)較中小型動(dòng)力設(shè)備行走速度快，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，刀軸設(shè)計(jì)值在2000～2400r/min。本機(jī)前后刀軸額定轉(zhuǎn)速均為2300 r/min。

2.3 前軸動(dòng)刀的排布及其動(dòng)平衡的校核

2.3.1 前軸的結(jié)構(gòu)

東北四省區(qū)壟作壟距大多為65cm，大馬力拖拉機(jī)輪距可跨三壟作業(yè)；研發(fā)機(jī)具作業(yè)幅寬280cm，可覆蓋四壟范圍，且拖拉機(jī)與秸稈還田機(jī)中心均在壟頂中心。從中心向左右兩側(cè)各延伸32.5cm，正好處于壟底中心，繼續(xù)向左右延伸65cm，達(dá)到下一個(gè)壟底中心。

壟溝采用短刀座加長(zhǎng)錘爪的組合（并且壟溝上兩個(gè)長(zhǎng)錘爪的中心線重合），壟上采用長(zhǎng)刀座加短錘爪的組合，壟溝上的錘爪旋轉(zhuǎn)半徑較壟頂上的錘爪旋轉(zhuǎn)半徑大35mm。

前軸四條壟溝位置的8個(gè)長(zhǎng)錘爪及48個(gè)短的錘爪均是在360度范圍內(nèi)均勻分布，長(zhǎng)短垂爪在一起共同形成360度四條螺旋線型式均布：拿掉短錘爪，長(zhǎng)錘爪可以保持平衡；拿掉長(zhǎng)錘爪，短錘爪亦可保持平衡。同時(shí)還能保證前軸上長(zhǎng)短錘爪受力的時(shí)候，保持受力平衡，從而解決了壟頂壟底作業(yè)高低刀作業(yè)平穩(wěn)性問題。作業(yè)時(shí)，秸稈疏密程度是不一樣的，會(huì)導(dǎo)致錘爪的阻力大小不一樣，長(zhǎng)短錘爪在受力的時(shí)候，力臂也不一樣，容易產(chǎn)生受力不平衡的問題，但是前軸轉(zhuǎn)速高，錘爪質(zhì)量大，從而慣性力也大，再加上前軸上錘爪排布合理，作業(yè)時(shí)前軸錘爪間產(chǎn)生的偏擺很小，且很快能恢復(fù)到動(dòng)平衡狀態(tài)。從實(shí)際使用和試驗(yàn)情況看，平穩(wěn)性完全滿足要求。

2.3.2 前軸長(zhǎng)短錘爪的排列方式

兩片長(zhǎng)刀座相互對(duì)齊間隔距離44mm為一對(duì)，兩對(duì)長(zhǎng)刀座軸向間隔57mm、周向角度呈180°為一組，共用24組長(zhǎng)刀座。兩片短刀座相互對(duì)齊間隔距離44mm為一對(duì)，兩對(duì)刀座中心線重合、周向角度呈180°為一組，共用4組短刀座。

當(dāng)把第一組長(zhǎng)刀座焊接到軸管上后，刀軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)96.43°，軸向平移114mm，焊合第二組長(zhǎng)刀座，依次類推，但是焊接時(shí)第4、11、18、25等四組刀座為短刀座組。

2.3.3 前軸錘爪動(dòng)平衡的校核

長(zhǎng)短錘爪與前軸構(gòu)成一個(gè)多剛體的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)格地說轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是一個(gè)常值。所以刀軸上錘爪的排列方式及動(dòng)平衡是秸稈還田機(jī)最核心的技術(shù)所在。

因?yàn)榈蹲鶠榕紨?shù)，通過動(dòng)平衡公式計(jì)算，結(jié)果為：

I1=（n-1）sina1+（n-2）sina2+……+sin(an-1)=0.025

I2=（n-1）cosa1+（n-2）cosa2+……+cos（an-1）=0.802

公式中的“n”為到軸上刀座的組數(shù)，“a”為刀座的方位角度，通過動(dòng)平衡公式得出的數(shù)值都小于1，兩組刀座相鄰?qiáng)A角為96.43°，大于60°。即此刀軸排列即為合格。

2.4 后軸動(dòng)刀的排布及其動(dòng)平衡的校核

從圖1可以看出，后軸主要是二次粉碎秸稈，不涉及刀具不對(duì)壟問題。與前軸的甩刀不同，后軸采用的動(dòng)刀是固定的切碎刀。后軸配置動(dòng)刀片72個(gè)，腔體里配置定刀111個(gè)。后軸動(dòng)刀片呈360度四條螺旋線型式均布，與中原地區(qū)普遍使用的秸稈粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)大致相同，這里不做過多敘述。

2.5 其它部分設(shè)計(jì)

本機(jī)箱體采用的是意大利CMR集團(tuán)的8M箱體，此箱體帶有離合脫開裝置，在脫開拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出的時(shí)候，由于刀軸質(zhì)量大，慣性大，所以軸還要保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是后動(dòng)力已經(jīng)斷開，這樣勢(shì)必會(huì)造成燒皮帶現(xiàn)象，此箱體的離合脫開裝置正好解決了此問題。

殼體的焊合，此機(jī)器的板材都是采用的Q345B加厚板材，前后腔體均采用三排定刀的設(shè)計(jì)，在保證堅(jiān)固耐用的同時(shí)，保證切碎效果。

3 結(jié)語

該機(jī)小批量生產(chǎn)后，已經(jīng)在吉林和黑龍江部分地區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用。用戶評(píng)價(jià)為：該機(jī)可用于壟作地區(qū)玉米等作物秸稈切碎還田作業(yè)，變換動(dòng)刀也可用于非壟作地區(qū)，一次作業(yè)相當(dāng)于傳統(tǒng)秸稈機(jī)的兩次作業(yè)，作業(yè)效率高，切碎效果好，動(dòng)力消耗少，在東北壟作地區(qū)有良好的適應(yīng)性。