機電一體化秸稈就地旋切滅茬裝置的研究與應用

王偉　盧思迪　左振　王哲

[中圖分類號] S23 [文獻標識碼] A [文章編號] 1003-1650（2017）03-0211-02

1 項目背景

隨著我國農業生產的發展，糧食產量大幅提高，秸稈數量也迅速增多，據統計，我國每年的作物秸稈產出量約為7～8億噸。由于目前農村中燒煤、用電和液化氣的普及，農村中使用秸稈生火做飯、取暖的做法已微乎其微。由于秸稈在短期內不易腐解，利用率低，尤其是小麥秸稈，農民更不愿意回收利用，在小麥收獲后，田地里總有大量秸稈剩余。為了不影響下茬耕作，以往的做法都是就地焚燒，由此引起嚴重的環境污染和有機資源的浪費，操作不慎時，還經常發生燒壞鄰邊的莊稼、樹木及人身傷亡等現象，給國家和個人財產造成不應有的損失，給社會穩定也帶來不利因素，由田間焚燒秸稈而引起的大氣污染、地表生態環境破壞、交通出行受阻等間接經濟損失無法估量。據統計，2015年前，全國用作還田和有機肥料的作物秸稈僅占總量的20%左右，田間直接焚燒的占50%以上。秸稈焚燒的另一后果是：消防工作壓力巨大。據統計：2014至2015年，全國因焚燒秸稈發生嚴重火災12萬起，燒壞莊稼近百萬畝，燒傷燒死一千余人，燒壞民房、樹木不計其數。消防部門出警近15萬次，直接和間接的經濟損失達數億元。

1.1 2015年安徽省出臺秸稈禁燒零容忍辦法，嚴禁秸稈焚燒。為了有效禁燒秸稈，就必須對秸稈的處理及綜合利用提出切實可行的方案，變“堵”為“疏”，在不影響農民耕作播種的前提下，讓農民朋友自覺不燒，這樣才能把禁燒工作長久、平穩、有效地開展下去。

目前我國對秸稈處理的方式大致有兩種方法：秸稈粉碎還田和秸稈打包離田。秸稈粉碎還田是在小麥收割后，采用甩刀式粉碎機對小麥留茬部分和聯合收割機脫粒后拋撒的秸稈進行粉碎，然后用旋耕刀旋起約5厘米左右的薄土覆蓋秸稈。這種方法的優點是設備結構簡單、操作成本低、工作周期短。缺點是：

1.1.1 粉碎效果不好：尤其是在早晚田間有露水，秸稈比較潮濕的情況下，粉碎后的秸稈長度過長，留在土地中容易纏繞農機具，影響下茬播種機工作。

1.1.2 覆土掩埋的深度不夠：由于粉碎后秸稈量比較大，覆土厚度太薄，大面積的秸稈不能很好掩埋，露在地表上面，影響下季播種、出苗和打藥、追肥等田間管理。

1.1.3 秸稈暴露在地表層上面，不能在短期內腐熟，前茬遺留的病菌、蟲卵附著在秸稈上，轉移給下茬作物，對下茬作物的生長產生不利影響。

1.1.4 越來越多的農業專家和農民擔憂：用這樣的方法使秸稈還田，長期下來，秸稈不能很快腐熟轉化成有機肥料，田地里未腐熟的秸稈總量不斷增多，土壤的生物結構不平衡，也會給作物生長帶來負面影響。

1.2 秸稈打包離田是在小麥收割后，將剪切下來的秸稈用機械撿拾起來后打包成捆，然后運出發電或堆漚肥。秸稈打包離田的優點是：地表干凈整潔，有利于下茬耕作；秸稈送去發電或集中堆漚肥等，秸稈可以再次利用，發揮效益。缺點是：

1.2.1 收割機的工作效率嚴重降低。因為不再對小麥留茬部分進行粉碎，為便于下茬耕作，一般要求留茬高度不高于10厘米，這樣就使收割機的工作負荷增大，工作效率嚴重降低。因為小麥秸稈越靠近底部，直徑越粗，硬度也越大，同時枯萎垂落的葉片也越多，收割機的往復式刀片剪切起來就非常吃力。剪切后的小麥秸稈經輸送裝置全部送入脫粒機脫粒，因為秸稈量增大，收割機的輸送裝置經常阻塞，皮帶燒壞屢屢發生，故障頻發。脫粒機的工作負荷也隨之增大，整個收割機的工作效率下降約一倍左右，本來1小時可以收割8畝左右的，因為留茬高度不能超過10厘米，1小時只能收割4畝左右，收割機手抵觸情緒非常大，有時是拒絕下地收割。有時遇到陰雨天氣即將來臨的關口，農民為了搶收糧食，也不愿意因為考慮留茬高度而耽誤收割，他們情愿留茬高度高一點，也要把糧食搶收上來。

1.2.2 能耗增加。因為需要多切除秸稈，就要多耗費刀片動力，這樣使收割機單位時間內的工作效率下降，單位能耗隨之增加。秸稈在輸送和脫粒的過程中，需要消耗大量動力，這些動力的消耗，對秸稈的粉碎和回收，沒有任何作用，純粹是無用功，還在一定程度上影響機械的使用可靠性，增加維修費用，浪費資源。同時秸稈碎片進入糧食之中，使糧食含雜率增高，需要進一步清理，又再一次消耗能源。

1.2.3 打捆機撿拾作業不干凈。經收割機脫粒后小麥秸稈，成團成堆地拋撒在地面。打捆機撿拾時，因為秸稈分布不均勻，厚的地方太厚，撿拾爪通過時，一次旋轉不能全部摟起，往往撿拾不干凈，地面留有大量秸稈，既浪費資源，又影響農民耕種。

2 本項目的研發方向和擬解決的關鍵技術

針對以上存在問題，按照國家政策要求，結合農民和收割機手的利益訴求，蚌埠市龍泰消防有限公司研發部在2015年初組織研發人員開展了“機電一體化秸稈就地旋切滅茬裝置” 項目的研究工作。通過大量調研、走訪、論證、比對，我們最終確定了研發方向及技術路線：

2.1 研發方向：秸稈切割、打捆離田

該方向既符合國家政策，又使田地整潔，沒有上茬作物遺留的病菌蟲卵等，有利于農民根據墑情及時播種和后期管理，符合農民耕種要求。秸稈離田后可送去發電廠發電，也可留作農民生產有機肥，均符合環保要求。

2.2 關鍵要求：收割機留茬高度不大于10厘米。

為了保證收割機工作效率，在關鍵時刻把農民糧食收割上來，同時減少能耗，減少污染和浪費，需要采取二次切割的方案，即：

2.2.1 收割機原有的往復式剪刀提高收割高度，只剪切麥穗以下20厘米左右的長度，剪切后的留茬高度約在60厘米左右。

2.2.2 在收割機下部適當的部位另外安裝一組旋切式刀具，專門切削往復式剪刀剪切后的小麥秸稈，留茬高度不大于10厘米。剪切后的小麥秸稈擺放基本整齊有序，便于打捆機撿拾。

2.3 技術路線

2.3.1 采用機電一體化設計，直流電機直接帶動刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全滿足收割機整體收割需要。收割機采用二次切割的辦法，在收割小麥時，每小時能提高工作效率30%以上。

2.3.2 采用刀片分組裝配、整機并聯的方法，工作幅寬可以根據需要任意組合調整，通用性好。

3 結構特點和工作原理

本裝置由機架、傳動軸、傳動軸皮帶輪、軸承座、發電機、發電機皮帶輪、牽引軸、間隔套、提升桿、旋切架、尾輪、尾輪軸、直流電機、調整墊片、旋切刀片、避障架、整流器、控制開關等組成。機架和四輪拖拉機通過懸掛機構相連接，拖拉機輸出軸和該裝置傳動軸相連接，傳動軸通過軸承座固定在機架上，發電機固定在機架上，通過傳動軸皮帶輪，皮帶和發電機皮帶輪相連接，旋切架前端套在牽引軸上用間隔套隔開并固定在機架上，直流電機通過調整墊片固定在旋切架上，旋切刀片固定在直流電機輸出軸上，避障架固定在最下面直流電機輸出軸套管上，尾輪通過尾輪軸固定在旋切架的尾部，發電機輸出通過電纜后和整流器連接，整流后接控制開關，再從開關連接到各直流電機。

上述設計的有益效果是：通過發電轉換，解決了機械方法難以實現的多個活動部位高速旋轉裝置，能夠對收割后的大田秸桿進行就地快速粉碎，也可對大田秸桿就地快速收割回收，可適應任何高低不平地塊。和現有的其他滅茬裝置比較，在相同功率的情況下，該裝置可提高效率30%以上。

工作原理：四輪拖拉機通過輸出軸及懸掛機構和該裝置連接后，通過皮帶傳輸帶動發電機發電，發出電再經過整流器整流后進入控制開關，然后進入各直流電機。帶動刀片以90M/S左右的線速度高速旋切。本裝置采用四組旋切架，每組裝有三個旋切刀片，三個旋切刀片的高度差可根據需要粉碎的長度，通過固定直流電機調整墊片調整，為了防止兩組相鄰的刀片間距過近造成擦碰，兩組兩相鄰的刀片前后軸線間距設計相差1/2刀片直徑，為防止最下面離地較近的刀片被大的異物損傷，刀片前裝有避障架，秸桿留茬高度可通過改變尾輪和旋切架之間的上下位置確定。各組旋切架通過尾輪和地面高度變化自動上下活動。在行駛路途或地頭轉彎，拖拉機通過液壓懸掛機構將該裝置機架升起，在提升桿的作用下各旋切架將同時升高。

本裝置結構簡單，高效節能，對較濕潤和較軟的秸桿有著很好的切割效果，可適應各種不同平整度的田塊，本裝置不但對秸桿能夠就地粉碎還田，而且在只使用底刀的狀態下，可對秸桿進行旋切回收利用，有利于廣泛推廣使用。

4 設計的創新點

4.1 采用機電一體化設計，直流電機直接帶動刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全滿足收割機整體收割需要。收割機采用二次切割的辦法，在收割小麥時，每小時能提高工作效率30%以上。

4.2 本機械采用刀片分組裝配、整機并聯的方法，工作幅寬可以根據需要任意組合調整，通用性好。

4.3 本機械的每組刀片均能根據地面情況隨機調節工作高度，能切實保證刀片在工作時留茬高度完全符合標準要求，又能使刀片在遇到硬物時有效保護自己不被碰壞。

4.4 本機械的每組刀片數量可以根據需要增加或減少。如果下道工序是撿拾打捆，那么一根刀桿只需要在最下部安裝一個刀片；如果下道工序是腐熟還田，那就可以根據需要每間隔一段距離裝一個刀片，多塊刀片分層切割，不受秸稈水分高低的影響，切割后的秸稈長度一致，便于腐熟和耕種管理。

4.5 本機械還可以根據需要安裝在播種機的前部。如果小麥留茬高度低于20厘米，切茬后不需要回收打捆，而不切茬又影響播種和出苗后的田間管理時，可以使用本機械在切除秸稈后直接播種，這樣可以大大提高工作效率，減少機械反復下地作業對農田土壤的碾壓侵害。

5 使用特點

5.1 與小麥聯合收割機配套使用時

5.1.1 將收割機原有的往復式剪刀裝置提高，只剪切麥穗以下20厘米左右的長度，剪切后的留茬高度約在60厘米左右。

5.1.2 在收割機下部安裝本旋切式秸稈切茬裝置，專門切削往復式剪刀剪切后的小麥秸稈，留茬高度不大于5厘米。剪切后的小麥秸稈擺放基本整齊有序，便于打捆機撿拾。

5.2 與打捆機配套時：

在打捆機或播種機的前部安裝本旋切式秸稈切茬裝置。

本裝置與打捆機的踩壓裝置直接通過輸送裝置相連，去除打捆機的撿拾裝置，也就是說，秸稈切茬后不落地，直接送入打捆機打捆。這樣即減少了動力消耗，簡化了機械機構，又使地表面更加干凈，利于農民播種和田間管理。

6 試驗情況

我公司研發人員自2015年午收以來，已經對該產品在小麥秸稈上的切割效果反復進行了田間試驗，積累了大量數據。試驗證明：

6.1 切割效率高：旋切式刀具切割小麥秸稈，不受秸稈高低、干濕、粗細等條件的限制，完全能滿足割副寬度2.5米的收割機1小時收割10畝以上的技術要求。

6.2 切割效果好：因為采用機電一體化設計和旋切式刀具，切割長度和留茬高度可以根據要求隨意設定。切割后地面干凈、整潔，有利于農民耕種和田間管理。

6.3 采用直流電機直接帶動刀片的方法，極大地簡化了傳輸裝置，與采用機械傳動方式相比，結構簡單、維修方便，節約能源在30%以上。

6.4 裝置底部設計有防硬物保護裝置，確保刀片在高速工作狀態下不受損壞，機械故障率低，使用可靠性好。

7 結論

本機械的安裝使用，雖然本身消耗了一些動力，但因為調整了收割機的收割高度（穗下20厘米），實行二次切割，大大降低了收割機原有模式的動力消耗，兩相比較，總體上完全起到了能耗降低的作用。同時減少了收割機的故障時間，減少了收割機的維修費用，提高了收割機的工作效率，滿足了農民在三夏期間搶收搶種的根本需求。最重要的是在秸稈禁燒方面，徹底解決了因為強行禁燒而產生的一系列矛盾，有效地解決了禁燒和播種之間存在的問題，變“堵”為“疏”，使國家和我省的禁燒政策能有效地得到貫徹落實，使各地的禁燒工作能有條不紊、全面深入地開展下去，同時對資源的回收利用，對環境保護，對社會穩定，都有非常重要的經濟效益和深遠的社會效益。