摘要：針對(duì)現(xiàn)有機(jī)具作業(yè)時(shí)存在的秸稈粉碎還田效果差、秸稈拋灑不均勻等問題，設(shè)計(jì)一種異向雙軸香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，該機(jī)具主要由粉碎裝置、傳動(dòng)裝置、三點(diǎn)懸掛裝置組成。以機(jī)具前進(jìn)速度、粉碎刀軸轉(zhuǎn)速和刀片厚度為試驗(yàn)因素，以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展三因素三水平田間試驗(yàn)，分析各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。方差分析結(jié)果表明，對(duì)香蕉秸稈粉碎合格率來說，機(jī)具前進(jìn)速度和粉碎刀軸轉(zhuǎn)速影響極顯著，刀片厚度影響顯著；對(duì)拋撒不均勻度來說，粉碎刀軸轉(zhuǎn)速影響顯著。確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合為機(jī)具前進(jìn)速度1.4 m·s-1、粉碎刀軸轉(zhuǎn)速1 600 r·min-1、刀片厚度10 mm，在此參數(shù)下的香蕉秸稈粉碎合格率為96.76%，拋撒不均勻度為8.96%，滿足香蕉秸稈粉碎還田要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，為后續(xù)的機(jī)具升級(jí)換代提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田機(jī)；粉碎裝置；模態(tài)分析；方差分析；田間試驗(yàn)

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0799

中圖分類號(hào)：S224.29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）11009710

香蕉廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)，是世界鮮果中產(chǎn)量和貿(mào)易量最大的水果[1]。2021年我國(guó)香蕉年產(chǎn)總量達(dá)到1 172.42萬(wàn)t，同比上一年增長(zhǎng)了1.83％[2]。香蕉屬于芭蕉科芭蕉屬植物，其生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高，多為一年兩種或兩年三種。香蕉植株只能結(jié)一次果，因此采摘后會(huì)產(chǎn)生大量的秸稈在田間殘留，可達(dá)30～45 t·hm-2，占全部作物秸稈量的16.49％[？]。香蕉秸稈粉碎還田能夠顯著提高土壤有機(jī)碳含量，提升土壤固碳能力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，形成良性循環(huán)[3]，還能夠確保土壤中水分不被流失，在秸稈還田條件下，0—200 cm成熟期土層的土壤貯水量可提高14.8％，使得農(nóng)作物得到增產(chǎn)增效[4]，是一種可持續(xù)發(fā)展、綠色的有效處理秸稈的方式。

我國(guó)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)根據(jù)粉碎刀軸的安裝方式可以分為臥式和立式2種。其中，臥式香蕉秸稈粉碎機(jī)的工作效果較好，但由于機(jī)具體積大、重量重，造成功耗較大、功率浪費(fèi)的問題，而且機(jī)具也容易損壞。吳學(xué)尚等[5]通過調(diào)整粉碎刀軸高度來克服地面凹凸不平對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還原機(jī)帶來的不良影響，能較好地保護(hù)切割裝置，并且采用定刀和動(dòng)刀組合、橫向和縱向切割組合的方式，在不降低切割效率的基礎(chǔ)上提高了粉碎率。針對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的情況，吳思浩等[6]基于ANSYS Workbench對(duì)機(jī)架進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，提高機(jī)架固有頻率的同時(shí)也減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有效地減小了機(jī)架作業(yè)過程中發(fā)生共振的可能性。通過分析刀具的失效形式和機(jī)理，賀寧波等[7]對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎刀具進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，有效提高了刀具的使用壽命。魏思林[8]通過分析香蕉的生物特性及力學(xué)特性，基于仿生學(xué)原理對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后秸稈粉碎率為95.5%，秸稈覆蓋率為94.8%。已有的研究大多是在前代立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究還比較缺乏。

為了提高香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的工作性能，改善已有機(jī)具存在的秸稈粉碎還田效果差、秸稈拋灑不均勻等問題，本文對(duì)前代立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用立式雙軸、異向轉(zhuǎn)動(dòng)的粉碎方案，基于香蕉秸稈力學(xué)特性完成關(guān)鍵粉碎裝置的設(shè)計(jì)。以機(jī)具前進(jìn)速度、粉碎刀軸轉(zhuǎn)速和刀片厚度為試驗(yàn)因素，以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展三因素三水平田間試驗(yàn)，通過方差分析確定各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性影響并找出最優(yōu)工作參數(shù)組合，為后續(xù)的機(jī)具升級(jí)換代提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

異向雙軸香蕉秸稈粉碎還田機(jī)主要由機(jī)架、粉碎裝置、傳動(dòng)裝置、三點(diǎn)懸掛裝置以及安全防護(hù)板組成，如圖1所示。傳動(dòng)裝置呈T型結(jié)構(gòu)，主要由變速箱、2個(gè)從傳動(dòng)箱、3組錐齒輪組和左右2根傳動(dòng)軸組成。粉碎裝置主要包括粉碎刀片、防纏定刀、粉碎刀盤和粉碎刀軸。

機(jī)具通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。田間作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力輸送至機(jī)具變速箱，經(jīng)變速箱變速、轉(zhuǎn)向后，動(dòng)力經(jīng)側(cè)軸傳遞至兩側(cè)粉碎刀軸，帶動(dòng)粉碎刀軸異向轉(zhuǎn)動(dòng)，使粉碎刀片對(duì)向切割，從傳動(dòng)箱的錐齒輪組起到了換向作用。粉碎刀片在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)與機(jī)架兩側(cè)的定刀進(jìn)行相互作用，對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎，完成還田作業(yè)。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 田間試驗(yàn)條件 2023年，在海南省儋州市海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院智能農(nóng)機(jī)裝備研究所農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，香蕉的植株高度為2 200～2 800 mm，平均直徑160 mm 左右，生長(zhǎng)情況較優(yōu)。根據(jù)《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)[9]，試驗(yàn)田長(zhǎng)60 m，寬40 m，試驗(yàn)基地的作業(yè)環(huán)境良好，能夠滿足試驗(yàn)需求。

1.2.2 香蕉秸稈力學(xué)試驗(yàn)條件 為提高試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)樣品取自海南大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室種植的香蕉秸稈，采樣日期為2022年12月8日，選取的試驗(yàn)樣品莖稈通直且無(wú)彎曲破損，直徑約為128 mm。香蕉秸稈力學(xué)特性試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為Instron3369（測(cè)量量程為0～50 kN）進(jìn)行剪切試驗(yàn)和型號(hào)為WDW-100（測(cè)量量程為0～100 kN）進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。其他工具有PD-151型數(shù)顯式游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）、卷尺、測(cè)試夾具、毛巾、塑料袋等。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定

本文以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。

1.3.1 香蕉秸稈粉碎合格率的測(cè)定 機(jī)具完成作業(yè)后，在試驗(yàn)田內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)1 m×1 m的試驗(yàn)區(qū)域，收集被粉碎的香蕉秸稈，其總質(zhì)量記為m1，其中粉碎后長(zhǎng)度不合格的香蕉秸稈的質(zhì)量，記為m2，通過公式（1）計(jì)算香蕉秸稈粉碎合格率；對(duì)5個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的香蕉秸稈粉碎合格率取平均值即為最后的結(jié)果，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)[10]，長(zhǎng)度大于100 mm即為粉碎不合格。