新疆棉花秸秆粉碎还田机应用现状分析

刘 洋，王 涛，李 斌，牛国梁，李亚雄，王士国，董云成

（1． 新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子832000；2． 石河子大学机械电气工程学院）

0 引言

棉花是新疆种植面积最大的经济作物，棉花在收获后需要进行秸秆粉碎还田[1]，目前在新疆使用有多种结构的棉花秸秆粉碎还田机，如新疆鑫昌盛农机有限公司生产的单刀盘立式秸秆粉碎还田机、石河子开发区文军辉煌农机有限公司生产的双刀盘立式秸秆粉碎还田机和河北耕耘农业机械制造有限公司生产的卧式秸秆粉碎还田机，这些机具满足了新疆机采棉66+10 cm 行距棉花秸秆粉碎还田的需要[2-3]，表现出不同的性能特点，也反应出一些问题。作者通过对新疆不同地区棉花秸秆粉碎还田机的作业情况进行实地调研，观测这些机具的结构、作业质量和效率，在此基础上对机具各关键部件的结构特点和存在的问题进行讨论，为秸秆粉碎还田机的设计改进提供参考。

1 棉花秸秆粉碎还田前准备

棉花秸秆粉碎还田前，需要用搂膜机清除地表的地膜，搂膜机为弹齿结构（图1a）[4]。由于棉行较长，搂膜机作业时每隔一段距离需要将弹齿上的地膜去除，为此用秸秆粉碎还田机在垂直于棉行方向粉碎棉秆，布置堆放地膜的通道，便于地膜装载运输（图1b）。图1c 和d 是田间搂膜效果对比，可以看到搂膜后地面的地膜已经大量减少。

2 新疆棉秆粉碎还田机应用现状

2.1 应用的棉秆粉碎还田机类型

秸秆粉碎还田机按照工作部件的运动方式可分为卧式和立式[2]，这两种机型在新疆棉花秸秆粉碎还田过程中都有应用，下面分别进行介绍。

2.1.1 卧式秸秆粉碎还田机

卧式秸秆粉碎还田机主要有4 行和6 行两种机型（图2），他们分别可以用58.8 kW 和62.5 kW 的拖拉机悬挂牵引，作业速度分别为160 m/min 和80 m/min，作业效果如图3，长度大于10 cm 的秸秆较少。他们的传动系统结构相同，由拖拉机动力轴输出动力，由皮带传输动力，从机架的一侧驱动刀轴转动[5]。4 行机的悬挂架固定在机架的中间位置，6 行机的悬挂架在机架上偏置。

2.1.2 立式秸秆粉碎还田机

立式秸秆粉碎还田机按照切割刀盘的数量，可以分为单刀盘和双刀盘结构。图4 是6 行单刀盘立式秸秆粉碎还田机，该系列还有2 行和4 行两种机型，可以切割2、4 和6 行秸秆，配套的拖拉机动力分别为22.1 kW、55.1 kW 和58.8 kW，作业速度分别为80 m/min、200 m/min 和90 m/min。三种秸秆粉碎还田机通过增大切割刀盘的旋转直径来增加粉碎行数，他们的悬挂架都布置在机架的中间位置，整机采用对称结构布置。他们的动力输出系统结构相同，通过齿轮传动驱动刀盘高速转动，在传动系统上布置有离合器，离合器由超越离合器和摩擦离合器组合而成，起到对动刀和传动系统过载保护的作用[6]。

图5 是三种作业幅宽的双刀盘立式秸秆粉碎还田机，可以切割4、6 和8 行秸秆，配套的拖拉机动力分别为44.1 kW、62.5 kW 和66.2 kW，作业速度分别为90 m/min、210 m/min 和110 m/min。4 行和8 行双刀盘秸秆粉碎还田机的结构布置相同（图5a 和c），悬挂架固定在机架的中间位置，机架采用对称结构布置，两个刀盘的旋转直径相等，其动力传动系统采用“T”形结构布置，用两组皮带传动来驱动两个刀盘转动（图6a）。6 行双刀盘秸秆粉碎还田机的两个切割刀盘的旋转直径不相等（图5b），其中旋转直径较大的刀盘切割4行秸秆，较小旋转直径的刀盘切割2 行秸秆，悬挂架固定在大切割刀盘的前方，整个机具采用偏置结构，为了保证机具的平衡，在大切割刀盘后方和小切割刀盘侧方的机架上各布置一个支撑轮。6 行双刀盘秸秆粉碎还田机的传动系统采用“L”形结构布置（图6b），动力输出轴先通过大齿轮传动箱驱动大刀盘转动，然后从大齿轮传动箱输出动力，用小齿轮传动箱驱动小刀盘转动。在两个转动齿轮箱上都布置有离合器，用于过载保护两个切割刀盘和传动系统[7]。

2.2 南疆和北疆棉秆粉碎还田机使用情况

新疆的南疆和北疆都是棉花的主产区，但是由于气候不同，棉花秸秆的物理特性和粉碎还田时间有区别[8]。棉花秸秆应该在棉花采收后及时粉碎还田，南疆气候温暖，适宜棉花的生长，而北疆气候寒冷，存在降霜现象，导致北疆棉花采收时间早于南疆，北疆棉秆粉碎还田的时间约比南疆早15 天。南疆气候干旱少雨，棉秆在粉碎还田时含水率较低，而北疆雨水相对较多，棉秆在粉碎还田时含水率较高。棉秆的含水率是影响粉碎质量的重要因素，适当的秸秆含水率可以提高粉碎质量，较低和过高的棉秆含水率都不利于粉碎。图7 是用相同结构的立式秸秆粉碎还田机在南疆和北疆的作业效果，可以看到，南疆的棉秆粉碎后存在大量的长秸秆，而北疆的棉秆粉碎效果很好，几乎无长度大于10cm 的棉秆。

2.3 不同季节秸秆粉碎还田情况

棉秆主要在秋季棉花收获后进行粉碎还田，但是一些棉田的秸秆会因为棉花采收较晚或者气候原因推迟到次年的春季进行粉碎还田（图8a）。春季的棉秆经过冬天的晾晒，非常干燥，棉秆粉碎质量较差，粉碎后存在很多较长的棉秆，春季的地膜已经老化，很容易破碎，粉碎的秸秆中夹杂有残膜，这对残膜的回收非常不利（图8b）[9]。另外春季秸秆粉碎还田时，土壤干燥，刀盘高速旋转形成的气流很容易将土壤吹起，出现严重的扬尘现象，对环境造成污染（图8a）。秋季地表土壤含水率高，扬尘现象不明显（图8c），棉秆粉碎效果优于春季（图7）。

2.4 秸秆粉碎还田机作业的经济收益

秸秆粉碎还田机作业的经济收益受地区和粉碎还田机类型的影响。立式秸秆粉碎还田机在南疆和北疆作业的收费标准备分别为7和10元/667m2，这与人力成本有关，相比较北疆的劳动力成本高于南疆。北疆使用的卧式秸秆粉碎还田机收费标准为15 元/667m2，高于立式秸秆粉碎还田机，这是因为卧式秸秆粉碎还田机的功耗较高。

3 讨论

3.1 两种类型的秸秆粉碎还田机性能特点

卧式秸秆粉碎还田机的刀轴上可以布置多组动刀，动刀的数量较多，这有利于提高秸秆的粉碎质量和作业效率，但是传动系统从机架的一侧驱动刀轴转动，6 行卧式秸秆粉碎还田机的悬挂架偏置在机架上，刀轴高速旋转时机架振动严重，影响秸秆粉碎质量和机具的安全性，因此机具不易高速作业，作业效率较低[10]。另外，卧式秸秆粉碎还田机切割后留在地表的根茬高度不齐（图9a），动刀的结构和在刀轴上的分布会影响棉秆留茬的高度[11-12]。

立式秸秆粉碎还田机的结构形式多样。2 行机作业效率不高，适合地块面积小的棉田还田作业。8 行机作业时，牵引拖拉机的轮距与机采棉种植模式的棉田不对行，拖拉机后轮会压倒棉秆。在实际使用中，为了使拖拉机的后轮行走在棉行之间，用一个刀盘切割4行棉秆，另一个刀盘切割2 行棉秆，这会造成拖拉机功耗的浪费，结构不合理[13]。采用一个刀盘切割6 行棉秆的还田机，由于刀盘的旋转直径较大，当增大刀盘转速时，机具振动严重，因此单刀盘6 行立式秸秆粉碎还田机的工作效率不高。6 行双刀盘还田机可以克服双刀盘8 行立式秸秆粉碎还田机功耗高和单刀盘6 行立式秸秆粉碎还田机工作效率低的问题，是适应机采棉1 膜6行种植模式较好的一种机型。立式秸秆粉碎还田机的动刀平行于地面切割秸秆，秸秆的留茬高度整齐。

3.2 棉花秸秆粉碎还田机结构存在的问题

3.2.1 秸秆粉碎室

通过秸秆粉碎效果可以看出，秸秆粉碎质量并不相同，这不仅与秸秆的含水率和切割速度有关，与切割粉碎室的结构形状也有紧密的关系，从图4 和图5 可以看出秸秆粉碎室的结构不同，何种结构的粉碎室利于秸秆粉碎，需要进行研究[14]。

3.2.2 传动系统

秸秆粉碎机采用皮带或者齿轮传动动力，皮带传动结构简单，当动刀的切割阻力较大时，皮带与带轮发生相对滑移，起到保护动刀的作用，但是这种结构的缺点是随着皮带使用时间的增加，皮带滑移的阻力会发生变化，这会导致刀盘的转动速度不稳定，影响秸秆粉碎质量。齿轮传动需要离合器来保护传动系统和切割装置，结构复杂，特别是“L”形传动系统，需要较高的设计制造水平，但是齿轮传动具有传动效率高的优点，当秸秆粉碎还田机高速作业时，性能更加优异。

3.2.3 切割刀

秸秆粉碎还田机上设置有动刀和定刀，动刀直接与棉秆接触，高速作业时易磨损，这会影响到秸秆的粉碎质量，需要及时更换，为了延长动刀的使用时间，应该对动刀的材料和加工工艺进行研究，提高动刀的耐磨性能[15]。定刀固定在粉碎室内部，目前对定刀结构、数量和布置主要是通过经验进行设计，缺乏更深层次的原理研究。

3.3 棉花秸秆粉碎时间的选择

秸秆的含水率是影响粉碎质量的重要因素，棉秆应该在秋季棉花收获后避开下雨天雨水打湿棉秆和地表，及时进行粉碎还田，尽量避免春季还田作业。

3.4 棉花秸秆粉碎还田机的发展方向

目前新疆使用的秸秆粉碎还田机结构形式多样，满足了机采棉秸秆粉碎还田的需要，但是不同的机具粉碎质量存在较大差距，有待进一步的优化机具动刀、定刀、秸秆粉碎室和传动系统等关键部件的结构和工作参数，提高粉碎质量和作业效率。高效和粉碎质量好的秸秆粉碎还田机是市场的需求和发展方向[16]。

4 结论

秸秆粉碎还田是棉花种植过程中的重要环节，目前新疆使用的棉花秸秆粉碎还田机结构形式多样，可以满足不同地区和时间的棉花秸秆粉碎还田需要，但是不同机具的秸秆粉碎还田质量和作业效率存在很大差距，其中立式6 行双刀盘秸秆粉碎还田机表现出了较好的工作性能。未来秸秆粉碎还田机会向高作业效率和好的粉碎质量方向发展，在新疆具有广阔的市场前景。