滑切防纏式香蕉秸稈還田機設計與試驗

張喜瑞，王自強，李 粵，梁 棟

0 引 言

香蕉是世界四大水果之一，是中國主要的經濟作物之一，其主要分布在海南、福建、廣東、云南等熱帶亞熱帶地區[1-3]。香蕉產業在海南經濟和社會發展中發揮著重要作用。

香蕉的種植周期一般為 2～3 a[4-6]，由于品種老舊，病蟲害的加重導致香蕉產量的降低，市場競爭力不足。蕉農會重新栽種新的香蕉品種，而在栽種新的品種前需要蕉農對之前的香蕉秸稈以及根茬進行處理。目前，在香蕉秸稈粉碎還田方面，一些研究學者基于保護性耕作技術研制出一系列香蕉秸稈粉碎還田機，并且取得很大的成效，如張喜瑞等[7]研制的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機解決了現有香蕉秸稈粉碎還田機所存在的秸稈粉碎不徹底，刀具易磨損等問題。張進疆等[8]研制的1XHJ系列香蕉假莖還田機，該機器的工作原理是利用Y型甩刀對香蕉秸稈進行粉碎，且粉碎率大于 94%。吳學尚等研制的甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機采用立軸甩刀結合機架內壁上弧形定刀對香蕉秸稈撕裂粉碎，試驗表明該機器工作效率高，功耗低[9]。綜上所述，目前大多數研究只集中在粉碎香蕉秸稈方面，然而對于香蕉根茬處理的研究并不是很多，如今蕉農依然采用人工挖掘的方式清除香蕉根茬，此種方法不僅勞動強度大，工作效率低，而且污染環境，易滋生病蟲害。中國北方地區的秸稈與根茬聯合作業機具種類很多，其大多采用雙軸式結構，即上軸破碎秸稈，下軸破碎根茬[10-12]。由于此種結構能讓雙軸實現不同的轉速，因此雙軸式結構得到普遍應用。但是其主要針對玉米、稻麥這些北方農作物，由于地域、氣候以及農作物等因素的差異，導致北方的秸稈與根茬聯合粉碎還田機在南方熱區香蕉地進行作業時，出現香蕉秸稈纖維纏繞刀輥等問題。朱德榮等[1]針對南方熱區作物設計了一種香蕉莖稈/根茬還田機械，它的優點在于能夠粉碎香蕉秸稈本身，而且還可以清除地下的根茬。然而該機器作業時，存在功耗大，切斷后的香蕉秸稈纖維易纏繞在滅茬刀輥上，導致機器不能正常工作等問題。

此外，近年來國內學者對農作物秸稈切割的性能及刀片等作了大量研究，其中包括玉米秸稈切割時切割力和切割功耗的主要影響因素，馬永昌等對小麥秸稈的受切特性進行了試驗研究，發現當使用雙定刀且兩定刀間距較小時，切割功耗較低[13]；李景彬等基于棉桿切割性能的試驗研究，提出棉桿的最佳切割速度為 1 000～1 300 r/min，最適宜的刀片為錘片型刀片[14]；劉慶庭等通過單因素秸稈切割試驗，發現滑切最省力[15]。

從目前的研究現狀來看，秸稈切割研究主要集中在稻麥、玉米等農作物秸稈上，而對于香蕉秸稈的切割研究偏少，因此，本文針對現有香蕉莖稈/根茬還田機械所存在的切割阻力大、香蕉莖稈纖維易纏繞刀輥問題，應用滑切原理[16-19]，設計一種變滑切角式秸稈切割刀片，進而研究設計出一種滑切防纏式香蕉秸稈還田機，以期為適用于熱帶地區作物的秸稈與根茬處理機具的缺乏提供解決方案。

1 結構與動力傳遞

1.1 整機結構與技術參數

所研制的滑切防纏式香蕉秸稈還田機如圖 1所示，主要有三點懸掛裝置、變速箱、秸稈粉碎裝置、滅茬裝置、傳動系統、機罩等部件組成，整機的主要技術參數見表 1。還田機工作時由拖拉機通過懸掛裝置與機架連接，牽引著機器前行，由拖拉機動力輸出軸通過萬向節與機架上變速箱的動力輸入軸連接，變速箱的兩動力輸出軸通過V帶傳動裝置，將動力分別傳遞給秸稈粉碎刀輥和滅茬刀輥。滅茬刀輥的旋轉方向與拖拉機驅動輪的轉向相同，秸稈粉碎刀輥的旋轉方向與滅茬刀輥旋轉方向相反，滅茬刀輥設置在秸稈粉碎刀輥的后下方，通過滅茬刀輥上的刀片切碎根茬。

圖1 滑切防纏式香蕉秸稈還田機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of sliding-cutting and anti-twining returning device for banana straw

表1 滑切防纏式香蕉秸稈還田機主要性能參數Table 1 Main technical parameters of sliding-cutting and anti-twining returning device for banana straw

1.2 動力傳遞方式

滑切防纏式香蕉秸稈還田機的動力經變速箱后分為2路傳遞：秸稈粉碎裝置傳動系統和滅茬裝置傳動系統。秸稈粉碎裝置傳動系統：動力從拖拉機后輸出軸輸出，先通過錐齒輪嚙合傳動（增速），再由V帶傳動機構（增速）傳遞給秸稈粉碎裝置；滅茬裝置傳動系統：動力從拖拉機后輸出軸輸出，經錐齒輪嚙合傳動后（減速），再由V帶傳動機構（減速）傳遞給滅茬裝置，如圖2所示。

圖2 動力傳遞簡圖Fig.2 Structure diagram of power transmission

2 關鍵部件結構設計

2.1 秸稈滑切刀刃口曲線設計

由于直線刃刀片刀尖點處靜態滑切角相對刀片基部處滑切角變化幅度較大，在切割秸稈過程中切割阻力變化迅速，功耗嚴重。而等滑切角式切割刀片在切割纖維含量少的藤莖類秸稈方面效果顯著[16]，然而香蕉秸稈富含大量纖維[7]，若利用等滑切角式切割刀片切割香蕉莖稈，由于其刀刃曲線上滑切角大小始終不變，刀片在切斷香蕉莖稈纖維時，香蕉莖稈纖維易從刀尖點滑向刀片基部，進而纏繞刀軸。參考文獻[20]知滑切角越大，滑切作用越明顯，刀片切割莖稈纖維時越不易被纏繞，因此本文基于滑切原理，針對香蕉莖稈纖維含量多的特性，應用螺線方程，設計一種變滑切角式切割刀片。如圖 3所示，當刀片刃線AB由任意θ角轉過dθ角時，其上任意切割點M變到M1點，極徑由r變成r1，極徑增加dr，若dθ趨近于0，可視MM1為直線，弧度MN1與直線MN相等，根據滑切角[16]定義，在直角三角形MNM1中有

圖3 變滑切角刀刃曲線示意圖Fig.3 Diagram of different sliding-cutting angle curve for blade

依據切割的條件，刀尖端點處至刀片基部處的滑切角應逐漸增大，取刀片刃線上任一點處滑切角τ

其中1τ為刃口曲線端點B處滑切角，k為刀刃曲線靜態滑切角遞增系數，考慮到切割秸稈過程滑切阻力波動的幅度，此處取值5。聯立式（1）、（2）得

令a= s in(τ1+ k θ)，則 d a = kcos(τ1+ k θ)dθ ，將其代入式（3）積分得滑切刀片刀刃曲線方程

根據文獻資料[20]，要使刀刃在潮濕濕潤環境下不纏繞香蕉莖稈纖維，需使刀刃端點的滑切角1τ小于刀刃基部的滑切角0τ，由文獻資料[19]可知，要使秸稈滑切刀片不纏草，秸稈滑切刀片側切刃滑切角應滿足

式中τat為秸稈滑切刀片旋轉前進作業時，刀片任一點 r在時間t的動態滑切角，(°)；τa為秸稈滑切刀片任一點r的靜態滑切角，(°)；μ為香蕉秸稈與滑切刀片的摩擦角，(°)。

考慮到秸稈切割工作環境的惡劣性，對刀片的耐磨性以及耐腐蝕性要求較高，刀片材料選用工具鋼Cr12MoV，其耐磨性、強度和鋼的淬透性均高于Cr12[21]。經試驗測量香蕉秸稈與鋼板的摩擦角為 26°～36°，此處取值 35°，由式（5）得秸稈滑切刀片任一點 r的靜態滑切角小于等于55°，且刀片基部滑切角大于刀片端點滑切角，因而刀片基部滑切角τ0取較大值55°，根據設計經驗秸稈滑切刀片端點滑切角取值范圍為40°~50°。若秸稈滑切刀片端點滑切角τ1取值過大，刀片在切割秸稈過程中起不到防纏效果，若取值過小，則滑切減阻和秸稈切斷效果不明顯，故設計刀片端點滑切角τ1取中間值45°。

將k=5，τ1=45°代入式（4）得

滑切刀片結構及參數如圖 4所示，刀片加工采用沖壓加工工藝[22]。

圖4 滑切刀片結構及參數Fig.4 Structure and parameter of sliding-cutting blade

2.2 秸稈粉碎刀軸的設計

參考課題組已研制的香蕉秸稈粉碎還田機秸稈粉碎刀軸設計參數，秸稈粉碎刀軸采用材料為 20Cr，壁厚10 mm鋼管制成，內徑d= 60 mm，外徑D=80 mm，通過秸稈粉碎刀軸兩端的軸承與軸承端蓋固定在機架外殼上。由于田間作業過程中秸稈滑切刀片對香蕉秸稈采用無支撐切割方式，研究結果表明無支撐切割香蕉莖稈時滑切刀刀尖線速度應不小于30 m/s，否則會造成香蕉秸稈粉碎不徹底[23]。而刀尖線速度取決于秸稈粉碎軸的回轉半徑及轉速。秸稈粉碎刀輥轉速大小影響著還田機的平衡與振動特性。在轉速一定的情況下，提高刀尖線速度可通過增大秸稈粉碎刀輥回轉半徑的方式，但隨之會使秸稈粉碎刀軸的動不平衡加劇，進而使秸稈還田機振動劇烈[24]。結合國內現有秸稈粉碎還田機以及課題組已研制的香蕉秸稈粉碎還田機刀輥設計參數[7,25-26]，確定秸稈粉碎裝置回轉半徑為250 mm，秸稈粉碎刀輥轉速范圍在1 200～1 600 r/min之間。

2.3 滅茬部件設計

考慮到現有旋茬刀只能起出根茬，而圓犁刀、旋耕刀雖能除茬，但除茬率低且功耗大[22]，故本文所設計的滅茬刀為L型刀。分為左型和右型2種。滅茬部件由滅茬刀軸、滅茬盤和滅茬刀組成，滅茬部件田間作業時在作業反力以及驅動力作用下滅茬刀軸會產生彎曲、扭轉等復雜組合變形。從節能減材角度考慮，在不影響滅茬部件強度和使用要求的前提下可將刀軸設計成空心軸[27]。經計算選用材料為Q235的無縫鋼管，其外徑D=90 mm，內徑d=70 mm，滅茬盤由5 mm厚鋼板制成，刀盤間距為120 mm。L型刀結構（圖5）參數分別為：彎折角112°，滑切角5°，彎曲半徑30 mm，刃角17°，刃厚0.8 mm，如圖5所示。參考文獻[25，28]選取滅茬刀回轉半徑250 mm，為使刀片在整個切土過程中不產生推土現象，要求其絕對運動軌跡為余擺線，參考文獻[23]確定滅茬刀軸轉速范圍為400～600 r/min。滅茬刀與刀盤通過螺栓固定連接，方便拆卸與更換，同時保證了滅茬刀在旋轉過程中對根茬的切碎。

圖5 滅茬刀片Fig.5 Stubble crushing blade

2.4 滅茬刀數與切土節距

每個刀盤上滅茬刀數與切土節距滿足

式中S為切土節距，m；Vm為機具前進速度，m/s，試驗用拖拉機為雷沃歐豹 M804，田間實際作業速度范圍為1.11～1.67 m/s；n1為滅茬刀輥轉速，r/min；z為同一刀盤上滅茬刀數。

為滿足根茬粉碎質量要求，參考文獻[23]知切土節距S應小于等于5，從而求出z≥5，同一刀盤上滅茬刀數量過多會造成相鄰兩個滅茬刀間隙過小，容易引起堵塞和香蕉莖稈纖維的纏繞。數量過少會造成切土節距過大，根茬粉碎不徹底。因此本文取z=6，將z=6代入式（7）可推出S=1.85～4.17 cm，由于所求切土節距S小于等于5 cm，故滿足香蕉根茬粉碎的農藝要求。

2.5 滅茬刀排列

滅茬刀輥分左右兩段，各有18把滅茬刀，為避免其旋轉過程中附加動載荷和作業中的脈沖振動，除茬刀的排列應參照現有旋耕機理論，采用對稱螺旋線排列[23,29]，如圖6所示。

圖6 滅茬刀在滅茬刀軸上安裝排列示意圖Fig.6 Diagram of arrangement of stubble crushing knives on stubble crushing blade roller

2.6 粉碎刀輥與滅茬刀輥相對位置的確定

2個刀輥垂直距離與割茬高度、碎茬深度以及2個刀輥回轉半徑的關系如圖7所示。

式中H為兩刀輥的垂直距離，m；R1為粉碎刀輥半徑，m；R2為滅茬刀輥半徑，m；S1為割茬高度，m。參考文獻[23]知與拖拉機配套的秸稈粉碎機輪轍間留茬平均高度≤0.075 m，本文取S1=0.05 m；S2為碎茬深度，m。經田間測量，香蕉根主要生長在0～0.18 m處，香蕉根茬的最大截面一般在地下深度0.09～0.1 m處，因此本文取碎茬深度S2為0.1 m。故S1=0.05 m，R1=0.25 m，R2=0.25 m，S2=0.1 m，得H=0.15 m。

兩刀輥水平距離D過大會導致機具體積過大，減弱機架的剛度，且拖拉機的負荷也會增加，過小會導致兩刀輥上刀具出現打刀現象，且刀輥更容易纏繞纖維，造成機器堵塞。因此要以滿足機器工作性能為前提，來選取D的最佳參數，而L為粉碎腔拋出的碎秸稈落地點到粉碎刀輥中心線的距離。

式中β為粉碎腔后罩板與水平面的夾角；R1為粉碎刀回轉半徑；S1為割茬高度,取S1=0.05 m；ε為粉碎腔出口間隙，ε越大，碎秸稈越易拋出[30]，為利于碎秸稈的拋出，本文取ε=30 mm。

圖7 秸稈粉碎刀輥與滅茬刀輥相對位置示意圖Fig.7 Sketch diagram of relative position between straw crushing blade roller and stubble crushing blade roller

β過大，秸稈粉碎刀輥會對拋灑在地面上的碎秸稈產生二次粉碎作用，這樣導致機器功率消耗增加，且易在粉碎刀輥下方形成堵塞。通過課題組已有秸稈還田機試驗[28]得出 β角與功率消耗之間的關系，田間試驗表明，β∈（ 5 0 °,6 0°）時，測試指標達到最佳，故 β取中間值為55°。

D1為滅茬刀觸地點到粉碎刀輥中心的水平距離。過大會導致機具尺寸過大，D1過小時，拋出的碎秸稈會打到滅茬刀輥上，由于香蕉莖稈富含纖維，纖維易纏繞在滅茬刀輥上，試驗發現D1=1.1L時，拋出的碎秸稈對滅茬刀輥的影響已經很小，并且滅茬刀輥上纏繞的纖維量很少；為使整機結構緊湊取D1=1.1L。

在滿足作業質量要求和結構允許的情況下，D應取最小值，聯立式（9）和式（10）得：

將S1=50 mm，R1=250 mm，β=55°，R2=250 mm，S2=100 mm，ε=30 mm代入式（11）得D=805 mm，圓整D=800 mm。

3 試驗設計與結果分析

3.1 試驗條件

試驗在海南大學農機試驗基地進行，試驗選用的香蕉樹品種為“廣東香蕉 1號”，香蕉樹高度為 2100～2800 mm，香蕉莖稈平均纖維含量 3.8%。其他試驗設備有雷沃歐豹M804拖拉機、磅秤、NP-501型電子天平秤、CYT-302型旋轉扭矩傳感器（北京天宇恒創傳感器有限公司）、8203型鋼卷尺、米尺、PS-930型秒表。

3.2 試驗方法

基于滑切減阻降耗原理，結合香蕉秸稈粉碎效果的影響因素，本試驗選取影響香蕉秸稈粉碎率和還田機作業功耗的主要因素：機器前進速度、秸稈粉碎刀輥轉速與滅茬刀輥轉速，依據前文中的參數范圍，分別為 3因素取3個不同水平，如表2所示，雷沃歐豹M804拖拉機提供還田機試驗所需前進速度，如前文1.2節動力傳遞方式所述，秸稈粉碎裝置傳動系統中錐齒輪傳動比為1.95，V帶傳動比從高至低依次為1.15、1、0.85，從而實現秸稈粉碎刀輥不同轉速的調節，而滅茬裝置傳動系統錐齒輪傳動比為0.55，V帶傳動比從高至低依次分別為1.5、1.25、1，從而實現滅茬刀輥不同轉速的調節。V帶輪與刀軸采用小過盈加鍵配合方式，以方便更換V帶輪。試驗并采用Design Expert version 8.0.7軟件進行響應面試驗設計、數據處理與統計分析，并根據二次回歸擬合模型分別繪出香蕉秸稈粉碎率和功耗的響應面分析圖。

表2 試驗因素及各因素水平Table 2 Experimental factors and levels of each factor

3.3 試驗指標的測試方法

從取樣單位中隨機選取3個測試區（1 m×1 m），在測試區中稱取所有秸稈粉碎殘渣的質量 G，kg；稱取測量區中秸稈長度大于10 cm的殘渣質量g，kg。根據式（12）計算出每個測量區中香蕉秸稈合格率（%），最后求出 3個測量區中的平均值，即為所求值。

在試驗過程中功率和轉速值則則通過安裝在香蕉秸稈還田機動力輸入軸上的CYT-302型旋轉扭矩傳感器測定，功率損耗值直接從顯示控制儀讀取。每組試驗重復5次，共13組試驗，取5次重復試驗均值作為各組的試驗結果。

3.4 結果與分析

根據Box-Behnken 試驗方案，本試驗進行了三因素三水平響應面試驗，共對13個試驗組合進行測試，試驗結果如表3所示。

表3 試驗方案與結果Table 3 Experiment scheme and results

本試驗選用Design-Expert 8.0.7軟件對表3中試驗結果進行回歸擬合分析，分別得出秸稈粉碎率、功耗對各因素編碼值的回歸方程為

經Design-Expert軟件處理后，分別得出功耗和秸稈粉碎率方差分析結果如表4所示，由表4方差分析結果可知功耗和秸稈粉碎率的模型顯著（P<0.05），對于目標函數Y1，因素X2、X3極顯著；對于目標函數Y，因素X2極顯著，X1X2、21X 、23X 顯著。各因素對香蕉秸稈粉碎率和功耗的顯著性順序從大至小依次均為秸稈粉碎刀輥轉速、滅茬刀輥轉速、機器前進速度。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

3.5 響應曲面法分析

影響因素對秸稈粉碎率影響的主次順序是秸稈粉碎刀輥轉速、滅茬刀輥轉速、機器前進速度，秸稈粉碎刀輥轉速和機器前進速度對秸稈粉碎率存在顯著（P<0.05）交互作用。由圖8a知，隨著滅茬刀輥轉速的增大，秸稈粉碎率呈現先增大后減小的趨勢，在滅茬刀輥轉速為500 r/min（0水平）時達到最大值。由圖8b知，隨著機器前進速度和滅茬刀輥轉速的增加，秸稈粉碎率均呈現先增大后減小的趨勢，當機器前進速度為 1.39 m/s（0水平）、滅茬刀輥轉速為500 r/min時，秸稈粉碎率達到最大。由圖8c知，隨著機器前進速度的增大，秸稈粉碎率呈現先增大后減小的趨勢，在前進速度為1.39 m/s時達到最大值，這是因為機器前進速度大于1.39 m/s時，刀輥圓周速度與機器前進速度之比λ過小，導致秸稈粉碎不徹底。

隨著秸稈粉碎刀輥轉速、滅茬刀輥轉速和機器前進速度的增大，功耗均呈現上升的趨勢，因素間且不存在交互作用。因此實際作業時為降低功耗，應在保證秸稈粉碎率的條件下，參數盡量選取較小值。

利用Design-Expert軟件的Optimization 功能，進行優化分析，得到香蕉秸稈還田機的最優參數組合：機器前進速度為1.39 m/s、秸稈粉碎刀輥轉速為1 600 r/min、滅茬刀輥轉速為500 r/min時，香蕉秸稈粉碎率為95.2%，功耗為4.96 kW。

圖8 各因素對秸稈粉碎率影響Fig.8 Influence of factors on rate of straw crushing

3.6 驗證試驗

圖9 滑切防纏式香蕉秸稈還田機實物圖及作業效果圖Fig.9 Photos of sliding-cutting and anti-twining returning machine for banana straw and its operation effect

根據響應曲面分析得到的最優參數組合，進行田間驗證試驗，如圖 9所示。為消除隨機誤差，重復試驗 5次，作業總面積50 m2，取5次試驗結果的平均值，得到在最優工作參數情況下，香蕉秸稈粉碎率田間試驗值為94.9%，實際功耗為5.1 kW分別與軟件分析值（95.2%、4.96 kW）間的誤差為0.31個百分點、0.27%，軟件分析可行。基地土壤類型為磚紅壤，土體深厚，土質較黏重，土地平坦，坡度不大于 5°；田間香蕉莖稈的平均高度為1 500 mm，香蕉樹行距為2 m，株距約為1.5 m，香蕉品種為海南當地種植較多的巴西Williams品種。2臺秸稈粉碎還田機的前進速度均控制為1.39 m/s，秸稈粉碎刀輥轉速均設置為1 600 r/min，分別在2臺秸稈粉碎還田機作業后試驗田內隨機選取5個長10 m，寬1 m的測量區域，通過上述 4.3節試驗指標測試方法計算出每個測量區香蕉秸稈粉碎率和功耗，取 5次試驗結果的平均值，得到試驗結果如表5所示。

表5 香蕉秸稈還田機作業性能對比Table 5 Comparison of working performance for returning machines for banana straw

4 對比試驗

4.1 試驗設計

為檢驗滑切防纏式香蕉秸稈還田機相對市場原機具在各項性能指標的提高程度，故將樣機與本課題組之前所設計研制的甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機[31-32]共同進行田間試驗，試驗地點仍選在海南大學農機試驗基地，

4.2 結果分析

該試驗對二者在秸稈粉碎率、功耗以及香蕉秸稈纖維纏繞情況3個方面做了詳細的比較。

試驗結果表明：滑切防纏式香蕉秸稈還田機的秸稈粉碎率相對于甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機提高 1.94個百分點，功耗降低11.3%，且在整個作業過程中，滑切防纏式香蕉秸稈還田機沒有出現纖維纏繞刀軸現象，而甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機出現局部纏繞情況，進一步證明所研制的滑切防纏式香蕉秸稈還田機相對于原有機具在工作性能上有了一定的改進和提升。

5 結 論

1）基于滑切原理，設計了變滑切角秸稈切割刀片，實現了在整個切碎過程中刀具對香蕉秸稈的滑切，理論研究了秸稈粉碎刀輥與滅茬刀輥的位置關系，保證了香蕉秸稈還田機整機結構的輕量化。

2）通過Design-Expert軟件進行三因素三水平響應面分析，得出各因素對香蕉秸稈粉碎率和功耗影響的顯著性順序從大到小依次均為：秸稈粉碎刀輥轉速、滅茬刀輥轉速、機器前進速度。

3）通過Design-Expert軟件得出滑切防纏式還田機的最優工作參數組合分別為機器前進速度為1.39 m/s、秸稈粉碎刀輥轉速為1 600 r/min、滅茬刀輥轉速為500 r/min，并進行田間驗證試驗得出香蕉秸稈粉碎率為94.9%，功耗為5.1 kW，分別與軟件預測值（95.2%、4.96 kW）間的誤差為0.31個百分點、0.27%，此研究為香蕉秸稈還田機的產業化提供了技術依據。

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