菠蘿葉粉碎還田技術(shù)研究與雙輥式粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

李玲+張勁+歐忠慶+崔振德+李玉林+張園+楊中澤

摘要：根據(jù)菠蘿葉的生物學(xué)特性和力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了菠蘿葉粉碎還田處理的工藝路線，在此基礎(chǔ)上，對刀輥布置、刀具排布等進(jìn)行了綜合分析，設(shè)計(jì)了1BHJ-100型雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)，并對其總體結(jié)構(gòu)、工作原理與主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了介紹，最后對該樣機(jī)進(jìn)行了初步的田間試驗(yàn)。結(jié)果表明，該樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一次粉碎達(dá)到還田要求，提高了菠蘿葉粉碎還田的效率，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

關(guān)鍵詞：粉碎還田機(jī)；還田工藝；雙輥式；菠蘿葉

中圖分類號：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4705-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.052

Technology and Birotor Equipment Design of Returning Pineapple Leaves

LI Ling1， ZHANG Jin1， OU Zhong-qing1， CUI Zhen-de1， LI Yu-lin1， ZHANG Yuan1， YANG Zhong-ze2

（1.Institute of Agricultural Machinery， Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang 524091， Guangdong， China；

2. College of Materials Science and Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： Based on the biological characteristics and mechanical properties of pineapple leaf， the returning crushing processing route for pineapple leaves was designed. Based on the processing route，the arrangement of rotors and cutters were carried on comprehensive analysis. The 1 BHJ-100 double rotor returning machine for pineapple leaf was designed. The overall structure， working principles and main technical parameters of the birotor returning machine were introduced. The preliminary field experiment of the prototype was carried out. The results showed that the prototype could meet requirements of farmers and improve the efficiency. The machine had huge economic and ecological benefits.

Key words： field returning machine；field returning processing route；birotor；pineapple leaf

菠蘿（Ananas comosus）又名鳳梨，屬鳳梨科（Bromeliaceae）鳳梨屬（Ananas），是著名的四大熱帶水果之一。菠蘿原產(chǎn)于南美洲的巴西、阿根廷、巴拉圭等熱帶雨林地區(qū)，現(xiàn)廣泛分布于南北緯30°之間，有60多個(gè)國家和地區(qū)進(jìn)行菠蘿的種植和生產(chǎn)，主產(chǎn)區(qū)集中于泰國、菲律賓、中國、巴西、印度、尼日利亞等地，我國菠蘿主要生產(chǎn)區(qū)域分布于海南、廣東、廣西、云南、福建等地[1，2]。我國菠蘿種植面積約60 000 hm2，菠蘿果實(shí)平均產(chǎn)量17 t/hm2，莖葉120～150 t/hm2[3]。菠蘿葉除含有2%左右的纖維外，還含有植物蛋白、淀粉及葡萄糖、鈣、磷和大量的葉綠素[4]。菠蘿殘株傳統(tǒng)的處理方法為就地焚燒還田，這種處理方式不僅造成環(huán)境污染，而且極大地浪費(fèi)了資源，近幾年在菠蘿葉綜合利用方面有較多新成果，例如提取菠蘿葉纖維[4]、菠蘿葉渣厭氧發(fā)酵制作沼氣[5]、菠蘿葉渣制作生物有機(jī)肥[6]、菠蘿葉渣制作青貯飼料[7]等。但目前為止，大部分的菠蘿葉仍然需要采用粉碎還田的方式進(jìn)行利用，這種方式速度快、效率高，推廣和應(yīng)用起來更容易。菠蘿葉直接粉碎回田在廣東菠蘿種植區(qū)應(yīng)用較為廣泛，特別是在地勢相對平坦的徐聞縣和雷州市，粉碎還田是目前菠蘿葉利用的主要形式[6]。因此，菠蘿葉粉碎還田工藝與粉碎還田機(jī)械的研究具有重要的意義。

1 菠蘿葉的粉碎還田工藝

我國粉碎還田的大宗對象主要為農(nóng)作物收獲后的殘余秸稈，如玉米秸稈、稻稈、麥秸等。秸稈粉碎還田不僅要考慮粉碎長度不對其他農(nóng)機(jī)作業(yè)造成堵塞，還要考慮粉碎難易程度，是否影響播種、病蟲害、雜草生長、田間營養(yǎng)均衡等各種問題[8，9]，菠蘿莖葉粉碎還田技術(shù)的研究同樣要考慮還田農(nóng)藝以及與還田工藝相關(guān)的問題。

菠蘿植株莖短，葉呈蓮座式排列，劍形葉片最長可達(dá)100 cm，平均長60～70 cm，其基部寬、尾部尖，縱向彎曲多成弓形，橫向基部成半圓型，尾部有一定的弧度，有些品種葉緣有鋸齒形的刺，菠蘿葉片表皮有蠟，較為堅(jiān)韌，葉肉富含葉綠素并含有一定量的纖維，水分占葉片的70%左右[4]。菠蘿莖葉粉碎之后要達(dá)到還田要求，應(yīng)具備以下條件：①經(jīng)過粉碎后，葉片及葉片纖維打斷后長度不大于15 cm（此值為經(jīng)驗(yàn)值，目前仍無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），不影響后續(xù)的翻耕作業(yè)；②一定程度上要破壞菠蘿葉表皮細(xì)胞，使得葉肉還田后易腐爛；③一定程度粉碎露出地表的菠蘿根莖，使其易于腐爛。在菠蘿葉粉碎還田的粉碎工藝上，除了要使其滿足以上幾個(gè)條件之外，還需選擇合適的粉碎時(shí)間、合理的作業(yè)幅寬等，以提高粉碎質(zhì)量和粉碎效率。

目前，我國菠蘿莖葉粉碎還田主要采用拖拉機(jī)后懸掛式，帶動單輥式的臥式粉碎還田機(jī)進(jìn)行菠蘿莖葉的粉碎還田，工藝流程一般為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得刀具能拾取到大量的菠蘿葉；②拖拉機(jī)前行，刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并帶入粉碎室進(jìn)行一次粉碎；③菠蘿葉一次粉碎結(jié)束后，稍微降低粉碎還田機(jī)高度，對菠蘿葉進(jìn)行二次粉碎；④對于某些拐角或不平整位置粉碎長度不能達(dá)標(biāo)的，調(diào)整粉碎還田機(jī)高度，進(jìn)行三次粉碎；⑤土地翻耕。以上工藝流程有著作業(yè)次數(shù)重復(fù)多、作業(yè)效果差的弊端，為了提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，在以往單輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1BHJ-100型雙輥式的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)，擬使其還田工藝流程簡化為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得前刀輥的甩刀能打擊到菠蘿莖葉與土壤的接觸面；②拖拉機(jī)前行，前刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并將其帶入粉碎室，在粉碎室中經(jīng)過前刀輥粉碎的菠蘿莖葉在甩刀的帶動下進(jìn)入后刀輥粉碎范圍內(nèi)，進(jìn)行二次粉碎；③土地翻耕。通過菠蘿葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，拖拉機(jī)在行走一次的情況下使得菠蘿莖葉粉碎效果達(dá)到還田要求，從而將作業(yè)效率提高近1倍，且能有效降低土壤被拖拉機(jī)壓實(shí)的狀況。

2 雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作原理

1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)采用拖拉機(jī)后懸掛的作業(yè)方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、傳動機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、地輪等，其中機(jī)架包括三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、前支撐架、側(cè)板、上蓋板等；傳動機(jī)構(gòu)主要由T型換向器、聯(lián)軸器、皮帶、皮帶輪等組成；粉碎機(jī)構(gòu)主要為粉碎刀輥和定刀，定刀通過螺栓固定在機(jī)架上，該機(jī)型設(shè)計(jì)為雙輥式，粉碎刀輥分為前刀輥和后刀輥。

整個(gè)裝置通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)固定在拖拉機(jī)后置的提升架上，從而可以調(diào)節(jié)刀輥離地高度，地輪置于還田機(jī)末端的兩側(cè)，起到支撐機(jī)架和對地面進(jìn)行仿形的作用。拖拉機(jī)動力輸出軸輸出的動力經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞給T型換向器，再經(jīng)V帶變速傳動帶動前刀輥高速旋轉(zhuǎn)，后刀輥則由皮帶、皮帶輪與前刀輥聯(lián)接起來做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在田間作業(yè)的過程中，前刀輥上的甩刀與地面接觸，對地面上的菠蘿植株進(jìn)行切削和撿拾，切斷的菠蘿莖葉進(jìn)入由側(cè)板和上蓋板等組成的粉碎室中，在前刀輥甩刀、后刀輥動刀以及前后刀輥定刀等機(jī)構(gòu)的共同作用下剪切、碰撞、撕裂，粉碎后的葉渣在離心力作用下沿粉碎機(jī)后擋板排出拋灑于地表，完成粉碎作業(yè)。與現(xiàn)有菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的最大區(qū)別及優(yōu)勢在于其具有兩個(gè)粉碎刀輥。

2.2 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 前后刀輥的布置 為提高粉碎效率，減少拖拉機(jī)作業(yè)次數(shù)，該還田機(jī)采用了雙刀輥式的粉碎結(jié)構(gòu)，在拖拉機(jī)動力輸出軸的帶動下，兩個(gè)刀輥?zhàn)魍虻母咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動。1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的刀輥布置如圖2所示，兩個(gè)刀輥分別為前刀輥、后刀輥，前刀輥起到切削和撿拾、粉碎菠蘿莖葉的作用，因此前刀輥布置甩刀，作業(yè)時(shí)甩刀回轉(zhuǎn)半徑與地表相切；后刀輥主要起粉碎作用，其上布置固定的直刀，與地面保持一定間隙以減少功耗。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有秸稈還田機(jī)甩刀回轉(zhuǎn)半徑范圍一般為240～300 mm，并參照現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)，選取該樣機(jī)前刀輥甩刀回轉(zhuǎn)半徑為280 mm，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，刀尖線速度達(dá)到46.8 m/s，后刀輥回轉(zhuǎn)半徑選取為180 mm，轉(zhuǎn)速則相對于前刀輥更高，為2 400 r/min，刀尖線速度為45.3 m/s，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸要求，擬定兩刀輥中心距為480 mm。

2.2.2 刀具的選用與排布 粉碎機(jī)常用的甩刀形式有錘爪、L形甩刀、Y形甩刀、直刀、鞭式甩刀等幾種。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，前刀輥刀具起到切斷、撿拾、初步粉碎菠蘿莖葉的作用，后刀輥主要起到再次粉碎菠蘿莖葉的作用，再綜合菠蘿莖葉機(jī)械力學(xué)特性，前刀輥采用甩刀（圖3）側(cè)面開刃口，甩刀背對背成對使用，構(gòu)成Y形甩刀，通過銷軸與前刀軸上的刀座連接；后刀輥采用直刀（圖4），通過螺栓固定在后刀軸的刀座上。為延長使用壽命，前刀輥甩刀與后刀輥直刀均采用65 Mn材質(zhì)的刀具。

刀具的排列形式直接影響到粉碎效果，且與刀輥的振動密切相關(guān)[10]。刀具在刀軸上的排布首先應(yīng)滿足靜平衡的條件，即要求刀具在刀軸上間距相同、周向間角相等，此外考慮到田間作業(yè)時(shí)的狀況，在達(dá)到粉碎效果的前提下，應(yīng)加大刀具間距，避免堵塞。根據(jù)以上條件以及該樣機(jī)作業(yè)幅寬，前刀輥選用14對甩刀，后刀輥選用直刀18把，使得前刀輥甩刀密度為0.28把/cm，后刀輥直刀密度為0.18把/cm，其排布方式分別見圖5和圖6。

2.3 雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為： 配套動力73 kW及以上功率的拖拉機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速540 r/min；與拖拉機(jī)連接方式為標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)式懸掛；作業(yè)幅寬1 m；前刀輥轉(zhuǎn)速1 600 r/min；后刀輥轉(zhuǎn)速2 400 r/min；生產(chǎn)效率0.20～0.25 hm2/h；長、高、寬分別為2 235 mm、1 190 mm、1560 mm。

3 初步田間試驗(yàn)效果

對該樣機(jī)進(jìn)行了初步的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，一次粉碎后菠蘿莖葉長度普遍低于15 mm，該樣機(jī)能滿足預(yù)先設(shè)定的菠蘿莖葉一次粉碎達(dá)到還田要求的工藝路線，與現(xiàn)有的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，該樣機(jī)的工作效率能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.20～0.25 hm2/h，使得菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作效率提高了近1倍。

4 小結(jié)

該樣機(jī)采用了雙輥式的結(jié)構(gòu)，簡化了菠蘿葉粉碎還田的工藝，一次粉碎基本能滿足菠蘿莖葉還田的粉碎長度要求，提高了菠蘿葉粉碎還田的效率，與現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)相比優(yōu)勢明顯。

該樣機(jī)在結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定性、功耗等方面還需大量的田間試驗(yàn)。在刀輥的相對位置、刀具排布方式的優(yōu)化以及減少刀具磨損狀況等方面還需進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

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目前，我國菠蘿莖葉粉碎還田主要采用拖拉機(jī)后懸掛式，帶動單輥式的臥式粉碎還田機(jī)進(jìn)行菠蘿莖葉的粉碎還田，工藝流程一般為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得刀具能拾取到大量的菠蘿葉；②拖拉機(jī)前行，刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并帶入粉碎室進(jìn)行一次粉碎；③菠蘿葉一次粉碎結(jié)束后，稍微降低粉碎還田機(jī)高度，對菠蘿葉進(jìn)行二次粉碎；④對于某些拐角或不平整位置粉碎長度不能達(dá)標(biāo)的，調(diào)整粉碎還田機(jī)高度，進(jìn)行三次粉碎；⑤土地翻耕。以上工藝流程有著作業(yè)次數(shù)重復(fù)多、作業(yè)效果差的弊端，為了提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，在以往單輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1BHJ-100型雙輥式的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)，擬使其還田工藝流程簡化為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得前刀輥的甩刀能打擊到菠蘿莖葉與土壤的接觸面；②拖拉機(jī)前行，前刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并將其帶入粉碎室，在粉碎室中經(jīng)過前刀輥粉碎的菠蘿莖葉在甩刀的帶動下進(jìn)入后刀輥粉碎范圍內(nèi)，進(jìn)行二次粉碎；③土地翻耕。通過菠蘿葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，拖拉機(jī)在行走一次的情況下使得菠蘿莖葉粉碎效果達(dá)到還田要求，從而將作業(yè)效率提高近1倍，且能有效降低土壤被拖拉機(jī)壓實(shí)的狀況。

2 雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作原理

1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)采用拖拉機(jī)后懸掛的作業(yè)方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、傳動機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、地輪等，其中機(jī)架包括三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、前支撐架、側(cè)板、上蓋板等；傳動機(jī)構(gòu)主要由T型換向器、聯(lián)軸器、皮帶、皮帶輪等組成；粉碎機(jī)構(gòu)主要為粉碎刀輥和定刀，定刀通過螺栓固定在機(jī)架上，該機(jī)型設(shè)計(jì)為雙輥式，粉碎刀輥分為前刀輥和后刀輥。

整個(gè)裝置通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)固定在拖拉機(jī)后置的提升架上，從而可以調(diào)節(jié)刀輥離地高度，地輪置于還田機(jī)末端的兩側(cè)，起到支撐機(jī)架和對地面進(jìn)行仿形的作用。拖拉機(jī)動力輸出軸輸出的動力經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞給T型換向器，再經(jīng)V帶變速傳動帶動前刀輥高速旋轉(zhuǎn)，后刀輥則由皮帶、皮帶輪與前刀輥聯(lián)接起來做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在田間作業(yè)的過程中，前刀輥上的甩刀與地面接觸，對地面上的菠蘿植株進(jìn)行切削和撿拾，切斷的菠蘿莖葉進(jìn)入由側(cè)板和上蓋板等組成的粉碎室中，在前刀輥甩刀、后刀輥動刀以及前后刀輥定刀等機(jī)構(gòu)的共同作用下剪切、碰撞、撕裂，粉碎后的葉渣在離心力作用下沿粉碎機(jī)后擋板排出拋灑于地表，完成粉碎作業(yè)。與現(xiàn)有菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的最大區(qū)別及優(yōu)勢在于其具有兩個(gè)粉碎刀輥。

2.2 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 前后刀輥的布置 為提高粉碎效率，減少拖拉機(jī)作業(yè)次數(shù)，該還田機(jī)采用了雙刀輥式的粉碎結(jié)構(gòu)，在拖拉機(jī)動力輸出軸的帶動下，兩個(gè)刀輥?zhàn)魍虻母咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動。1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的刀輥布置如圖2所示，兩個(gè)刀輥分別為前刀輥、后刀輥，前刀輥起到切削和撿拾、粉碎菠蘿莖葉的作用，因此前刀輥布置甩刀，作業(yè)時(shí)甩刀回轉(zhuǎn)半徑與地表相切；后刀輥主要起粉碎作用，其上布置固定的直刀，與地面保持一定間隙以減少功耗。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有秸稈還田機(jī)甩刀回轉(zhuǎn)半徑范圍一般為240～300 mm，并參照現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)，選取該樣機(jī)前刀輥甩刀回轉(zhuǎn)半徑為280 mm，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，刀尖線速度達(dá)到46.8 m/s，后刀輥回轉(zhuǎn)半徑選取為180 mm，轉(zhuǎn)速則相對于前刀輥更高，為2 400 r/min，刀尖線速度為45.3 m/s，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸要求，擬定兩刀輥中心距為480 mm。

2.2.2 刀具的選用與排布 粉碎機(jī)常用的甩刀形式有錘爪、L形甩刀、Y形甩刀、直刀、鞭式甩刀等幾種。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，前刀輥刀具起到切斷、撿拾、初步粉碎菠蘿莖葉的作用，后刀輥主要起到再次粉碎菠蘿莖葉的作用，再綜合菠蘿莖葉機(jī)械力學(xué)特性，前刀輥采用甩刀（圖3）側(cè)面開刃口，甩刀背對背成對使用，構(gòu)成Y形甩刀，通過銷軸與前刀軸上的刀座連接；后刀輥采用直刀（圖4），通過螺栓固定在后刀軸的刀座上。為延長使用壽命，前刀輥甩刀與后刀輥直刀均采用65 Mn材質(zhì)的刀具。

刀具的排列形式直接影響到粉碎效果，且與刀輥的振動密切相關(guān)[10]。刀具在刀軸上的排布首先應(yīng)滿足靜平衡的條件，即要求刀具在刀軸上間距相同、周向間角相等，此外考慮到田間作業(yè)時(shí)的狀況，在達(dá)到粉碎效果的前提下，應(yīng)加大刀具間距，避免堵塞。根據(jù)以上條件以及該樣機(jī)作業(yè)幅寬，前刀輥選用14對甩刀，后刀輥選用直刀18把，使得前刀輥甩刀密度為0.28把/cm，后刀輥直刀密度為0.18把/cm，其排布方式分別見圖5和圖6。

2.3 雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為： 配套動力73 kW及以上功率的拖拉機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速540 r/min；與拖拉機(jī)連接方式為標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)式懸掛；作業(yè)幅寬1 m；前刀輥轉(zhuǎn)速1 600 r/min；后刀輥轉(zhuǎn)速2 400 r/min；生產(chǎn)效率0.20～0.25 hm2/h；長、高、寬分別為2 235 mm、1 190 mm、1560 mm。

3 初步田間試驗(yàn)效果

對該樣機(jī)進(jìn)行了初步的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，一次粉碎后菠蘿莖葉長度普遍低于15 mm，該樣機(jī)能滿足預(yù)先設(shè)定的菠蘿莖葉一次粉碎達(dá)到還田要求的工藝路線，與現(xiàn)有的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，該樣機(jī)的工作效率能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.20～0.25 hm2/h，使得菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作效率提高了近1倍。

4 小結(jié)

該樣機(jī)采用了雙輥式的結(jié)構(gòu)，簡化了菠蘿葉粉碎還田的工藝，一次粉碎基本能滿足菠蘿莖葉還田的粉碎長度要求，提高了菠蘿葉粉碎還田的效率，與現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)相比優(yōu)勢明顯。

該樣機(jī)在結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定性、功耗等方面還需大量的田間試驗(yàn)。在刀輥的相對位置、刀具排布方式的優(yōu)化以及減少刀具磨損狀況等方面還需進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 柯佑鵬，過建春，方 佳，等.中國菠蘿生產(chǎn)及貿(mào)易的發(fā)展趨勢分析[J].中國熱帶農(nóng)業(yè)，2008（2）：34-35.

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目前，我國菠蘿莖葉粉碎還田主要采用拖拉機(jī)后懸掛式，帶動單輥式的臥式粉碎還田機(jī)進(jìn)行菠蘿莖葉的粉碎還田，工藝流程一般為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得刀具能拾取到大量的菠蘿葉；②拖拉機(jī)前行，刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并帶入粉碎室進(jìn)行一次粉碎；③菠蘿葉一次粉碎結(jié)束后，稍微降低粉碎還田機(jī)高度，對菠蘿葉進(jìn)行二次粉碎；④對于某些拐角或不平整位置粉碎長度不能達(dá)標(biāo)的，調(diào)整粉碎還田機(jī)高度，進(jìn)行三次粉碎；⑤土地翻耕。以上工藝流程有著作業(yè)次數(shù)重復(fù)多、作業(yè)效果差的弊端，為了提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，在以往單輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1BHJ-100型雙輥式的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)，擬使其還田工藝流程簡化為：①拖拉機(jī)帶動粉碎機(jī)刀輥旋轉(zhuǎn)，降低粉碎還田機(jī)高度到合適位置，使得前刀輥的甩刀能打擊到菠蘿莖葉與土壤的接觸面；②拖拉機(jī)前行，前刀輥高速旋轉(zhuǎn)切斷菠蘿葉并將其帶入粉碎室，在粉碎室中經(jīng)過前刀輥粉碎的菠蘿莖葉在甩刀的帶動下進(jìn)入后刀輥粉碎范圍內(nèi)，進(jìn)行二次粉碎；③土地翻耕。通過菠蘿葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，拖拉機(jī)在行走一次的情況下使得菠蘿莖葉粉碎效果達(dá)到還田要求，從而將作業(yè)效率提高近1倍，且能有效降低土壤被拖拉機(jī)壓實(shí)的狀況。

2 雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作原理

1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)采用拖拉機(jī)后懸掛的作業(yè)方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、傳動機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、地輪等，其中機(jī)架包括三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、前支撐架、側(cè)板、上蓋板等；傳動機(jī)構(gòu)主要由T型換向器、聯(lián)軸器、皮帶、皮帶輪等組成；粉碎機(jī)構(gòu)主要為粉碎刀輥和定刀，定刀通過螺栓固定在機(jī)架上，該機(jī)型設(shè)計(jì)為雙輥式，粉碎刀輥分為前刀輥和后刀輥。

整個(gè)裝置通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)固定在拖拉機(jī)后置的提升架上，從而可以調(diào)節(jié)刀輥離地高度，地輪置于還田機(jī)末端的兩側(cè)，起到支撐機(jī)架和對地面進(jìn)行仿形的作用。拖拉機(jī)動力輸出軸輸出的動力經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞給T型換向器，再經(jīng)V帶變速傳動帶動前刀輥高速旋轉(zhuǎn)，后刀輥則由皮帶、皮帶輪與前刀輥聯(lián)接起來做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在田間作業(yè)的過程中，前刀輥上的甩刀與地面接觸，對地面上的菠蘿植株進(jìn)行切削和撿拾，切斷的菠蘿莖葉進(jìn)入由側(cè)板和上蓋板等組成的粉碎室中，在前刀輥甩刀、后刀輥動刀以及前后刀輥定刀等機(jī)構(gòu)的共同作用下剪切、碰撞、撕裂，粉碎后的葉渣在離心力作用下沿粉碎機(jī)后擋板排出拋灑于地表，完成粉碎作業(yè)。與現(xiàn)有菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的最大區(qū)別及優(yōu)勢在于其具有兩個(gè)粉碎刀輥。

2.2 雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 前后刀輥的布置 為提高粉碎效率，減少拖拉機(jī)作業(yè)次數(shù)，該還田機(jī)采用了雙刀輥式的粉碎結(jié)構(gòu)，在拖拉機(jī)動力輸出軸的帶動下，兩個(gè)刀輥?zhàn)魍虻母咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動。1BHJ-100型雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的刀輥布置如圖2所示，兩個(gè)刀輥分別為前刀輥、后刀輥，前刀輥起到切削和撿拾、粉碎菠蘿莖葉的作用，因此前刀輥布置甩刀，作業(yè)時(shí)甩刀回轉(zhuǎn)半徑與地表相切；后刀輥主要起粉碎作用，其上布置固定的直刀，與地面保持一定間隙以減少功耗。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有秸稈還田機(jī)甩刀回轉(zhuǎn)半徑范圍一般為240～300 mm，并參照現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)，選取該樣機(jī)前刀輥甩刀回轉(zhuǎn)半徑為280 mm，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，刀尖線速度達(dá)到46.8 m/s，后刀輥回轉(zhuǎn)半徑選取為180 mm，轉(zhuǎn)速則相對于前刀輥更高，為2 400 r/min，刀尖線速度為45.3 m/s，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸要求，擬定兩刀輥中心距為480 mm。

2.2.2 刀具的選用與排布 粉碎機(jī)常用的甩刀形式有錘爪、L形甩刀、Y形甩刀、直刀、鞭式甩刀等幾種。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，前刀輥刀具起到切斷、撿拾、初步粉碎菠蘿莖葉的作用，后刀輥主要起到再次粉碎菠蘿莖葉的作用，再綜合菠蘿莖葉機(jī)械力學(xué)特性，前刀輥采用甩刀（圖3）側(cè)面開刃口，甩刀背對背成對使用，構(gòu)成Y形甩刀，通過銷軸與前刀軸上的刀座連接；后刀輥采用直刀（圖4），通過螺栓固定在后刀軸的刀座上。為延長使用壽命，前刀輥甩刀與后刀輥直刀均采用65 Mn材質(zhì)的刀具。

刀具的排列形式直接影響到粉碎效果，且與刀輥的振動密切相關(guān)[10]。刀具在刀軸上的排布首先應(yīng)滿足靜平衡的條件，即要求刀具在刀軸上間距相同、周向間角相等，此外考慮到田間作業(yè)時(shí)的狀況，在達(dá)到粉碎效果的前提下，應(yīng)加大刀具間距，避免堵塞。根據(jù)以上條件以及該樣機(jī)作業(yè)幅寬，前刀輥選用14對甩刀，后刀輥選用直刀18把，使得前刀輥甩刀密度為0.28把/cm，后刀輥直刀密度為0.18把/cm，其排布方式分別見圖5和圖6。

2.3 雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

雙輥式粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為： 配套動力73 kW及以上功率的拖拉機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速540 r/min；與拖拉機(jī)連接方式為標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)式懸掛；作業(yè)幅寬1 m；前刀輥轉(zhuǎn)速1 600 r/min；后刀輥轉(zhuǎn)速2 400 r/min；生產(chǎn)效率0.20～0.25 hm2/h；長、高、寬分別為2 235 mm、1 190 mm、1560 mm。

3 初步田間試驗(yàn)效果

對該樣機(jī)進(jìn)行了初步的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，一次粉碎后菠蘿莖葉長度普遍低于15 mm，該樣機(jī)能滿足預(yù)先設(shè)定的菠蘿莖葉一次粉碎達(dá)到還田要求的工藝路線，與現(xiàn)有的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)相比，該樣機(jī)的工作效率能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.20～0.25 hm2/h，使得菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的工作效率提高了近1倍。

4 小結(jié)

該樣機(jī)采用了雙輥式的結(jié)構(gòu)，簡化了菠蘿葉粉碎還田的工藝，一次粉碎基本能滿足菠蘿莖葉還田的粉碎長度要求，提高了菠蘿葉粉碎還田的效率，與現(xiàn)有的菠蘿葉粉碎還田機(jī)相比優(yōu)勢明顯。

該樣機(jī)在結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定性、功耗等方面還需大量的田間試驗(yàn)。在刀輥的相對位置、刀具排布方式的優(yōu)化以及減少刀具磨損狀況等方面還需進(jìn)一步的研究。

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