異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置設計與試驗

劉 鵬，何 進，李艷潔，李洪文，王慶杰，盧彩云，張振國,3，李紹華

·農業裝備工程與機械化·

異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置設計與試驗

劉 鵬1，何 進1※，李艷潔2，李洪文1，王慶杰1，盧彩云1，張振國1,3，李紹華4

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 北京林業大學工學院，北京 100083；3. 新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；4. 內蒙古長明機械有限公司，赤峰 024200）

針對玉米秸稈量大、韌性強，導致還田后秸稈粉碎不均勻影響后續整地和播種等問題，該研究提出了一種異速對輥及動態雙支撐形式的玉米秸稈粉碎還田方式，并研制了相應的玉米秸稈還田裝置，主要由撿拾粉碎單元、對輥滑切支撐單元、支撐板和機殼等組成。在異速動態雙支撐條件下，通過對作業過程中玉米秸稈動力學分析和秸稈漏撿面積分析，對撿拾粉碎刀和對輥滑切支撐刀進行設計，建立了影響秸稈粉碎合格率的數學模型。以撿拾粉碎刀轉速、L型甩刀折彎角、L型甩刀刃口長度和滑切支撐刀滑切角為因素，秸稈粉碎合格率為試驗指標進行Box-Behnken試驗。田間試驗結果表明：當滑切支撐刀滑切角45°、撿拾粉碎刀轉速1 700 r/min、L型甩刀刃口長度45 mm和L型甩刀折彎角40°時，玉米秸稈粉碎合格率為92.58%，與預測值誤差<5%，滿足國家標準要求。該研究提出的秸稈粉碎還田方式和研制的秸稈粉碎裝置為玉米秸稈粉碎還田機設計和優化提供新的方案和技術支撐。

農業機械；速度；粉碎合格率；秸稈粉碎；異速；動態雙支撐

0 引 言

玉米秸稈含有豐富的氮磷鉀等營養元素，是寶貴的可再生生物質資源[1]。秸稈粉碎還田可以增加土壤有機質含量，改善土壤結構，增加作物產量[2-5]，但是如果粉碎質量不合格，反而會影響后續播種質量，造成負面影響。

在中國，由于需要搶農時，為防止玉米秸稈堵塞播種機，從而降低播種質量，因此對玉米秸稈粉碎質量要求較高。為提高秸稈粉碎質量，相關學者圍繞刀具結構、粉碎形式等方面開展了一系列研究。如章志強等設計的可調節式秸稈粉碎還田機，通過對粉碎刀、機殼等關鍵部件的設計，實現對秸稈的多次砍切、撕裂和揉搓[6]；鄭智旗等設計的動定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置和和秸稈撿拾粉碎掩埋復式還田機，均通過粉碎定刀與高速旋轉的粉碎動刀組合形成有支撐切割[7-8]；張姬等設計的鋸盤式玉米秸稈粉碎裝置，通過差速鋸齒圓盤來提高粉碎質量[9]；張喜瑞等應用滑切原理優化了粉碎刀片的刀刃曲線，并設計了滑切防纏式香蕉秸稈還田機[10]；張紅霞等通過增加定刀排數，提高秸稈粉碎質量[11]。賈洪雷等通過分析現有粉碎還田刀的特點，設計了一種V-L型秸稈粉碎還田刀，并確定了刀具的關鍵結構參數[12]。郭俊等仿鼴鼠足趾排列設計了一種旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀片[13]。Lundin和Persson研究表明在粉碎刀刃口開有鋸齒有助于提高秸稈粉碎質量[14-15]。上述粉碎裝置大多采用動定刀組合，雖然有利于秸稈支撐粉碎，但當定刀與動刀間距設置不合理，尤其是在秸稈量大、韌性強的情況，導致在還田作業中秸稈粉碎不均影響后續整地和播種作用。

針對在秸稈量大、韌性強，現有秸稈粉碎裝置無法滿足粉碎要求的問題[16]，本文設計了一種針對玉米秸稈的異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置，擬通過對關鍵部件運動學和動力學分析，得到其關鍵參數范圍；通過Box-Behnken試驗，對粉碎裝置不同結構參數和運動參數組合的試驗結果進行分析，從而得出異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置的較優的參數組合，以期為玉米秸稈粉碎還田機的研究和發展提供參考。

1 裝置結構及工作原理

1.1 裝置結構

異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置主要由懸掛裝置、傳動裝置、粉碎裝置、支撐板和機殼組成。傳動裝置主要由變速箱、主帶輪、撿拾粉碎刀左帶輪、撿拾粉碎刀右帶輪、滑切支撐刀帶輪組成。粉碎裝置主要包括撿拾粉碎單元和對輥滑切支撐單元，其中撿拾粉碎單元主要包括撿拾粉碎刀、撿拾粉碎刀座和撿拾粉碎刀軸；對輥滑切支撐單元主要包括滑切支撐刀、支撐刀座和滑切刀軸組成，具體結構如圖1所示。

1.懸掛裝置 2.變速箱 3.主帶輪 4.撿拾粉碎刀左帶輪 5.撿拾粉碎刀 6.撿拾粉碎刀軸 7.撿拾粉碎刀座 8.撿拾粉碎刀右帶輪 9.支撐板 10.滑切支撐刀帶輪 11.滑切支撐刀軸 12.滑切支撐刀 13.機殼 14.支撐刀座

1.Suspension device 2.Gearbox 3.Major belt wheel 4.Left belt wheel of chopping and collecting blade 5.Chopping and collecting blade 6.Shaft of chopping and collecting blade 7.Chopping and collecting blade holder 8.Right belt wheel of chopping and collecting blade 9.Supporting plate 10.Belt wheel of slide-cutting supporting blade 11.Blade shaft of slide-cutting supporting blade 12.Slide-cutting supporting blade 13.Shell 14.Slide-cutting supporting blade holder

注：ω和ω分別是撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的角速度，rad·s-1。

Note: ωandωare the angular speed of the chopping and collecting blade and slide-cutting supporting blade, respectively, rad·s-1.

圖1 異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置結構示意圖

Fig.1 Structural diagram of double rollers maize stalk chopping device with different rotation speeds

1.2 工作原理及技術特點

在作業過程中，相對裝置前進方向，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀均逆時針高速轉動，使得機殼內氣體流速加快，從而在機殼喂入口形成負壓區。在撿拾粉碎刀與和入口負壓作用下，秸稈被吸入機殼內，并隨撿拾粉碎刀做圓周運動。當滑切支撐刀和撿拾粉碎刀位置存在重合時，滑切支撐刀和撿拾粉碎刀同時對玉米秸稈進行砍切，并互為支撐，從而有助于對玉米秸稈切斷與粉碎。滑切支撐刀轉速小于撿拾粉碎刀轉速，從而使得粉碎后的玉米秸稈隨撿拾粉碎刀運動，并向后拋出，完成秸稈粉碎作業。因此設計的異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置具有以下優勢：

1）異速對切，利于撕裂，增加秸稈流動性。撿拾粉碎刀和滑切支撐刀轉速存在差異，但轉向相同，使得撿拾粉碎刀和滑切支撐刀可對玉米秸稈施加方向相反的砍切力，有利于玉米秸稈撕裂，從而提高玉米秸稈粉碎質量和秸稈在機殼內的流動性。

2）動態雙支撐，增強秸稈抗彎能力，更利于秸稈切斷與粉碎。每把撿拾粉碎刀兩側均在滑切刀軸上對應安裝一把滑切支撐刀，使得在粉碎玉米秸稈時，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀互為支撐；撿拾粉碎刀和滑切支撐刀高速旋轉，從撿拾粉碎刀和滑切支撐刀接觸玉米秸稈表皮到切斷玉米秸稈，使得撿拾粉碎刀和滑切支撐刀對玉米秸稈均處于動態雙支撐狀態，從而有利于玉米秸稈切斷與粉碎。

3）對稱雙螺旋排布，有利于降低能耗。Y型粉碎刀和滑切支撐刀在粉碎刀軸上均采用正向雙螺旋排布，且直刀在撿拾粉碎刀兩側對稱安裝，從而保證撿拾粉碎刀和滑切支撐刀在粉碎作業時一直處于動態雙支撐狀態，有助于降低能耗。

1.3 傳動系統

異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置通過懸掛裝置掛接在拖拉機后方，通過十字萬向節將拖拉機動力傳輸到粉碎裝置；隨后通過變速箱、主帶輪、增速皮帶和撿拾粉碎刀左帶輪按固定傳動比將撿拾粉碎刀軸進行增速，使得撿拾粉碎刀軸達到額定轉速，以滿足撿拾粉碎刀撿拾和粉碎玉米秸稈的要求；之后通過滑切支撐刀帶輪、降速皮帶和撿拾粉碎刀右帶輪按固定傳動比將滑切支撐刀軸進行降速，使得滑切支撐刀和撿拾粉碎刀同向轉動，以及形成對玉米秸稈動態雙支撐，其動力傳遞示意圖如圖2所示。

1.變速箱 2.主帶輪 3.增速皮帶 4.撿拾粉碎刀左帶輪 5.對輥滑切支撐單元 6.滑切支撐刀帶輪 7.降速皮帶 8.撿拾粉碎刀右帶輪 9.撿拾粉碎單元

1.Gearbox 2.Major belt wheel 3.Belt of velocity increase 4.Left belt wheel of chopping and collecting blade 5.Double rollers chopping unit installed slide-cutting supporting blade 6.Belt wheel of slide-cutting supporting blade 7.Belt of velocity decrease 8. Right belt wheel of chopping and collecting blade 9.Chopping and collecting unit

注：PTO為拖拉機后輸出軸。

Note: PTO is the rear output shaft of tractor.

圖2 動力傳遞示意圖

Fig.2 Diagram of power transfer

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 異速動態雙支撐下秸稈動力學分析

分布在地表的玉米秸稈被撿拾粉碎刀撿拾，同時玉米秸稈隨撿拾粉碎刀進行轉動。當撿拾粉碎刀、玉米秸稈和滑切支撐刀發生接觸時，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀同時對玉米秸稈進行砍切，而且從撿拾粉碎刀和滑切支撐刀與玉米秸稈表皮接觸到玉米秸稈被切斷，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀對玉米秸稈均處于動態雙支撐狀態。在撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的作用下，玉米秸稈首先受到局部塑形變形，隨著撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的轉動，玉米秸稈受到彎曲和剪切變形，直至秸稈斷裂。在秸稈受力過程中，由于秸稈直徑相對于撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的回轉半徑較小，因此在接觸玉米秸稈表皮時撿拾粉碎刀和滑切支撐刀可視為處于平行位置。

秸稈受力示意圖如圖3所示，其中包括秸稈自身重力（）、滑切支撐刀對玉米秸稈的支持力（F1）、滑切支撐刀與秸稈之間的摩擦力（1）、撿拾粉碎刀對秸稈的支持力（F2）、撿拾粉碎刀與秸稈之間的摩擦力（2）、離心力（F）。撿拾粉碎刀上的秸稈與滑切支撐刀接觸后瞬間被切斷，切斷時間持續極短，此時秸稈依然留在撿拾粉碎刀上，并保持原有的運動狀態。因此，在切斷時秸稈依然保持受力平衡。以垂直于離心力F方向為軸，以離心力F方反方向為軸，以點為坐標原點，建立如圖3所示的直角坐標系。

對式（1）求解可得

玉米秸稈的受力情況直接影響玉米秸稈的粉碎質量。當撿拾粉碎刀和滑切支撐刀材料確定后，則滑切支撐刀與秸稈之間的摩擦因數和撿拾粉碎刀與秸稈之間的摩擦因數為定值。因此，由式（2）可知，當滑切支撐刀滑切角在[0°，90°]區間內逐漸增大時，滑切支撐刀對玉米秸稈的支持力和撿拾粉碎刀對秸稈的支持力均隨之增大；當撿拾粉碎刀的角速度逐漸增大時，滑切支撐刀對玉米秸稈的支持力和撿拾粉碎刀對秸稈的支持力均隨之增大。相對于滑切支撐刀滑切角，撿拾粉碎刀角速度對撿拾粉碎刀和滑切支撐刀在玉米秸稈上的支持力影響更大。滑切支撐刀對玉米秸稈的支持力和撿拾粉碎刀對秸稈的支持力越大，越有利玉米秸稈粉碎，從而促進提升秸稈粉碎質量。

1.滑切支撐刀 2.撿拾粉碎刀 3.玉米秸稈

1.Slide-cutting supporting blade 2.Chopping and collecting blade 3.Maize stalk

注：為秸稈質量，kg；為重力加速度，9.8 m·s-2；F1為滑切支撐刀對玉米秸稈的支持力，N；1為滑切支撐刀與秸稈之間的摩擦力；F2為撿拾粉碎刀對秸稈的支持力，N；2為撿拾粉碎刀與秸稈之間的摩擦力，N；F為離心力，N；為滑切支撐刀滑切角，(°) );為在砍切玉米秸稈時撿拾粉碎刀與滑切支撐刀之間的夾角，(°) )；ω和ω為角速度，rad·s-1。

Note:is mass of maize stalk, kg;is gravitational acceleration, 9.8 m·s-2;F1is the supporting force form slide-cutting supporting blade to maize stalk, N;1is the the fraction between slide-cutting supporting blade and maize stalk, N;F2is the supporting force form chopping and collecting blade to maize stalk, N;2is the fraction between chopping and collecting blade and maize stalk, N;Fis the centrifugal force, N;is the slide-cutting angle of slide-cutting supporting blade, (°) ;is the angle between chopping and collecting blade and slide-cutting supporting blade when maize stalk is chopped, (°),ωandωare angular velocity, rad·s-1.

圖3 秸稈粉碎過程中受力分析

Fig.3 Stress diagram of maize stalk in chopping process

2.2 撿拾粉碎單元結構設計

撿拾粉碎單元主要包括撿拾粉碎刀、撿拾粉碎刀座和撿拾粉碎刀軸，撿拾粉碎刀座按照雙螺旋排布焊接在撿拾粉碎刀軸上，撿拾粉碎刀通過銷子鉸接在撿拾粉碎刀座上。高速旋轉的撿拾粉碎刀對地表玉米秸稈進行撿拾和粉碎，因此其結構參數直接影響著玉米秸稈的撿拾和粉碎質量。

2.2.1 撿拾粉碎刀結構參數設計

撿拾粉碎刀主要由2把L型甩刀和一把直刀組成（如圖4所示）。L型甩刀和直刀厚度均為5 mm，寬度均為55 mm。L型甩刀和直刀兩端均開有刃口，材料均采用65 Mn，刃口進行淬火處理，以提高刀具使用壽命。研究表明[17-18]，粉碎刀刃角顯著影響粉碎刀切割性能，在粉碎過程中，刃角越小，粉碎刀越鋒利，切割性能就越好，但是刀身越薄，在作業中越容易出現卷刃和缺口。考慮到田間環境復雜，取刃角為20°，且刃口寬度設定為3 mm。L型甩刀折彎角（）和L型甩刀刃口長度（）作為撿拾粉碎刀的重要結構參數，由下文運動分析和田間試驗進行確定。

2.2.2 撿拾粉碎刀對秸稈漏撿面積影響分析

撿拾粉碎刀旋轉對地表秸稈進行撿拾，低的秸稈漏撿率是保證秸稈粉碎質量的關鍵。作業中，撿拾粉碎刀一面旋轉，一面隨粉碎裝置前進，所以其運動軌跡為擺線。理想狀態下，撿拾粉碎刀端點的軌跡曲線與地表相切，如圖5所示，以裝置前進方向為軸，以豎直方向為軸，以撿拾粉碎刀軸旋轉中心為坐標原點建立直角坐標系，陰影部分為秸稈漏撿區域。

1.L型甩刀 2.直刀

1.L-type blade 2.Straight blade

注：是L型甩刀刀柄長度，mm；是L型甩刀刃口長度，mm；是L型甩刀折彎角，(°)。

Note:is the blade handle length of L-type blade, mm;is the cutting edge length of L-type blade, mm;is the cutting edge bend angle of L-type blade, (°).

圖4 撿拾粉碎刀結構示意圖

Fig.4 Structure diagram of chopping and collecting blade

注：O’點為撿拾粉碎刀運動起始位置；RY是撿拾粉碎刀回轉半徑，mm；V是裝置前進速度，m·s-1；h為秸稈漏撿高度，m；d為秸稈漏撿距離，m，虛線為地表位置；陰影區域GEQ為秸稈漏撿區域。

如圖5所示，秸稈漏撿區域面積的大小直接影響著秸稈撿拾效率，從而影響秸稈粉碎質量。通過分析幾何關系得出漏撿高度（）、漏撿距離（）與撿拾粉碎刀角速度、撿拾粉碎刀數量的關系。

式中z為一個圓周內的撿拾粉碎刀數量；n為撿拾粉碎刀轉速，r/min。

如圖5所示，秸稈漏撿區域可近似為三角形，因此，

式中為秸稈漏撿面積，mm2；1為撿拾粉碎刀座回轉半徑，m。

由式（4）可知，當撿拾粉碎刀座回轉半徑（r）、一個圓周內的撿拾粉碎刀數量（z）和裝置前進速度（）一定時，秸稈漏撿面積隨撿拾粉碎刀轉速的增大而減小；隨L型甩刀刃口長度（）的增大而減小；隨L型甩刀折彎角（）增大而增大。秸稈漏撿面積越小，越有利于提升秸稈粉碎合格率；反之則將不利于提高秸稈粉碎合格率，但撿拾粉碎刀轉速對秸稈漏撿面積的影響要大于L型甩刀刃口長度和L型甩刀折彎角對秸稈漏撿面積的影響。根據實際撿拾粉碎刀結構排布和設計，L型甩刀刀刃口長度：30 mm≤≤60 mm；L型甩刀折彎角：20°≤≤60°。

2.3 對輥滑切支撐單元參數設計

對輥滑切支撐單元主要包括滑切支撐刀、支撐刀座和滑切刀軸組成。支撐刀座按照雙螺旋排布焊接滑切刀軸上，滑切支撐刀通過2個螺栓固定在支撐刀座上。

在玉米秸稈粉碎過程中，滑切支撐刀與撿拾粉碎刀形成動態雙支撐，增強秸稈抗彎能力，從而更利于秸稈切斷與粉碎，因此滑切支撐刀的結構參數直接影響著秸稈粉碎質量。由于直線刃刀片在切割秸稈過程中，其靜態滑切角變化幅度較大，切割阻力矩變化較為迅速，功耗大[19-23]。等滑切角式粉碎刀在切割玉米秸稈方面節能效果顯著[24]。根據滑切原理，滑切角應該大于摩擦角，如果滑切角越大，滑切作用越明顯，但滑切角過大，則不便于加工，而且無法起到防纏效果；如果滑切角過小，滑切減阻和秸稈切斷效果不明顯[10]。本文選取對數螺線方程作為滑切支撐刀刃口曲線，這樣可以保證滑切角大于摩擦角，便于控制滑切支撐刀刃口曲線形狀，且便于加工。設滑切支撐刀刃口曲線極坐標方程為

式中為常數，為極角，（°）；為極徑，mm。

對式（10）變形進行積分可以得到

式中為常數。

當=0時，230 mm

滑切支撐刀旋轉前進作業時，其滑切角由靜態滑切角變換為動態滑切角，為使得滑切支撐刀不發生纏草等現象，滑切支撐刀片側刃的動態滑切角應滿足[25]

式中1為秸稈滑切支撐刀片作業時，刀片任意一點的動態滑切角，（°）；為玉米秸稈和滑切支撐刀的摩擦角，（°）。

注：δ是初始角度，（°）；dδ是滑切支撐刀轉動角度，（°）；r是矢徑，mm；r’ 是轉動dδ后的矢徑，mm；τ為滑切支撐刀的滑切角，（°）；AB為滑切支撐刀刃口曲線；D為初始切割點；M為轉動dθ后的切割點；N為dr在r’上的交點；O為坐標原點。

經測量玉米秸稈與鋼板的摩擦角為22°～32°，本文取=30°。由式（8）知，秸稈滑切支撐刀片任意一點的靜態滑切角應小于等于60°。根據滑切原理，滑切角應該大于摩擦角，因此30°<≤60°。

玉米秸稈是一種由維管束、纖維組織、表皮等組成的復合材料，微觀結構成篩狀、多孔、不均勻狀態[26]。秸稈表皮具有較強的抵抗外載荷的能力，其韌性較好，不易切斷[27]，因此，在滑切支撐刀的刀刃上設計成鋸齒形，如圖7所示。

圖7 帶鋸齒的滑切支撐刀結構示意圖

2.4 撿拾粉碎單元與對輥滑切支撐單元匹配設計

撿拾粉碎單元和對輥滑切支撐單元是完成秸稈粉碎的主要部件，因此需要對粉碎裝置轉速以及撿拾粉碎刀和滑切支撐刀排布進行設計，以滿足作業時撿拾粉碎刀和滑切支撐刀對玉米秸稈的動態雙支撐。

2.4.1 粉碎裝置轉速確定

通過理論分析可知，隨著撿拾粉碎刀和滑切支撐刀轉速增大，玉米秸稈受到的支持力增大，秸稈漏撿面積而下降，從而有利于提高玉米秸稈粉碎合格率，但撿拾粉碎刀和滑切支撐刀轉速增大導致還田裝置功耗增大，從而增加作業成本，因此需要合理選擇撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的轉速。

如圖5所示，以點為撿拾粉碎刀運動起始位置，建立撿拾粉碎刀端點的軌跡運動方程。

式中和分別為撿拾粉碎刀端點位置橫坐標與縱坐標。

對式（9）求導可得撿拾粉碎刀端點的速度。

式中V和V分別為撿拾粉碎刀在軸方向和在軸方向的速度分量，m/s。

則撿拾粉碎刀端點的絕對速度為

式中V為撿拾粉碎刀端點絕對速度，m/s。

2.4.2 撿拾粉碎刀與滑切支撐刀排布

本文采用對稱雙螺線排布的方式排布撿拾粉碎刀和滑切支撐刀，能使粉碎刀軸受力均勻，有助于降低粉碎裝置振動，提高裝置作業壽命[28-29]。滑切支撐刀在滑切支撐刀軸上相對于撿拾粉碎刀兩側對稱安裝，從而保證撿拾粉碎刀和滑切支撐刀在粉碎作業時一直處于動態雙支撐狀態（如圖8所示）。根據《農業機械設計手冊》中粉碎刀排列密度要求[22]和異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置作業幅寬（1 008 mm），本文設計的撿拾粉碎刀和滑切支撐直刀數量各為10組。在徑向上有2把撿拾粉碎刀和4把滑切支撐刀，因此撿拾粉碎刀數量和滑切支撐刀數量分別為20把和40把。撿拾粉碎刀和滑切支撐刀螺旋線排列展開如圖8所示。

異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置作業幅寬為1 008 mm，軸向上撿拾粉碎刀數量為10組，因此2把撿拾粉碎刀軸向間距為100 mm。為了滑切支撐刀和撿拾粉碎刀在作業時不發生干涉，2把相鄰的滑切支撐刀軸向間距分別為85 mm和15 mm，滑切支撐刀與撿拾粉碎刀在軸向最小間距為10 mm。如果滑切支撐刀與撿拾粉碎刀上下重合距離過大，則會降低滑切刀和滑切支撐刀接觸玉米秸稈的線速度，從而影響玉米秸稈粉碎質量；如果滑切支撐刀與撿拾粉碎刀上下重合距離過小，則如果滑切支撐刀與撿拾粉碎刀無法對玉米秸稈形成動態支撐，從而影響粉碎質量，考慮玉米秸稈平均直徑為（16.14±4.05）mm[30]，滑切支撐刀與撿拾粉碎刀上下重合距離設定為為20 mm（圖9）。為防止撿拾粉碎刀在高速旋轉因入土而對撿拾粉碎刀軸產生沖擊，設定撿拾粉碎刀離地間隙為30 mm。

注：圓點為撿拾粉碎刀安裝位置，方框為滑切支撐刀安裝位置。

圖9 粉碎裝置配合示意圖

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2019年11月在中國農業大學涿州科技園區保護性耕作試驗田進行田間試驗（如圖10所示）。玉米品種為五谷631，玉米秸稈量為1.31 kg/m2，秸稈直徑分布在11.2～24.8 mm之間，秸稈平均高度為2 210 mm，秸稈平均含水率為32.6%。主要儀器設備有：鐵牛754拖拉機，異速對輥式秸稈粉碎裝置、威衡帶鉤電子秤（精度：5 g）、1 m2方框等。

3.2 試驗方法及結果

經過上文理論分析以及實際作業工況，選取L型甩刀刃口長度、L型甩刀折彎角、滑切支撐刀滑切角和撿拾粉碎刀轉速為試驗因素。選取以玉米秸稈粉碎合格率（1）為試驗指標，采用Box-Behnken試驗設計方法，進行田間試驗，研究L型甩刀刃口長度、L型甩刀折彎角、滑切支撐刀滑切角和撿拾粉碎刀轉速對玉米秸稈粉碎率的影響規律。其中，為保證秸稈能夠充分被撿拾，L型甩刀刃口長度的試驗因素水平選取為30、45和60 mm，L型甩刀折彎角的試驗因素水平選取為20°、40°和60°；為保證滑切支撐刀的防纏效果和滑切作用，滑切支撐刀滑切角的試驗因素水平選取為30°、45°和60°；為保證秸稈能充分粉碎，同時降低作業能耗，撿拾粉碎刀轉速的試驗因素水平選取為1 200、1 600和2 000 r/min。

圖10 田間試驗

根據GB/T24675.6—2009《保護性耕作機械秸稈粉碎還田機》進行田間試驗。拖拉機前進速度保持在1 m/s，每次測試行程為20 m。在每個試驗行程中，隨機選取3個測試點（1 m×1 m）進行測試，收集測試點中的所有秸稈，剔除粉碎長度不合格的玉米秸稈（長度大于100 mm），并稱質量、計算每個點秸稈粉碎合格率，對3個測試點的秸稈粉碎合格率求平均值。

式中為秸稈粉碎合格率，%；m為測試點內長度大于100 mm玉米秸稈的質量，kg；m為測試點內玉米秸稈的總質量，kg。

通過田間試驗對影響試驗指標的因素進行顯著性分析，根據實際需求及前文中的參考范圍，對各參數組合進行優化，最終獲得較優的參數組合。試驗因素編碼表如表1所示，試驗方案及試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素編碼表

3.3 結果分析與回歸模型建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到了以秸稈粉碎合格率1為試驗指標的回歸方程，并檢驗其顯著性。

表2 試驗方案與結果

通過對試驗數據的分析和擬合，秸稈粉碎合格率1方差分析如表3所示。影響試驗指標秸稈粉碎合格率1的主次因素依次是撿拾粉碎刀轉速、L型甩刀折彎角、L型甩刀刃口長度、滑切支撐刀滑切角。撿拾粉碎刀轉速在[1 200,2 000] r/min之間，秸稈粉碎合格率呈上升趨勢，但秸稈粉碎合格率在[1 200, 1 600] r/min的增長率要大于秸稈粉碎合格率[1 600, 2 000] r/min的增長率；L型甩刀折彎角在[20°,45°]時，秸稈粉碎率呈增長趨勢，在[45°,60°]時，秸稈粉碎率呈下降趨勢；L型甩刀刃口長度在[30°,45°]時，秸稈粉碎合格率呈上升趨勢，在[45°,60°]時，秸稈粉碎率呈下降趨勢；滑切支撐刀滑切角在[30°,60°]時，秸稈粉碎合格率呈上升趨勢，但滑切支撐刀滑切角在[30°,50°]時的秸稈粉碎合格率增長率要大于滑切支撐刀滑切角在[50°,60°] 時的秸稈粉碎合格率增長率。滑切支撐刀滑切角、撿拾粉碎刀轉速、L型甩刀刃口長度、L型甩刀折彎角、L型甩刀刃口長度與L型甩刀折彎角的交互項、滑切支撐刀滑切角的二次項2、撿拾粉碎刀轉速的二次項2、L型甩刀刃口長度的二次項2、L型甩刀折彎角的二次項2對秸稈粉碎合格率1存在極其顯著的影響（<0.01），撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀刃口長度的交互項、撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀折彎角的交互項對秸稈粉碎合格率1存在顯著影響（0.01<<0.05），其余因素對秸稈粉碎合格率1影響不顯著。將不顯著的交互作用項的回歸平方及其自由度并入殘差項，再次進行方差分析，結果如表3所示。得到各因素對秸稈粉碎合格率1影響的回歸方程。

對上述回歸方程進行失擬性檢驗（如表3所示），=0.280 4>0.1，不顯著，證明不存在其他影響指標的主要因素存在，試驗指標與試驗因素存在顯著的二次型關系，方差分析結果準確。

表3 秸稈粉碎合格率方差分析

注：“/”后數值為剔除不顯著因素秸稈粉碎合格率1方差分析結果；***表示極顯著（<0.01）；**表示顯著（<0.05）。

Note: The number after “/” is the variance analysis results of stalk chopping pass rate after removing the insignificant factors; *** is the very significant (<0.01); ** is the significant (<0.05).

3.4 秸稈粉碎合格率雙因素交互作用分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行處理，分析撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀刃口長度的交互作用、撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀折彎角的交互作用、L型甩刀刃口長度和L型甩刀折彎角的交互作用對秸稈粉碎合格率1影響，如圖11所示。

圖11 秸稈粉碎合格率雙因素交互作用分析

當滑切支撐刀滑切角為45°，L型甩刀折彎角為40°時，撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀刃口長度對秸稈粉碎合格率的影響如圖10a所示。當撿拾粉碎刀轉速一定時，秸稈粉碎合格率與L型甩刀刃口長度呈正相關，這是因為當L型甩刀刃口長度變大時，撿拾粉碎刀端點的線速度隨之增大，秸稈漏撿面積隨之降低，從而有利于提高秸稈粉碎合格率，其較優的刃口長度為35～55 mm。當L型甩刀刃口長度一定時，秸稈粉碎合格率與撿拾粉碎刀轉速呈正相關，這是因為隨著撿拾粉碎刀轉速增大，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀施加在玉米秸稈上的能量越大，秸稈漏撿面積越小，從而越有利于提高秸稈粉碎合格率，其較優撿拾粉碎刀轉速為1 300～1 900 r/min。相對于L型甩刀刃口長度，撿拾粉碎刀轉速是對秸稈粉碎合格率影響最為關鍵的因素。

當滑切支撐刀滑切角為45°，L型甩刀折彎角為40°時，撿拾粉碎刀轉速和L型甩刀折彎角對秸稈粉碎合格率的影響如圖10b所示。當L型甩刀折彎角一定時，秸稈粉碎合格率與撿拾粉碎刀轉速呈正相關，這是因為撿拾粉碎刀轉速增大，撿拾粉碎刀刀端線速度增大，秸稈漏撿面積下降，從而提高了玉米秸稈粉碎合格率，其較優撿拾粉碎刀轉速為1 400～1 900 r/min。當撿拾粉碎刀轉速一定時，秸稈粉碎合格率與L型甩刀折彎角呈正相關，但秸稈粉碎合格率的增長速率逐漸降低，這是因為隨著L型甩刀折彎角逐漸增大，秸稈漏撿面積增大，從而使得秸稈粉碎合格率的增長速率逐漸降低其較優的L型甩刀折彎角為25～55°。

當滑切支撐刀滑切角為45°，撿拾粉碎刀轉速為1 600 r/min時，L型甩刀刃口長度和L型甩刀折彎角對秸稈粉碎合格率的影響如圖10c所示。當Ｌ型甩刀刃口長度一定時，秸稈粉碎合格率與Ｌ型甩刀折彎角呈正相關，但秸稈粉碎合格率的增長速率逐漸降低，這是因為當Ｌ型甩刀刃口長度一定時，隨著L型甩刀折彎角增大，撿拾粉碎刀端點線速度降低，秸稈漏撿面積增大，不利于秸稈粉碎率的增大，從而使得秸稈粉碎合格率的增長速率逐漸降低，其較優的L型甩刀折彎角為30°～50°。當L型甩刀折彎角一定時，秸稈粉碎合格率與Ｌ型甩刀刃口長度呈正相關，當Ｌ型甩刀折彎角一定時，隨著L型甩刀刃口長度的增大，有利于Ｙ型組合刀撿拾范圍的增大，秸稈漏撿面積下降，撿拾粉碎刀線速度增大，從而有利于提高玉米秸稈粉碎合格率，其較優的刃口長度為40～52 mm。

通過對秸稈粉碎合格率雙因素交互作用分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優化模塊對秸稈粉碎合格率的回歸方程進行求解，根據秸稈粉碎還田機的實際工作條件、作業要求以及上文的理論分析，對優化的約束條件進行選擇。

目標函數

對方程（15）進行優化求解，可以得到多種參數優化組合。考慮到實際作業情況，在多組優化參數中選取較優參數組合：滑切支撐刀滑切角為41°～57.64°、撿拾粉碎刀轉速為1 657.37～1 889.97 r/min、L型甩刀刃口長度為41.7～51.71 mm、L型甩刀折彎角為36.55°～49.08°，其相應的秸稈粉碎合格率為93.74%～94.47%。

3.5 模型驗證

為驗證優化結果的可靠性，選取滑切支撐刀滑切角為45°、撿拾粉碎刀轉速為1 700 r/min，L型甩刀刃口長度為45 mm，L型甩刀折彎角為40°，其秸稈粉碎合格率預測值為93.96%。田間試驗（圖12）表明，在相同參數條件下，秸稈粉碎效率為92.58%，誤差小于5%，與優化結果基本一致。驗證試驗表明相關優化組合合理，按照優化參數條件后的秸稈粉碎還田機的秸稈粉碎效果滿足作業標準。

圖12 作業效果

4 結 論

1）為提高秸稈粉碎裝置粉碎線速度，設計了一種異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置，撿拾粉碎刀和滑切支撐刀同向轉動，實現了對玉米秸稈的動態雙支撐粉碎；設計了一種帶鋸齒等滑切角的滑切支撐刀，并對撿拾粉碎刀進行了參數優化。

2）通過對玉米秸稈粉碎過程受力分析和撿拾粉碎刀結構參數對秸稈漏撿面積影響分析得出：當撿拾粉碎刀軸半徑、撿拾粉碎刀數量和裝置前進速度一定時，L型甩刀刃口長度、L型甩刀折彎角、撿拾粉碎刀轉速和滑切支撐刀滑切角對秸稈粉碎合格率有影響，并確定了撿拾粉碎刀和滑切支撐刀的轉速范圍。

3）根據實際作業條件和要求對裝置結構參數范圍進行選取，以秸稈粉碎合格率為試驗指標，通過對秸稈粉碎合格率雙因素交互作用分析和對目標函數進行優化求解，最終確定了較優結構參數，在地表秸稈量為4 300 kg/hm2、秸稈含水率為32.6%的條件下，滑切支撐刀滑切角為45°、撿拾粉碎刀轉速為1 700 r/min，L型甩刀刃口長度為45 mm，L型甩刀折彎角為40°時，作業后秸稈粉碎合格率為92.58%，與預測值誤差小于5%，指標滿足相關標準規定。

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Design and experiment of double rollers maize stalk chopping device with different rotation speeds

Liu Peng1, He Jin1※, Li Yanjie2, Li Hongwen1, Wang Qingjie1, Lu Caiyun1, Zhang Zhenguo1,3, Li Shaohua4

(1.,,100083,; 2.,,100083,; 3.,,830052,; 4..,.,024200,)

A large amount of maize stalks are produced each year, due to the maize is serving as one of the main grain crop in China. Maize straw retention to the field after chopped is widely used in most disposal approaches. However, the currently used single shaft maize stalk chopping and retention machine can not meet the quality requirements of stalk chopping, such as too long maize stalk after chopping, and the low chopping pass rate of maize stalk, particularly when the amount of maize stalk was large, while the scarf skin of maize stalk was toughness. The shortcoming of maize stalk chopping directly determines the next seeding production, seed germination, and final crop yield. This paper aims to propose a novel chopping method, and thereby to design a double rollers type stalk chopping and retention device with different rotation speed and dynamic double support. The device mainly included the shell, supporting plate, suspension device, gearbox, transmission, chopping and collecting blade, shaft of chopping, collecting blade, blade shaft of slide-cutting supporting blade, and slide-cutting supporting blade. In operation, the chopping and collecting blade with anticlockwise rotation, firstly collected and chopped maize stalk in the field; then the maize stalk was chopped in dynamic support of side-cutting supporting blade with same rotation direction of chopping and collecting blade. A mechanical analysis of maize stalk was conducted under the effect of chopping and collecting blade, as well the slide-cutting supporting blade. The results showed that the rotation speed of chopping and collecting blade, and the slide-cutting angle of slide-cutting supporting blade were the main factors to affect the stalk chopping process. Furthermore, a motion analysis of chopping and collecting blade was carried out, including two L-type blades and a straight blade. The results revealed that the bend angle and length along the cutting-edge of L-type blade, and the rotation speed of chopping and collecting blade, were the main factors to affect the unpicking rate of maize stalk, and chopping pass rate, when the number of chopping and collecting blade and operation speed of device were fixed. In the slide-cutting supporting blade, the cutting-edge curvilinear equation was in the form of the logarithmic spiral equation. Moreover, the range of slide-cutting angle was 30o-60o, due to the slide-cutting angle can be more than frictional angle between maize stalk and slide-cutting supporting blade, according to slide-cutting principle. Importantly, the cutting edge of slide-cutting supporting blade with sawtooth was designed to increase the fraction of maize stalk and slide-cutting supporting blade. Prior to accurately coordinating between chopping and collecting blade, and side-cutting supporting blade, the rotating speed range of chopping and collecting blade was determined as 1 150 -2 500 r/min, to ensure the high stalk chopping pass rate. The rotation speed of slide-cutting supporting blade was one half that of chopping and collecting blade, to guarantee the speed of backward spread of chopped maize stalk. Simultaneously, the chopping and collecting blade, and side-cutting supporting blade, both were double helix arrangement to reduce machinery vibration, while increase machinery life. One device was installed 20 chopping and collecting blades, and 40 slide-cutting supporting blades. A quadratic rotation orthogonal combination test was used in the field research, to obtain the optimal structure parameters, where the chopping pass rate of maize stalk was set as test index. Some test factors were selected, including the cutting-edge bend angle of L-type blade (20o ≤≤60o), and cutting-edge length of L-type blade (30 mm ≤≤60 mm), rotation speed of chopping and collecting blade (1200 r/min≤n≤2 000 r/min), and slide-cutting angle of slide-cutting supporting blade (30°≤≤60°). The Design-Expert 8.0.6 software was applied to analyze the double factors interaction on stalk chopping pass rate, thereby to obtain the regression model between test factors and index. The primary and secondary factors that affect the maize stalk chopping pass rate were the rotation speed of chopping and collecting blade, the length of cutting-edge bend angle, the cutting-edge length of L-type blade, and the slide-cutting angle. In multiple objective optimization, the optimum ranges can be achieved, including the cutting-edge bend angle of L-type blade (41o≤≤57.64o), the cutting-edge length of L-type blade (41.7 mm≤≤51.71 mm), the rotation speed of chopping and collecting blade (1 657.37 r/min≤n≤1 889.97 r/min), and slide-cutting angle of slide-cutting supporting blade (36.55o≤≤49.08o). In the field test, the rotation speed of chopping and collecting blade, the length of cutting-edge bend angle, and cutting-edge length of L-type blade, and slide-cutting angle were set as 1700 r/min, 40o, 45mm, and 45o, respectively. The field test results demonstrated that the maize stalk chopping pass rate was 92.58% under the optimal working parameters, while the error with the predictive value (93.96%) was less than 5%, indicating the reliable optimization of parameters. The finding can offer a sound reference to improve the chopping quality of maize stalk in the chopping and retention machine.

agricultural machine; speed; stalk chopping pass rate; stalk chopping; different rotation speed; dynamic support

劉鵬，何進，李艷潔，等. 異速對輥式玉米秸稈粉碎還田裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：69-79.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.009 http://www.tcsae.org

Liu Peng, He Jin, Li Yanjie, et al. Design and experiment of double rollers maize stalk chopping device with different rotation speeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 69-79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.009 http://www.tcsae.org

2020-01-08

2020-03-07

國家自然基金項目（31971803）

劉鵬，博士生，主要從事現代農業裝備與計算機測控技術研究。Email：liupeng_ctrc@cau.edu.cn

何進，教授，博士生導師，主要從事現代農業裝備與計算機測控技術研究。Email：hejin@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.009

S244.29

A

1002-6819(2020)-14-0069-11