大棚作物秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置

孫平平 李雪明 王曉林

(濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700)

秸稈廢棄物是一種可循環(huán)利用的資源[1]。秸稈還田是當(dāng)今世界上普遍重視的一項(xiàng)培肥地力的增產(chǎn)措施，在杜絕了秸稈堆積和焚燒所造成的大氣污染的同時(shí)還有增肥增產(chǎn)的作用[2]。市面上現(xiàn)存的秸稈粉碎還田機(jī)更多的是用于室外農(nóng)作物的粉碎還田[3]，適用于大棚內(nèi)作物秸稈粉碎還田的幾乎沒有。

本文針對目前大棚作物秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，秸稈粉碎長度較大、拋撒不均勻的問題，設(shè)計(jì)了一種鐮刀型定刀片與直型帶彎角的動刀片配合使用的秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置。其工作幅寬1.2m，通過對整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定刀與動刀的加工工藝、排列與配合等關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析，確定了其最佳結(jié)構(gòu)組織形式及工藝參數(shù)。

1 新型秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 新型秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置的結(jié)構(gòu)

本文所研究的大棚作物秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置由定刀和動刀結(jié)構(gòu)組成。定刀片焊接在刀片裝置機(jī)罩的內(nèi)壁上，沿直線在兩側(cè)、中間均布3組，形成定刀結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)定刀片刃口迎向動刀片的旋轉(zhuǎn)方向；動刀結(jié)構(gòu)總成包括刀軸(1)、刀架(2)、刀片(3)，刀軸為圓柱回轉(zhuǎn)體零件，選用45鋼正火處理，刀架是上下邊呈小圓弧的圓角矩型，刀片呈三面刃直型，外端帶彎角，彎角取135°。矩形的刀架呈雙螺旋排列焊接在刀軸上，三面刃直形的刀片用自鎖螺母(4)固定在矩形的刀架上，構(gòu)成刀片裝置。該刀片裝置總長1090mm，總寬620mm，總高715mm，結(jié)構(gòu)小巧，動作靈活，平衡性強(qiáng)，粉碎質(zhì)量高，適用于大棚內(nèi)地塊平坦的支撐柱間作業(yè)。

1.2 工作原理

該刀片裝置是與小型拖拉機(jī)配套使用，利用輸出軸傳遞動力，采用懸掛架升降，接動力傳遞方式，為方便大棚內(nèi)作業(yè)設(shè)置前置形式。通過齒輪傳動驅(qū)動刀軸高速旋轉(zhuǎn)，對大棚內(nèi)秸稈直接粉碎并拋撒還田。工作原理是隨刀軸高速旋轉(zhuǎn)的末端帶小彎曲角的直型動刀片對秸稈進(jìn)行砍切，并在刀片裝置入口處吸壓力的作用下將其吸入裝置內(nèi)，與定刀配合使秸稈在多次剪切、打擊、撕裂作用下成剪斷狀，均勻地拋撒在田間。

2 大棚作物秸稈粉碎還田機(jī)刀片裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 定刀片與動刀片的材料選擇及加工工藝

本機(jī)刀片材料選用50Mn。為了保持刀片良好的剪切粉碎功能，刀片刃口設(shè)計(jì)過程中，刃口角度取30°，設(shè)置0.5mm的淬火層。新型刀片設(shè)計(jì)刃口半徑為 0.35mm，并采用外磨刃形式以保持刀片刃口鋒利，新型刀片的長度取100mm，寬度取 35mm。

2.2 定刀片與動刀片的排列與配合

2.2.1 定刀片的排列

定刀片成直線型焊接在機(jī)罩內(nèi)壁的兩側(cè)和中間處，均勻分布。

2.2.2 動刀片的排列

為了使得秸稈粉碎后能及時(shí)排出刀片裝置，避免纏繞到刀片上，一般取刀片的排列密度q為18～25片/m。刀片的排列密度計(jì)算公式為

q=N/L

式中：q為刀片密度(片/cm)；N為刀片數(shù)量(片)；L為刀片裝置長度(cm)。

考慮到大棚作物秸稈濕度相對較大，若刀片的排列密度過大容易造成刀片被秸稈纏繞，影響后續(xù)的秸稈粉碎；若其排列密度過小會使得刀片空切，導(dǎo)致秸稈粉碎不均勻及粉碎長度過大等現(xiàn)象。所以，在滿足工作效果的情況下取q=20片/m，將L=1.09m代入上式，計(jì)算得出N=22片。

本項(xiàng)目通過分析試驗(yàn)以上排列方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新一款新型的雙螺線對稱刀片排列方式，使刀軸受力均勻，防止對刀軸產(chǎn)生影響，且要使刀軸受到的徑向力平衡，使其均力免震；其次要增大相鄰兩刀的徑向夾角，這樣會使得刀片的切碎效果比較好，且不易發(fā)生纏繞堵塞和空切的現(xiàn)象。

2.3 定刀片與動刀片的配合

在考慮粉碎、拋撒效果及穩(wěn)定性等因素的基礎(chǔ)上，本文最終選擇鐮刀型定刀片與直型帶彎角的動刀片配合作業(yè)的刀片裝置。在刀片裝置上，定刀焊接在機(jī)罩內(nèi)壁的定刀座上，與安裝在刀軸上動刀的重合長度≥75mm，安裝時(shí)定刀刃口迎向動刀的旋轉(zhuǎn)方向，定刀片1與動刀片2對中布置。如圖1所示。

圖1 刀片配合圖

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

進(jìn)行創(chuàng)新式大棚作物秸稈粉碎機(jī)刀片裝置與傳統(tǒng)式粉碎機(jī)刀片裝置的對比試驗(yàn)。對比分析兩者在大棚內(nèi)支撐柱間作業(yè)的區(qū)域適用性、功耗、粉碎合格率、拋撒均勻度。2020年11月在山東省壽光市濰坊科技學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園(地處北緯37°52′，東經(jīng)118°44′)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)對象為“玉玲瓏”番茄秸稈，先期作了開棚一周的晾曬，秸稈含水率15.85%，較高，秸稈直徑10.12 mm，試驗(yàn)地情況滿足機(jī)具作業(yè)要求。

3.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如下表，

留茬平均高度粉碎秸稈長度合格率拋撒均勻度創(chuàng)新刀片裝置83.794.884.7傳統(tǒng)刀片裝置86.590.379.8

綜上可知，當(dāng)小型拖拉機(jī)前進(jìn)速度為3.6km/h，刀軸轉(zhuǎn)速為 1498r/min，創(chuàng)新刀片裝置較傳統(tǒng)刀片裝置在留茬平均高度、秸稈粉碎長度合格率及拋撒均勻度方面均有較大的改進(jìn)，滿足設(shè)計(jì)需求。同時(shí)該刀片裝置可推廣到大棚內(nèi)辣椒、茄子等作物使用，對當(dāng)?shù)氐拇笈飪?nèi)作物秸稈粉碎還田發(fā)展起到很好的促進(jìn)作用。