一種秸稈粉碎還田方法及裝置的設計

王可新，謝洪昌，王晨平，王海礁

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

秸稈還田是現代農業生產的重要手段，在黑龍江省，隨著秸稈露天禁燒法令的出臺和黑土耕地保護受重視，秸稈還田技術被廣泛實施。2020年，黑龍江省秸稈還田面積達到666.7萬hm2以上，秸稈還田率達到55%以上。2021年，黑龍江省秸稈綜合利用率達到91%以上，秸稈還田率達到66%以上。目前，普遍采用的作業方式是利用秸稈粉碎還田機將秸稈進行機械粉碎，粉碎后的秸稈再次進行機械翻埋或機械碎混，具有便捷、快速、低成本、大面積培肥地力的優勢。不僅爭搶了農時，而且減少了環境污染，增強了地力，提高了糧食產量，具有良好的生態效益、社會效益和經濟效益。其核心技術是采用機械將秸稈直接還田，使秸稈在土壤中腐爛分解為有機肥，以改善土壤團粒結構和保水、吸水、透氣、保溫等理化性狀，增加土壤肥力和有機質含量，使大量廢棄的秸稈直接變廢為寶[1-2]。

秸稈粉碎作業質量直接關系秸稈粉碎還田效果、播種作業質量、秸稈腐爛時長及作物產量等。現有的秸稈粉碎還田機受設計原理限制，存在諸多問題，為了更好地適應黑龍江省耕地面積大、秸稈量大、機車動力大、作業時間短、氣溫低、秸稈腐解慢的特點，對現有的秸稈粉碎還田機進行創新性再研，設計一種適配各種機車動力的組合式秸稈粉碎還田裝置，由單軸寬幅粉碎作業變成若干橫粉碎加縱粉碎窄幅組合式作業，由單一粉碎作業變成切行加翻動喂入復合式作業，由單一限深變成限深加拋撒作業，由單一高度作業變成單體自動仿形作業。使作業面更低，作業效率更高，粉碎效果更好，秸稈腐解更快。

1 秸稈粉碎還田原理

基于現有的秸稈粉碎還田機作業方法及存在的問題，創新設計了一種新的秸稈粉碎還田方法，該方法是以兩壟之間的區域為一個作業區，用圓盤刀將作業區域內外的秸稈割離，針對作業區域內的秸稈進行翻動喂入，兩次粉碎，最后拋撒還田，具體方法如下：

第一步，用圓盤刀把作業區域內外的秸稈割離，并用星形撥禾喂入部件把作業區域內的秸稈翻起并喂入至橫粉碎部件上；

第二步，橫粉碎部件對撥禾喂入的秸稈進行第一次粉碎作業，秸稈在粉碎刀的作用力和防護罩的導流下進入縱粉碎部件，縱粉碎部件的粉碎動刀和護罩上的定刀對秸稈進行二次粉碎作業；

第三步，粉碎后的秸稈從擋板下部噴出至多棱形限深輥上，多棱形限深輥對二次粉碎的秸稈進行均勻拋撒。

應用上述方法，使作業區域內的秸稈和非作業區域的秸稈分離，避免了兩側長秸稈被擊飛、擊亂，星形撥禾喂入部件將作業區域內的秸稈翻動，秸稈以蓬松狀向后拋送喂入，解決了低洼處或壟溝處等貼合地面的秸稈粉碎質量差或未被粉碎的問題，有效提升了作業質量。橫粉碎部件在粉碎作業的同時將秸稈拋送至縱粉碎部件，秸稈在半封閉的縱粉碎部件空間內被多次切斷和撕裂，秸稈粉碎長度更短，并被撕裂成細絲狀，更利于腐解；多棱限深輥對作業后的秸稈進行拋撒，增加了與土壤的密接性，加速了秸稈腐解。

2 現有粉碎還田機缺點

現有的秸稈粉碎還田機存在的問題包括：

1)粉碎還田機多為通軸高速逆旋轉作業，受地形影響，幅寬受限，作業面不受控，作業效率低，動力匹配范圍窄；

2)低洼地面及壟溝處秸稈粉碎質量差，順壟溝秸稈不能被粉碎，直接影響翻埋及播種質量；

3)適配拖拉機動力范圍窄；

4)消耗動力高，作業效果不理想。

3 關鍵零部件設計

3.1 總體結構

基于上述秸稈粉碎還田方法，設計了一種秸稈粉碎還田裝置，該裝置的整體結構由機架、切割部件、主傳動箱、撥禾喂入部件、橫粉碎部件、縱粉碎部件、副傳動箱、多棱形限深輥組成(圖1)。機架包括左右立板、前后橫梁，前后橫梁兩端焊合螺接盤，螺接盤與左右立板螺接固定，切割部件固接于左右立板內部的前橫梁兩端，前橫梁與整機機架用四桿仿形機構連接，做到裝置隨地勢自動仿形；前橫梁后上方設有主傳動箱，主傳動箱通過輸出軸和軸承座螺接于左右立板上，該輸出軸兩端安裝皮帶輪；撥禾喂入部件設于切割部件后方，撥禾輥軸通過軸承座螺接于左右立板上，一側的撥禾輥軸于立板外側固裝換向齒輪，通過齒輪換向使撥禾輥順時針旋轉；橫粉碎部件設于撥禾喂入部件后方，其粉碎輥軸通過軸承座螺接于左右立板內側，上面配裝Y形粉碎刀，左右立板外側的軸端安裝皮帶輪，該部件逆時針旋轉；縱粉碎部件設于橫粉碎部件后方，縱粉碎輥軸通過軸承座安裝于后橫梁下方，上方的軸端安裝皮帶輪，其后部用防護罩防護，縱粉碎輥和防護罩上分別安裝動刀和定刀；副傳動箱固定于縱粉碎輥軸與一側立板中間，副傳動箱側方的動力輸入軸通過軸承座與一側立板螺接，其動力輸出軸配裝皮帶輪；多棱形限深輥固裝于左右立板后下方；主傳動箱動力輸入軸用液壓馬達驅動。

1.切割裝置；2.機架；3.主傳動箱；4.撥禾喂入部件；5.橫粉碎部件；6.副傳動箱；7.縱粉碎部件；8.多棱限深輥

3.2 撥禾喂入部件的設計

撥禾喂入部件采用星形撥禾盤，4個星形撥禾盤同軸配裝，設于切割部件后方的機架上，撥禾盤包括三角形板體、心軸、固定套，三角形板體上焊合固定套，固定套上設有固位螺栓，三角形板體由厚度為7 mm、直徑為400 mm的圓形鋼板加工而成。圖2是撥禾喂入部件的主視圖和左視圖。

1.工作面；2.熱處理區；3.三角形板體；4.固位螺栓；5.固定套；6.心軸；7.分離面

撥禾盤工作時，工作面的運動由機器的前進運動和自身旋轉運動所合成[3]，其運動軌跡如圖3所示。

圖3 撥禾盤工作面運動軌跡

撥禾盤工作面的運動軌跡，取決于v撥禾盤與v車的比值λ

λ=v撥禾盤/v車

(1)

式中v撥禾盤—撥禾盤最大工作面線速度速，m·s-1；

v車—機車前進速度，m·s-1。

只有當λ>1時,才能產生向后的推送力，經試驗，λ值在1.2～2.3，這里取2.0。

不同λ值的工作面運動軌跡如圖4所示。

圖4 不同λ值時撥禾盤工作面的運動軌跡

撥禾盤最大工作面的線速度

v撥禾盤=Rω=Rπn1/30

(2)

式中R—撥禾盤半徑，m,

n1—撥禾盤轉速，r·min-1。

由公式(1)和(2)可知

n1=30λv車/πR

(3)

按機器前進速度v車=1.7 m·s-1，λ=2,撥禾盤半徑R=0.2 m，則n1≈162 r·min-1。

3.3 橫粉碎部件的設計

橫粉碎部件主要包括動刀、刀輥，動刀為錘片式Y型刀，順時針旋轉。綜合莖稈質量、能耗、振動、無支撐切割最小速度和作業速度，取刀輥轉速n2=2 000 r·min-1[4]。粉碎刀具主要有直刀型刀片、甩刀型刀片、錘爪型刀片三種刀片[5]。結合現有粉碎還田機，選動刀寬60 mm，長165 mm，優質65Mn鋼的甩刀型刀片，刃口淬火處理，刀刃線速度為53 m·s-1。

刀片數量公式

N=C×L

(4)

式中N—動刀數量；

C—動刀密度，片·mm-1；

L為動刀分布長度，mm。

一般Y型動刀排列密度C=0.02～0.04 片·mm-1，選取C=0.03 片·mm-1，L=600 mm，代入公式(4)，得N=18片，滿足設計要求。圖5是橫粉碎部件示意圖。

1.動刀 2.刀輥

3.4 縱粉碎部件的設計

該部件包括縱粉碎輥和護罩，縱粉碎輥為塔型，高度350 mm，塔頂寬148 mm，塔底寬210 mm。基于橫粉碎部件的轉速，該縱粉碎輥轉速為n3=2 000 r·min-1。縱粉碎輥上螺接固定粉碎動刀，護罩上螺接固定粉碎定刀，動刀和定刀均采用三角形割曬機刀片，粉碎定刀螺旋形交錯排列[6-7]，利于秸稈向下導流和多次粉碎。縱粉碎輥上的動刀穿行于護罩上的定刀之間，使進入的秸稈被多次撕裂和切斷，圖6是縱粉碎輥示意圖。

圖6 縱粉碎輥示意圖

3.5 傳動路線設計

牽引機車通過油路驅動液壓馬達使主變速箱運轉，主變速箱內安裝長軸，長軸兩端安裝皮帶輪，按照一定的傳動比，傳遞給副變速箱和其他各工作部件。主變速箱動力輸出軸一側的外皮帶輪通過三角帶驅動撥禾喂入部件換向齒輪軸端部皮帶輪，通過心軸配裝的嚙合齒輪完成心軸換向旋轉，其內皮帶輪通過三角帶驅動橫粉碎輥軸皮帶輪；另一側的皮帶輪通過三角帶驅動副變速箱動力輸入軸皮帶輪；副變速箱動力輸出軸皮帶輪通過三角帶驅動豎粉碎輥軸皮帶輪，完成該裝置的全部動力傳動。圖7是傳動路線示意圖。

1.液壓馬達；2.主變速箱；3、4.皮帶輪；5.副變速箱；6～10.皮帶輪；11、12.換向齒輪

4 結語

綜上所述，根據現有秸稈粉碎還田機作業中易出現的問題，創新設計了秸稈粉碎還田方法及裝置，組合式安裝、復式作業、拋撒式限深、單體式仿形，適配動力廣、作業效率高、粉碎效果好，有效解決了黑龍江省耕地面積大、秸稈量大、分布廣、作業時間短、氣溫低、腐解慢的難題。提高了秸稈機械粉碎還田技術水平。