基于东北高寒地区的秸秆还田机的改良与创新

葛宜元+王晨超+王洋+周远航+邱新伟

摘要秸秆还田机是耕作机械的一种，主要为了进行保护性耕作，增加土壤有机质含量，防止土壤沙化、水土流失等现象。但是，我国秸秆还田机大部分采用旋耕机模式进行改制，在实际生产与应用中效果并不理想。特别对于东北高寒地区来说，若把秸秆粉碎还田，则会造成机器功率消耗过大；东北地区冬季时间长、气温低，导致秸秆腐蚀不完全，春耕整地期间，造成堵塞、缠绕现象。为此，本文专门针对东北高寒地区的气候及土壤特性，对秸秆还田机进行改革与创新。

关键词秸秆还田机东北高寒地区电子控制梳理机构生物腐蚀剂喷洒装置

基金项目：黑龙江省青年科学基金项目（QC2011C073）；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（1252G058）；黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目；黑龙江省大学生创新创业训练项目（201310222051）；佳木斯大学科技创新团队建设计划项目资助（Cxtd-2013-01）

作者简介：葛宜元（1983-），女，黑龙江人，博士，讲师，硕士研究生导师，主要从事田间机械及机械可靠性的研究，E-mail：65696787@qq.com。

0前言

秸秆还田机是对收获后的农田残余秸秆进行处理后直接深埋的机械。据测定，湿玉米秸秆含氮量为0.61%，含磷量为0.27%，含钾量为2.28%。如每亩地还田秸秆1000 kg，则可增加有机质150 kg，每亩地一年若还田鲜玉米秸秆1250 kg，则相当于4000 kg土杂肥的有机质含量，含氮、磷、钾相当于18.75 kg碳铵、10 kg过磷酸钙和7.65 kg硫酸钾，还能补充其他多种营养元素，故秸秆还田对于改良土壤有着积极的作用＼[1-5＼]。

山东农业大学通过对山东农业大学农试站土地进行少免耕试验，测得进行秸秆还田后的土壤有机质含量明显高于普通耕作的土壤，在0～50 cm土层中，进行秸秆还田的土壤含水率比未进行秸秆还田的土壤高出1.48%～7.38%，并且可以有效减少化肥的使用，防止土壤板结等＼[6＼]。

对于三季或两季耕作的土地来说，需要在秸秆还田之后进行下一季的耕作，这就要求对秸秆的粉碎较为完全，残余秸秆长度不能超过一定限度，而对于东北地区来说，土地进行一季度耕作，在进行秋收之后，要经历漫长的冬季严寒时段。如果像南方那样对秸秆进行过渡粉碎，则会造成功率消耗增大，增加耕作成本；如果粉碎度达不到一定标准，又会造成腐蚀不完全，来年春耕时秸秆满天飞、缠绕机械的现象。针对这种情况，提出几点关于东北高寒地区的秸秆还田机的改革与创新，以期达到解决问题的目的。

1机械传动机构的改良

以往秸秆还田机大部分采用机械式传动，这种动力传动方式在传动过程中操作不便，其拖拉机动力输出箱配备的动力花键键数不同，与秸秆还田机相连接时，需要配套链接，其动力消耗与液压传动大体相同。

农业机械的工作环境比较恶劣，在传动的过程中如果无法做到较好的密封，则会造成动力消耗进一步增大，且传动部件会过快损坏，达不到预期寿命。利用机械传动，无法对机器转速进行无级变速控制，工作转速和拖拉机前进速度配合较为困难。

采用液压传输动力，可以避免在传动过程中机械部件空间结构的影响，在进行秸秆还田机设计时，不必考虑动力结构的空间总成，只需在机器一侧加装液压马达，解决动静平衡即可。利用液压传动，最终将流体动力转换为机械运动，可以有效节约机器的占地空间，减轻机器总重。

通过对液压油路和PLC电路板、控制软件、电路线路的设计，可以根据拖拉机前进的速度与土壤的湿度、坚实度，控制秸秆还田机刀辊的旋转速度，以期达到最好的秸秆还田效果。在进行工作的时候，通过PLC上自动程序与手工操作的切换，根据实际工作环境，进行人工控制秸秆还田机的转速，以适应更加恶劣的工作环境，保障秸秆还田机的适用范围。

2秸秆梳理机构

农作物进行机械收获之后（特别是小麦、水稻、大豆、玉米等），从联合收获机出来的秸秆往往成行堆放（此处指全喂入式联合收获机械），在进行秸秆还田时会将秸秆还田机顶起，造成无法入土或入土深度不够，秸秆还田效果不理想，甚至对机器产生损伤。成行秸秆进行还田时，很容易造成秸秆缠绕现象，轻则使秸秆还田机浮于土壤表面，不能入土，重则与覆盖装置产生干扰，增加还田刀的阻力，使其断裂。增加秸秆还田机的转速，可以减轻这种现象，但是旋转速度增加，则会提高整机的设计、制造成本和耕作成本，而且影响秸秆的覆土填埋效果。

基于此，在秸秆还田机的前方，增加秸秆梳理机构，如图2，利用四杆机构带动镶有仿形齿的钢管进行左右摆动，利用四杆机构的急回特性产生振动，将堆积较厚的秸秆进行四下抛洒，使其薄而匀地覆盖在地表，从而减小翻埋难度，进而可以降低刀辊转速，节约耕作成本，仿形齿固定横梁与秸秆还田机横梁用平行四杆机构进行连接，在仿形齿横梁两端安装地轮，以达到仿形效果，在机器工作期间，保证仿形齿不会因为与地面接触而造成损坏，增加其使用寿命，也可以达到更好的翻埋效果。

3生物腐蚀剂喷洒装置

东北地区进行秋收之后，在短暂的时间内就进入冬季，由于冬季温度太低，土壤内的大部分微生物不再进行活动，严重影响了秸秆的腐蚀效果。来年开春，温度还在较低时候就需要进行整地，大部分秸秆并不能在一个冬季完全腐蚀，造成了耕作的麻烦。这就需要在秸秆还田之前，在秸秆表面喷洒腐蚀剂。传统的化学腐蚀剂使用量大，经济效果差，且对环境产生较大破坏，为此，选用生物腐蚀剂。

山东如皋市土肥站殷丽萍等在江安镇徐柴村针对不同的生物腐蚀剂进行了对比试验，筛选了生物腐蚀剂＼[7＼]。传统工作方式是先用喷洒装置将生物腐蚀剂和附着物进行喷洒，再进行下一步工作，其会对土壤进行两次碾压，不利于作物生长，且费工费时，经济效益差。

本文在梳理机构和旋耕机构之间加装了生物腐蚀剂喷洒装置，如图3，对梳理抛洒过的秸秆喷上生物腐蚀剂。生物腐蚀剂中含有大量的可以在低温严寒下活动的微生物菌类，附着在秸秆表面，利用秋收之后、入冬之前和来年开春的短暂时间进行快速腐蚀，再加上冬季严寒状况下的腐蚀，可以在第二年春耕时将所有秸秆完全降解腐蚀掉。在梳理机构上方安装光电传感器，利用其在不同材质之间反射与传输速度不同的特点，测定秸秆的厚度，根据秸秆厚度控制装置控制电控阀门的开启大小，进而控制生物腐蚀剂的喷洒量，进行精确喷洒，降低经济成本。endprint

4刀辊及连接方式改良

秸秆还田机的刀辊往往采用实心钢材，直径较小，在刀辊上焊接刀座，通过螺栓螺母使刀与刀辊连接，在工作过程中，焊接位置容易开裂，且在工作的过程中，由于大部分秸秆长度大于刀辊周长，容易出现缠草现象，增大功率的损耗，且缠绕现象严重时，无形中增大刀辊直径，减小还田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座与刀辊之间进行焊接，很难保证刀座垂直于刀辊，且位置偏差较大，不利于动静平衡的保证。以往还田刀以浇铸或锻造成型，刀体宽度有限，且大多刀刃呈平面构造，在旋转时很容易挂上秸秆，工作时会增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊点开裂。

基于此，采用钢板轧制或铸造大直径刀辊，如图4，有效解决刀辊缠草现象，并且可以增大刀辊的刚度和强度，减小质量，增大秸秆还田机的寿命。利用刀盘固定还田弯刀，刀盘与刀辊之间进行过渡配合，将刀盘进行定位之后，再进行焊接，可以有效提高定位精度。在刀辊上焊接刀盘，将埋草刀安装在刀盘上，可以方便地进行装卸，并且连接可靠性加大。

为了增大还田刀的刚度与强度，将还田刀的固定端进行增大，使用寿命大大增加，还田刀的刀刃采用圆弧造型弯转的滑切刃，不将秸秆进行切断，而是利用惯性将秸秆旋进土壤，在还田刀出土时，秸秆顺着滑切刃运动，由于土壤阻力而落入壤土中，进行填埋，以达到减小阻力、节约成本目的。

5电子传感器与微型处理器

为了达到精准喷施生物腐蚀剂和根据秸秆厚度控制秸秆还田机刀辊转速，以达到更好的翻埋和腐蚀效果的目的，在秸秆还田机最前部，安装一排光电传感器，利用光电传感器将附着于地面的秸秆厚度测出，通过电路将厚度信号传导至单片机微型处理器。微型处理器将信号进行分析处理，根据地面秸秆的厚度，从输出端口传出电信号，经放大器后，将电流进行放大，用来操控电磁液压阀。电磁液压阀根据单片机微处理器传导过来的电信号，控制液体的流量＼[8＼]。

在刀辊前方安装光电传感器，将梳理机构抛洒之后的秸秆厚度测出，将厚度信号传输至单片机，进而控制刀辊的转速。在秸秆量不大时，可以提高工作速度，根据机器前进的速度，利用单片机微处理器控制调节生物腐蚀剂喷洒的速度和秸秆还田机刀辊的转速，以保证在高速作业的情况下，不影响作业质量。

利用电子传感处理装置，根据地表秸秆厚度的不同，控制刀辊的转速和生物腐蚀剂喷洒速度，可以实现精准作业，达到较好的翻埋和腐蚀效果，为后续工作提供良好条件，有效地减少了耕作成本。

6结论

针对东北高寒地区应用的秸秆还田机，在结构方面创新地加入秸秆梳理装置和生物腐蚀剂喷洒装置，并引入传感器和电子控制装置，实现精准作业，以期能够达到更好的翻埋和腐蚀效果。通过传感器测得的秸秆厚度，单片机进行对比分析后，控制刀辊的转速，可以达到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，节约成本。根据秸秆数量，改变拖拉机前进速度，只需调节单片机上对应的拖拉机速度，自动控制生物腐蚀剂的喷洒效果和刀辊转速，以适应不同的土地情况。通过创新和改造，可以达到自动控制，使秸秆更好地完成翻埋和腐蚀，为春耕做好工作。

参考文献：

＼[1＼]单鹤翔，卢昌艾，张金涛，等.不同肥力土壤下施氮与玉米秸秆还田对冬小麦氮素吸收利用的影响＼[J＼].植物营养与肥料学报，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]刘世平，聂新涛，张洪程，等.稻麦两熟条件下不同土壤耕作方式与秸秆还田效应分析＼[J＼].农业工程学报，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吴健生，刘建政，黄秀兰，等.基于面向对象的土地整理区农田灌排系统自动化识别＼[J＼].农业工程学报，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统＼[J＼].农业机械学报，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]赵鹏，陈阜.豫北秸秆还田配施氮肥对冬小麦氮利用及土壤硝态氮的短期效应＼[J＼].中国农业大学学报，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艳，樊贵盛，周怀平，等. 秸秆还田方式对旱地玉米产量和水分利用效率的影响＼[J＼].农业机械学报，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷丽萍，丁峰，邹忠，等.不同种类秸秆腐熟剂应用效果对比研究＼[J＼].现代农业科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述＼[J＼].电子测量与仪器学报，2011，25（5）：389-399.（03）endprint

4刀辊及连接方式改良

秸秆还田机的刀辊往往采用实心钢材，直径较小，在刀辊上焊接刀座，通过螺栓螺母使刀与刀辊连接，在工作过程中，焊接位置容易开裂，且在工作的过程中，由于大部分秸秆长度大于刀辊周长，容易出现缠草现象，增大功率的损耗，且缠绕现象严重时，无形中增大刀辊直径，减小还田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座与刀辊之间进行焊接，很难保证刀座垂直于刀辊，且位置偏差较大，不利于动静平衡的保证。以往还田刀以浇铸或锻造成型，刀体宽度有限，且大多刀刃呈平面构造，在旋转时很容易挂上秸秆，工作时会增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊点开裂。

基于此，采用钢板轧制或铸造大直径刀辊，如图4，有效解决刀辊缠草现象，并且可以增大刀辊的刚度和强度，减小质量，增大秸秆还田机的寿命。利用刀盘固定还田弯刀，刀盘与刀辊之间进行过渡配合，将刀盘进行定位之后，再进行焊接，可以有效提高定位精度。在刀辊上焊接刀盘，将埋草刀安装在刀盘上，可以方便地进行装卸，并且连接可靠性加大。

为了增大还田刀的刚度与强度，将还田刀的固定端进行增大，使用寿命大大增加，还田刀的刀刃采用圆弧造型弯转的滑切刃，不将秸秆进行切断，而是利用惯性将秸秆旋进土壤，在还田刀出土时，秸秆顺着滑切刃运动，由于土壤阻力而落入壤土中，进行填埋，以达到减小阻力、节约成本目的。

5电子传感器与微型处理器

为了达到精准喷施生物腐蚀剂和根据秸秆厚度控制秸秆还田机刀辊转速，以达到更好的翻埋和腐蚀效果的目的，在秸秆还田机最前部，安装一排光电传感器，利用光电传感器将附着于地面的秸秆厚度测出，通过电路将厚度信号传导至单片机微型处理器。微型处理器将信号进行分析处理，根据地面秸秆的厚度，从输出端口传出电信号，经放大器后，将电流进行放大，用来操控电磁液压阀。电磁液压阀根据单片机微处理器传导过来的电信号，控制液体的流量＼[8＼]。

在刀辊前方安装光电传感器，将梳理机构抛洒之后的秸秆厚度测出，将厚度信号传输至单片机，进而控制刀辊的转速。在秸秆量不大时，可以提高工作速度，根据机器前进的速度，利用单片机微处理器控制调节生物腐蚀剂喷洒的速度和秸秆还田机刀辊的转速，以保证在高速作业的情况下，不影响作业质量。

利用电子传感处理装置，根据地表秸秆厚度的不同，控制刀辊的转速和生物腐蚀剂喷洒速度，可以实现精准作业，达到较好的翻埋和腐蚀效果，为后续工作提供良好条件，有效地减少了耕作成本。

6结论

针对东北高寒地区应用的秸秆还田机，在结构方面创新地加入秸秆梳理装置和生物腐蚀剂喷洒装置，并引入传感器和电子控制装置，实现精准作业，以期能够达到更好的翻埋和腐蚀效果。通过传感器测得的秸秆厚度，单片机进行对比分析后，控制刀辊的转速，可以达到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，节约成本。根据秸秆数量，改变拖拉机前进速度，只需调节单片机上对应的拖拉机速度，自动控制生物腐蚀剂的喷洒效果和刀辊转速，以适应不同的土地情况。通过创新和改造，可以达到自动控制，使秸秆更好地完成翻埋和腐蚀，为春耕做好工作。

参考文献：

＼[1＼]单鹤翔，卢昌艾，张金涛，等.不同肥力土壤下施氮与玉米秸秆还田对冬小麦氮素吸收利用的影响＼[J＼].植物营养与肥料学报，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]刘世平，聂新涛，张洪程，等.稻麦两熟条件下不同土壤耕作方式与秸秆还田效应分析＼[J＼].农业工程学报，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吴健生，刘建政，黄秀兰，等.基于面向对象的土地整理区农田灌排系统自动化识别＼[J＼].农业工程学报，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统＼[J＼].农业机械学报，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]赵鹏，陈阜.豫北秸秆还田配施氮肥对冬小麦氮利用及土壤硝态氮的短期效应＼[J＼].中国农业大学学报，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艳，樊贵盛，周怀平，等. 秸秆还田方式对旱地玉米产量和水分利用效率的影响＼[J＼].农业机械学报，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷丽萍，丁峰，邹忠，等.不同种类秸秆腐熟剂应用效果对比研究＼[J＼].现代农业科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述＼[J＼].电子测量与仪器学报，2011，25（5）：389-399.（03）endprint

4刀辊及连接方式改良

秸秆还田机的刀辊往往采用实心钢材，直径较小，在刀辊上焊接刀座，通过螺栓螺母使刀与刀辊连接，在工作过程中，焊接位置容易开裂，且在工作的过程中，由于大部分秸秆长度大于刀辊周长，容易出现缠草现象，增大功率的损耗，且缠绕现象严重时，无形中增大刀辊直径，减小还田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座与刀辊之间进行焊接，很难保证刀座垂直于刀辊，且位置偏差较大，不利于动静平衡的保证。以往还田刀以浇铸或锻造成型，刀体宽度有限，且大多刀刃呈平面构造，在旋转时很容易挂上秸秆，工作时会增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊点开裂。

基于此，采用钢板轧制或铸造大直径刀辊，如图4，有效解决刀辊缠草现象，并且可以增大刀辊的刚度和强度，减小质量，增大秸秆还田机的寿命。利用刀盘固定还田弯刀，刀盘与刀辊之间进行过渡配合，将刀盘进行定位之后，再进行焊接，可以有效提高定位精度。在刀辊上焊接刀盘，将埋草刀安装在刀盘上，可以方便地进行装卸，并且连接可靠性加大。

为了增大还田刀的刚度与强度，将还田刀的固定端进行增大，使用寿命大大增加，还田刀的刀刃采用圆弧造型弯转的滑切刃，不将秸秆进行切断，而是利用惯性将秸秆旋进土壤，在还田刀出土时，秸秆顺着滑切刃运动，由于土壤阻力而落入壤土中，进行填埋，以达到减小阻力、节约成本目的。

5电子传感器与微型处理器

为了达到精准喷施生物腐蚀剂和根据秸秆厚度控制秸秆还田机刀辊转速，以达到更好的翻埋和腐蚀效果的目的，在秸秆还田机最前部，安装一排光电传感器，利用光电传感器将附着于地面的秸秆厚度测出，通过电路将厚度信号传导至单片机微型处理器。微型处理器将信号进行分析处理，根据地面秸秆的厚度，从输出端口传出电信号，经放大器后，将电流进行放大，用来操控电磁液压阀。电磁液压阀根据单片机微处理器传导过来的电信号，控制液体的流量＼[8＼]。

在刀辊前方安装光电传感器，将梳理机构抛洒之后的秸秆厚度测出，将厚度信号传输至单片机，进而控制刀辊的转速。在秸秆量不大时，可以提高工作速度，根据机器前进的速度，利用单片机微处理器控制调节生物腐蚀剂喷洒的速度和秸秆还田机刀辊的转速，以保证在高速作业的情况下，不影响作业质量。

利用电子传感处理装置，根据地表秸秆厚度的不同，控制刀辊的转速和生物腐蚀剂喷洒速度，可以实现精准作业，达到较好的翻埋和腐蚀效果，为后续工作提供良好条件，有效地减少了耕作成本。

6结论

针对东北高寒地区应用的秸秆还田机，在结构方面创新地加入秸秆梳理装置和生物腐蚀剂喷洒装置，并引入传感器和电子控制装置，实现精准作业，以期能够达到更好的翻埋和腐蚀效果。通过传感器测得的秸秆厚度，单片机进行对比分析后，控制刀辊的转速，可以达到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，节约成本。根据秸秆数量，改变拖拉机前进速度，只需调节单片机上对应的拖拉机速度，自动控制生物腐蚀剂的喷洒效果和刀辊转速，以适应不同的土地情况。通过创新和改造，可以达到自动控制，使秸秆更好地完成翻埋和腐蚀，为春耕做好工作。

参考文献：

＼[1＼]单鹤翔，卢昌艾，张金涛，等.不同肥力土壤下施氮与玉米秸秆还田对冬小麦氮素吸收利用的影响＼[J＼].植物营养与肥料学报，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]刘世平，聂新涛，张洪程，等.稻麦两熟条件下不同土壤耕作方式与秸秆还田效应分析＼[J＼].农业工程学报，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吴健生，刘建政，黄秀兰，等.基于面向对象的土地整理区农田灌排系统自动化识别＼[J＼].农业工程学报，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统＼[J＼].农业机械学报，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]赵鹏，陈阜.豫北秸秆还田配施氮肥对冬小麦氮利用及土壤硝态氮的短期效应＼[J＼].中国农业大学学报，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艳，樊贵盛，周怀平，等. 秸秆还田方式对旱地玉米产量和水分利用效率的影响＼[J＼].农业机械学报，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷丽萍，丁峰，邹忠，等.不同种类秸秆腐熟剂应用效果对比研究＼[J＼].现代农业科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述＼[J＼].电子测量与仪器学报，2011，25（5）：389-399.（03）endprint