覆土式秸秆粉碎还田机的设计与分析

赵 灿，杨 帆，汝绍锋，王居飞

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

当前，在香蕉种植区中，每年收获季后会有大量的秸秆需要清理，传统的处理方法是通过焚烧还田，但这会产生一氧化碳、氮氧化物、硫化物和微粒等大气污染物，对环境造成极大损害；此外，这种处理方法还会杀灭土壤中的有益微生物，破坏种植区域的生态平衡.香蕉秸秆是天然的沃土生物质，富含氮、磷、钾等有益元素，若将其整株进行机械化粉碎还田，不但可以减轻蕉农的劳动强度，而且还有利于增加土壤的有机质和改善蕉园的土壤结构，从而为植物生长创造更好的环境，同时也能促进生态系统的良性循环.

为实现香蕉秸秆的有效还田，国内外已经研发出多种秸秆粉碎还田机械.但是现有国外大型农机公司的秸秆粉碎还田机普遍存在配套动力和工作幅宽较大的特点，它们适用于开阔地区的大范围作业，而且主要是针对玉米、小麦、水稻及棉秆等作物秸秆的粉碎，不适用于大部分植蕉区域的香蕉秸秆粉碎作业.当前，我国在香蕉秸秆粉碎还田领域的研究尚处于起步阶段，其中，甘声豹等［1］设计了一种喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机，一次田间作业可完成香蕉秸秆铲断、喂入、粉碎和抛洒还田的连续作业.朱德荣等［2］研发了一种能将香蕉的假茎、叶、根茬同时粉碎并还田的机具，降低了进地次数，提高了作业效率.李毅［3］、王俊霖［4］、公菲［5］等人分别研制了切碎组合式、组合圆盘式，液压式的香蕉秸秆粉碎机，这些香蕉秸秆粉碎机具从不同方面提高了工作效率，它们在特定的工作环境具有出色的作业效果，尽管如此，它们在秸秆综合粉碎作业的适应性等方面还可作进一步地改善.

香蕉秸秆是由大量纤维素和半纤维素等成分形成的致密组织，其具有脆性大和体积粗大的特点，根据此特点，本研究设计了一种结构紧凑的和可以有效沃土的覆土式秸秆粉碎还田机，该机可同时完成秸秆脱水和粉碎的工作，并可进行两次覆土作业，同时可以解决现有机型在粉碎过程中机器易堵塞、作业环境要求严苛、还田沃土效果不佳等问题.

1 整机结构及其工作原理

秸秆粉碎还田机主要由机架、秸秆脱水粉碎装置、覆土装置、传动系绕和限深装置等组成，如图1所示.

图1 整机结构示意图

整机是通过悬挂机构连接在拖拉机后下方的，机具作业时可通过调节悬挂机构的高度来适应不同的田间作业环境.各个装置和机构支撑在机架上，机架前端设置有秸秆收集铲和牵引架，机架中部设置有秸秆脱水-粉碎装置，机架后端设置有覆土装置，机架两侧面分别对称设置有秸秆粉碎装置传动系统、限深装置以及覆土装置传动系统.为了解决现有机具脱水结构冗余复杂和秸秆粉碎率不高的问题，设计者在机器上设置了作业时相互配合的秸秆脱水轮、秸秆粉碎筛网和秸秆粉碎刀组，使其可同时完成秸秆脱水和粉碎的工作，另外，还采用了防堵塞筛网的结构设计，这样就可解决现有机具在粉碎后容易出现秸秆堵塞的问题，最后，在秸秆被粉碎后，通过覆土装置还可进行两次覆土作业，这样就使粉碎后的秸秆能够与土壤充分融合，从而达到还田要求，整机的工作流程如图2所示.

图2 工作流程图

作业时由拖拉机牵引秸秆粉碎还田机向前行驶，秸秆脱水-粉碎装置中的两个秸秆脱水轮和秸秆粉碎刀组的旋转则是通过总动力输入齿轮箱来带动，脱水作业时，秸秆粉碎刀组先与一侧的脱水轮配合作业，以实现对秸秆的一次脱水工作，随后秸秆粉碎刀组与另一侧的秸秆脱水轮配合作业，实现对秸秆的二次脱水工作，经过两次脱水工作后，秸秆中的大量水分被挤出，此时秸秆中的水分比脱水前减少了60%左右；接着，秸秆粉碎刀组在秸秆粉碎筛网处完成击打和粉碎工作；最后，覆土装置对粉碎后的秸秆进行两次覆土和搅拌工作，这样就完成了整个秸秆的还田作业，同时也使粉碎后的秸秆成为有效的土壤肥料，其样机设计的主要技术和性能参数如表1所示.

表1 整机的主要参数

由表1可知，喂入装置的转速为800 r/min，粉碎刀具的转速为1 200～1 600 r/min.通过喂入装置送到粉碎刀具处的速度为喂入装置的线速度V线，喂入装置压辊的直径为140 mm，所以喂入装置的线速度为：

其中：V线—喂入装置的线速度；D—喂入装置压辊的直径；n1—喂入装置的转速.

秸秆粉碎刀组由6把相同的脱水粉碎刀组成，所以脱水粉碎刀每秒对秸秆的切削次数为：

其中：L—脱水粉碎刀每秒对秸秆的切削次数；K—脱水粉碎刀数；n—粉碎刀具的转速.

秸秆粉碎后的长度为：

其中：l—秸秆粉碎后的长度；V线—喂入装置的线速度；L—脱水粉碎刀每秒对秸秆的切削次数.

通过式（1）、（2）、（3）得出，秸秆粉碎后的长度为45 mm左右，粉碎还田的香蕉秸秆的平均高度为2 000 mm左右，所以粉碎后的秸秆长度约占粉碎前秸秆长度的2.25%左右.

2 关键部件的结构设计

2.1秸秆脱水-粉碎装置秸秆脱水-粉碎装置是香蕉假茎粉碎还田机中的关键部件，它主要是由脱水粉碎刀、两个秸秆脱水轮、刀辊安装轴、秸秆粉碎刀组、秸秆粉碎筛网、粉碎挡料板组成.为有效保证粉碎效果，且在秸秆还田时能实现均匀覆盖，此装置还采用了粉碎刀辊主动轴反转和从动刀辊正转的组合结构，这样不仅可以提高粉碎率，而且还可使香蕉秸秆碎块能被均匀地抛撒在田地上；此外，考虑到装置的空间因素，喂入粉碎腔的脱水秸秆需要先斩断，因此将秸秆粉碎刀整体设计为楔形锤状，其楔形尖端可以将秸秆斩断成适当的几何形状.秸秆粉碎刀组由6把360°均匀分布的脱水粉碎刀组成，共7组秸秆粉碎刀组，每两组周向30°交错.粉碎结束后，通过粉碎挡料板阻挡秸秆飞溅，以使其垂直落至地表.由于香蕉秸秆富含纤维，故其容易使机具发生缠绕和堵塞等问题，因此还需要设计防纤维缠绕的秸秆粉碎筛网，秸秆粉碎筛网由防缠绕套筒和防缠绕套筒安装柱组成，并横向均布在秸秆粉碎筛框架上，秸秆脱水-粉碎装置结构如图3所示.

图3 秸秆脱水-粉碎装置示意图

秸秆粉碎刀组由6把相同的脱水粉碎刀组成，它们是以圆周交错排列的方式安装，粉碎刀片的形状为锯齿形，相比于传统的直刀型刀片，这种刀片粉碎的有效面积更大，作用时其接触的秸秆更多，因此粉碎效率有所提升［6］；此外，锯齿形刀片具有更高的横向刚度，工作时不易变形，具有更高的耐久性，如图4所示.

图4 脱水粉碎刀组

鉴于香蕉秸秆的理化特性，因此要求其粉碎刀具既具有足够的锋利度和耐磨性，又必须具有足够的耐腐蚀性能，而采用普通高碳钢、马氏体型不锈钢等单一材料制成的刀具，其在材料性能上具有局限性，难以实现这些要求［7］，因此，脱水粉碎刀的刀刃部位采用合金锻造，刀具主体采用了复合板式材料，其覆层是用16MnV制成，这使刀具具备了较好的韧性，而中间芯层的材料则使用65Mn，从而使刀具具备了足够的强度.总的来说，该粉碎刀具具备了高韧性、高耐磨性和耐腐蚀性的特点.

2.2覆土装置粉碎后的秸秆要成为有效的沃土生物质，达到还田要求，这就要求机器对粉碎后的秸秆进行两次覆土和搅拌工作，因此覆土装置采用了合适的结构设计，并被安装在还田机的后方，其由动力输入带轮、左右旋绞龙、换向齿轮等组成，如图5所示.

图5 覆土装置示意图

秸秆和土壤需要混合均匀并被平整地覆盖在地面上，因此覆土装置的左旋绞龙和右旋绞龙的侧面投影为锥形，安装方式为：左旋绞龙大头端与右旋绞龙小头端同侧安装，以此来实现两次秸秆覆土工作，使粉碎后的秸秆成为有效的沃土生物质.其中，螺旋叶的最大半径为120 mm，经过两次覆土工作后，秸秆的覆土深度可达200 mm左右.

2.3限深装置机具作业深度需要根据田地条件而变化，以得到不同的工作效果，因此在机器底部设计了限深装置，其由螺纹柱、调节螺母组、张紧弹簧、方形柱、限深轮等组成，其中两覆土装置被分别对称安装在两机架侧板外侧的限深轮安装架上，限深轮与L型方形柱固结，在方形柱上端焊接螺纹柱，张紧弹簧套装在螺纹柱上，其一端与限深轮安装架接触，另一端则通过调节螺母组与螺纹柱螺纹连接，如此就实现了张紧弹簧的压紧和放松，从而实现了限深工作，如图6所示.

图6 限深装置示意图

2.4传动系统覆土式香蕉秸秆粉碎还田机的传动系统由总动力输入轴、总动力输入带轮、秸秆脱水轮安装轴、秸秆脱水动力输入带轮、脱水装置换向齿轮安装轴、脱水装置换向齿轮、秸秆粉碎动力输入齿轮、秸秆粉碎动力输入带轮安装轴、V带、换向齿轮、换向带轮等构成，如图7所示.

图7 传动系统示意图

为了配合其他部件的正常工作，使机具各个部分得到足够的动力，传动系统采用了带轮和齿轮相结合的传力方式.其中，总动力输入轴两端分别安装了总动力输入带轮，通过V带将转动传递至换向带轮和换向齿轮，再由换向齿轮将转动传递至安装在秸秆粉碎动力输入齿轮安装轴上的秸秆粉碎动力输入齿轮，总动力输入带轮通过V带将转动传递至秸秆脱水动力输入带轮，两个秸秆脱水动力输入带轮分别安装在秸秆脱水轮安装轴的两端，随后安装在秸秆脱水轮安装轴的秸秆脱水轮分别与两个脱水装置换向齿轮啮合，再将转动传递至同样与两个脱水装置换向齿轮啮合的秸秆脱水轮.

3 秸秆粉碎过程的分析

3.1刀具粉碎运动的分析在覆土式秸秆粉碎还田机作业时，粉碎刀具绕着粉碎刀辊轴心作回转运动，同时其跟随机具前进并做直线运动，两种运动的合成就是粉碎刀的绝对运动.分析时，以粉碎刀辊轴心为坐标原点，以机具运动方向为x轴正方向，以竖直向上为y轴方向，建立直角坐标系，粉碎刀组的运动分析如图8所示.

图8 粉碎刀组的运动分析

在稳定工况下，假设机具做匀速直线运动，粉碎刀组做角速度不变的回转运动，刀片端点初始位置与轴成一定夹角α，则其运动轨迹方程为：

其中：ω—粉碎刀组回转角速度；V—机具行进速度；t—时间；α—刀片端点初始角位移；R—刀片运动回转半径；x、y—任意时刻刀片端点在坐标系的位置.

由式（4）可知，刀片端点在x轴方向和y轴方向的速度为：

通过式（4）、（5）可得，刀片端点的绝对速度为：

通过对刀片端点的运动分析可知，刀片在某一工作位置的最大端点速度与刀片运动回转半径R、机具行进速度V、粉碎刀组回转角速度ω直接相关.结合国内现有香蕉秸秆粉碎还田机的刀辊设计参数，确定秸秆粉碎刀辊的转速范围在1 200～1 600 r/min之间，秸秆粉碎装置的回转半径为250 mm左右，作业时其行进速度约为1.2 m/s，将上述参数值带入式（6）中可得，刀片端点的最大绝对速度约为7.87 m/s.粉碎刀片与秸秆接触时的最大速度将直接影响刀具的使用寿命和作业效果，因此，在不同工作条件和不同作业环境下，应该确定粉碎刀具的最佳几何参数与运动参数，以取得最佳的工作效果［8］.

3.2粉碎过程的受力分析粉碎刀具是直接与秸秆接触的部分，其直接承受来自机具传动系统的动力和来自秸秆的阻力，因此其应力情况与形变状况直接影响着秸秆的粉碎质量与机具的工作状态.故在此利用ABAQUS软件对刀具（刀具是以65 Mn作为主要材料，其密度为7.82×10-9t/mm3，弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为3）进行了仿真受力分析，并分析了刀具在工作时的形变和应力状况［9］.考虑到刀具具有复杂的几何形状，所以在此使用Tet类型网格，同时使用Free网格划分技术，以3 mm作为网格的基本单位长度来对刀具进行网格划分.对刀具上端限制6个自由度，同时参考尹秋［10］等人对香蕉秸秆力学特性的研究，对刀具与秸秆接触的受力部位施加1.11 MPa的均布载荷，接着，将材料参数及边界条件导入ABAQUS软件并进行计算，这样就可以得到刀具在工作状态下的Mises应力和位移结果.

由仿真受力分析结果可知，刀具在工作区域的应力分布较均匀，基本在109.3 MPa以下，最大Mises应力分布在端部位置，为653.9 MPa，刀具的最大位移为2.252 mm，发生在刀尖处.为便于分析刀具在工作时的力学性能，在刀具工作部位设置了两条分析路径，路径1为刀具刀柄的边缘，即从刀柄与刀辊连接处开始至刀柄与刀片相接处终止的直线段；路径2为刀具刀片与刀柄相接所在平面的较长边缘，即从刀尾至刀尖的一条折线段，两条路径均选在数值较大、形变和应力分布相对不均匀的区域，设置的分析路径如图9所示.分别在路径1和路径2上的网格节点处取41和45个参考点，记录每个点所在位置的形变和Mises应力值，结果如图10所示，路径1的应力和形变曲线均比较平稳，无应力集中和形变突然增大的部位；路径2的应力变化不均匀，但是数值很小，形变曲线光滑平稳，工作时不易产生较大变形，由此可知，以65 Mn作为刀具的主要材料，并在其刀刃部使用合金锻造，同时以复合板式材料作为其主体，这样的刀具可以满足使用要求.

图9 分析路径的设置

图10 刀具应力-形变的变化趋势

4 结 论

1）针对香蕉秸秆含水率较高，含有大量的纤维素和半纤维素以及其体积大和脆性大的特点，设计了一种结构紧凑和能有效沃土的覆土式秸秆粉碎还田机，该机可同时完成秸秆脱水和粉碎工作，并可进行两次覆土作业.

2）本文对秸秆脱水粉碎装置、覆土装置和限深装置等关键部件的结构进行了详细说明，并设计了一种新型粉碎刀组，它可同时完成秸秆脱水和粉碎工作，解决了现有机具脱水结构冗余复杂和秸秆粉碎率不高的问题.此外，本文对秸秆粉碎过程进行了运动与受力分析，结果表明，粉碎刀片与秸秆接触时的最大速度将直接影响刀具的使用寿命与作业效果，经分析计算可知，刀片端点的最大绝对速度约为7.87 m/s时，可满足粉碎作业要求；刀具在工作区域的应力分布比较均匀，且形变在2 mm左右，可满足工作要求.因此，本研究可为植蕉地区的秸秆处理提供有效的选择方案，也可为香蕉秸秆的还田作业提供有效的参考.