一種秸稈粉碎還田方法及裝置的設計

王可新，謝洪昌，王晨平，王海礁

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

秸稈還田是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段，在黑龍江省，隨著秸稈露天禁燒法令的出臺和黑土耕地保護受重視，秸稈還田技術(shù)被廣泛實施。2020年，黑龍江省秸稈還田面積達到666.7萬hm2以上，秸稈還田率達到55%以上。2021年，黑龍江省秸稈綜合利用率達到91%以上，秸稈還田率達到66%以上。目前，普遍采用的作業(yè)方式是利用秸稈粉碎還田機將秸稈進行機械粉碎，粉碎后的秸稈再次進行機械翻埋或機械碎混，具有便捷、快速、低成本、大面積培肥地力的優(yōu)勢。不僅爭搶了農(nóng)時，而且減少了環(huán)境污染，增強了地力，提高了糧食產(chǎn)量，具有良好的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。其核心技術(shù)是采用機械將秸稈直接還田，使秸稈在土壤中腐爛分解為有機肥，以改善土壤團粒結(jié)構(gòu)和保水、吸水、透氣、保溫等理化性狀，增加土壤肥力和有機質(zhì)含量，使大量廢棄的秸稈直接變廢為寶[1-2]。

秸稈粉碎作業(yè)質(zhì)量直接關(guān)系秸稈粉碎還田效果、播種作業(yè)質(zhì)量、秸稈腐爛時長及作物產(chǎn)量等。現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機受設計原理限制，存在諸多問題，為了更好地適應黑龍江省耕地面積大、秸稈量大、機車動力大、作業(yè)時間短、氣溫低、秸稈腐解慢的特點，對現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機進行創(chuàng)新性再研，設計一種適配各種機車動力的組合式秸稈粉碎還田裝置，由單軸寬幅粉碎作業(yè)變成若干橫粉碎加縱粉碎窄幅組合式作業(yè)，由單一粉碎作業(yè)變成切行加翻動喂入復合式作業(yè)，由單一限深變成限深加拋撒作業(yè)，由單一高度作業(yè)變成單體自動仿形作業(yè)。使作業(yè)面更低，作業(yè)效率更高，粉碎效果更好，秸稈腐解更快。

1 秸稈粉碎還田原理

基于現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機作業(yè)方法及存在的問題，創(chuàng)新設計了一種新的秸稈粉碎還田方法，該方法是以兩壟之間的區(qū)域為一個作業(yè)區(qū)，用圓盤刀將作業(yè)區(qū)域內(nèi)外的秸稈割離，針對作業(yè)區(qū)域內(nèi)的秸稈進行翻動喂入，兩次粉碎，最后拋撒還田，具體方法如下：

第一步，用圓盤刀把作業(yè)區(qū)域內(nèi)外的秸稈割離，并用星形撥禾喂入部件把作業(yè)區(qū)域內(nèi)的秸稈翻起并喂入至橫粉碎部件上；

第二步，橫粉碎部件對撥禾喂入的秸稈進行第一次粉碎作業(yè)，秸稈在粉碎刀的作用力和防護罩的導流下進入縱粉碎部件，縱粉碎部件的粉碎動刀和護罩上的定刀對秸稈進行二次粉碎作業(yè)；

第三步，粉碎后的秸稈從擋板下部噴出至多棱形限深輥上，多棱形限深輥對二次粉碎的秸稈進行均勻拋撒。

應用上述方法，使作業(yè)區(qū)域內(nèi)的秸稈和非作業(yè)區(qū)域的秸稈分離，避免了兩側(cè)長秸稈被擊飛、擊亂，星形撥禾喂入部件將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的秸稈翻動，秸稈以蓬松狀向后拋送喂入，解決了低洼處或壟溝處等貼合地面的秸稈粉碎質(zhì)量差或未被粉碎的問題，有效提升了作業(yè)質(zhì)量。橫粉碎部件在粉碎作業(yè)的同時將秸稈拋送至縱粉碎部件，秸稈在半封閉的縱粉碎部件空間內(nèi)被多次切斷和撕裂，秸稈粉碎長度更短，并被撕裂成細絲狀，更利于腐解；多棱限深輥對作業(yè)后的秸稈進行拋撒，增加了與土壤的密接性，加速了秸稈腐解。

2 現(xiàn)有粉碎還田機缺點

現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機存在的問題包括：

1)粉碎還田機多為通軸高速逆旋轉(zhuǎn)作業(yè)，受地形影響，幅寬受限，作業(yè)面不受控，作業(yè)效率低，動力匹配范圍窄；

2)低洼地面及壟溝處秸稈粉碎質(zhì)量差，順壟溝秸稈不能被粉碎，直接影響翻埋及播種質(zhì)量；

3)適配拖拉機動力范圍窄；

4)消耗動力高，作業(yè)效果不理想。

3 關(guān)鍵零部件設計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

基于上述秸稈粉碎還田方法，設計了一種秸稈粉碎還田裝置，該裝置的整體結(jié)構(gòu)由機架、切割部件、主傳動箱、撥禾喂入部件、橫粉碎部件、縱粉碎部件、副傳動箱、多棱形限深輥組成(圖1)。機架包括左右立板、前后橫梁，前后橫梁兩端焊合螺接盤，螺接盤與左右立板螺接固定，切割部件固接于左右立板內(nèi)部的前橫梁兩端，前橫梁與整機機架用四桿仿形機構(gòu)連接，做到裝置隨地勢自動仿形；前橫梁后上方設有主傳動箱，主傳動箱通過輸出軸和軸承座螺接于左右立板上，該輸出軸兩端安裝皮帶輪；撥禾喂入部件設于切割部件后方，撥禾輥軸通過軸承座螺接于左右立板上，一側(cè)的撥禾輥軸于立板外側(cè)固裝換向齒輪，通過齒輪換向使撥禾輥順時針旋轉(zhuǎn)；橫粉碎部件設于撥禾喂入部件后方，其粉碎輥軸通過軸承座螺接于左右立板內(nèi)側(cè)，上面配裝Y形粉碎刀，左右立板外側(cè)的軸端安裝皮帶輪，該部件逆時針旋轉(zhuǎn)；縱粉碎部件設于橫粉碎部件后方，縱粉碎輥軸通過軸承座安裝于后橫梁下方，上方的軸端安裝皮帶輪，其后部用防護罩防護，縱粉碎輥和防護罩上分別安裝動刀和定刀；副傳動箱固定于縱粉碎輥軸與一側(cè)立板中間，副傳動箱側(cè)方的動力輸入軸通過軸承座與一側(cè)立板螺接，其動力輸出軸配裝皮帶輪；多棱形限深輥固裝于左右立板后下方；主傳動箱動力輸入軸用液壓馬達驅(qū)動。

1.切割裝置；2.機架；3.主傳動箱；4.撥禾喂入部件；5.橫粉碎部件；6.副傳動箱；7.縱粉碎部件；8.多棱限深輥

3.2 撥禾喂入部件的設計

撥禾喂入部件采用星形撥禾盤，4個星形撥禾盤同軸配裝，設于切割部件后方的機架上，撥禾盤包括三角形板體、心軸、固定套，三角形板體上焊合固定套，固定套上設有固位螺栓，三角形板體由厚度為7 mm、直徑為400 mm的圓形鋼板加工而成。圖2是撥禾喂入部件的主視圖和左視圖。

1.工作面；2.熱處理區(qū)；3.三角形板體；4.固位螺栓；5.固定套；6.心軸；7.分離面

撥禾盤工作時，工作面的運動由機器的前進運動和自身旋轉(zhuǎn)運動所合成[3]，其運動軌跡如圖3所示。

圖3 撥禾盤工作面運動軌跡

撥禾盤工作面的運動軌跡，取決于v撥禾盤與v車的比值λ

λ=v撥禾盤/v車

(1)

式中v撥禾盤—撥禾盤最大工作面線速度速，m·s-1；

v車—機車前進速度，m·s-1。

只有當λ>1時,才能產(chǎn)生向后的推送力，經(jīng)試驗，λ值在1.2～2.3，這里取2.0。

不同λ值的工作面運動軌跡如圖4所示。

圖4 不同λ值時撥禾盤工作面的運動軌跡

撥禾盤最大工作面的線速度

v撥禾盤=Rω=Rπn1/30

(2)

式中R—撥禾盤半徑，m,

n1—撥禾盤轉(zhuǎn)速，r·min-1。

由公式(1)和(2)可知

n1=30λv車/πR

(3)

按機器前進速度v車=1.7 m·s-1，λ=2,撥禾盤半徑R=0.2 m，則n1≈162 r·min-1。

3.3 橫粉碎部件的設計

橫粉碎部件主要包括動刀、刀輥，動刀為錘片式Y(jié)型刀，順時針旋轉(zhuǎn)。綜合莖稈質(zhì)量、能耗、振動、無支撐切割最小速度和作業(yè)速度，取刀輥轉(zhuǎn)速n2=2 000 r·min-1[4]。粉碎刀具主要有直刀型刀片、甩刀型刀片、錘爪型刀片三種刀片[5]。結(jié)合現(xiàn)有粉碎還田機，選動刀寬60 mm，長165 mm，優(yōu)質(zhì)65Mn鋼的甩刀型刀片，刃口淬火處理，刀刃線速度為53 m·s-1。

刀片數(shù)量公式

N=C×L

(4)

式中N—動刀數(shù)量；

C—動刀密度，片·mm-1；

L為動刀分布長度，mm。

一般Y型動刀排列密度C=0.02～0.04 片·mm-1，選取C=0.03 片·mm-1，L=600 mm，代入公式(4)，得N=18片，滿足設計要求。圖5是橫粉碎部件示意圖。

1.動刀 2.刀輥

3.4 縱粉碎部件的設計

該部件包括縱粉碎輥和護罩，縱粉碎輥為塔型，高度350 mm，塔頂寬148 mm，塔底寬210 mm。基于橫粉碎部件的轉(zhuǎn)速，該縱粉碎輥轉(zhuǎn)速為n3=2 000 r·min-1?？v粉碎輥上螺接固定粉碎動刀，護罩上螺接固定粉碎定刀，動刀和定刀均采用三角形割曬機刀片，粉碎定刀螺旋形交錯排列[6-7]，利于秸稈向下導流和多次粉碎?？v粉碎輥上的動刀穿行于護罩上的定刀之間，使進入的秸稈被多次撕裂和切斷，圖6是縱粉碎輥示意圖。

圖6 縱粉碎輥示意圖

3.5 傳動路線設計

牽引機車通過油路驅(qū)動液壓馬達使主變速箱運轉(zhuǎn)，主變速箱內(nèi)安裝長軸，長軸兩端安裝皮帶輪，按照一定的傳動比，傳遞給副變速箱和其他各工作部件。主變速箱動力輸出軸一側(cè)的外皮帶輪通過三角帶驅(qū)動撥禾喂入部件換向齒輪軸端部皮帶輪，通過心軸配裝的嚙合齒輪完成心軸換向旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)皮帶輪通過三角帶驅(qū)動橫粉碎輥軸皮帶輪；另一側(cè)的皮帶輪通過三角帶驅(qū)動副變速箱動力輸入軸皮帶輪；副變速箱動力輸出軸皮帶輪通過三角帶驅(qū)動豎粉碎輥軸皮帶輪，完成該裝置的全部動力傳動。圖7是傳動路線示意圖。

1.液壓馬達；2.主變速箱；3、4.皮帶輪；5.副變速箱；6～10.皮帶輪；11、12.換向齒輪

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)有秸稈粉碎還田機作業(yè)中易出現(xiàn)的問題，創(chuàng)新設計了秸稈粉碎還田方法及裝置，組合式安裝、復式作業(yè)、拋撒式限深、單體式仿形，適配動力廣、作業(yè)效率高、粉碎效果好，有效解決了黑龍江省耕地面積大、秸稈量大、分布廣、作業(yè)時間短、氣溫低、腐解慢的難題。提高了秸稈機械粉碎還田技術(shù)水平。