壟作玉米雙軸高低刀秸稈粉碎還田機的研究設(shè)計

河北圣和農(nóng)業(yè)機械有限公司 劉建華

1 問題的提出

目前，國內(nèi)中原平作區(qū)秸稈還田技術(shù)非常成熟，配套秸稈還田機基本已達到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

東北三?。ê邶埥⒓?、遼寧）和內(nèi)蒙古東部地區(qū)（以下簡稱東北四省區(qū)）耕地面積大（僅黑龍江耕地就占全國的1/9），年秸稈產(chǎn)量高，在秸稈禁燒政策引導(dǎo)下，秸稈技術(shù)還田逐步展開。東北四省區(qū)農(nóng)作物多采用壟作模式，壟頂和壟底存在5～6cm的高度差（部分壟高差更高），傳統(tǒng)的還田機動刀長度一致，難以滿足該地區(qū)壟作模式作業(yè)要求：以壟頂為作業(yè)基準(zhǔn)面，壟底秸稈難以撿拾或粉碎；以壟底為作業(yè)基準(zhǔn)面，動刀切削壟上土壤，耗能增加且加速還田機損壞。

在東北四省區(qū)，動力設(shè)備多以大馬力拖拉機為主，但目前國內(nèi)與之配套的大型作業(yè)機具種類相對較少。

鑒于此，本公司開展了研制適合東北四省區(qū)壟作模式、與大馬力拖拉機配套使用的秸稈粉碎還田機工作。

2 雙軸高低刀秸稈還田機的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)特點和工作原理

該機作業(yè)幅寬為2800mm，采用雙軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，與147Kw～161.76Kw的拖拉機配套，推薦工作速度為6～9km/h。與拖拉機通過三點懸掛型式連接，拖拉機后輸出軸動力經(jīng)傳動軸傳遞至秸稈粉碎機變速箱，后經(jīng)過橋軸、帶傳動把動力傳遞給前軸。前軸上的長短錘爪根據(jù)壟形規(guī)律分布，且長錘爪中心線與壟溝中心線重合。

圖1 秸稈還田機主要結(jié)構(gòu)

作業(yè)時，高速旋轉(zhuǎn)的前軸長短錘爪同時將壟頂和壟底的秸稈撿拾，由于前軸的高速旋轉(zhuǎn)，在喂入口所形成的負(fù)壓作用下，秸稈被吸入機殼內(nèi)，錘爪與機殼內(nèi)第一排定刀齒對秸稈進行第一次切割粉碎；隨后，在流經(jīng)折線型的機殼內(nèi)壁時，由于截面變化導(dǎo)致氣流速度改變，使秸稈多次受到刀片的擊打；當(dāng)秸稈進入后軸所在的腔體時，在后軸和后腔體頂大的作用下又一次受到剪切和擊打作用，經(jīng)過二次粉碎后的秸稈以絲絮狀被氣流拋送出機殼，均勻拋撒到田間。

2.2 前后軸轉(zhuǎn)速的確定

刀軸的轉(zhuǎn)速是由秸稈切斷長度和秸稈無支撐時被切割所需最低切割線速度來確定的。

根據(jù)玉米秸稈還田技術(shù)要求，秸稈粉碎長度≤10cm，留茬平均高度≤4cm。理論研究和試驗表明，玉米秸稈粉碎還田屬于無支撐切割，動刀刀端的線速度大于30m/s時才能滿足作業(yè)需求。

大馬力拖拉機較中小型動力設(shè)備行走速度快，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，刀軸設(shè)計值在2000～2400r/min。本機前后刀軸額定轉(zhuǎn)速均為2300 r/min。

2.3 前軸動刀的排布及其動平衡的校核

2.3.1 前軸的結(jié)構(gòu)

東北四省區(qū)壟作壟距大多為65cm，大馬力拖拉機輪距可跨三壟作業(yè)；研發(fā)機具作業(yè)幅寬280cm，可覆蓋四壟范圍，且拖拉機與秸稈還田機中心均在壟頂中心。從中心向左右兩側(cè)各延伸32.5cm，正好處于壟底中心，繼續(xù)向左右延伸65cm，達到下一個壟底中心。

壟溝采用短刀座加長錘爪的組合（并且壟溝上兩個長錘爪的中心線重合），壟上采用長刀座加短錘爪的組合，壟溝上的錘爪旋轉(zhuǎn)半徑較壟頂上的錘爪旋轉(zhuǎn)半徑大35mm。

前軸四條壟溝位置的8個長錘爪及48個短的錘爪均是在360度范圍內(nèi)均勻分布，長短垂爪在一起共同形成360度四條螺旋線型式均布：拿掉短錘爪，長錘爪可以保持平衡；拿掉長錘爪，短錘爪亦可保持平衡。同時還能保證前軸上長短錘爪受力的時候，保持受力平衡，從而解決了壟頂壟底作業(yè)高低刀作業(yè)平穩(wěn)性問題。作業(yè)時，秸稈疏密程度是不一樣的，會導(dǎo)致錘爪的阻力大小不一樣，長短錘爪在受力的時候，力臂也不一樣，容易產(chǎn)生受力不平衡的問題，但是前軸轉(zhuǎn)速高，錘爪質(zhì)量大，從而慣性力也大，再加上前軸上錘爪排布合理，作業(yè)時前軸錘爪間產(chǎn)生的偏擺很小，且很快能恢復(fù)到動平衡狀態(tài)。從實際使用和試驗情況看，平穩(wěn)性完全滿足要求。

2.3.2 前軸長短錘爪的排列方式

兩片長刀座相互對齊間隔距離44mm為一對，兩對長刀座軸向間隔57mm、周向角度呈180°為一組，共用24組長刀座。兩片短刀座相互對齊間隔距離44mm為一對，兩對刀座中心線重合、周向角度呈180°為一組，共用4組短刀座。

當(dāng)把第一組長刀座焊接到軸管上后，刀軸順時針旋轉(zhuǎn)96.43°，軸向平移114mm，焊合第二組長刀座，依次類推，但是焊接時第4、11、18、25等四組刀座為短刀座組。

2.3.3 前軸錘爪動平衡的校核

長短錘爪與前軸構(gòu)成一個多剛體的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)格地說轉(zhuǎn)動慣量不是一個常值。所以刀軸上錘爪的排列方式及動平衡是秸稈還田機最核心的技術(shù)所在。

因為刀座為偶數(shù)，通過動平衡公式計算，結(jié)果為：

I1=（n-1）sina1+（n-2）sina2+……+sin(an-1)=0.025

I2=（n-1）cosa1+（n-2）cosa2+……+cos（an-1）=0.802

公式中的“n”為到軸上刀座的組數(shù)，“a”為刀座的方位角度，通過動平衡公式得出的數(shù)值都小于1，兩組刀座相鄰夾角為96.43°，大于60°。即此刀軸排列即為合格。

2.4 后軸動刀的排布及其動平衡的校核

從圖1可以看出，后軸主要是二次粉碎秸稈，不涉及刀具不對壟問題。與前軸的甩刀不同，后軸采用的動刀是固定的切碎刀。后軸配置動刀片72個，腔體里配置定刀111個。后軸動刀片呈360度四條螺旋線型式均布，與中原地區(qū)普遍使用的秸稈粉碎機結(jié)構(gòu)大致相同，這里不做過多敘述。

2.5 其它部分設(shè)計

本機箱體采用的是意大利CMR集團的8M箱體，此箱體帶有離合脫開裝置，在脫開拖拉機后動力輸出的時候，由于刀軸質(zhì)量大，慣性大，所以軸還要保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是后動力已經(jīng)斷開，這樣勢必會造成燒皮帶現(xiàn)象，此箱體的離合脫開裝置正好解決了此問題。

殼體的焊合，此機器的板材都是采用的Q345B加厚板材，前后腔體均采用三排定刀的設(shè)計，在保證堅固耐用的同時，保證切碎效果。

3 結(jié)語

該機小批量生產(chǎn)后，已經(jīng)在吉林和黑龍江部分地區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用。用戶評價為：該機可用于壟作地區(qū)玉米等作物秸稈切碎還田作業(yè)，變換動刀也可用于非壟作地區(qū)，一次作業(yè)相當(dāng)于傳統(tǒng)秸稈機的兩次作業(yè)，作業(yè)效率高，切碎效果好，動力消耗少，在東北壟作地區(qū)有良好的適應(yīng)性。