地下灌溉復合管成型裝置設計與試驗*

楊杰，關陽，古冬冬，仵峰，張煜忠，施進發(fā)

(華北水利水電大學，鄭州市，450046)

0 引言

目前，我國玉米秸稈產量穩(wěn)居高位[1]。其中，黃淮海地區(qū)的玉米秸稈產量約占全國的1/4[2]。為了充分利用秸稈資源，我國大力推廣應用秸稈機械還田技術[3-5]。根據秸稈機械化還田的方式不同，可以分為：秸稈粉碎表層還田、秸稈與根茬混埋還田、秸稈整稈還田、秸稈溝埋還田[6]。其中秸稈粉碎表層還田質量好，成本降低，秸稈處理量多，效率高。但玉米秸稈的根茬粗壯，且黃淮海地區(qū)小麥、玉米為一年兩熟，秸稈粉碎表層還田處理影響小麥的播種，小麥根部易腐爛，不利于生長[7]。秸稈與根茬混埋還田，既很好地解決人工處理玉米根茬耗時費力問題，又能起到整地作用，改良土質，做到種地養(yǎng)地。秸稈整稈還田，具有鎖住土壤水分的效果，減少秸稈粉碎流程，降低生產成本[8]。但秸稈整稈還田配套的還田工具為鏵式犁，經常使用鏵式犁會形成犁底層，對作物的生長不利。秸稈溝埋還田，增加土壤中有機物的含量，土壤結構與環(huán)境得到改善，有利于作物的生長，產量增加[9]。

秸稈溝埋還田是在我國逐漸形成的一種新型秸稈還田技術，目前還處于研發(fā)階段[10]。查良玉等[11]在常規(guī)東方紅904雙盤開溝機擋土板上焊接合適的擋土板，開溝性能良好，碎土率高，解決了秸稈機械溝埋還田埋草后覆土難的問題。陳玉侖[12]以稻麥聯合收獲機與開溝機為研究對象，設計了一種稻麥聯合收獲開溝埋草多功能一體機，一次作業(yè)即可完成稻麥作物聯合收獲、開溝和秸稈入溝還田等工序。孔德剛等[13]根據秸稈深施還田要求借鑒深松鏟結構設計了一種螺旋式秸稈深施機單體裝置。目前，在單項作業(yè)方面，可實現開溝、覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)的基本機械化要求，但埋草作業(yè)需要人工進行。在聯合作業(yè)方面，還未形成較為成熟的一體機整體作業(yè)系統(tǒng)，需要對整機系統(tǒng)進行工作優(yōu)化，提高工作性能和效率。此外，秸稈溝埋還田聯合作業(yè)機也可同時考慮增加施氮肥或催腐劑等功能。

基于上述玉米秸稈溝埋還田的發(fā)展現狀，為了進一步研究黃淮海地區(qū)的秸稈還田問題，提高秸稈的利用率，結合秸稈粉碎還田的技術和地下灌溉技術優(yōu)勢，設計了一種用于地下灌溉復合管成型裝置。將作物秸稈粉碎與土壤按不同比例摻量混合，擠壓形成空心圓管狀的復合管材，應用時采用一次性淺埋，一年或一季后直接全量還田；秸稈土壤混合物料擠壓成管狀，當作地下灌溉管材，解決下茬作物的出苗及生長過程中與微生物爭水、爭肥的問題。

1 成型裝置結構設計及工作原理

根據前期的試驗得到地下灌溉復合管成型的農藝特點：(1)當秸稈參量為5%，含水率在20%～26%的區(qū)間時，復合管滿足綜合性能指標要求；(2)擠壓成型的復合管容重不低于1.30 g/cm3時，有利于復合管的成型；(3)為了達到玉米秸稈就地直接全量還田的目的，地下灌溉復合管成型裝置與玉米秸稈還田機配套使用，在拖拉機的牽引下工作，應保證一定的復合管擠壓成型速度。因此，依據地下灌溉復合管成型特性和要求，確定了地下灌溉復合管成型裝置的設計要求。

1.1 成型裝置結構

地下灌溉復合管成型裝置主要由動力部分、攪拌部分、擠壓成型部分和機殼組成。具體結構如圖1所示。

(a) 三維結構俯視圖

(b) 三維結構左視圖 圖1 地下灌溉復合管成型裝置結構圖Fig. 1 Structure diagram of compound pipe forming device for underground irrigation1.從動皮帶輪 2.皮帶 3.主動皮帶輪 4.三相異步電動機 5.從動齒輪2 6.拌料板 7.旋轉拌料軸2 8.支撐架 9.外殼 10.旋轉拌料軸1 11.拌料板 12.從動齒輪1 13.聯軸器 14.減速器 15.主動齒輪 16.進料筒 17.法蘭盤 18.出料筒 19.絞龍葉片 20.絞龍軸

傳動部分主要包括三相異步電機、減速器、皮帶輪、主動齒輪、拌料左從動齒輪、拌料右從動齒輪。攪拌部分主要包括拌料左動力軸、拌料右動力軸以及四個拌料板。擠壓成型部分主要由絞龍軸、絞龍葉片組成。機殼既是保護結構，也是地下灌溉復合管定型的主要組成部分。

地下灌溉復合管成型裝置整體由鋼焊接而成，可以滿足工況強度要求。地下灌溉復合管成型裝置4個部分組成一套完整的聯合工作產品，混合物料充分攪拌均勻，擠壓部分將混合物料機械力壓縮成管，并具有輸送物料功能。主要技術參數如表1所示。

表1 地下灌溉復合管成型裝置主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of underground irrigation compound pipe forming device

1.2 工作原理

如圖2所示，絞龍軸通過聯軸器與減速器連接，電機啟動通過皮帶傳動減速器，減速器帶動絞龍軸、絞龍葉片旋轉，絞龍軸上的主動齒輪開始順時針運轉，主動齒輪軸帶動攪拌部件工作，絞龍軸帶動擠壓成型部件工作。

圖2 動力傳遞方向及混合物料運動方向Fig. 2 Power transfer direction and mixture movement direction1.絞龍軸 2.從動齒輪2 3.從動齒輪1 4.攪拌部件 5.擠壓成型部件 6.主動齒輪

當地下灌溉復合管成型裝置開始正常運轉，將一定比例的秸稈和土壤攪拌均勻，加水使得混合物料含水率達到一定值，混合物料粘度增大便于壓縮成管。攪拌好的秸稈和土壤在進料筒完成入料，通過攪拌裝置進行二次拌料，一是使得混合物料攪拌更加充分，二是給混合物料施加下壓力，便于混合物料進入到擠壓成型部分。擠壓成型部分將混合物料壓縮傳輸，在絞龍軸、絞龍葉片的傳動和擠壓下，秸稈和土壤混合物料在絞龍軸、絞龍葉片和外殼的共同作用下，形成具有一定強度的復合管材。絞龍軸的前端沒有絞龍葉片，目的為了形成空心的圓管，圓管中可以加水，便于對下茬作物滴灌；經過壓縮成型的混合物料在出料筒進一步壓縮，出料筒通過法蘭盤與外殼連接，方便拆卸，更換不同尺寸的內徑出料筒，為了擠壓成型不同尺寸外徑的地下灌溉復合管。

2 主要機構設計

2.1 攪拌部件設計

攪拌部件由齒輪傳動系統(tǒng)提供動力，齒輪傳動系統(tǒng)由主動齒輪軸、從動齒輪軸1、從動齒輪軸2組成，如圖2所示。

當主動齒輪軸開始順時針轉動，帶動與之嚙合的從動齒輪軸1逆時針旋轉，從動齒輪1與從動齒輪2嚙合，從動齒輪軸2順時針旋轉。在從動齒輪軸1的帶動下，旋轉攪拌軸1開始逆時針運轉，與旋轉攪拌軸交錯連接的拌料板運行攪拌工作，一個旋轉攪拌軸通過螺絲螺母緊固的兩片拌料板。通過主動齒輪軸帶動從動齒輪軸1，從動齒輪軸1帶動從動齒輪軸2的傳動方式，可以有效避免兩根旋轉拌料軸上的拌料板出現旋轉干涉現象，保證拌料板的正常工作。主動齒輪軸的轉速為488 r/min，且傳動比為1.2，從動齒輪軸1的傳動比為0.8。

2.2 螺旋擠壓成型部件設計

螺旋擠壓成型部件為機具的核心部件，其將秸稈與土壤混合物進行螺旋擠壓，使其成為密實的圓管形狀。擠壓部分所選用的絞龍為等螺距、圓柱狀。絞龍結構的主要結構參數為螺距s、外徑D、軸徑d[14]。其中螺距s根據輸送效率來定，一般情況下，當絞龍轉速不變，螺距越小，輸送效率越低，但輸送效率不會隨著螺距的增加而一直增大，當螺距增加到一定值的時候，輸送效率會降低[15]。絞龍外徑D一般根據實際需要來定值。絞龍軸徑d的取值要考慮多種因素，軸徑過大，結構不緊湊，軸徑太小，會增加加工制造的難度，對輸送效果也不利，一般情況下，d=(0.20～0.35)D。

秸稈與土的混合物料在絞龍的帶動下進行物料輸送時，同時進行著兩種運動，一種是繞著軸線的旋轉運動，另一種時沿著軸線的直線運動[16]。理想狀態(tài)下，絞龍的輸送速度V=ns/60。其中：n為絞龍轉速，r/min。當秸稈顆粒與土的混合物接觸到絞龍葉片，會跟隨絞龍葉片轉動，因此，理論上會產生與螺旋葉片相互垂直的速度V1=Vcosα=(ns/60)cosα。其中：α為螺旋升角(即垂直于葉片速度V1與軸向速度V之間的夾角)。

確定好絞龍的內徑、外徑后，絞龍螺距的確定要考慮到與其所傳輸的物料摩擦系數。當物料的摩擦系數較小時，要求s≥D；物料的摩擦系數較大，設計s

2.3 擠壓成型部分物料輸送功率

擠壓成型結構主要是將粉碎好的秸稈壓縮擠壓成型，所以其壓縮速率應等于單位時間內秸稈喂入量。

(1)

式中：Q——絞龍輸送量，t/h；

ψ——充滿系數；

γ——容重，t/m3；

c——傾斜輸送系數。

絞龍軸轉速以前期試驗得到的絞龍軸的最大轉速作為理論數據計算。參照農業(yè)機械設計理論手冊，谷物的充滿系數ψ取值范圍為0.25～0.4，故粉碎后的秸稈充滿系數ψ=0.3。前期試驗表明，當秸稈混合物的含水率在23%，壓縮成型的復合管密實度ρ=1.3 g/cm3，即γ=0.543 t/m3。絞龍擠壓裝置傾斜輸送系數c=1。各項指標數值如表2所示。

表2 絞龍輸送功率指標Tab. 2 Transmission power index of winch

將上述指標代入到式(1)中，得到擠壓成型部分絞龍輸送量Q=3 t/h。

3 臺架試驗與分析

3.1 試驗因素水平的確定

設計3因素3水平試驗，3個試驗因素分別為：混合物料含水率θ(%)、物料喂入量p(kg/min)以及絞龍軸轉速n(r/min)。混合物料含水率區(qū)間為20%～26%。

為了確定合適的絞龍轉速，做了初步試驗。通過型號為YE2-160M1-2高效率三相異步電動機，該三相異步電機的功率為11 kW，轉速為2 900 r/min，電機連接減速器，通過變頻器進行轉速的調節(jié)，確定擠壓成型裝置絞龍軸的轉速。通過試驗發(fā)現，混合物料的含水率、喂入量一定時，當絞龍轉速過高，會出現卡死；絞龍轉速過低，混合物料難以擠壓成管。所以擠壓成型裝置絞龍軸的轉速最慢為326 r/min，最快為488 r/min。

混合物料的喂入量是通過初步試驗得到的，大量試驗數據表明：當混合物料喂入量小于110 kg/min，且絞龍轉速在最低轉速326 r/min與最高轉速488 r/min 的閉區(qū)間調節(jié)，混合物料都無法擠壓成管狀，且不能保證連續(xù)出料。當混合物料喂入量大于170 kg/min，絞龍轉速調節(jié)至最低轉速110 r/min時，出料口出現卡死狀態(tài)，絞龍轉速調節(jié)至最高轉速488 r/min 時，擠壓成型裝置出現劇烈抖動且玉米秸稈復合管機具外殼持續(xù)高溫，不利于混合物料的壓縮成管。因此，混合物料的喂入量的取值為110 kg/min、140 kg/min、170 kg/min。試驗因素水平參數如表3所示。

表3 試驗因素水平表Tab. 3 Test factor levelTable

3.2 試驗條件

2021年11月在試驗基地進行臺架試驗。試驗物料包括：玉米秸稈、土壤和水。玉米品種為中禾170，土壤取自田間地頭。主要儀器設備有：玉米秸稈復合管機具、11 kW三相異步電機、速度可調混合物料傳送帶以及測量儀器(水分儀、電子秤、秒表、變頻器、轉速儀、米尺)等。

用鐮刀將摘完果穗的玉米秸稈在接近根茬位置砍斷，用粉碎機將其打碎并收集起來。將粉碎過的玉米秸稈與土壤按照比例用電子秤稱重混合并加入適量的水攪拌混勻。經過前期試驗表明，混合物料的玉米秸稈含量為5%，含水率在20%～26%的區(qū)間時，利于混合物料的擠壓成型。當地下灌溉復合管的密度不小于1.30 g/cm3即為合格，達到成型性能指標[17]。用水分儀測定混合物料的含水率，加水攪拌至含水率滿足要求進行試驗。

電機通電開始轉動，通過鏈傳動和齒輪傳動帶動玉米秸稈復合管機具運行。將攪拌好的混合物料均勻鋪在傳送帶上，設定傳送速度，傳送帶將秸稈與土的混合物料傳輸到地下灌溉復合管機具進料口，物料在自身的重量下完成進料，通過攪拌裝置以及擠壓成型裝置擠壓成管。在混合物料擠壓成管的過程中，秒表記錄傳送帶輸送混合物料及物料壓縮成管的時間、變頻器調節(jié)轉速、轉速儀用來測量絞龍軸轉速、米尺測量復合管的長度。

因玉米秸稈復合管用于地下灌溉，結合開溝機可完成開溝深度為220 mm、開溝坡度為60°、頂部寬為304 mm的溝槽，所以玉米秸稈復合管的外徑應小于開溝寬度，本次試驗選取的出料筒孔徑為100 mm、120 mm，即兩種復合管外徑分別為100 mm、120 mm。通過前期試驗得到，當出料筒孔徑為100 mm時，復合管內徑過小，摩擦阻力大出料筒發(fā)熱狀況嚴重，復合管內徑過大，復合管松散難以擠壓成型。通過反復試驗得到，當復合管外徑為100 mm，內徑為30 mm；復合管外徑為120 mm，內徑為35 mm合適。研究兩種不同管徑的長度為100 cm的地下灌溉復合管的成型效果以及出料速度。

試驗得到的玉米秸稈復合管是由秸稈、水、土壤混合物經秸稈復合管成型機擠壓而成的中空管道，質地均勻，內壁光滑。管壁上分布有均勻的微小裂縫，具有較好輸水、透水條件，具備成為一種新型灌溉材料的潛質。

3.3 試驗結果與分析

根據表3中的試驗因素水平數據進行臺架試驗，用提前準備好的兩種孔徑尺寸不同的出料筒，擠出成型兩種管徑的地下灌溉復合管，即外徑為100 mm，內徑為30 mm和外徑為120 mm，內徑為35 mm；量取得到長度為100 cm的地下灌溉復合管并進行稱重處理得到該質量；依據式(2)得到兩種不同管徑的地下灌溉復合管體積v，代入到式(3)中計算得到兩種地下灌溉復合管的成型密度ρ，當計算得到的復合管成型密度不小于1.30 g/cm3即為合格；秒表記錄成型長度為100 cm的兩種管徑的時間。兩種不同尺寸的地下灌溉復合管試驗結果如表4、表5所示。

表4 外徑為12 cm，內徑為3.5 cm的地下灌溉復合管試驗結果Tab. 4 Test results of corn straw compound pipe with outer diameter of 12 cm and inner diameter of 3.5 cm

表5 外徑為10 cm，內徑為3 cm的地下灌溉復合管試驗結果Tab. 5 Test results of corn straw composite tube with outer diameter of 10 cm and inner diameter of 3 cm

v=π×(R-r)2×h

(2)

式中：R——復合管外徑，cm；

r——復合管內徑，cm；

h——復合管長度，cm。

(3)

式中：m——復合管質量，g。

3.3.1 分析復合管成型性能的影響因素

如圖3所示為地下灌溉復合管成型性能分析圖。

(a) 地下灌溉復合管成型密度平均數

(b) 地下灌溉復合管成型密度標準差 圖3 地下灌溉復合管成型性能參數Fig. 3 Forming performance parameters of composite pipe for underground irrigation

圖3(a)中X軸表示試驗類型分三種：類型A代表試驗表中的試驗號1、2、3；類型B代表試驗號4、5、6；類型C代表試驗號7、8、9，Y軸代表三種試驗類型對應的地下灌溉復合管成型密度的平均數。從圖3(a)可以看出：隨著含水率的變化，三組類型復合管成型密度的變化趨勢相同且外徑為12 cm的復合管的成型密度比外徑為10 cm的復合管的成型密度小。

圖3(b)中X軸代表內容同圖3(a)，Y軸代表三種試驗類型對應的地下灌溉復合管成型密度的標準差。從圖3(b)可以看出：隨著含水率的增加，成型密度標準差逐漸減小，說明試驗類型C相較于A和B的成型密度更穩(wěn)定。

3.3.2 分析復合管成型時間的影響因素

從圖4可以看出：通過對兩組不同管徑的試驗類型下出料時間的變化情況進行擬合發(fā)現，隨著試驗編號增加，出料時間呈減小趨勢且外徑為10 cm的復合管成型時間變化趨勢更明顯。且兩組試驗出料時間最小所對應的同為試驗編號9，即當混合物含水率在26%，絞龍軸轉速在488 r/min，物料喂入量在170 kg/min時，既保證了玉米秸稈復合管出料的連續(xù)性，出料速度相對較快，該組合類型復合管成型時間最短。

圖4 地下灌溉復合管成型時間Fig. 4 Forming time of corn straw compound pipe

通過計算得到兩種不同管徑成型100 cm的時間平均在7.48 s左右，即地下灌溉復合管成型速率為0.13 m/s，考慮到后期地下灌溉復合管成型裝置要在拖拉機的牽引下行走并提供動力，配合玉米秸稈還田機使用，因為復合管成型速率較慢，本著拖拉機的行駛速度與復合管成型速率基本保持同步的原則，導致玉米秸稈還田機工作效率偏低。

本文中地下灌溉復合管成型裝置還需要以提高出料速度為研究目的，進行離散元仿真分析，探究影響復合管成型速率的因素，提高玉米秸稈還田機工作效率，為地下灌溉復合管成型裝置的結構優(yōu)化提供技術參考。

4 結論

本文設計研發(fā)了一種地下灌溉復合管成型裝置，采用正交試驗對復合管的成型性能進行了初步分析，確定了混合物料壓縮成型過程中各因素的最佳配合，為玉米秸稈還田技術提供了一定參考，主要得出以下結論。

1) 通過理論計算設計地下灌溉復合管成型裝置，其中攪拌部件的性能參數為主動齒輪軸的轉速為488 r/min，且傳動比為1.2，從動齒輪軸1的傳動比為0.8；擠壓成型部件的螺距s=80 mm、外徑D=100 mm、軸徑d=30 mm，絞龍輸送量Q=3 t/h。可以滿足將作物秸稈粉碎與土壤按不同比例摻量混合，擠壓形成空心圓管狀的復合管材的性能要求。

2) 臺架試驗表明：在含水率20%～26%的區(qū)間中，在保證玉米秸稈復合管滿足性能要求，即復合管密度不小于1.30 g/cm3，隨著含水率的遞增，玉米秸稈成型密度先遞減再遞加，且成型密度離散性越來越小，玉米秸稈復合管性能更加穩(wěn)定。當混合物含水率在26%，絞龍軸轉速在488 r/min，物料喂入量在170 kg/min時，既保證了玉米秸稈復合管出料的連續(xù)性，出料速度相對較快。