Y 型甩刀式秸稈粉碎還田機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計與性能試驗

潘佛雛，康建明，顏利民

（新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司，新疆 石河子832011）

棉花秸稈是棉花收獲后的作物殘體，為避免秸稈焚燒造成環(huán)境污染，現(xiàn)大力提倡秸稈粉碎還田，以提升土壤的有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)。棉花秸稈粉碎還田的方式主要有人工清理和機(jī)械清理兩種方式。人工清理，費時費力，效率低[1-2]。機(jī)械化清理主要是采用秸稈粉碎還田機(jī)對棉花秸稈直接粉碎并還田，按工作部件的運動方式可分為臥式和立式秸稈粉碎還田機(jī)[3-4]。

國外發(fā)達(dá)國家早在20 世紀(jì)60 年代就開始對秸稈機(jī)械化還田進(jìn)行研究[5]。美國萬國公司于60 年代首次在聯(lián)合收割機(jī)上安裝切碎機(jī)對秸稈粉碎還田[6]。德國肯勃公司研制的玉米莖稈作物切碎機(jī)能完成秸稈的回收、切碎、性能可靠，但整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]。意大利的OMARV 公司開發(fā)了能滿足不同作物殘留秸稈粉碎還田的機(jī)械，工作幅寬1.2-6 m，價格昂貴[8-9]。綜觀國外機(jī)械化秸稈還田技術(shù)，機(jī)具品種多，性能可靠，但價格昂貴[10-12]。

我國從上世紀(jì)80 年代開始對秸稈還田機(jī)械進(jìn)行研究[13]。河北省農(nóng)機(jī)化所對秸稈還田機(jī)刀片的設(shè)計、選材及刀片形狀進(jìn)行了分析比較，探討了最佳刀片密度及最佳排列方式[14]。毛罕平和陳翠英[15]建立了秸稈還田機(jī)刀軸系統(tǒng)的離散化模型及臨界轉(zhuǎn)速的計算式，確定了刀軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。張晉國和高煥文[16]通過試驗研究，得出了刀片在不同切割速度下，對短稈、長稈、秸稈不同含水率、不同刀刃厚度、有定刀和無定刀等情況下的切斷率曲線。雖然國內(nèi)對于秸稈粉碎機(jī)械的研究報道較多，但主要是玉米、牧草及麥秸稈的應(yīng)用，而對于棉花秸稈切割粉碎方面的研究報道較少。因此，研制一種高效實用的棉花秸稈粉碎還田機(jī)，對實現(xiàn)棉花秸稈的資源化和商品化，以及促進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)民增收均具有重要的現(xiàn)實意義。

1 Y型秸稈粉碎還田機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 Y型秸稈粉碎還田機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

Y 型秸稈粉碎還田機(jī)主要有機(jī)架、變速箱、側(cè)傳動軸、限深輥、支架、刀軸、懸掛架等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 Y 型秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Y type cutting device of smashed straw machine

表1 主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 The table of main technical parameter

1.2 工作原理

本機(jī)是利用拖拉機(jī)動力輸出軸，通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)的粉碎部件，對棉桿進(jìn)行直接粉碎并還田。工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的Y 型甩刀對地上的棉桿進(jìn)行砍切，并在喂入口處負(fù)壓的作用下將其吸入機(jī)殼內(nèi)，使秸稈在多次砍切、打擊、撕裂揉搓作用下成碎斷狀，均勻的拋灑在田間。

2 Y型秸稈粉碎還田機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 Y型甩刀的材料選擇及加工工藝

考慮刀片經(jīng)常與秸稈、土塊等摩擦，工作條件極其惡劣，所以要求選材具有較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊韌性。本機(jī)刀片材料選用65 Mn。熱處理工藝：將刀片加熱到880-900 ℃，保溫10 min 后淬火，然后在180-200 ℃回火2 h，表面硬度達(dá)到HRC48-56，芯部硬度達(dá)到HRC33-40。

2.2 Y型甩刀的排列密度和排列方式

2.2.1 Y型甩刀的排列密度 在作業(yè)幅寬、 刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度相同的條件下，Y 型甩刀數(shù)量過少，達(dá)不到秸稈粉碎的要求；反之，消耗功率過大，制造成本提高并且妨礙碎秸稈的排出，造成堵塞并影響粉碎質(zhì)量。Y 型甩刀的排列密度（C）計算為：

式中：N 為甩刀數(shù)量；L 為作業(yè)幅寬（m）。對于Y 型甩刀，刀片的排列密度一般為0.23-0.4 片/cm。

本機(jī)刀片數(shù)量N=90， 作業(yè)幅寬L=230 cm，則C=0.39 片/cm。

2.2.2 Y型甩刀的排列方式 合理的排列方式不僅能提高粉碎質(zhì)量，還可使機(jī)具運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。常見的排列方式有螺旋線排列、對稱排列和交錯平衡排列等方式。本機(jī)采用均勻免震法，沿刀軸圓周方向均勻排列甩刀，并根據(jù)秸稈粉碎的要求，對稱安裝兩把甩刀。Y 型甩刀結(jié)構(gòu)示意見圖2，安裝排列方式見圖3。2.3刀軸轉(zhuǎn)速及動平衡校核

2.3.1 刀軸轉(zhuǎn)速的確定 在機(jī)具前進(jìn)時，刀片的絕對速度是由機(jī)組的前進(jìn)速度和刀軸的回轉(zhuǎn)運動所合成。為使刀片在整個切割過程中對秸稈不產(chǎn)生推搓現(xiàn)象，因此要求其絕對運動為余擺線（圖4）。

設(shè)Y 型甩刀運動軌跡上任意點坐標(biāo)M（x,y），則其在時間t 內(nèi)的位置如下式：

圖2 Y 型甩刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of Y type cutting device

圖3 刀具排列示意圖Fig.3 Arrangement diagram of Y type cutting device

圖4 Y 型甩刀運動軌跡分析Fig.4 Trajectory analysis of Y type cutting device

式中：R 為甩刀回轉(zhuǎn)半徑（m），ω 為刀軸角速度（r/s），t 為刀軸運動時間（s），vm為機(jī)組前進(jìn)速度（m/s）。

由上式微分得：

式中：水平速度vx是個變量，其大小影響切茬作業(yè)質(zhì)量。當(dāng)vx＞0 時，甩刀將產(chǎn)生推搓秸稈的作用，切茬作用減小，為確保把莖稈粉碎，vx必須有足夠的向后分量，即vx≤0，vm≤Rsinωt，

上式表示了刀軸轉(zhuǎn)速（n）與甩刀回轉(zhuǎn)半徑（R），機(jī)組前進(jìn)速度（vm）之間的關(guān)系。

2.3.2 刀軸動平衡的校核Y 型甩刀與刀軸構(gòu)成一個多剛體的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)格的講，其轉(zhuǎn)動慣量不是常數(shù)。但轉(zhuǎn)速較高，甩刀質(zhì)量大，受到的離心慣性力也較大。作業(yè)時產(chǎn)生的偏擺很小且很快恢復(fù)到動平衡位置。刀片排列、切割力及振動都有隨機(jī)性。因此，把Y 型甩刀和刀軸看成一個剛體后，要使刀軸轉(zhuǎn)動平衡，則A，B 兩校正面上的N 個分力的合力必須分別為零，而這兩個面上的分力都是大小相等且方向各不相同（圖5）。取分力F1a的方向為X 軸正向，由F1a逆時針轉(zhuǎn)90 度的方向為Y 軸正向，將各個分力向X、Y 軸分解，得到A 面上兩個合力Fax，F(xiàn)bx，由圖5 可寫出兩個平面上的平衡方程式：

式中：α 為刀片周向間距角度（°），β 為刀片的周向角度（°），F(xiàn)1，F(xiàn)2為刀片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性力（N）。當(dāng)時，刀軸即可達(dá)到動平衡。

圖5 刀軸離心力分解示意圖Fig.5 Force decomposition diagram of knife shaft centrifugal

3 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

3.1 試驗條件

2014 年10 月在新疆第八師145 團(tuán)進(jìn)行了田間試驗，試驗對象為棉花秸稈，膜下滴灌種植，行距配置為66+10 cm， 秸稈含水率12.85%， 莖稈直徑11.52 mm，試驗地情況滿足機(jī)具作業(yè)要求。

3.2 試驗方法

本試驗選用L16(45)正交表進(jìn)行正交試驗，每個試驗重復(fù)3 次，取平均值[17-18]。在其它因素不變的條件下，考察機(jī)具前進(jìn)速度（v）、刀軸轉(zhuǎn)速（n）和刀片離地間隙（h）對秸稈粉碎長度合格率（L1）、留茬高度（L2）的影響，試驗因素和水平見表2，因素對性能指標(biāo)的影響結(jié)果見表3，試驗結(jié)果分析見表4。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗方案與試驗結(jié)果Table 3 Test scheme and results

表4 正交試驗極差分析Table 4 Results of range analysis

3.3 結(jié)果分析

由表3 結(jié)果表明，影響因素對棉花秸稈粉碎長度合格率的主次因素為：n3＞h2＞v3，即刀軸轉(zhuǎn)速2 400 r/min,刀片離地間隙8 cm，機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h；影響因素對秸稈留茬高度的主次因素為：n1＞v2＞h3，即刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度8 km/h,刀片離地間隙10 cm。機(jī)具前進(jìn)速度越慢，刀軸轉(zhuǎn)速越高，Y 型甩刀對秸稈打擊次數(shù)越多，秸稈粉碎長度越短，留茬高度越低。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速增加時，整機(jī)的功耗也會相應(yīng)增加，振動加劇，軸承等部件的使用壽命降低。綜合考慮各影響因素，選取機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h，滾刀轉(zhuǎn)速2 400 r/min，刀片離地間隙10 cm。以此參數(shù)設(shè)計的機(jī)具經(jīng)田間檢測， 秸稈粉碎長度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，完全滿足設(shè)計需求。

4 結(jié)論

針對目前水平旋轉(zhuǎn)式秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)后秸稈粉碎長度不均勻，留茬高度不均勻的問題，通過對Y 型甩刀材料、排列方式，刀軸轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研制了一種Y 型甩刀式秸稈粉碎還田機(jī)。通過正交試驗極差分析與田間試驗相結(jié)合，得出秸稈粉碎還田回收機(jī)在機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h，滾刀轉(zhuǎn)速2 400 r/min，刀片離地間隙10 cm 時，秸稈粉碎長度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，機(jī)具有較優(yōu)的作業(yè)性能。

[1]王慶惠,王學(xué)農(nóng),陳發(fā),等.滾刀式秸稈粉碎裝置的設(shè)計及試驗研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,49(2):279-284.

[2]王雙磊,李金甫,趙洪亮,等.棉花秸稈利用現(xiàn)狀與還田潛力分析研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014,45(2):310-315.

[3]張克誠,劉軍江.滾筒甩刀式秸稈粉碎還田機(jī)的研制[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2012(2)：11-13.

[4]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[5]胡偉.秸桿粉碎還田機(jī)發(fā)展趨勢與分析[C].農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究文集，1993.

[6]戴飛,韓正晟,張克平,等.我國機(jī)械化秸稈還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國農(nóng)機(jī)化，2011(6):42-45.

[7]張佳喜,劉旋峰,牛長河.新型滾刀式棉秸稈粉碎回收機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(1):95-98.

[8]張佳喜,陳發(fā),王學(xué)農(nóng).秸稈粉碎還田回收機(jī)性能優(yōu)化試驗[J].中國農(nóng)機(jī)化,2007(6):76-78.

[9]Ramon J,Agns H.Effects of tillage systems in dry land farming on near-surface water content during the late winter period[J].Soil and Tillage Research,2005,82(2):173-183.

[10]Bescansa P,Imaz MJ,Virto I，et al.Soil water retention as affected by tillage and residue management in semiarid Spain[J].Soil and Tillage Research,2006,87(1):19-27.

[11]Akinci I,Yilmaz D,Canakci M.Failure of arotary tiller spur gear[J].Engineering Failure Analysis,2005,12(3):400-404.

[12]VaresS,Hakkinen T.Environmental burdens of concrete and concrete products[J].Nordic Concrete Research,1998(21):123-138.

[13]劉旋峰,牛長河.新型滾刀式稈粉碎裝置的試驗研究[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2010(2):8-10.

[14]馮佐龍.4QZ-12型青飼料收獲機(jī)關(guān)鍵部件的研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[15]毛罕平,陳翠英.秸稈還田機(jī)工作機(jī)理與參數(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1995(4):62-66.

[16]張晉國,高煥文.不同條件下麥秸切碎效果的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000(3):70-71.

[17]陳學(xué)庚,康建明.梳齒式采棉機(jī)籽棉清雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2012,43(Z1):120-124.

[18]康建明,陳學(xué)庚,溫浩軍,等.基于響應(yīng)面法的梳齒式采棉機(jī)采收臺優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2013,44(Z2):57-61.