新疆棉花秸稈粉碎還田機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

劉 洋，王 濤，李 斌，牛國梁，李亞雄，王士國，董云成

（1． 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子832000；2． 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

棉花是新疆種植面積最大的經(jīng)濟(jì)作物，棉花在收獲后需要進(jìn)行秸稈粉碎還田[1]，目前在新疆使用有多種結(jié)構(gòu)的棉花秸稈粉碎還田機(jī)，如新疆鑫昌盛農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的單刀盤立式秸稈粉碎還田機(jī)、石河子開發(fā)區(qū)文軍輝煌農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的雙刀盤立式秸稈粉碎還田機(jī)和河北耕耘農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的臥式秸稈粉碎還田機(jī)，這些機(jī)具滿足了新疆機(jī)采棉66+10 cm 行距棉花秸稈粉碎還田的需要[2-3]，表現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，也反應(yīng)出一些問題。作者通過對新疆不同地區(qū)棉花秸稈粉碎還田機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，觀測這些機(jī)具的結(jié)構(gòu)、作業(yè)質(zhì)量和效率，在此基礎(chǔ)上對機(jī)具各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的問題進(jìn)行討論，為秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

1 棉花秸稈粉碎還田前準(zhǔn)備

棉花秸稈粉碎還田前，需要用摟膜機(jī)清除地表的地膜，摟膜機(jī)為彈齒結(jié)構(gòu)（圖1a）[4]。由于棉行較長，摟膜機(jī)作業(yè)時(shí)每隔一段距離需要將彈齒上的地膜去除，為此用秸稈粉碎還田機(jī)在垂直于棉行方向粉碎棉稈，布置堆放地膜的通道，便于地膜裝載運(yùn)輸（圖1b）。圖1c 和d 是田間摟膜效果對比，可以看到摟膜后地面的地膜已經(jīng)大量減少。

2 新疆棉稈粉碎還田機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用的棉稈粉碎還田機(jī)類型

秸稈粉碎還田機(jī)按照工作部件的運(yùn)動(dòng)方式可分為臥式和立式[2]，這兩種機(jī)型在新疆棉花秸稈粉碎還田過程中都有應(yīng)用，下面分別進(jìn)行介紹。

2.1.1 臥式秸稈粉碎還田機(jī)

臥式秸稈粉碎還田機(jī)主要有4 行和6 行兩種機(jī)型（圖2），他們分別可以用58.8 kW 和62.5 kW 的拖拉機(jī)懸掛牽引，作業(yè)速度分別為160 m/min 和80 m/min，作業(yè)效果如圖3，長度大于10 cm 的秸稈較少。他們的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，由拖拉機(jī)動(dòng)力軸輸出動(dòng)力，由皮帶傳輸動(dòng)力，從機(jī)架的一側(cè)驅(qū)動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。4 行機(jī)的懸掛架固定在機(jī)架的中間位置，6 行機(jī)的懸掛架在機(jī)架上偏置。

2.1.2 立式秸稈粉碎還田機(jī)

立式秸稈粉碎還田機(jī)按照切割刀盤的數(shù)量，可以分為單刀盤和雙刀盤結(jié)構(gòu)。圖4 是6 行單刀盤立式秸稈粉碎還田機(jī)，該系列還有2 行和4 行兩種機(jī)型，可以切割2、4 和6 行秸稈，配套的拖拉機(jī)動(dòng)力分別為22.1 kW、55.1 kW 和58.8 kW，作業(yè)速度分別為80 m/min、200 m/min 和90 m/min。三種秸稈粉碎還田機(jī)通過增大切割刀盤的旋轉(zhuǎn)直徑來增加粉碎行數(shù)，他們的懸掛架都布置在機(jī)架的中間位置，整機(jī)采用對稱結(jié)構(gòu)布置。他們的動(dòng)力輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳動(dòng)系統(tǒng)上布置有離合器，離合器由超越離合器和摩擦離合器組合而成，起到對動(dòng)刀和傳動(dòng)系統(tǒng)過載保護(hù)的作用[6]。

圖5 是三種作業(yè)幅寬的雙刀盤立式秸稈粉碎還田機(jī)，可以切割4、6 和8 行秸稈，配套的拖拉機(jī)動(dòng)力分別為44.1 kW、62.5 kW 和66.2 kW，作業(yè)速度分別為90 m/min、210 m/min 和110 m/min。4 行和8 行雙刀盤秸稈粉碎還田機(jī)的結(jié)構(gòu)布置相同（圖5a 和c），懸掛架固定在機(jī)架的中間位置，機(jī)架采用對稱結(jié)構(gòu)布置，兩個(gè)刀盤的旋轉(zhuǎn)直徑相等，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用“T”形結(jié)構(gòu)布置，用兩組皮帶傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)（圖6a）。6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機(jī)的兩個(gè)切割刀盤的旋轉(zhuǎn)直徑不相等（圖5b），其中旋轉(zhuǎn)直徑較大的刀盤切割4行秸稈，較小旋轉(zhuǎn)直徑的刀盤切割2 行秸稈，懸掛架固定在大切割刀盤的前方，整個(gè)機(jī)具采用偏置結(jié)構(gòu)，為了保證機(jī)具的平衡，在大切割刀盤后方和小切割刀盤側(cè)方的機(jī)架上各布置一個(gè)支撐輪。6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用“L”形結(jié)構(gòu)布置（圖6b），動(dòng)力輸出軸先通過大齒輪傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)大刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，然后從大齒輪傳動(dòng)箱輸出動(dòng)力，用小齒輪傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)小刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪箱上都布置有離合器，用于過載保護(hù)兩個(gè)切割刀盤和傳動(dòng)系統(tǒng)[7]。

2.2 南疆和北疆棉稈粉碎還田機(jī)使用情況

新疆的南疆和北疆都是棉花的主產(chǎn)區(qū)，但是由于氣候不同，棉花秸稈的物理特性和粉碎還田時(shí)間有區(qū)別[8]。棉花秸稈應(yīng)該在棉花采收后及時(shí)粉碎還田，南疆氣候溫暖，適宜棉花的生長，而北疆氣候寒冷，存在降霜現(xiàn)象，導(dǎo)致北疆棉花采收時(shí)間早于南疆，北疆棉稈粉碎還田的時(shí)間約比南疆早15 天。南疆氣候干旱少雨，棉稈在粉碎還田時(shí)含水率較低，而北疆雨水相對較多，棉稈在粉碎還田時(shí)含水率較高。棉稈的含水率是影響粉碎質(zhì)量的重要因素，適當(dāng)?shù)慕斩捄士梢蕴岣叻鬯橘|(zhì)量，較低和過高的棉稈含水率都不利于粉碎。圖7 是用相同結(jié)構(gòu)的立式秸稈粉碎還田機(jī)在南疆和北疆的作業(yè)效果，可以看到，南疆的棉稈粉碎后存在大量的長秸稈，而北疆的棉稈粉碎效果很好，幾乎無長度大于10cm 的棉稈。

2.3 不同季節(jié)秸稈粉碎還田情況

棉稈主要在秋季棉花收獲后進(jìn)行粉碎還田，但是一些棉田的秸稈會因?yàn)槊藁ú墒蛰^晚或者氣候原因推遲到次年的春季進(jìn)行粉碎還田（圖8a）。春季的棉稈經(jīng)過冬天的晾曬，非常干燥，棉稈粉碎質(zhì)量較差，粉碎后存在很多較長的棉稈，春季的地膜已經(jīng)老化，很容易破碎，粉碎的秸稈中夾雜有殘膜，這對殘膜的回收非常不利（圖8b）[9]。另外春季秸稈粉碎還田時(shí)，土壤干燥，刀盤高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流很容易將土壤吹起，出現(xiàn)嚴(yán)重的揚(yáng)塵現(xiàn)象，對環(huán)境造成污染（圖8a）。秋季地表土壤含水率高，揚(yáng)塵現(xiàn)象不明顯（圖8c），棉稈粉碎效果優(yōu)于春季（圖7）。

2.4 秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益

秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益受地區(qū)和粉碎還田機(jī)類型的影響。立式秸稈粉碎還田機(jī)在南疆和北疆作業(yè)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)備分別為7和10元/667m2，這與人力成本有關(guān)，相比較北疆的勞動(dòng)力成本高于南疆。北疆使用的臥式秸稈粉碎還田機(jī)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為15 元/667m2，高于立式秸稈粉碎還田機(jī)，這是因?yàn)榕P式秸稈粉碎還田機(jī)的功耗較高。

3 討論

3.1 兩種類型的秸稈粉碎還田機(jī)性能特點(diǎn)

臥式秸稈粉碎還田機(jī)的刀軸上可以布置多組動(dòng)刀，動(dòng)刀的數(shù)量較多，這有利于提高秸稈的粉碎質(zhì)量和作業(yè)效率，但是傳動(dòng)系統(tǒng)從機(jī)架的一側(cè)驅(qū)動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，6 行臥式秸稈粉碎還田機(jī)的懸掛架偏置在機(jī)架上，刀軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)架振動(dòng)嚴(yán)重，影響秸稈粉碎質(zhì)量和機(jī)具的安全性，因此機(jī)具不易高速作業(yè)，作業(yè)效率較低[10]。另外，臥式秸稈粉碎還田機(jī)切割后留在地表的根茬高度不齊（圖9a），動(dòng)刀的結(jié)構(gòu)和在刀軸上的分布會影響棉稈留茬的高度[11-12]。

立式秸稈粉碎還田機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多樣。2 行機(jī)作業(yè)效率不高，適合地塊面積小的棉田還田作業(yè)。8 行機(jī)作業(yè)時(shí)，牽引拖拉機(jī)的輪距與機(jī)采棉種植模式的棉田不對行，拖拉機(jī)后輪會壓倒棉稈。在實(shí)際使用中，為了使拖拉機(jī)的后輪行走在棉行之間，用一個(gè)刀盤切割4行棉稈，另一個(gè)刀盤切割2 行棉稈，這會造成拖拉機(jī)功耗的浪費(fèi)，結(jié)構(gòu)不合理[13]。采用一個(gè)刀盤切割6 行棉稈的還田機(jī)，由于刀盤的旋轉(zhuǎn)直徑較大，當(dāng)增大刀盤轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)具振動(dòng)嚴(yán)重，因此單刀盤6 行立式秸稈粉碎還田機(jī)的工作效率不高。6 行雙刀盤還田機(jī)可以克服雙刀盤8 行立式秸稈粉碎還田機(jī)功耗高和單刀盤6 行立式秸稈粉碎還田機(jī)工作效率低的問題，是適應(yīng)機(jī)采棉1 膜6行種植模式較好的一種機(jī)型。立式秸稈粉碎還田機(jī)的動(dòng)刀平行于地面切割秸稈，秸稈的留茬高度整齊。

3.2 棉花秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)存在的問題

3.2.1 秸稈粉碎室

通過秸稈粉碎效果可以看出，秸稈粉碎質(zhì)量并不相同，這不僅與秸稈的含水率和切割速度有關(guān)，與切割粉碎室的結(jié)構(gòu)形狀也有緊密的關(guān)系，從圖4 和圖5 可以看出秸稈粉碎室的結(jié)構(gòu)不同，何種結(jié)構(gòu)的粉碎室利于秸稈粉碎，需要進(jìn)行研究[14]。

3.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

秸稈粉碎機(jī)采用皮帶或者齒輪傳動(dòng)動(dòng)力，皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)動(dòng)刀的切割阻力較大時(shí)，皮帶與帶輪發(fā)生相對滑移，起到保護(hù)動(dòng)刀的作用，但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是隨著皮帶使用時(shí)間的增加，皮帶滑移的阻力會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，影響秸稈粉碎質(zhì)量。齒輪傳動(dòng)需要離合器來保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)和切割裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是“L”形傳動(dòng)系統(tǒng)，需要較高的設(shè)計(jì)制造水平，但是齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)秸稈粉碎還田機(jī)高速作業(yè)時(shí)，性能更加優(yōu)異。

3.2.3 切割刀

秸稈粉碎還田機(jī)上設(shè)置有動(dòng)刀和定刀，動(dòng)刀直接與棉稈接觸，高速作業(yè)時(shí)易磨損，這會影響到秸稈的粉碎質(zhì)量，需要及時(shí)更換，為了延長動(dòng)刀的使用時(shí)間，應(yīng)該對動(dòng)刀的材料和加工工藝進(jìn)行研究，提高動(dòng)刀的耐磨性能[15]。定刀固定在粉碎室內(nèi)部，目前對定刀結(jié)構(gòu)、數(shù)量和布置主要是通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏更深層次的原理研究。

3.3 棉花秸稈粉碎時(shí)間的選擇

秸稈的含水率是影響粉碎質(zhì)量的重要因素，棉稈應(yīng)該在秋季棉花收獲后避開下雨天雨水打濕棉稈和地表，及時(shí)進(jìn)行粉碎還田，盡量避免春季還田作業(yè)。

3.4 棉花秸稈粉碎還田機(jī)的發(fā)展方向

目前新疆使用的秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣，滿足了機(jī)采棉秸稈粉碎還田的需要，但是不同的機(jī)具粉碎質(zhì)量存在較大差距，有待進(jìn)一步的優(yōu)化機(jī)具動(dòng)刀、定刀、秸稈粉碎室和傳動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，提高粉碎質(zhì)量和作業(yè)效率。高效和粉碎質(zhì)量好的秸稈粉碎還田機(jī)是市場的需求和發(fā)展方向[16]。

4 結(jié)論

秸稈粉碎還田是棉花種植過程中的重要環(huán)節(jié)，目前新疆使用的棉花秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣，可以滿足不同地區(qū)和時(shí)間的棉花秸稈粉碎還田需要，但是不同機(jī)具的秸稈粉碎還田質(zhì)量和作業(yè)效率存在很大差距，其中立式6 行雙刀盤秸稈粉碎還田機(jī)表現(xiàn)出了較好的工作性能。未來秸稈粉碎還田機(jī)會向高作業(yè)效率和好的粉碎質(zhì)量方向發(fā)展，在新疆具有廣闊的市場前景。