4JS220 型玉米秸秆切段还田机设计与试验

2022-10-31姜伟荐世春周进贺志永张华

农业装备与车辆工程 2022年4期

姜伟，荐世春，周进，贺志永，张华

（1.250100 山东省济南市山东省农业机械科学研究院；2.264100 山东省烟台市烟台市牟平区海洋与渔业监督监察大队）

0 引言

玉米秸秆是我国第一大农作物秸秆，常年产量约为2.5 亿t，主要分布于东北地区与黄淮海地区[1]。玉米秸秆还田后在土壤微生物作用下可转化为有机质[2]，不仅能提高土壤有机质含量、改良土壤结构，而且还能促进秸秆禁烧，保护环境[3-4]，实现农业可持续发展。2016 年，我国玉米秸秆机械化还田面积已占到机收总面积的52.33%[5]，玉米秸秆直接还田已成为我国玉米秸秆主要利用方式。

玉米秸秆还田机是实现玉米秸秆还田的重要装备支撑[6]，其粉碎质量直接影响后季作物播种质量及产量[7]。目前，玉米秸秆还田机以卧式结构的甩刀式和锤爪式两种为主[8]，其工作原理是通过高速旋转的粉碎部件，将秸秆多次砍切、打击、撕裂、揉搓，粉碎成碎段和纤维状[9-10]。受限于工作原理，粉碎长度随机性较大[11]，切碎质量难以保证，旋耕后秸秆累积在土壤表层，影响下茬作物播种和出苗[12-14]，一些地方甚至出现农户将还田后的秸秆运出农田的情况，资源浪费严重。

为了提高玉米秸秆还田机粉碎效果，目前主要有两种途径，一是增大刀轴回转半径或者提高刀轴转速。增加刀轴回转半径会导致刀轴扭矩急剧增加，机器可靠性降低。提高刀轴转速在一定程度上可以改善切碎效果，但有些厂家还田机转速已经突破3 000 r/min，造成动力消耗加大，锤爪片磨损加剧，严重影响机器使用寿命[15]；二是采用双轴粉碎器，前轴采用锤爪粉碎器，后轴采用直刀粉碎器。工作时，前部锤爪粉碎器对粗大的秸秆进行捡拾、初步破碎，然后输送至后直刀粉碎器进行再次粉碎，虽然秸秆进行了两次粉碎，但切碎原理未变，无法解决秸秆切碎后呈现丝状的难题。

本文针对上述问题，设计了一种新型双轴玉米秸秆切段还田机，采用双轴设计，分为前锤爪粉碎器和后滚筒式切碎器，锤爪粉碎器主要对玉米秸秆进行捡拾、初步破碎，然后由后滚筒式切碎器进行切段还田，解决了传统玉米秸秆还田机作业后秸秆呈丝状的难题，实现了玉米秸秆精细还田，为下茬作物播种和生长创造良好条件。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构与参数

4JS220 型玉米秸秆切段还田机主要由锤爪粉碎器、滚筒式后切碎器、中间喂入辊、动力传动部分、悬挂部分等组成，整机设计前后两组切碎器，前面锤爪粉碎器为粗切装置，主要由刀轴、锤爪片和定刀组成；后面滚筒式切碎器为切段装置，主要由刀轴、动刀、定刀、底板组成，前后两组切碎器旋向相反，并在前后切碎器中间设计了喂入辊，便于秸秆捡拾和切碎抛送。整机结构如图1 所示，整机技术参数如表1 所示。

图1 整机结构图Fig.1 Overall structure diagram

表1 主要技术性能参数Tab.1 Main technical performance parameters

1.2 工作原理

4JS220 型玉米秸秆切段还田机与大型轮式拖拉机配套，采用后悬挂式。工作时，拖拉机动力输出轴输出的动力经万向节传递到分动箱，从分动箱两侧经万向节传递至机器两侧，左侧经皮带传动分别带动前锤爪粉碎器和中间喂入辊，右侧经皮带传动带动后滚筒式切碎器。工作时，前锤爪粉碎器高速旋转砍切秸秆，同时产生负压，切断的秸秆在入口负压和锤爪片的作用下进入机壳内，并在机壳上部经锤爪片和定刀多次砍切、撕裂和揉搓等综合作用下被粉碎成小段或纤维状[16-17]，粉碎后的秸秆在气流和离心力的作用下抛送至挡草板，经挡草板减速后，由中间喂入辊输送至后滚筒切碎器，在滚刀和定刀的作用下将粗切的秸秆切段，切段后的秸秆在滚筒和底板的作用下抛送至挡板，然后均匀抛撒至地面。

2 关键部件设计

2.1 锤爪粉碎器

锤爪粉碎器是玉米秸秆还田机的核心工作部件。锤爪粉碎器捡拾能力强、冲击力大，粉碎后的秸秆较长，有利后续切段作业。锤爪粉碎器主要由刀轴焊合、锤爪片、定刀、罩壳及侧板等零部件组成，锤爪数量及排列、刀轴转速是其重要结构及工作参数。

2.1.1 锤爪数量确定

根据还田机工作原理可知，锤爪数量有一个最佳值[8]，数量过少，秸秆粉碎效果不好；反之，消耗功率大、生产成本高，且会阻碍秸秆排出，造成堵塞[18]。本机工作幅宽2 200 mm，布置32 把锤爪片，其中，中间6 组间距为108 mm，其余锤爪间距为144 mm。

2.1.2 锤爪排列

锤爪排列直接影响秸秆还田机的切碎质量、性能指标及整机使用可靠性。通常排列方式有螺旋线排列和对称排列等形式，其排列形式应满足以下要求：一是筒轴受力均匀，满足动平衡要求，减少机具振动，提高机具可靠性；二是相邻两锤爪的径向夹角要大于60°[19]，以防止刀间缠草；三是螺旋排列机具秸秆抛撒应均匀，不能向一侧推移。鉴于单双螺旋线排列秸秆侧向移动现象严重，本机采用均力免震法排列方式[20-21]，如图2 所示。刀轴受力均匀，每次只有一组刀片打击秸秆。

图2 锤爪径向排列图Fig.2 Radial arrangement diagram of hammer claw

2.1.3 锤爪刀轴平衡分析

刀轴平衡对机具工作性能影响极大，因此需要对刀轴平衡进行校核，本文只验证机具空转时刀轴的受力是否平衡，力学分析如图3 所示。

图3 锤爪刀轴离心力分解示意图Fig.3 Centrifugal force decomposition diagram on the knife-axis

对于刀轴上的锤爪，每一把工作时都会对刀轴产生不同方向的离心力，将锤爪理想化，作为无制造误差和安装误差的均匀质体[22]，若所有刀具对刀轴力在x、y面分力的合力分别为零，则排列方式合理，刀轴平衡。

式中：θ——锤爪与X轴夹角，°；Fi——锤爪i产生的离心力，N；Mc——锤爪质量，kg；r——锤爪质心回转半径，m；ω——刀轴转速，rad/s。

由于本机锤爪在刀辊上采用对称布置，各对称布置的锤爪离心力Fi在x轴、y轴上的分力大小相等、方向相反，合力为零，因此式（1），Fx、Fy均为零，理论上刀轴平衡。

2.1.4 锤爪受力分析

为了将秸秆捡拾并粉碎，刀轴的转向与拖拉机驱动轮的旋向相反，锤爪在刀轴的带动下高速旋转，捡拾并锤击玉米秸秆，锤爪根部冲击载荷较大，为了提高锤爪及刀轴寿命，通常锤爪与刀轴安装座通过销轴铰接。锤爪粉碎秸秆时，受到秸秆摩擦力的作用向后微摆，受力分析如图4 所示。

图4 锤爪受力分析图Fig.4 Stress analysis diagram of hammer claw

图4 中，O1——粉碎器刀轴中心；O2——锤爪销轴中心；O3——锤爪质心；ωd——粉碎器旋转角速度；Rc——锤爪质心对刀轴中心的回转半径；Rd——锤爪远端对刀轴中心的回转半径；θ——锤爪摆动角度；Fl——锤爪离心力；Fz——阻力；mg——锤爪重力；L1——刀轴中心与锤爪回转中心的最小距离；L2——锤爪质心到销轴中心的距离；L3——锤爪销轴至粉碎器刀轴中心的距离；L4——锤爪远端至锤爪销轴的距离；L5——销轴中心到阻力Fz作用点的垂直距离。

在忽略锤爪与销轴之间摩擦力的情况下，由图4 可得：

由三角形相似得：

则锤爪相对于销轴中心力矩平衡方程为

整理可得：

在锤爪粉碎器工作过程中，锤爪摆动角度θ越大越不利于玉米秸秆粉碎，由式（5）可知，当锤爪长度与安装位置固定时，增加刀轴转速ωd、锤爪质量m均可减小摆动角度，提高秸秆粉碎效果，但刀轴转速、锤爪质量越大，粉碎功耗亦随之增加，同时对刀轴的动平衡要求更为严格，因此需要确定合适的刀轴转速。

2.1.5 锤爪粉碎器转速确定

锤爪粉碎器转速是秸秆还田机的重要工作参数，由于秸秆还田机对秸秆切碎方式属于无（或单）支撑切割，且工作时要在入口处形成一定的负压，因此动刀刀端要达到一定的线速度，才能达到理想切碎效果。研究结果表明，对玉米秸秆进行切碎时，动刀刀端的线速度大于30 m/s 时才能达到良好的粉碎效果[19]。目前，锤爪粉碎器转速多采用1 800～2 300 r/min，本机锤爪粉碎器的主要目的是将秸秆破节、粗切，不需要过高的转速，因此前锤爪粉碎器刀轴转速取值为1 800 r/min。

2.2 中间喂入辊

由于前面锤爪粉碎器刀轴转速较高，锤爪远端线速度高达45 m/s，后切碎器无法进行切段作业，因此在前后切碎器中间设计了挡草板和喂入辊，前锤爪粉碎器粗切后的秸秆先抛送至挡草板上，然后由中间喂入辊以一定的速度向后输送，降低了粗切秸秆的喂入速度。中间喂入辊主要由滚筒和拨齿组成，其拨齿端部输送线速度Vs：

式中：ns——喂入辊的转速，取1 000 r/min；ds——喂入辊端部直径，取0.12 m。

计算可得，拨齿端部输送线速度Vs=6.38 m/s，秸秆以较低的速度喂入滚筒式切碎器。

2.3 滚筒切碎器

滚筒切碎器主要由刀轴、动刀、定刀、底板等组成，如图5 所示。分为4 组切碎单元，每个切碎单元由6 把动刀组成，刀轴设计转速2 300 r/min，其理论切碎长度l计算公式如式（7）：

图5 滚筒切碎器结构图Fig.5 Structural diagram of drum cutter

式中：n——刀轴转速；z——单组动刀片的数量。

计算得秸秆切碎长度理论值为27.7 mm，可以获得较短的切碎段，切碎质量好。

3 田间试验

3.1 试验条件

2020 年10 月，样机在山东齐河县焦庙镇进行了田间试验，如图6 所示。田间试验旨在检验整机工作性能，考察机器在正常作业条件下留茬高度、秸秆粉碎长度合格率、秸秆抛撒均匀度、生产率等指标是否达到国家标准要求，并对秸秆切段长度进行测量，检验秸秆切段效果。试验地块长180 m，宽200 m，玉米种植品种为郑单958，采用机械播种，种植行距为600 mm，玉米果穗经玉米收获机收获，玉米收获机未进行还田作业，其他条件如表2 所示。

表2 试验条件Tab.2 Test conditions

3.2 试验方法

4JS220 型玉米秸秆切段还田机考核指标为秸秆切碎长度、留茬高度、秸秆粉碎长度合格率、秸秆抛撒不均匀度及纯生产率等，其中留茬高度、秸秆粉碎长度合格率、秸秆抛撒不均匀度及纯生产率按照GB/T 24675.6-2009《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》标准规定统计与试验。具体指标要求为：留茬高度应≤80 mm、秸秆粉碎长度合格率应≥85 %、秸秆抛撒不均匀度应≤80 %、纯生产率应≥0.33 hm2/h。秸秆切碎长度按照式（8）计算。

3.2.1 秸秆切碎长度

在测定区内，沿机器作业方向，等间距测定3点，用取样网提取不少于0.5 kg 的样品。在样品中再次采用十字交叉法取小样 200 g，拣出秸秆（叶、皮除外）测量每节长度，按式（8）计算平均切断长度，3 点取平均值：

式中：Xi——小样第i根秸秆切段长度，mm；X——该点平均切段长度，mm；n——秸秆个数。

3.3 试验结果

2020 年10 月，样机在山东齐河县焦庙镇进行了田间试验，如图6 所示。田间试验旨在检验整机工作性能，考察机器在正常作业条件下生产率、秸秆粉碎长度合格率、留茬高度、秸秆抛撒均匀度等指标是否达到行业标准要求。

图6 样机试验Fig.6 Chopper experiment

试验中拖拉机前进速度保持在1.1 m/s，每次测试行程为20 m，并重复进行4 次，试验结果取平均值，获得机具性能指标如表3 所示。

表3 机器试验结果Tab.3 Test results

3.4 结果分析

试验结果表明，4JS220 型玉米秸秆切段还田机留茬高度、秸秆粉碎长度合格率、秸秆抛撒不均匀度等主要性能指标均达到GB/T 24675.6-2009《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》要求。该机具可对粉碎后玉米秸秆进行有效切段，且粉碎还田的玉米秸秆切碎长度远小于100 mm，粉碎的秸秆长度变异系数为12.8%，秸秆粉碎长度具有较好的一致性，切段较为均匀，杂质较少，具有良好的作业性能。