1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機的研究與設(shè)計

王馨竟

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

黑龍江省玉米種植面積、產(chǎn)量和商品化率均居全國首位，每年產(chǎn)出玉米秸稈數(shù)量很大，作好秸稈的綜合利用是農(nóng)業(yè)工作的重中之重。隨著2020年《東北黑土地保護性耕作行動計劃(2020—2025年)》有序規(guī)范實施，確定并提出符合不同區(qū)域的保護性耕作制度，提出推動玉米秸稈覆蓋免少耕播種保護性耕作技術(shù)。該技術(shù)是一種以農(nóng)作物秸稈覆蓋地表、免耕播種為主的現(xiàn)代耕作技術(shù)體系，能有效增加土壤肥力和保墑抗旱能力、保護環(huán)境、節(jié)本增效，其核心是盡量少動土，盡量多的秸稈覆蓋，次年春季播種時采用秸稈粉碎還田機粉碎秸稈后，均勻拋撒在田間，再利用條耕或免耕播種技術(shù)進行播種。

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機是按照保護性耕作技術(shù)研究設(shè)計的，符合國家標準。該機型可配備大馬力拖拉機，滿足合作社、農(nóng)場和大農(nóng)戶進行大面積秸稈粉碎還田作業(yè)的需求，創(chuàng)新設(shè)計雙軸正反向刀軸，可減少動力消耗，其中第二刀軸的動刀組配合可調(diào)式定刀組合作業(yè)，將收獲的玉米秸稈粉碎至8 cm以下，并均勻地拋撒在地面上，有利于后期免耕播種作業(yè)。

1 整機結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機，主要包括機架、第一動力輸入軸、第一變速箱、萬向節(jié)傳動軸、第二變速箱、第二刀軸組定刀、尾板、第二刀軸、第二傳動總成、第一刀軸、第一傳動總成，如圖1所示，通過三點懸掛的方式與拖拉機連接，并由拖拉機動力輸出軸提供傳動動力。

1.機架;2.第一動力輸入軸;3.第一變速箱;4.萬向節(jié)傳動軸;5.第二變速箱;6.第二刀軸組定刀;7.尾板;8.第二刀軸;9.第二傳動總成;10.第一刀軸;11.第一傳動總成

1.2 工作原理

首先，秸稈粉碎還田機與拖拉機連接后，拖拉機通過萬向節(jié)連接該機第一變速箱上動力輸入軸，為整機提供動力。第一刀軸通過皮帶傳動與第一變速箱動力輸出軸連接，實現(xiàn)第一刀軸正向旋轉(zhuǎn)(逆時針方向)。第一變速箱與第二變速箱通過萬向節(jié)連接，并為其提供動力。第二刀軸與第二變速箱通過皮帶傳動連接，實現(xiàn)第二刀軸反向旋轉(zhuǎn)(順時針方向)。作業(yè)時第一刀軸與第二刀軸同時旋轉(zhuǎn)組合作業(yè)，即第一刀軸將地面上的秸稈撿拾粉碎后拋向第二刀軸，第二刀軸配合定刀組對秸稈進行二次粉碎，粉碎后的秸稈碎末在尾板的導(dǎo)向作用下，沿粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)拋物線均勻的拋撒在地面上，完成秸稈粉碎還田作業(yè)。根據(jù)作業(yè)過程中秸稈的粉碎長短，可調(diào)節(jié)第二刀軸組合動刀和定刀的相對距離，即可改變秸稈粉碎后的長度[1]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與分析

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機動力傳動系統(tǒng)如圖2所示。拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)連接第一變速箱徑向動力輸入軸，由變速箱增速后，經(jīng)第一變速箱動力輸出軸兩端的第一刀軸大皮帶輪將動力傳動到第一刀軸兩端的第一刀軸小皮帶輪，再次增速后驅(qū)動第一刀軸正向旋轉(zhuǎn)；第二變速箱動力輸入軸與第一變速箱軸向動力輸出軸通過萬向節(jié)連接傳輸動力，經(jīng)第二變速箱增速后，由第二變速箱動力輸出軸經(jīng)兩端第二刀軸大皮帶輪將動力傳動到第二刀軸小皮帶輪再次增速，驅(qū)動第二刀軸反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)玉米秸稈的粉碎作業(yè)。

1.第一刀軸大皮帶輪;2.第一變速箱動力輸出軸;3.第一變速箱徑向動力輸入軸;4.第一變速箱軸向動力輸出軸;5.第一變速箱;6. 第一刀軸;7.第一刀軸小皮帶輪;8.第二刀軸大皮帶輪;9.第二刀軸小皮帶輪;10.第二變速箱動力輸出軸;11.第二變速箱;12.第二刀軸

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

參考現(xiàn)有參數(shù)(表1)及公式，計算該機所需配套動力。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)

式中：Pmax—拖拉機最大功率，kW;

P—動力輸出軸負載消耗的功率，kW；

mj—秸稈粉碎還田機的質(zhì)量，kg;

ms—拖拉機使用質(zhì)量，kg；

f—拖拉機的滾動阻力系數(shù)，取值f=0.8；

vm—機組作業(yè)速度，km·h-1;

g—重力加速度，m·s-2。

計算可得，Pmax=124.23 kW。

2.3 動刀的排列規(guī)律

根據(jù)莖稈的物理機械性質(zhì)分析可知，玉米秸稈由纖維素所構(gòu)成，其纖維方向與秸稈軸線平行，因此割刀切入秸稈的方向與其切割阻力和功率消耗有著密切關(guān)系。試驗證實：斜切和削切較橫斷切的切割阻力和功率消耗降低30%～60%[1]。因此本文所設(shè)計的1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機上的動刀排列規(guī)則要符合這一要求，能有效減少動力消耗并保證作業(yè)質(zhì)量。

動刀排列規(guī)律如下：第一刀軸上共安裝36組動刀，18組動刀為一列，兩列動刀按雙螺旋線排布，兩組相鄰動刀間的軸向間距為190 mm；同一螺旋線上相鄰的兩組動刀夾角為72°，如圖3所示；作業(yè)時確保有4組動刀同時作業(yè)；第二刀軸動刀組與第一刀軸排列規(guī)律相同，第一刀軸動刀組型式為Y型甩刀，第二刀軸動刀組型式為鋸齒形直刀。

圖3 動刀的排列規(guī)律示意圖

2.4 第二刀軸組定刀的設(shè)計

為實現(xiàn)對撿拾起的玉米秸稈進行二次粉碎，針對不同需求玉米秸稈所需的粉碎長度不一致等問題，設(shè)計了動刀組和可調(diào)節(jié)式定刀組(圖4)配合作業(yè)。第二刀軸組定刀安裝在第二刀軸前部上方，由定刀軸、定刀和鎖止機構(gòu)組成；在定刀軸上共安裝35把定刀，每相鄰2把定刀間距95 mm；定刀軸兩端穿過機架側(cè)板上的長條孔，由鎖止機構(gòu)上的螺母固定。需要調(diào)節(jié)動刀、定刀相對距離時，松開定刀軸兩端鎖止機構(gòu)螺母，使定刀軸沿機架側(cè)板上的長條孔移動，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。該設(shè)計主要作用是通過第二刀軸組動刀、定刀組合作業(yè)，對玉米秸稈進行二次粉碎。

1.第二刀軸；2.定刀；3.定刀軸

2.5 皮帶調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

皮帶調(diào)整裝置如圖5，包括變速箱調(diào)距機構(gòu)(圖6)和動力軸調(diào)距機構(gòu)(圖7)兩部分；通過變速箱調(diào)整距螺桿與動力軸調(diào)距螺桿同時動作，使變速箱和動力軸產(chǎn)生位移，從而實現(xiàn)對主、從動皮帶輪間距的調(diào)節(jié)。

1.動力軸調(diào)距機構(gòu)；2.變速箱調(diào)距機構(gòu)

圖6 動力軸調(diào)距螺桿示意圖

圖7 變速箱調(diào)距螺桿示意圖

3 結(jié)論

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機是結(jié)合以往的秸稈粉碎還田機工作原理，創(chuàng)新設(shè)計一種雙軸秸稈粉碎還田機，改善以往單軸粉碎還田機存在的問題，提高了秸稈粉碎的質(zhì)量和效率，對推動玉米秸稈覆蓋免少更播種保護性耕作技術(shù)起到促進作用。

1)研究論述了1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機的總體結(jié)構(gòu)及工作原理，根據(jù)秸稈粉碎覆蓋還田耕種技術(shù)的農(nóng)藝要求進行了關(guān)鍵部件的理論研究和設(shè)計計算，設(shè)計了動刀的排列規(guī)律和第二刀軸組。

2)設(shè)計的雙軸秸稈粉碎還田機采用雙軸正反兩轉(zhuǎn)同時旋轉(zhuǎn)，且由第二刀軸動刀組與定刀組配合作業(yè)，實現(xiàn)了對玉米秸稈依次切割，切割效果良好，相較于市場現(xiàn)有的單軸秸稈粉碎還田機和雙軸秸稈粉碎還田機結(jié)構(gòu)更加新穎，動力消耗更小。

3)通過整機性能試驗表明，該機可將收獲后的玉米秸稈粉碎成長度小于8 cm的碎末，并均勻拋撒在地面上，符合國家要求，達到了秸稈粉碎還田機作業(yè)質(zhì)量及設(shè)計要求。