1JH-440型秸稈粉碎還田機(jī)的研究

李新明

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414）

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要附屬物，資源量巨大，如何有效利用農(nóng)作物秸稈是現(xiàn)階段面臨的主要難題。玉米秸稈資源利用方式主要有還田、飼料化和工業(yè)化等形式，其中機(jī)械化直接還田是一條最快捷、有效的途徑，也是實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作、建立高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)業(yè)的有效途徑[1]。秸稈還田裝備研發(fā)對于發(fā)展生態(tài)沃土、促進(jìn)資源有效利用具有重要意義。

國外對秸稈的利用方式主要也是機(jī)械還田，有效促進(jìn)了秸稈還田發(fā)展，也相應(yīng)推進(jìn)了保護(hù)性耕作技術(shù)。國外秸稈機(jī)械化還田機(jī)具存在對我國適應(yīng)性差的問題，且價格昂貴，不適宜直接使用。國內(nèi)現(xiàn)有秸稈還田機(jī)依然存在農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合程度不足的問題，由于秸稈不能細(xì)碎，導(dǎo)致小麥免耕播種機(jī)堵塞，防堵裝置的使用又帶來機(jī)具價格的上漲及動力需求的增加。另外，采用滅茬或普通旋耕的方式，秸稈和根茬混入土壤后導(dǎo)致土壤不實(shí)產(chǎn)生間隙，不僅失墑較快，而且導(dǎo)致播種后種子在土壤中出現(xiàn)架空現(xiàn)象，無法形成優(yōu)良的種床環(huán)境，影響種子的正常發(fā)芽和根系成長，降低了作物對自然災(zāi)害的抵御能力。因此，現(xiàn)有秸稈還田機(jī)械都存在農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合程度不足、還田質(zhì)量不穩(wěn)定等影響作物后期成長的問題，其主要表現(xiàn)在撿拾不干凈、拋撒不均勻、長度太長。不僅導(dǎo)致免耕播種機(jī)堵塞，而且秸稈與土壤融合不好導(dǎo)致種子虛空，后期根系偏弱以致減產(chǎn)。

針對以上問題，結(jié)合區(qū)域農(nóng)藝要求，以提高秸稈還田質(zhì)量和推進(jìn)保護(hù)性耕作技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1JH-440 細(xì)碎型秸稈還田機(jī)，該機(jī)是為大功率拖拉機(jī)配套的機(jī)型，在不清理秸稈的情況下就能夠進(jìn)行機(jī)械化免耕播種，適用于合作社及大農(nóng)戶進(jìn)行秸稈粉碎還田作業(yè)，為我國保護(hù)性耕作有效推進(jìn)提供技術(shù)和裝備支撐。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1JH-440 型秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)型式為懸掛單軸式，主要由萬向節(jié)總成、機(jī)架、懸掛總成、齒輪箱總成、罩殼總成、張緊裝置、地輪總成、刀軸（分段）總成、擋簾、支撐裝置等組成，組成及外形尺寸見圖1。該機(jī)作業(yè)后秸稈覆蓋相對均勻，地表平整。粉碎還田作業(yè)質(zhì)量要求：切碎長度≤10 cm，粉碎長度合格率≥90%，拋灑不均勻度≤20%，粉碎率≥90%，漏切率≤1.5%，適用性好，安全程度高。

圖1 1JH-440型秸稈粉碎還田機(jī)組成圖Fig.1 The composition of 1JH-440 straw crushing and returning machine

1.2 工作原理

機(jī)具作業(yè)時，拖拉機(jī)與1JH-440 細(xì)碎型秸稈還田機(jī)通過三點(diǎn)懸掛連接成一體，拖拉機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動主驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，動力從兩端經(jīng)皮帶傳遞給甩刀軸。拖拉機(jī)在行進(jìn)中，秸稈還田機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的動刀將秸稈切斷并打入罩殼內(nèi)，在動刀與定刀作用下將秸稈在罩殼內(nèi)粉碎到長度＜10 cm，細(xì)碎后的秸稈通過氣流及離心作用被均勻拋撒在機(jī)具后方的田間，完成秸稈還田作業(yè)。地輪可以對均勻鋪放的秸稈進(jìn)行鎮(zhèn)壓，有效防止秸稈亂飛并對埋入土壤中的秸稈進(jìn)行壓實(shí)，形成高質(zhì)量種床。

2 秸稈還田機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 動力匹配計(jì)算

機(jī)具動力由拖拉機(jī)動力輸出軸提供。由經(jīng)驗(yàn)公式可知拖拉機(jī)的最大功率輸出Pmax為[2]

式中：Pmax——拖拉機(jī)最大輸出功率，kW；P——動力輸出軸負(fù)載的功率消耗，kW；Ms——拖拉機(jī)使用質(zhì)量，kg；Fn——還田機(jī)的牽引阻力，N；f——拖拉機(jī)的滾動阻力系數(shù)，取0.08；v——機(jī)具正常作業(yè)速度，km/h；g——重力加速度，9.8 m/s2。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，還田機(jī)單位幅寬消耗功率為0.22 kW/cm，則還田粉碎裝置消耗的功率為P=0.22 kW/cm×440 cm=88 kW?？紤]到其他工作部件消耗的功率，取P值為90 kW，阻力Fn為24 KN。田間試驗(yàn)選擇凱斯2104 拖拉機(jī)提供動力，Ms為4 570 kg，代入上式可得Pmax=153.97 kW。

2.2 掛接裝置設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)具懸掛參數(shù)是否合理對機(jī)組工作質(zhì)量影響極大，設(shè)計(jì)不當(dāng)會導(dǎo)致耕深不穩(wěn)、耕寬不穩(wěn)等[3]。補(bǔ)償式三點(diǎn)懸掛連接裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是撓性連接理論，與傳統(tǒng)三點(diǎn)懸掛相比連接牢固、穩(wěn)定性好。補(bǔ)償式三點(diǎn)懸掛連接機(jī)構(gòu)由拉桿、上掛接板、斜撐板以及左右對稱的一對下掛接板組成，見圖2。

圖2 補(bǔ)償式三點(diǎn)懸掛連接機(jī)構(gòu)Fig.2 The compensation type three-point linkage

從圖2可知，拉桿上部與還田機(jī)上掛接板通過銷軸鉸接。作業(yè)時，拉桿對銷軸的作用力補(bǔ)償了平衡力系中某些力的變化，增加了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。圖2 左雙點(diǎn)劃線組成一個三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的三角形，圖2右雙點(diǎn)劃線形成剛性三角形，兩個三角形所在的平面相互垂直，由三角形穩(wěn)定性原理可知，機(jī)具整體既具有剛性又具有穩(wěn)定性。

該補(bǔ)償式三點(diǎn)懸掛連接裝置優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)具田間作業(yè)時，還田機(jī)穩(wěn)定性較好，降低了功耗；②運(yùn)輸時，可縮短拉桿長度，降低了還田機(jī)擺動風(fēng)險，增加了作業(yè)人員的安全性。

2.3 Y型甩刀在刀軸上的排列

Y型刀片具有功耗小、耐磨的優(yōu)點(diǎn)，且在定刀的作用下更容易將秸稈細(xì)碎。整機(jī)刀具的數(shù)量和排列方式直接影響著粉碎裝置的粉碎效果、工作阻力以及機(jī)具的振動頻率等[4-5]，合理的布置不僅能降低功耗，更能減輕機(jī)組振動，提高粉碎質(zhì)量?？紤]到粉碎裝置的功率消耗不可過大，根據(jù)粉碎要求，計(jì)算得粉碎軸上安裝56 組刀具，共112 把甩刀。將刀具分為兩大組，按照雙螺旋線排列，相鄰兩組刀具軸向距離為150 mm。此時，位于同一條螺旋線上的相鄰兩刀片的徑向夾角為72°，如圖3 所示。工作過程中，每次最多有2 把甩刀同時作業(yè)，在保證粉碎效果的同時，減輕了機(jī)具的工作阻力，降低了甩刀磨損程度，提高整機(jī)使用壽命。

圖3 Y型甩刀在粉碎軸上排列Fig.3 The arrangement of Y-type flail on comminution shaft

2.4 穩(wěn)定性計(jì)算

2.4.1 爬坡穩(wěn)定性能指數(shù)

爬坡行駛狀態(tài)下，一般道路規(guī)定的最大坡度角20°，此時機(jī)縱向穩(wěn)定性小于爬坡穩(wěn)定性指數(shù)表征，該指數(shù)越大越好。該機(jī)接近角＞20°，所以機(jī)組滿足縱向穩(wěn)定性要求。

2.4.2 拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)油缸提升能力校核

凱斯紐荷蘭Puma 2104 油缸最大推入推出力PZma為6 700 N，油缸提升能力儲備指數(shù)

提升能力儲備達(dá)到67.4%，故油缸提升能力足夠。

3 結(jié)論

（1）為滿足播種時需秸稈粉碎的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了1JH-440 型秸稈還田機(jī)。該機(jī)由萬向節(jié)總成、機(jī)架、懸掛總成、齒輪箱總成、罩殼總成、張緊裝置、地輪總成、刀軸總成、擋簾、支撐裝置等組成，結(jié)構(gòu)簡單可靠，調(diào)整使用便捷。

（2）對改機(jī)動力匹配進(jìn)行計(jì)算，明確了田間作業(yè)所需動力Pmax=167.75 kW。對掛接裝置、刀軸排列及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，確定了該機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

（3）作為銜接收獲和免耕播種的秸稈還田裝備，對于發(fā)展生態(tài)沃土、促進(jìn)資源有效利用具有極其重要意義，為我國保護(hù)性耕作有效推進(jìn)提供技術(shù)和裝備支撐。