砍切式玉米秸稈還田機的設計與試驗

王慶杰，劉正道，何 進，李洪文，李問盈，何建懷，鄢雄磊

?

砍切式玉米秸稈還田機的設計與試驗

王慶杰，劉正道，何 進，李洪文※，李問盈，何建懷，鄢雄磊

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對中國北方一年兩熟區玉米收獲后地表秸稈量大，甩刀式秸稈還田機粉碎長度合格率低，影響后續小麥少免耕播種等問題，基于四連桿機構往復運動原理，利用地表作為支撐，提出了利用砍切對秸稈切段還田的思路，進而研發出一種砍切式玉米秸稈還田機。為避免后續小麥播種時出現擁堵現象，設計秸稈切斷長度不超過小麥窄行行距的一半（6 cm）；通過理論計算和動力學仿真分析，優化了切刀的運動軌跡并確定切稈裝置各桿件尺寸并分析了機具切割功耗為28.39 kW；利用ANSYS軟件對切刀進行有限元靜力分析，切刀力學性能滿足設計要求。田間對比試驗結果表明，在玉米收獲后秸稈全量保留的條件下，與甩刀式秸稈還田機相比，砍切式秸稈還田機粉碎后秸稈平均長度短0.73 cm，秸稈長度不合格率小5個百分點，秸稈長度變異系數小0.218；機具運行平穩性試驗表明砍切式玉米秸稈還田機振動略大于甩刀式玉米秸稈還田機，但差異不顯著，該機平穩性滿足作業要求；切刀入土平均深度為7.71 cm，可明顯降低0～10 cm土層土壤容重；后續播種試驗試驗表明在砍切式秸稈還田機作業后地表進行播種時，播種機無擁堵現象且播種深度合格率比甩刀式大2.3個百分點。該文研究成果能夠為中國北方一年兩熟區玉米秸稈還田提供一種新型裝備，有利于促進秸稈還田技術的推廣。

機械化；設計；優化；秸稈還田機；砍切；粉碎長度；四桿機構

0 引 言

中國是世界主要糧食大國，每年秸稈產量達7億多t，其中玉米秸稈產量（2.73億t）最大[1-2]。玉米秸稈含有豐富的農作物生長所需的各種營養元素，是農業生產中最主要的可再生資源[3]。近年來研究表明，作物秸稈直接還田有利于改善土壤結構[4]，提高土壤肥力[5]，促進土壤呼吸[6]，增加作物產量[7]，減少秸稈焚燒，簡化作業工序，是實現農業生產節本增效，促進農業可持續發展的重要途徑。

中國玉米種植區域主要集中在東北一年一熟區和華北、西北小麥/玉米一年兩熟區。東北地區玉米收獲后秸稈在地表經過長期風化、腐蝕、粉碎后力學性能減弱，且玉米為穴播，行距大，對秸稈粉碎質量要求相對較低。一年兩熟區10月份玉米收獲后秸稈直接覆蓋還田免耕播種小麥，還田過程中玉米秸稈含水率高、韌性強，粉碎難度大，且小麥播種行距小，粉碎秸稈長短不一易造成機具堵塞、晾種等現象，影響小麥播種質量[8-11]。

目前中國應用較廣泛的秸稈還田機械主要通過高速旋轉的錘爪或甩刀，對秸稈進行多次高速錘擊、切割和揉搓，將秸稈粉碎成絲瓤狀[12-13]。該秸稈粉碎方式刀軸轉速高，粉碎刀需與地表保持一定間隙，貼近地表的秸稈易出現漏粉現象，且秸稈在粉碎罩殼內隨機受到錘擊和切割，粉碎長度隨機性較大，粉碎長度合格率不能達到小麥播種要求。目前國內對甩刀結構進行了大量研究，設計了錘爪式[14]、Y型[15-16]、L型[17]、直刀型[18]等不同結構的甩刀，在一定程度上提高了秸稈粉碎質量，但其秸稈粉碎原理和方式未發生較大改變，仍存在漏粉、粉碎不均現象。鄭智旗等[19]設計了動定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置并進行了田間試驗，通過動刀定刀組合與有支撐滑切相結合，可有效提高秸稈粉碎長度合格率。

本文針對現有秸稈粉碎還田機應用過程中存在漏粉、粉碎不均問題，提出一種地面支撐砍切式玉米秸稈還田機，以期解決華北、西北小麥/玉米一年兩熟區小麥播種前玉米秸稈切碎長度不合要求的問題。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

砍切式玉米秸稈還田機主要由機架、壓輥、傳動裝置、切稈裝置組成。其中壓輥位于機具最前端，其主要功能是將直立或倒伏的玉米秸稈按機具前進方向壓倒、鋪放；傳動裝置由變速箱和2個左右對稱的傳動鏈輪組成；切稈裝置由偏心輪盤、刀桿、切刀、搖桿組成，是機具的主要工作部件，位于壓輥之后，用于將順行鋪放好的秸稈砍切成段。該機整體結構如圖1所示。

1.傳動系統 2.機架 3.壓輥 4.切刀 5.切稈裝置 6.限深輪

1.2 工作原理及技術參數

該機與拖拉機采用三點懸掛。動力傳遞路徑為：拖拉機后置動力輸出軸-萬向節-變速箱-鏈輪-偏心輪盤-刀桿。機具作業時，壓輥將玉米秸稈沿機具前進方向壓倒，使得秸稈與地面緊密接觸，切刀在偏心輪盤的帶動下做往復運動，將壓緊的玉米秸稈以及在玉米收獲、運輸中被拖拉機壓入土壤的秸稈切成段狀，減少接茬小麥少免耕播種過程中產生的機具堵塞現象。砍切式玉米秸稈還田機的主要技術參數如表1所示。

表1 砍切式玉米秸稈還田機主要技術參數

2　主要部件設計

2.1 農藝要求及傳動比分配

切稈裝置基于四桿機構往復運動原理，實現切刀的上下往復運動，將地表秸稈砍切成段。中國目前新研制的小麥免耕播種機多為寬窄行種植，窄行行距為12～14 cm[20-22]，因此要求秸稈砍切長度不超過小麥播種窄行行距的一半，即砍切后秸稈長度≤6 cm。

機具在作業過程中切刀的運動軌跡如圖2所示，砍切后秸稈長度、切刀切割頻率和機具前進速度之間的關系為

式中為工作時間，s；為切刀切割頻率，Hz。

1.切刀運動軌跡 2.切刀 3.秸稈

1.Cutter trajectory 2.Cutter 3.Straw

注：為機具的前進速度，km·h-1；為砍切后玉米秸稈長度，cm。

Note:represents advancing speed of machine, km·h-1;represents the length of maize straws chopped, cm.

圖2 切刀運動軌跡

Fig.2 Cutter trajectory

該機的總傳動比為

式中為拖拉機后置動力輸出軸轉速，r/min。當機具傳動比一定時，秸稈切斷后長度隨機具前進速度的增大而減小，取秸稈還田機正常作業速度為3～5 km/h，選用拖拉機后置輸出軸轉速為=540 r/min，為保證機具在最低正常作業速度（3 km/h）下滿足秸稈切斷長度要求，取式（2）中=3 km/h，則機具的總傳動比=0.648。

2.2 切稈裝置設計

切稈裝置結構如圖3所示，包括機架、偏心輪、刀桿和搖桿，計算過程將切稈裝置簡化為四桿機構模型如圖4所示。為保證機具運動的動平衡，同一軸承座2側的偏心輪盤成180°相位差對稱安裝。

1.機架 2.偏心圓盤 3.刀桿 4.搖桿 5.機架

注：A點為偏心輪盤的回轉中心，D點為搖桿與機架的鉸接點，AB為偏心輪盤，BC為刀桿，CD為搖桿。γmin為最小傳動角，(°)；ψ為搖桿的最大擺角，(°)。

工作過程中偏心輪盤（曲柄）繞點做圓周運動，帶動搖桿（搖桿）繞點作最大擺角為的往復搖擺運動。為避免機具出現上下跳動，盡量降低機具的振動，以保證機具工作的穩定性，則設計該切稈裝置無急回特性，令其行程速比系數=1，即偏心輪盤（曲柄）2次與刀桿（連桿）共線時位置夾角=0°（點與1、23點共線），則切刀最大行程=2。

由張靜等[23]按最小傳動角設計的曲柄搖桿機構的解析方法可知，該機構屬于型曲柄搖桿機構，取偏心輪偏心距=，刀桿長=，搖桿長=，偏心輪盤的回轉中心到搖桿與機架的鉸接點間的距離=，則有

根據曲柄搖桿機構的無急回特性[24-25]可知，當偏心輪盤與點2次共線時（點運動到3、4），刀桿33、44分別與搖桿3、4之間的夾角為最小傳動角min和（180°?min），在三角形33中，由余弦定理可得

最終可得四桿機構中各桿件尺寸關系為

在設計的過程中，為保證切刀以最大切割力切割秸稈，當與垂直時，切刀下行切割秸稈，當點運動至最低點2，切刀達到最大入土深度。為盡量降低切刀對土壤的擾動，搖桿的擺角不宜過大，若將切刀運動軌跡近似為豎直方向的直線運動，則切刀入土深度為

式中1為切刀入土深度，mm。為避免切刀運動過程中拖動秸稈，則切刀在運動至上止點時應與地面保持一定高度；同時，為保證對壓入土壤中的秸稈進行切削，則切刀應具有一定的入土深度，則切刀行程為

式中2為切刀最大離地間隙。經測量得在0～6 cm土層內秸稈占被壓入土壤秸稈總量的98.7%，取1≥60 mm，地上0～10 cm內秸稈占地上秸稈總量的97.24%，取2≥10 cm，則≥160 mm。為減小切刀切割過程對機具的沖擊，減少機具振動，取切刀行程=160 mm，則曲柄長=/2=80 mm。在切刀行程一定的情況下，切刀最大擺角越小，切刀切稈過程垂直性越好，但機具長度越大，綜合考慮取切刀最大擺角=20°，即搖桿長=460.70 mm，此時機具總長為1 100 mm。

2.3 切稈裝置動力學分析

由式（3）得min<(90°?/2)=80°。四桿機構中傳動角越大，機構的傳動性能越好，機械效率越高，對于高速機構，最小傳動角一般不小于50°。由式（5）可得，當min取不同值時，四桿機構各桿件長度如表2所示。

表2 最小傳動角取不同值時各桿長度及切刀入土深度

注：為偏心輪偏心距，刀桿長度，為搖桿長度，為偏心輪盤的回轉中心到搖桿與機架的鉸接點間的距離。

Note:represents eccentric distance,represents the length of cutter holder,represents the length of rocker,represents the distance between the rotation center of eccentric wheel and the hinge point of rocker on frame.

切稈裝置在進行往復運動的同時隨機具做水平方向的平動，通過三維軟件Pro/E的應用程序對四桿機構進行運動學分析，當min取不同值時切刀在豎直方向速度變化規律如圖5所示。

圖5 最小傳動角取不同值時切刀運動速度曲線

由圖5可知，當min取不同值時，切刀的運動速度變化規律基本相同，但隨min角度的增大，切刀在入土過程中加速度減小，最大運動速度減小，但速度和加速度隨min變化值不顯著。由表2可知，隨著最小傳動角min的增大，偏心輪盤的回轉中心到搖桿與機架的鉸接點間的距離和刀桿的長度增大；當大于70°時，長度急劇增大，整個機構力學性能變差。綜合考慮機具結構的緊湊性和動力學特性，取min=70°，則=267.38 mm，=526.63 mm。

在計算切削阻力時，由于玉米秸稈關節和節間的剪切強度從根部到頂部依次遞減，含水率接近74%時，所需剪切力范圍為919～2 233 N[26]。關節處的剪切強度略大于相鄰兩節間，精確計算切割阻力十分困難，本文在分析切割功耗過程中取中間值1 571 N。玉米株高為2 500 mm，株距為280 mm時每片切刀一次切割秸稈的根數為8或9根，則單個切刀砍切秸稈所受平均阻力為13 353.5 N。將切刀受力集中在切刀刀刃中點處，通過Pro/E動態分析模塊對機構進行動力學分析，測量結果得單個切刀工作過程中傳動系統輸出軸平均轉矩為81.37 N·m，機具切割總功耗為

式中為切割功耗，kW；為機具刀組數，4；為輸出軸轉矩，N·m。則總切割功耗為28.39 kW。

2.4 切刀設計及力學分析

常用的切刀刀刃一般有2種：兩面刃（V型）和平刃。砍切過程中，平刃刀具單側受力，且易發生偏斜，而雙面刃刀具雙側受力，刀具加持機構受力均勻，因此本文選取切刀刃口類型為雙面刃。在砍切過程中切刀刃角越小，鋒利性越好，但刀身越薄，易出現缺口和卷刃。前人對切刀切割植物莖稈過程做了大量的研究，針對玉米秸稈[27]、龍眼樹枝[28]、小型桑樹[29]、甘蔗[30]等研究了不同刃角對切割性能的影響，均表明當刃角在10～20°之間時，切割性能最好。切刀砍切玉米秸稈時有一定的入土深度，考慮土壤及較硬土塊對切刀的沖擊，本文適當增大了切刀刃口角度，取刃角為30°，切刀厚度為6 mm，并對刀刃部分進行淬火和回火處理。玉米秸稈還田機的幅寬為2 400 mm（4行玉米），為避免切刀相互干涉，設計每片切刀的寬度為580 mm。

利用有限元軟件ANSYS對切稈裝置進行強度分析，為確保強度要求，每次切割的秸稈根數確定為9根，且每根秸稈的切割部位所需剪切力都取植株根部關節處的最大剪切力2 233 N，則刀片的切割阻力為20 098 N。切刀材料選用耐磨性較高和抗沖擊韌性的65 Mn合金鋼，屈服強度為430 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為210 MPa。利用有限元軟件ANSYS對切刀強度進行校核，只考慮載荷最大的工況，其結果如圖6所示。

圖6 切刀應力云圖

分析可知，最大點應力產生在切刀兩側的螺栓孔附近，且最大應力值為162 MPa，小于切刀本身的許用應力（430 MPa）。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

為測試所設計砍切式玉米秸稈還田機的田間作業性能，2017年10月在河北省邯鄲市雞澤縣開展田間試驗，對比研究傳統甩刀式秸稈還田機（對照組）和砍切式秸稈還田機的作業性能及后續播種作業效果。雞澤縣屬于黃淮海小麥/玉米一年兩熟區，試驗地土壤類型為壤土，0～10 cm深度內土壤平均含水率為21.8%。玉米品種為登海605，收獲后玉米秸稈平均直徑為28.5 mm，平均含水率為76.49%，秸稈覆蓋量為1.37 kg/m2。試驗選用江蘇清江JS-650輪式拖拉機，拖拉機后置輸出軸轉速為540 r/min，前進速度為4.15 km/h，測試過程如圖7所示。

圖7 田間性能試驗

3.2 試驗方法

3.2.1 秸稈粉碎長度不合格率

根據GB/T 24675.6-2009《保護性耕作機械秸稈粉碎還田機》標準要求，隨機選取10個面積為1 m2的測試樣點，每個測試樣點隨機撿拾10根切碎秸稈并測量、記錄其長度數據。以6 cm為秸稈切碎合格長度上界，秸稈切碎長度不合格率的計算公式為

式中n為樣點處秸稈長度大于6 cm的秸稈數，N為樣點處所測秸稈的總數。

3.2.2 機具運行平穩性

機具運行平穩性是衡量機具設計合理性的重要指標，機具運行越平穩，砍切深度一致性越高，粉碎效果越好，駕駛機具也更加舒適。平穩性指標受到包括地表平整度、土壤緊實度、機具前進速度、砍切入土深度和機具本身作業方式等多方面影響。平穩性測量采用丹麥BK4370加速度傳感器（頻率范圍：0.1~12 600 Hz，電荷靈敏度：10 pc/ms2Hz）、丹麥BK2635電荷放大器（最大靈敏度10 V/pc）和美國FLUKE F15B+數字萬用表（直流電壓精度0.5%），將加速度傳感器固定在機架上，分別測量機具水平和豎直方向的振動，每個方向取3個不同的測量點，試驗過程中記錄電壓值并將電壓值轉換為加速度值。

3.2.3 土壤物理性質

為研究切刀砍切秸稈過程中對土壤的影響，分別測量試驗前后土壤容重變化及切刀入土深度。機具作業后，沿機具前進方向，每隔5 m設置一個取樣點，共取10個取樣點，測量土壤剖面；土壤容重采用環刀法測定。

3.2.4 播種作業效果

為了反映本文設計砍切式秸稈還田機和對照組（甩刀式）秸稈還田機作業后地表及秸稈情況對后續播種作業的影響，本文在秸稈還田試驗后進行了播種試驗，測試不同還田機類型作業后播種質量，測試選用河北農哈哈2BMSF-7/14型小麥免耕播種機，播種過程測試機具通過性能及播種后地表質量。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 秸稈切碎長度不合格率

試驗后分別測量秸稈切碎長度結果如表3所示，由表3可知，與對照組相比，砍切式秸稈還田機的粉碎效果具有顯著優勢，主要表現為：1）砍切式秸稈還田機作業后秸稈長度不合格率為6%，比甩刀式秸稈還田機小5個百分點；2）切斷后秸稈平均長度為4.51 cm，比對照組短0.73 cm；秸稈長度變異系數為0.209，比對照組小0.218。

表3 秸稈粉碎質量

3.3.2 機具運行平穩性試驗

機具平穩性試驗結果如表4所示。試驗結果表明：1）在豎直方向上，砍切式秸稈粉碎還田機的振動強度大于甩刀式秸稈粉碎還田機，但無顯著差異；2）2者在水平方向上的振動較小，且無顯著差異；3）2種類型還田機平穩性均可滿足機具作業要求。砍切式秸稈還田機振動主要由于切刀規律性砍切秸稈和土壤產生的豎直方向上的振動，振幅較大，但頻率較小；甩刀式秸稈還田機的振動由高速旋轉的甩刀受到地面和秸稈沖擊產生，振動頻率高，但振幅相對較小。

表4 機具振動加速度數據

注：A1、A2、A3分別表示豎直方向上的3個測量點，B1、B2、B3分別表示水平方向上的3個測量點。

Note: A1, A2 and A3 represent 3 measuring points in the vertical direction respectively. B1, B2 and B3 represent 3 measuring points in the horizontal direction respectively.

3.3.3 作業后土壤物理性質

試驗后測得砍切式秸稈還田機切土平均深度為7.71 cm，對照組還田機切刀未入土。不同深度土壤容重測量結果如圖8所示，砍切式秸稈還田機經切刀高頻入土砍切作用后，0～10 cm深度的土壤容重明顯降低，其中0～5 cm深度土壤容重降低最為顯著，降低了25.4個百分點，5～10 cm深度土壤容重降低較為顯著，降低了14.67個百分點，土壤深度大于10 cm后，容重基本沒有變化；甩刀式秸稈還田機作業前后0~20 cm各土層土壤容重基本沒有變化。由于切刀的高頻入土切割作用，且刀片入土深度在7～8 cm范圍，使得深度在0～10 cm深度土層疏松而向上膨脹，土壤密度減小，容重降低，為后續播種作業提供良好的土壤環境；而甩刀式秸稈還田機作業過程僅對地表秸稈進行粉碎，刀具不入土，作業前后土壤容重變化不大。

圖8 試驗前后不同深度土壤容重對比

3.3.4 播種作業效果

分別在2種秸稈還田機作業后地表進行播種試驗，試驗結果如表5所示。試驗結果表明在砍切式秸稈還田機作業后地表播種，無擁堵現象；在甩刀式秸稈還田機作業后地表播種時出現輕度堵塞，但隨機具前進，被擁堵秸稈自行后流，不需停機疏通。播種質量測試表明在甩刀式秸稈還田機作業后地表播種時出現晾種現象，且播種深度合格率比砍切式小2.3個百分點，主要由于在甩刀式秸稈還田機作業后地表播種時出現輕度擁土現象，影響播種質量。

表5 播種質量對比

4 結 論

1）基于四桿機構往復運動原理，設計了一種砍切式玉米秸稈還田機，該機能夠通過四桿機構驅動切刀實現地表支撐式秸稈砍切，一次作業可實現玉米秸稈的順行壓倒和垂直切割，同時保證玉米秸稈切段長度符合后續小麥少免耕播種要求，提高后續播種質量。

2）通過理論計算和仿真分析，對砍切式玉米秸稈還田機的切稈機構進行理論分析和運動模擬，確定該機搖桿的最大擺角為20°，最小傳動角為70°，偏心輪偏心距為80 mm，刀桿長267.375 mm，搖桿長460.702 mm，偏心輪盤的回轉中心到搖桿與機架的鉸接點間的距離為526.627 mm。

3）通過田間對比試驗表明，與甩刀式秸稈還田機相比，砍切式秸稈還田機粉碎后秸稈平均長度小0.73 cm，秸稈長度不合格率小5個百分點，秸稈長度變異系數小0.21，粉碎效果明顯優于甩刀式；切刀入土平均深度為7.71 cm，可明顯降低0～10 cm土層土壤容重；機具豎直方向振動幅度略大于甩刀式秸稈還田機，但仍滿足機具作業要求。后續播種試驗試驗表明在砍切式秸稈還田機作業后地表進行播種時，播種無擁堵現象且播種深度合格率比甩刀式大2.3個百分點。

[1] 井良霄.干青玉米秸稈厭氧發酵特性與優化工藝研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

Jing Liangxiao. Study on Anaerobic Digestion Properties and Process Technology Optimizations of Corn Stalks[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[2] 畢于運，王亞靜，高春雨. 中國主要秸稈資源數量及其區域分布[J]. 農機化研究，2010，32(3)：1－7.

Bi Yuyun, Wang Yajing, Gao Chunyu. Straw resource quantity and its regional distribution in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(3): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[3] 王金武，唐漢，王金峰. 東北地區作物秸稈資源綜合利用現狀與發展分析[J]. 農業機械學報，2017，48(5)：1－21.

Wang Jinwu, Tang Han, Wang Jinfeng. Comprehensive utilization status and development analysis of crop straw resource in northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(5): 1－21. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉哲，韓霽昌，孫增慧，等. δ13C法研究砂姜黑土添加秸稈后團聚體有機碳變化規律[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：179－187.

Liu Zhe, Han Jichang, Sun Zenghui, et al. Change law of organic carbon in lime concretion black soil aggregates with application of straw by δ13C method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 179－187. (in Chinese with English abstract)

[5] 朱強根，朱安寧，張佳寶，等. 保護性耕作下土壤動物群落及其與土壤肥力的關系[J]. 農業工程學報，2010，26(2)：70－76.

Zhu Qianggen, Zhu Anning, Zhang Jiabao, et al. Relation of agricultural soil fauna and soil fertility under conservation tillage systems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 70－76. (in Chinese with English abstract)

[6] 趙亞麗，薛志偉，郭海斌，等.耕作方式與秸稈還田對土壤呼吸的影響及機理[J]. 農業工程學報，2014，30(19)：155－165. Zhao Yali, Xue Zhiwei, Guo Haibin, et al. Effects of tillage and crop residue management on soil respiration and its mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(19): 155－165. (in Chinese with English abstract)

[7] 周懷平，解文艷，關春林，等. 長期秸稈還田對旱地玉米產量、效益及水分利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2013，19(2)：321－330.

Zhou Huaiping, Xie Wenyan, Guan Chuanlin, et al. Effects of long-term straw-returning on corn yield, economic benefit and water use in arid farming areas[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 321－330. (in Chinese with English abstract)

[8] 張喜瑞，何進，李洪文，等. 小麥免耕播種機驅動鏈式防堵裝置設計[J]. 農業機械學報，2009，40(10)：44－48.

Zhang Xirui, He Jin, Li Hongwen, et al. Design of the powered-chain anti-blocking mechanism for wheat no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(10): 44－48. (in Chinese with English abstract)

[9] Brandelero E M, de Araujo A G, Ralisch R. Soil mobilization and seeding depth by no-till seeder mechanisms for residue management[J]. Engenharia Agricola, 2014, 34(2): 263－272.

[10] 盧彩云，趙春江，孟志軍，等. 基于滑板壓稈旋切式防堵裝置的秸稈摩擦特性研究[J]. 農業工程學報，2016，32(11)：83－89.

Lu Caiyun, Zhao Chunjiang, Meng Zhijun, et al. Straw friction characteristic based on rotary cutting anti-blocking device with slide plate pressing straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 83－89. (in Chinese with English abstract)

[11] 張喜瑞，李洪文，何進，等. 旋轉撥刀式小麥免耕播種機的設計與試驗[J]. 農機化研究，2012，34(3)：149－151，158.

Zhang Xirui, Li Hongwen, He Jin, et al. Experiment and design of rotating and dialing knife type no-till wheat planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(3): 149－151,158. (in Chinese with English abstract)

[12] 付雪高，李明，盧敬銘，等. 秸稈粉碎還田機甩刀的研究進展[J]. 中國農機化學報，2011(1)：83－87.

Fu Xuegao, Li Ming, Lu Jingming, et al. Research on the cutter of straw crushing machine to field[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2011(1): 83－87. (in Chinese with English abstract)

[13] Johnson J M F, Acostamartinez V, Cambardella C A, et al. Crop and soil responses to using corn stover as a bioenergy feedstock: Observations from the northern US corn belt[J]. Agriculture, 2013, 3(1): 72－89.

[14] 姚燕，姬裕江. 基于錘爪式動刀的小麥秸稈粉碎裝置試驗研究[J]. 農機化研究，2010，32(1)：156－158.

Yao Yan, Ji Yujiang. Test study on smashing devices of sweat stalks[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(1): 156－158. (in Chinese with English abstract)

[15] 潘佛雛，康建明，顏利民，等. Y型甩刀式秸稈粉碎還田機關鍵部件的設計與性能試驗[J]. 農業現代化研究，2015，36(5)：912－915.

Pan Fuchu, Kang Jianming, Yan Limin, et al. Design and experiment to key components of Y type cutting device of smashed straw machine[J]. Research of Agricultural Modernization, 2015, 36(5): 912－915. (in Chinese with English abstract)

[16] 林靜，馬鐵，李寶筏. 1JHL-2 型秸稈深埋還田機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(20)：32－40.

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa. Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 32－40. (in Chinese with English abstract)

[17] 蒲永鋒. 9YG-2.0型圓捆打捆機撿拾粉碎裝置參數設計與仿真分析[D]. 長春：吉林大學，2015.

Pu Yongfeng. Parameter Design and Simulation Analysis on Pick-crushing Device of 9YG-2.0 Round Baler[D]. Changchun: Jilin University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[18] 孫宏宇，董玉平，吳云玉，等. 基于COSMOSWorks的還田機直刀有限元分析[J]. 農機化研究，2011，33(1)：69－71.

Sun Hongyu, Dong Yuping, Wu Yunyu, et al. Finite element analysis of straw machine straight knife based on COSMOSWorks[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(1): 69－71. (in Chinese with English abstract)

[19] 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]. 農業機械學報，2016，47(增刊1)：108－116.

Zheng Zhiqi, He Jin, Li Hongwen, et al. Design and experiment of straw-chopping device with chopping and fixed knife supported slide cutting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.1): 108－116. (in Chinese with English abstract)

[20] 吳紅丹，李洪文，梅峰，等. 一溝雙行小麥施肥播種單體的設計與試驗[J]. 中國農業大學學報，2016，12(2)：50－53.

Wu Hongdan, Li Hongwen, Mei Feng, et al. Design and experimental study on a combined fertilizing and seeding opener for wheat of two rows in one furrow[J]. Journal of China Agricultural University, 2016, 12(2): 50－53. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉正道. 小麥免耕播種關鍵技術研究與裝備研發[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2016.

Liu Zhengdao. Research and Development of Key Technology and Equipment for Wheat No-tillage Drill[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[22] Wang Qingjie, Zhao Hongbo, He Jin, et al. Design and experiment of blades-combined no and minimum-till wheat planter under controlled traffic farming system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 12－17.

[23] 張靜，王占英，劉春東，等. 按最小傳動角設計曲柄搖桿機構的解析方法[J]. 機械設計，2008，25(10)：63－65.

Zhang Jing, Wang Zhanying, Liu Chundong, et al. Analytical method for designing crank-rocker mechanism according to minimum transmission angle[J]. Journal of Machine Design, 2008, 25(10): 63－65. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉志剛，王德成，翟改霞，等. 往復式雙動刀灌木收割機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2013，44(增刊2)：102－106.

Liu Zhigang, Wang Decheng, Zhai Gaixia, et al. Design and experiment on reciprocating double knife shrub harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.2): 102－106. (in Chinese with English abstract)

[25] 彭松林. 基于曲柄搖桿機構的撲翼微飛行器的研究[D]. 上海：上海交通大學，2010.

Peng Songlin. Study of Flapping Wing Micro Aerial Vehicle Based on Crank Rocker Mechanism[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[26] 高欣.玉米秸稈力學特性試驗研究[D]. 武漢：華中農業大學，2013.

Gao Xin. Experimental Study of Mechanical Properties of Corn Stalks[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[27] 袁洪方，王德成，王光輝，等. 秸稈鍘切揉搓裝置優化設計與試驗[J] .農業機械學報，2012，43(增刊1)：153－157.

Yuan Hongfang, Wang Decheng, Wang Guanghui, et al. Design and experiment of straw cutting and rubbing process device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.1): 153－157. (in Chinese with English abstract)

[28] 吳良軍，楊洲，段潔利，等.龍眼樹枝修剪機具刀片切割力的影響因素試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(24)：8－14.

Wu Liangjun, Yang Zhou, Duan Jieli, et al. Experiment on influencing factors of cutting force of blades of trim tool for longan branch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 8－14. (in Chinese with English abstract)

[29] 賴仁盛，孫永厚，靳國才.小型桑樹伐條機切割部分試驗研究[J].農機化研究，2013，35(2)：150－153.

Lai Rensheng, Sun Yonghou, Jin Guocai. Experimental investigation of the cutting part for mini-type mulberry branch cutting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(2): 150－153. (in Chinese with English abstract)

[30] 向家偉，楊連發，李尚平.小型甘蔗收獲機切割器試驗研究[J]. 農業工程學報，2007， 23(11)：158－163.

Xiang Jiawei, Yang Lianfa, Li Shangping. Experimental investigation of the base cutter for mini type sugarcane harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 158－163. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of chopping-type maize straw returning machine

Wang Qingjie, Liu Zhengdao, He Jin, Li Hongwen※, Li Wenying, He Jianhuai, Yan Xionglei

(,,100083,)

In annual double cropping areas in northern China, the straw is directly returned to the field after maize harvest, and the wheat is sown by no-tillage planter. However, the high water content and strong toughness of maize straw result in the low qualification rate of traditional rotary flail knife type returning machine, which can easily lead to straw blocking and thereby affect wheat sowing quality. To address the above problems, in this paper, a chopping method based on the principle of four-bar linkage mechanism was put forward. The maize straw was chopped using ground as the support. A chopping-type straw returning machine, composed of the frame, pressure roller, transmission device and straw cutting device, was developed. The pressure roller was located at the front of the machine, and was designed to press the standing or lying straws forward in the direction of machine movement. The cutting device was at the back of the roller, and was designed to cut the lying parallel straw into segments. To avoid straw blocking, maize straw was chopped into segments with the length less than 6 cm, and the length was half of the narrow row spacing of wheat. Based on theoretical calculation and motion simulation, the size of 4-link mechanism of cutting device was designed and the cutters’ movement trajectory was optimized. In 4-link mechanism, the minimum transmission angle was 70°, the maximum swing angle of rocker was 20°, the eccentric distance of eccentric wheel was 80 mm, and the lengths of cutter holder (connecting rod) and rocker were 267.375 and 460.702 mm, respectively. The distance between the rotation center of eccentric wheel and the hinge point of rocker on frame was 526.627 mm. According to the finite element static analysis by using ANSYS software, the maximum stress of the cutter was calculated as 162 MPa generated near the bolt holes on both sides, which met the design requirements. The field performance experiment was conducted in Hebei Province to compare the chopping-type straw returning machine and traditional flail knife type machine. The comparison and research objects included the unqualified rate of straw length, working stability, soil physical property and the subsequent sowing operation effect. The experiment results showed that the average length of the straw with the designed machine was 4.8 cm, the unqualified rate was 6% and the coefficient of variation was 0.209, which were all superior to the traditional machine. The vibration of the designed one was slightly larger than that of traditional one with no significant difference, and both of the machines worked stably. The cutting depth of new cutter reached 7.71 cm averagely, and soil bulk density in 0-10 cm depth decreased obviously. The subsequent wheat seeding experiments were carried out, and the results showed that there was no straw blocking during seeding when the seeder operated on the surface on which the chop-cutting straw returning machine worked, and the coefficient of sowing depth was 92.5% and it was significantly higher than another one. This study provides a new equipment for the maize straw returning in the double cropping areas in northern China, and it is also conducive to the popularization of straw returning technology.

mechanization; design; optimization; straw returning machine; chopping-type; cutting length; 4-link mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.002

S224.3

A

1002-6819(2018)-02-0010-08

2017-09-13

2017-12-30

公益性行業（農業）科研專項經費項目-作物秸稈還田技術（201503136）

王慶杰，副教授，博士生導師，主要從事保護性耕作技術與裝備研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

李洪文，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作技術與裝備研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

王慶杰，劉正道，何 進，李洪文，李問盈，何建懷，鄢雄磊. 砍切式玉米秸稈還田機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：10－17. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.002 http://www.tcsae.org

Wang Qingjie, Liu Zhengdao, He Jin, Li Hongwen, Li Wenying, He Jianhuai, Yan Xionglei. Design and experiment of chopping-type maize straw returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 10－17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.002 http://www.tcsae.org