1JH-440型秸稈粉碎還田機的研究

李新明

（山東工業職業學院，山東 淄博 256414）

農作物秸稈是農業生產的主要附屬物，資源量巨大，如何有效利用農作物秸稈是現階段面臨的主要難題。玉米秸稈資源利用方式主要有還田、飼料化和工業化等形式，其中機械化直接還田是一條最快捷、有效的途徑，也是實現保護性耕作、建立高產穩產農業的有效途徑[1]。秸稈還田裝備研發對于發展生態沃土、促進資源有效利用具有重要意義。

國外對秸稈的利用方式主要也是機械還田，有效促進了秸稈還田發展，也相應推進了保護性耕作技術。國外秸稈機械化還田機具存在對我國適應性差的問題，且價格昂貴，不適宜直接使用。國內現有秸稈還田機依然存在農機、農藝融合程度不足的問題，由于秸稈不能細碎，導致小麥免耕播種機堵塞，防堵裝置的使用又帶來機具價格的上漲及動力需求的增加。另外，采用滅茬或普通旋耕的方式，秸稈和根茬混入土壤后導致土壤不實產生間隙，不僅失墑較快，而且導致播種后種子在土壤中出現架空現象，無法形成優良的種床環境，影響種子的正常發芽和根系成長，降低了作物對自然災害的抵御能力。因此，現有秸稈還田機械都存在農機、農藝融合程度不足、還田質量不穩定等影響作物后期成長的問題，其主要表現在撿拾不干凈、拋撒不均勻、長度太長。不僅導致免耕播種機堵塞，而且秸稈與土壤融合不好導致種子虛空，后期根系偏弱以致減產。

針對以上問題，結合區域農藝要求，以提高秸稈還田質量和推進保護性耕作技術為出發點，設計了1JH-440 細碎型秸稈還田機，該機是為大功率拖拉機配套的機型，在不清理秸稈的情況下就能夠進行機械化免耕播種，適用于合作社及大農戶進行秸稈粉碎還田作業，為我國保護性耕作有效推進提供技術和裝備支撐。

1 方案設計

1.1 整機結構

1JH-440 型秸稈粉碎還田機結構型式為懸掛單軸式，主要由萬向節總成、機架、懸掛總成、齒輪箱總成、罩殼總成、張緊裝置、地輪總成、刀軸（分段）總成、擋簾、支撐裝置等組成，組成及外形尺寸見圖1。該機作業后秸稈覆蓋相對均勻，地表平整。粉碎還田作業質量要求：切碎長度≤10 cm，粉碎長度合格率≥90%，拋灑不均勻度≤20%，粉碎率≥90%，漏切率≤1.5%，適用性好，安全程度高。

圖1 1JH-440型秸稈粉碎還田機組成圖Fig.1 The composition of 1JH-440 straw crushing and returning machine

1.2 工作原理

機具作業時，拖拉機與1JH-440 細碎型秸稈還田機通過三點懸掛連接成一體，拖拉機通過傳動系統驅動主驅動軸旋轉，動力從兩端經皮帶傳遞給甩刀軸。拖拉機在行進中，秸稈還田機高速旋轉的動刀將秸稈切斷并打入罩殼內，在動刀與定刀作用下將秸稈在罩殼內粉碎到長度＜10 cm，細碎后的秸稈通過氣流及離心作用被均勻拋撒在機具后方的田間，完成秸稈還田作業。地輪可以對均勻鋪放的秸稈進行鎮壓，有效防止秸稈亂飛并對埋入土壤中的秸稈進行壓實，形成高質量種床。

2 秸稈還田機設計計算

2.1 動力匹配計算

機具動力由拖拉機動力輸出軸提供。由經驗公式可知拖拉機的最大功率輸出Pmax為[2]

式中：Pmax——拖拉機最大輸出功率，kW；P——動力輸出軸負載的功率消耗，kW；Ms——拖拉機使用質量，kg；Fn——還田機的牽引阻力，N；f——拖拉機的滾動阻力系數，取0.08；v——機具正常作業速度，km/h；g——重力加速度，9.8 m/s2。

根據農業機械設計手冊可知，還田機單位幅寬消耗功率為0.22 kW/cm，則還田粉碎裝置消耗的功率為P=0.22 kW/cm×440 cm=88 kW。考慮到其他工作部件消耗的功率，取P值為90 kW，阻力Fn為24 KN。田間試驗選擇凱斯2104 拖拉機提供動力，Ms為4 570 kg，代入上式可得Pmax=153.97 kW。

2.2 掛接裝置設計

農機具懸掛參數是否合理對機組工作質量影響極大，設計不當會導致耕深不穩、耕寬不穩等[3]。補償式三點懸掛連接裝置設計的基礎是撓性連接理論，與傳統三點懸掛相比連接牢固、穩定性好。補償式三點懸掛連接機構由拉桿、上掛接板、斜撐板以及左右對稱的一對下掛接板組成，見圖2。

圖2 補償式三點懸掛連接機構Fig.2 The compensation type three-point linkage

從圖2可知，拉桿上部與還田機上掛接板通過銷軸鉸接。作業時，拉桿對銷軸的作用力補償了平衡力系中某些力的變化，增加了整體結構穩定性。圖2 左雙點劃線組成一個三點懸掛機構的三角形，圖2右雙點劃線形成剛性三角形，兩個三角形所在的平面相互垂直，由三角形穩定性原理可知，機具整體既具有剛性又具有穩定性。

該補償式三點懸掛連接裝置優點：①機具田間作業時，還田機穩定性較好，降低了功耗；②運輸時，可縮短拉桿長度，降低了還田機擺動風險，增加了作業人員的安全性。

2.3 Y型甩刀在刀軸上的排列

Y型刀片具有功耗小、耐磨的優點，且在定刀的作用下更容易將秸稈細碎。整機刀具的數量和排列方式直接影響著粉碎裝置的粉碎效果、工作阻力以及機具的振動頻率等[4-5]，合理的布置不僅能降低功耗，更能減輕機組振動，提高粉碎質量。考慮到粉碎裝置的功率消耗不可過大，根據粉碎要求，計算得粉碎軸上安裝56 組刀具，共112 把甩刀。將刀具分為兩大組，按照雙螺旋線排列，相鄰兩組刀具軸向距離為150 mm。此時，位于同一條螺旋線上的相鄰兩刀片的徑向夾角為72°，如圖3 所示。工作過程中，每次最多有2 把甩刀同時作業，在保證粉碎效果的同時，減輕了機具的工作阻力，降低了甩刀磨損程度，提高整機使用壽命。

圖3 Y型甩刀在粉碎軸上排列Fig.3 The arrangement of Y-type flail on comminution shaft

2.4 穩定性計算

2.4.1 爬坡穩定性能指數

爬坡行駛狀態下，一般道路規定的最大坡度角20°，此時機縱向穩定性小于爬坡穩定性指數表征，該指數越大越好。該機接近角＞20°，所以機組滿足縱向穩定性要求。

2.4.2 拖拉機懸掛機構油缸提升能力校核

凱斯紐荷蘭Puma 2104 油缸最大推入推出力PZma為6 700 N，油缸提升能力儲備指數

提升能力儲備達到67.4%，故油缸提升能力足夠。

3 結論

（1）為滿足播種時需秸稈粉碎的農藝要求，設計了1JH-440 型秸稈還田機。該機由萬向節總成、機架、懸掛總成、齒輪箱總成、罩殼總成、張緊裝置、地輪總成、刀軸總成、擋簾、支撐裝置等組成，結構簡單可靠，調整使用便捷。

（2）對改機動力匹配進行計算，明確了田間作業所需動力Pmax=167.75 kW。對掛接裝置、刀軸排列及穩定性進行計算，確定了該機關鍵技術參數。

（3）作為銜接收獲和免耕播種的秸稈還田裝備，對于發展生態沃土、促進資源有效利用具有極其重要意義，為我國保護性耕作有效推進提供技術和裝備支撐。