1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验

林 静，马 铁，李宝筏



1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验

林 静，马 铁，李宝筏

（沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866）

为了改善土壤耕层结构，协调土壤水、肥、气矛盾，有机养分消耗与积累矛盾，实现秸秆深埋还田，研制了1JHL-2型秸秆深埋还田机，主要由秸秆粉碎装置、螺旋开沟装置、输送装置、落料装置和覆土装置等组成。该机具收集两垄秸秆埋于一条垄沟，可实现秸秆垄沟隔行交替深埋，一次完成秸秆粉碎、收集、开沟、深埋、镇压等多项作业，适用于东北平原中南部棕壤土区合理耕层构建的秸秆深埋还田的技术要求。通过对秸秆在输送装置上的斜抛运动分析和土壤颗粒相对于螺旋式开沟器动力学分析，确定了机具的结构参数与性能参数：秸秆粉碎装置的作业幅宽为120 cm，输送装置的工作宽度为80 cm，螺旋式开沟器开沟宽度为40 cm；秸秆粉碎轴转速为1 620 r/min，Y型甩刀的刀尖线速度为40 m/s，输送带带速为1.416 m/s。通过田间试验得到，在机具前进速度为3 km/h，开沟装置转速为270 r/min，开沟深度为28 cm的情况下，秸秆切碎合格率为93.5%，秸秆深埋率为92%。达到了秸秆深埋还田、增强土壤有机质的要求，实现虚实并存的耕层结构，为秸秆深埋还田机的设计和评价提供参考。

农业机械；设计；农作物；秸秆深埋还田；合理耕层；螺旋开沟器；运动学分析

0 引 言

中国秸秆资源十分丰富，目前年产各种作物秸秆约为6´1011～8´1011kg，但是仅有1/4的秸秆用于还田，大量的秸秆被焚烧、堆积或遗弃，既造成资源浪费，又造成环境污染。焚烧秸秆还会造成土壤水分的蒸发及土壤结构的破坏，使土壤板结，肥力下降，土壤生态系统恶化，作物产量下降。秸秆还田对土壤的理化性状有很好的改善作用，是秸秆综合利用的一项重要技术。秸秆深埋，在分解过程中进行矿化释放养分，同时也进行腐殖化，增加土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤结构，进而提高保水、透气、保肥等效果，提高了土壤本身调节水、肥、气、热的能力，有效地改善土壤耕层结构[1-13]。

为了有效解决耕层质量问题，国内很多学者开始进行秸秆还田机方式和配套机具研究。于寒等研究了不同形式的秸秆还田方式对土壤的影响，得出在玉米连作的土壤中，秸秆深埋能显著提高土壤中的微生物量，含碳量，降低真菌数量，提高土壤活性[14]。王奇从理论上对水稻整秆深埋还田的作业方式、还田刀具及装置进行了研究[15]。李真通过试验验证，玉米整杆深埋还田能使土壤蓄水保墒，玉米根茎粗壮，使玉米增产5.49%[16]。朱家广等研制了1L-120SM型根茬秸秆深埋犁[17]。田家治等为解决留茬地的秸秆深埋问题，研制了1LF-2型秸秆深埋翻耕犁[18]。毛罕平等研制成功秸秆粉碎深埋复式作业机，将秸秆与土壤进行混拌，但不能够进行间作业[19]。王川等研制了一种秸秆深埋保护性耕作复合机能将地面90%的秸秆深埋到地表10 cm以下[20]。

目前秸秆深埋还田机亟待解决的问题是：秸秆的粉碎程度低于国家标准，未粉碎至10 cm以下；秸秆还田的深度较浅，多为地表覆盖或者浅层还田至地表以下10 cm的土壤中[21-23]。因此，结合目前中国秸秆还田机械的研究现状以及东北地区玉米田间土壤的实际情况，依据农学和土壤专家提出在东北地区推行的“苗带紧，行间松”和隔行深埋的技术要求[24-29]，研制一种秸秆深埋还田机，为雨养旱地合理耕层构建配套机具，满足秸秆隔行深埋的要求，减少机具的进地次数，降低农民的生产成本，具有重要的科学研究价值与生产应用的前景。

1 整机的总体结构与工作机理

1.1 整机的总体结构

1JHL-2型秸秆深埋还田机，采用三点悬挂的方式与拖拉机挂接，由前端至后端依次设置的关键部件有秸秆粉碎装置、弹齿式升运装置、螺旋式开沟装置、落料装置、覆土装置以及镇压装置，结构如图1所示。辅助部件包括机架、前置传动箱、传动装置、后置传动箱等。秸秆粉碎装置的轴连接前置传动箱的动力输出轴；输送装置倾斜安装，两端分别与秸秆粉碎装置和落料装置相接；螺旋式开沟装置安装在后置传动箱下方，圆盘开沟装置位于螺旋式开沟装置之前。圆盘开沟装置切开土壤，减小螺旋式开沟装置的工作阻力。落料装置位于螺旋式开沟装置和覆土装置之间。机具在作业中一次可完成秸秆粉碎收集、秸秆深埋、镇压等多项联合作业，实现“苗带紧，行间松”和隔行深埋的技术要求。

1.机架 2.输送装置 3.落料装置 4.覆土装置 5.镇压装置 6.后置传动箱 7.螺旋式开沟器 8.圆盘开沟器 9.秸秆粉碎装置 10.前置传动箱 11.悬挂装置

1.2 工作机理

秸秆深埋还田机与拖拉机进行挂接后，拖拉机动力输出轴通过联轴器将动力传至机具的前置传动箱。分别通过带传动和链传动传递到秸秆粉碎装置和后置传动箱。后置传动箱为螺旋式开沟器、输送装置和秸秆拨轴提供动力。机具工作时，覆盖在地表的秸秆进入秸秆粉碎装置前端的挡草帘，秸秆粉碎轴在带轮的带动下反转（顺时针旋转）。被打碎后的秸秆向后抛起，在秸秆粉碎装置外壳的遮挡作用下，落到秸秆粉碎装置后端的接料板上（秸秆长度打碎至5 cm以下）。接料板上开设槽口，弹齿式输送装置从槽口处将粉碎后的秸秆搂到输送带上。由输送带向上输送，到达顶部后，秸秆抛落至落料装置。螺旋式开沟器开出深沟，秸秆通过落料装置落到所开沟内，最后通过覆土器将土壤填回沟内将秸秆覆盖，覆土器设置有高度调节孔，可根据覆土量的大小调节覆土器的高度。松土覆盖后，由镇压器将松土压实。防土壤过松跑墒，改善土壤耕层结构，达到保水、吸水、透气、保温等合理耕层结构，增加土壤肥力和有机质含量，使大量废弃的秸秆深埋还田。避免秸秆地表还田造成的使土壤过松导致跑风，易发生病虫害，与作物幼苗争夺养分等问题。

1.3 动力配套

机具动力由拖拉机动力输出轴提供。由经验公式可知拖拉机的最大功率输出max为

式中max为拖拉机最大输出功率，kW；为动力输出轴负载的功率消耗，kW；F为机具的牵引阻力，N；M为拖拉机使用质量，kg；为拖拉机的滚动阻力系数(取值为0.8)；为拖拉机作业速度，km/h；为重力加速度，m/s2。

其中拖拉机动力输出轴负载的功率主要包括秸秆粉碎装置消耗的功率1、输送装置消耗的功率2和螺旋开沟装置消耗的功率3。1可以参考宽幅为1.2 m的甩刀型秸秆还田机的功率，取值为3.89 kW；输送装置功率2可由式（2）确定。

式中秸秆密度，kg/m³；输送带上秸秆的体积，kg；输送带质量，kg；输送带的升运速度，m/s；计算得2=13.4 kW。

开沟器的功率3可由式（3）确定。

式中为开沟比阻（取值为20 N/cm²）；H为开沟深度，cm；为开沟宽度，cm；计算得3=20 kW。

将得到的各个部分功率累加得到为37.29 kW。考虑到其他工作部件消耗的功率，取值为40 kW，阻力F为24 kN。田间试验选择John Deere1354拖拉机提供动力，M为4 570 kg，代入式（1）可得max=100 kW。1JHL-2型秸秆深埋还田机的技术参数如表1所示。

表1 1JHL-2型秸秆深埋还田机技术参数

1.4 传动系统的设计

如图2所示，拖拉机动力输出轴将动力传至前置传动箱，经过传动箱变速之后，动力向两侧传动，经前置传动箱输出轴2和前置传动箱输出轴9，分别传给链轮3和带轮10，传动比分别为1.8和1。带轮10带动带轮8，传动比为1:3。链轮3带动链轮5，传动比为15:13。经输入轴4传至后置传动箱，动力向下传至螺旋式开沟器，向侧面经输出轴11将动力输出；带轮12带动带轮13和带轮14，传动比均为1。

1.秸秆粉碎轴 2.前置传动箱链轮输出轴 3.主动链轮 4.后置传动箱输入轴 5.从动链轮 6.输送带主动轴 7.秸秆拨轴 8.秸秆粉碎传动从动带轮 9.前置传动箱带轮输出轴 10.秸秆粉碎传动主动带轮 11.后置传动箱带轮输出轴 12.主动带轮 13.输送带主动轴从动带轮 14.秸秆拨轴从动带轮

2 关键部件设计

2.1 秸秆粉碎装置的设计

秸秆粉碎装置的作用是将联合收获机收获之后铺撒在地表的秸秆进行进一步粉碎并收集到输送装置上。秸秆粉碎装置主要由秸秆粉碎轴、Y型甩刀、安装架、外壳、挡草帘等部分组成，其结构如图3所示。

1.秸秆粉碎轴 2.Y型甩刀 3.安装架 4.外壳 5.挡草帘

2.1.1 秸秆粉碎轴的设计

秸秆粉碎轴采用10 mm厚壁钢管制成，直径为150 mm，通过焊接于两端的轴头安装于秸秆粉碎装置外壳上。为实现切碎和捡拾秸秆的作用，秸秆粉碎轴转向应为反转。秸秆粉碎装置秸秆粉碎过程属于无支撑切割。这种切割方式对于刀尖线速度要求较高，对玉米秸秆进行切碎作业时，刀尖线速度不小于30 m/s，否则会影响秸秆的粉碎效果[30]。刀尖线速度取决于秸秆粉碎轴的回转半径及转速。转速大小对秸秆粉碎装置及整机的平衡、振动及秸秆粉碎效果有较大影响。在转速一定的情况下，增大回转半径可增大刀尖线速度，但秸秆粉碎轴的动不平衡因素也随之增大，使装置振动剧烈。结合国内现有秸秆粉碎还田机参数和刀尖要求的最小线速度，确定秸秆粉碎装置回转半径为235 mm，秸秆粉碎轴转速为1 620 r/min，刀尖线速度为40 m/s。

2.1.2 秸秆粉碎刀具的选择

常见的粉碎刀具包括锤爪型粉碎刀、甩刀型粉碎刀和直刀型粉碎刀3种。甩刀型粉碎刀在田间作业时随秸秆粉碎轴高速旋转，冲击并切断秸秆，粉碎效率高，具备良好的秸秆粉碎和捡拾能力，切碎性能优于直刀型粉碎刀，功耗小于锤爪型粉碎刀，满足秸秆粉碎装置粉碎和收集秸秆的要求，因此选用甩刀型粉碎刀。将两片弯刀背对成一组刀具安装于秸秆粉碎轴的刀座上，甩刀与刀座之间留有0.5 mm的间隙，在保证甩刀不轴向蹿动的同时能够自由转动。定刀焊接在秸秆粉碎装置外壳上，间距为145 mm。秸秆粉碎装置刀具组合形式，如图4所示。

1.Y型甩刀 2.刀座 3.定刀

2.1.3 Y型甩刀在秸秆粉碎轴上的排列

刀具的数量和排列方式直接影响着秸秆粉碎装置的粉碎效果、工作阻力以及机具的振动频率等[31]。参考农业机械设计手册，对于Y型甩刀，其安装密度一般为0.23～0.4个/cm，秸秆粉碎装置的工作幅宽为120 cm，其合理安装个数[32]为28～48个。考虑到秸秆粉碎装置的功率消耗不可过大，故秸秆粉碎轴上共安装16组刀具，共32把Y型甩刀。16组刀具分为两大组，按照双螺旋线排列，相邻两组刀具轴向距离为150 mm。位于同一条螺旋线上的相邻两组刀具的径向夹角为72°，如图5所示。工作过程中，每次最多有2把甩刀同时作业，能够减少工作阻力，提高使用寿命。

图5 Y型甩刀在秸秆粉碎轴上排列规律

2.2 输送装置的设计

输送装置是根据牧草捡拾装置中的滑道升运器式捡拾器改进而成，其动力由后置传动箱提供[33-34]。输送装置主要由输送带、弹齿轴、弹齿、短柄、导槽板、输送带滚轴等部分组成，其结构如图6所示。输送装置与地面夹角为45°。由于只有向上输送秸秆的作用，在过渡段和非工作段未与秸秆相接触，因此相对于滑道升运器式捡拾器，其结构和运动方式较为简单，只需着重考虑弹齿间隙、升运速度等问题。根据传统机具的设计经验，弹齿间距一般为63～100 mm。考虑到秸秆在秸秆粉碎装置的粉碎下秸秆长度减小，结合工作幅宽，将弹齿间距设置为54 cm，每根弹齿轴上安装6组弹齿。

1.输送带滚轴 2.输送带 3.弹齿 4.弹齿轴 5.短柄 6.导槽板

2.2.1 弹齿的运动过程

弹齿的工作过程应满足工作时伸出长度，非工作状态下收起的要求。这样可以有效节省机具的空间。如图7所示，-段为工作段，弹齿与输送带角度为83°；-段为过渡段，弹齿逐渐缩回；-段为非工作段，弹齿与输送带平行；-段为过渡段，弹齿逐渐伸出直至工作状态。

图7 弹齿运动过程示意图

2.2.2 输送装置秸秆喂入量的计算

根据田间实测，东北地区玉米收获后田间秸秆的覆盖厚度平均为3 cm。机具工作幅宽为1.2 m，前进速度为3 km/h。由

式中V为秸秆粉碎装置每秒处理秸秆的体积，m³；S为秸秆覆盖厚度，m；为机具工作幅宽，m；计算可得：V=0.029 m³。

输送装置秸秆输送量为0.029 m³/s，输送带滚轴转速为260 r/min，输送带表面的回转半径为0.052 m，输送装置的工作宽度为0.8 m。由

式中为输送带滚轴角速度，rad/s；为输送带滚轴转速，rad/s；ν为输送带速度，m/s；为输送带表面回转半径，m；为秸秆在输送带上的厚度，m。计算可得：=27.227 rad/s，ν= 1.416 m/s，=0.017 5 m。

2.2.3 秸秆抛落速度分析

考虑到秸秆在输送带上参差不齐，可将输送带上秸秆模型厚度设为17.5 mm。秸秆随输送装置输送至最高点后，会脱离输送带，做斜抛运动进入落料装置。选择秸秆离开输送带时，距离秸秆厚度中心9 mm（秸秆厚度的1/2）处为质点，分析秸秆斜抛运动情况，并绘制运动轨迹，可为落料装置的设计提供理论依据。图8为秸秆斜抛运动速度及轨迹图。

注：ν为秸秆初始速度，m×s-1；νx为秸秆初始速度的水平分速度，m×s-1；νy为秸秆初始速度的垂直分速度，m×s-1；h为斜抛运动初始点与最高点的垂直距离，m；Ht为斜抛运动最高点与料口的垂直距离，m；S1为斜抛运动初始点与最高点的水平距离，m；S2为斜抛运动最高点与秸秆落到料口处的水平距离，m；α0为初始速度与水平面的夹角，(°)。

由于输送装置倾斜角为45°，水平分速度与垂直分速度关系为ν=ν=νcos0。段秸秆处于上升过程，由公式

计算得=0.05 m，1=0.1 m。段秸秆处于下降过程，竖直方向为自由落体运动，最高点距离集料口平面距离为0.267 m，由式（9）计算得2=0.23 m。秸秆离开输送带落入集料斗之前的水平位移为0.33 m，为落料装置的尺寸设计和安装位置提供了依据。

2.3 落料装置的设计

落料装置的作用是将输送装置输送上来的秸秆倒入开沟器所开沟内。落料装置由集料斗、秸秆拨轴、落料管、辅助开沟器等组成。集料斗和落料管由薄钢板折弯而成，辅助开沟器有地下工作部分，故采用强度更大的钢板焊接而成。集料斗、落料管、辅助开沟器通过螺栓副连接，其结构如图9a所示。落料装置后端与输送装置末端间距为490 mm，大于秸秆离开输送装置之后的水平位移，能够保证秸秆落入集料斗中。

1.集料斗 2.秸秆拨轴 3.落料管 4.辅助开沟器 5.秸秆拨刀 6.螺栓副 7.刀座

秸秆拨轴是防止秸秆在集料斗内发生堵塞的重要装置。秸秆拨轴上安装有秸秆拨刀，可以对秸秆进行二次粉碎。粉碎后的秸秆从输送装置上抛落，在秸秆拨刀的作用下继续下落，沿落料管进入辅助开沟器。秸秆拨轴为方轴，每个面上安装2把秸秆拨刀，间距为315 mm。8把秸秆拨刀相互交错安装，其结构如图9b所示。集料斗秸秆喂入量为1.6 m3/min，秸秆拨轴的转速为260 r/min，理论上拨动秸秆的体积为13 m3/min，秸秆疏导量远远大于喂入量，因此可以有效的起到防堵作用。

2.4 螺旋式开沟器的设计

2.4.1 螺旋开沟器参数的设计和转速的确定

根据东北平原中南部棕壤土区合理耕层构建的秸秆深埋还田的技术要求，该机具开沟器设计为螺旋式。螺旋式开沟器开沟深度为30 cm，开沟宽度为40 cm，故螺旋叶片最大外缘直径为40 cm，叶片厚度为3 mm。螺旋叶片焊接于直径为10 cm的圆柱主体上，叶片边缘部分开刃口。钻尖部分高度为100 mm，钻尖上的螺旋叶片厚度为3 mm，螺旋高度为80 mm，钻尖与螺旋柱之间连接形式为焊接。为保证螺旋叶片的强度，所选用的材料为65Mn合金钢，圆柱主体采用45号圆钢。螺旋式开沟器的结构如图10所示。

1.固定圆板 2.螺旋轴 3.螺旋叶片 4.钻尖

螺旋叶片参数的设计主要是螺旋升角的确定。为了保证较高的开沟效率，开沟机的螺旋升角1=15°～20°，本机设计的螺旋升角最大为16°。螺旋开沟器每转进给量S与螺旋叶片上一点运动方向与水平面的夹角（范围为0.4°～1°，取值为1°）的关系可由式（10）确定。

式中为螺旋叶片外圆直径，m。

变螺距螺旋叶片实质是由变螺距螺旋线的若干条切线组成，而变螺距螺旋线是由圆柱母线上底部端点在母线绕轴心转动过程中匀加速向上移动，所形成的若干点组成，将其展开到平面上为一条抛物线。若以圆柱底面圆心建立空间坐标轴，螺旋线方程可表示为

式中为螺旋叶片的半径，m；1为母线转动的圈数；为母线经过的弧长，m；为螺旋线方程二次项系数；为螺旋线方程常数项系数。

对进行求导，可得变螺距螺旋线某一点螺旋角的正切值为

将初始位置′=tan1，1=0带入公式（13）得常数项系数=tan1，变螺距螺旋线二次项系数为

式中1为螺旋外援上某一点螺旋线高度，m。

根据方程绘制变螺距螺旋线的形成过程，如图11a所示。首先画出螺旋的顶面圆和螺旋线的平面展开坐标系，将顶面圆平分为若干份（图中为12份），根据螺旋线方程描出内外螺旋上的坐标点，过坐标点向左做水平线，过顶面圆上的等分点向上做竖直线，将水平线和竖直线相交点（,, …,）用平滑曲线连接即为变螺距螺旋线。

a. 螺旋线形成示意图

a. Sketch of blade cutting angle

注：为螺旋叶片外圆直径，mm；为螺旋内柱直径，mm；h为螺旋叶片高度，mm；0为名义切土前角，(°)；0为名义切土后角，(°)；为实际切土前角，(°)；为实际切土后角，(°)；为螺旋叶片上一点运动方向与水平面的夹角，(°)。

Note:is diameter of outer edge of spiral blade, mm;is diameter of spiral column, mm;histhe height of spiral blade;0is nominal soil rake angle, (°);0is nominal soil shear angle, (°);is actual soil rake angle, (°);is actual soil shear angle, (°);is angle between movement direction of spiral blade and horizontal plane, (°).

b. 刀片切土角示意图

b. Sketch of blade cutting angle

图11 螺旋开沟器关键部件设计分析示意图

Fig.11 Design and analysis sketch of critical component of spiral type opener

开沟器的转速对实际开沟的效果影响很大，不仅影响开沟效率和功率，而且对螺旋叶片损伤很大。根据农业机械设计手册，螺旋叶片外缘任意一点线速度应小于10 m/s。螺旋开沟器转速可由式（15）确定为

式中F为无因次相似准数，2.5～4.5。

当螺旋升角为16°，为1°时，由农业机械设计手册中查表可知，被输送土壤的运动方向与水平面的夹角取值最小为16°。为保证土壤能顺利排出螺旋体外，可适当增大取值。当取值为24°，螺旋升角为16°，为1°时。根据农业机械设计手册中查表可得F为4.01。经理论计算可得螺旋开沟器转速为268 r/min。螺旋叶片下端刃口切土角参数选择的原则是使切土扭矩和螺旋轴向力最小，在切削硬度比较大的土壤时，名义切土前角0=40°～45°，名义切土后角0=20°～25°，此时切削扭矩和阻力最小。在实际设计时，为保证刃口强度和耐磨性，实际切土前角可以适当增大。由于切土刀具焊接与螺旋叶片的下端初始部位，因此理论上切土后角等于螺旋叶片的初始角度，考虑到东北地区土壤坚实度较大，选择理论上切土前角为50°。刀片切土角如图11b所示。

开沟过程中，螺旋叶片不同半径处个点的运动轨迹是螺旋升角不同的螺旋线，实际的切土角和理论上切土角是不等的，可由式（16）与式（17）计算。

式中S为螺旋开沟器每转进给量，mm。

螺旋开沟器在切削土壤的工作过程中，螺旋叶片会受到土壤的反作用力。为保证螺旋开沟装置工作时的横向稳定，防止受力不平衡，螺旋叶片刀具采用双螺旋线布置形式。开沟时，为了避免底部土壤挤压叶片，保证碎土能够随螺旋叶片带出到地面，螺旋叶片刀具采用变螺距双螺旋线的布置形式。理想耕层犁底层深度大约在25 cm左右。东北地区犁底层上移严重，大多为15～20 cm。由于犁底层土壤坚实度明显大于耕层土壤，螺旋开沟器在工作过程中，下半部分螺旋所受的挤压力较大；因此，在加工螺旋叶片时，可以对下部螺旋进行局部热处理，增加其强度，防止变形。

2.4.2 土壤颗粒的运动学分析

为了便于分析土壤颗粒的运动过程和刀片的受力情况，将土壤看作一个质点，分布于螺旋叶片上。机具前进速度和与转速相比很慢，可以忽略不计。本过程忽略土壤颗粒在螺旋叶片上的径向运动，只考虑土壤颗粒沿刃口部边缘上升的过程。土壤被切削挤压成散粒状，在沟壁摩擦力的作用下，土粒角速度小于螺旋的回转角速度。土粒沿着螺旋叶片滑动，使得土壤颗粒的绝对速度存在垂直向上的分量，即>0，土壤颗粒随着螺旋叶片上升抛至两侧，土壤颗粒的运动和受力情况，如图12所示。

注：Fn1为螺旋叶片对土壤颗粒的支撑力，N；Fn2为沟壁对土壤颗粒的支撑力，N；F1为螺旋叶片对土壤颗粒的摩擦力，N；F2为沟壁对土壤颗粒的摩擦力，N；Fe为土壤颗粒的离心力，N；G为土壤颗粒的重力，N；V1为土壤颗粒随叶片旋转的速度，m×s-1；V2为土壤颗粒相对叶片运动的速度，m×s-1；V3为土壤颗粒的绝对速度，m×s-1；a为土壤颗粒所处点的螺旋升角，(°)；β为土壤颗粒绝对速度与水平面的夹角，(°)。

3 田间试验与分析

3.1 田间试验条件与设备

装置田间试验于2017年4月24日在辽宁省铁岭县蔡牛镇张庄合作社玉米地块进行，土壤类型为棕壤土。田间工况为春季玉米留茬地，留茬高度平均为18 cm，玉米播种行距55 cm，平均株距35 cm。秸秆覆盖量平均为0.8 kg/m2，秸秆平均长度为10 cm。在田间沿着对角线选取9个点测量不同深度的土壤含水率和坚实度，5 cm深处土壤的平均含水率为27.4% ,土壤坚实度为1 258 kPa；10 cm深处土层土壤平均含水率为30%，土壤坚实度为1 294 kPa；20 cm深处土壤平均含水率为30.76%，土壤坚实度为1 344 kPa；25 cm深土壤平均含水率为31%，土壤坚实度为1 495 kPa。为获得真实的土壤内外摩擦角，用漏斗漏土形成土锥，测量土锥的底面直径和高度后计算得土壤的内摩擦角为36.90°。将土壤均匀撒在65Mn钢板上慢慢抬高，当土壤颗粒开始滑动时，测量某一出土壤的高度和距离钢板、地面接触点的水平距离，测量后计算得，土壤与钢板之间的摩擦角为28.10°。

试验主要仪器设备：约翰迪尔1354型拖拉机，螺旋式开沟秸秆深埋还田机，SM-2 型高精度土壤水分测量仪（澳作生态仪器有限公司），测量范围0.05～0.6 m3/m3，精度在0～40 ℃时为0.05 m3/m3；SC900 型土壤紧实度测量仪（澳作生态仪器有限公司），土壤深度测量量程0～45 cm、土壤坚实度测量量程0～7 000 kPa，最大加载95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，质量1.25 kg；皮尺，卷尺，直尺等辅助工具。

3.2 试验指标

田间试验以秸秆切碎合格率和深埋率为试验指标，以秸秆还田机作业质量国家标准NY/T 500-2002作为检验标准。秸秆切碎合格率的计算公式为

式中为秸秆切碎合格率，%；1为取样点作业前秸秆的平均长度，cm；2为取样点作业后的秸秆的平均长度，cm。秸秆深埋率的计算公式为

式中为深埋率，%；1为取样点作业前单位面积的秸秆质量，kg；2为取样点作业后的秸秆质量，kg。

3.3 结果与分析

首先在试验田中随机选取5组等面积的地块，按照机具前进速度为3 km/h、开沟器转速为270 r/min、开沟深度为28 cm进行5次试验，每个地块进行一次，前进距离不低于50 m，每次作业完成后，随机在作业区域选取5个点，以该点为中心画出120 cm´60 cm的矩形区域，称重统计该区域内的秸秆切碎合格率和秸秆深埋率，取5次试验的平均值作为试验的结果值。经过试验，得到切碎后秸秆长度为3～5 cm，切碎合格率为93.5%，深埋合格率为92%，该结果符合农业技术要求和国家标准，能够实现秸秆深埋还田的技术要求。

4 结 论

1）根据东北平原中南部棕壤土区秸秆深埋还田的技术要求，研制了1JHL-2型秸秆深埋还田机，在作业中一次可完成秸秆粉碎、收集、深埋、覆土镇压等多功能联合作业，实现虚实并存的耕层结构，有效实现秸秆深埋还田、培肥地力，增强土壤有机质的作用。

2）通过对秸秆粉碎和输送装置动力学分析，秸秆粉碎轴的转速为1 620 r/min，输送带的输送速度为1.416 m/s，Y型甩刀刀尖线速度40 m/s，秸秆捡拾效果良好，满足机具作业要求。通过对螺旋开沟过程中土壤颗粒的运动和受力分析，确定了螺旋式开沟器螺旋升角最大为16°。

3）通过机具田间试验，在机具前进速度为3 km/h、开沟器转速为270 r/min、开沟深度为28 cm时，秸秆长度粉碎至5 cm以下，切碎合格率为93.5%，秸秆深埋合格率为92%，达到了秸秆深埋还田机作业质量要求，满足东北平原中南部棕壤土区的秸秆深埋还田的技术要求，可为秸秆深埋还田机的设计和评价提供参考。

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Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa

(110866,)

Crop straw is one of the main wastes in agricultural production; it contains nitrogen, phosphorus, potassium and trace elements. Crop straw resource in China is very rich, the current annual output of crop straw is about 6´108- 8´108t. However, only 1/4 of the straw are returned to field, some are used for animal feed, or for fuel, but a large number of straw are burned, or piled up or abandoned. This not only wastes valuable resources, but also causes environmental pollution. For example, the burning of straw will cause soil water evaporation, soil structure destruction, the soil compaction, the soil fertility decline, and deteriorate of soil ecological system accompanied by a crop yield decline. In recent years, with the continuous promotion of conservation tillage, straw returning is gradually accepted by farmers, and the proportion of harvested straw used for returning to the fields has been increasing year by year. The straw returning has benefit to the soil physical and chemical properties. Straw deep bury could facilitate nutrient release through decomposition process, increase soil organic matter content, reduce soil bulk density, increase soil porosity, and improve soil structure, water retention and aeration. Farmers in the three Northeast provinces of China always use small tractor to till their land in recent year, leading to problems of shallow plough layer, soil compaction, and reduction of soil water storage capacity. In view of this phenomenon, combined with the deep straw returning technology, it is needed to develop a machine that is suitable for soil conditions of the Northeast provinces. In order to improve the structure of soil layer, soil water storage, fertilizer use efficiency and increase in organic matter, and solve the problem of straw returning mode of rain fed land in Northeast China，we designed and manufactured 1JHL-2 type returning corn straw machine, which mainly consisted of straw crushing device, conveying device, disk opener, spiral type opener, hopper device, covering device and pressing device. It can complete the straw collection, deep ditching, straw returning, covering and packing. This machine is suitable for the technical requirement of reasonable arable layer in the brown soil region of the South Central Plain of the Northeast Plain. Compared with the other traditional straw collecting machines, this one is quite different on method of collecting straw. It combined the collecting and transporting device to collect and transport the straw, Stubble cleaning device had high rotation speed and it could produce strong negative pressure, this negative pressure picked up the straw to the dam-board, then gathered on the aggregate plate, waiting for the elastic claw. The stubble device operating width is 120 cm, the conveying device operating width is 80 cm. The ditching device adopted a spiral cutter type furrower, with 40 cm furrow width and 30 cm trenching depth. This machine collected two ridge straw and bury in furrow, realized interleave deeply bury. It can not only meet the technical requirements of deep straw returning to the field, but also reduce the consumption of mechanical power. Based on the analysis of straw throwing speed by conveying device and soil particles relative to the spiral type opener device speed and force analysis, the final dimension parameters of the system were determined. Through the kinematics analysis of the key components, the detailed motion parameters were optimized: the stubble shaft speed is 1 620 r/min, Y type of flail knife line speed is 40 m/s, and the speed of conveyor belt is 1.416 m/s. Through five group field tests, under the condition of machine speed of 3 km/h, the ditching device speed of 270 r/min, ditching depth of 28 cm, straw shredding and the qualified rate was 93.5%, the average value of straw buried rate was 92%. We concluded that this machine can complete straw collection, deep buried, repressing joint operations. It not only could achieve deep buried straw, enhance soil organic, realize the coexistence of weak and solid topsoil structure, but also provide reference for optimizing design and evaluation of straw deep bury and returning machine.

agricultural machinery; design; crops; straw deep bury; reasonable plough layer; spiral style opener; kinematics analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.004

S224.29

A

1002-6819(2017)-20-0032-09

2017-06-27

2017-08-14

公益性行业（农业）科研专项（201503116-09）；国家自然科学基金资助项目（51275318）

林 静，女，教授，博士生导师，主要从事旱作农业机械化及智能化装备研究。Email：synydxlj69@163.com。中国农业工程学会会员：林静（E041200749S）

林 静，马 铁，李宝筏. 1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：32－40. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.004 http://www.tcsae.org

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa. Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 32－40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.004 http://www.tcsae.org