李官保，梁 棟，李 明，鄧怡國，董學虎，韋麗嬌

(1.海南大學 機電工程學院，海口 570228； 2.中國熱帶農業(yè)科學院 農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

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甘蔗葉粉碎深埋還田機單邊平底開溝裝置的設計

李官保1,2，梁 棟1，李 明2，鄧怡國2，董學虎2，韋麗嬌2

(1.海南大學 機電工程學院，?？?570228； 2.中國熱帶農業(yè)科學院 農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

針對南方甘蔗產區(qū)開展實施的甘蔗葉粉碎深埋技術，研制了一種甘蔗葉粉碎深埋還田機。本文重點設計了機具的單邊平底開溝裝置以適合南方磚紅壤的條件要求，確定了開溝裝置的結構參數(shù)；并通過扭柱型犁體曲面設計，增強了翻土和碎土能力。田間試驗表明：甘蔗葉粉碎深埋還田機通過性良好；開溝裝置開溝平均深度為39.95cm，底部寬度為25.03cm，上底寬為49.85cm，回土深度為11cm，開溝性能良好，工作可靠，能夠滿足甘蔗葉深埋技術要求。

開溝裝置；犁體曲面；粉碎深埋；甘蔗葉

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物，蔗糖占全國總糖量的90%以上。我國甘蔗種植面積約為180hm2，是第三大甘蔗種植國，僅次于巴西和印度[-2]，主要分布在廣西、云南、廣東、海南等省區(qū)。甘蔗葉是我國最大的熱區(qū)作物，在熱區(qū)經濟和農村社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。甘蔗葉是甘蔗產區(qū)的主要副產品，是中國熱帶地區(qū)大宗農業(yè)廢棄物，一般占甘蔗產量的12%～20%,按甘蔗產量75t/hm2計算,則甘蔗葉廢棄物最高年產可達2 700萬t[3-4]。

傳統(tǒng)的甘蔗收獲作業(yè)過程中，甘蔗葉通常被直接遺棄在田間，如不及時處理將會影響蔗田的后續(xù)機耕作業(yè)。長期以來，蔗農處理甘蔗葉的主要方式為就地焚燒，不僅會污染環(huán)境，也造成大量的甘蔗葉被浪費[5]。而甘蔗葉直接粉碎還田不但能減少大氣污染，還可以有效地改良土壤，培肥地力，保持土壤中水分、養(yǎng)分，提高土壤有機質含量及速效氮、磷、鉀含量。但在國內，針對甘蔗葉廢棄物還田技術的研究只有少數(shù)南方熱帶地區(qū)的科研院所和高校，如廣東省湛江農墾科學研究所的梁明等研制了一種帶彈齒撿拾器通過三角皮帶傳動帶動粉碎刀球軸轉動的甘蔗葉粉碎還田機，作業(yè)質量良好、覆蓋率高；但甘蔗葉的撿拾率較低，皮帶磨損嚴重[6]。中國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所的李明等研制的1GYF-120 型甘蔗葉粉碎還田機,撿拾率、粉碎率高[7]；但都是有著臥式粉碎機功耗大、轉速高和刀具易損壞等共性問題。

目前，已研制出的甘蔗葉粉碎機都是將甘蔗葉粉碎后直接拋撒在地表，然后再經過深耕翻埋于地中，加速腐爛分解，達到大面積培肥地力的目的[8-9]。隨著機械化秸稈還田技術的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了一種新型秸稈深埋還田技術，該技術是一種將全量秸稈安全還田和土壤局部輪換深耕有機結合起來的新型土壤耕作技術[10-11]?，F(xiàn)有研究結果表明：該技術能有效緩解少免耕條件下秸稈難還田的矛盾，在改善土壤特性、增加土壤耕層深度、降低農田碳排放、減輕秸稈焚燒帶來的環(huán)境問題及增加農民收入等方面具有正效益，具有推廣價值[12-15]。

結合甘蔗葉的特性，并綜合考慮粉碎效果、功率消耗及工作便利等問題，設計了一種甘蔗葉粉碎深埋還田機。根據保護性耕作技術要求，該機將甘蔗葉碎屑一部分覆蓋于地表，一部分深埋于土壤中，達到了調高土壤肥力、保持水土的保護性耕作目的。本研究重點對已設計開發(fā)的甘蔗葉粉碎深埋還田機的開溝裝置進行設計和分析，以提高機具工作性能，滿足甘蔗葉深埋的技術要求。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

甘蔗葉粉碎深埋還田機主要由變速箱、機架、引導裝置、刀架、粉碎刀和單邊平底開溝裝置構成，如圖1所示。該甘蔗葉粉碎深埋還田機通過標準后三點懸掛與拖拉機連接，配套動力為50kW馬力輪式拖拉機，適合我國甘蔗規(guī)?；l(fā)展生產的中型拖拉機配套的甘蔗葉粉碎深埋還田機。

1.機架 2.變速箱 3.粉碎刀 4.引導裝置 5.單邊平底開溝裝置

1.2 工作原理

拖拉機動力輸出軸通過傳動系統(tǒng)中萬向傳動軸將動力傳遞到變速箱后，由變速箱驅動刀架，帶動粉碎刀旋轉。作業(yè)過程中，甘蔗葉經粉碎刀甩起進行切割粉碎；同時懸掛與機架后方的單邊平底開溝裝置，在拖拉機的牽引下進行甘蔗地深松開溝；被粉碎的甘蔗葉根據空氣動力學原理，在刀架高速旋轉時產生氣流帶動甘蔗葉碎屑經過引導裝置拋送至單邊平底開溝裝置開好的溝槽內，然后回土覆蓋，完成粉碎深埋作業(yè)流程。

2 單邊平底開溝裝置的設計分析

2.1 設計原理

單邊平底開溝裝置是甘蔗葉粉碎深埋還田機的關鍵部件之一，功能是按照要求開出合適的溝槽，將粉碎的甘蔗葉進行深埋。種植兩年的甘蔗地，地表堅實，有大量的甘蔗葉覆蓋；因現(xiàn)有蔗區(qū)種植甘蔗的土質大多為磚紅壤，土層深厚、質地粘重，開溝裝置入土困難，阻力大，需要有良好的破壟入土能力。同時，甘蔗地地下甘蔗根須茂密，應有良好的切斷根須能力。此外，甘蔗地存在甘蔗葉、雜草等，為避免甘蔗葉等堵塞，開溝裝置結構設計應合理。

根據以上的開溝要求，設計了單邊平底開溝裝置，由深松犁頭、三角側翼及犁體曲面組成。深松犁頭有很好的入土性能，在開溝的同時對甘蔗地進行土壤深松，增加土壤蓄水保墑的能力。三角側翼有鋒利的刃口，可切開土垈及切斷甘蔗根須，降低阻力。扭柱型犁體曲面的設計，有較強的翻土和碎土能力，同時設計的犁體曲面還有一定的回土能力，能將甘蔗葉深埋在溝槽中。

2.2 整體結構

單邊平底開溝裝置的結構如圖2所示。自行設計的單邊平底開溝裝置的結構與鏵式犁犁體類似，由犁柱、犁體曲面、三角側翼及深松犁頭組成，通過螺栓固定連接在機架偏右側后方。

1.犁柱 2.犁體曲面 3.三角側翼 4.深松犁頭

2.3 深松犁頭

由于蔗區(qū)的種植土地多為磚紅壤，性狀黏重堅硬，故設計出的深松犁頭應具有較強的松碎土壤能力，同時還要具有足夠的強度、剛度和耐磨性能。深松犁頭選用的是常見的鑿形犁頭，通過螺栓與犁柱固定聯(lián)結。其優(yōu)點是，可在犁頭磨損壞后快速替換。

深松犁頭安裝角α的取值范圍為25°～30°，當α減小時，翻土能力加強；當α增大時，碎土能力加強。考慮到犁體曲面的翻土能力，取α為25°。

2.4 三角側翼

三角側翼是由厚度為10mm的錳鋼板或45鋼板經過調質處理加工而成。其輪廓被設計成三角型，一側焊接在犁柱上，靠近深松犁頭；另外兩側開刃口，刃口厚度僅為1mm，能夠有效的切割土壤，割斷甘蔗的根系，降低開溝阻力；同時，增加開溝的下底寬度，能夠很好地滿足甘蔗葉深埋的技術要求。三角側翼質量輕、制造方便、價格低廉，可以在磨損后直接更換。由于經常更換三角側翼，能夠保持翼口的鋒利度，有效減少了作業(yè)阻力，降低拖拉機油耗，綜合效益更高。

2.5 犁體曲面

犁體曲面參照鏵式犁的結構及工作原理設計而成。為保證順利實現(xiàn)甘蔗葉的粉碎深埋工序，要求開溝裝置在功能設計上不但能翻土，而且還要有一定的碎土功能，因此將犁體曲面設計成扭柱型。這種結構不但能開溝翻土，還能碎土，可有效地完成粉碎深埋工作。

1)甘蔗葉深埋的農業(yè)技術要求其開溝深度a為40cm，溝底寬度b為25cm；溝壁坡度角δ一般取40°～ 60°，角度過小則占地面積較大，角度大則溝壁容易坍塌。由于南方土壤比較黏重，δ可取較大值58°。

2)單邊平底開溝裝置的翼邊線、脛翼線及頂邊線位置如圖3所示。

圖3 單邊平底開溝裝置犁體曲面前視圖

(1)翼邊線EF:翼邊線末端E點略低于挖出土垡的高度，翼邊線EF的位置與挖起的土垡有一定重合，取重合度m=1cm，以保證在粉碎機作業(yè)時，有一定量土壤回落進開好的溝中，將拋送進的甘蔗葉覆蓋深埋。

(2)脛翼線BC：設計的開溝裝置的脛翼線BC所在的平面與水平面相互垂直，其高度HBC一般等于其深度，取值HBC=40cm。為避免犁體曲面刮擦溝壁，脛翼線BC偏離溝壁，取β為1°～2°。

3)元線角。元線角θ及其變化規(guī)律和開溝裝置的開溝性能緊密相關。元線角θ可由水平直元線高度確定，有

θ=f(Z)

其中，Z為各元線距犁體底面的縱坐標高度。θo～θmin間，元線角的變化采用直線；在θmin～θmax之間，元線角變化由y=x2/2p[16]確定，采用拋物線,結合田間試驗并考慮到開溝深度h=30cm，確定犁曲面的初始條件為：在高度z=0處，θo=40°；在高度z=8 cm處，θmin=38°；在高度z=47 cm處，θmax=48°，最終確定元線角θ及其變化規(guī)律如圖4所示。

θ.元線角(°);z.犁體高度(cm)

4)導曲線。犁體曲面上的導曲線是控制水平直元線的指導線，所設計犁體曲面的導曲線采用拋物線形狀。導曲線開度L越大則曲面越平緩；曲面越平緩，則阻力愈小，從而使犁體曲面的翻土能力增強。根據開出溝的溝底寬：25cm，確定出開度L的取值為18cm。導曲線的高度h應滿足Hmax>h>H，根據頂邊線的分析，取h為42 cm。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

田間試驗在廣東省雷州市龍門鎮(zhèn)金星農場進行。試驗田為種植宿根甘蔗2年后需重新耕種的土地，試驗時間為2016年3月20日。甘蔗收獲后1個月，天氣晴朗，試驗田土地平坦，為土層深厚的磚紅壤，土質黏重，土壤含水量16.86%。甘蔗種植行距110cm，甘蔗葉平長度120cm，甘蔗葉平均厚度16cm，甘蔗葉含水率18.7%。配套拖拉機為東方紅-LX804拖拉機，拖拉機行進速度0.6m/s。

3.2 試驗結果

甘蔗葉粉碎深埋還田機作業(yè)后，隨機抽取一個作業(yè)行程，每隔1m，共測量30個試驗數(shù)據。測量開出溝的上下底寬度、開溝深度、回土深度，如表1所示。田間試驗效果如圖5所示，測量結果如圖6所示。

表1 試驗數(shù)據

測得單邊平底開溝裝置的平均深度為40.41m，底部寬度24.73cm，上底寬50.98cm，回土深度為13.77cm，滿足甘蔗葉粉碎后深埋的技術要求；底部安裝的三角側翼能夠很好地加大開溝寬度，有效地切斷甘蔗的根須；甘蔗葉粉碎深埋機在試驗過程中沒有發(fā)生堵塞情況，通過性好；粉碎裝置能夠很好地將甘蔗葉進行粉碎，機器的結構設計合理，單邊平底裝置固定鏈接在機架的右側后方，通過時甘蔗葉粉碎較徹底。試驗結果表明：單邊平底開溝裝置開溝效果好，滿足南方甘蔗種植區(qū)的甘蔗葉粉碎深埋的開溝要求。

圖5 田間試驗效果圖

x.測量距離；y.測量的深度、寬度

4 結論

1)設計的甘蔗葉粉碎深埋還田機單邊平底開溝裝置安裝便于拆卸的深松犁頭，可在開溝的同時對甘蔗地進行深松，增加土壤蓄水保墑的能力。

2)針對甘蔗葉粉碎深埋設計的的扭柱型單邊平底開溝裝置有很好的翻土和碎土效果，也有一定的回土效果。

3)試驗結果證明：單邊平底開溝裝置開溝和回土效果好，滿足南方甘蔗種植區(qū)的甘蔗葉粉碎深埋的開溝要求，開溝深度、實際開溝寬度都能夠達到要求，溝槽內回土量能夠將粉碎的甘蔗葉覆蓋深埋。

4)本機器消耗動力較小，配套中型拖拉機使用，適應中型拖拉機發(fā)展迅速的勢頭。

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Design of Deep Buried Single Flat Ditching Equipments in Sugarcane Leaf Shattering and Returning Machine Design

Li Guanbao1,2，Liang Dong1，Li Ming2，Deng Yiguo2, Dong Xuehu2，Wei Lijiao2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China; 2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

According to the sugarcane leaf crushing and deep burying technology in the sugarcane production area in the south of China, a new type of crushing and grinding machine for sugarcane leaf was developed.This paper focuses on the design implement unilateral flat ditching device for Southern laterite requirements to determine the structural parameters of the ditching device; and by using the twisted column type of plow bottom surface design, turn the soil and soil crushing ability strong.Field experiment showed that the sugarcane leaf shattering deep returning machine through good; ditching, ditching device with an average depth of 39.95cm, width of the bottom of 25.03cm, width of the bottom 49.85cm back soil depth of 11cm, ditching good performance, reliable work, can meet the sugarcane leaves deep technical requirements.

ditching device；plough surface；crushing buried deep；sugarcane leaves

2016-05-28

國家公益性行業(yè)(農業(yè)) 科研專項( 201503136 )；科技部農業(yè)科技成果轉化項目(2014GB2E000040)；廣東省部產學研合作重大專項子項目 (2012A090300015)；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設專項子項目(2014B090907006)

李官保(1992-)，男，安徽樅陽人，碩士研究生，(E-mail)846940844@qq.com。

李 明( 1964-) ，男，廣東化州人，研究員，(E-mail)liming282@21cn.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)05-0095-05