基于東北高寒地區的秸稈還田機的改良與創新

葛宜元+王晨超+王洋+周遠航+邱新偉

摘要秸稈還田機是耕作機械的一種，主要為了進行保護性耕作，增加土壤有機質含量，防止土壤沙化、水土流失等現象。但是，我國秸稈還田機大部分采用旋耕機模式進行改制，在實際生產與應用中效果并不理想。特別對于東北高寒地區來說，若把秸稈粉碎還田，則會造成機器功率消耗過大；東北地區冬季時間長、氣溫低，導致秸稈腐蝕不完全，春耕整地期間，造成堵塞、纏繞現象。為此，本文專門針對東北高寒地區的氣候及土壤特性，對秸稈還田機進行改革與創新。

關鍵詞秸稈還田機東北高寒地區電子控制梳理機構生物腐蝕劑噴灑裝置

基金項目：黑龍江省青年科學基金項目（QC2011C073）；黑龍江省普通高等學校青年學術骨干支持計劃項目（1252G058）；黑龍江省高校科技成果產業化前期研發培育項目；黑龍江省大學生創新創業訓練項目（201310222051）；佳木斯大學科技創新團隊建設計劃項目資助（Cxtd-2013-01）

作者簡介：葛宜元（1983-），女，黑龍江人，博士，講師，碩士研究生導師，主要從事田間機械及機械可靠性的研究，E-mail：65696787@qq.com。

0前言

秸稈還田機是對收獲后的農田殘余秸稈進行處理后直接深埋的機械。據測定，濕玉米秸稈含氮量為0.61%，含磷量為0.27%，含鉀量為2.28%。如每畝地還田秸稈1000 kg，則可增加有機質150 kg，每畝地一年若還田鮮玉米秸稈1250 kg，則相當于4000 kg土雜肥的有機質含量，含氮、磷、鉀相當于18.75 kg碳銨、10 kg過磷酸鈣和7.65 kg硫酸鉀，還能補充其他多種營養元素，故秸稈還田對于改良土壤有著積極的作用＼[1-5＼]。

山東農業大學通過對山東農業大學農試站土地進行少免耕試驗，測得進行秸稈還田后的土壤有機質含量明顯高于普通耕作的土壤，在0～50 cm土層中，進行秸稈還田的土壤含水率比未進行秸稈還田的土壤高出1.48%～7.38%，并且可以有效減少化肥的使用，防止土壤板結等＼[6＼]。

對于三季或兩季耕作的土地來說，需要在秸稈還田之后進行下一季的耕作，這就要求對秸稈的粉碎較為完全，殘余秸稈長度不能超過一定限度，而對于東北地區來說，土地進行一季度耕作，在進行秋收之后，要經歷漫長的冬季嚴寒時段。如果像南方那樣對秸稈進行過渡粉碎，則會造成功率消耗增大，增加耕作成本；如果粉碎度達不到一定標準，又會造成腐蝕不完全，來年春耕時秸稈滿天飛、纏繞機械的現象。針對這種情況，提出幾點關于東北高寒地區的秸稈還田機的改革與創新，以期達到解決問題的目的。

1機械傳動機構的改良

以往秸稈還田機大部分采用機械式傳動，這種動力傳動方式在傳動過程中操作不便，其拖拉機動力輸出箱配備的動力花鍵鍵數不同，與秸稈還田機相連接時，需要配套鏈接，其動力消耗與液壓傳動大體相同。

農業機械的工作環境比較惡劣，在傳動的過程中如果無法做到較好的密封，則會造成動力消耗進一步增大，且傳動部件會過快損壞，達不到預期壽命。利用機械傳動，無法對機器轉速進行無級變速控制，工作轉速和拖拉機前進速度配合較為困難。

采用液壓傳輸動力，可以避免在傳動過程中機械部件空間結構的影響，在進行秸稈還田機設計時，不必考慮動力結構的空間總成，只需在機器一側加裝液壓馬達，解決動靜平衡即可。利用液壓傳動，最終將流體動力轉換為機械運動，可以有效節約機器的占地空間，減輕機器總重。

通過對液壓油路和PLC電路板、控制軟件、電路線路的設計，可以根據拖拉機前進的速度與土壤的濕度、堅實度，控制秸稈還田機刀輥的旋轉速度，以期達到最好的秸稈還田效果。在進行工作的時候，通過PLC上自動程序與手工操作的切換，根據實際工作環境，進行人工控制秸稈還田機的轉速，以適應更加惡劣的工作環境，保障秸稈還田機的適用范圍。

2秸稈梳理機構

農作物進行機械收獲之后（特別是小麥、水稻、大豆、玉米等），從聯合收獲機出來的秸稈往往成行堆放（此處指全喂入式聯合收獲機械），在進行秸稈還田時會將秸稈還田機頂起，造成無法入土或入土深度不夠，秸稈還田效果不理想，甚至對機器產生損傷。成行秸稈進行還田時，很容易造成秸稈纏繞現象，輕則使秸稈還田機浮于土壤表面，不能入土，重則與覆蓋裝置產生干擾，增加還田刀的阻力，使其斷裂。增加秸稈還田機的轉速，可以減輕這種現象，但是旋轉速度增加，則會提高整機的設計、制造成本和耕作成本，而且影響秸稈的覆土填埋效果。

基于此，在秸稈還田機的前方，增加秸稈梳理機構，如圖2，利用四桿機構帶動鑲有仿形齒的鋼管進行左右擺動，利用四桿機構的急回特性產生振動，將堆積較厚的秸稈進行四下拋灑，使其薄而勻地覆蓋在地表，從而減小翻埋難度，進而可以降低刀輥轉速，節約耕作成本，仿形齒固定橫梁與秸稈還田機橫梁用平行四桿機構進行連接，在仿形齒橫梁兩端安裝地輪，以達到仿形效果，在機器工作期間，保證仿形齒不會因為與地面接觸而造成損壞，增加其使用壽命，也可以達到更好的翻埋效果。

3生物腐蝕劑噴灑裝置

東北地區進行秋收之后，在短暫的時間內就進入冬季，由于冬季溫度太低，土壤內的大部分微生物不再進行活動，嚴重影響了秸稈的腐蝕效果。來年開春，溫度還在較低時候就需要進行整地，大部分秸稈并不能在一個冬季完全腐蝕，造成了耕作的麻煩。這就需要在秸稈還田之前，在秸稈表面噴灑腐蝕劑。傳統的化學腐蝕劑使用量大，經濟效果差，且對環境產生較大破壞，為此，選用生物腐蝕劑。

山東如皋市土肥站殷麗萍等在江安鎮徐柴村針對不同的生物腐蝕劑進行了對比試驗，篩選了生物腐蝕劑＼[7＼]。傳統工作方式是先用噴灑裝置將生物腐蝕劑和附著物進行噴灑，再進行下一步工作，其會對土壤進行兩次碾壓，不利于作物生長，且費工費時，經濟效益差。

本文在梳理機構和旋耕機構之間加裝了生物腐蝕劑噴灑裝置，如圖3，對梳理拋灑過的秸稈噴上生物腐蝕劑。生物腐蝕劑中含有大量的可以在低溫嚴寒下活動的微生物菌類，附著在秸稈表面，利用秋收之后、入冬之前和來年開春的短暫時間進行快速腐蝕，再加上冬季嚴寒狀況下的腐蝕，可以在第二年春耕時將所有秸稈完全降解腐蝕掉。在梳理機構上方安裝光電傳感器，利用其在不同材質之間反射與傳輸速度不同的特點，測定秸稈的厚度，根據秸稈厚度控制裝置控制電控閥門的開啟大小，進而控制生物腐蝕劑的噴灑量，進行精確噴灑，降低經濟成本。endprint

4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現纏草現象，增大功率的損耗，且纏繞現象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構造，在旋轉時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調節生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉速，以保證在高速作業的情況下，不影響作業質量。

利用電子傳感處理裝置，根據地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現精準作業，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結論

針對東北高寒地區應用的秸稈還田機，在結構方面創新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現精準作業，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節約成本。根據秸稈數量，改變拖拉機前進速度，只需調節單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉速，以適應不同的土地情況。通過創新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

＼[1＼]單鶴翔，盧昌艾，張金濤，等.不同肥力土壤下施氮與玉米秸稈還田對冬小麥氮素吸收利用的影響＼[J＼].植物營養與肥料學報，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]劉世平，聶新濤，張洪程，等.稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效應分析＼[J＼].農業工程學報，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吳健生，劉建政，黃秀蘭，等.基于面向對象的土地整理區農田灌排系統自動化識別＼[J＼].農業工程學報，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統＼[J＼].農業機械學報，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]趙鵬，陳阜.豫北秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮利用及土壤硝態氮的短期效應＼[J＼].中國農業大學學報，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艷，樊貴盛，周懷平，等. 秸稈還田方式對旱地玉米產量和水分利用效率的影響＼[J＼].農業機械學報，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷麗萍，丁峰，鄒忠，等.不同種類秸稈腐熟劑應用效果對比研究＼[J＼].現代農業科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述＼[J＼].電子測量與儀器學報，2011，25（5）：389-399.（03）endprint

4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現纏草現象，增大功率的損耗，且纏繞現象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構造，在旋轉時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調節生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉速，以保證在高速作業的情況下，不影響作業質量。

利用電子傳感處理裝置，根據地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現精準作業，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結論

針對東北高寒地區應用的秸稈還田機，在結構方面創新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現精準作業，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節約成本。根據秸稈數量，改變拖拉機前進速度，只需調節單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉速，以適應不同的土地情況。通過創新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

＼[1＼]單鶴翔，盧昌艾，張金濤，等.不同肥力土壤下施氮與玉米秸稈還田對冬小麥氮素吸收利用的影響＼[J＼].植物營養與肥料學報，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]劉世平，聶新濤，張洪程，等.稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效應分析＼[J＼].農業工程學報，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吳健生，劉建政，黃秀蘭，等.基于面向對象的土地整理區農田灌排系統自動化識別＼[J＼].農業工程學報，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統＼[J＼].農業機械學報，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]趙鵬，陳阜.豫北秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮利用及土壤硝態氮的短期效應＼[J＼].中國農業大學學報，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艷，樊貴盛，周懷平，等. 秸稈還田方式對旱地玉米產量和水分利用效率的影響＼[J＼].農業機械學報，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷麗萍，丁峰，鄒忠，等.不同種類秸稈腐熟劑應用效果對比研究＼[J＼].現代農業科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述＼[J＼].電子測量與儀器學報，2011，25（5）：389-399.（03）endprint

4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現纏草現象，增大功率的損耗，且纏繞現象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構造，在旋轉時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調節生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉速，以保證在高速作業的情況下，不影響作業質量。

利用電子傳感處理裝置，根據地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現精準作業，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結論

針對東北高寒地區應用的秸稈還田機，在結構方面創新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現精準作業，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節約成本。根據秸稈數量，改變拖拉機前進速度，只需調節單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉速，以適應不同的土地情況。通過創新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

＼[1＼]單鶴翔，盧昌艾，張金濤，等.不同肥力土壤下施氮與玉米秸稈還田對冬小麥氮素吸收利用的影響＼[J＼].植物營養與肥料學報，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]劉世平，聶新濤，張洪程，等.稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效應分析＼[J＼].農業工程學報，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吳健生，劉建政，黃秀蘭，等.基于面向對象的土地整理區農田灌排系統自動化識別＼[J＼].農業工程學報，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統＼[J＼].農業機械學報，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]趙鵬，陳阜.豫北秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮利用及土壤硝態氮的短期效應＼[J＼].中國農業大學學報，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艷，樊貴盛，周懷平，等. 秸稈還田方式對旱地玉米產量和水分利用效率的影響＼[J＼].農業機械學報，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷麗萍，丁峰，鄒忠，等.不同種類秸稈腐熟劑應用效果對比研究＼[J＼].現代農業科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述＼[J＼].電子測量與儀器學報，2011，25（5）：389-399.（03）endprint