秸秆粉碎还田机及关键部件的研究动态分析

李 斌，刘 洋，牛国梁，孙晓晓，董云成，王 涛，王士国

（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

农作物秸秆是农业种植生产中重要的可再生资源，据统计，我国农作物秸秆年均产量大约为6～8 亿t[1]。秸秆粉碎还田可改善土壤结构、有效防止土壤板结，起到蓄水保墒作用，改善农业生态环境[2]。

秸秆粉碎还田机可分为单独作业秸秆粉碎还田机和复式秸秆粉碎还田机，在粉碎过程中，其关键部件都起到了重要的作用，例如：切割装置、动刀结构、定刀结构、动力传动系统和机架结构等。机架和刀具是影响切割质量的最关键部件。机架是整机作业和承受载荷的基体，支撑棉花秸秆粉碎还田机的主要工作部件，同时承受着来自机具内外的各种载荷，如刀具与泥土、石块和其他田间杂质接触摩擦，工作环境条件恶劣等[3]。本文介绍了秸秆粉碎还田机关键技术，阐述了秸秆粉碎还田机目前存在的问题和未来的发展趋势，以期为秸秆粉碎还田技术革新提供参考。

1 秸秆粉碎还田机的研究动态

国外发达国家在20世纪60年代就开始对秸秆机械化还田进行研究[4]。国外秸秆粉碎还田技术比较完善，机具品种多，性能可靠，但大多不适用于我国农作物的种植模式，且价格昂贵，秸秆粉碎后留茬较高。在20世纪70年代末，我国农机科技工作者引进国外技术的同时，进行了根茬粉碎还田和整株秸秆粉碎还田技术及机具的研究与应用。20世纪80年代，在中央政策支持下，各农机部门积极开展秸秆粉碎还田机械化技术的研究开发和推广[5]。

秸秆粉碎还田机按照机具功能的多样性可以分为单独作业秸秆粉碎还田机和复式秸秆粉碎还田机。单独作业秸秆粉碎还田机是将秸秆粉碎后直接留在田地上，功能较为单一；复式秸秆粉碎还田机主要是与其他农业机具联合作业[6]。

1.1 单独作业秸秆粉碎还田机

单独作业秸秆粉碎还田机使用最多的主要为：甩刀式秸秆粉碎还田机和滚刀式秸秆粉碎还田机。

1.1.1 甩刀式秸秆粉碎还田机

甩刀式秸秆粉碎还田机可以适用于小麦、玉米、水稻和棉花等各类农作物秸秆，其刀具通常使用弯刀或者是弯刀和直刀的组合。该机具作业粉碎质量较好，适用范围广，但是其粉碎后的秸秆洒落不均匀。国内外典型甩刀式秸秆粉碎还田机如图1 和表1。

甩刀式秸秆粉碎还田机的适用范围广，对该机具的研究也较多。石家庄农业机械股份有限公司研发生产了4QR-1.6 型秸秆切碎还田机，通用性强，主轴的转动惯量大，但对棉秆杆等木质部分较高的秸秆切割效果不明显，机具功耗较高[7]。李亚萍等[8]针对棉花秸秆机械化粉碎还田作业中存在的问题，研制了基于新型自适应摆动尾轮与螺旋排列刀轴刀片结构的4JH-220 型秸秆粉碎还田机，但是该机具在作业过程中振动较大，稳定性较差。何义川等[9]研制了一种1JH-3.0型宽幅秸秆粉碎还田机，该机具的主要技术指标基本达到了标准要求，但是在作业过程中，运行不稳定，前进速度严重影响粉碎效率和粉碎效果。

1.1.2 滚刀式秸秆粉碎还田机

滚刀式秸秆粉碎还田机主要适用于玉米秸秆的粉碎还田，其刀轴直径较小，粉碎效果较好，但是其结构复杂，不稳定。王庆惠等[10]研制一种混合型栅格导入滚刀式秸秆粉碎还田装置，该机具解决现有完全无支撑切割，机具动力消耗大、扬尘大、工作环境差等突出问题。

1.2 复式秸秆粉碎还田机

复式秸秆粉碎还田机是将秸秆粉碎还田机安装在其他功能的农业机具上组成一种能一次性完成多项作业的机具。主要有秸秆粉碎还田-残膜回收机、秸秆粉碎还田-收割机、秸秆粉碎还田-棉桃收获机和秸秆-根茬粉碎还田机等。

表1 国内外典型甩刀秸秆粉碎还田机对比分析

秸秆粉碎还田-残膜回收机是秸秆粉碎还田装置与残膜回收装置之间安装有秸秆输送装置。其机具主要适用于棉花秸秆，可以实现秸秆和残膜分离，但是结构复杂，能耗高。田辛亮等[11]研制了4JSM-2000A型棉秆粉碎及搂膜联合作业机（图2），在实现残膜回收的同时达到秸秆粉碎还田的目的，且该机具棉秆粉碎效果较好。但是由于棉秆含水率较大，机具会出现堵塞现象，使棉秆被抛出的距离不够，导致一些粉碎的棉秆需要被捡拾。胡凯、王吉奎等[12]设计了一种用于收获后棉秆切碎还田和残膜回收的联合作业机具，一次作业可实现棉秸秆粉碎还田、膜秆分离和残膜回收。该机具作业振动小，能耗低，粉碎质量较好。但是在作业中仍有秸秆倒伏，且收获后的残膜有较多的秸秆等杂物。

秸秆粉碎还田—收割机上安装有甩刀刀辊的工作部件与联合收割机排草口连接，从而对收割机排草口排出的秸秆进行粉碎和抛洒，主要适用于小麦和水稻。陈黎卿等[13]设计了一款适合于全喂入联合收割机的1JHSX-34 型双轴式秸秆粉碎机，该机在作业过程中没有出现堵塞、缠草现象，秸秆粉碎合格率在90%以上，秸秆粉碎机与全喂入式收割机的配合较好，但适用范围小，其效果要根据秸秆的含水量来决定。

秸秆粉碎还田—棉桃收获机可同时实现棉桃的收获和秸秆的粉碎，主要适用于棉花秸秆。丁龙朋等[14]设计了4ML-2.0 型棉桃收获及棉秆还田联合作业机，并制作出了一种立轴式多聚盘切割试验台，其刀片直径解决了棉秆的切割时间段问题，但该试验台在切割过程中棉秆存在前倾、倒伏现象，随着速度的加快，留茬较高。

秸秆—根茬粉碎还田机主要适用于玉米秸秆，在秸秆粉碎刀的后面安装有根茬粉碎刀，实现秸秆和根茬的同时粉碎。李艳等[15]设计了一种多功能玉米秸秆还田机，其可以同时进行秸秆粉碎还田和灭茬旋耕作业，粉碎秸秆合格率和灭茬率较高，但该机具能耗大，工作阻力大，作业中机具振动大、不稳定。

2 刀具的研究动态

秸秆粉碎还田机的粉碎刀具的形状、结构和材料对粉碎秸秆的质量和效率、刀具的使用寿命、机具的稳定性和机具工作时的能耗有重要的影响。秸秆粉碎还田机的粉碎刀具主要有直刀型刀片、甩刀型刀片、锤爪型刀片[16]。贾洪雷等[17]通过分析现有刀片的优缺点，设计了V-L 型秸秆粉碎华天际刀片，刀片使用寿命长、粉碎效果和作业效率较高，但是刀具形状复杂，加工难度相对较大。秸秆粉碎还田机的刀具的设计主要是根据农作物秸秆的力学特性来改变刀具的形状结构、外形尺寸和使用的材料。现有的秸秆粉碎还田机的刀具的类型特点如表2。

2.1 刀具的参数

秸秆粉碎还田机刀具的参数是刀具设计的一个重要环节，宋占华等[18]在分析往复式切割器的基础上，提出了切割有效率概念，并给出了切割有效率公式。其发现棉花秸秆往复式切割器动刀片的动刀片宽度、刀刃高度和前桥宽度以及两两之间的交互作用对切割有效率都具有显著影响，通过优化得到其结构参数最优组合。郑智旗等[19]设计了并联直刀和L 改进型弯刀组合结构，经过试验和计算数据分析得出刃口角度选取30°为最佳参数。孟海波等[20]分别用材料为65Mn 钢、T10 钢和Cr12MOV 钢制造秸秆粉碎还田机刀片，经过试验证明65Mn 钢作为秸秆粉碎还田机刀片最为合理。

2.2 刀具的排列方式

合理的秸秆粉碎还田机粉碎刀的排列方式可以提高粉碎质量，使机具的运转平稳。排列方式主要有单（双）螺旋线排列、对称排列。李庆军等[21]通过从刀具布置的角度进行力学分析，得出减小秸秆粉碎还田机减振的方法。徐建平等[22]在“均力免震假设”的基础上，推导出常用刀片型的结构参数优化方程，并利用计算机高级语言对优化方程求解，得出了相应机型秸秆粉碎还田机的刀片优化排列。

3 存在的问题

我国相关的科研机构对棉花秸秆粉碎还田机进行了大量的研究和田间试验，但仍存在很多问题。

3.1 对秸秆粉碎还田运动规律和机理研究不深入

表2 不同类型的秸秆粉碎还田机刀具的特点及优缺点

近几年，我国对秸秆粉碎还田技术研究相对较多，但大部分只适用于某一种秸秆作物的研究，同时适用于多种农作物的秸秆粉碎还田机研究很少。目前大部分主要是对秸秆粉碎还田机的介绍和粉碎还田的技术理论方面的探讨，对秸秆在粉碎过程中的运动规律和切割力学分析机理的研究较少，设计较盲目。

3.2 对棉花秸秆粉碎还田技术的农艺研究缺乏

目前新疆的大部分棉花种植区域都采用了适用于机械化采棉的种植方式，但是我国秸秆粉碎还田的相关研究单位对机采棉秸秆粉碎还田机的研究较少，对适用于机采棉的土壤的化学、物理、生物特性影响和还田后对土壤表层的影响等相关研究也较少。

3.3 秸秆粉碎还田机的可靠性差，动力消耗大

要保证秸秆粉碎还田机的粉碎效果，必须保证甩刀与土壤、石块等杂质的接触较少，从而减少甩刀的磨损、刀辊的变形和其他部件的损坏。然而现有的秸秆粉碎还田机大都属于无支撑的切割，刀片极易磨损，功耗大，粉碎质量不高。

3.4 秸秆粉碎还田机的机架稳定性差

机架承载着秸秆粉碎还田机的几乎所有载荷，而且在粉碎过程中要通过机架壁的不断碰撞使刀具可以与秸秆更多的接触，增加粉碎效果。但是我国对秸秆粉碎还田机机架的理论分析很少，在以后的设计中无法快速的得到正确的设计依据。目前存在的秸秆粉碎机的机架形状各异，秸秆粉碎机作业时需要高速运转，其机架的稳定性较差，整机的振动较大，导致零部件容易损坏，且其外形也严重影响秸秆粉碎质量。

4 发展趋势

4.1 研究适用于多种农作物秸秆粉碎还田新机具

通过对各类农作物秸秆粉碎还田运动规律和机理的深入研究，设计研制出更加适合各类农作物秸秆粉碎还田、性能稳定、粉碎效果更好的秸秆粉碎还田机。在秸秆粉碎还田机机架上设计并安装支撑结构，从而减小刀具与土壤、石块等杂质的接触，研发出新型农作物秸秆粉碎还田机，并加强对联合作业机具的研制与改进。

4.2 将农机、农艺和生物技术相结合

对农作物秸秆粉碎还田能够促进农作物秸秆的腐解。采用合理的农艺措施对不同农作物秸秆进行还田的同时，可以用生物试剂来简化农作物秸秆粉碎工序并加速农作物秸秆腐解。深入了解各类农作物秸秆的粉碎长度和还田量的大小等对各类农作物种植的影响，合理提出适用于不同农作物秸秆粉碎的标准。农机、农艺和生物技术的结合是农作物种植实现全程机械化的必由之路。