牛文學，高聚林，趙永來，崔紅梅，楊雪頔

(1.內蒙古農業(yè)大學 職業(yè)技術學院，內蒙古 包頭 014100；2.內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

玉米中含有大量的蛋白質、脂肪、纖維素及微量元素等，營養(yǎng)價值極高，是我國重要的糧食與飼料作物，其播種面積占農作物總播種面積的22.08 %。2016年玉米種植面積達到3 676.8萬hm2，產量達到21 955.2萬t。其中，內蒙古的種植面積為320.8萬hm2，產量達到2 139.8萬t[1]。我國玉米秸稈年產量達到2億t以上，但玉米的秸稈處理一直是世界性難題[2]。根據國務院辦公廳下發(fā)的《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》，國家發(fā)改委、農業(yè)部聯合下發(fā)了《關于印發(fā)編制秸稈綜合利用規(guī)劃的指導意見的通知》文件，要求省、市、縣三級政府完成秸稈綜合利用規(guī)劃的編制工作，規(guī)劃中要明確鼓勵農作物秸稈綜合利用的政策保障體系、秸稈利用的產業(yè)布局和重點項目。經過科研工作者對玉米種植區(qū)內土壤有機質平衡的研究表明：每年補充810～1 425kg/hm2的有機碳，可以長期保持耕作土壤的肥力[3]。

玉米秸稈中含有大量有機質，其還田腐蝕后會可分解轉換為多種營養(yǎng)元素，能夠促進土壤中微生物繁殖，加快土壤團粒結構的形成，提高土壤蓄水保墑能力，改善土壤理化性狀，從而提高作物產量。

從還田方式上來看, 主要包括直接還田、間接還田及綜合還田3種方式。直接還田方式中的翻壓還田是我國主要的秸稈還田方式[4]；但秸稈還田以后降解速度過慢，不能及時降解，耕作層存在大量未經腐爛的秸稈，會影響下茬作物的播種和灌溉，甚至會吸收部分氮肥，不利于下茬作物的生長，因此需要額外添加一些降解菌，從而加快降解速度。

農牧交錯帶冬季溫度較低，直接還田后玉米秸稈腐蝕較慢，且影響春季的播種。試驗表明：玉米秸稈直接粉碎并拋撒于地表后投放降解菌，能夠加快秸稈降解，但來年播種時有未腐蝕的秸稈；而將粉碎后的玉米秸稈先進行聚攏，之后集中投放降解菌，秸稈降解的速率會得到明顯的改善。國內外學者主要針對改進秸稈單獨還田作業(yè)或改進秸稈還田機進行了研究[5-8]，對秸稈小間距聚攏的作業(yè)機具研究較少。

針對內蒙古地區(qū)農牧交錯帶的氣候條件，為加快玉米秸稈還田后腐熟進程，結合本課題組研制的可以大量生產的秸稈降解菌，設計了玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機。該機具能夠一次完成還田后玉米秸稈的聚攏、排菌、鎮(zhèn)壓及覆土組合作業(yè)。

1 整機結構設計

1.1 設計要求

根據農藝要求和工作條件提出以下要求：①在不停車的情況下完成聚攏、排菌、鎮(zhèn)壓及覆土作業(yè)。②整機的工作幅寬為4倍行距(4壟)。③每壟寬度小于300 mm。④降解菌為好氧菌，與氮肥、粘結劑混合，形狀為圓形顆粒狀。菌劑需投放在秸稈堆正上方，且必須與空氣充分接觸。⑤聚攏起來的秸稈堆要有一定的密度，保證秸稈不會有任何方向上的大幅度位移。⑥機具與拖拉機后部的牽引裝置連接，由拖拉機牽引其作業(yè)。

1.2 整機結構設計

根據設計要求，所設計的機具工藝工序為：秸稈聚攏→投放降解菌→覆土。整機主要包括秸稈聚攏指盤、鎮(zhèn)壓機構、覆土裝置、排菌裝置、機架及限深輪，如圖1所示。

1.聚攏指盤 2.鎮(zhèn)壓裝置 3.覆土裝置 4.排菌裝置5.機架 6.限深輪

1.3 工作原理

工作時，玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機懸掛于拖拉機后方；隨著拖拉機的前進，秸稈聚攏指盤先進行聚攏作業(yè)，將秸稈分別從玉米播種行間聚攏到行上，并安裝限深輪，以防止撥草齒過深的扎入土中；然后，對聚攏的秸稈進行排放菌劑；最后，將秸稈壓實，并在周圍覆蓋一些土壤，防止秸稈吹散，以便于菌劑發(fā)揮作用。

1.4 整機性能和結構參數設計

整機作業(yè)地為旱地，土壤堅實度較高，由拖拉機牽引作業(yè)，覆土作業(yè)的牽引阻力較大。由于前面的聚攏裝置驅動力為工作阻力，所以該機具不需要從拖拉機額外的輸出驅動力，從而使機器結構緊湊，減輕整機質量，操縱穩(wěn)定性好。

由于玉米的壟作間距為600mm，設計要求玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機設置為一次性可起4壟耕地，所以有效工作幅寬為2 400mm。機架寬度為2 500mm，長度為2 000mm，長度方向上放置有2根梁，梁對稱布置，相距1 200mm。第1根橫梁下方的交錯放置4對指盤，每對指盤相距500～600mm，由U型螺栓連接在機架前端；每個指盤的工作幅寬為200 mm。機架后上方放置排菌裝置，在第2根橫梁下方連接鎮(zhèn)壓裝置，用于鎮(zhèn)壓秸稈堆，在機架后端放置覆土裝置，并將秸稈堆兩側覆土。鎮(zhèn)壓裝置運用凹面輪，覆土裝置配置3個雙翼式曲面型培土器和兩個單翼式曲面型培土器，雙翼式曲面型培土器放置在每對指盤的中心位置上。單翼式培土器對稱布置在機架后側兩端，相距2 400mm，利用翼部將沿曲面升起的土壤向側面翻轉并堆置在秸稈堆處，實現覆蓋秸稈的作用。玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機的主要結構參數如表1所示。

表1 玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機的主要結構參數

Table 1 Main structural parameters of corn straw gather and drain bacteria and cover soil machine

參數單位數值外形尺寸mm2000×2500×1200工作幅寬mm2400行距mm500～600作業(yè)行數4配套動力kW≥50作業(yè)速度km/h8～10菌箱容積L270

2 關鍵部件設計

2.1 聚攏裝置的設計

玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機的作業(yè)對象為秸稈殘茬覆蓋地，為提高秸稈降解菌的降解效率，需要先將秸稈聚成相距600mm的草壟。此過程勞動強度較大，人工收獲效率低，所以需要實現機械化作業(yè)。國內目前尚未有成型的小行距聚攏機械，所以需要設計合理的小行距聚攏裝置。秸稈殘茬覆蓋地的地面情況與牧草割倒后的地面情況類似，可以根據摟草機為原型進行改進。對橫向摟草機、側向滾筒式摟草機、水平旋轉式摟草機、指盤式側向摟草機進行比較表明，指盤式摟草機具有適應地形性能好、結構簡單、牧草的移動距離短、損失較低、工作時不依靠拖拉機動力裝置、由工作阻力驅動指盤旋轉等優(yōu)點[9]，所以選擇以指盤為原型進行改進。

2.1.1 總體設計

聚攏裝置主要由指盤、指盤支架及仿型機構等組成，可以實現不同區(qū)域的連續(xù)運作，如圖2所示。仿型機構采用平行四桿仿形機構，可以在地表起伏不大的田地上工作能得到單體仿形性能。指盤支架由60Si2Mn彈簧鋼制成，以保證在規(guī)定范圍內其彈性變形可以承受一定的載荷，并不會發(fā)生永久變形，保證指盤的工作角度不會發(fā)生變化。

2.1.2 指盤外形設計

作業(yè)的工作寬幅為200mm，每壟相距600 mm，結合秸稈收集前后的高度，選定指盤的直徑為560 mm。指盤由彈齒、壓盤、法蘭、軸承、螺母和螺栓構成，如圖3所示。法蘭放置在壓盤中心，由螺栓螺母將彈齒等間距的固定在兩個壓盤中間。壓盤外圈的孔可以繼續(xù)用螺栓螺母，將彈齒進行雙重限位。法蘭的內測放置軸承，便于安裝支架。

指盤作業(yè)的地形較為復雜，要求指盤的彈齒具備一定的剛度和強度，同時在彈齒遇到障礙或者撞擊時彈齒能夠具有一定的彈性和韌性。根據機具的工作性質要求，彈齒的材料選擇60Si2Mn彈簧鋼。彈齒與支架的彈性變形能力使整個機構有著較好的抗拉強度、彈性極限和疲勞強度，從而使得機構可以在沖擊、振動和長期交變應力下使用。

1.指盤 2.指盤支架 3.仿型機構

1.彈齒 2.壓盤 3.法蘭 4.軸承 5.螺母 6.螺栓

2.1.3 指盤的夾角設計

聚攏裝置的主要工作部件是指盤，但指盤的半徑較小，按照摟草機的排布方式放置指盤時工作效率不高。為了高效完成作業(yè)任務，指盤平面的水平直徑與機器的前進方向成一定角度(指盤的偏角α)的同時，指盤平面與平行于該水平直徑的鉛垂面之間也存在一個夾角，為指盤的傾角β。放置位置如圖4所示。

圖4 指盤位置示意圖

2.2 單圓盤開溝器

將降解菌按要求劑量投放到秸稈堆中，主要由排菌裝置完成。為了提高菌種的利用率，排菌量需要根據機具前進速度來調整排菌器的轉速，故排菌結構使用外槽輪式變量排菌器，并由直流電機帶動，直流電機由單片機控制。單片機以機具前進速度為參數，對直流電機的轉速進行控制，從而達到精準排菌的目的。

2.2.1 外槽輪排菌器設計

外槽輪式排菌器由排菌盒、外槽輪及軸組成，如圖5所示。排菌盒上方與菌箱相連，菌料從下部出口排出。外槽輪將排菌盒分為完全分離的上下兩部分，軸的一端連接外槽輪的內壁，另一端與鏈輪相連，直流電機通過鏈輪帶動軸旋轉。工作時，菌料靠自身重力充滿排菌盒上部及外槽輪凹槽內，隨著外槽輪的旋轉，凹槽中的菌料由上部帶到下部，菌料因為重力從出口排出，從而實現排菌。該排種器結構簡單，流動性較好，便于控制，整體以塑料為主，減少了菌料對機構的腐蝕[10]。

2.2.2 排菌裝置的排量控制

該控制系統(tǒng)由磁感應式速度傳感器、單片機、直流電機等組成，與拖拉機配合使用。采用拖拉機蓄電池供電，具有廣泛的通用性。全電動的排菌過程簡化了復雜的機械傳動機構，降低設計成本和操作、維修難度。工作時，磁感應式速度傳感器采集機具運動速度，將信號輸入單片機內，單片機通過機具的運動速度及預先設定的單位面積排菌量，通過算法計算出該時刻的實際排菌量，并實時調節(jié)電機轉速，使實際排菌量與定值相一致，從而實現變量排菌。其原理如圖6所示[11]。

圖6 排菌裝置排量控制原理圖

2.3 鎮(zhèn)壓裝置的設計

秸稈聚攏以后，處于松散的狀態(tài)，為了長時間讓秸稈處于堆積的狀態(tài)，在聚攏結束后需要對秸稈進行鎮(zhèn)壓，以便增大密度、縮小體積、增強聚攏效果。同時，根據農藝要求，兩側秸稈密度相對于投放菌種中間處的密度需要更大一些。設計鎮(zhèn)壓器時，其直徑直接影響鎮(zhèn)壓效果及滑移率：直徑越小，作業(yè)中的鎮(zhèn)壓輪滑移率越大，同時出現拖、壅物料現象的幾率也隨之增大；直徑越大，越易傳動，可減小作業(yè)中的滑移率，但過大的直徑會增大作業(yè)過程中的滾動阻力；直徑不同，對物料的鎮(zhèn)壓程度也不同[12]。

鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓輪、輪輞支撐架、壓力調節(jié)機構及聯接機構組成，如圖7所示。鎮(zhèn)壓裝置依靠U型螺栓與機架固定。鎮(zhèn)壓輪寬度是由秸稈聚攏后的集聚情況決定的，一般對于鎮(zhèn)壓器寬度而言，寬度過小易造成秸稈堆周圍土壤下沉，在地表形成溝狀；寬度過大，相同作業(yè)載荷下，會因鎮(zhèn)壓器與土壤接觸面積增大而使其對土壤產生的壓強減小，從而不能達到預定的鎮(zhèn)壓效果。根據農藝的需求設計鎮(zhèn)壓輪為工作幅寬300mm的凹面輪，凹面輪兩邊直徑200mm，中間100mm。凹面輪對菌種附近的中間秸稈壓實程度較弱，以滿足菌種對氧氣的需要。壓力調節(jié)機構由調節(jié)拉桿、彈簧及輪輞支撐架上的凹槽構成，彈簧一端和調節(jié)拉桿相連，另一端固定在輪輞支撐架上。將調節(jié)拉桿拉到不同的凹槽內，彈簧的彈力會發(fā)生變化，彈簧對輪輞支撐架的拉力也就隨之改變，從而迫使鎮(zhèn)壓輪會對物料施加不同的壓力，從而使調節(jié)拉桿可以調節(jié)鎮(zhèn)壓后的秸稈堆的高度。壓力調節(jié)裝置一共分為Ⅰ～Ⅴ擋，擋位越高，對物料施加的壓力越大。將高度為200mm的秸稈堆進行鎮(zhèn)壓實驗，結果表明：調節(jié)拉桿位于Ⅰ擋時，滾壓1次，高度方向可擠壓為150mm；Ⅴ擋時，滾壓1次，高度方向可擠壓為120mm。

1.鎮(zhèn)壓輪 2.輪輞支撐架 3.壓力調節(jié)裝置

2.4 覆土裝置的設計

鎮(zhèn)壓裝置對秸稈堆進行碾壓后，秸稈堆的寬度會有小幅度的增加，導致機具作業(yè)效果不能符合農藝要求，需要添加機構對秸稈堆的寬度進行約束。經過擠壓的秸稈堆難以一直保持擠壓后的狀態(tài)，所以在鎮(zhèn)壓秸稈后需要再添加覆土裝置，將部分土壤覆蓋秸稈。降解菌為好氧菌，需要與空氣充分接觸，降解菌周圍的秸稈需暴露在空氣中。綜上所述，覆土裝置要做到秸稈堆兩側覆土，而中間部分保持原有狀態(tài)，結合土壤實際情況，選用曲面型培土器作為覆土裝置的工作部件。曲面型培土器主要由鏟柱、右培土壁、右調節(jié)壁、左調節(jié)壁、 左培土壁、鏟尖和鏟胸等組成，如圖8所示。

1.鏟柱 2.右培土壁 3.右調節(jié)壁 4.左調節(jié)壁 5左培土壁 6.鏟尖 7.鏟胸

鏟胸和培土壁一起構成鏟體曲面，鏟尖主要實現破土的作用，鏟體曲面實現破碎、翻轉土壤，并將土壤推向兩側的作用。鏟尖使用螺栓固定，磨損后可及時更換，其工作幅寬可由調節(jié)桿調節(jié)，調節(jié)范圍為250～350 mm，工作深度30～50 mm。鏟尖呈三角形，工作面近似為凸曲面。鏟刃應進行淬火處理，使其具有較好的入土性能和良好的耐磨性。翼板曲面參數在設計時根據土壤性質確定[13]，加工時盡量保證工作面各處光滑過渡，減小工作阻力，最大限度減少粘土現象，且可以使土壤沿光滑曲面穩(wěn)定移動。

3 聚攏裝置的參數確定

聚攏裝置中彈齒的運動軌跡直接影響著秸稈的聚攏狀態(tài)。在指盤平面的中心，建立右手直角坐標系:x軸的正向與機器前進方向一致，z軸指向遠離地面的方向。將指盤簡化成圓，在投影面上的投影如圖9所示。

圖9 指盤投影簡圖

3.1 指盤的運動學分析

簡圖中指盤上某點的絕對運動是由機組的前進運動和指盤的回轉運動合成，軌跡在XOZ平面內為擺線，在直徑為560mm的指盤邊緣上表現為短擺線。指盤圓上的任意一點的空間運動軌跡為

式中R—分析點距離坐標原點的距離；

ω—指盤角速度；

t—時間；

α—指盤偏角；

β—指盤傾角；

v—指盤前進速度。

圖10 指盤邊緣某一點的運動軌跡

由公式(2)得到：在指盤的結構尺寸特定時，指盤的工作參數主要有偏角α、傾角β及前進速度v；而影響彈齒運動軌跡的主要有偏角α與傾角β，從計算機繪圖中表明前進速度不會影響其運動軌跡。

3.2 指盤偏角α的分析

為了研究偏角α對指盤運動的影響，設定指盤半徑R=280mm，機器前進速度v=10km/h，傾角β=30°，繪制出偏角α分別為45°、42°、39°、36°、33°、30°的運動軌跡，如圖11所示。

1.α=30° 2.α=33° 3.α=36° 4.α=39° 5.α=42° 6.α=45°圖11 偏角α與運動軌跡的關系

由圖11可知：偏角α越大，指盤投影在YOZ平面內的橢圓短徑越大，工作幅寬越大。由YOX平面的投影視圖可知：當y方向上移動量一定時，偏角α越大，x方向的移動量增大，秸稈的位移增大，秸稈損失量也隨之增大；當偏角α過大時，指盤會出現滑移現象，工作效率下降，牽引阻力增大。當前進速度一定時，偏角α越大，秸稈運動時垂直于機具前進方向的速度分量越大，導致秸稈的橫向位移增大，聚攏起來的壟寬隨之增加。

3.3 指盤傾角β的分析

為了研究傾角β對指盤運動的影響，設定指盤半徑R=280mm，機器前進速度v=10km/h，偏角α=45°，繪制出β分別為42°、36°、30°、24°、18°的運動軌跡，如圖12所示。

1.β=18° 2.β=24° 3.β=30° 4.β=36° 5.β=42°

由圖12可知：傾角β越大，指盤投影在YOZ平面內的橢圓長軸越偏于水平方向，工作幅寬越大，同時秸稈在豎直方向的移動越小；當傾角β過大時，指盤在豎直方向上的高度太小，會出現聚草的現象，同時出現滑移現象，工作效率下降，牽引阻力增大。

綜上分析表明：在不出現滑移的現象時，指盤的偏角α越大越好，傾角β越小越好。在調整工作幅寬時，優(yōu)先考慮增大傾角β。

3.4 彈齒數的確定

為了保證指盤能連續(xù)轉動和摟集秸稈，指盤上要設有一定數量彈齒。由于指盤的直徑較小，彈齒數量過多會造成纏草的情況，根據中國農業(yè)科學院草原研究所對摟草機的研究：彈齒數m可用通過角Φ等于彈齒間夾角θ偶數倍關系確定，即Φ=Kθ(K=4、6、8、…)[14-15]。結合指盤自身的運動特征，得

式中R—指盤半徑；

β—指盤傾角；

h—物料厚度；

m—彈齒數目。

假設秸稈厚度為60mm，取K=6，則m=24。

在內蒙古包頭市土默特右旗的10月田間進行試驗，直徑為560mm的指盤在聚攏碎秸稈(秸稈長度≤100mm)的作業(yè)中，指盤傾角為0～40°時指盤不會出現滑移現象；再根據指盤的工作幅寬，確定指盤偏角30°～60°，彈齒數目為24時整機工作性能較好。

4 田間試驗與結果

4.1 試驗基本條件

田間性能試驗在內蒙古包頭市土默特右旗的內蒙古農業(yè)大學職業(yè)技術學院玉米試驗田進行，試驗地屬于一年一熟的平原區(qū)，土壤為壤土，年降水量400mm左右。試驗日期為2017年11月1日，氣溫-10°，土壤含水率為13.9%。試驗區(qū)域為玉米收貨后，秸稈粉碎還田，秸稈覆蓋量4.5kg/m2。

玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機的優(yōu)點為：能夠將秋收后粉碎的玉米秸稈集條，且覆蓋適量土壤，加入玉米秸稈降解菌后加快秸稈腐蝕，使還田后的秸稈變?yōu)榈?年播種時的有機肥料。其解決了農牧交錯地帶保護性耕作中玉米秸稈腐蝕不完全的問題，有利于推廣農牧交錯地帶的保護性耕作。玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機照片如圖13(a)所示，田間試驗如圖13(b)所示。

圖13 玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機及田間試驗

4.2 試驗結果

4.2.1 漏摟率

漏摟率參考國家標準GB/T14247-2015《摟草機試驗方法》[16]。試驗時，漏摟率行程為5 m，撿拾機具通過后未能摟到且長度大于70mm的玉米秸稈，定義為漏摟秸稈。稱量5m內平均漏摟秸稈質量為m1，稱量行程5m內摟集秸稈質量為m2，m1與m2的比值為漏摟率。通過試驗測得該機漏摟率為2%，滿足設計要求。

4.2.2 秸稈集條寬度

秸稈集條寬度在每個行程選5m，每隔0.5m測量一次秸稈集條寬度。試驗測得該機秸稈集條寬度為0.28～0.35 m，滿足設計要求。

4.2.3 排菌量

由于田間試驗過程中外槽輪排菌裝置將玉米秸稈降解菌與尿素排入集條的秸稈上，因此較難測試排量。試驗用腐熟劑為內蒙古農業(yè)大學職業(yè)技術學院自主提取的玉米秸稈降解菌與尿素混合而成。排菌器的排菌性能在室內的播種器性能實驗臺中進行，外槽輪轉速與整機前進速度與試驗相同，測得外槽輪排菌器的降解菌與尿素混合物最大排出質量流率為0.152 kg/s，滿足設計要求。

4.2.4 破土深度

覆土裝置破土深度直接影響著機具覆土量及覆土作業(yè)的效果。試驗后，每隔0.5m測量培土器工作前后高度差，測試100m試驗區(qū)共200個測量點取平均值，測得平均破土深度為4.57mm，滿足設計要求。

5 結論

1)設計了該機具的指盤式聚攏裝置，外槽輪式排菌裝置，鎮(zhèn)壓輪式鎮(zhèn)壓裝置，培土式覆土裝置。

2)通過分析聚攏裝置中彈齒的運動軌跡得到：指盤傾角為0°～40°。指盤偏角30°～60°、彈齒個數為24時，聚攏裝置工作性能較好。

3)進行了玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機的試驗，結果表明：該機漏摟率為2%，秸稈集條寬度為0.28～0.35m，外槽輪排菌器的降解菌與尿素混合物最大排出質量流率為0.152kg/s，平均破土深度為4.57mm，滿足設計要求。