正反轉倒U型甩刀香蕉莖稈粉碎還田機的設計與試驗

歐忠慶,張 園,劉智強,鄧怡國,王業勤,韋麗嬌,陳沛民,燕 波

(中國熱帶農業科學院 農業機械研究所,廣東 湛江 524091)

0 引言

我國是世界香蕉第四大生產國[1],2017年全國收獲面積33萬hm2[2],香蕉產業是我國南亞熱帶地區的農業支柱產業[3]。一般蕉樹每2年更新一次[4],按每年淘汰30%計,則全國每年需要處理蕉莖9.9萬hm2,目前多數以人工或挖掘機搬運到田間地頭丟棄,處理效率低,成本高,既污染環境又占用耕地[5-7],因此機械化還田呼聲較為強烈,但現有技術不夠成熟[8]。機械還田的主要機型按刀具與刀軸連接方式,分為鉸接方式(甩刀式)和固定連接式,前者刀具鉸接于銷軸,銷軸套裝于刀軸,刀具可有效避讓石頭等硬物,減少了功耗和避免了損壞機具[9]。

按刀軸布置位置又分為臥式和立式。臥式如1XHJ系列香蕉假莖還田機[10],甩刀數量多,密度大,蕉莖粉碎徹底,粉碎效果好,但短時間作業正常,作業時間一長則又長又韌的蕉莖就不斷纏繞機具[11],導致作業能耗大和效率低,甚至損壞機具。立式機型甩刀數量少,密度小,決定其粉碎率較低[12-14],粉碎不徹底,其刀具旋轉平面與地面平行,在不平整地面作業時,易切到泥土,功耗大[10]。例如,甘聲豹[2]等研制的喂入式立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機,刀具(彎刀、直刀、刀盤和螺旋片等)與刀軸固定剛性連接,一種在拖拉機牽引下移動作業(如重型圓盤耙),但切碎效果差,處理周期長,蕉莖易纏繞主軸[10];另一種刀具依靠動力高速旋轉作業,極易碰撞干硬泥土、石頭、防風用殘留的木棒或竹桿等硬物而損壞,甚至損壞拖拉機,并不適合我國南方土壤質地粘重、干硬且石頭等硬物較多的耕作條件作業,如黃其新[15]開發的旋刀式香蕉滅茬還田機、朱德榮[16]等設計的新型香蕉秸稈還田機和莫建德[17]等研制的香蕉秸稈還田機等。

綜上所述,臥軸甩刀機型安全性、適應性和粉碎效果最好,關鍵是解決蕉莖纏繞問題[11]。為此,一些單位開展了研究,但收效甚微。何峰[18]等公開了一種帶有刃口的甩刀的蕉桿粉碎還田機,在甩刀切割部位開設刃口,以切斷香蕉絲防止纏繞主軸,但蕉莖可繞開甩刀直接纏繞于主軸。黃嚴[19-20]等公開了一種農作物秸粉碎機,滾筒設置半圓形鋸齒刀片,以切斷蕉莖防纏繞,但半圓形鋸齒刀片被蕉莖纏繞后,不會主動切割蕉莖,而是依靠蕉莖本身在高速旋轉中收緊,擠壓半圓形鋸齒刀片,蕉莖難于切斷離開滾筒,易纏繞滾筒。為此,設計了一種倒U型甩刀及一種刀輥可正反轉的香蕉秸稈粉碎還田機,以期破解刀輥纏繞問題。

1 整機技術方案

香蕉秸稈和菠蘿葉都含有柔韌性極強的纖維,尤其菠蘿葉纖維柔韌性更強。臥式甩刀秸稈粉碎還田機處理香蕉秸稈和菠蘿葉時,香蕉秸稈極易纏繞機具,菠蘿葉卻從不出現纏繞現象。香蕉秸稈長達2～3m,甚至3～4m,而菠蘿葉長度一般不超過1m。分析發現:菠蘿葉長度短,即使打不斷也被打飛,不會纏繞機具;而香蕉秸稈長度長,如打不斷將被其未進入還田機的另一端拉住,不能離開還田機,跟隨氣流旋轉就極易纏繞在刀輥上。可見,蕉莖長度長是引起纏繞的一個主要因素。為此,從解決蕉莖長度入手,采用刀輥可正反轉的結構,以及刀輥先正轉作業1次、再反轉作業1次的工藝流程作業(正轉指與拖拉機前行時的車輪轉向相同,反轉指與拖拉機前行時的車輪轉向相反,以下同)。刀輥正轉作業時,將蕉莖打爛切短,并直接拋出機外,雖粉碎效果差,但蕉莖不跨過刀輥無法纏繞刀輥;刀輥反轉作業時,將預處理過長度已短的碎蕉莖從地面抓起,送入粉碎室再次粉碎,因預處理過的蕉莖長度較短,即使跨過刀輥也無法纏繞刀輥,從而從根本上解決了纏繞難題。

2 整機結構與技術參數

2.1 整機結構

正反轉倒U型甩刀香蕉秸稈粉碎還田機為拖拉機后置懸掛式,主要由機架、傳動系統、粉碎機構和地輪行走裝置組成,如圖1所示。

整機通過三點懸掛機構與拖拉機連接,近地面兩個連接點通過銷軸鉸接方式連接,最高處連接點通過鐵鏈兩端的銷軸分別與拖拉機和機具連接,作用是地輪行走中被突然抬高,機具可環繞近地面兩個連接點連線擺動,從而避免機架損壞;同時,機具隨著地形上下浮動,控制甩刀離地面的最低距離,使機具在工作時保證了留茬高度。

作業時,拖拉機向前行駛,將香蕉樹推倒,其動力輸出軸通過機具動力輸入軸、變速箱和V帶輪傳動組件,驅動刀輥先正轉作業1次、再反轉作業1次,將香蕉秸稈粉碎成絲狀碎渣,最后拋灑還田,完成整個還田作業過程。

2.2 技術參數

正反轉倒U型甩刀香蕉秸稈粉碎還田機主要技術參數如表1所示。

表1 香蕉秸稈粉碎機主要技術參數Table 1 Main technical parameters for Banana Stalks machine

3 主要工作部件設計與分析

3.1 傳動系統的設計

動力從變速箱輸入軸輸入后,經錐齒輪驅動兩根輸出軸分別正轉和反轉。刀輥兩端均設有V帶輪,若需要正轉,則在正轉輸出軸與刀輥之間安裝V帶,此時反轉輸出軸與刀輥之間不安裝V帶;若需要反轉,則在反轉輸出軸與刀輥之間安裝V帶。同理,此時正轉輸出軸與刀輥之間不安裝V帶,如圖2所示。

1.輸入軸 2.正轉輸出軸 3.組合倒U型甩刀 4.反轉輸出軸圖2 傳動方案結構圖Fig.2 Schematic diagram ofTransmission scheme

3.2 組合倒U型甩刀設計

直刀型甩刀外形筆直,不易掛住秸稈,防纏繞性能好,但切割覆蓋面窄,粉碎面積小,易漏割;L型及其改進型和Y型甩刀切割覆蓋面寬,粉碎面積大,不漏割,但彎折段易掛住秸稈,易纏繞刀輥。為此,將兩把L改進型甩刀兩兩一組,面對面組合貼在一起,外形似倒U形,且刀頭端寬度最小,呈錐形,其寬度比刀身平段寬度小1～2cm,以方便秸稈沿兩刀刀刃滑脫離開。

3.3 甩刀及刀座排列方式

為了防止漏割和甩刀發生碰撞,相鄰兩組甩刀沿刀軸軸向重合0～2mm,徑向夾角為180°,甩刀按刀輥軸向對稱排列,如圖3所示。每把L改進型甩刀質心位于彎曲這側,離心力將使其向刀背一側翻轉,即同組兩把甩刀翻轉方向相反。為減小其刀端間隙,防止漏割和蕉莖進入兩甩刀之間纏繞刀軸,甩刀與其兩側刀座的間隙及甩刀與銷軸之間的間隙均較小,為0.2～0.5mm。

圖3 甩刀及刀座排列圖Fig.3 Sickle and knife arrangement diagram

3.4 粉碎室的設計

粉碎室內設置定刀,雖能增強粉碎效果,但定刀易阻礙秸稈離開,秸稈易纏繞刀輥。為此,粉碎室不設置定刀,其入口段蓋板設計為圓弧形,與刀輥旋轉圓弧相對應,與處于徑向射線位置時的甩刀間隙較小,以增強入口處負壓,將秸稈吸入粉碎室。粉碎室中段設計為直線形,處于徑向射線位置時的甩刀與其正上方蓋板之間的間隙較大,達20～30cm,以利于秸稈在離心力作用下快速脫離甩刀拋向蓋板,被蓋板阻擋后下落,又被后續甩刀重新粉碎,以增加粉碎效果。粉碎室出口處采用敞開式結構,在刀輥正轉作業時,可減小出口處負壓,防止秸稈反向吸入粉碎室而纏繞刀輥;在刀輥反轉作業時,也有利于秸稈拋出離開,防止纏繞刀輥。

3.5 地輪行走裝置的設計

地輪行走裝置沒有驅動系統,在拖拉機牽引下移動。由地輪和地輪支架組成。地輪支架一端焊接于機架外兩側,另一端通過軸承安裝地輪,并伸入刀輥工作幅寬范圍內,以防止地輪作業行走中輾壓未粉碎的蕉莖而被突然抬高,導致抬高甩刀出現漏割現象。

3.6 擋渣裝置的設計

鐵鏈擋渣裝置由鋼筋及若干條鐵鏈組成,鋼筋橫向焊接于地輪支架上,若干條鐵鏈一端焊接于鋼筋上,另一端依靠自重下垂,以阻擋粉碎物飛濺傷人。鐵鏈的優點是透氣性能好,刀輥正轉作業時可減小出口處負壓,防止秸稈反向吸入粉碎室纏繞刀輥。

4 田間試驗與結果

4.1 試驗條件

田間性能試驗在廣東省徐聞縣和安鎮下尾仔村進行,機具工作幅寬1.08m,試驗配套東方紅LX904拖拉機作動力,功率66.2kW。香蕉品種為“廣東香蕉2號”,種植行距1860mm,株距1740mm,植株假莖高2250～2850mm,干枯莖桿和葉片較多,秸稈含水率92.2%,每公頃植株數量3000株,產量為121t/hm2。

4.2 試驗方法及指標

試驗前,調查試驗地特征和測定香蕉秸稈特性,試驗時機器按正常工作狀態作業,并按照以下方法檢測。

4.2.1 香蕉秸稈產量

在試驗地對角線上取樣5點,對每點選擇1顆植株,并將其莖桿和葉片全部砍下,稱其質重,求出5點平均值,并計算每公頃的產量。

香蕉秸稈每公頃產量為

W=N×G

(1)

式中W—香蕉秸稈產量(kg/hm2);

N—每公頃植株數量(顆);

G—香蕉秸稈的平均質量(kg)。

4.2.2 香蕉秸稈粉碎率

在試驗地對角線上取樣5點,每點取1 m×1m,挖掘、揀拾出每點所有莖桿、葉片和纖維,稱其質量,從中揀出粉碎長度≥200mm的莖稈、葉片和纖維,并稱其質量,計算每點秸稈粉碎率及平均值。

每點粉碎率為

Fni=(Mzi-Mbi)/Mzi×100%

(2)

式中Fni—i測點秸稈粉碎率;

Mzi—測點秸稈總質量(kg);

Mbi—測點中粉碎長度≥200mm的秸稈質量(kg);

F—秸稈粉碎率。

4.2.3 生產率測定

在正常作業條件下測定1h左右(時間精確到s),測定3次,取平均值,則

E=Q/T

(3)

式中E—生產率(hm2/h);

Q—作業面積(hm2);

T—工作時間(h)。

4.2.4 單位面積燃油消耗量測定

在測定生產率的同時,測定其燃油消耗量,測定3次,取平均值,即

F=A/Q

(4)

式中F—單位面積燃油消耗量(kg/hm2);

A—工作時間內燃油消耗量()。

4.2.5 作業速度測定

在往返行程內進行測定,測定3次,取平均值。

4.3 試驗結果與分析

采用刀輥先正轉作業1次、再反轉作業1次的工藝流程作業,香蕉秸稈粉碎成絲狀碎渣,并有部分與泥土混合在一起,沒有殘留塊狀蕉莖,作業后地面平整,如圖4所示。根據上述試驗方法,測定了機具的性能參數,結果如表2所示。

表2 主要測試指標結果Table 2 The main indicators of the test results

圖4 香蕉莖稈粉碎還田機作業效果圖Fig.4 Banana stalk crushing and returning machine operation effect diagram

試驗結果表明:整個作業過程沒有出現蕉莖纏繞機具現象,機器作業性能穩定,作業負荷較輕,尤其是刀輥正轉作業時拖拉機可以以較高速度行駛作業;與現有的 1XHJ系列香蕉假莖還田機[10]相比,工作效率提高了70%,單位面積耗油量節省29%。但是在土壤粘性大、水分多的蕉園,地輪易粘附泥土,泥土又不斷掉落,造成地輪高度變化,降低其仿地形行走能力,因此應研究地輪外形結構,提高防粘土能力。

5 結論

1)正反轉倒U型甩刀香蕉秸稈粉碎還田機從解決蕉莖長度入手,采用甩刀可正反轉作業的結構,以及甩刀先正轉作業1次將蕉莖打爛切短、再反轉作業1次的工藝流程作業,破解了纏繞難題,實現了減輕作業能耗、提高作業效率和避免損壞機具的目的,且二次粉碎對新鮮大型香蕉品種(如粉蕉)更有技術優勢。

2)該機配套拖拉機動力58.8～66.2kW,工作幅寬1.08m,生產率1.7 hm2/h,香蕉秸稈粉碎率93.1%,作業后土地可立即翻耕播種,機具應用前景廣闊。