秸稈精細(xì)粉碎雙排定刀還田機(jī)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：秸稈還田機(jī)；雙排定刀；秸稈粉碎；動定刀

中圖分類號：S224.29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）05-0109-05

DOI： 10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.019

0引言

隨著我國糧食產(chǎn)量不斷提高，與之對應(yīng)的作物秸稈總產(chǎn)量隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國平均每年產(chǎn)生的秸稈總量在9億t以上。東北地區(qū)作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)，玉米秸稈量尤為突出，如此大量的玉米秸稈在合理利用方面還是存在很多問題。而秸稈還田成本相對較低，農(nóng)民可以自己處理秸稈，將秸稈重新回歸至田地里，不僅省去了對秸稈運(yùn)輸處理的各項(xiàng)工作，而且能夠提高土壤肥力、促進(jìn)微生物活動、改善土壤耕層結(jié)構(gòu)及減少化肥使用量，是解決秸稈焚燒和廢棄的有效途徑。目前市場上秸稈還田機(jī)種類較多，但大多是相互借鑒，缺乏科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，主要是為了滿足市場需要，往往是依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)參數(shù)、動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)的配置沒有理論依據(jù)，對粉碎裝置的功耗、粉碎合格率沒有有效的評定，機(jī)具整體田間適應(yīng)性較差、功率消耗大、噪聲與振動大和功能結(jié)構(gòu)單一。尤其是粉碎部分都是以高速旋轉(zhuǎn)的動定刀結(jié)合的粉碎方式對秸稈進(jìn)行粉碎，但是因不同地塊秸稈含水量不同，粉碎難易程度差異大，現(xiàn)有機(jī)型粉碎質(zhì)量無法調(diào)節(jié)，粉碎后的秸稈長短不均，較長的秸稈在后續(xù)的翻埋、碎混等還田作業(yè)環(huán)節(jié)中無法被土壤覆蓋，裸露秸稈較多、不易腐爛，嚴(yán)重影響下輪播種作業(yè)質(zhì)量。

1研究思路

如何加快秸稈腐解速度，減少秸稈還田后對播種作業(yè)的影響，以及降低作業(yè)成本，是秸稈還田機(jī)面臨的技術(shù)難題。影響秸稈腐解速度的因素很多，秸稈自身組成、結(jié)構(gòu)及含水量是內(nèi)在屬性，土壤類型、土壤含水量、還田深度、還田量、還田時間及土壤中微生物是外在動力。秸稈腐解是在多因素共同參與下的復(fù)雜過程，而對于秸稈還田機(jī)來說，突破口應(yīng)選擇改變秸稈結(jié)構(gòu)，破壞秸稈外皮纖維，讓細(xì)碎的秸稈與土壤充分接觸，加快秸稈腐解速度。精細(xì)粉碎后的秸稈即便不腐解，也可將秸稈在還田后對播種作業(yè)的影響降到最低。本文基于支撐切割的設(shè)計(jì)原理研究設(shè)計(jì)一種秸稈精細(xì)粉碎雙排定刀還田機(jī)，通過可調(diào)節(jié)的支撐切割部件，在秸稈含水量不同的情況下，選擇合適的粉碎方式，提高粉碎質(zhì)量、降低作業(yè)功耗。粉碎后的秸稈長度控制在4 cm以下，便于土壤將其覆蓋，加快秸稈腐解速度，使土壤形成虛實(shí)相間的耕層，增加土壤通透性和孔隙度，并可以改善土壤結(jié)構(gòu)、保墑和調(diào)控土壤溫度，同時減少了化肥的使用和秸稈資源的浪費(fèi)，是推廣保護(hù)性耕作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。

2整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1結(jié)構(gòu)組成

秸稈精細(xì)粉碎雙排定刀還田機(jī)主要包括機(jī)架、動力傳動箱、三點(diǎn)懸掛架、粗粉碎撿拾組件、精細(xì)粉碎動刀組件、固定定刀組件、可調(diào)定刀組件、調(diào)整組件、定刀支撐板和網(wǎng)狀凹板等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2工作原理

作業(yè)時，利用三點(diǎn)懸掛架將整機(jī)懸掛連接在牽引拖拉機(jī)后側(cè)部上，牽引拖拉機(jī)動力輸出軸的旋轉(zhuǎn)動力通過動力傳動箱分別驅(qū)動粗粉碎撿拾組件和精細(xì)粉碎動刀組件順時針方向旋轉(zhuǎn)，粗粉碎撿拾組件在對秸稈進(jìn)行撿拾、沖擊切斷式粗粉碎加工后將秸稈拋向后方的精細(xì)粉碎動刀組件上，在精細(xì)粉碎動刀組件的動刀，先后與固定定刀組件的定刀和可調(diào)定刀組件的定刀依次配合作用下，完成對秸稈的兩次剪切式粉碎作業(yè)，實(shí)現(xiàn)和達(dá)到對秸稈的精細(xì)粉碎加工，粉碎后的秸稈在慣性和離心力，以及后續(xù)喂人秸稈的多重作用下，拋向設(shè)置在精細(xì)粉碎動刀組件底部的網(wǎng)狀凹板，達(dá)到作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的秸稈從網(wǎng)狀凹板的網(wǎng)孔排出，達(dá)不到作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的秸稈由動刀帶動，重復(fù)上述過程，連續(xù)不斷地將精細(xì)粉碎的秸稈拋撒在田間，為后續(xù)的翻埋、碎混等還田作業(yè)打下良好的作業(yè)基礎(chǔ)。

2.3技術(shù)路線

對國內(nèi)外各種型號的秸稈還田機(jī)進(jìn)行查閱，了解其工作原理和功能，以及各種型號的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合東北地區(qū)的實(shí)際田間工況進(jìn)行考察并確定研究目的，解決秸稈還田機(jī)作業(yè)后粉碎的秸稈過長、無法土壤覆蓋、腐解速度慢及影響次輪播種作業(yè)等問題。根據(jù)現(xiàn)有秸稈還田機(jī)工作過程的作業(yè)機(jī)理，對粗粉碎與拋送機(jī)構(gòu)、精細(xì)粉碎機(jī)構(gòu)、雙定刀機(jī)構(gòu)及定刀調(diào)整機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行理論分析與臺架的模擬試驗(yàn)，如果達(dá)到農(nóng)藝要求，則可以根據(jù)所設(shè)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行樣機(jī)制作和田間試驗(yàn)，技術(shù)路線如圖2所示。

3主要工作裝置設(shè)計(jì)方案

3.1粗粉碎撿拾裝置

3.1.1設(shè)計(jì)方案

粗粉碎撿拾裝置是秸稈還田機(jī)的核心部件，具有粉碎和撿拾秸稈的雙重功能，對秸稈還田率起關(guān)鍵作用，主要包括粗粉碎刀軸、粉碎錘爪、Y形粉碎刀、傳動膠帶輪、刀片安裝架和錘爪安裝架。如圖3所示，將刀片安裝架與錘爪安裝架以雙頭螺旋線的排列方式焊接在粗粉碎刀軸上，兩條螺旋線分別安裝Y形粉碎刀與粉碎錘爪，一個回轉(zhuǎn)面上Y形粉碎刀與粉碎錘爪交替工作。

3.1.2試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

粗粉碎撿拾裝置的作用是對秸稈進(jìn)行初級粉碎并將其撿拾拋送到精細(xì)粉碎室內(nèi)，撿拾與粉碎效果直接影響該機(jī)精細(xì)粉碎作業(yè)質(zhì)量，為了更好地研究粗粉碎撿拾裝置，使粗粉碎與撿拾可以兼顧，得到最優(yōu)解，自行設(shè)計(jì)了一款秸稈粗粉碎撿拾試驗(yàn)臺，通過在試驗(yàn)臺上模擬真實(shí)作業(yè)過程，對秸稈粗粉碎撿拾過程參數(shù)進(jìn)行采集、分析。考慮到刀軸是高速旋轉(zhuǎn)的工作部件，為減小刀輥的振動，使其保持平衡、減少功耗，采用Y形粉碎刀雙頭螺旋線排列、粉碎錘爪雙頭螺旋線排列和Y形粉碎刀與粉碎錘爪混裝雙頭螺旋線排列3種排列方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)田選擇壟距65 cm、留茬高度10～20 cm、秸稈含水率45%～30%。試驗(yàn)臺由拖拉機(jī)牽引，在拖拉機(jī)行駛速度與動力輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速時，粗粉碎撿拾刀輥將1.4 m×5.0m的采集區(qū)內(nèi)的秸稈粗粉碎后撿拾拋入試驗(yàn)臺后方的收集裝置內(nèi)，隨后對其進(jìn)行分揀、稱質(zhì)量，同時對采集區(qū)內(nèi)秸稈殘留進(jìn)行收集、記錄。同一排列方法的粗粉碎撿拾刀輥，隨機(jī)做3次試驗(yàn)，共計(jì)9次試驗(yàn)。

粗粉碎撿拾裝置的作業(yè)測試指標(biāo)為秸稈撿拾率和秸稈粉碎長度合格率。

在每個小塊地試驗(yàn)結(jié)束后，立即對在此次試驗(yàn)收集的秸稈稱質(zhì)量后進(jìn)行分揀，分揀出長度gt;20 cm的碎秸稈，并稱質(zhì)量；對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的剩余殘留秸稈進(jìn)行收集稱質(zhì)量，并分揀出長度gt;4 cm的秸稈對其稱質(zhì)量。

由表1可知，單獨(dú)使用Y形粉碎刀時粉碎效果很好，粉碎合格率比單獨(dú)使用粉碎錘爪高10個以上百分點(diǎn)，但撿拾效果明顯低于單獨(dú)使用粉碎錘爪。當(dāng)使用Y形粉碎刀與粉碎錘爪以雙頭螺旋線混合排列時，撿拾合格率與粉碎合格率均達(dá)到90%左右，滿足秸稈還田快速腐解的農(nóng)業(yè)要求。

3.2雙排定刀粉碎裝置

3.2.1設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案如圖4和圖5所示，雙排定刀粉碎裝置主要由動刀組件、定刀支撐板、固定定刀組件、可調(diào)定刀組件和調(diào)整組件等組成。動刀組件由動刀刀軸、刀片安裝架和矩形動刀片組成，刀片安裝架采用雙螺旋的排列方式焊接在動刀刀軸上，一組刀片安裝架上同時安裝有兩把矩形動刀片，兩把矩形動刀片的安裝距離是軸向上相鄰兩組刀片安裝架中心間距L的1/2，使得軸向上相鄰兩把矩形動刀片的間距一致。定刀支撐板是機(jī)具罩板的一部分，采用強(qiáng)度符合定刀支撐板工作需要的厚鋼板制成。固定定刀組件由固定定刀板與定刀組成，是將定刀均勻焊接在固定定刀板上，固定定刀板通過螺栓安裝在定刀支撐板上，刀距與動刀組件上相鄰兩組動刀片間距一致，位置對應(yīng)軸向上相鄰兩把動刀片的中間位置?？烧{(diào)定刀組件由定刀、可調(diào)定刀板和線性滑道組成，是將定刀均勻焊接在可調(diào)定刀板上，刀距與固定定刀板的刀距相同，通過兩條線性滑道將可調(diào)定刀板安裝在定刀支撐板上，可調(diào)定刀板兩邊向背面折起一定角度，提高可調(diào)定刀板的強(qiáng)度、對秸稈起導(dǎo)流作用及對線性滑道起到防塵作用，使可調(diào)定刀板在線性滑道上精準(zhǔn)、順暢的滑動。調(diào)整組件由調(diào)節(jié)滑塊、調(diào)節(jié)絲杠和絲杠支座等組成。

可調(diào)定刀板背面用螺栓安裝有調(diào)節(jié)滑塊，調(diào)節(jié)滑塊穿過定刀支撐板上的調(diào)節(jié)長孔，調(diào)節(jié)滑塊上端的內(nèi)螺紋與調(diào)節(jié)絲杠的外螺紋配合安裝，調(diào)節(jié)絲杠兩端安裝有絲杠支座，絲杠支座通過螺栓安裝在定刀支撐板的調(diào)節(jié)長孔兩端，調(diào)節(jié)絲杠靠近機(jī)具外側(cè)一端安裝有調(diào)節(jié)手柄，另一端通過聯(lián)軸器與電動馬達(dá)連接，電動馬達(dá)連接有智能數(shù)顯控制器，安裝在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)，通過控制電動馬達(dá)帶動調(diào)節(jié)絲杠的旋轉(zhuǎn)，從而帶動調(diào)節(jié)滑塊，對可調(diào)定刀板進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)，根據(jù)電動馬達(dá)控制調(diào)節(jié)絲杠的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)控制調(diào)節(jié)尺寸，實(shí)現(xiàn)對可調(diào)定刀的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)滑塊上設(shè)有尺寸指針，對應(yīng)定刀支撐板上的尺寸刻度，可以對可調(diào)定刀板的調(diào)節(jié)尺寸進(jìn)一步校準(zhǔn)；調(diào)節(jié)滑塊安裝有雙向限位擋塊，兩側(cè)的絲杠支座上安裝有限位開關(guān)，限制調(diào)節(jié)滑塊的行程，避免調(diào)節(jié)滑塊過度調(diào)節(jié)，使可調(diào)定刀組件在工作過程中與動刀組件發(fā)生干擾。

3.2.2試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

為了更好地研究動定刀間隙和粉碎質(zhì)量、粉碎功耗間的關(guān)系自行設(shè)計(jì)了一款秸稈粉碎試驗(yàn)臺，通過在試驗(yàn)臺上模擬還田機(jī)真實(shí)作業(yè)過程，對秸稈粉碎過程參數(shù)進(jìn)行采集、分析。試驗(yàn)選取自然成熟、含水率分別為gt;45%、30%～45%和lt;30%的粗粉碎后的玉米秸稈為試驗(yàn)對象，簡單去除細(xì)小、雜亂的枝葉后，按需要分成若干組稱質(zhì)量并備用，保持每組玉米秸稈量一致，用以模擬每次試驗(yàn)中秸稈的喂入量一致。當(dāng)試驗(yàn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，分別以前后定刀重合和交錯兩種方式，模擬喂入方式與速度，將秸稈喂入到粉碎倉內(nèi)進(jìn)行粉碎，并對試驗(yàn)中粉碎后的秸稈進(jìn)行收集，標(biāo)記，同時記錄每次試驗(yàn)的功耗。

對在此前試驗(yàn)每次喂入的秸稈進(jìn)行稱質(zhì)量，保持喂人的秸稈質(zhì)量M為10 kg，對每次試驗(yàn)后粉碎秸稈進(jìn)行分揀，取粉碎長度gt;4 cm的秸稈為不合格秸稈，分揀后稱質(zhì)量m，依照公式計(jì)算出每次秸稈粉碎的合格率。

雙排定刀粉碎裝置的作業(yè)測試指標(biāo)為秸稈精細(xì)粉碎合格率。

每次秸稈精細(xì)粉碎合格率為

式中，η——秸稈精細(xì)粉碎合格率，%

m——粉碎后長度gt;4 cm的秸稈量，g

M——喂入秸稈總質(zhì)量，g

由表2可知，在前后兩組定刀重合時，秸稈粉碎合格率偏低，功耗相對較低，含水率lt;30%的秸稈，粉碎效果達(dá)到作業(yè)要求；當(dāng)前后兩組定刀交錯排列時，秸稈粉碎合格率顯著提高，但功耗隨之增大，含水率gt;45%與30%～45%的兩組秸稈均能達(dá)到作業(yè)要求，含水率lt;30%的秸稈在兩組試驗(yàn)中合格率差異不大，定刀重合時功耗明顯低于定刀交錯排列。

4結(jié)束語

針對傳統(tǒng)秸稈還田機(jī)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，并結(jié)合農(nóng)民對秸稈還田后不影響播種作業(yè)的需求，研究設(shè)計(jì)一種秸稈精細(xì)粉碎雙排定刀還田機(jī)。該機(jī)是在傳統(tǒng)秸稈還田機(jī)的基礎(chǔ)上，采用理論分析、裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究等方法，合理地運(yùn)用前后兩排定刀，隨時改變支撐切割面積，進(jìn)一步將秸稈精細(xì)粉碎，使粉碎后秸稈物料碎長度lt;4 cm，合格率達(dá)到90%以上，解決還田后的秸稈在播種前不能完成腐解反應(yīng)，影響播種作業(yè)質(zhì)量的技術(shù)難題，結(jié)構(gòu)新穎、獨(dú)特、合理，秸稈粉碎質(zhì)量高，適應(yīng)秸稈能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)操作簡易方便，降低作業(yè)功耗，構(gòu)建合理的耕層結(jié)構(gòu)，是秸稈綜合利用的一項(xiàng)重要技術(shù)，也將是秸稈還田機(jī)械未來的研究發(fā)展方向。