姜偉，薦世春，周進(jìn)，賀志永，張華

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.264100 山東省 煙臺(tái)市 煙臺(tái)市牟平區(qū)海洋與漁業(yè)監(jiān)督監(jiān)察大隊(duì)）

0 引言

玉米秸稈是我國(guó)第一大農(nóng)作物秸稈，常年產(chǎn)量約為2.5 億t，主要分布于東北地區(qū)與黃淮海地區(qū)[1]。玉米秸稈還田后在土壤微生物作用下可轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)[2]，不僅能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤結(jié)構(gòu)，而且還能促進(jìn)秸稈禁燒，保護(hù)環(huán)境[3-4]，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。2016 年，我國(guó)玉米秸稈機(jī)械化還田面積已占到機(jī)收總面積的52.33%[5]，玉米秸稈直接還田已成為我國(guó)玉米秸稈主要利用方式。

玉米秸稈還田機(jī)是實(shí)現(xiàn)玉米秸稈還田的重要裝備支撐[6]，其粉碎質(zhì)量直接影響后季作物播種質(zhì)量及產(chǎn)量[7]。目前，玉米秸稈還田機(jī)以臥式結(jié)構(gòu)的甩刀式和錘爪式兩種為主[8]，其工作原理是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的粉碎部件，將秸稈多次砍切、打擊、撕裂、揉搓，粉碎成碎段和纖維狀[9-10]。受限于工作原理，粉碎長(zhǎng)度隨機(jī)性較大[11]，切碎質(zhì)量難以保證，旋耕后秸稈累積在土壤表層，影響下茬作物播種和出苗[12-14]，一些地方甚至出現(xiàn)農(nóng)戶(hù)將還田后的秸稈運(yùn)出農(nóng)田的情況，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

為了提高玉米秸稈還田機(jī)粉碎效果，目前主要有兩種途徑，一是增大刀軸回轉(zhuǎn)半徑或者提高刀軸轉(zhuǎn)速。增加刀軸回轉(zhuǎn)半徑會(huì)導(dǎo)致刀軸扭矩急劇增加，機(jī)器可靠性降低。提高刀軸轉(zhuǎn)速在一定程度上可以改善切碎效果，但有些廠家還田機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)突破3 000 r/min，造成動(dòng)力消耗加大，錘爪片磨損加劇，嚴(yán)重影響機(jī)器使用壽命[15]；二是采用雙軸粉碎器，前軸采用錘爪粉碎器，后軸采用直刀粉碎器。工作時(shí)，前部錘爪粉碎器對(duì)粗大的秸稈進(jìn)行撿拾、初步破碎，然后輸送至后直刀粉碎器進(jìn)行再次粉碎，雖然秸稈進(jìn)行了兩次粉碎，但切碎原理未變，無(wú)法解決秸稈切碎后呈現(xiàn)絲狀的難題。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型雙軸玉米秸稈切段還田機(jī)，采用雙軸設(shè)計(jì)，分為前錘爪粉碎器和后滾筒式切碎器，錘爪粉碎器主要對(duì)玉米秸稈進(jìn)行撿拾、初步破碎，然后由后滾筒式切碎器進(jìn)行切段還田，解決了傳統(tǒng)玉米秸稈還田機(jī)作業(yè)后秸稈呈絲狀的難題，實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈精細(xì)還田，為下茬作物播種和生長(zhǎng)創(chuàng)造良好條件。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)主要由錘爪粉碎器、滾筒式后切碎器、中間喂入輥、動(dòng)力傳動(dòng)部分、懸掛部分等組成，整機(jī)設(shè)計(jì)前后兩組切碎器，前面錘爪粉碎器為粗切裝置，主要由刀軸、錘爪片和定刀組成；后面滾筒式切碎器為切段裝置，主要由刀軸、動(dòng)刀、定刀、底板組成，前后兩組切碎器旋向相反，并在前后切碎器中間設(shè)計(jì)了喂入輥，便于秸稈撿拾和切碎拋送。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram

表1 主要技術(shù)性能參數(shù)Tab.1 Main technical performance parameters

1.2 工作原理

4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)與大型輪式拖拉機(jī)配套，采用后懸掛式。工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞到分動(dòng)箱，從分動(dòng)箱兩側(cè)經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞至機(jī)器兩側(cè)，左側(cè)經(jīng)皮帶傳動(dòng)分別帶動(dòng)前錘爪粉碎器和中間喂入輥，右側(cè)經(jīng)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)后滾筒式切碎器。工作時(shí)，前錘爪粉碎器高速旋轉(zhuǎn)砍切秸稈，同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，切斷的秸稈在入口負(fù)壓和錘爪片的作用下進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)，并在機(jī)殼上部經(jīng)錘爪片和定刀多次砍切、撕裂和揉搓等綜合作用下被粉碎成小段或纖維狀[16-17]，粉碎后的秸稈在氣流和離心力的作用下拋送至擋草板，經(jīng)擋草板減速后，由中間喂入輥輸送至后滾筒切碎器，在滾刀和定刀的作用下將粗切的秸稈切段，切段后的秸稈在滾筒和底板的作用下拋送至擋板，然后均勻拋撒至地面。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 錘爪粉碎器

錘爪粉碎器是玉米秸稈還田機(jī)的核心工作部件。錘爪粉碎器撿拾能力強(qiáng)、沖擊力大，粉碎后的秸稈較長(zhǎng)，有利后續(xù)切段作業(yè)。錘爪粉碎器主要由刀軸焊合、錘爪片、定刀、罩殼及側(cè)板等零部件組成，錘爪數(shù)量及排列、刀軸轉(zhuǎn)速是其重要結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。

2.1.1 錘爪數(shù)量確定

根據(jù)還田機(jī)工作原理可知，錘爪數(shù)量有一個(gè)最佳值[8]，數(shù)量過(guò)少，秸稈粉碎效果不好；反之，消耗功率大、生產(chǎn)成本高，且會(huì)阻礙秸稈排出，造成堵塞[18]。本機(jī)工作幅寬2 200 mm，布置32 把錘爪片，其中，中間6 組間距為108 mm，其余錘爪間距為144 mm。

2.1.2 錘爪排列

錘爪排列直接影響秸稈還田機(jī)的切碎質(zhì)量、性能指標(biāo)及整機(jī)使用可靠性。通常排列方式有螺旋線排列和對(duì)稱(chēng)排列等形式，其排列形式應(yīng)滿足以下要求：一是筒軸受力均勻，滿足動(dòng)平衡要求，減少機(jī)具振動(dòng)，提高機(jī)具可靠性；二是相鄰兩錘爪的徑向夾角要大于60°[19]，以防止刀間纏草；三是螺旋排列機(jī)具秸稈拋撒應(yīng)均勻，不能向一側(cè)推移。鑒于單雙螺旋線排列秸稈側(cè)向移動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，本機(jī)采用均力免震法排列方式[20-21]，如圖2 所示。刀軸受力均勻，每次只有一組刀片打擊秸稈。

圖2 錘爪徑向排列圖Fig.2 Radial arrangement diagram of hammer claw

2.1.3 錘爪刀軸平衡分析

刀軸平衡對(duì)機(jī)具工作性能影響極大，因此需要對(duì)刀軸平衡進(jìn)行校核，本文只驗(yàn)證機(jī)具空轉(zhuǎn)時(shí)刀軸的受力是否平衡，力學(xué)分析如圖3 所示。

圖3 錘爪刀軸離心力分解示意圖Fig.3 Centrifugal force decomposition diagram on the knife-axis

對(duì)于刀軸上的錘爪，每一把工作時(shí)都會(huì)對(duì)刀軸產(chǎn)生不同方向的離心力，將錘爪理想化，作為無(wú)制造誤差和安裝誤差的均勻質(zhì)體[22]，若所有刀具對(duì)刀軸力在x、y面分力的合力分別為零，則排列方式合理，刀軸平衡。

式中：θ——錘爪與X軸夾角，°；Fi——錘爪i產(chǎn)生的離心力，N；Mc——錘爪質(zhì)量，kg；r——錘爪質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑，m；ω——刀軸轉(zhuǎn)速，rad/s。

由于本機(jī)錘爪在刀輥上采用對(duì)稱(chēng)布置，各對(duì)稱(chēng)布置的錘爪離心力Fi在x軸、y軸上的分力大小相等、方向相反，合力為零，因此式（1），F(xiàn)x、Fy均為零，理論上刀軸平衡。

2.1.4 錘爪受力分析

為了將秸稈撿拾并粉碎，刀軸的轉(zhuǎn)向與拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的旋向相反，錘爪在刀軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，撿拾并錘擊玉米秸稈，錘爪根部沖擊載荷較大，為了提高錘爪及刀軸壽命，通常錘爪與刀軸安裝座通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接。錘爪粉碎秸稈時(shí)，受到秸稈摩擦力的作用向后微擺，受力分析如圖4 所示。

圖4 錘爪受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of hammer claw

圖4 中，O1——粉碎器刀軸中心；O2——錘爪銷(xiāo)軸中心；O3——錘爪質(zhì)心；ωd——粉碎器旋轉(zhuǎn)角速度；Rc——錘爪質(zhì)心對(duì)刀軸中心的回轉(zhuǎn)半徑；Rd——錘爪遠(yuǎn)端對(duì)刀軸中心的回轉(zhuǎn)半徑；θ——錘爪擺動(dòng)角度；Fl——錘爪離心力；Fz——阻力；mg——錘爪重力；L1——刀軸中心與錘爪回轉(zhuǎn)中心的最小距離；L2——錘爪質(zhì)心到銷(xiāo)軸中心的距離；L3——錘爪銷(xiāo)軸至粉碎器刀軸中心的距離；L4——錘爪遠(yuǎn)端至錘爪銷(xiāo)軸的距離；L5——銷(xiāo)軸中心到阻力Fz作用點(diǎn)的垂直距離。

在忽略錘爪與銷(xiāo)軸之間摩擦力的情況下，由圖4 可得：

由三角形相似得：

則錘爪相對(duì)于銷(xiāo)軸中心力矩平衡方程為

整理可得：

在錘爪粉碎器工作過(guò)程中，錘爪擺動(dòng)角度θ越大越不利于玉米秸稈粉碎，由式（5）可知，當(dāng)錘爪長(zhǎng)度與安裝位置固定時(shí)，增加刀軸轉(zhuǎn)速ωd、錘爪質(zhì)量m均可減小擺動(dòng)角度，提高秸稈粉碎效果，但刀軸轉(zhuǎn)速、錘爪質(zhì)量越大，粉碎功耗亦隨之增加，同時(shí)對(duì)刀軸的動(dòng)平衡要求更為嚴(yán)格，因此需要確定合適的刀軸轉(zhuǎn)速。

2.1.5 錘爪粉碎器轉(zhuǎn)速確定

錘爪粉碎器轉(zhuǎn)速是秸稈還田機(jī)的重要工作參數(shù)，由于秸稈還田機(jī)對(duì)秸稈切碎方式屬于無(wú)（或單）支撐切割，且工作時(shí)要在入口處形成一定的負(fù)壓，因此動(dòng)刀刀端要達(dá)到一定的線速度，才能達(dá)到理想切碎效果。研究結(jié)果表明，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行切碎時(shí)，動(dòng)刀刀端的線速度大于30 m/s 時(shí)才能達(dá)到良好的粉碎效果[19]。目前，錘爪粉碎器轉(zhuǎn)速多采用1 800～2 300 r/min，本機(jī)錘爪粉碎器的主要目的是將秸稈破節(jié)、粗切，不需要過(guò)高的轉(zhuǎn)速，因此前錘爪粉碎器刀軸轉(zhuǎn)速取值為1 800 r/min。

2.2 中間喂入輥

由于前面錘爪粉碎器刀軸轉(zhuǎn)速較高，錘爪遠(yuǎn)端線速度高達(dá)45 m/s，后切碎器無(wú)法進(jìn)行切段作業(yè)，因此在前后切碎器中間設(shè)計(jì)了擋草板和喂入輥，前錘爪粉碎器粗切后的秸稈先拋送至擋草板上，然后由中間喂入輥以一定的速度向后輸送，降低了粗切秸稈的喂入速度。中間喂入輥主要由滾筒和撥齒組成，其撥齒端部輸送線速度Vs：

式中：ns——喂入輥的轉(zhuǎn)速，取1 000 r/min；ds——喂入輥端部直徑，取0.12 m。

計(jì)算可得，撥齒端部輸送線速度Vs=6.38 m/s，秸稈以較低的速度喂入滾筒式切碎器。

2.3 滾筒切碎器

滾筒切碎器主要由刀軸、動(dòng)刀、定刀、底板等組成，如圖5 所示。分為4 組切碎單元，每個(gè)切碎單元由6 把動(dòng)刀組成，刀軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 300 r/min，其理論切碎長(zhǎng)度l計(jì)算公式如式（7）：

圖5 滾筒切碎器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of drum cutter

式中：n——刀軸轉(zhuǎn)速；z——單組動(dòng)刀片的數(shù)量。

計(jì)算得秸稈切碎長(zhǎng)度理論值為27.7 mm，可以獲得較短的切碎段，切碎質(zhì)量好。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2020 年10 月，樣機(jī)在山東齊河縣焦廟鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖6 所示。田間試驗(yàn)旨在檢驗(yàn)整機(jī)工作性能，考察機(jī)器在正常作業(yè)條件下留茬高度、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、秸稈拋撒均勻度、生產(chǎn)率等指標(biāo)是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，并對(duì)秸稈切段長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)秸稈切段效果。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)180 m，寬200 m，玉米種植品種為鄭單958，采用機(jī)械播種，種植行距為600 mm，玉米果穗經(jīng)玉米收獲機(jī)收獲，玉米收獲機(jī)未進(jìn)行還田作業(yè)，其他條件如表2 所示。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test conditions

3.2 試驗(yàn)方法

4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)考核指標(biāo)為秸稈切碎長(zhǎng)度、留茬高度、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、秸稈拋撒不均勻度及純生產(chǎn)率等，其中留茬高度、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、秸稈拋撒不均勻度及純生產(chǎn)率按照GB/T 24675.6-2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定統(tǒng)計(jì)與試驗(yàn)。具體指標(biāo)要求為：留茬高度應(yīng)≤80 mm、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率應(yīng)≥85 %、秸稈拋撒不均勻度應(yīng)≤80 %、純生產(chǎn)率應(yīng)≥0.33 hm2/h。秸稈切碎長(zhǎng)度按照式（8）計(jì)算。

3.2.1 秸稈切碎長(zhǎng)度

在測(cè)定區(qū)內(nèi)，沿機(jī)器作業(yè)方向，等間距測(cè)定3點(diǎn)，用取樣網(wǎng)提取不少于0.5 kg 的樣品。在樣品中再次采用十字交叉法取小樣 200 g，揀出秸稈（葉、皮除外）測(cè)量每節(jié)長(zhǎng)度，按式（8）計(jì)算平均切斷長(zhǎng)度，3 點(diǎn)取平均值：

式中：Xi——小樣第i根秸稈切段長(zhǎng)度，mm；X——該點(diǎn)平均切段長(zhǎng)度，mm；n——秸稈個(gè)數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

2020 年10 月，樣機(jī)在山東齊河縣焦廟鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖6 所示。田間試驗(yàn)旨在檢驗(yàn)整機(jī)工作性能，考察機(jī)器在正常作業(yè)條件下生產(chǎn)率、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、留茬高度、秸稈拋撒均勻度等指標(biāo)是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.6 Chopper experiment

試驗(yàn)中拖拉機(jī)前進(jìn)速度保持在1.1 m/s，每次測(cè)試行程為20 m，并重復(fù)進(jìn)行4 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，獲得機(jī)具性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 機(jī)器試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

3.4 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)留茬高度、秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率、秸稈拋撒不均勻度等主要性能指標(biāo)均達(dá)到GB/T 24675.6-2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》要求。該機(jī)具可對(duì)粉碎后玉米秸稈進(jìn)行有效切段，且粉碎還田的玉米秸稈切碎長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于100 mm，粉碎的秸稈長(zhǎng)度變異系數(shù)為12.8%，秸稈粉碎長(zhǎng)度具有較好的一致性，切段較為均勻，雜質(zhì)較少，具有良好的作業(yè)性能。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)，確定了錘爪粉碎器錘爪排列及粉碎速度，確定了中間喂入輥及滾筒式切碎器結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)。

（2）采用雙軸切碎，錘爪式粉碎器和滾筒式切碎器分別對(duì)玉米秸稈進(jìn)行有效粉碎及切段，作業(yè)速度1.1 m/s 時(shí)，玉米秸稈平均切碎長(zhǎng)度為30.4 mm，粉碎長(zhǎng)度合格率為93.3 %，留茬平均高度39.1 mm，秸稈拋撒不均勻度11.3 %，機(jī)具各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）4JS220 型玉米秸稈切段還田機(jī)是針對(duì)玉米秸稈精細(xì)還田而設(shè)計(jì)的，主要應(yīng)用于玉米、小麥及大豆輪作種植區(qū)，也可應(yīng)用于棉稈等其他高稈農(nóng)作物秸稈精細(xì)還田。