秸稈深施還田機設計及其深施量的試驗研究

張懷玉，孔德剛，楊　航，左勝甲，張　超

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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秸稈深施還田機設計及其深施量的試驗研究

張懷玉，孔德剛，楊航，左勝甲，張超

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：為緩解我國秸稈焚燒及廢棄所帶來的資源浪費和環境污染等問題，設計了秸稈深施還田機，可一次完成秸稈撿拾、切碎和深施還田作業。同時，對其秸稈深施裝置的秸稈深施量進行了正交試驗研究，試驗結果表明：秸稈含水率對秸稈深施量影響較大，深施螺旋轉速次之，秸稈長度影響較小；秸稈深施量隨深施螺旋轉速的增大而增加，隨秸稈長度和秸稈含水率的增大而減少。在該試驗條件下，深施螺旋轉速為540r/min、秸稈含水率為10%、秸稈長度為5mm時，秸稈深施量最大。

關鍵詞：秸稈還田；撿拾裝置；深施裝置；深施螺旋

0引言

伴隨著我國糧食產量的日益增長，農作物秸稈作為糧食生產中主要的副產品，每年的秸稈生產量也逐漸增加。但我國秸稈資源利用率低，有大量的秸稈被焚燒，這不僅造成了資源的浪費，還對我們賴以生存的生活環境造成了很大的影響。秸稈還田既能解決上述問題，又能夠有效地增強土壤有機質含量、改良土壤的物理性狀、提高土壤肥力、改善土壤中微量元素比例失調。其中，秸稈深施還田將部分秸稈深施于土壤深層，還具有提高春季土壤溫度和提高土壤蓄水能力的效果，是農業生產在保持穩產、高產的條件下，保持農業可持續發展的有效途徑[1-2]。為此，設計了秸稈深施還田機并對其關鍵部件進行了試驗研究，旨在為實施秸稈深施還田作業提供機具和技術參數。

1設計要求

秸稈深施還田機需要在移動過程中將切碎秸稈深施于土壤深層，因此對秸稈深施還田機提出以下要求：

1)整機可以獨立完成秸稈撿拾、切碎和深施還田作業，且各項作業的工作參數可以根據需要進行調節；

2)整機利用機—電—液相結合的控制方法可使各項作業的啟動與停止,即可聯動又可以單獨操控；

3)滿足一定的可靠性要求；

4)整機與拖拉機懸掛連接，作業速度4～6km/h；

5)作業對象為收割后未經整理、雜亂鋪于耕地表面的玉米秸稈，作業時間集中在玉米收獲后至入冬前這段時間；

6)秸稈撿拾和秸稈深施的作業幅寬為2 100mm。

2整機結構與工作原理

整機主要由秸稈撿拾裝置、秸稈喂入裝置、秸稈輸送裝置主機架、秸稈深施裝置及側機架等組成，如圖1所示。此外，還包括一些液壓元件和機械傳動中的部分機構。

側機架上安裝了秸稈撿拾裝置、秸稈輸送裝置、秸稈喂入裝置、秸稈切碎裝置和側懸掛架；主機架上安裝了秸稈深施裝置和主懸掛架。兩個機架通過側懸掛架聯接，主機架兩側裝有限深輪，側機架四角分別安裝地輪。整機由主懸掛架與拖拉機連接。兩種狀態機具的工作原理如下：

1)作業狀態。安裝在拖拉機側后方的秸稈撿拾裝置將耕地上的玉米秸稈撿起并向后輸送，通過秸稈輸送裝置將秸稈送至喂入裝置的喂入口，經秸稈喂入裝置內部安裝的上、下喂入輥對秸稈形成擠壓并將秸稈拖出喂入裝置；秸稈直接進入切碎裝置，經切碎裝置切碎的秸稈再經拋送筒進入秸稈箱中，秸稈箱底部的秸稈經深施裝置深施于土層以下設定的深度。

2)非作業狀態。主機架通過液壓控制系統將側機架提升并旋轉至一定角度；此時側機架的重力由主機架支撐，主機架與側機架位置相對固定后，拖拉機將整機提升。

1.秸稈撿拾裝置　2.秸稈喂入裝置　3.秸稈輸送裝置　4.主機架

3主要部件設計

3.1秸稈撿拾裝置

秸稈撿拾裝置是秸稈深施還田機的主要部件，所起的作用是將玉米秸稈撿拾起來并輸送至秸稈輸送裝置。

秸稈撿拾裝置作業幅寬1 600mm，彈齒滾筒撿拾器圓周布置4排彈齒。拖拉機前進時速4～6km/h。為保證作業時，撿拾器前秸稈不堆積、不漏撿，要求彈齒的線速度不低于整機前進速度；否則，就會使秸稈層厚度增加，加大秸稈撿拾難度。根據經驗，撿拾器轉速一般為60～90r/min[3,4]，本設計撿拾器轉速為80r/min。撿拾器彈齒運動軌跡如圖2所示。通過ab、bc、cd、da4個工作階段對彈齒旋轉1周的運動軌跡進行分析，圖2中彈齒按逆時針方向旋轉，V為撿拾器前進速度。

圖2　彈齒運動軌跡

1)ab段為彈齒將秸稈撿拾提升階段。彈齒在a點時，彈齒前端伸入秸稈層中，秸稈隨著彈齒從a點運動到b點。

2)bc段為彈齒將秸稈平推的階段。彈齒經ab段運動落在秸稈輸送裝置上，在bc階段，彈齒齒桿始終保持豎直狀態將秸稈向后推送。

3)cd段為彈齒的空載階段。經過bc階段彈齒留在秸稈輸送裝置上，cd階段彈齒需迅速收回，移動到d點。

4)da段為彈齒伸出階段。此時彈齒伸出，逐漸減小其與地面距離，將彈齒前端伸入秸稈層下，為撿拾秸稈做準備。

3.2秸稈輸送裝置

本設計在撿拾器和喂入輥之間增設了秸稈輸送裝置，如圖3所示。其作用是將撿拾器撿起的玉米秸稈輸送至喂入口、同時也可以將兩側的秸稈向中間聚攏至喂入口。輸送裝置的螺旋葉片將兩側的秸稈向中間輸送至撥齒處，由撥齒將秸稈撥進喂入輥。

圖3　秸稈輸送裝置結構圖

3.3喂入裝置

秸稈喂入裝置位于秸稈輸送裝置和切碎裝置之間，將喂入口處的秸稈送進切碎裝置的作業。喂入輥是喂入裝置的核心部件，其作用是在喂入秸稈的過程中，將秸稈夾緊、壓實，避免與秸稈之間產生滑動。

圖4為喂入裝置簡圖，喂入裝置中安裝有上、下兩個喂入輥。喂入作業時，上、下喂入輥轉速大小相同，方向相反。秸稈喂入裝置主要由3部分組成：外殼、喂入輥和支座。上、下喂入輥形式與大小相同，兩個喂入輥上、下垂直布置。

1.外殼　2.喂入輥　3.支座

3.4切碎器

2.1 兩組患兒肺泡SIRT6含量、血清炎癥因子水平比較 B組患兒肺泡SIRT6含量及血清TNF-α、IL-6水平均顯著高于A組，組間比較，差異有統計學意義(P<0.05)。見表1。

本文設計的秸稈深施還田機選用滾刀式切碎器，刀片選用平板型刀片。切碎器主要由切碎刀輥、支座、定刀和外殼等組成[5]。

3.5秸稈深施裝置

3.5.1鏟體設計

鏟體由深施鏟和V型護鏟板焊接而成，深施鏟的鏟柄和鏟頭，通過螺釘聯接。秸稈深施作業深度15～40cm，時速4～6km/h，要求鏟體具有較高的強度、剛度和較強的土壤疏松能力。本機選用碎土角為20°的直立式鏟柄的深施鏟，深施鏟材料為65Mn[6-8]。

3.5.2深施螺旋設計

深施螺旋性能的優劣關系到秸稈能否被順利地輸送至土壤深層，安裝簡圖如圖5所示。深施螺旋上端直徑20mm，長600mm，螺旋葉片由45鋼焊接制成，螺旋葉片長414mm，螺旋葉片厚度2mm，螺旋外徑48mm，螺旋軸的直徑16mm，螺距64mm，螺旋角27°[9- 12]。

1.軸承座　2.深施螺旋　3.輸送管

實際工作中深施螺旋轉速可由液壓系統控制，深施螺旋的秸稈深施量Q為

(1)

式中Q—深施螺旋的秸稈深施量(kg/s)；

D—螺旋葉片外徑(mm)；

d—螺旋葉片內徑(mm)；

λ—葉片與管壁間隙(mm)；

ψ—秸稈填充系數，常取0.3～0.4；

s—葉片螺距(mm)；

n—深施螺旋的轉速(r/min)；

γ—秸稈的密度(kg/m3)；

C—深施螺旋輸送系數。

4秸稈深施量試驗研究

秸稈深施量是評估秸稈深施裝置性能的一個重要指標。秸稈深施量與深施螺旋的參數、秸稈的性狀等因素有關。從秸稈深施作業過程可得出深施螺旋的轉速、秸稈的含水率和長度都能對秸稈深施量產生影響。為了檢驗秸稈深施裝置深施秸稈的性能，以及上述3個因素對秸稈深施量的影響，對其進行試驗研究。

試驗在秸稈深施試驗臺上進行。在試驗中用到VFD037M43A型變頻器、VFG80-1500-0.75-B35變頻電機、101A-1型電熱鼓風干燥箱、電子秤、直尺、量杯、秒表和噴壺等。

4.1試驗設計

試驗考察因素分別為：深施螺旋的轉速、秸稈含水率和秸稈長度；試驗指標為秸稈深施量。由于秸稈含水率對秸稈質量影響較大，所以按單位時間的深施秸稈體積換算成秸稈深施量。設計三因素三水平正交試驗，試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1　因素水平編碼表

試驗選用標準正交表L9(34)，不考慮各因素間的交互作用，并試驗方案如表2所示。

4.2試驗結果與分析

按照試驗方案進行試驗，結果如表2所示。試驗中以秸稈深施量為試驗指標，深施量越大效果越好，并對試驗數據進行極差分析。

表2　試驗方案與結果

1)因素A的第3水平為最優水平，即深施螺旋轉速為540r/min。

2)因素B的第1水平為最優水平，即秸稈含水率為10%。

3)因素C的第1水平為最優水平，即秸稈長度為5mm。

3個因素的最優水平組合為A3B1C1，對極差值進行比較可以得出三因素對秸稈深施量的影響的主次順序為：B—A—C。即秸稈含水率影響秸稈深施量的程度較大，深施螺旋影響次之，秸稈長度影響相對較小。為檢驗三因素對秸稈深施量影響的顯著性，對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。

表3　方差分析表

由表3可知：在試驗條件下，秸稈深施量試驗模型極顯著(PM=0.005 2<0.01)，深施螺旋轉速的影響是顯著的(PA=0.012 3<0.05)，秸稈含水率的影響是極顯著的(PB=0.004 1<0.01)，秸稈長度的影響是顯著的(PC=0.030 2<0.05)。根據3個因素的F值可知：三因素對秸稈深施量的影響的主次順序為：B—A—C，與極差分析結果一致。

5結論

1)整機一次進地可完成玉米秸稈的撿拾、切碎和深施還田作業，既提高了作業效率又可緩解頻繁進地作業而造成的耕地破壞。

2)秸稈深施量可以通過控制深施裝置的深施螺旋轉速進行調整。

3)試驗結果表明：深施螺旋轉速、秸稈含水率和秸稈長度是影響秸稈深施量的主要參數；主次順序依次為秸稈含水率、深施螺旋轉速和秸稈長度，且秸稈深施量隨秸稈含水率和秸稈長度的增大而減小、隨深施螺旋轉速的增大而增加；深施螺旋轉速為540r/min、秸稈含水率為10%、秸稈長度為5mm時，秸稈深施量最大。

秸稈深施還田機的設計及秸稈深施量的試驗研究在一定程度上可以為秸稈深施還田技術的深入研究及其配套機械裝備的研發提供依據與參考。

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Design of Straw Deep-application Machine and Experimental Research of the Amount of Straw Deep-application

Zhang Huaiyu， Kong Degang， Yang Hang， Zuo Shengjia， Zhang Chao

(College of Engineering，Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to alleviate the wasteful resource and environmental pollution problem which are caused by burning, wasting and low utilization rate of straw in China, designing the straw deep-application returning machine that can simultaneously finish the task of picking, chopping and deep-application returning straw an operation.After analyzing the data of the amount of straw deep-application which can be found in straw deep-application device in orthogonal experiment,it showed that: the water ratio of straw had the biggest influence on the amount of straw deep-application and the influence of the rotate speed of deep-application helix was smaller than straw moisture content.The length of straw’s influence was the smallest among the three elements. Also, the experiment showed that: the amount of straw deep-application had been increased when the rotate speed of deep-application helix improved while the water ratio of straw and the length of straw decreased at the same time. Under the condition of the test, when the rotate speed of deep-application is 540r/min, the water ratio of straw is 10% and the length of straw is 5mm, the amount of straw deep-application is the largest.

Key words：straw returning; straw deep-application returning machine; pickup device; deep-application helix

文章編號：1003-188X(2016)05-0102-05

中圖分類號：S220.2；S223.1

文獻標識碼：A

作者簡介：張懷玉(1963-)，男，哈爾濱人，副教授，博士研究生，(E-mail)4695870965@qq.com。通訊作者：孔德剛(1956-)，男，吉林白山人，教授，博士生導師，(E-mail)kong-degang@hotmail.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-01)

收稿日期：2015-04-03