溝齒式香蕉假莖粉碎還田機設計與試驗

王自強，李 粵，張喜瑞，梁 棟，汝紹鋒，魏思林

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

0 引言

據國家統計局數據庫的統計數據，我國2014年香蕉產量已達到1 179.19 萬t，假設香蕉莖葉廢棄物質量與香蕉產出質量比值為2.4，則香蕉莖葉廢棄物年產量可達2 830萬t[1-4]。

在香蕉產地香蕉收獲后，絕大多數的香蕉假莖依然沿用了人工的方法處理，不但浪費耕地資源，影響蕉園品種的更新，而且還可能導致堆放香蕉假莖的空地變成香蕉病蟲害的繁殖場和傳播源，嚴重影響香蕉產業的后續發展[5-6]。另外，香蕉假莖中富含氮、磷、鉀等有機物，若直接將其整株進行機械化粉碎還田，不但可以大大減輕農民的勞動強度，而且有利于增加土壤有機質，改善蕉園土壤結構，保持保水、透氣、保溫等理化性狀[7-8]。粉碎后的香蕉莖葉碎片覆蓋地面，可減少土壤水分的蒸發，緩沖雨水對土壤的侵蝕，增強土壤的蓄水能力[9-11]，進而實現香蕉種植地的保護性耕作。

現有國外大型農機公司的秸稈粉碎還田機普遍存在配套動力和工作幅寬較大的問題，而且主要針對玉米稈、水稻、麥稈及棉稈等作物秸稈粉碎，對植蕉地區適應性差，不能直接用于香蕉假莖粉碎。目前，我國對于香蕉假莖粉碎還田機的研究尚處于研究的起步階段。朱德榮等[12]設計了一種能一次性將香蕉的假莖、葉、根茬同時粉碎還田的還田機具，減少了拖拉機進地次數，降低了作業成本，但存在粉碎刀易磨損、機器振動過大等問題，需進一步優化。李粵、甘聲豹等[13]研制的喂入式立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機，一次田間作業可完成香蕉假莖鏟斷、喂入、粉碎和拋灑還田的連續作業。田間試驗表明：其粉碎率達到了94.9%，但由于其對香蕉假莖的粉碎方式為徑向切割，粉碎過程中甩刀對假莖有一個很大的橫向擺力，從而對還田機喂入輥的夾持有很高的要求；另外，在壓輥擠壓輸送香蕉假莖的過程中壓輥輥齒易產生纏繞。張喜瑞、甘聲豹[14]等研制的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機能完成香蕉假莖螺旋喂入、臥式粉碎和拋灑還田。試驗表明：該樣機作業過程中運行比較平穩，粉碎性能良好，香蕉假莖粉碎合格率高達96.6%，粉碎后香蕉假莖平均長度為57mm，優于行業標準；但存在螺旋刀片易產生形變影響喂入效果、錘爪式粉碎刀易磨損、更換成本高及臥式還田機易纏繞等問題，需進行進一步優化。

針對以上問題，結合香蕉假莖粗大、脆性大等特性，設計了一種能對收獲后的香蕉假莖整株進行直接還田的溝齒式香蕉假莖粉碎還田機，理論計算了其關鍵部件的結構參數，并進行了實際田間試驗。該機器的研制成功對促進香蕉假莖還田的綜合利用和香蕉產業的可持續發展具有十分重要的意義，并具有較高的經濟效益和生態效益。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機主要由喂入裝置、秸稈粉碎裝置、鎮壓裝置、三點懸掛機構及機殼等部分組成，如圖1所示。

1.喂入裝置 2.帶傳動機構 3.秸稈粉碎裝置 4.鎮壓裝置 5.滾壓輥 6.機殼 7.定刀 8.三點懸掛機構 9.變速箱 10.帶傳動機構

整機通過三點懸掛機構連接于拖拉機后下方，田間作業時可通過調節懸掛機構的高度來適應不同的作業環境[15]。被拖拉機前倒伏裝置推倒的香蕉假莖整株先后經過喂入、粉碎和滾壓等裝置進行處理，喂入裝置和粉碎裝置位于機殼內，滾壓裝置連接在機殼后方，定刀安裝在喂入輥后上方機殼上。

1.2 工作原理與技術參數

還田機作業時，拖拉機的動力輸出軸通過萬向聯軸器將動力傳遞到溝齒式香蕉假莖粉碎還田機的傳動系統。拖拉機輸出的動力一部分經由變速箱上的一傳動軸及喂入裝置的帶傳動機構傳到溝齒式喂入輥，驅動喂入輥完成香蕉假莖的軸向喂入；另一部分經變速箱上的另一傳動軸及粉碎裝置的帶傳動機構將動力傳遞給粉碎裝置，帶動粉碎裝置的刀輥高速旋轉。旋轉的甩刀對喂入輥平穩喂入的香蕉假莖進行粉碎并拋撒在地上，鎮壓裝置對香蕉假莖碎塊進行滾壓。樣機主要性能參數和技術參數如表1所示。

表1 機器的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

2 關鍵部件設計

2.1 喂入裝置

喂入裝置是將被拖拉機前倒伏裝置推倒的香蕉假莖進行強行喂入，并送入到粉碎裝置的裝置[16]，主要由溝齒式喂入輥、調心滾子軸承及帶輪等部件組成，如圖2所示。

喂入裝置主要技術參數有：溝齒式喂入輥長度L和直徑D；溝齒式喂入輥轉速n1，轉向與拖拉機驅動輪方向相同。

1. 溝齒式喂入輥 2. 調心滾子軸承

2.1.1 結構參數

喂入裝置主要結構參數有：溝齒式喂入輥長度L和直徑D、溝齒式喂入輥軸線與地面之間的距離h。

L越長，對香蕉假莖抓取幅度越寬，同時也會增加整機的尺寸和功耗。綜合考慮到香蕉植株的行距和橫向生長幅寬，本設計選取溝齒形喂入輥長度L=1 600mm。

喂入輥外徑D越大，對香蕉假莖的抓取能力越強，同樣會增加功率的消耗。若D過小，雖然可以大大降低功率消耗，但由于對香蕉假莖的抓取面積過小，無法平穩地喂入香蕉假莖，起不到喂入的作用。

外徑D可根據公式(1)計算進行選取[13]，即

(1)

其中，Dmin為喂入輥最小外徑(mm)；Q為壓延比，取Q=0.6；Φ為喂入前香蕉秸稈截面直徑，取Φ=250～350mm；θ為香蕉假莖對溝齒式喂入輥的摩擦角，取θ=40°～50°。

將上述選擇數據代入式(1)，得到Dmin為127～253mm；而外徑D取在100～250mm范圍內比較合適[13]，因此本設計取D=250mm。

要保證喂入輥能夠有效喂入香蕉假莖，喂入輥軸線到地面的距離不能大于最小的香蕉假莖直徑與喂入輥半徑之和，故本設計取h=300mm。

2.1.2 溝齒式喂入輥的轉速n1

喂入輥的轉速直接決定著香蕉假莖的進給速度，間接影響還田機后續的粉碎效果，是粉碎還田機重要的工作參數之一。在香蕉假莖在與喂入輥接觸之前，香蕉假莖相對機器的速度與相對于拖拉機前進速度在數值上相等的。香蕉假莖在與喂入輥接觸之后，溝齒輥刃口將對香蕉假莖進行切削、打擊。此時，若溝齒輥的轉速過大，溝齒輥刃口在一定時間內切削香蕉假莖的次數就越多，切塊就越小，但在向后切削力作用下，假莖喂入速度加快，導致功率消耗過大，反過來又會影響粉碎效果；若轉速過小，假莖喂入速度小于機器前進速度，會導致機器將假莖向前推行，在喂入口出現堵塞，不僅達不到喂入效果，還會增大功率的消耗。因此，只有溝齒輥外緣刃口最下端的線速度等于拖拉機的前行速度時，香蕉假莖才能夠被穩定地喂入，且在喂入效果和功率消耗上也能達到一個較優的平衡。因此，取溝齒式喂入輥外緣刃口最下端的線速度與拖拉機行進速度相同，即取值0.7～1.0m/s。溝齒式喂入輥轉速計算公式為

(2)

其中，n1為溝齒式喂入輥滾動轉速(r/min)；v1為溝齒式喂入輥外緣刃口轉動線速度(m/s)。

代入前面已知數據得：n1=53.50～76.43r/min。為保證進料速度大于拖拉機行進速度，綜合考慮功率和作業要求，取滿足條件的最大轉速n1=76.5r/min。

2.2 粉碎裝置

秸稈粉碎裝置是香蕉假莖粉碎還田機中的關鍵部件，主要包括兩根粉碎刀軸、粉碎刀座、粉碎刀及螺栓。粉碎刀座徑向等角度排列在粉碎刀輥上，主動軸軸向每排等距離配置6對，從動軸軸向每排等距離配置7對。兩根粉碎刀輥在空間上呈階梯式布置，軸測圖如圖3所示。

粉碎裝置的主、從動輥采用雙輥異向轉動形式和階梯式結構布局，既可以有效保證粉碎效果又能實現地面還田物的均勻覆蓋等作業。裝置中，采用粉碎刀輥主動軸反轉、從動刀輥正轉的組合形式，不僅可以提高粉碎率，還可以使碎塊均勻地拋撒在地上。

1.齒輪箱 2.傳動軸 3.調心滾子軸承 4.V帶傳動系統 5.粉碎主動刀輥 6.粉碎從動刀輥

2.3 鎮壓裝置

鎮壓裝置安裝在還田機后方，主要功能是將粉碎的香蕉假莖碎塊壓實，同時還具有支承和行進的作用。該裝置主要包括鎮壓輥、套筒及連接耳板，如圖4所示。滾壓軸通過軸承與套筒連接，套筒能夠自由轉動。兩邊的連接耳板與機殼用螺釘固定，鎮壓輥的高度通過兩側的連接耳板調節。在機殼上有不同高度的連接孔，連接耳板可通過連接不同的連接孔來改變滾壓裝置的高度。

鎮壓輥工作長度為1 600 mm，材料采用 Q235 鋼。為保證滾壓強度而又減輕滾壓裝置質量，套筒選用直徑300mm、壁厚為10mm的鋼管。

1. 滾動軸 2.套筒 3.連接耳板

2.4 傳動系統的設計

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機的傳動系統包括滾動喂入裝置傳動系統和秸稈粉碎裝置傳動系統。其中，滾動喂入裝置傳動系統原理如下：工作時，動力從拖拉機后輸出軸輸出，先經圓錐齒輪減速，再由帶傳動機構(減速)傳遞給喂入裝置將動力傳遞喂入輥。秸稈粉碎裝置傳動系統由齒輪箱和V帶傳動機構組成，動力從拖拉機后輸出軸輸出，通過大小圓錐齒輪嚙合實現增速，由V帶傳動機構(加速)傳遞給粉碎裝置的主動軸，再通過齒輪傳動傳遞給從動軸。整機的傳動系統如圖5所示。

圖5 傳動系統示意圖Fig.5 Transmission schematic of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2017 年 9 月 16 日，在海南大學機電工程學院農機試驗基地香蕉收獲后的香蕉地進行了粉碎還田機的性能試驗。田間香蕉假莖的平均高度為 1 500mm，香蕉樹行距為 2m，香蕉樹株距約為1.5m，香蕉品種為海南當地種植較多的“廣東1號”品種，配套動力為雷沃歐豹M804拖拉機。

3.2 試驗方法

本試驗在秸稈粉碎作業完成后各測試5次，依據試驗目的確定該試驗的試驗指標為香蕉假莖覆蓋率及香蕉假莖粉碎合格率。

3.2.1 工作效率

選取還田機有效作業直線段大于50 m的行程測量，用秒表測定機器走過指定測量點間所用的時間t0；然后，用皮尺沿著拖拉機行進方向測量兩點之間的距離H0，用式(3)計算粉碎機在田間正常工作時的工作效率Q。試驗測取5組數據，進而求平均值。

(3)

其中，Q為工作效率(hm2/h)；H0為測量點之間的距離(m)；t0為秸稈粉碎還田機在指定測量點間的工作時間(s)；B為粉碎機的作業幅寬(m)。

3.2.2 香蕉假莖粉碎合格率

每個行程在粉碎區長度方向上等距離測定5點，每點隨機選取5個測量區(長1m×寬1m)，從每個測量區中撿拾所有的假莖粉碎物用天平稱重，記為m1；從假莖粉碎物選出長度大于100mm的假莖粉碎物稱重，記為m2；利用公式(4)計算出每個測量區的香蕉秸稈粉碎合格率ρ，最后求得5個測量區合格率的平均值。

(4)

其中，ρ為測量區內香蕉秸稈粉碎合格率(%)；m1為區域內所有香蕉假莖的質量(kg)；m2為粉碎后假莖長度大于100mm(不合格)的粉碎物質量(kg)。

3.3 試驗結果與分析

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機作業性能測試結果如表2所示。

表2 主要性能指標測試結果Table 2 The results of the main performance tests

試驗結果表明：樣機田間作業工作效率的平均值為0.43 hm2/h。試驗中測得香蕉秸稈粉碎合格率平均值為96.98%，已達到秸稈粉碎還田的農藝要求。

4 結論

1)設計了溝齒式香蕉假莖粉碎還田機，通過理論計算和對香蕉秸稈力學特性的研究分析，進而對整機喂入裝置、粉碎裝置及鎮壓裝置等主要部件進行了結構設計和參數確定；分析了粉碎裝置主要結構、工作原理，并確定了粉碎刀輥主動軸和從動軸的轉速、兩刀輥的結構參數。

2)采用空間階梯式布局的雙粉碎刀輥并行配置作業模式，實現前置粉碎刀輥在粉碎香蕉假莖，后置粉碎刀輥粉碎剩余部分假莖的同時對香蕉假莖碎片進行再次粉碎及假莖碎片的簡單埋覆。

3)兩粉碎輥異向轉動且其上的粉碎刀采用交錯布置，可以有效減少刀軸的纏繞并使粉碎更完全，粉碎從動軸的順時針旋轉還可防止香蕉假莖碎片飛濺。