南方水田高留茬秸稈還田起漿機設計與試驗*

陳立才，王康軍，吳羅發(fā)，楊偉光，歐陽淑珍，潘松

(江西省農業(yè)科學院農業(yè)工程研究所，南昌市，330200)

0 引言

作物秸稈是十分寶貴的資源，充分利用好作物秸稈具有重大的意義，也是目前亟待解決的農業(yè)問題，其中，作物秸稈還田是秸稈綜合利用最常用的形式，也是秸稈處理最直接、最快速的有效手段[1]。研究表明，秸稈還田不但可優(yōu)化土壤的團粒結構，促進作物的養(yǎng)分吸收，還可以有效地減少化肥用量，提升后茬作物的生長質量[2-4]。目前在南方雙季稻區(qū)，水稻秸稈機械還田首先將秸稈進行粉碎拋撒，再經過旋耕、翻覆等多道工序后，需要作業(yè)機組多次作業(yè)，才能完成秸稈還田后的后續(xù)作物生產，不但作業(yè)效率低，而且秸稈還田作業(yè)效果也不理想[5-7]。

在南方雙季稻區(qū)，由于水稻秸稈的產量相對于北方地區(qū)更大，尤其是在“雙搶”季節(jié)，大量的早稻秸稈需要全量還田，早稻收獲時不但需要收割機配套秸稈粉碎裝置，同時由于現有水稻收割很多都是外包作業(yè)，機手在進行水稻收獲時，為了減少油耗和提高工作速度，往往存在留茬高的問題，為機械化秸稈還田帶來諸多不便。國內外許多專家對秸稈還田機具開展了研究，趙海波等[8-10]研制了采用正旋雙軸一次性可完成兩次旋耕的雙軸滅茬旋耕機、水田埋草旋耕機和水田秸稈還田耕整機，作業(yè)效果好，但存在機具質量大和正旋耕深較淺的問題；王金武等[11]提出了反旋秸稈深埋還田技術，一次可完成水稻秸稈深埋還田作業(yè)，但存在前方壅土和功率需求大的問題[12]。利用現有的秸稈還田裝備作業(yè)時，在浸泡幾天的前提下，仍需作業(yè)多次才能實現秸稈還田，作業(yè)時不僅增加作業(yè)成本，同時造成土壤多次碾壓，不但會破壞土壤結構，而且會造成土壤水蝕、礦質流失等問題[13-16]，在南方水田生產中迫切需要一種作業(yè)次數少、秸稈還田率高、作業(yè)質量好的水稻秸稈還田機具。

因此，基于上述分析，結合南方水田秸稈還田現狀，利用旋耕理論、數值計算分析等方法，設計一種適用于南方雙季稻區(qū)高留茬作業(yè)的秸稈還田起漿機，通過采用旋耕刀和粉碎起漿刀配合使用的刀具組合，合理設計和布置刀具組合和排列形式，增加螺旋擋桿等，可一次性完成秸稈粉碎、翻埋還田、旋耕及平整等多道作業(yè)工序，能將高且多的秸稈直接還田并能達到后茬水稻栽插農藝的要求。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

南方雙季稻區(qū)水田秸稈還田起漿機主要由機架、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、擋泥板和刀輥部件組成，其中刀輥部件為主要工作部件，水稻秸稈還田起漿機結構如圖1所示。在機架上配裝三點懸掛架總成、主傳動箱總成、粉碎刀軸總成、上蓋板和副傳動箱總成；刀輥部件包括刀軸、旋耕刀、粉碎起漿刀和螺旋擋桿，刀軸上固定均勻分布的刀盤，旋耕刀和粉碎起漿刀固定安裝在刀盤上，螺旋擋桿與刀軸同軸線且多點焊接固定在對應位置的刀柄上。刀軸總成后部還設置有一覆土壓平機構，覆土壓平機構包括刮擋板、壓平板和兩組安裝架，壓平板的兩側各鉸接安裝有一側壓板。

圖1 整機結構圖Fig. 1 Structure of whole machine1.旋耕刀 2.覆土壓平機構 3.副傳動箱總成 4.擋泥板 5.傳動軸 6.動力系統(tǒng) 7.懸掛架總成 8.機架 9.螺旋擋桿 10.粉碎起漿刀

1.2 工作原理

該機具通過三角懸掛架與配套的拖拉機相連接，動力首先由拖拉機的萬向節(jié)聯軸器輸出到中間的傳動箱，經中間的變速器進行一次減速后，動力被輸出到邊上的副傳動箱總成，再傳遞到刀輥部件驅動其進行工作。水田秸稈還田起漿機采用旋耕刀和粉碎起漿刀配合使用，先利用粉碎起漿刀完成土壤和秸稈的第一次粉碎和翻埋覆蓋，再利用旋耕刀對土壤和秸稈進行二次切削翻埋。作業(yè)時，固定在刀輥部件上的旋耕刀片和粉碎起漿刀片將秸稈切斷切碎，并將留茬挖起，大部分土壤和秸稈在旋轉過程中撞擊蓋板后落于擋泥板前方，被刀輥部件在旋轉的過程中壓至泥土里，小部分的秸稈在上翹或彈起的過程中，則被螺旋擋桿擋住，壓落到田里，同時可避免秸稈上翹和纏繞在刀柄、刀輥等部件上。覆土壓平機構可以保證作業(yè)后土地表面平整，提升作業(yè)質量，達到秸稈埋深一致性好的理想耕作效果。水田秸稈還田起漿機的主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters

2 關鍵部件的設計

2.1 刀輥的設計

刀輥是秸稈還田起漿機的主要工作部件，也是主要的動力消耗部件。刀輥主要由刀輥滾筒、刀盤和刀具組成。在南方雙季稻區(qū)，水稻收獲后秸稈留茬高度約為150～300 mm，但在雙搶季節(jié)，為減少油耗和提高工作速度，往往存在高留茬的問題，本研究以水稻秸稈高留茬進行刀輥設計，設定留茬高度h≤500 mm。為防止刀輥作業(yè)時纏草，留茬高度應小于刀輥的橫截面周長，即h≤C，但當刀輥的直徑過大時，容易造成刀輥轉動慣量大，增加機器的牽引功率[17]。

C=πD≥h

(1)

式中：C——刀輥周長，mm；

D——刀輥直徑，mm。

由式(1)可得，刀輥直徑D≥159.23mm，取D=160 mm；為減少刀輥作業(yè)時候的纏草和動力消耗，本研究設計了一種新型的刀盤底座機構(圖2)，通過將刀盤座底部改成圓弧形，圓弧角為正弦指數曲線和阿基米德螺線的組合，再將圓弧底座焊接在刀輥上，可有效提高作業(yè)效果和作業(yè)效率。

圖2 刀盤底座Fig. 2 Cutter base

2.2 刀具的設計

刀具是機具作業(yè)的最關鍵部件，主要由刀柄、側切部、過渡部及正切部組成。為了與刀盤底座配套，刀具采用右彎刀型式。刀具各部分的刃口曲線參數直接影響作業(yè)質量和功率消耗。本研究設計的側切刃為正弦指數曲線和阿基米德螺線組合，正切刃為空間曲線，過渡刃為三維空間光滑曲線，可有效的減少秸稈纏繞，實現秸稈粉碎和翻埋，提升刀具的作業(yè)質量；刀具采用不同回轉半徑的旋耕刀和起漿刀配合使用，且R旋>R粉，同時通過減少刀體寬度，增加刀數，增加對土壤和秸稈的破碎沖擊，提升埋茬和起漿效果，獲得良好的作業(yè)質量。

2.2.1 側切刃設計

側切刃采用正弦指數曲線和阿基米德螺線組合設計，其中前半部采用正弦指數曲線，正弦指數曲線方程見式(2)，可有效減少刀具作業(yè)時掛草和纏草[18]。

(2)

式中：ρ——任一點的極徑，mm；

ρ0——曲線起點的極徑，mm；

τ0——曲線起點的靜態(tài)滑切角，(°)；

k——曲線上靜態(tài)滑切角遞減比；

θ——任意點極角，(°)。

還田刀具側切刃初始位置的回轉半徑應大于120 mm，通過查閱GB/T 5669-2017《旋耕機械刀和刀座》和文獻[18]，確定旋耕刀ρ0= 135 mm，粉碎起漿刀ρ0= 125 mm，旋耕刀和粉碎起漿刀的τ0=67.5°，τn=57.5°。

側切刃后半部分采用阿基米德螺線設計，其方程見式(3)和式(4)。

ρ′=ρ1+a′θ

(3)

(4)

式中：ρ′——側刃上任一點的旋轉極徑，mm；

ρ1——螺線起點的極徑，mm；

a′——螺線極角每增加1弧度，極徑的增量，mm；

θ——螺線上任意點的極角，rad；

ρn——螺線終點極徑，mm；

θn——終點極角，rad。

切土節(jié)距

(5)

式中：S——切土節(jié)距，m；

vm——機組前進速度，m/s；

n——刀輥轉速，r/min；

Z——同一回轉平面內的刀片個數。

將參數vm=1.2 m/s，Z=3，n=260～340 r/min 代入式(5)得出：S=70～90 mm，一般情況下切土節(jié)距S越小，滅茬碎土的效果越好，但同一平面內刀片數過多會使刀片夾角過小，易導致工作時土壤堵塞。本設計取切土節(jié)距S=80 mm。

(6)

式中：a——設計耕深，mm。

R——彎刀回轉半徑，耕深為140～160 mm時，常采用240～260 mm。

本設計耕深a=160 mm，旋耕刀回轉半徑R=245 mm，經計算，ρ1=172 mm。

螺線的終點極角θn按照式(7)計算

(7)

式中：τn——螺線終點處的滑切角(常取50°～60°)，(°)。

ρn通常比彎刀的回轉半徑小10～20 mm，本設計取20 mm，則ρn=225 mm，θn=0.41 rad。

將ρn、ρ1、θn的值代入式(4)，經計算得a′=129。

綜上，本研究確定刀具的設計參數如下：耕深160 mm，旋耕刀回轉半徑R=245 mm，ρ1=165 mm，ρn=225 mm，粉碎起漿刀回轉半徑R=225 mm，ρ1=150 mm，ρn=205 mm，切土節(jié)距S=80 mm，τn=60°，θn=0.41 rad。

在刀具作業(yè)時，根據文獻[18]可知，動態(tài)滑切角的最佳范圍值為35°～55°。為保證還田裝置的作業(yè)效果且減小切割阻力，獲得較好的作業(yè)質量，根據文獻[19]可知，本設計將動態(tài)滑切角的變化范圍限制在45°～55°內。

2.2.2 正切刃與過渡刃設計

正切刃采用空間曲線設計，正切面為弧形曲面。正切面與刃口至刀輥中心連線的夾角δmax過大會影響正切刃的有效隙角，從而影響耕土效果，δmax過小時，會增加切土阻力和功耗；彎刀工作幅寬b增大可使刀輥彎刀總數減少，但工作幅寬b過大會影響彎刀的剛度和碎土質量；正切部彎折半徑r過小會增加黏土性和功率消耗。本設計正切刃δmax=60°，工作幅寬b=40 mm，彎折半徑為r=30 mm。

過渡刃為采用空間曲線，將側切刃與正切刃曲線連接并進行圓滑過渡，從而提高刀具工作的流暢性，減少作業(yè)時的應力集中，提高刀具的使用壽命。

2.2.3 刀具的選擇與設計

刀具采用旋耕刀和粉碎起漿刀配合使用(圖3)，根據側切刃和正切刃的設計參數，旋耕刀可參照IT245旋耕刀，并根據部分參數進行優(yōu)化。粉碎起漿刀(圖4)可參照IT225旋耕刀，在其基礎上進行了改進設計，包括刀柄和兩個連接在刀柄上的刀片，兩個刀片呈“人”字形設置，兩個刀片與刀柄一體成型。刀片由弧形連接段和直線連接段構成，直線連接段與兩個刀片懸空端邊緣線所在平面之間的夾角α為25°～35°。在該角度范圍內，根茬的挖除效果最佳。利用旋耕刀對土壤的切削作用將水稻秸稈翻埋覆蓋，再加上粉碎起漿刀作業(yè)良好的起漿效果，實現對水稻秸稈的翻埋覆蓋并直接還田。

圖3 打漿刀和旋耕刀刀具組合Fig. 3 Combination tool of the rotary andcutting pulping blade1.刀軸 2.螺旋擋桿 3.粉碎起漿刀 4.旋耕刀 5.刀座

圖4 秸稈還田粉碎起漿刀Fig. 4 Cutting pulping blade ofstraw returning1.直線連接段 2.弧形連接段 3.刀柄 4.安裝孔 5.刀片

2.3 刀片安裝數量及排列方式

機具刀片安裝數量和排列方式影響與牽引機具的動力消耗和作業(yè)效果直接相關，本研究對刀具數量以及其排列規(guī)律進行了合理優(yōu)化，達到良好的作業(yè)效果。根據參考文獻[20]得出，為降低作業(yè)功率消耗，提高耕深穩(wěn)定性，本設計將刀具按4條螺線規(guī)則排列。刀輥上安裝的彎刀總數可按照式(8)計算。

(8)

b′=b+Δb

(9)

式中：Z′——彎刀總數，取偶數；

Z——每切土小區(qū)內刀數；

B——旋耕機耕幅，m；

b′——旋耕機耕幅，m；

b——彎刀的工作幅寬，mm。

Δb常取15～20 mm，本文取20 mm，可得b′=60 mm。

將B=2.2 m，Z=3代入式(8)，可得Z′=110。

設計總刀數為110把，其中旋耕刀54把，粉碎起漿刀56把，刀盤軸線間距40 mm，相鄰刀片定位孔轉角15°。

2.4 螺旋擋桿的設計

研究在水稻秸稈還田起漿機的刀軸之間間斷平均增加了3根螺旋擋桿(圖3)，螺旋檔桿采用5#鋼筋，根據彎刀的旋轉方向，平行的焊接在刀盤底座上，長度與刀軸相適應。在田間作業(yè)時，大部分秸稈通過刀輥的高速旋轉作用，被擋落在螺旋擋桿前方埋進田里，小部分秸稈通過螺旋擋桿被甩出后進行二次粉碎起漿，有效地減少了秸稈(草)纏繞，提升了翻埋效果，還增強了刀具的作業(yè)強度。

2.5 性能試驗

2.5.1 田間試驗條件

為驗證秸稈還田起漿機對不同留茬高度秸稈的作業(yè)效果，對秸稈還田起漿機進行了田間試驗。田間試驗于2020年7月22日在江西省農業(yè)科學院高安試驗基地進行，試驗設置3個留茬高度，留茬高度(H)分別為150 mm(H1)、300 mm(H2)和450 mm(H3)，耕作次數為2次，配套動力為江西良田農業(yè)機械有限公司生產的1GZL-220自走履帶式旋耕機的拖拉機，田間機器操作由同一人同一耕作速度進行。將一塊試驗田平均分為3個小區(qū)，每個小區(qū)面積0.067 hm2，測試的前茬作物為早稻，采用帶粉碎裝置的全喂入聯合收割機進行收割，秸稈粉碎并全量還田，旋耕作業(yè)前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

2.5.2 測定主要性能指標及方法

對比試驗進行水稻秸稈還田旋耕作業(yè)時，主要測試耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地表平整度和植被覆蓋率等性能指標。鑒于目前國家還沒有針對南方水田秸稈還田起漿機的相關標準，測定方法和要求參照國家標準DG/T 005-2019《旋耕機》、DG/T 088-2019《自走履帶旋耕機》和GB/T 24685-2009《水田平地攪漿機》等進行。

1) 耕深：秸稈還田起漿機作業(yè)后，在測區(qū)內測2個行程，每一行程測11點，測量旋耕底層至水田泥面的垂直高度；耕深穩(wěn)定性：秸稈還田起漿機作業(yè)后田塊耕深的一致性程度。

2) 壓茬深度：秸稈還田起漿機作業(yè)后，在測區(qū)內測2個行程，每一行程測11點，測量泥漿表面與壓入泥漿中留茬(壓入泥漿不少于全長三分之二的留茬)的垂直距離。

3) 地表平整度：秸稈還田起漿機作業(yè)后，在作業(yè)區(qū)內測定2個行程，每一行程測11點，測量作業(yè)后的地表與水平基準面的垂直距離。

4) 植被覆蓋率：秸稈還田起漿機作業(yè)后，在作業(yè)區(qū)范圍內隨機選取5個測試點，每個測試點取1 m2面積，分別測出壓入泥漿內的植被重量和漂浮在泥漿或水面上的植被重量，計算該面積上壓入泥漿內的植被重量占原殘留植被量的百分比。

2.5.3 結果與分析

1) 耕深與耕深穩(wěn)定性。耕深的測試結果見表2所示。隨著秸稈留茬高度變高，耕深和耕深穩(wěn)定性降低，耕深依次為171.64 mm、170.05 mm和168.36 mm，耕深穩(wěn)定性依次為94.87%、90.56%和89.15%，均符合設計要求。

2) 壓茬深度。壓茬深度的測試結果見表3。隨著秸稈留茬高度的變高，壓茬深度降低，依次為98.64 mm、88.68 mm和74.50 mm，均符合設計要求。

3) 地表平整度。地表平整度的測試結果見表4。隨著秸稈留茬高度的變高，地表平整度降低，依次為25.13 mm、34.42 mm和41.64 mm，均符合設計要求。

4) 植被覆蓋率。植被覆蓋率的測試結果見表5。隨著秸稈留茬高度的變高，植被覆蓋率降低，依次為94.60 mm、87.93 mm和83.20 mm，均符合設計要求。

表2 不同處理對耕深與耕深穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effects on tillage depth andstability of tillage depth of different treatments

表3 不同處理對壓茬深度的影響Tab. 3 Effects on depth of buried stubble of different treatments

表4 不同處理對地表平整度的影響Tab. 4 Effects on surface flatness of different treatments

表5 不同處理對地表平整度的影響Tab. 5 Effects on straw coverage rate of different treatments

田間性能試驗結果見表6，由表6可以看出，研制的南方水田水稻秸稈還田起漿機可一次性完成水田旋耕整地、高留茬秸稈翻埋還田和地表平整等多項作業(yè)工序。三個不同留茬高度處理的耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率等5個性能指標，均符合設計和國家標準的技術要求。隨著留茬高度的升高，各指標值依次降低，當留茬高度為450 mm時，其耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為168.36 mm、89.15%、74.50 mm、41.64 mm和83.20%。

表6 不同處理的田間作業(yè)性能檢測結果Tab. 6 Measurement results of field working performance of different treatments

3 結論

1) 改進設計一種適宜南方水田作業(yè)的高留茬秸稈還田起漿機，通過重新設計刀輥、刀具等關鍵部件，確定了刀具組合和排列形式及側切部、過渡部及正切部型式和參數，增加了螺旋擋桿等。計算分析確定了機器的基本參數，其刀輥直徑為160 mm，刀具采用旋耕刀和起漿刀配合使用，旋耕刀回轉半徑為245 mm，起漿刀回轉半徑為225 mm，側切刃為正弦指數曲線和阿基米德螺線組合，正切刃為空間曲線，過渡刃為三維空間光滑曲線，刀具采用4條螺線規(guī)則排列，旋耕刀為54把，粉碎起漿刀為56把，設計3根螺旋擋桿，提升高留茬秸稈的還田起漿效果。

2) 田間性能試驗結果表明：改進設計的南方水田高留茬秸稈還田起漿機能一次性完成水田旋耕整地、秸稈翻埋還田和地表平整等多項作業(yè)工序，當留茬度為150 mm時，耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為171.64mm、94.87%、98.64 mm、25.13 mm和94.60%，隨著留茬高度的升高，各指標值依次降低，當留茬高度為450 mm時，其耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為168.36 mm、89.15%、74.50 mm、41.64 mm和83.20%，各性能指標均完全達到設計要求，且作業(yè)過程平穩(wěn)，旋耕整地、地表平整質量好，秸稈翻埋還田效果好，作業(yè)質量能夠滿足后續(xù)水稻種植的農藝要求。