自解捆式果園秸稈覆蓋機設計與試驗

朱新華 趙 偉 伏勝康 高向瑜 魏玉強

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.濰柴動力股份有限公司應用工程中心， 濰坊 261061)

0 引言

果園秸稈覆蓋具有保墑[1-3]、土壤增碳[4-5]、抑制雜草[6-7]、防止水土流失[8-9]和土壤次生鹽漬化[10]等效果，特別適于旱區果園土壤管理[11-13]。該技術集地力提升與農業廢棄物生態化利用于一體，自20世紀50年代開始被廣泛研究，但鮮見規模化應用。主要原因是人工作業成本高[14]，且存在火災隱患[15]。該技術實現機械化的難點在于：農作物秸稈松散質輕、體量大與果園狹小空間限制之間的矛盾導致作業機械裝載量過小，以及難以避免秸稈覆蓋帶來的火災隱患。針對這些難點，筆者提出了一種果園秸稈機械化分層覆蓋技術并設計了果園秸稈覆蓋機[16-17]。第一代覆蓋機實現了果園秸稈覆蓋機械化，但只能適應松散秸稈，且覆土裝置容易被碎石卡死。盡管其料箱容積達7 m3，但松散小麥秸稈的裝載量僅0.4 t左右，相對于1.5～3.0 kg/m2的秸稈覆蓋量要求[16]，該裝載量過小，成為制約覆蓋機作業效率的瓶頸。

近年來，農作物秸稈普遍以秸稈打捆的形式進行儲運。果園秸稈覆蓋時，若按照先解捆破碎再裝車鋪料覆蓋兩段式進行，則既增加了工藝過程也無助于提升作業效率。理想的方式是覆蓋機一體化完成果園內秸稈解捆鋪料和薄土蓋壓。因此，研究與覆蓋機配套的車載式解捆鋪料裝置和覆土裝置是完善果園秸稈機械化覆蓋技術，提升覆蓋機作業效率的關鍵。當前，關于秸稈解捆技術和裝置的文獻報道較少，主要集中于飼養場牧草破捆解包裝置[18]。這類裝置一般采用齒輥組結構，其外形尺寸大，解捆排料不連續[19-20]，且軸輥上容易纏草。果園秸稈覆蓋機要求解捆鋪料裝置出料量必須均勻穩定且靈活可調[21]。因此，現有的破捆裝置均不滿足要求。現有的覆土裝置主要應用于播種、施肥、覆膜和葡萄埋藤等作業過程中對小范圍區域進行覆土[22]，其覆土幅寬較小且覆土厚度不均勻，不適于秸稈覆蓋層的薄土蓋壓。

針對上述問題，本文設計一種自解捆式果園秸稈覆蓋機，通過理論分析確定關鍵部件的主要參數，并通過性能試驗對自解捆式果園秸稈覆蓋機的作業效果加以驗證。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

自解捆式果園秸稈覆蓋機總體結構如圖1所示。主要由履帶底盤、料箱、解捆鋪料裝置、覆土裝置等組成。其中，料箱底部設置有刮板送料機構。解捆鋪料裝置為齒帶式結構，安裝于料箱的后部，其底部與刮板送料機構的末端構成出料口。解捆鋪料裝置的齒帶上通過刀座固定有多排撥料刀齒，相鄰刀座上的撥料刀齒在裝置寬度方向上交錯分布。覆土裝置通過平行四桿機構和鋼繩掛接于料箱的后下方，由液壓缸拉動鋼繩控制升降。覆土裝置兩側安裝有兩個相向旋轉、前后交錯的拋土輪，其固定于伸縮機構的伸縮架上，伸縮架與液壓缸的伸出端鉸接。

1.2 工作原理

如圖2所示，作業時覆蓋機以一定速度行駛，位于覆蓋機料箱底部的刮板送料機構將秸稈捆向解捆鋪料裝置推送。解捆鋪料裝置接觸秸稈捆后，齒帶上的撥料刀齒割斷捆繩，對秸稈梳刷、破碎，形成松散秸稈。刀齒撥帶秸稈經勻料梳齒進一步破碎、勻料后沿其末端拋出，鋪撒于覆土裝置秸稈落料區的地表，形成秸稈覆蓋層。同時，前后交錯布置的兩個拋土輪就地切土、取土，將碎土顆粒相向拋撒，在秸稈覆蓋層上方蓋壓一層薄土。解捆鋪料裝置齒帶、覆土裝置拋土輪由液壓馬達驅動。秸稈覆蓋層的厚度可通過控制覆蓋機車速vc、解捆鋪料裝置齒帶轉速n1等參數來調整。拋土輪間距由液壓缸調整，薄土蓋壓層厚度由限深輪調整。秸稈覆蓋最大寬度與覆土裝置的秸稈落料區等寬。覆土寬度由拋土輪間距決定。作業時，薄土蓋壓寬度略大于秸稈覆蓋層寬度。

1.3 主要技術參數

自解捆式果園秸稈覆蓋機的主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 解捆鋪料裝置設計

解捆鋪料裝置安裝在覆蓋機料箱后部，主要由齒帶、主從動軸輥、支撐架、張緊裝置等組成(圖3)。解捆鋪料裝置由液壓馬達驅動，其主要作用為對秸稈捆進行解捆并將破捆后的松散秸稈拋撒覆蓋于果樹行間。

2.1.1解捆鋪料裝置高度

解捆鋪料裝置應適應不同捆型和尺寸的秸稈捆。當裝置的高度過小時，會影響尺寸較大的秸稈捆抓料解捆。由圖4可知，當解捆鋪料裝置的高度H小于單個秸稈捆的高度時，裝置上部整排撥料刀齒和齒帶會對秸稈捆產生作用力FD、fC，其包含與前進方向相反的分力FDx、fCx，不利于秸稈捆的喂入，導致下料不均勻、不連續。因此，解捆鋪料裝置的高度H由

(1)

及L′=H-D得

(2)

式中L′——解捆鋪料裝置主、從動軸輥中心距，m

δ——解捆鋪料裝置傾角，(°)

ε——出料口間隙，m

hk——單個秸稈捆高度，m

D——軸輥直徑，m

單個秸稈捆高度hk取值范圍為0.3～1.4 m，出料口間隙ε取0.1～0.2 m，解捆鋪料裝置傾角δ取20°，代入式(2)可得：H≥1.5 m。考慮到H過大時增大覆蓋機的整體尺寸，H取1.8 m。

2.1.2撥料刀齒設計

撥料刀齒是解捆鋪料裝置的關鍵部件，除應具備捆繩切割和破捆功能，還應具備良好的撥料能力。因此，選用三角形撥料刀齒。莖稈物料與金屬刀具刃口的摩擦角一般為18°～24°[23]，而刀具產生滑切的條件是刃口滑切角大于等于刃口與秸稈的摩擦角。因此設置刀齒的滑切角為30°以減阻降耗。撥料刀齒刃口采用鋸齒形結構，以增強切割和撥料性能。

刀齒高度是刀尖與刀座平面間的距離，對撥料量和撥料阻力影響較大。為了確定撥料刀齒高度，通過拉壓力試驗機(HSV型，量程0～1 000 N，精度0.5%)分析了恒速下撥料刀齒高度hD取2、3、4、5、6 cm時，撥料量mb和撥料阻力Ff的變化(圖5)，撥料刀齒速度vD為300 mm/min，結果見圖6，ΔFf為一定高度撥料刀齒與2 cm撥料刀齒撥料阻力的差值，Δmb為一定高度撥料刀齒與2 cm撥料刀齒撥料量的差值。

hD取2、3、4、5、6 cm時，ΔFf為1.0、2.3、7.3、29.6 N，Δmb為5.9、10.6、17.0、22.1 g，二者比值為5.9、4.6、2.3、0.7 g/N。隨著刀齒高度的增加，比值逐漸減小，3 cm時的比值最大。即3 cm時阻力小，撥料量相對較大。同時，綜合考慮刀齒高度較小時，不易堵刀、撥料均勻性好以及刀片剛度好，將三角形撥料刀齒的高設為3 cm。

基于ANSYS對撥料刀齒進行有限元分析。設置撥料刀齒的厚度為2 mm，材料為45錳鋼，刀齒固定端面應變為零，平行于固定端面和刀齒平面施加1.8 N/mm(撥料刀齒刮撥試驗測得的最大撥料阻力為54 N，為了保證高度為30 mm撥料刀齒的強度，將其等價成均布載荷后作為撥料刀齒有限元分析的邊界條件)的均布載荷，結果如圖7所示。應力最大處為36.761 MPa，在撥料刀齒的邊緣，小于材料的屈服極限；在撥料過程中撥料刀齒的變形量由固定端向刀齒頂端逐漸變大，其最大變形量為0.003 766 8 mm，變形量較小，滿足強度要求。

2.1.3撥料刀齒排布

齒帶上刀座間距和刀座上撥料刀齒的數量影響秸稈覆蓋層的厚度和均勻性。撥料刀齒越多，對秸稈捆的破碎效果越好，秸稈覆蓋越均勻。但是，刀齒數量過多將大大增加功耗。因此，刀座上撥料刀齒的布置要考慮單個撥料刀齒作業時對秸稈的壓縮擾動區域，如圖8所示。

擾動區域寬度l′越大，秸稈捆破捆所需撥料刀齒的個數ND越少。擾動區域深度d為秸稈從靜止加速到撥料刀齒速度vD時刀齒運動的距離，計算式為

(3)

式中a——壓縮擾動過程中秸稈加速度，m/s2

F——單個撥料刀齒的撥料力，N

g——重力加速度，取9.8 m/s2

FD可根據選用的液壓馬達的額定轉矩算出，本文取FD=900 N。Ff、mb參考圖6選取，由圖8可知

(4)

L=NDl′

(5)

式中l——單根秸稈長度，cm

L——秸稈與解捆鋪料裝置接觸長度，cm

求得

(6)

l的取值范圍為10～30 cm，L取140 cm。將相關參數代入式(3)、(6)求解取整后得ND的取值范圍為8～12，本文取ND=10，即撥料刀齒的橫向間距為14 cm。

刀座之間的距離越大，轉速一定時，單位時間內撥料刀齒與秸稈捆接觸的次數越少，秸稈覆蓋厚度越小。覆蓋機車速vc取0.25 m/s。根據農藝要求[21]，1 s內應覆蓋的秸稈質量M1=240 g，設1 s內刀座經過出料口的次數為NZ，則有n1NZNDmb=60M1，求得NZ=6。齒帶總長度取210 cm，故刀座間的間距為35 cm。相鄰刀座上的刀齒交錯排布(圖8b)，以達到更好的破捆效果和覆蓋均勻性。

2.1.4解捆鋪料裝置傾角

解捆鋪料裝置傾角對抓料能力和堵塞有重要影響。為了提高撥料刀齒的抓料能力，上下兩個軸輥中心線平面與豎直方向設置傾角δ。由圖9a可知，撥料刀齒在作業過程中撥帶的秸稈束在水平方向上受到的合力

Fx=FT+(F-Ff)sinδ-FNcosδ=
FTsin2δ+(F-Ff)sinδ

(7)

式中FT——刮板對秸稈的推擠力，N

FN——齒帶對秸稈束的正壓力，N

由式(7)可知，隨著δ的增加，Fx也隨之增加，即撥料刀齒的抓料能力增強。但是δ不宜過大。秸稈捆在打捆成型時，內部形成層狀結構。每層秸稈緊實，呈餅塊狀，餅塊之間粘結力較小。由圖9b可知，當δ過大，撥料刀齒速度vD的水平分量將大于刮板的速度vg，此時，解捆后的秸稈餅向前傾倒導致秸稈瞬時喂入量過大而可能發生堵料現象。因此，為了防止堵料，應滿足

vDsinδ≤vg

(8)

根據本課題組前期研制的果園秸稈覆蓋機下料試驗結果[16]，取vD=1.0 m/s，刮板的速度vg取0.4 m/s，則δ小于等于25°。同時，為了避免解捆鋪料裝置對秸稈捆產生與其前進方向相反的推力，影響下料連續性，δ應大于等于零。則δ取值范圍為：0°≤δ≤25°。

2.1.5解捆鋪料裝置齒帶轉速

解捆鋪料裝置齒帶轉速影響秸稈覆蓋層的連續性和切繩解捆的可靠性。對秸稈拋撒覆蓋過程進行動力學分析可知，解捆后的散狀秸稈束經撥料刀齒撥送沿勻料梳齒末端的切線方向拋出作斜拋運動，其運動分析如圖10所示。

秸稈束為輕質物，需考慮氣流阻力f影響。低速狀態下秸稈束所受阻力f與其速度v成正比，即

f=-kv=-CSv

(9)

式中k——空氣阻力系數

C——氣流阻力常數

S——物體迎風面積，m2

取C≈2.98[24]，由于秸稈束大小不同，在氣流阻力的作用下秸稈束運動軌跡會產生分離，形成秸稈覆蓋區域，如圖10所示。

(1)秸稈束上升過程中，某時刻t處秸稈束距離坐標原點O的水平和豎直位移分別為x、y。動力學方程為

(10)

式中v0——秸稈束被拋出時的初始速度，m/s

v0x——速度v0在水平方向分速度，m/s

v0y——速度v0在豎直方向分速度，m/s

θ——速度v0與水平方向的夾角，(°)

m——秸稈束的質量，g

求解得

(11)

式中vx——秸稈束上升過程水平分速度，m/s

vy——秸稈束上升過程豎直分速度，m/s

當上升到最高點時，秸稈束運動的時間為tvy0，水平和豎直方向上的位移分別為xvy0、yvy0，即

(12)

(2)秸稈束下降過程中，某時刻t′處秸稈束距離最高點的水平和豎直位移分別為x′、y′。動力學方程為

(13)

求解得

(14)

式中vx′——秸稈束下降過程水平分速度，m/s

vy′——秸稈束下降過程豎直分速度，m/s

當秸稈束到達地面時

y′=yvy0+H′

(15)

式中H′——秸稈束拋出點距離地面的高度，m

求得

(16)

將t′代入式(14)中可求得x′，則秸稈覆蓋區域的長度為

(17)

式中x1——大束秸稈在水平方向上的位移，m

x2——小束秸稈在水平方向上的位移，m

S1——大束秸稈的迎風面積，m2

S2——小束秸稈的迎風面積，m2

覆蓋機在前進方向上不發生秸稈漏蓋現象的條件是

vc(tvy0+t′)≤Δx

(18)

根據本課題組前期研制的果園秸稈覆蓋機下料試驗結果[16]，取大束秸稈迎風面積S1≈0.012 m2，小束秸稈迎風面積S2≈0.005 m2。此外，勻料梳齒末端切線方向與水平方向的夾角θ=60°。代入式(14)、(17)、(18)中可得v0≤3.2 m/s。為了切斷捆繩，撥料刀齒的速度應大于柔性纖維物料進行有支撐切割時割刀的最低速度，即v0≥0.8 m/s[25]。換算成解捆鋪料裝置齒帶的轉速，即：80 r/min≤n1≤320 r/min。因此，解捆鋪料裝置的驅動液壓馬達選用BMR-125型擺線液壓馬達，其排量為126.3 mL/r，最大扭矩為338 N·m。

2.2 覆土裝置設計

覆土裝置由機架、拋土輪、伸縮機構、限深輪等組成(如圖11)。采用兩個前后方向交錯布置的拋土輪進行取土并雙向對拋，避免了提土刮板和勻土螺旋易被碎石卡死的問題[17]。同時，雙向對拋可提高覆土的均勻性。利用雙向液壓控制的伸縮機構可調節兩個拋土輪的橫向間距，對應調整拋土輪的轉速，可實現覆土寬度在1.4～2.2 m內自由調節，以適應不同行距果園作業。通過限深輪來控制薄土蓋壓層的厚度。伸縮液壓缸選用HSG40型雙作用液壓缸，覆土裝置長×寬×高為2.2 m×1.3 m×0.7 m。

如圖11b所示，拋土輪由拋土葉片、輪盤、輪轂和切土刀片等組成。拋土輪輪盤的直徑Rq影響拋土輪的取土量和入土深度hq(如圖12)，根據等體積原理，雙側對拋覆土時，拋土輪取土區域的面積Sq與薄土蓋壓層的截面積St之間應滿足：2Sq=St，即

(19)

由圖12可知

hq=Rq(1-cosθq)

(20)

式中θq——拋土輪取土區域對應圓心角半角，(°)

Lf——薄土蓋壓層寬度，cm

hf——薄土蓋壓層厚度，cm

根據農藝要求[21]，取Lf=180 cm、hf=3 cm、hq=0.5Rq，代入式(19)、(20)，求得Rq=0.2 m，即拋土輪輪盤直徑D=0.4 m。

拋土輪轉速np影響拋土輪拋出土壤顆粒的運動軌跡，拋土輪轉速np越大，薄土蓋壓層寬度Lf越大。忽略空氣阻力的影響，將土壤顆粒視為質點，對拋土過程進行運動分析，可得

(21)

其中

式中hj——秸稈覆蓋層厚度，cm

vp——土壤顆粒拋出時初速度，m/s

根據農藝要求[21]，秸稈覆蓋層厚度hj取10 cm，代入式(21)，求得與薄土蓋壓層寬度相對應的拋土輪轉速np為225～275 r/min。

3 性能試驗

3.1 秸稈覆蓋試驗

為檢驗齒帶式解捆鋪料裝置的作業效果，在西北農林科技大學試驗站進行了秸稈覆蓋試驗(圖13)。試驗材料為長方形捆狀小麥秸稈(陜西省扶風縣大明秸稈回收專業合作社)，長×寬×高為120 cm×40 cm×35 cm，密度為179.5 kg/m3，含水率為10.4%。覆蓋機對捆狀小麥秸稈的裝載量為1.25 t，是松散小麥秸稈裝載量的3.1倍。覆蓋機車速為0.5～12.5 km/h。

根據前期預試驗，在覆蓋機車速為0.8～1.4 km/h、解捆鋪料裝置齒帶轉速180～240 r/min時，覆蓋機作業穩定，且秸稈覆蓋厚度可滿足作業要求[21]。因此，以覆蓋機車速0.8、1.0、1.2、1.4 km/h和解捆鋪料裝置齒帶轉速180、200、220、240 r/min進行兩因素四水平試驗，刮板送料機構轉速固定為4 r/min。采用5點取樣法測量秸稈層的厚度，取平均值并計算其標準差，通過標準差表征其均勻性。試驗重復3次，結果取平均值。試驗結果用Origin 2017繪圖，并用Design-Expert 8.0軟件建立秸稈覆蓋層厚度模型。

3.1.1試驗結果與分析

試驗結果如表2和圖14所示。當覆蓋機車速0.8～1.4 km/h，解捆鋪料裝置齒帶轉速180～240 r/min時，秸稈覆蓋層厚度5.1～18.1 cm，厚度標準小于等于3.4 cm。覆蓋厚度滿足要求，均勻性良好。由圖14a可知，秸稈覆蓋層厚度隨覆蓋機車速增大而減小，隨解捆鋪料裝置齒帶轉速增大而增大；由圖14b可知，覆蓋機車速較高時，厚度標準差相對較小，而解捆鋪料裝置齒帶轉速增大時，覆蓋厚度標準差隨之增大，此時覆蓋厚度也較大。建立秸稈覆蓋層厚度對覆蓋機車速和解捆鋪料裝置齒帶轉速響應的二元線性模型

hj=-6.503+0.125 7n1-7.79vc

(22)

表2 秸稈覆蓋試驗結果Tab.2 Result of straw mulching test

模型決定系數R2=0.967 2。由表3可知，P<0.000 1，表明該模型極顯著。解捆鋪料裝置齒帶轉速n1、覆蓋機車速vc對秸稈覆蓋厚度的影響均在P<0.01的水平上顯著，說明覆蓋機車速、解捆鋪料裝置齒帶轉速與秸稈覆蓋層厚度之間存在良好的相關性，秸稈覆蓋層厚度在5.1～18.1 cm可調。

表3 秸稈覆蓋層厚度模型方差分析Tab.3 Variance analysis of covering thickness model

3.1.2秸稈覆蓋層厚度模型驗證

為了在實際作業中對秸稈覆蓋層厚度精準調控，對秸稈覆蓋層厚度模型的準確性進行驗證。果園秸稈覆蓋中，適宜的厚度范圍一般在9～15 cm[21]。在覆蓋機的秸稈覆蓋厚度5.1～18.1 cm內等距選取5個厚度(8、10、12、14、16 cm)，代入模型中得到對應的作業參數，以此作業參數進行秸稈覆蓋試驗，每組試驗重復5次。將實測厚度與計算厚度進行比較，結果見圖15。 均方根誤差(RMSE)為0.815 7 cm，決定系數為0.905，表明計算厚度與實測厚度偏差較小，且趨向于1∶1，秸稈覆蓋層厚度模型可用于指導覆蓋作業中的厚度調整。

3.2 果園作業試驗

在陜西楊凌扶特斯公司蘋果園進行秸稈覆蓋初步試驗(圖16)。果園行距3.5 m，株距1.2 m。為了檢驗自解捆式果園秸稈覆蓋機秸稈覆蓋的厚度范圍和覆蓋的準確性，根據秸稈覆蓋試驗的結果，選取秸稈覆蓋厚度最大值、最小值和中間值時的作業參數，分別設置覆蓋機車速、齒帶轉速組合分別為：(0.8 km/h, 240 r/min)、(1.4 km/h, 180 r/min)和(1.0 km/h, 220 r/min)。為了保證覆土層的厚度滿足薄土蓋壓要求，設置覆土裝置拋土輪轉速范圍為225～275 r/min。

秸稈層和薄土層厚度測量均采用5點取樣法。試驗重復3次，結果取平均值。作業前，在果樹行間地面的中線上間隔1 m分別放置5個正方形平板(0.8 m×0.8 m)，作業時使秸稈覆蓋在平板表面以便測量其厚度。在覆土裝置秸稈落料區與拋土輪之間的機架上臨時加裝覆膜裝置，使拋土輪拋撒的土壤顆粒落于地膜上方，將薄土蓋壓層與秸稈覆蓋層分隔開，測量薄土蓋壓層厚度。測量時，先測量薄土蓋壓層厚度，薄土分離后再測量秸稈覆蓋層的厚度。

果園作業試驗秸稈覆蓋層厚度測量結果(表4)表明，秸稈覆蓋層厚度范圍為5.2～18.0 cm，厚度標準差小于等于3.3 cm，平均值與模型計算值相對誤差小于等于14%；覆土裝置無卡死現象，薄土蓋壓層厚度2.3～4.0 cm。結果表明，自解捆式果園秸稈覆蓋機能直接處理捆狀秸稈，作業效率可達0.3～0.7 hm2/h，相比于第一代果園秸稈覆蓋機提高了1.5倍，性能滿足果園作業要求。

表4 果園作業試驗秸稈覆蓋層厚度測量結果Tab.4 Measuring results of straw-layer thickness in orchard test

4 結論

(1)針對果園秸稈覆蓋機不適應捆狀秸稈、裝載量小以及覆土裝置易被碎石卡死等問題，研制了自解捆式果園秸稈覆蓋機，由履帶底盤、料箱、解捆鋪料裝置、覆土裝置等組成。該機實現了秸稈解捆、鋪料和薄土蓋壓一體化作業。秸稈裝載量提升到原來的3.1倍，提高了覆蓋機有效作業時間，作業效率可達0.3～0.7 hm2/h，相比于第一代果園秸稈覆蓋機提高了1.5倍。

(2)設計了齒帶式解捆鋪料裝置，由上下軸輥、齒帶和撥料刀齒等組成。通過分析作業過程和要求，確定了裝置高度、傾角和齒帶轉速等關鍵參數的范圍，以適應多種秸稈捆尺寸并提高覆蓋均勻性。設計了一種對拋式覆土裝置，避免了碎石卡死問題。

(3)試驗結果表明，當覆蓋機車速0.8～1.4 km/h，解捆鋪料裝置齒帶轉速180～240 r/min時，秸稈覆蓋層厚度5.1～18.1 cm，厚度標準差小于等于3.4 cm，薄土蓋壓層厚度2.3～4.0 cm，無卡死現象。建立了秸稈覆蓋層厚度模型，經驗證可用于指導實際生產中作業參數調整。試驗結果在果園作業中得到驗證，表明自解捆式果園秸稈覆蓋機能直接對捆狀秸稈解捆鋪料，性能滿足果園作業要求。