甘蔗叶粉碎深埋还田机单边平底开沟装置的设计

李官保，梁 栋，李 明，邓怡国，董学虎，韦丽娇

(1.海南大学 机电工程学院，海口 570228； 2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)



甘蔗叶粉碎深埋还田机单边平底开沟装置的设计

李官保1,2，梁 栋1，李 明2，邓怡国2，董学虎2，韦丽娇2

(1.海南大学 机电工程学院，海口 570228； 2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)

针对南方甘蔗产区开展实施的甘蔗叶粉碎深埋技术，研制了一种甘蔗叶粉碎深埋还田机。本文重点设计了机具的单边平底开沟装置以适合南方砖红壤的条件要求，确定了开沟装置的结构参数；并通过扭柱型犁体曲面设计，增强了翻土和碎土能力。田间试验表明：甘蔗叶粉碎深埋还田机通过性良好；开沟装置开沟平均深度为39.95cm，底部宽度为25.03cm，上底宽为49.85cm，回土深度为11cm，开沟性能良好，工作可靠，能够满足甘蔗叶深埋技术要求。

开沟装置；犁体曲面；粉碎深埋；甘蔗叶

0 引言

甘蔗是我国重要的糖料作物，蔗糖占全国总糖量的90%以上。我国甘蔗种植面积约为180hm2，是第三大甘蔗种植国，仅次于巴西和印度[-2]，主要分布在广西、云南、广东、海南等省区。甘蔗叶是我国最大的热区作物，在热区经济和农村社会发展中发挥着重要作用。甘蔗叶是甘蔗产区的主要副产品，是中国热带地区大宗农业废弃物，一般占甘蔗产量的12%～20%,按甘蔗产量75t/hm2计算,则甘蔗叶废弃物最高年产可达2 700万t[3-4]。

传统的甘蔗收获作业过程中，甘蔗叶通常被直接遗弃在田间，如不及时处理将会影响蔗田的后续机耕作业。长期以来，蔗农处理甘蔗叶的主要方式为就地焚烧，不仅会污染环境，也造成大量的甘蔗叶被浪费[5]。而甘蔗叶直接粉碎还田不但能减少大气污染，还可以有效地改良土壤，培肥地力，保持土壤中水分、养分，提高土壤有机质含量及速效氮、磷、钾含量。但在国内，针对甘蔗叶废弃物还田技术的研究只有少数南方热带地区的科研院所和高校，如广东省湛江农垦科学研究所的梁明等研制了一种带弹齿捡拾器通过三角皮带传动带动粉碎刀球轴转动的甘蔗叶粉碎还田机，作业质量良好、覆盖率高；但甘蔗叶的捡拾率较低，皮带磨损严重[6]。中国热带农业科学院农业机械研究所的李明等研制的1GYF-120 型甘蔗叶粉碎还田机,捡拾率、粉碎率高[7]；但都是有着卧式粉碎机功耗大、转速高和刀具易损坏等共性问题。

目前，已研制出的甘蔗叶粉碎机都是将甘蔗叶粉碎后直接抛撒在地表，然后再经过深耕翻埋于地中，加速腐烂分解，达到大面积培肥地力的目的[8-9]。随着机械化秸秆还田技术的发展，逐渐出现了一种新型秸秆深埋还田技术，该技术是一种将全量秸秆安全还田和土壤局部轮换深耕有机结合起来的新型土壤耕作技术[10-11]。现有研究结果表明：该技术能有效缓解少免耕条件下秸秆难还田的矛盾，在改善土壤特性、增加土壤耕层深度、降低农田碳排放、减轻秸秆焚烧带来的环境问题及增加农民收入等方面具有正效益，具有推广价值[12-15]。

结合甘蔗叶的特性，并综合考虑粉碎效果、功率消耗及工作便利等问题，设计了一种甘蔗叶粉碎深埋还田机。根据保护性耕作技术要求，该机将甘蔗叶碎屑一部分覆盖于地表，一部分深埋于土壤中，达到了调高土壤肥力、保持水土的保护性耕作目的。本研究重点对已设计开发的甘蔗叶粉碎深埋还田机的开沟装置进行设计和分析，以提高机具工作性能，满足甘蔗叶深埋的技术要求。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

甘蔗叶粉碎深埋还田机主要由变速箱、机架、引导装置、刀架、粉碎刀和单边平底开沟装置构成，如图1所示。该甘蔗叶粉碎深埋还田机通过标准后三点悬挂与拖拉机连接，配套动力为50kW马力轮式拖拉机，适合我国甘蔗规模化发展生产的中型拖拉机配套的甘蔗叶粉碎深埋还田机。

1.机架 2.变速箱 3.粉碎刀 4.引导装置 5.单边平底开沟装置

1.2 工作原理

拖拉机动力输出轴通过传动系统中万向传动轴将动力传递到变速箱后，由变速箱驱动刀架，带动粉碎刀旋转。作业过程中，甘蔗叶经粉碎刀甩起进行切割粉碎；同时悬挂与机架后方的单边平底开沟装置，在拖拉机的牵引下进行甘蔗地深松开沟；被粉碎的甘蔗叶根据空气动力学原理，在刀架高速旋转时产生气流带动甘蔗叶碎屑经过引导装置抛送至单边平底开沟装置开好的沟槽内，然后回土覆盖，完成粉碎深埋作业流程。

2 单边平底开沟装置的设计分析

2.1 设计原理

单边平底开沟装置是甘蔗叶粉碎深埋还田机的关键部件之一，功能是按照要求开出合适的沟槽，将粉碎的甘蔗叶进行深埋。种植两年的甘蔗地，地表坚实，有大量的甘蔗叶覆盖；因现有蔗区种植甘蔗的土质大多为砖红壤，土层深厚、质地粘重，开沟装置入土困难，阻力大，需要有良好的破垄入土能力。同时，甘蔗地地下甘蔗根须茂密，应有良好的切断根须能力。此外，甘蔗地存在甘蔗叶、杂草等，为避免甘蔗叶等堵塞，开沟装置结构设计应合理。

根据以上的开沟要求，设计了单边平底开沟装置，由深松犁头、三角侧翼及犁体曲面组成。深松犁头有很好的入土性能，在开沟的同时对甘蔗地进行土壤深松，增加土壤蓄水保墒的能力。三角侧翼有锋利的刃口，可切开土垈及切断甘蔗根须，降低阻力。扭柱型犁体曲面的设计，有较强的翻土和碎土能力，同时设计的犁体曲面还有一定的回土能力，能将甘蔗叶深埋在沟槽中。

2.2 整体结构

单边平底开沟装置的结构如图2所示。自行设计的单边平底开沟装置的结构与铧式犁犁体类似，由犁柱、犁体曲面、三角侧翼及深松犁头组成，通过螺栓固定连接在机架偏右侧后方。

1.犁柱 2.犁体曲面 3.三角侧翼 4.深松犁头

2.3 深松犁头

由于蔗区的种植土地多为砖红壤，性状黏重坚硬，故设计出的深松犁头应具有较强的松碎土壤能力，同时还要具有足够的强度、刚度和耐磨性能。深松犁头选用的是常见的凿形犁头，通过螺栓与犁柱固定联结。其优点是，可在犁头磨损坏后快速替换。

深松犁头安装角α的取值范围为25°～30°，当α减小时，翻土能力加强；当α增大时，碎土能力加强。考虑到犁体曲面的翻土能力，取α为25°。

2.4 三角侧翼

三角侧翼是由厚度为10mm的锰钢板或45钢板经过调质处理加工而成。其轮廓被设计成三角型，一侧焊接在犁柱上，靠近深松犁头；另外两侧开刃口，刃口厚度仅为1mm，能够有效的切割土壤，割断甘蔗的根系，降低开沟阻力；同时，增加开沟的下底宽度，能够很好地满足甘蔗叶深埋的技术要求。三角侧翼质量轻、制造方便、价格低廉，可以在磨损后直接更换。由于经常更换三角侧翼，能够保持翼口的锋利度，有效减少了作业阻力，降低拖拉机油耗，综合效益更高。

2.5 犁体曲面

犁体曲面参照铧式犁的结构及工作原理设计而成。为保证顺利实现甘蔗叶的粉碎深埋工序，要求开沟装置在功能设计上不但能翻土，而且还要有一定的碎土功能，因此将犁体曲面设计成扭柱型。这种结构不但能开沟翻土，还能碎土，可有效地完成粉碎深埋工作。

1)甘蔗叶深埋的农业技术要求其开沟深度a为40cm，沟底宽度b为25cm；沟壁坡度角δ一般取40°～ 60°，角度过小则占地面积较大，角度大则沟壁容易坍塌。由于南方土壤比较黏重，δ可取较大值58°。

2)单边平底开沟装置的翼边线、胫翼线及顶边线位置如图3所示。

图3 单边平底开沟装置犁体曲面前视图

(1)翼边线EF:翼边线末端E点略低于挖出土垡的高度，翼边线EF的位置与挖起的土垡有一定重合，取重合度m=1cm，以保证在粉碎机作业时，有一定量土壤回落进开好的沟中，将抛送进的甘蔗叶覆盖深埋。

(2)胫翼线BC：设计的开沟装置的胫翼线BC所在的平面与水平面相互垂直，其高度HBC一般等于其深度，取值HBC=40cm。为避免犁体曲面刮擦沟壁，胫翼线BC偏离沟壁，取β为1°～2°。

3)元线角。元线角θ及其变化规律和开沟装置的开沟性能紧密相关。元线角θ可由水平直元线高度确定，有

θ=f(Z)

其中，Z为各元线距犁体底面的纵坐标高度。θo～θmin间，元线角的变化采用直线；在θmin～θmax之间，元线角变化由y=x2/2p[16]确定，采用抛物线,结合田间试验并考虑到开沟深度h=30cm，确定犁曲面的初始条件为：在高度z=0处，θo=40°；在高度z=8 cm处，θmin=38°；在高度z=47 cm处，θmax=48°，最终确定元线角θ及其变化规律如图4所示。

θ.元线角(°);z.犁体高度(cm)

4)导曲线。犁体曲面上的导曲线是控制水平直元线的指导线，所设计犁体曲面的导曲线采用抛物线形状。导曲线开度L越大则曲面越平缓；曲面越平缓，则阻力愈小，从而使犁体曲面的翻土能力增强。根据开出沟的沟底宽：25cm，确定出开度L的取值为18cm。导曲线的高度h应满足Hmax>h>H，根据顶边线的分析，取h为42 cm。

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

田间试验在广东省雷州市龙门镇金星农场进行。试验田为种植宿根甘蔗2年后需重新耕种的土地，试验时间为2016年3月20日。甘蔗收获后1个月，天气晴朗，试验田土地平坦，为土层深厚的砖红壤，土质黏重，土壤含水量16.86%。甘蔗种植行距110cm，甘蔗叶平长度120cm，甘蔗叶平均厚度16cm，甘蔗叶含水率18.7%。配套拖拉机为东方红-LX804拖拉机，拖拉机行进速度0.6m/s。

3.2 试验结果

甘蔗叶粉碎深埋还田机作业后，随机抽取一个作业行程，每隔1m，共测量30个试验数据。测量开出沟的上下底宽度、开沟深度、回土深度，如表1所示。田间试验效果如图5所示，测量结果如图6所示。

表1 试验数据

测得单边平底开沟装置的平均深度为40.41m，底部宽度24.73cm，上底宽50.98cm，回土深度为13.77cm，满足甘蔗叶粉碎后深埋的技术要求；底部安装的三角侧翼能够很好地加大开沟宽度，有效地切断甘蔗的根须；甘蔗叶粉碎深埋机在试验过程中没有发生堵塞情况，通过性好；粉碎装置能够很好地将甘蔗叶进行粉碎，机器的结构设计合理，单边平底装置固定链接在机架的右侧后方，通过时甘蔗叶粉碎较彻底。试验结果表明：单边平底开沟装置开沟效果好，满足南方甘蔗种植区的甘蔗叶粉碎深埋的开沟要求。

图5 田间试验效果图

x.测量距离；y.测量的深度、宽度

4 结论

1)设计的甘蔗叶粉碎深埋还田机单边平底开沟装置安装便于拆卸的深松犁头，可在开沟的同时对甘蔗地进行深松，增加土壤蓄水保墒的能力。

2)针对甘蔗叶粉碎深埋设计的的扭柱型单边平底开沟装置有很好的翻土和碎土效果，也有一定的回土效果。

3)试验结果证明：单边平底开沟装置开沟和回土效果好，满足南方甘蔗种植区的甘蔗叶粉碎深埋的开沟要求，开沟深度、实际开沟宽度都能够达到要求，沟槽内回土量能够将粉碎的甘蔗叶覆盖深埋。

4)本机器消耗动力较小，配套中型拖拉机使用，适应中型拖拉机发展迅速的势头。

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Design of Deep Buried Single Flat Ditching Equipments in Sugarcane Leaf Shattering and Returning Machine Design

Li Guanbao1,2，Liang Dong1，Li Ming2，Deng Yiguo2, Dong Xuehu2，Wei Lijiao2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China; 2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

According to the sugarcane leaf crushing and deep burying technology in the sugarcane production area in the south of China, a new type of crushing and grinding machine for sugarcane leaf was developed.This paper focuses on the design implement unilateral flat ditching device for Southern laterite requirements to determine the structural parameters of the ditching device; and by using the twisted column type of plow bottom surface design, turn the soil and soil crushing ability strong.Field experiment showed that the sugarcane leaf shattering deep returning machine through good; ditching, ditching device with an average depth of 39.95cm, width of the bottom of 25.03cm, width of the bottom 49.85cm back soil depth of 11cm, ditching good performance, reliable work, can meet the sugarcane leaves deep technical requirements.

ditching device；plough surface；crushing buried deep；sugarcane leaves

2016-05-28

国家公益性行业(农业) 科研专项( 201503136 )；科技部农业科技成果转化项目(2014GB2E000040)；广东省部产学研合作重大专项子项目 (2012A090300015)；广东省协同创新与平台环境建设专项子项目(2014B090907006)

李官保(1992-)，男，安徽枞阳人，硕士研究生，(E-mail)846940844@qq.com。

李 明( 1964-) ，男，广东化州人，研究员，(E-mail)liming282@21cn.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)05-0095-05