李官保，梁 棟，李 明，鄧怡國(guó)，董學(xué)虎，韋麗嬌

(1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228； 2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

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甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)單邊平底開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì)

李官保1,2，梁 棟1，李 明2，鄧怡國(guó)2，董學(xué)虎2，韋麗嬌2

(1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228； 2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

針對(duì)南方甘蔗產(chǎn)區(qū)開(kāi)展實(shí)施的甘蔗葉粉碎深埋技術(shù)，研制了一種甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)具的單邊平底開(kāi)溝裝置以適合南方磚紅壤的條件要求，確定了開(kāi)溝裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)；并通過(guò)扭柱型犁體曲面設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了翻土和碎土能力。田間試驗(yàn)表明：甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)通過(guò)性良好；開(kāi)溝裝置開(kāi)溝平均深度為39.95cm，底部寬度為25.03cm，上底寬為49.85cm，回土深度為11cm，開(kāi)溝性能良好，工作可靠，能夠滿足甘蔗葉深埋技術(shù)要求。

開(kāi)溝裝置；犁體曲面；粉碎深埋；甘蔗葉

0 引言

甘蔗是我國(guó)重要的糖料作物，蔗糖占全國(guó)總糖量的90%以上。我國(guó)甘蔗種植面積約為180hm2，是第三大甘蔗種植國(guó)，僅次于巴西和印度[-2]，主要分布在廣西、云南、廣東、海南等省區(qū)。甘蔗葉是我國(guó)最大的熱區(qū)作物，在熱區(qū)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)村社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。甘蔗葉是甘蔗產(chǎn)區(qū)的主要副產(chǎn)品，是中國(guó)熱帶地區(qū)大宗農(nóng)業(yè)廢棄物，一般占甘蔗產(chǎn)量的12%～20%,按甘蔗產(chǎn)量75t/hm2計(jì)算,則甘蔗葉廢棄物最高年產(chǎn)可達(dá)2 700萬(wàn)t[3-4]。

傳統(tǒng)的甘蔗收獲作業(yè)過(guò)程中，甘蔗葉通常被直接遺棄在田間，如不及時(shí)處理將會(huì)影響蔗田的后續(xù)機(jī)耕作業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，蔗農(nóng)處理甘蔗葉的主要方式為就地焚燒，不僅會(huì)污染環(huán)境，也造成大量的甘蔗葉被浪費(fèi)[5]。而甘蔗葉直接粉碎還田不但能減少大氣污染，還可以有效地改良土壤，培肥地力，保持土壤中水分、養(yǎng)分，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量及速效氮、磷、鉀含量。但在國(guó)內(nèi)，針對(duì)甘蔗葉廢棄物還田技術(shù)的研究只有少數(shù)南方熱帶地區(qū)的科研院所和高校，如廣東省湛江農(nóng)墾科學(xué)研究所的梁明等研制了一種帶彈齒撿拾器通過(guò)三角皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)粉碎刀球軸轉(zhuǎn)動(dòng)的甘蔗葉粉碎還田機(jī)，作業(yè)質(zhì)量良好、覆蓋率高；但甘蔗葉的撿拾率較低，皮帶磨損嚴(yán)重[6]。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的李明等研制的1GYF-120 型甘蔗葉粉碎還田機(jī),撿拾率、粉碎率高[7]；但都是有著臥式粉碎機(jī)功耗大、轉(zhuǎn)速高和刀具易損壞等共性問(wèn)題。

目前，已研制出的甘蔗葉粉碎機(jī)都是將甘蔗葉粉碎后直接拋撒在地表，然后再經(jīng)過(guò)深耕翻埋于地中，加速腐爛分解，達(dá)到大面積培肥地力的目的[8-9]。隨著機(jī)械化秸稈還田技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了一種新型秸稈深埋還田技術(shù)，該技術(shù)是一種將全量秸稈安全還田和土壤局部輪換深耕有機(jī)結(jié)合起來(lái)的新型土壤耕作技術(shù)[10-11]?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明：該技術(shù)能有效緩解少免耕條件下秸稈難還田的矛盾，在改善土壤特性、增加土壤耕層深度、降低農(nóng)田碳排放、減輕秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題及增加農(nóng)民收入等方面具有正效益，具有推廣價(jià)值[12-15]。

結(jié)合甘蔗葉的特性，并綜合考慮粉碎效果、功率消耗及工作便利等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)。根據(jù)保護(hù)性耕作技術(shù)要求，該機(jī)將甘蔗葉碎屑一部分覆蓋于地表，一部分深埋于土壤中，達(dá)到了調(diào)高土壤肥力、保持水土的保護(hù)性耕作目的。本研究重點(diǎn)對(duì)已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)的開(kāi)溝裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以提高機(jī)具工作性能，滿足甘蔗葉深埋的技術(shù)要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)主要由變速箱、機(jī)架、引導(dǎo)裝置、刀架、粉碎刀和單邊平底開(kāi)溝裝置構(gòu)成，如圖1所示。該甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)后三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，配套動(dòng)力為50kW馬力輪式拖拉機(jī)，適合我國(guó)甘蔗規(guī)?；l(fā)展生產(chǎn)的中型拖拉機(jī)配套的甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)。

1.機(jī)架 2.變速箱 3.粉碎刀 4.引導(dǎo)裝置 5.單邊平底開(kāi)溝裝置

1.2 工作原理

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)中萬(wàn)向傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到變速箱后，由變速箱驅(qū)動(dòng)刀架，帶動(dòng)粉碎刀旋轉(zhuǎn)。作業(yè)過(guò)程中，甘蔗葉經(jīng)粉碎刀甩起進(jìn)行切割粉碎；同時(shí)懸掛與機(jī)架后方的單邊平底開(kāi)溝裝置，在拖拉機(jī)的牽引下進(jìn)行甘蔗地深松開(kāi)溝；被粉碎的甘蔗葉根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，在刀架高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生氣流帶動(dòng)甘蔗葉碎屑經(jīng)過(guò)引導(dǎo)裝置拋送至單邊平底開(kāi)溝裝置開(kāi)好的溝槽內(nèi)，然后回土覆蓋，完成粉碎深埋作業(yè)流程。

2 單邊平底開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)原理

單邊平底開(kāi)溝裝置是甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)的關(guān)鍵部件之一，功能是按照要求開(kāi)出合適的溝槽，將粉碎的甘蔗葉進(jìn)行深埋。種植兩年的甘蔗地，地表堅(jiān)實(shí)，有大量的甘蔗葉覆蓋；因現(xiàn)有蔗區(qū)種植甘蔗的土質(zhì)大多為磚紅壤，土層深厚、質(zhì)地粘重，開(kāi)溝裝置入土困難，阻力大，需要有良好的破壟入土能力。同時(shí)，甘蔗地地下甘蔗根須茂密，應(yīng)有良好的切斷根須能力。此外，甘蔗地存在甘蔗葉、雜草等，為避免甘蔗葉等堵塞，開(kāi)溝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)合理。

根據(jù)以上的開(kāi)溝要求，設(shè)計(jì)了單邊平底開(kāi)溝裝置，由深松犁頭、三角側(cè)翼及犁體曲面組成。深松犁頭有很好的入土性能，在開(kāi)溝的同時(shí)對(duì)甘蔗地進(jìn)行土壤深松，增加土壤蓄水保墑的能力。三角側(cè)翼有鋒利的刃口，可切開(kāi)土垈及切斷甘蔗根須，降低阻力。扭柱型犁體曲面的設(shè)計(jì)，有較強(qiáng)的翻土和碎土能力，同時(shí)設(shè)計(jì)的犁體曲面還有一定的回土能力，能將甘蔗葉深埋在溝槽中。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

單邊平底開(kāi)溝裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。自行設(shè)計(jì)的單邊平底開(kāi)溝裝置的結(jié)構(gòu)與鏵式犁犁體類(lèi)似，由犁柱、犁體曲面、三角側(cè)翼及深松犁頭組成，通過(guò)螺栓固定連接在機(jī)架偏右側(cè)后方。

1.犁柱 2.犁體曲面 3.三角側(cè)翼 4.深松犁頭

2.3 深松犁頭

由于蔗區(qū)的種植土地多為磚紅壤，性狀黏重堅(jiān)硬，故設(shè)計(jì)出的深松犁頭應(yīng)具有較強(qiáng)的松碎土壤能力，同時(shí)還要具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐磨性能。深松犁頭選用的是常見(jiàn)的鑿形犁頭，通過(guò)螺栓與犁柱固定聯(lián)結(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是，可在犁頭磨損壞后快速替換。

深松犁頭安裝角α的取值范圍為25°～30°，當(dāng)α減小時(shí)，翻土能力加強(qiáng)；當(dāng)α增大時(shí)，碎土能力加強(qiáng)?？紤]到犁體曲面的翻土能力，取α為25°。

2.4 三角側(cè)翼

三角側(cè)翼是由厚度為10mm的錳鋼板或45鋼板經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理加工而成。其輪廓被設(shè)計(jì)成三角型，一側(cè)焊接在犁柱上，靠近深松犁頭；另外兩側(cè)開(kāi)刃口，刃口厚度僅為1mm，能夠有效的切割土壤，割斷甘蔗的根系，降低開(kāi)溝阻力；同時(shí)，增加開(kāi)溝的下底寬度，能夠很好地滿足甘蔗葉深埋的技術(shù)要求。三角側(cè)翼質(zhì)量輕、制造方便、價(jià)格低廉，可以在磨損后直接更換。由于經(jīng)常更換三角側(cè)翼，能夠保持翼口的鋒利度，有效減少了作業(yè)阻力，降低拖拉機(jī)油耗，綜合效益更高。

2.5 犁體曲面

犁體曲面參照鏵式犁的結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計(jì)而成。為保證順利實(shí)現(xiàn)甘蔗葉的粉碎深埋工序，要求開(kāi)溝裝置在功能設(shè)計(jì)上不但能翻土，而且還要有一定的碎土功能，因此將犁體曲面設(shè)計(jì)成扭柱型。這種結(jié)構(gòu)不但能開(kāi)溝翻土，還能碎土，可有效地完成粉碎深埋工作。

1)甘蔗葉深埋的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求其開(kāi)溝深度a為40cm，溝底寬度b為25cm；溝壁坡度角δ一般取40°～ 60°，角度過(guò)小則占地面積較大，角度大則溝壁容易坍塌。由于南方土壤比較黏重，δ可取較大值58°。

2)單邊平底開(kāi)溝裝置的翼邊線、脛翼線及頂邊線位置如圖3所示。

圖3 單邊平底開(kāi)溝裝置犁體曲面前視圖

(1)翼邊線EF:翼邊線末端E點(diǎn)略低于挖出土垡的高度，翼邊線EF的位置與挖起的土垡有一定重合，取重合度m=1cm，以保證在粉碎機(jī)作業(yè)時(shí)，有一定量土壤回落進(jìn)開(kāi)好的溝中，將拋送進(jìn)的甘蔗葉覆蓋深埋。

(2)脛翼線BC：設(shè)計(jì)的開(kāi)溝裝置的脛翼線BC所在的平面與水平面相互垂直，其高度HBC一般等于其深度，取值HBC=40cm。為避免犁體曲面刮擦溝壁，脛翼線BC偏離溝壁，取β為1°～2°。

3)元線角。元線角θ及其變化規(guī)律和開(kāi)溝裝置的開(kāi)溝性能緊密相關(guān)。元線角θ可由水平直元線高度確定，有

θ=f(Z)

其中，Z為各元線距犁體底面的縱坐標(biāo)高度。θo～θmin間，元線角的變化采用直線；在θmin～θmax之間，元線角變化由y=x2/2p[16]確定，采用拋物線,結(jié)合田間試驗(yàn)并考慮到開(kāi)溝深度h=30cm，確定犁曲面的初始條件為：在高度z=0處，θo=40°；在高度z=8 cm處，θmin=38°；在高度z=47 cm處，θmax=48°，最終確定元線角θ及其變化規(guī)律如圖4所示。

θ.元線角(°);z.犁體高度(cm)

4)導(dǎo)曲線。犁體曲面上的導(dǎo)曲線是控制水平直元線的指導(dǎo)線，所設(shè)計(jì)犁體曲面的導(dǎo)曲線采用拋物線形狀。導(dǎo)曲線開(kāi)度L越大則曲面越平緩；曲面越平緩，則阻力愈小，從而使犁體曲面的翻土能力增強(qiáng)。根據(jù)開(kāi)出溝的溝底寬：25cm，確定出開(kāi)度L的取值為18cm。導(dǎo)曲線的高度h應(yīng)滿足Hmax>h>H，根據(jù)頂邊線的分析，取h為42 cm。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間試驗(yàn)在廣東省雷州市龍門(mén)鎮(zhèn)金星農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)田為種植宿根甘蔗2年后需重新耕種的土地，試驗(yàn)時(shí)間為2016年3月20日。甘蔗收獲后1個(gè)月，天氣晴朗，試驗(yàn)田土地平坦，為土層深厚的磚紅壤，土質(zhì)黏重，土壤含水量16.86%。甘蔗種植行距110cm，甘蔗葉平長(zhǎng)度120cm，甘蔗葉平均厚度16cm，甘蔗葉含水率18.7%。配套拖拉機(jī)為東方紅-LX804拖拉機(jī)，拖拉機(jī)行進(jìn)速度0.6m/s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)作業(yè)后，隨機(jī)抽取一個(gè)作業(yè)行程，每隔1m，共測(cè)量30個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量開(kāi)出溝的上下底寬度、開(kāi)溝深度、回土深度，如表1所示。田間試驗(yàn)效果如圖5所示，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)得單邊平底開(kāi)溝裝置的平均深度為40.41m，底部寬度24.73cm，上底寬50.98cm，回土深度為13.77cm，滿足甘蔗葉粉碎后深埋的技術(shù)要求；底部安裝的三角側(cè)翼能夠很好地加大開(kāi)溝寬度，有效地切斷甘蔗的根須；甘蔗葉粉碎深埋機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生堵塞情況，通過(guò)性好；粉碎裝置能夠很好地將甘蔗葉進(jìn)行粉碎，機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，單邊平底裝置固定鏈接在機(jī)架的右側(cè)后方，通過(guò)時(shí)甘蔗葉粉碎較徹底。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)芜吰降组_(kāi)溝裝置開(kāi)溝效果好，滿足南方甘蔗種植區(qū)的甘蔗葉粉碎深埋的開(kāi)溝要求。

圖5 田間試驗(yàn)效果圖

x.測(cè)量距離；y.測(cè)量的深度、寬度

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的甘蔗葉粉碎深埋還田機(jī)單邊平底開(kāi)溝裝置安裝便于拆卸的深松犁頭，可在開(kāi)溝的同時(shí)對(duì)甘蔗地進(jìn)行深松，增加土壤蓄水保墑的能力。

2)針對(duì)甘蔗葉粉碎深埋設(shè)計(jì)的的扭柱型單邊平底開(kāi)溝裝置有很好的翻土和碎土效果，也有一定的回土效果。

3)試驗(yàn)結(jié)果證明：?jiǎn)芜吰降组_(kāi)溝裝置開(kāi)溝和回土效果好，滿足南方甘蔗種植區(qū)的甘蔗葉粉碎深埋的開(kāi)溝要求，開(kāi)溝深度、實(shí)際開(kāi)溝寬度都能夠達(dá)到要求，溝槽內(nèi)回土量能夠?qū)⒎鬯榈母收崛~覆蓋深埋。

4)本機(jī)器消耗動(dòng)力較小，配套中型拖拉機(jī)使用，適應(yīng)中型拖拉機(jī)發(fā)展迅速的勢(shì)頭。

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Design of Deep Buried Single Flat Ditching Equipments in Sugarcane Leaf Shattering and Returning Machine Design

Li Guanbao1,2，Liang Dong1，Li Ming2，Deng Yiguo2, Dong Xuehu2，Wei Lijiao2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China; 2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

According to the sugarcane leaf crushing and deep burying technology in the sugarcane production area in the south of China, a new type of crushing and grinding machine for sugarcane leaf was developed.This paper focuses on the design implement unilateral flat ditching device for Southern laterite requirements to determine the structural parameters of the ditching device; and by using the twisted column type of plow bottom surface design, turn the soil and soil crushing ability strong.Field experiment showed that the sugarcane leaf shattering deep returning machine through good; ditching, ditching device with an average depth of 39.95cm, width of the bottom of 25.03cm, width of the bottom 49.85cm back soil depth of 11cm, ditching good performance, reliable work, can meet the sugarcane leaves deep technical requirements.

ditching device；plough surface；crushing buried deep；sugarcane leaves

2016-05-28

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)) 科研專(zhuān)項(xiàng)( 201503136 )；科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2014GB2E000040)；廣東省部產(chǎn)學(xué)研合作重大專(zhuān)項(xiàng)子項(xiàng)目 (2012A090300015)；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)子項(xiàng)目(2014B090907006)

李官保(1992-)，男，安徽樅陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)846940844@qq.com。

李 明( 1964-) ，男，廣東化州人，研究員，(E-mail)liming282@21cn.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)05-0095-05