立轴式木薯茎秆粉碎还田机的研制与试验

郑 爽，邓干然，张 劲，李国杰，崔振德，李 玲，黄应强，华 康

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江 524091；2.农业部热带作物农业装备重点实验室，湛江 524091；3.湛江市农业技术推广中心，湛江 524000；4.华中农业大学，武汉 430070）

0 引言

木薯是世界三大薯类作物（木薯、马铃薯、甘薯）之一，也是全球年产超亿吨的七大作物之一，被誉为“地下粮仓” “淀粉之王”，是许多热带、亚热带国家重要的粮食作物和能源作物，在我国已有200年的栽培历史[1]。木薯作为能源作物，在我国具有巨大的发展潜力。2017年9月，国家发展改革委、国家能源局等多个部门联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，明确在全国范围内推广使用车用乙醇汽油，到2020年基本实现全覆盖。目前国际市场玉米和木薯年贸易量达1.7亿t，是转化生物燃料乙醇的优质原料。我国生物燃料乙醇产业经过10多年发展，以玉米、木薯等为原料的1代和1.5代生产技术工艺成熟稳定。因此，木薯在我国有广阔的发展前景。

木薯茎秆是木薯生产过程中的伴生物，产量是木薯块根产量的70%～80%[2]，即每公顷在20～30 t。木薯茎秆包括木薯杆、嫩茎和叶，其中木薯秆上布满腋芽，腋芽入土后极易发芽，因此木薯块根收获前需要预先人工砍伐木薯茎秆后搬运到地头丢弃或者焚烧。木薯秆木质化、硬度高，使用一般粉碎还田机无法粉碎。近些年来，国内在木薯秆粉碎还田方面进行了研究探索，如邹雨坤等进行了不同还田方式下木薯茎秆腐解及养分释放特征研究，采用网袋法，研究不同还田方式下木薯茎秆腐解及养分释放特征，在240 d 时碳、氮、磷、钾的累积释放率分别为69. 9%～80. 8% 、78. 1%～94. 2% 、87. 3%～93. 5% 、97. 4%～98. 5%[3]；李红雨等进行了木薯茎秆粉碎还田试验，指出木薯茎秆粉碎还田可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，显著改善土壤的物理性状[4]。实践表明，木薯茎秆粉碎还田既能解决木薯块根机械化收获的需要，也能解决农田污染物消纳处理的需要，对提升土壤地力有较好的效果。

1 木薯茎秆田间处理的技术要求

1.1 木薯茎秆的生物力学特性

木薯茎秆最高可达4 m左右，直径在2～6 cm，表面粗糙密布节点，部分品种带有分杈。木薯秆的横向结构由外到里依次为表皮层、木质层和芯部组织，且均为环形结构，层次鲜明，从上至下随着生长时间的增加硬度依次增加。根据黄正明等人的研究[5]，收获期的木薯秆，整秆平均含水率为68.86%，测得其弯曲、横向压缩、纵向压缩以及横向剪切和纵向剪切的最大破坏力分别为887.26 N、1 874.59 N、4 501.84 N、2 226.67 N和277.07 N，其韧性较强。在木薯秆弯曲过程中，最大弯曲位移比在30%以上，最高可达60%。除横向压缩外，木薯秆在弯曲、纵向压缩以及剪切过程中所受到的最大破坏力均与木薯秆的直径呈现出较明显的线性关系；沿木薯秆的根部到顶部，最大破坏力的值逐渐减小。

1.2 对木薯块根机械采收的要求

传统木薯采收，由人工双手紧握木薯秆将薯串整个从土壤中拔出，再把块根从薯柄上分切下来并收集，完成收获。近年来生产上出现了一种省力杠杆，先人工砍倒并运走木薯茎秆，保留根茬高度约40 cm，再使用省力杠杆夹持住根茬往上撬拔，将薯串整个从土壤中拔出。无论是人工拔薯还是借助省力杠杆，木薯块根收获始终无法提高效率，人工收获成本极高。使用轮式拖拉机，通过专用的木薯挖掘收获机收获木薯，收获效率是人工的数十倍，已成为木薯生产发展的必然趋势。

基于木薯植株的生物特性，木薯机械化收获应包括“去除木薯茎秆”与“木薯地下块根挖掘”两个作业环节，如果不事先去除木薯茎秆，就不可能进行机械挖掘块根，因为这些木薯茎秆将阻挡拖拉机前进，堵塞挖掘的机具，覆盖挖出的块根，使挖掘、捡拾和块根分切不可进行。木薯茎秆的粉碎处理，是实施木薯块根机械化采收的基本要求或前提。

1.3 对木薯种植农艺的要求

木薯秆上布满腋芽，腋芽间距最小的仅在约2 cm，理论上每一个腋芽都可以单独发育生长成一株新的木薯。如果木薯采收时不将茎秆清理搬走，将造成土壤无法耕整，每根木薯秆会原地发芽；如果机械粉碎不彻底、对茎秆的破坏程度不够，每段带腋芽的木薯秆都有可能长出一株新木薯。这些杂乱无章自行长出的木薯株，必将影响新种作物的生长和管理。因此，木薯茎秆粉碎处理的重点是将木薯秆破坏，使其失去萌芽能力，这也是农田农艺管理的基本要求。

2 立轴式木薯茎秆粉碎还田机的设计

2.1 整机结构布局

根据我国木薯种植农艺、不同区域作业条件等限制，考虑到要与木薯块根挖掘收获机联合作业的要求，在制定立轴式木薯茎秆粉碎还田机的整机结构时，设计的立轴式木薯茎秆粉碎还田机前悬挂于拖拉机，以液压驱动粉碎机粉碎组件，配套66 kW（90马力）拖拉机，每次作业2行，这样拖拉机就可以后悬挂木薯块根挖掘收获机，实现木薯茎秆粉碎与块根挖掘联合作业，减少一次拖拉机进出，以降低对耕地压实和木薯块根的潜在压伤。

设计立轴式木薯茎秆粉碎还田机时，要考虑机器能够满足木薯种植行距、株距、株高、行宽、倒伏、杂草等农艺的要求，还要控制木薯茎秆的粉碎长度在8 cm以下，使其易于风干、腐烂，避免发芽而影响下一茬作物种植与管理。前悬挂的结构形式便于与后悬挂的木薯收获机相配套，还要考虑拖拉机手的驾驶视野、拖拉机的转向操控性能、液压传动系统的布局等。在粉碎作业过程中，要求木薯茎秆留茬15～25 cm，以便配合木薯块根收获时的抓、取和分解薯块。经综合考虑，整个机组结构如图1所示。

图1 立轴式木薯秆粉碎还田机结构简图

2.2 主要设计参数

该型样机进行了两代设计。第一代立轴式木薯茎秆粉碎还田机，对应2行作业需要设置2套立置的粉碎机构，每套粉碎机构包括1根立轴及刀杆、定刀组、圆盘锯、集秆架、传动皮带、液压马达、提升油缸及液压系统、罩壳等。粉碎机构前悬挂于66 kW轮式拖拉机上，通过液压马达驱动粉碎刀杆高速打击坚硬的木薯秆使其折断、破碎。由于木薯秆根部较上部更加坚硬，因此立轴下方设有圆盘锯，以锯切替代打击。

主要技术参数：立轴工作转速800～1 400 r/min，回转直径380 mm，高度1 400 mm；每根立轴上刀杆数为24根，分3组沿轴向直线排列，每组8根刀杆，组间夹角为120°，刀杆直径20 mm，刀杆长度160 mm；定刀数24个，分3组沿轴向直线排列安装在罩壳上，刀高60 mm；圆盘锯外径405 mm，刃角30°，齿宽3.0 mm，齿数140，工作时离地高度不小于200 mm；液压马达选用CMG4-32。

第二代立轴式木薯茎秆粉碎还田机，主要是针对第一代样机因每套粉碎机构只设置1根立轴，立轴旋转时对木薯茎秆卷入效果不理想、易出现木薯茎秆接触、碰撞刀杆后弹离而造成漏碎现象，第二代样机增加1根平行的立轴、形成双立轴相向旋转以增强立轴对木薯茎秆的卷入性能以提高粉碎效果；针对第一代样机不能扶起倒伏木薯茎秆的问题，增加了扶禾装置；针对第一代样机不适应更高秆品种木薯，立轴高度由1 400 mm增至1 800 mm，每根立轴上刀杆数由24根增加至36根；由于采用双立轴后负荷增大，相应液压马达用更高功率的CMG4-40以增加粉碎作业动力，传动机构也进行了一定的改动。

第一代样机和第二代样机的实物效果分别如图2、图3所示。

图2 木薯茎秆粉碎还田机一代样机（单辊）

图3 木薯茎秆粉碎还田机二代样机（双辊）

2.3 田间试验与分析

为测试立轴式木薯茎秆粉碎还田机的主要工作性能指标，进行田间试验，试验地为湛江市木薯种植户的一块木薯地。试验地种植的木薯品种为华南5号，株高1 700～2 300 mm，种植行距800～850 mm，株距400～600 mm，茎杆直径平均35 mm。该试验地块总体较平整，分别使用单轴、双轴不同机型进行作业，主要试验技术指标如表1所示。

表1 立轴式木薯茎秆粉碎还田机主要工作性能指标

2.3.1 木薯茎秆粉碎长度

随机抽取3个小区，每个小区面积为25 m2，测量粉碎后的木薯茎秆长度。从中选出最长的20段，计算其平均长度，即得到该小区木薯茎秆粉碎长度；3个小区的平均值即为本次试验木薯茎秆的粉碎长度。木薯茎秆的粉碎长度直接取决于传动主轴的转速和粉碎刀具的排列。在一定范围内传动主轴的转速越高，重复打击粉碎的几率越大，木薯茎秆粉碎后的长度越短；转动速度越低，粉碎后的长度越长。刀具的排列越密集，初次粉碎后的长度越短；排列越疏松，初次粉碎的长度越长。

2.3.2 木薯茎秆粉碎率

随机抽取3个小区，每个小区面积为25 m2，尽量收集全已破碎的木薯茎秆碎片、破碎未充分的片段和仅切断未破碎的秆段，统计其总质量，以及破碎的木薯茎秆碎片和破碎未充分的碎片质量在总质量中所占的比例，得到该小区木薯茎秆粉碎率，3个小区木薯茎秆粉碎率算术平均之后得到本次粉碎试验的木薯茎秆的粉碎率。木薯茎秆粉碎率主要取决于粉碎刀组的重复粉碎次数，通过调节主轴的转动速度和改变粉碎刀组的排列形式可以改变重复粉碎次数，调节木薯茎秆粉碎率。

2.3.3 留茬高度

试验完成后，随机抽取3个小区，每个小区面积为25 m2，测量小区内所有木薯茎秆留茬长度，平均后得到该小区留茬长度，3个小区留茬长度算术平均之后得到本次粉碎试验的留茬高度。留茬高度主要取决于圆盘锯片的切割高度，木薯茎秆粉碎机中可以通过液压控制系统来提升整机，改变圆盘锯片的高度，来调节留茬高度。

3 结论

3.1 整机运转情况

试验过程中，单辊和双辊型粉碎机整体运行均比较稳定，粉碎机构振动幅度较小，配套拖拉机纽荷兰SNH904动力充足，在田间通过性较好，液压系统操控粉碎机升降比较灵活，粉碎组件和切割组件工作平稳，无非正常接触和干涉碰撞，说明样机总体设计从机械结构和机械运动角度来看比较合理。

3.2 生产适应性情况

粉碎机设计安装在机罩两边的倒伏机构，在实际工作过程中，由于木薯地木薯茎秆倒伏情况不一样，粉碎机不能够很好地将倒伏严重的木薯茎秆牵引进粉碎腔内，存在粉碎遗漏现象，因此对受台风影响、植株倒伏严重的木薯地，使用本机进行木薯茎秆田间粉碎，并不能很好地适应。

另外，粉碎机工作过程中通过液压系统对其进行上下调节，可以调节切割部件的切割高度，对木薯茎秆的留茬高度可灵活调整。但不同品种和不同管理水平的木薯植株，高度差别较大，对于高度大于2 500 mm的木薯茎秆，超出粉碎机高度部分的木薯茎秆尾部比较容易被粉碎机甩离而掉落到地上，未能有效粉碎。只是木薯茎秆尾部较柔软细嫩，易于腐烂变质较难复芽，对粉碎作业要求影响不大。但如果老茎高度明显超出粉碎机粉碎范围，被粉碎机甩离而掉落到地上的木薯茎秆将会复芽，粉碎机的适应性也将受到影响。

3.3 下一步改进的思路

一是对于倒伏的木薯秆，由于木薯秆坚硬且通过薯柄与土壤结合紧密，不易被扶禾装置抬起，扶秆效果不理想，粉碎率比较低，漏碎率高，离生产应用还有距离。特别是如果在春初收获木薯，因为是一边粉碎木薯茎秆、一边要翻土挖掘木薯块根，粉碎不够的茎秆马上被湿度较高的泥土覆盖，萌芽的可能性更高。如果在入冬作业，相对会好些，那些粉碎不完全 的木薯茎秆在损伤后易受低温影响而腐烂失去萌芽能力。要提高木薯茎秆粉碎率，重点是改进粉碎机的倒伏机构，才能扩大粉碎机的使用面。

二是要考虑到粉碎机要与高秆木薯品种（2 500 mm以上）的匹配，设计的立轴式木薯茎秆粉碎还田机，在满足拖拉机手视野的情况下，可在顶部增设横向且前出的拨禾轮，利用旋转的拨禾轮将超高部分的木薯茎秆强制下压喂入粉碎机，可适应高杆品种木薯的茎杆粉碎。当然，增加拨禾轮，将明显增加粉碎机的结构复杂程度，同时增加作业能耗和整机质量。

三是考虑木薯茎秆的粉碎与收集能同时进行，以利于综合利用。木薯收获时，如果不是特别寒流早来，一般茎秆上部的茎、叶还处于比较鲜嫩状态，这部分生物量约占茎秆的50%，营养丰富，如华南7号木薯叶粗蛋白含量为21.16%～31.80%，适合做禽畜饲料[6]；茎秆下部的硬木质部分，经再次粉碎后可以用于生产栽培基质[7]来种植蘑菇、木耳等[8，9]，也可做成香炭或颗粒燃料[10，11]。开展木薯茎秆综合利用，可以考虑整体高效粉碎、收集，再筛分，满足不同部分不同用途的需要。木薯茎秆高效粉碎及收集设备，可参考本机结构进行功能扩展，也可研制全新的粉碎收获机型。