新疆棉花秸稈粉碎還田機應用現狀分析

劉 洋，王 濤，李 斌，牛國梁，李亞雄，王士國，董云成

（1． 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子832000；2． 石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

棉花是新疆種植面積最大的經濟作物，棉花在收獲后需要進行秸稈粉碎還田[1]，目前在新疆使用有多種結構的棉花秸稈粉碎還田機，如新疆鑫昌盛農機有限公司生產的單刀盤立式秸稈粉碎還田機、石河子開發區文軍輝煌農機有限公司生產的雙刀盤立式秸稈粉碎還田機和河北耕耘農業機械制造有限公司生產的臥式秸稈粉碎還田機，這些機具滿足了新疆機采棉66+10 cm 行距棉花秸稈粉碎還田的需要[2-3]，表現出不同的性能特點，也反應出一些問題。作者通過對新疆不同地區棉花秸稈粉碎還田機的作業情況進行實地調研，觀測這些機具的結構、作業質量和效率，在此基礎上對機具各關鍵部件的結構特點和存在的問題進行討論，為秸稈粉碎還田機的設計改進提供參考。

1 棉花秸稈粉碎還田前準備

棉花秸稈粉碎還田前，需要用摟膜機清除地表的地膜，摟膜機為彈齒結構（圖1a）[4]。由于棉行較長，摟膜機作業時每隔一段距離需要將彈齒上的地膜去除，為此用秸稈粉碎還田機在垂直于棉行方向粉碎棉稈，布置堆放地膜的通道，便于地膜裝載運輸（圖1b）。圖1c 和d 是田間摟膜效果對比，可以看到摟膜后地面的地膜已經大量減少。

2 新疆棉稈粉碎還田機應用現狀

2.1 應用的棉稈粉碎還田機類型

秸稈粉碎還田機按照工作部件的運動方式可分為臥式和立式[2]，這兩種機型在新疆棉花秸稈粉碎還田過程中都有應用，下面分別進行介紹。

2.1.1 臥式秸稈粉碎還田機

臥式秸稈粉碎還田機主要有4 行和6 行兩種機型（圖2），他們分別可以用58.8 kW 和62.5 kW 的拖拉機懸掛牽引，作業速度分別為160 m/min 和80 m/min，作業效果如圖3，長度大于10 cm 的秸稈較少。他們的傳動系統結構相同，由拖拉機動力軸輸出動力，由皮帶傳輸動力，從機架的一側驅動刀軸轉動[5]。4 行機的懸掛架固定在機架的中間位置，6 行機的懸掛架在機架上偏置。

2.1.2 立式秸稈粉碎還田機

立式秸稈粉碎還田機按照切割刀盤的數量，可以分為單刀盤和雙刀盤結構。圖4 是6 行單刀盤立式秸稈粉碎還田機，該系列還有2 行和4 行兩種機型，可以切割2、4 和6 行秸稈，配套的拖拉機動力分別為22.1 kW、55.1 kW 和58.8 kW，作業速度分別為80 m/min、200 m/min 和90 m/min。三種秸稈粉碎還田機通過增大切割刀盤的旋轉直徑來增加粉碎行數，他們的懸掛架都布置在機架的中間位置，整機采用對稱結構布置。他們的動力輸出系統結構相同，通過齒輪傳動驅動刀盤高速轉動，在傳動系統上布置有離合器，離合器由超越離合器和摩擦離合器組合而成，起到對動刀和傳動系統過載保護的作用[6]。

圖5 是三種作業幅寬的雙刀盤立式秸稈粉碎還田機，可以切割4、6 和8 行秸稈，配套的拖拉機動力分別為44.1 kW、62.5 kW 和66.2 kW，作業速度分別為90 m/min、210 m/min 和110 m/min。4 行和8 行雙刀盤秸稈粉碎還田機的結構布置相同（圖5a 和c），懸掛架固定在機架的中間位置，機架采用對稱結構布置，兩個刀盤的旋轉直徑相等，其動力傳動系統采用“T”形結構布置，用兩組皮帶傳動來驅動兩個刀盤轉動（圖6a）。6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機的兩個切割刀盤的旋轉直徑不相等（圖5b），其中旋轉直徑較大的刀盤切割4行秸稈，較小旋轉直徑的刀盤切割2 行秸稈，懸掛架固定在大切割刀盤的前方，整個機具采用偏置結構，為了保證機具的平衡，在大切割刀盤后方和小切割刀盤側方的機架上各布置一個支撐輪。6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機的傳動系統采用“L”形結構布置（圖6b），動力輸出軸先通過大齒輪傳動箱驅動大刀盤轉動，然后從大齒輪傳動箱輸出動力，用小齒輪傳動箱驅動小刀盤轉動。在兩個轉動齒輪箱上都布置有離合器，用于過載保護兩個切割刀盤和傳動系統[7]。

2.2 南疆和北疆棉稈粉碎還田機使用情況

新疆的南疆和北疆都是棉花的主產區，但是由于氣候不同，棉花秸稈的物理特性和粉碎還田時間有區別[8]。棉花秸稈應該在棉花采收后及時粉碎還田，南疆氣候溫暖，適宜棉花的生長，而北疆氣候寒冷，存在降霜現象，導致北疆棉花采收時間早于南疆，北疆棉稈粉碎還田的時間約比南疆早15 天。南疆氣候干旱少雨，棉稈在粉碎還田時含水率較低，而北疆雨水相對較多，棉稈在粉碎還田時含水率較高。棉稈的含水率是影響粉碎質量的重要因素，適當的秸稈含水率可以提高粉碎質量，較低和過高的棉稈含水率都不利于粉碎。圖7 是用相同結構的立式秸稈粉碎還田機在南疆和北疆的作業效果，可以看到，南疆的棉稈粉碎后存在大量的長秸稈，而北疆的棉稈粉碎效果很好，幾乎無長度大于10cm 的棉稈。

2.3 不同季節秸稈粉碎還田情況

棉稈主要在秋季棉花收獲后進行粉碎還田，但是一些棉田的秸稈會因為棉花采收較晚或者氣候原因推遲到次年的春季進行粉碎還田（圖8a）。春季的棉稈經過冬天的晾曬，非常干燥，棉稈粉碎質量較差，粉碎后存在很多較長的棉稈，春季的地膜已經老化，很容易破碎，粉碎的秸稈中夾雜有殘膜，這對殘膜的回收非常不利（圖8b）[9]。另外春季秸稈粉碎還田時，土壤干燥，刀盤高速旋轉形成的氣流很容易將土壤吹起，出現嚴重的揚塵現象，對環境造成污染（圖8a）。秋季地表土壤含水率高，揚塵現象不明顯（圖8c），棉稈粉碎效果優于春季（圖7）。

2.4 秸稈粉碎還田機作業的經濟收益

秸稈粉碎還田機作業的經濟收益受地區和粉碎還田機類型的影響。立式秸稈粉碎還田機在南疆和北疆作業的收費標準備分別為7和10元/667m2，這與人力成本有關，相比較北疆的勞動力成本高于南疆。北疆使用的臥式秸稈粉碎還田機收費標準為15 元/667m2，高于立式秸稈粉碎還田機，這是因為臥式秸稈粉碎還田機的功耗較高。

3 討論

3.1 兩種類型的秸稈粉碎還田機性能特點

臥式秸稈粉碎還田機的刀軸上可以布置多組動刀，動刀的數量較多，這有利于提高秸稈的粉碎質量和作業效率，但是傳動系統從機架的一側驅動刀軸轉動，6 行臥式秸稈粉碎還田機的懸掛架偏置在機架上，刀軸高速旋轉時機架振動嚴重，影響秸稈粉碎質量和機具的安全性，因此機具不易高速作業，作業效率較低[10]。另外，臥式秸稈粉碎還田機切割后留在地表的根茬高度不齊（圖9a），動刀的結構和在刀軸上的分布會影響棉稈留茬的高度[11-12]。

立式秸稈粉碎還田機的結構形式多樣。2 行機作業效率不高，適合地塊面積小的棉田還田作業。8 行機作業時，牽引拖拉機的輪距與機采棉種植模式的棉田不對行，拖拉機后輪會壓倒棉稈。在實際使用中，為了使拖拉機的后輪行走在棉行之間，用一個刀盤切割4行棉稈，另一個刀盤切割2 行棉稈，這會造成拖拉機功耗的浪費，結構不合理[13]。采用一個刀盤切割6 行棉稈的還田機，由于刀盤的旋轉直徑較大，當增大刀盤轉速時，機具振動嚴重，因此單刀盤6 行立式秸稈粉碎還田機的工作效率不高。6 行雙刀盤還田機可以克服雙刀盤8 行立式秸稈粉碎還田機功耗高和單刀盤6 行立式秸稈粉碎還田機工作效率低的問題，是適應機采棉1 膜6行種植模式較好的一種機型。立式秸稈粉碎還田機的動刀平行于地面切割秸稈，秸稈的留茬高度整齊。

3.2 棉花秸稈粉碎還田機結構存在的問題

3.2.1 秸稈粉碎室

通過秸稈粉碎效果可以看出，秸稈粉碎質量并不相同，這不僅與秸稈的含水率和切割速度有關，與切割粉碎室的結構形狀也有緊密的關系，從圖4 和圖5 可以看出秸稈粉碎室的結構不同，何種結構的粉碎室利于秸稈粉碎，需要進行研究[14]。

3.2.2 傳動系統

秸稈粉碎機采用皮帶或者齒輪傳動動力，皮帶傳動結構簡單，當動刀的切割阻力較大時，皮帶與帶輪發生相對滑移，起到保護動刀的作用，但是這種結構的缺點是隨著皮帶使用時間的增加，皮帶滑移的阻力會發生變化，這會導致刀盤的轉動速度不穩定，影響秸稈粉碎質量。齒輪傳動需要離合器來保護傳動系統和切割裝置，結構復雜，特別是“L”形傳動系統，需要較高的設計制造水平，但是齒輪傳動具有傳動效率高的優點，當秸稈粉碎還田機高速作業時，性能更加優異。

3.2.3 切割刀

秸稈粉碎還田機上設置有動刀和定刀，動刀直接與棉稈接觸，高速作業時易磨損，這會影響到秸稈的粉碎質量，需要及時更換，為了延長動刀的使用時間，應該對動刀的材料和加工工藝進行研究，提高動刀的耐磨性能[15]。定刀固定在粉碎室內部，目前對定刀結構、數量和布置主要是通過經驗進行設計，缺乏更深層次的原理研究。

3.3 棉花秸稈粉碎時間的選擇

秸稈的含水率是影響粉碎質量的重要因素，棉稈應該在秋季棉花收獲后避開下雨天雨水打濕棉稈和地表，及時進行粉碎還田，盡量避免春季還田作業。

3.4 棉花秸稈粉碎還田機的發展方向

目前新疆使用的秸稈粉碎還田機結構形式多樣，滿足了機采棉秸稈粉碎還田的需要，但是不同的機具粉碎質量存在較大差距，有待進一步的優化機具動刀、定刀、秸稈粉碎室和傳動系統等關鍵部件的結構和工作參數，提高粉碎質量和作業效率。高效和粉碎質量好的秸稈粉碎還田機是市場的需求和發展方向[16]。

4 結論

秸稈粉碎還田是棉花種植過程中的重要環節，目前新疆使用的棉花秸稈粉碎還田機結構形式多樣，可以滿足不同地區和時間的棉花秸稈粉碎還田需要，但是不同機具的秸稈粉碎還田質量和作業效率存在很大差距，其中立式6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機表現出了較好的工作性能。未來秸稈粉碎還田機會向高作業效率和好的粉碎質量方向發展，在新疆具有廣闊的市場前景。