異向雙軸香蕉秸稈粉碎還田機設計與試驗

摘要：針對現有機具作業時存在的秸稈粉碎還田效果差、秸稈拋灑不均勻等問題，設計一種異向雙軸香蕉秸稈粉碎還田機，該機具主要由粉碎裝置、傳動裝置、三點懸掛裝置組成。以機具前進速度、粉碎刀軸轉速和刀片厚度為試驗因素，以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評價指標，開展三因素三水平田間試驗，分析各個試驗因素對評價指標的影響。方差分析結果表明，對香蕉秸稈粉碎合格率來說，機具前進速度和粉碎刀軸轉速影響極顯著，刀片厚度影響顯著；對拋撒不均勻度來說，粉碎刀軸轉速影響顯著。確定了最優工作參數組合為機具前進速度1.4 m·s-1、粉碎刀軸轉速1 600 r·min-1、刀片厚度10 mm，在此參數下的香蕉秸稈粉碎合格率為96.76%，拋撒不均勻度為8.96%，滿足香蕉秸稈粉碎還田要求，達到了預期設計目標要求，為后續的機具升級換代提供了技術支持。

關鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田機；粉碎裝置；模態分析；方差分析；田間試驗

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0799

中圖分類號：S224.29 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）11009710

香蕉廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區，是世界鮮果中產量和貿易量最大的水果[1]。2021年我國香蕉年產總量達到1 172.42萬t，同比上一年增長了1.83％[2]。香蕉屬于芭蕉科芭蕉屬植物，其生產周期短、產量高，多為一年兩種或兩年三種。香蕉植株只能結一次果，因此采摘后會產生大量的秸稈在田間殘留，可達30～45 t·hm-2，占全部作物秸稈量的16.49％[？]。香蕉秸稈粉碎還田能夠顯著提高土壤有機碳含量，提升土壤固碳能力，增加農作物產量，形成良性循環[3]，還能夠確保土壤中水分不被流失，在秸稈還田條件下，0—200 cm成熟期土層的土壤貯水量可提高14.8％，使得農作物得到增產增效[4]，是一種可持續發展、綠色的有效處理秸稈的方式。

我國香蕉秸稈粉碎還田機根據粉碎刀軸的安裝方式可以分為臥式和立式2種。其中，臥式香蕉秸稈粉碎機的工作效果較好，但由于機具體積大、重量重，造成功耗較大、功率浪費的問題，而且機具也容易損壞。吳學尚等[5]通過調整粉碎刀軸高度來克服地面凹凸不平對立式香蕉秸稈粉碎還原機帶來的不良影響，能較好地保護切割裝置，并且采用定刀和動刀組合、橫向和縱向切割組合的方式，在不降低切割效率的基礎上提高了粉碎率。針對立式香蕉秸稈粉碎還田機作業時產生振動的情況，吳思浩等[6]基于ANSYS Workbench對機架進行響應面優化，提高機架固有頻率的同時也減輕了結構質量，有效地減小了機架作業過程中發生共振的可能性。通過分析刀具的失效形式和機理，賀寧波等[7]對立式香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎刀具進行了優化改進，有效提高了刀具的使用壽命。魏思林[8]通過分析香蕉的生物特性及力學特性，基于仿生學原理對立式香蕉秸稈粉碎還田機進行優化，優化后秸稈粉碎率為95.5%，秸稈覆蓋率為94.8%。已有的研究大多是在前代立式香蕉秸稈粉碎還田機基礎上進行優化設計，而對立式香蕉秸稈粉碎還田機結構優化方面的研究還比較缺乏。

為了提高香蕉秸稈粉碎還田機的工作性能，改善已有機具存在的秸稈粉碎還田效果差、秸稈拋灑不均勻等問題，本文對前代立式香蕉秸稈粉碎還田機結構進行優化設計，采用立式雙軸、異向轉動的粉碎方案，基于香蕉秸稈力學特性完成關鍵粉碎裝置的設計。以機具前進速度、粉碎刀軸轉速和刀片厚度為試驗因素，以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評價指標，開展三因素三水平田間試驗，通過方差分析確定各個試驗因素對評價指標的顯著性影響并找出最優工作參數組合，為后續的機具升級換代提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 整機結構與工作原理

異向雙軸香蕉秸稈粉碎還田機主要由機架、粉碎裝置、傳動裝置、三點懸掛裝置以及安全防護板組成，如圖1所示。傳動裝置呈T型結構，主要由變速箱、2個從傳動箱、3組錐齒輪組和左右2根傳動軸組成。粉碎裝置主要包括粉碎刀片、防纏定刀、粉碎刀盤和粉碎刀軸。

機具通過三點懸掛裝置與拖拉機相連，傳動系統如圖2所示。田間作業時，拖拉機通過動力輸出軸將動力輸送至機具變速箱，經變速箱變速、轉向后，動力經側軸傳遞至兩側粉碎刀軸，帶動粉碎刀軸異向轉動，使粉碎刀片對向切割，從傳動箱的錐齒輪組起到了換向作用。粉碎刀片在高速旋轉的同時與機架兩側的定刀進行相互作用，對香蕉秸稈進行粉碎，完成還田作業。技術參數如表1所示。

1.2 試驗條件

1.2.1 田間試驗條件 2023年，在海南省儋州市海南大學機電工程學院智能農機裝備研究所農機試驗基地進行田間試驗，香蕉的植株高度為2 200～2 800 mm，平均直徑160 mm 左右，生長情況較優。根據《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》標準[9]，試驗田長60 m，寬40 m，試驗基地的作業環境良好，能夠滿足試驗需求。

1.2.2 香蕉秸稈力學試驗條件 為提高試驗的可靠性，試驗樣品取自海南大學農機實驗室種植的香蕉秸稈，采樣日期為2022年12月8日，選取的試驗樣品莖稈通直且無彎曲破損，直徑約為128 mm。香蕉秸稈力學特性試驗采用電子萬能試驗機型號為Instron3369（測量量程為0～50 kN）進行剪切試驗和型號為WDW-100（測量量程為0～100 kN）進行壓縮試驗。其他工具有PD-151型數顯式游標卡尺（精度0.01 mm）、卷尺、測試夾具、毛巾、塑料袋等。

1.3 評價指標測定

本文以香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為評價指標進行田間試驗。

1.3.1 香蕉秸稈粉碎合格率的測定 機具完成作業后，在試驗田內隨機選取5個1 m×1 m的試驗區域，收集被粉碎的香蕉秸稈，其總質量記為m1，其中粉碎后長度不合格的香蕉秸稈的質量，記為m2，通過公式（1）計算香蕉秸稈粉碎合格率；對5個試驗區域的香蕉秸稈粉碎合格率取平均值即為最后的結果，根據《農業機械試驗條件 測定方法的一般規定》標準[10]，長度大于100 mm即為粉碎不合格。