秸稈還田覆蓋播種施肥復式作業機設計

陳書法，孫 蒨，朱曉華，孟憲清

(1.淮海工學院 ，江蘇 連云港 222005；2.贑榆區農機化技術推廣服務站，江蘇 連云港 222100)

0 引言

隨著社會的進步，環境問題被視為國家未來發展的難題。目前，農民往往在作物收獲后，大量燃燒秸稈，不僅造成了嚴重的生物資源的浪費，更造成了霧霾及有害氣體CO、SO2,、NO2等一系列嚴重的環境問題，成為社會關注的重點話題[1]。

國外對于秸稈還田復式作業機具的研究已經趨于成熟，很多歐美國家早已經采取這種保護性、一次性的耕作方式。秸稈還田復式作業機在我國的起步較晚，對于這種一次性的秸稈還田耕作機具的認識基本是空白狀態。目前，國內作業機的結構，功能單一，作業效果達不到農藝要求。

施肥播種復式作業機主要是將秸稈打碎，通過螺旋輸送機將秸稈還田，不僅減少了環境的污染，而且資源得到了充分的利用。本文的秸稈還田覆蓋播種施肥復式作業機可以提高農作業效率、優化播種間隔，將播種和施肥同步進行，并實施按農作物需量進行施肥，大大提高肥料的利用率，減少了肥料的浪費和多余肥料對環境的污染。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

本文設計了一種可以實現一次滅茬、秸稈還田覆蓋、旋耕及播種施肥的復式作業機，可以減少勞動強度，保持一致的播種行距、旋耕深度，不僅節約了資源，而且保護了環境。本機可實現多行播種，極大地提高了工作效率。整機采用了一些簡單、通用的零部件，更換方便。該機的播種種類多，既可以播種玉米，也可以播種小麥，且播種量也可以根據播種的需要而自行調節。該機在實現復式作業的同時，也考慮到了作業環境，在條件惡劣的情況下也可以工作。

1.2 總體設計

秸稈還田覆蓋播種施肥復式作業機的結構，如圖1所示。拖拉機輸出軸速度為540r/min，實現滅茬刀軸速度為2 400r/min，旋耕刀軸轉速為200r/min。

本機的主要組成部分為三點懸掛裝置、前變速箱、滅茬側邊傳動裝、滅茬刀輥組件、絞籠及風機，具體包括旋耕側邊傳動裝置、機架、旋耕側邊傳動箱、排肥器、種肥箱、播種器及拋灑管道等。田間作業時，機具前部三點懸掛于拖拉機上，動力由拖拉機輸入到前變速箱，由前變速箱帶動萬向節到側邊V帶，使得粉碎刀軸轉動，粉碎刀軸上安裝有粉碎刀具；同時，由另一側的V帶帶動絞籠旋轉，帶動地面的粉碎后的稻秸稈，通過絞籠的轉動，將粉碎的秸稈傳遞到風機中，再由風機向外界拋灑；與此同時，后方的側邊傳動箱，由拖拉機的動力經過萬向節帶動使得旋耕刀軸轉動，旋耕刀軸上安裝有旋耕刀具，完成旋耕；播種排肥箱側面裝有電機，由電機帶動軸，使得播種施肥器轉動，經過輸料管，完成播種施肥過程。

1.3 旋耕裝置傳動系統設計

秸稈還田播種施肥復式作業機旋耕傳動系統圖如圖2所示。旋耕裝置的傳動路線為：拖拉機動力輸出軸 萬向節 旋耕側邊傳動裝置 旋耕刀輥組件(200 r/min)。

1.三點懸掛裝置 2.前變速箱 3.滅茬側邊傳動裝置 4.滅茬刀輥組件 5.絞籠 6.風機 7.旋耕側邊傳動裝置 8.機架 9.旋耕側邊傳動箱 10.排肥器 11.種肥箱 12.播種器 13.拋灑管道

1．傳動軸 2.萬向節 3.旋耕側邊傳動裝置 4.旋耕刀輥組件

通過設計計算，得到各級傳動比及齒輪齒數如表1所示。

表1 旋耕裝置各級傳動比Table1 Transmission ratioofRotary device at all levels

1.4 滅茬裝置傳動系統設計

秸稈還田播種施肥復式作業機滅茬傳動系統圖如圖3所示。傳動路線為：拖拉機輸入→前變速箱→萬向節帶動V帶→粉碎刀軸→另一側V帶→絞籠，最終粉碎刀軸的轉速為2 400r/min，絞籠的轉速為1 855r/min。

1.中間變速器輸入軸 2.中間變速器輸出軸 3.右側帶傳動 4.稻秸稈粉碎軸 5.絞籠、風機軸 6.左側帶傳動

計算得到齒輪及V帶傳動比及基本參數，如表2所示。

表2 滅茬裝置齒輪參數Table 2 Parametersstubble gear

續表2

2 關鍵部件設計

2.1 旋耕刀與滅茬刀的設計與排列

旋耕機性能有很多影響因素，包括旋耕刀排列方式，其對切削扭矩、功率損耗、作業機使用后效果及作業機的平衡性等指標有至關重要的作用。刀的排列方式應遵循以下原則：①在刀輥軸向投影圓周內總刀數等分排列，刀輥每轉過360°/Z有1把彎刀入土，使得切土扭矩平衡，減小波動幅度；②左右彎刀交替入土；③盡可能增大軸向同截面或相鄰兩彎刀周向夾角，以避免夾土阻塞[2]。

根據本設計中的設計參數確定耕幅為[2]

(5)

式中B—旋耕機耕幅(m)；

N—拖拉機發動機的額定功率(kN)。

如果幅寬大的話，刀片自然增多，這樣發動機工作會過載。所以，選擇合適的耕幅非常重要，本文幅寬選擇2m。

由于這次設計的作業機耕幅選擇為2m,左右旋耕與滅茬彎刀各20把(見圖4)，根據實際要求選取雙螺旋線排列方式。

刀軸與刀具構成一個多剛體的轉子。轉動慣量由于不是實際的整體，因此理論上來說不是一個常值。由于刀軸的轉速高，滅茬刀質量大，離心慣量大[2]，因此把刀與刀軸看為一個剛體后，滅茬刀排列滿足以下4個條件(圓周角度方向)，即可到達動平衡[2]，則

Ix=sinα1+sinα2+...+sinαn=0

(1)

Iy=cosα1+cosα2+...+cosαn=0

(2)

當n為偶數時，滿足以下公式，即

Ixz=(n-1)×sinα1+(n-2)sinα2+...+

sinαn-1=0

(3)

Iyz=(n-1)×cosα1+(n-2)cosα2+...+

cosαn-1=0

(4)

n—刀軸上的組數；

α—刀座的角度；

Ix—刀軸對x軸的轉動慣量；

Iy—刀軸y軸的轉動慣量；

Ixz—刀具平面對垂直的x,z軸的慣性積；

Iyz—刀具平面對垂直的x,z軸的慣性積。

本機中，n=40,α的各個角度如圖5所示。

根據以上約束條件，設計了一個基于VB的計算程序進行驗證。通過輸入選取的α值，使得滿足上述條件為0值；否則修改，得到以下排列雙頭螺旋排列方式展開圖。橫向為長度坐標，縱向為角度坐標一格90°，如圖4所示。

圖4 滅茬刀輥彎刀布置展開圖Fig.4 Stubble knife roll machetes deployment plan

2.2 施肥與播種裝置設計

播種施肥裝置由排肥器、種肥箱、播種器、輸料管及分散種子裝置組成；播種施肥裝置由電動機驅動實現播種施肥，如圖5所示。在播種施肥過程中，根據實際需要調節出料量。其優點如下：①播種器間隔分布均勻，可實現種子的播種均勻，以此提高產量；②播種施肥裝置的排量可根據需要而自行調節；③種箱和肥料箱采用漏斗形式，這樣可以減少在機器作業時種子和肥料的剩余量。

1.肥料箱 2.傳動軸 3.播種器 4.施肥器 5.電動機 6.種肥箱

2.3 播種施肥器種類的選擇

外槽輪式播種器與外槽輪式施肥器原理相似，具有結構簡單及適用于易于攪動的化肥和顆粒化種子的特點，廣泛應用于谷物條播和中耕播種機上。根據復式作業機的播種施肥的要求，選擇外槽輪式播種與外槽輪式施肥器。外槽輪式播種器的播種過程為：種子在重力的作用下滑落填滿槽輪的凹槽，槽輪在電機的作用下旋轉，種子跟隨槽輪一起轉動，進行排種；槽輪外圍的種子由于槽輪的轉動產生的外緣波動和種子之間的摩擦而發生運動，這種運動逐層傳遞，由槽輪帶動的種子轉動掉入排種舌，最終落入輸種管[3]，完成播種。

2.4 施肥器的參數選擇

根據實際需要和設計要求選取外槽輪式播種器參數如下：

1)外槽輪的直徑：d=60mm。

2)外槽輪轉速n：槽輪的轉速為n=40r/min。

3)外槽輪工作長度L：播小麥類等谷物時，可取L=45mm。

4)外槽輪數Z：槽數Z選擇不能偏多，也不能偏少。選用常用外槽輪Z=14齒。

同理，選擇外槽輪式播種器主要參數如下：

1)外槽輪的直徑：d=40mm。

2)外槽輪轉速n：槽輪的適宜轉速范圍為n=40r/min，在此轉速時播量較穩定。

3)外槽輪工作長度L：播小麥類等谷物時，可取L=35mm。

4)外槽輪數Z：槽數Z選擇不能偏多，也不能偏少，選用常用外槽輪Z=14齒。

2.5 肥料箱的設計

種箱和肥料箱容量根據播種工作的幅寬、播種量或施肥量、播種行程、種子肥料的密度等而決定，工作中不宜將子粒或肥料全部排放，剩余的籽粒或肥料太少會直接降低排種施肥的性能，應至少留有10%的余量。種肥箱的容量可用下式確定，即

(6)

式中V—種肥箱容量(L)；

L—裝滿1箱種子所能播種施肥的距離，最少等于1個往返的行程，即地塊長度的1倍(m) ；

B—工作幅寬(m)；

Qmax—單位面積最大播種量或施肥量(kg/hm2)；

λ—種子或肥料的密度(kg/m3) 。

根據小麥的播種需求計算如下：B=2，L=30，Qmax=20kg/0.067hm2,λ=0.77，得出V=46L。肥料箱的設計要滿足將肥和種子分開并且自行落下的要求。

2.6 輸料管的參數選擇

輸料管主要是將播出的種子導入撒種器中，使種子順利到達溝內，它的直徑選40mm，材料為塑料。輸料管的長度L用以下公式確定，即

(7)

式中H—種子從出料口到撒種器的垂直距離(mm)；

α—輸料管傾斜角度(與水平方向的夾角)。

3 田間試驗驗證

田間試驗位于江蘇省連云港灌云縣一帶一年兩熟的丘陵區域，實驗區域空氣濕度較大，播種小麥，地面平坦，鮮有障礙體，年均降水量大約為800mm，得出以下實驗數據，如表3所示。

表3 田間實驗數據Table 3 Field experimental data

4 結論

結合秸稈還田保護性耕作的實際需求，設計了一種秸稈還田施肥播種復式作業機。該機器結構緊湊合理，工作效率高，由拋灑管道將稻秸稈覆蓋到地面上。旋耕滅茬刀軸采用雙螺旋排列方式，播種施肥器采用內槽輪式播種施肥器，播種施肥器使用電機帶動，實現精量播種的需求。該機作業效果好，工作范圍廣泛，滿足了農戶對于秸稈還田播種施肥復式作業機的要求。