作物秸稈腐化還田機的改進設計研究

張旋 張海越 高帥帥 姜鑫 易克傳

摘 要：研究以秸稈腐化為基礎，設計一種與已有谷物收割機配套的秸稈腐化還田機，其集作物收割、秸稈粉碎和秸稈腐化還田操作于一體，以加快秸稈還田后的腐化，在解決作物秸稈處理難這一問題的同時，也改善了土壤肥力和農業生態環境。實驗表明，經改進的作物秸稈腐化還田機，能使秸稈腐化分解腐化時間縮短，產量比單一秸稈粉碎方式略高。

關鍵詞：秸稈粉碎還田機；腐化劑；改進設計

中圖分類號 S38 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）08-122-03

秸稈還田機的研究始于20世紀60年代[1]，近年來，由于我國農村秸稈處理難及秸稈焚燒帶來的環境污染問題日益嚴重，研究秸稈綜合利用新技術具有重要意義。隨著國家對生態環境越來越重視，秸稈還田技術成為當今世界上普遍重視的一項生產措施，其在改善秸稈焚燒所造成的大氣污染的同時，還有增肥增產作用。研究表明，合理的秸稈還田措施，增產作用顯著。但是自然環境下秸稈腐解緩慢，易在土壤中形成有機酸積累，對耕作與農藝操作有不利影響。因此，研究一種適合農藝要求的秸稈快速腐化還田機，對于保護環境及改善農業生產具有重要意義。

1 基本組成和工作原理

1.1 基本組成 秸稈腐化還田聯合作業機（簡稱秸稈腐化還田機）由秸稈收割裝置、秸稈粉碎系統、腐化劑噴灑系統三大部分組成。作物秸稈腐化還田聯合收割機的總成如圖1所示。秸稈收割裝置是將生長在農田里的作物通過原聯合收割機自帶的收割機構進行收割的裝置。秸稈（再）粉碎系統的作用是將收割后的秸稈粉碎并細化，該系統由秸稈還田機和（再）粉碎機構組成；腐化劑噴灑系統的作用是將調配好的腐化劑加壓后經噴頭噴灑到粉碎的秸稈表面，以使其最大程度的腐化，腐化劑噴灑系統主要由藥箱、HSP4045型自吸泵、噴藥管路、噴頭、逆止回流閥、噴桿和調節閥等組成。

1.2 工作原理 工作時，聯合收割機將田地里的秸稈進行收割，經作物收集及初粉碎機構后，輸入再粉碎機構進一步粉碎細化；同時，通過電控系統啟動自吸泵，將腐化劑按照一定的工作要求噴灑在細碎的作物秸稈上，從而實現腐化劑和作物秸桿的混合；隨后作物秸桿被拋出機外，按條狀鋪在地表。考慮田塊大小的情況不同，有些田塊的秸稈不需要進一步粉碎，設計了多種作業方式，其可根據不同田間作業需要自由切換工作模式[2]，即可進行單獨噴藥，也可以進行單獨再粉碎，還可以進行噴藥與再粉碎相結合的混合作業方式等。本研究以雷沃GE70型聯合還田機為匹配對象，其主要技術參數如表1所示。

2 主要部件選型及設計

2.1 粉碎刀具 還田機粉碎系統選用十字花式刀具，主要由刀頭、刀柄、轉軸等組成，如圖2所示。刀組按銷軸對稱排列，刀頭通過固定螺母連接在刀座上，刀座再通過軸套連接在轉軸上，由傳動裝置輸入動力，帶轉軸旋轉，再通過轉軸帶動刀座、刀頭轉動，完成作物秸稈的粉碎。十字花刀具刀頭設計為直刀且開刃。刀頭形狀為楔形，以便重心下移，增大轉動慣量，增強粉碎能力，同時延長使用壽命。由多片刀頭組成一套動刀組，在還田機工作腔內定刀組的配合下增強切碎、破茬能力。該刀具在機器中能一次性完成秸稈粉碎細化和腐化劑、秸稈二者的均勻混拌。

2.2 藥液自吸泵 根據農用藥物噴灑要求，采用微型高壓水泵HSP4045，該水泵具有過壓過熱雙自動保護開關，發生堵塞或工作溫度異常時能自動停機保護；同時，具有耐酸堿腐蝕，泵體與電機分離，泵體內無機械部件不存在機械磨損，運轉平穩，可以空轉，使用壽命極長，性能穩定安裝方便等特點。自吸泵固定安裝在收割機頂部的機架上，并由蓄電池給泵體供電，從而驅動高壓水泵轉動，以使泵能按一定要求完成從水箱中泵水的工作過程，后使其經水管至噴嘴處噴出高壓液流。HSP4045型水泵參數如表2。

2.3 腐化劑藥箱 腐化劑藥箱固定于還田機車頂上，根據施藥量的要求及車頂空間位置大小，確定還田機藥箱容量為150L。藥箱設計為長方形，長度為80cm，寬度為65cm，高度為30cm。為了提高藥箱的耐腐蝕能力，采用聚乙烯塑料制作，如圖3所示。

2.4 溢流閥 為控制管路藥液壓力，在液壓泵出液口處設計安裝了直動式溢流閥，當管路壓力過高或自吸泵工作時，調節閥處于關閉，多余的藥液可通過溢流閥流至藥箱，以防止管路過高爆裂而導致藥液的泄漏。利用手輪可以自由調節腐化劑噴灑壓力，以適應不同的工作要求，選用型號為DBDH6K10/100直動式溢流閥。

根據對小麥秸桿量、腐化劑的噴施均勻性和作用效果等方面的測定，用藥量確定為M=375L/hm2，機組工作速度v=2.3～4.6km/h，工作幅寬B=2.56m，選擇噴頭數n=8，可得Q=0.46～0.92L/min。

本機選用CC系列噴嘴5004型，入口接頭1/8，等效噴孔孔徑1.3mm，最大流量0.91L/min，噴流角度40°。這種噴嘴產生的噴霧分布均勻，液滴大小為小到中等，防堵塞。噴頭固定于噴桿上，與噴桿一起固定在二次秸稈粉碎機構出料口一圈，對稱均勻分布，一邊2個噴頭。腐化劑噴施系統管路均由可拆卸耐高壓軟管連接而成。

3 結果驗證

3.1 試驗材料 試驗地：安徽省滁州市鳳陽縣的一年一熟灌溉地，土壤為肥力比較均勻的潮土；作物：川農2號水稻，要求株高在122cm左右，試驗地水稻有效穗為17萬/667m2左右，結實率83%左右；腐化劑：選用廣州微元生物有限公司的粗纖維降解菌（秸稈還田腐化劑）。為充分發揮腐化劑高效、快速降解能力的特點，使用時，添加一定量的尿素水溶液或紅糖水溶液作為活化物質進行催化作用（調配比例：1kg腐化劑+25kg水+2.5kg活性物質）。但由于受所種作物類型、天氣和溫度的影響，使用該腐化劑的腐熟時長一般約為25～50d，且冬季與夏季差異較大。

3.2 試驗方法 對麥茬地采用2種不同秸稈還田處理方式：秸稈粉碎細化后，不經噴藥過程直接還田和秸稈粉碎細化后，經噴藥過程再還田。實驗一：運用控制變量法，通過對比上述2種不同處理方式下的小麥秸稈腐化時間；實驗二：運用控制變量法，通過對比種植在上述2種不同處理方式下的水田里的下一季水稻產量。

3.3 試驗結果 由實驗一可得：秸稈粉碎細化后，不經噴藥過程直接還田處理方式下的小麥秸稈完成其田間秸稈量80%腐化的時間為78d；秸稈粉碎細化后，經噴藥過程再還田處理方式下的小麥秸稈完成其田間秸稈量80%腐化的時間為42d。由實驗二可得：種植在秸稈粉碎細化后，經噴藥過程再還田處理方式下的水田里的下一季水稻產量比種植在秸稈粉碎細化后，不經噴藥過程直接還田處理方式下的水田里的下一季水稻產量高。具體參數如表3所示。

3.4 試驗總結 通過對比表3中2015年度水稻產量及對照增產率可得出：秸稈粉碎配合腐化劑噴灑的秸稈還田作業方法的水稻產量明顯高于只將秸稈粉碎而未進行藥物噴灑過程的水稻產量。秸稈粉碎配合腐化劑噴灑的秸稈還田方式不僅可以及時高效地粉碎并且充分細化作物秸稈，還能通過噴灑腐化劑對秸稈起到快速腐化的作用，同時還可提高土壤營養成分，改善土地物理性狀，優化農田生態環境，促進作物產量增加。

4 結論

本研究利用現有的秸稈粉碎還田技術和秸稈腐化劑開發應用的研究成果，設計出一種可同時完成作物收割、秸稈粉碎和秸稈腐化還田操作的作物秸稈腐化還田機，其也可根據不同的工作需求，實現單獨藥物噴灑、單獨秸稈粉碎或者噴藥與粉碎相結合的混合作業等工作方式。

通過田間試驗表明，秸稈粉碎與噴施腐化劑相結合的工作方式能夠更有效地加快秸稈的腐化，比沒有使用腐化劑的方式腐化縮短36d；同時，噴灑藥物后的腐化還田方法能夠更有效地促進下一季農作物的生長，從而提高產量。

參考文獻

[1]張銀霞，曾憲陽，楊星刊，等.秸稈粉碎滅茬還田的試驗研究[J].河南農業大學學報，2002，36（2）：179-182.

[2]胡亞鮮，王曉燕，李洪文，等.壟作噴藥淺松除草設計[J].農業機械學報，2009，40（7）：61-66.

[3]戴飛，張峰偉，趙春花，等.快速腐熟秸稈還田機設計與實驗[J].農業機械學報，2015，07：143-146.

（責編：張宏民）