摘要：針對目前香蕉秸稈粉碎效果不佳、能耗高、粉碎后秸稈腐化速度慢及腐熟程度低等問題，設計一款具有腐熟劑噴施裝置的香蕉秸稈粉碎還田機。設計了直式異形甩刀，刀輥的排列方式為對稱單螺旋排列，粉碎刀軸轉速范圍為1 500～1 860 r·min-1，噴施裝置選用容積為180 L的藥箱和噴射角為90°的扇形噴頭，單噴頭流量為0.8 L·min-1，4個噴頭分別間隔370 mm固定于藥桿。以機器前進速度和刀輥轉速為自變量，以秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度為應變量進行二因素三水平的田間試驗和進行對比試驗。試驗結果表明，機器前進速度為1.4 m·s-1，刀輥轉速為1 860 r·min-1，此時香蕉秸稈粉碎合格率為93.08%，拋撒不均勻度為12.11%。實現(xiàn)了香蕉秸稈粉碎與腐熟的聯(lián)合作業(yè)，相較于前代機具，不僅提升了秸稈的粉碎效果，還促進了秸稈有機質的分解，為后續(xù)香蕉秸稈腐熟還田機的研究提供技術參考。

關鍵詞：農業(yè)機械；香蕉秸稈；秸稈粉碎；秸稈腐熟；田間試驗；異形甩刀

doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0150

中圖分類號：S224.29 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）09‐0093‐12

香蕉種植遍布亞洲、美洲、非洲、大洋洲和歐洲等地[1]。我國是全球第二大香蕉生產和消費國，主要種植在廣東、廣西、海南、云南和福建等地區(qū)，此外，重慶、四川、貴州等地也有少量種植[2]。根據(jù)聯(lián)合國糧食組織數(shù)據(jù)，2022年我國香蕉產量達1 177 萬t，預計超過2 500 萬t 的秸稈留在田間[3]。傳統(tǒng)的香蕉秸稈處理方法包括自然腐爛和焚燒，但這些方法增加了勞動成本，引發(fā)環(huán)境污染，導致富含氮、磷、鉀、鎂、鈣等有機元素的大量損失。目前，我國的香蕉秸稈處理方式主要有3種：粉碎還田后轉化為有機肥料、提取纖維用作工業(yè)原料和回收處理后作為動物青飼料[4]。

秸稈粉碎還田作為應用廣泛且高效、綠色的方法，通過將粉碎后的秸稈拋撒在田間提高土壤肥力，減少化肥施用，防止水分流失等[5]。隨著農機裝備研究的深入，我國香蕉秸稈還田機械在適應性、操作性和作業(yè)質量等方面成果顯著，研發(fā)的立式和臥式香蕉秸稈粉碎還田機都具有較高實用性[6]。吳學尚等[7]設計的甩刀立式香蕉秸稈粉碎機結構簡單、能耗低，滿足還田要求。李志強等[8]設計的縱向雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機創(chuàng)新地排列刀軸，提升了秸稈粉碎率，減少了纏繞問題。但由于香蕉莖稈粗壯、纖維含量豐富，不僅加大了粉碎的難度，也使得切碎后秸稈碎渣難以在短時間分解轉化，且相對較高的含水率也會降低秸稈在土壤中的降解和轉化速度[9]。腐熟劑中含有大量的有機物質和微生物，可以提供更多的降解菌種和酶，添加腐熟劑可以加速秸稈的分解過程，從而提升粉碎后秸稈的還田效果和改善土壤質量。

盡管香蕉秸稈粉碎還田機的研究已經趨于成熟，但是針對香蕉秸稈獨特的生物特性[10]，為促進秸稈降解、提高作業(yè)效率和保證更佳的粉碎效果和還田效果，有必要設計一種具有腐熟劑噴施裝置的香蕉秸稈粉碎還田機，本研究將粉碎與腐熟2個關鍵環(huán)節(jié)整合在1臺機器上，在粉碎過程中添加腐熟藥劑，不僅加快粉碎后秸稈碎渣的腐熟效果和速率，還可以提高土壤中的有機質含量，利于作物生長，一次完成粉碎與腐熟的復合作業(yè)。

1 材料與方法

1.1 總體設計方案

1.1.1 整機結構設計

整機主要組成部件包括機殼、三點懸掛裝置、傳動裝置、粉碎裝置、噴施裝置、限深輪和鎮(zhèn)壓輥等，如圖1所示。其中，傳動裝置包括變速箱、主鏈輪、從鏈輪和鏈條；粉碎裝置包括刀輥、直式異形甩刀、刀座和焊接在機殼上的定刀；噴施裝置包括藥箱、吸藥泵、藥桿、噴頭和連接藥桿與噴頭的橡膠軟管。

1.1.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機通過三點懸掛裝置牽引機具前進，且將動力經傳動軸傳遞至變速箱，再由鏈輪機構將動力輸送至粉碎裝置。高速旋轉的甩刀切削和撕裂作業(yè)區(qū)地面上的香蕉秸稈，同時帶動秸稈碎塊高速旋轉，隨后機殼上方的定刀與甩刀相互配合將秸稈切碎，切碎后的秸稈碎塊由粉碎作業(yè)區(qū)的擋板引導散落在地面上。機器持續(xù)行進，秸稈碎塊進入腐熟劑噴施區(qū)域，吸藥泵抽取藥箱內已經混合好的藥液，通過橡膠軟管輸送至藥桿，再由噴頭均勻噴灑于秸稈碎塊上，其中噴頭噴灑的角度可通過機殼兩側弧形槽口進行調整。腐熟劑噴施完成后，機殼后端的擋板將土壤表面的秸稈碎塊刮平，最后由鎮(zhèn)壓輥壓實土壤。主要技術參數(shù)見表1。

1.2 香蕉秸稈剪切力學試驗

利用Instron3369型萬能試驗機，將5組在秸稈相似位置且長度為150 mm、直徑約125 mm的香蕉秸稈以支撐剪切的方式對其進行剪切試驗，并記錄試驗過程中對秸稈施加的載荷的變化過程，試驗機加載速度設置為50 mm·min-1，加載深度為110 mm，刀具向下移動并向秸稈施加載荷。測量并記錄試驗臺配套軟件中的載荷與位移量，取5次測量的平均結果，將其導入Origin 2021中生成剪切力-位移曲線。

1.3 重要部件結構設計

粉碎裝置是整個機器的關鍵部分，其直接影響著機器工作效能、整機功耗、機身平衡性以及秸稈的粉碎效率和拋撒均勻度等[11]。本研究采用臥式刀軸設計，并對核心部件進行結構優(yōu)化。

1.3.1 粉碎刀片的結構設計

本文選用直式異形甩刀，對普通直刀結構進行優(yōu)化，增加刀尖處的寬度和質量，并在刀尖背部添加一對對稱的扇型結構。扇葉主要由基準面和迎風面組成，扇葉的迎風面與粉碎刀片面垂直。刀片的結構如圖2所示。

1.3.2 粉碎刀片的受力分析

以刀片為研究對象、以刀輥軸心為旋轉中心進行受力分析，如圖3所示。

忽略刀寬和銷軸對刀片摩擦力的影響，銷軸中心到甩刀尖的距離及偏轉甩刀重心到原狀態(tài)甩刀重心的距離計算如下。

h = L cos θ （1）

h1 = L1 sin θ （2）

R2／h1 = R3／L2（3）

式中，h 為銷軸中心到甩刀尖的距離，m； h1為偏轉甩刀重心到原狀態(tài)甩刀重心的距離，m；θ為偏轉角，（°）；L 為直式異形甩刀長度，m；L1 為偏轉甩刀質心到銷軸中心的距離，m；L2 為偏轉甩刀質心到銷軸中心的偏移距離，m；R2 為偏轉甩刀質心的旋轉半徑，m；R3 為銷軸中心到刀輥中心的距離，m。

作用于刀片上相對于銷軸中心的力矩平衡方程如下。

FT L cos θ = mL1 sin θ （g + ω2 R3 ） （4）

tan θ = FT L／mL1（ω2R3 + g）（5）

式中，ω 為刀輥角速度， rad·s-1；m 為甩刀質量，kg。

1.3.3 優(yōu)化后異形甩刀的靜力學分析

對刀片進行靜力學仿真分析可為刀片在實際工作時產生的受力情況提供理論基礎[14]。建立有限元模型，將在Solidworks軟件中建立的粉碎刀片三維模型導入ANSYS Workbench軟件中，對導入的模型進行網格劃分，如圖4所示。

粉碎刀片是通過銷軸鉸接在刀座之上，因此，在粉碎刀片的連接孔處設置為Fixed Support。還田機進行粉碎作業(yè)時，粉碎刀片的轉速一般在1 500～1 900 r·min-1[12]，因此，將粉碎刀片的轉速設置為1 700 r·min-1。通過前期對香蕉秸稈進行力學特性試驗發(fā)現(xiàn)，香蕉秸稈被切斷大約需要2 500 N的力[13]。因此，對粉碎刀垂直于的刀刃處施加大小為2 500 N，并均勻分布在刀刃上。

1.3.4 刀輥的轉速設計

進行秸稈粉碎作業(yè)時，粉碎甩刀的轉速對秸稈的粉碎效果有重要影響，其絕對轉速取決于機器的前進速度和刀輥轉速[14]，因此刀輥轉速是確保刀片有效切割和順利拋撒還田的關鍵參數(shù)。若刀輥轉速過慢，刀片受到的向心力下降，將可能達不到切斷秸稈所需力的要求；反之，若刀輥轉速過快，切割效果可能更好，然而刀片的快速旋轉會導致秸稈被一次性切斷，撿拾效果不佳，無法滿足撿拾后的二次粉碎要求[15]。

為了保證秸稈的粉碎質量，選擇合理的刀輥轉速至關重要。分析了刀片在作業(yè)時的運動狀態(tài)，以機具前進方向為正方向，以粉碎刀輥軸心為坐標系原點、以粉碎刀片刀尖位置作為觀察點建立直角坐標系，刀片的運動軌跡形成周期性螺旋曲線，如圖5所示，軌跡方程如式（6）所示。

式中，X 和Y 為粉碎刀尖觀測點在直角坐標系中橫、縱坐標的瞬時位置；v 為機器前進的度，m·s-1；t 為作業(yè)時間，s；R 為刀輥軸心到刀尖觀測點的距離，m；ω 為刀輥旋轉角速度， rad·s-1。

對軌跡方程式（6）中的時間t 進行求導，可得刀尖在X 方向和Y 方向的分速度。

式中，vx 和vy 分別為粉碎刀尖在X 方向和Y 方向的分速度，m·s-1。

由粉碎刀尖處的分速度，經速度合成可得刀尖處瞬時絕對速度（vc）。

由式（8）可知，影響刀尖處絕對速度的因素為機器的前進速度、刀尖與刀輥軸心處的距離和刀輥角速度，當?shù)都廪D動到水平且與機器前進速度相同時，刀尖處的絕對速度最大。

vcmax = v + vc （9）

vr = 60vcmax ／2πR （10）

式中，vcmax 為刀尖處瞬時絕對速度最大值，m·s-1；vr 為刀輥轉速， r·min-1；v 為機器前進速度，m·s-1；R 為刀尖觀測點到刀輥軸心出的距離，m。

1.4 粉碎刀片在刀輥上的排布

根據(jù)秸稈粉碎還田機械刀片的排列要求[16‐17]，必需遵循以下2個原則：粉碎刀在刀輥上的排列要滿足徑向受力和軸向受力的平衡，以滿足刀輥的動平衡要求；相鄰2個刀座在刀輥上的徑向夾角必需大于等于60°?？紤]到香蕉秸稈的特性，如果相鄰的2個刀座之間的距離過小，雖然刀片排列較密，可以提高秸稈的撿拾效果，但會導致刀片纏繞嚴重，同時機器的負荷也會超過承受能力。如果距離過大，粉碎時會漏撿過多，無法達到預期的粉碎效果。綜上所述，本研究設計相鄰2個刀座之間的軸向距離為90 mm，徑向夾角為60°，采用對稱螺旋線排列方式，具體的刀片分布情況如圖6所示。

1.5 噴施裝置關鍵部件設計

1.5.1 噴頭選型設計

噴頭作為腐熟劑噴施裝置的終端部件，對粉碎后秸稈的腐熟質量有重要影響。按照粉碎后噴施腐熟劑的順序，將藥桿設定在粉碎刀輥之后600 mm處，固定于機殼上方內測的弧形槽中，便于根據(jù)實際作業(yè)需求調整藥桿的角度。本研究選用孔徑為0.91 mm，噴射角度為90°的扇形噴頭。

Q = MvB／600n （11）

式中，Q 為噴頭噴量， L·min-1；M 為用藥量，L·hm-2；v 為機器前進速度，km·h-1；B 為作業(yè)幅寬，m；n 為噴頭數(shù)。

對于本研究所選用的噴頭，忽略液體在噴頭中流動的位能和能量的損耗，則藥劑噴出時的初速度和噴頭噴出液體的體積計算如下。

A = πr孔2 （12）

V液= ∫πr孔2 v水dt （13）

式中，A 為截面面積， mm-1；r孔為噴頭孔徑，mm；V液為噴出液體體積， mm3；v水為液體噴出速度，m·s-1。

為合理設置各噴頭之間的距離，綜合藥桿在機具的安裝位置、噴頭噴施速度和噴灑角度等因素[18]，噴頭安裝如圖7所示。

1.5.2 藥箱設計

考慮到整機質量和空間位置，本研究設計一種異形藥箱，該藥箱既便于固定在機具上，又能滿足施用要求。藥箱外形為圓柱形設計，頂部設有1個藥液加注口和1個排氣孔，側壁設計分隔板，底部設計凹陷的沉水槽，這樣設計即使在劇烈震動和晃動的作業(yè)環(huán)境下也能減少藥液在藥箱中波動并且在藥液量較少時將藥液清空，保證了機器運行的平穩(wěn)性。其腐熟裝置如圖8所示。

當藥箱裝滿腐熟藥劑時的作業(yè)面積計算公式如下。

S = 180 × 25vB／Q （14）

式中，S 為作業(yè)面積，m2。

1.6 田間試驗

1.6.1 試驗條件

遵循《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》（GB/T 24675.6—2021）的規(guī)定[19]，針對香蕉秸稈粉碎及噴施還田機進行田間試驗，旨在驗證機具的作業(yè)性能和粉碎后秸稈腐化效果。試驗地點位于海南省儋州市海南大學機電工程學院智能農機裝備研究所的農機試驗基地。香蕉植株的高度約為2 100～2 800 mm，平均直徑約為50～80 mm，平均含水率為33.8%，地塊內種植情況良好，地形相對平坦，滿足試驗需求。

試驗所用牽引動力源為型號是M804-A的雷沃歐豹拖拉機，為更準確地判定機具的作業(yè)效果，標定功率為59.0 kW。

1.6.2 試驗指標

為更準確地判定機具的作業(yè)效果，選取香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為試驗指標。根據(jù)《農業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》[20]的要求，香蕉秸稈粉碎還田的長度大于10 cm即為粉碎不合格。

香蕉秸稈粉碎合格率的測定：每個行程在測區(qū)長度方向上等間距測定3點，共6點，每點隨機選擇1 m×1 m區(qū)域進行測定，將區(qū)域內所有粉碎的香蕉秸稈收集并稱重；記錄所收集秸稈粉碎不合格的秸稈重量，計算每個測定區(qū)域的香蕉秸稈粉碎合格率對6個測定區(qū)域的香蕉秸稈粉碎合格率，取平均值即為最后的結果。

Rq = （m1 - m2／m1 ）× 100% （15）

式中，m1 為測定區(qū)域內粉碎香蕉秸稈的總質量，kg；m2 為測定區(qū)域內粉碎不合格香蕉秸稈的質量，kg；Rq為測定區(qū)域內的香蕉秸稈粉碎合格率（質量分數(shù)），％。

利用秸稈拋撒不均勻度與秸稈粉碎合格率對田試驗效果進行評價，計算公式如下。

式中，Mi為第i個測定區(qū)域內香蕉秸稈的質量，kg；-M為測定區(qū)域內各點香蕉秸稈的平均質量，kg；Fb為香蕉秸稈的拋撒不均勻度（質量分數(shù)），％。

1.6.3 試驗方案

拖拉機的行駛速度影響著機具內香蕉秸稈的喂入量，同時香蕉莖稈的殘茬也會對拖拉機的行駛產生一定的阻礙。在實際作業(yè)中，拖拉機的行駛速度一般為0.8～2.0 m·s-1[21]，本研究選取1.1、1.4和1.7 m·s-1 的機器前進速度進行試驗。結合前文參數(shù)分析，粉碎刀輥的最佳轉速為1 833 r·min-1，若粉碎刀輥的轉速過快將容易導致粉碎室內氣流速度增大，從而將未完全粉碎的香蕉秸稈帶出，降低粉碎合格率，若刀輥轉速過慢，將不粉碎刀軸轉速能達到切斷秸稈的力學要求，因此，本研究選取粉碎刀軸轉速1 500、1 680、1 860 r·min-1 進行試驗。為確定機器的最優(yōu)工作參數(shù)，選取機器前進速度、粉碎刀輥轉速為試驗因素，香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度為試驗指標，開展二因素三水平田間試驗。

1.7 對比試驗

在田間試驗之前，通過預實驗比較3種腐熟劑種類，不同施藥量對秸稈腐熟影響大小，選取最佳腐熟劑施用方案。

為了驗證經過優(yōu)化設計的具有腐熟劑噴施裝置的秸稈粉碎還田機在粉碎還田后的秸稈腐熟效果，將其與傳統(tǒng)的臥式秸稈粉碎還田機進行對比試驗。

2 結果與分析

2.1 香蕉秸稈剪切試驗結果分析

由圖9可知，在剪切試驗過程中，隨著刀具的向下移動，秸稈所受剪切力整體呈上升趨勢，但是在載荷加載中段，發(fā)生小幅波動，最后急速下降。這是因為隨著刀具向秸稈內部切入，刀具與秸稈纖維組織摩擦力增大，隨之剪切力也增大，刀具切入，破壞了秸稈葉鞘組織結構，因此剪切力發(fā)生波動，達到中心髓部位置時，剪切力進一步增大，髓部產生裂痕，秸稈抗剪能力下降，摩擦力降低，剪切力曲線呈急速下降趨勢。

2.2 粉碎裝置關鍵部件的參數(shù)確定

2.2.1 粉碎刀片參數(shù)確定

刀片包括刀柄、刀身、刀刃和銷軸連接孔，綜合考慮粉碎刀片與粉碎刀盤的安裝尺寸，避免粉碎刀片出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象，本研究設計刀片主要參數(shù)為：刀片厚度10 mm、刀柄寬度40 mm、刀柄長度20 mm、刀刃長度150 mm 以及刀片的回轉半徑250 mm。

2.2.2 粉碎刀棍轉速確定

考慮到整機重量和刀輥的抗變形與抗震動要求，采用空心軸設計的刀輥，材料選用20CrMnTi[22]。刀輥壁厚為15mm，外徑尺寸為85 mm，刀尖到刀輥軸心的距離為250 mm。根據(jù)試驗驗證和相關資料[23]得知機器的前進速度為1.1～1.7 m·s-1。根據(jù)國家標準，粉碎刀片刀尖的線速度最小為34 m·s-1，而當?shù)都獾木€速度達到48 m·s-1 時，粉碎效果最佳且功耗最低[16]，因此，選擇刀尖的線速度為48 m·s-1。通過計算，得到刀輥的轉速1 833 r·min-1，本次試驗刀輥轉速范圍選取1 500～1 860 r·min-1。

2.3 粉碎刀片受力分析

由式（5）可知，刀片長度、刀片質量和刀輥的角速度都會影響機器作業(yè)時甩刀的偏轉角度，偏轉角越大，秸稈的撿拾效果和粉碎效果越差。因此，將刀片的形狀創(chuàng)新設計，增加刀尖部分的寬度和扇型結構，在保證刀片整體結構強度的前提下，增加了刀片質量，減小了偏轉角，進而有效提升了撿拾和粉碎效果。

為保證秸稈粉碎質量，需合理選擇上述參數(shù)。綜合考慮機身尺寸、整機平穩(wěn)性、機器能耗和粉碎效果后，確定刀片長度為0.17 m，刀片質量為1.25 kg，刀輥角速度為157～200 rad·s-1。

2.4 粉碎刀片靜力學分析結果

通過Static Structural 求解得到粉碎刀片的變形云圖和應力云圖如圖10 所示?？梢钥闯?，粉碎刀片受力后的最大變形量為0.195 07 mm，最大變形位置發(fā)生在刀尖位置，結合刀片工作實況，該變形不影響粉碎刀片對香蕉秸稈的粉碎效果，在可接受范圍內。粉碎刀片的等效應力最大為247.77 MPa，所受應力最大區(qū)域在刀具銷軸孔處，此時應力小于65 Mn鋼的屈服強度[σ]=270 MPa，粉碎刀刃處的應力集中較小，小于許用應力，刀片滿足強度條件，材料安全可用，刀片的設計滿足作業(yè)要求。

2.5 噴施裝置參數(shù)確定

2.5.1 噴頭參數(shù)確定

綜合考慮作業(yè)環(huán)境、噴頭覆蓋率和噴灑均勻性3 方面的因素，確定機具橫向布置噴頭數(shù)為4，機器前進速度為3.96～6.12 km·h-1[24]，作業(yè)幅寬為1.5 m，用藥量為250 L·hm-2，將上述數(shù)值代入式（11）得單個噴頭流量為0.62～0.96 L·min-1。取單個噴頭流量為0.8 L·min-1，r孔為0.91 mm，計算得出液體噴出的初速度為20.51 m·s-1。

假設在工作幅寬為1 500 mm、噴頭與秸稈的垂直距離為195 mm時，噴頭與藥桿兩端的距離為195 mm，各噴頭間距370 mm，噴施重疊寬度為20 mm，藥劑噴施均勻，符合工作要求。

2.5.2 藥箱參數(shù)確定

藥箱具體的尺寸參數(shù)為：藥箱外徑400 mm，長度1 500 mm，總液體容積約180 L，當取單個噴頭流量為0.8 L·min-1，4個噴頭工作，機具前進速度為1.4 km·h-1，工作幅寬為1.5 m，通過計算得出為8 438 m2，可以達到生產率要求。

2.6 田間試驗結果及方差分析

田間試驗方案和結果如表2 所示，為探究各個試驗因素對試驗指標的顯著性影響，應用Minitab19 軟件進行方差分析，結果如表3所示。

根據(jù)表2和表3可知，機器前進速度對香蕉秸稈粉碎合格率具有顯著影響。粉碎刀輥轉速B 對香蕉秸稈粉碎合格率具有極顯著影響，對拋撒不均勻度Fb具有顯著影響。

當機器前進速度一定時，香蕉秸稈粉碎合格率與粉碎刀輥轉速呈正相關，隨著粉碎刀輥轉速的增大，粉碎刀片對秸稈的剪切力也隨之增大，加速了秸稈的粉碎。若轉速過快，容易加劇機架的振動和機器的能耗，影響機器的使用壽命和粉碎效果；當轉速過慢時，無法對香蕉秸稈造成有效的粉碎，秸稈纖維極易纏繞粉碎刀片，從而造成粉碎裝置失效，影響機器的正常作業(yè)。當粉碎刀輥轉速為1 860 r·min-1 時，香蕉秸稈粉碎合格率最高且拋撒不均勻度Fb最小。因此，粉碎刀輥轉速B選取1 860 r·min-1。

根據(jù)表2和表3，綜合考慮香蕉秸稈的粉碎效果、機器功耗等因素，本研究選取香蕉秸稈粉碎還田機優(yōu)化工作參數(shù)組合為：機器前進速度1.4 m·s-1、粉碎刀輥轉速1 860 r·min-1（A2B3）。為檢驗優(yōu)化組合的可靠性進行驗證試驗，此時香蕉秸稈粉碎合格率為93.08％ ，拋撒不均勻度為12.11％，滿足香蕉秸稈粉碎質量的要求。

2.7 對比試驗結果分析

試驗時選用益富源公司的秸稈腐熟液，按照預實驗結果調配腐熟劑藥液，并設定機器的行進速度均為1.4 m·s-1，刀輥轉速均為1 860 r·min-1。在海南大學儋州農機試驗基地進行田間試驗，之后每隔6 d記錄機器還田后秸稈的顏色變化、軟化情況和質量變化，試驗結果如表4～5和圖11所示。試驗結果表明，香蕉秸稈粉碎過程中施用一定量的腐熟劑對粉碎后的秸稈的腐化率產生顯著影響。秸稈粉碎還田后顏色和硬度都發(fā)生變化，但是，在粉碎過程中施用腐熟劑會加快秸稈顏色和硬度的轉變。直接粉碎的秸稈在第66天開始變黑和腐爛，而施用腐熟劑的秸稈會在第54天開始變黑并完全腐爛。

本研究也測定了香蕉秸稈粉碎后12、24、36、48和60 d的剩余質量（圖11），在1～60 d，2種粉碎方式后秸稈質量都在減小，但是施用腐熟劑的粉碎方式會讓秸稈在第20天左右失重率明顯加快，最大降幅達到43.7%，而在60 d內，直接粉碎的秸稈失重率只有31.3%。這種施用能夠明顯提高秸稈的腐化速度和腐熟程度，降低粉碎后秸稈的質量，使秸稈中氮、磷、鉀和有機質等能更大程度地還施于土壤，從而有利于后期作物的再次種植。

3 討論

在香蕉種植業(yè)中，香蕉秸稈的處理一直是具有挑戰(zhàn)性的問題，主要是因為其高含水率、脆性以及纖維豐富等特點。目前，已有的香蕉秸稈粉碎還田機通過切碎秸稈并將其還田，初步解決了這一問題。然而，在這一過程中，機具設計存在一些缺陷，導致粉碎效果和還田效果不佳的問題尚未得到解決。為了進一步提升香蕉秸稈的粉碎效果和還田效果，本研究在臥式粉碎還田機的基礎上增加了腐熟劑噴施裝置，并對粉碎裝置進行了優(yōu)化，設計了一種新型的香蕉秸稈粉碎還田機，旨在加速秸稈的分解，從而提高還田效果，促進香蕉的二次種植。

粉碎刀片在刀輥上的排列方式對整機平穩(wěn)性、機器能耗和秸稈的粉碎效果有重要影響[16]，不合理的刀片排列方式不僅會影響秸稈的粉碎效率，也可能導致機器劇烈震動甚至損壞[17]。本研究設計一種直式異形甩刀，采用對稱螺旋線排列方式。相較于傳統(tǒng)的直刀，新設計的刀尖質量增加，從而獲得較大的向心力，降低了對機具轉速的要求。為了進一步提升香蕉秸稈的粉碎效果，提高機具的工作效率，對粉碎刀片性能的進行分析。當粉碎刀輥轉速一定時，隨著機器前進速度的增大，香蕉秸稈粉碎合格率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因為隨著機器前進速度的增大，喂入機器內的香蕉秸稈量也隨之增大，香蕉秸稈粉碎合格率得到提高；當增大到一定值時，由于前進速度過快，導致香蕉秸稈的喂入量過多，且粉碎刀輥轉速與前進速度之比變小，機器對秸稈無法進行充分粉碎，秸稈粉碎合格率隨之降低。蕉園內多為磚紅壤，這種土壤具有較強的粘性，會對機器的前進速度造成一定的阻礙。若機器的前進速度過慢，會導致粉碎作業(yè)時間的延長，導致工作效率降低、機器的功耗增大。通過二因素三水平的田間試驗，選取香蕉秸稈粉碎還田機優(yōu)化工作參數(shù)組合為機器前進速度為1.4 m·s-1，刀輥轉速為1 860 r·min-1，此時秸稈的粉碎合格率達到93.08%，拋撒不均勻度為12.11%，滿足了預期目標要求。但在實際生產中，很難確定一種通用的作業(yè)速度，因為不同的作業(yè)速度可能會受到多種因素的影響，包括但不限于土壤濕度、香蕉秸稈的密度和濕度、機械設備的性能等。雖然本研究選擇的作業(yè)速度在特定條件下可能表現(xiàn)良好，但在實際生產中需要根據(jù)具體情況進行調整和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的處理效果和經濟效益。噴頭在藥桿上的安裝位置直接影響腐熟藥劑的噴施效果，若噴頭間距過大，會有漏噴現(xiàn)象，若噴頭的間距過小，兩噴頭之間的藥劑噴施會出現(xiàn)大量重疊，這將造成藥劑浪費。本研究噴施裝置選用容積為180 L的藥箱和噴射角為90°的扇形噴頭，單噴頭流量為0.8 L·min-1，4個噴頭分別間隔370 mm 固定于藥桿，可以達到生產率要求。

本文將香蕉秸稈粉碎與腐熟劑噴施結合，實現(xiàn)了聯(lián)合作業(yè)，從而提升了還田效果。對比試驗驗證顯示，相較于傳統(tǒng)香蕉秸稈粉碎還田機，本研究設計的機器粉碎還田后秸稈的腐化速度和腐熟程度更優(yōu)。然而，本研究中土壤養(yǎng)分測定的內容相對較少，僅對比了傳統(tǒng)機械與本研究的腐熟效果。因此，在后續(xù)試驗中需測定使用腐熟粉碎機具的香蕉地土壤養(yǎng)分，以與傳統(tǒng)粉碎機具做進一步對比分析。

參考文獻

［1］ 鄒冬梅，范瓊.世界香蕉生產、貿易現(xiàn)狀與產業(yè)展望[J].廣東農業(yè)科學， 2022， 49（7）：131-140.

ZOU D M， FAN Q. Present situation of globle bananaproduction and trade and prospect for banana industry [J].Guangdong Agric. Sci.， 2022，49（7）：131-140.

［2］ 王全永，歐燕芳.我國香蕉產業(yè)標準化現(xiàn)狀和對策[J].中國標準化， 2021（3）：147-152.

WANG Q Y， OU Y F. Present situation and countermeasuresof banana industry standardization in China [J]. ChinaStandard.， 2021（3）：147-152.

［3］ 張喜瑞，胡旭航，劉俊孝，等.香蕉秸稈離散元仿真粘結模型參數(shù)標定與試驗[J].農業(yè)機械學報， 2023，54（5）：121-130.

ZANG X R， HU X H， LIU J X， et al .. Calibration andverification of bonding parameters of banana straw simulationmodel based on discrete element method [J]. Trans. Chin. Soc.Agric. Mach.， 2023，54（5）：121-130.

［4］ 李雙，梁棟，張喜瑞，等. 香蕉莖稈纖維提取刀片的改進設計[J].食品與機械， 2019，35（1）：130-135.

LI S， LIANG D， ZHANG X R， et al .. Improved design ofbanana stalk fiber extraction blade [J]. Food Mach.， 2019，35（1）：130-135.

［5］ 陳玉鳳，王明林.秸稈還田機械化生產的優(yōu)勢及作業(yè)注意事項[J].農機使用與維修， 2022（11）：110-112.

CHEN Y F， WANG M L. Advantages of mechanizedproduction of straw returning and operation precautions [J].Agric. Mach. Using Maintenance， 2022（11）：110-112.

［6］ 孫鵬，劉滿意，王蓓蓓.香蕉秸稈不同還田模式對土壤微生物群落的影響[J].熱帶生物學報， 2021，12（1）：57-62.

SUN P， LIU M Y， WANG B B. Effects of fresh harvestedbanana foliage on the soil microbial community structures [J].J. Trop. Biol.， 2021，12（1）：57-62.

［7］ 吳學尚，李粵，張喜瑞，等.甩刀式立式香蕉秸稈粉碎機的設計[J].農機化研究， 2014，36（4）：83-86.

WU X S， LI Y， ZHANG X R， et al .. The design of the verticalflail banana stalk crushing machine [J]. J. Agric. Mech. Res.，2014，36（4）：83-86.

［8］ 李志強，李粵，賀寧波，等.縱向雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機的設計與試驗[J].中國農機化學報， 2020，41（3）：180-184.

LI Z Q， LI Y， HE N B， et al .. Design and test of longitudinaldouble roller banana straw crushing and returning machine [J].J. Chin. Agric. Mech.， 2020，41（3）：180-184.

［9］ 裴培，李佳新，鄧曉玉，等.生物質香蕉秸稈應用于包裝材料開發(fā)的潛力探究[J].綠色包裝， 2021（12）：21-26.

PEI P， LI J X， DENG X Y， et al .. Research on the Potential ofbanana straw biomass on the development of packagingmaterials [J]. Green Packaging， 2021（12）：21-26.

［10］ 劉國歡，鄺繼云，李超，等. 香蕉秸稈資源化利用的研究進展[J].可再生能源， 2012，30（5）：64-68.

LIU G H， KUANG J Y， LI C， et al .. Research progress onutilization of banana stalk waste [J]. Renew. Energy Resour.，2012，30（5）：64-68.

［11］ 郭超凡，李粵，姚德宇，等.仿生香蕉秸稈粉碎裝置關鍵部件作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 中國農機化學報， 2022，43（1）：93-100.

GUO C F， LI Y， YAO D Y， et al .. Optimization and experimentof operating parameters of key components of bionic bananastraw crushing devices [J]. J. Chin. Agric. Mechan.， 2022，43（1）：93-100.

［12］ 趙燦，楊帆，汝紹鋒，等.覆土式秸稈粉碎還田機的設計與分析[J].海南大學學報（自然科學版）， 2021，39（2）：185-191.

ZHAO C， YANG F， RU S F， et al .. Design and analysis of soilcoveredstraw grinder [J]. J. Hainan Univ. （ Nat. Sci.）， 2021，39（2）：185-191.

［13］ 胡雙燕，胡敏娟.可降解穴盤切割刀具優(yōu)化設計與有限元分析[J].中國農機化學報， 2021，42（9）：44-52.

HU S Y， HU M J. Optimized design and finite element analysisof cutting tools for degradable cavity trays [J]. J. Chin. Agric.Mechan.， 2021，42（9）：44-52.

［14］ 宋雅婷. 1XHJ-1600型臥式香蕉假莖粉碎還田機關鍵部件的優(yōu)化設計與試驗研究[D].?？冢汉Ｄ洗髮W， 2016.

SONG Y T. Design and optimization of key components ＆ testof horizontal banana straw crushing machine [D]. Haikou：Hainan University， 2016.

［15］ 王毅超.二次拋送式棉秸稈粉碎還田機設計與試驗[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學， 2020.

WANG Y C. Design and test of secondary feeding type cottonstraw crushing and returning machine [D]. Urumqi： XinjiangAgricultural University， 2020.

［16］ 鄭智旗，何進，李洪文，等.動定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置設計與試驗[J].農業(yè)機械學報， 2016，47（S1）：108-116.

ZHENG Z Q， HE J， LI H W， et al.. Design and experiment of strawchoppingdevice with chopping and fixed knife supported slidecutting [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach.， 2016，47（S1）：108-116.

［17］ 姬江濤，李慶軍，蔡葦.刀具布置對莖稈切碎還田機振動的影響分析[J].農機化研究， 2003（4）：63-64.

JI J T， LI Q J， CAI W. Influence analysis of cutter arrangementon the vibration of field straw chopper [J]. J. Agric. Mech. Res.，2003（4）：63-64.

［18］ 陳園勝.液體腐熟劑變量噴施裝置的設計與研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2017.

CHEN Y S. Design and research on variable spraying device ofliquid putrefactive [D]. Wuhan： Hubei University of Technology，2017.

［19］ 楊兆文，陳培敏，劉茂玉，等.保護性耕作機械第6部分：秸稈粉碎還田機： GB/T 24675.6—2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

［20］ 郝文錄，劉恒新，朱良，等.農業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定：GB/T 5262—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

［21］ 王自強，李粵，張喜瑞，等.溝齒式香蕉假莖粉碎還田機設計與試驗[J].農機化研究， 2018，40（12）：55-59.

WANG Z Q， LI Y， ZHANG X R， et al .. Design and experimenton banana stalks disintegrator with double shafts [J]. J. Agric.Mech. Res.， 2018，40（12）：55-59.

［22］ 趙昌勝.高速工具鋼在模具制造中的應用及熱處理[J].模具制造， 2011，11（11）：88-90.

ZHAO C S. Application and heat treatment of high-speed toolsteel in die amp; mold manufacture [J]. Die Mould Manufacture，2011，11（11）：88-90.

［23］ 張喜瑞，王自強，李粵，等.滑切防纏式香蕉秸稈還田機設計與試驗[J].農業(yè)工程學報， 2018，34（3）：26-34.

ZHANG X R， WANG Z Q， LI Y， et al .. Design and experimentof sliding-cutting and anti-twining returning device for bananastraw [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2018，34（3）：26-34.

［24］ 戴飛，張鋒偉，趙春花，等.快速腐熟秸稈還田機設計與試驗[J].農業(yè)機械學報， 2010，41（4）：47-51.

DAI F， ZHANG F W， ZHAO C H， et al .. Design andexperiment on straw returning machine with fast decomposinginoculant spray equipment [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach.，2010，41（4）：47-51.

基金項目：海南省重點實驗室和工程技術研究中心建設專項（HD-YSZX-202103）。