王 超，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

?

預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

王 超，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

針對(duì)中國(guó)熱帶、亞熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)香蕉莖稈粗大、含水率高、富含植物纖維等特點(diǎn)，為解決香蕉莖稈粉碎過(guò)程中纖維纏繞嚴(yán)重、粉碎效果差的難題，設(shè)計(jì)了一種預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)，并確定了該機(jī)的主要部件結(jié)構(gòu)及總體方案。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎、工作可靠、效率高，能夠避免香蕉莖稈纖維對(duì)機(jī)具的纏繞，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，適宜香蕉主產(chǎn)區(qū)的香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)，有利于熱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

香蕉莖稈；粉碎；還田；預(yù)切

0 引言

香蕉是芭蕉科多年生大型單子葉草本植物，是全球重要的經(jīng)濟(jì)、糧食作物，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)定為發(fā)展中國(guó)家的第四大糧食作物[1]。香蕉種植是我國(guó)熱帶、亞熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)栽培面積最廣的產(chǎn)業(yè)之一，是熱區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱[2-3]。2015年，我國(guó)香蕉種植面積約為39.6萬(wàn)hm2，產(chǎn)量932.05萬(wàn)t[4-5]。若香蕉莖稈鮮重以94t/hm2計(jì)算，2015年我國(guó)香蕉莖稈生物總量高達(dá)3 700萬(wàn)t。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏高效的田間香蕉莖稈廢棄物處理機(jī)械，絕大多數(shù)香蕉種植區(qū)依然采用傳統(tǒng)的人工處理方法[6]，即將香蕉莖稈手工砍伐后搬運(yùn)至田間地頭任其自然腐爛或進(jìn)行就地焚燒處理，這種處理方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重[7-9]，而且易滋生細(xì)菌污染蕉園，影響香蕉種植。因此，如何高效處理香蕉莖稈廢棄物，實(shí)現(xiàn)香蕉莖稈的化害為利已成為蕉農(nóng)和社會(huì)關(guān)心的一大難點(diǎn)。

香蕉莖稈具有莖稈粗大、含水率高和富含植物纖維等特點(diǎn)，現(xiàn)有針對(duì)主要糧食作物(如玉米、小麥等)秸稈的粉碎還田機(jī)具不適宜香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)香蕉莖稈處理的研究較少。在印度、馬來(lái)西亞等國(guó)家，采用人工處理上部香蕉莖稈和挖莖機(jī)處理香蕉底部莖稈相結(jié)合的方法[10]。曹衛(wèi)東[11]等研制的1XHJ系列香蕉莖稈還田機(jī)，該機(jī)主要采用甩刀切碎原理，能夠?qū)崿F(xiàn)一定的香蕉莖稈切斷，但不能較好地切斷香蕉莖稈纖維，導(dǎo)致粉碎效果較差、功率消耗過(guò)高，目前仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段。

本文基于香蕉莖稈莖稈粗大、含水率高、富含纖維等特性，在分析現(xiàn)有香蕉莖稈粉碎還田機(jī)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)。該機(jī)采用預(yù)切裝置中預(yù)切刀預(yù)先切割分段和后粉碎裝置中粉碎刀再切削的組合粉碎方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉莖稈的粉碎，能夠有效減少香蕉莖稈纖維對(duì)機(jī)具的纏繞，從而高效、低能耗地完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)，防止廢棄的香蕉莖稈對(duì)環(huán)境的污染。

1 整體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)為三點(diǎn)懸掛式，整機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛裝置、預(yù)切裝置、后粉碎裝置和支撐裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

作業(yè)中，輪式拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置牽引預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)向前行駛，輪式拖拉機(jī)的動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力輸入軸輸入，經(jīng)齒輪箱變向后通過(guò)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別傳遞給預(yù)切裝置和后粉碎裝置，預(yù)切裝置通過(guò)預(yù)切刀輥回轉(zhuǎn)切割完成香蕉莖稈的預(yù)先切斷均勻成節(jié)；隨后后粉碎裝置對(duì)每節(jié)香蕉莖稈進(jìn)行再粉碎，完成香蕉莖稈的粉碎還田。預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)通過(guò)預(yù)先切斷均勻成節(jié)工序，減少了纖維纏繞現(xiàn)象，經(jīng)一次田間作業(yè)實(shí)現(xiàn)較好的香蕉莖稈粉碎，完成香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)。

1.動(dòng)力輸入軸 2.齒輪箱 3.機(jī)架 4.支撐裝置 5.預(yù)切裝置 6.后粉碎裝置 7.三點(diǎn)懸掛裝置圖1 預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pre-cutting type of banana stalk chopper

1.2 技術(shù)參數(shù)

預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 The main technical parameters of the pre-cutting type of banana stalk chopper

指標(biāo)單位參數(shù)外形尺寸mm2130×1820×1350配套動(dòng)力kW/h≥59.4機(jī)具工作幅寬mm1400預(yù)切軸轉(zhuǎn)速r/min1368后粉碎軸轉(zhuǎn)速r/min1857粉碎率(≤25mm)%89.6燃油消耗量kg/h3.7工作效率hm2/h0.43～0.49

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 預(yù)切裝置的設(shè)計(jì)

預(yù)切輥是預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的關(guān)鍵部件之一，作用是對(duì)喂入的香蕉莖稈均勻切割成小節(jié)，使得香蕉莖稈的纖維長(zhǎng)度變短，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減少纖維對(duì)機(jī)器的纏繞，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)切輥主要由預(yù)切軸、刀座和預(yù)切刀等零部件組成。兩把預(yù)切刀對(duì)稱(chēng)設(shè)置且分別與刀座構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，工作時(shí)預(yù)切刀隨預(yù)切軸順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，刀座通過(guò)限位板限制預(yù)切刀的最大擺動(dòng)幅度為30°。在工作中，擺動(dòng)幅度在預(yù)切刀觸碰到木樁、石塊等較為堅(jiān)硬土塊時(shí)，可為刀具提供緩沖區(qū)間，進(jìn)而降低堅(jiān)硬物體對(duì)刀具的損壞[12]。

根據(jù)機(jī)具性能和工作實(shí)際的需要，該機(jī)器的預(yù)切輥回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為360mm，預(yù)切軸直徑設(shè)計(jì)為60mm；預(yù)切刀刀長(zhǎng)設(shè)計(jì)為840mm，刀寬設(shè)計(jì)為45mm，刀厚度設(shè)計(jì)為12mm。設(shè)計(jì)中，預(yù)切輥轉(zhuǎn)速n1為

(1)

其中，n1為預(yù)切輥轉(zhuǎn)速(r/min)；v為預(yù)切輥線速度(m/s)；r為預(yù)切輥回轉(zhuǎn)半徑(mm)。根據(jù)實(shí)際工作需求，預(yù)切輥的線速度v=59.3m/s，結(jié)合回轉(zhuǎn)半徑r=360mm，計(jì)算可得預(yù)切輥轉(zhuǎn)速n1=1 573r/min。

1.刀座 2.預(yù)切軸 3.預(yù)切刀圖2 預(yù)切輥三維示意圖Fig.2 Schematic diagram of line-cutting roller

2.2 后粉碎裝置

后粉碎裝置的作用是將通過(guò)預(yù)切裝置切削成段的每小節(jié)香蕉莖稈打擊切碎成碎渣，進(jìn)而完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。其主要由后粉碎刀軸、粉碎刀座和粉碎刀組成，如圖3所示。

1.后粉碎刀軸 2.粉碎刀座 3.粉碎刀圖3 后粉碎刀輥三維示意圖Fig.3 Schematic diagram of crushing roller

兩排粉碎刀通過(guò)粉碎刀座等間隔交錯(cuò)固接在后粉碎刀軸上，且兩排粉碎刀座關(guān)于后粉碎刀軸徑向?qū)ΨQ(chēng)。其中，一排有12把粉碎刀，另一排有13把粉碎刀，后粉碎刀軸上共有25把粉碎刀。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，后粉碎刀棍的回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為390mm，后粉碎刀軸直徑設(shè)計(jì)為80mm，粉碎刀為直刀且厚度為9mm，粉碎刀長(zhǎng)度為300mm。

工作時(shí)，粉碎刀隨后粉碎刀軸逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，合理的后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速能夠保證合理的功率消耗和粉碎效果。若轉(zhuǎn)速過(guò)小，則香蕉莖稈粉碎后的碎渣粒度較大，導(dǎo)致粉碎還田質(zhì)量差；若轉(zhuǎn)速過(guò)大，機(jī)械能耗增多，影響經(jīng)濟(jì)效益[13]。此外，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)論，在后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速應(yīng)大于預(yù)切輥轉(zhuǎn)速的前提下，本設(shè)計(jì)取后粉碎刀輥轉(zhuǎn)速n2=1 965r/min。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪箱和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。

1.主動(dòng)帶輪Ⅱ 2.錐形齒輪Ⅲ 3.錐形齒輪Ⅰ 4.動(dòng)力輸入軸 5.錐形齒輪Ⅱ 6主動(dòng)帶輪Ⅰ 7.皮帶Ⅰ 8.從動(dòng)帶輪Ⅰ 9.預(yù)切軸 10.后粉碎軸 11.從動(dòng)帶輪Ⅱ 12.皮帶Ⅱ圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission system

輪式拖拉機(jī)的動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力輸入軸輸入，齒輪箱內(nèi)互相嚙合的錐形齒輪Ⅰ、錐形齒輪Ⅱ和錐形齒輪Ⅲ實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的變向轉(zhuǎn)換；然后分別通過(guò)由主動(dòng)帶輪Ⅰ、皮帶Ⅰ和從動(dòng)帶輪Ⅰ構(gòu)成的皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給預(yù)切軸，通過(guò)由主動(dòng)帶輪Ⅱ、皮帶Ⅱ和從動(dòng)帶輪Ⅱ構(gòu)成的皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給后粉碎軸，分別實(shí)現(xiàn)預(yù)切軸轉(zhuǎn)動(dòng)完成香蕉莖稈的切段和后粉碎軸的回轉(zhuǎn)，以及每段香蕉莖稈的粉碎。

傳動(dòng)比計(jì)算公式為

(2)

其中，i預(yù)為預(yù)切裝置傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比；i后為后粉碎裝置總傳動(dòng)比；n入為動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速(r/min)，其數(shù)值等于拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速；n1為預(yù)切輥轉(zhuǎn)速(r/min)；n2為后粉碎輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的后置動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值有540r/min和1 000r/min共兩種[14]。本次設(shè)計(jì)綜合考慮香蕉莖稈莖稈粗大等特性，以及粉碎還田作業(yè)需求和機(jī)械功率消耗等問(wèn)題，選取拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000r/min，故n入=1 000r/min。結(jié)合上文求得的n1=1 573r/min、n2=1 965r/min，帶入式(2)可得：預(yù)切裝置傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比i預(yù)=0.51，后粉碎裝置總傳動(dòng)比i后=0.64。

2.4 其它設(shè)計(jì)

本機(jī)的機(jī)架的中部構(gòu)型為一前一后兩個(gè)圓形回轉(zhuǎn)壁，如圖5所示。

1.圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅰ 2.圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅱ 3.尾部斜板圖5 機(jī)架示意圖Fig.5 Schematic diagram of frame

綜合考慮莖稈粉碎效果與防止刀輥卡死，預(yù)切輥的回轉(zhuǎn)柱面和與圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅰ間的間隙為60mm，后粉碎輥的回轉(zhuǎn)柱面與圓形回轉(zhuǎn)壁Ⅱ間的間隙為20mm。為避免后粉碎裝置甩出的香蕉莖稈碎渣四處飛散對(duì)工作人員造成傷害，以及使粉碎的香蕉莖稈碎渣均勻鋪放在田間地表，設(shè)計(jì)機(jī)架尾部的機(jī)架板向下傾斜，且尾部斜板傾斜角度(與水平面間所夾銳角)為60°。此外，為防止前后兩刀輥?zhàn)鳂I(yè)中發(fā)生干涉現(xiàn)象，預(yù)切輥與后粉碎輥的回轉(zhuǎn)柱面之間的間隙取值為100mm。

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在海南省儋州市寶島新村的香蕉田進(jìn)行。試驗(yàn)用拖拉機(jī)為東方紅-LX804 型，作業(yè)的速度為Ⅱ擋，香蕉樹(shù)品種為巴西蕉。試驗(yàn)的基本情況如表2所示。

表2 試驗(yàn)基本情況

香蕉莖稈粉碎還田試驗(yàn)后，在粉碎區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取6個(gè)面積為1m2的測(cè)量區(qū)，并從中隨機(jī)抽取一定量的香蕉莖稈碎渣，分別測(cè)量其長(zhǎng)度并取平均值，即測(cè)得香蕉莖稈的粉碎長(zhǎng)度。工作效率的測(cè)算公式為

(3)

其中，η為粉碎還田機(jī)的工作效率(%)；LA為粉碎還田機(jī)作業(yè)的幅寬(m)；LC為試驗(yàn)測(cè)定的初始點(diǎn)間的距離(m)；T為粉碎還田機(jī)在試驗(yàn)測(cè)定的初始點(diǎn)間的作業(yè)時(shí)間(s)。此外，粉碎還田機(jī)的可靠性測(cè)試及計(jì)算方式參照農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[15]進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 主要性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：在我國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)香蕉田進(jìn)行香蕉莖稈粉碎還田作業(yè)后，香蕉莖稈粉碎長(zhǎng)度平均為41.3mm，工作效率平均為0.423 hm2/h，可靠性平均為91.2%。以上結(jié)果表明：預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)粉碎效果良好，可滿足熱區(qū)香蕉莖稈粉碎還田農(nóng)藝需求。

4 結(jié)論

1)基于香蕉莖稈莖稈粗大、含水率高、富含纖維等特性設(shè)計(jì)了預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)，該機(jī)采用預(yù)切裝置預(yù)先切斷成節(jié)和后粉碎裝置切削粉碎，完成香蕉莖稈的粉碎還田作業(yè)。

2)預(yù)切組合式香蕉莖稈粉碎還田機(jī)性能測(cè)試結(jié)果表明：該機(jī)的香蕉莖稈粉碎長(zhǎng)度平均為41.3mm，工作效率平均為0.423 hm2/h，可靠性平均為91.2%，滿足香蕉莖稈粉碎還田農(nóng)藝需求。

3)該機(jī)的研制成功能夠降低香蕉莖稈纖維對(duì)粉碎還田機(jī)具的纏繞，并減輕土壤中石塊、木塊等對(duì)刀具的損傷，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，對(duì)促進(jìn)我國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

[1] 柯佑鵬，過(guò)建春，夏勇開(kāi),等.2013—2014年中國(guó)香蕉產(chǎn)銷(xiāo)形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(15)：184-188.

[2] 夏勇開(kāi).中國(guó)香蕉生產(chǎn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)研究[D].海南：海南大學(xué)，2011．

[3] P. Lava Kumar, R. Hanna, O.J. Alabi, et al. Banana bunchy top virus in sub-Saharan Africa: Investigations on virus distribution and diversity[J].Virus Research, 2011,38(4):171-182.

[4] 沈兆敏，李銀國(guó). 我國(guó)香蕉生產(chǎn)現(xiàn)狀及其持續(xù)發(fā)展對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,4(6):26-28．

[5] 張喜瑞，王俊霖， 李粵， 等. 香蕉秸稈顆粒燃料固體成型機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(11):22-26.

[6] 畢曉云. 香蕉纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究[D].青島：青島大學(xué)，2012.

[7] Yingqiang Wang, Min Zhang, Arun S Mujumdar. Influence of green banana flour substitution for cassava starch on the nutrition, color, texture and sensory quality in two types of snacks[J]. LWT-Food Science and Technology, 2012,47(1):175-182.

[8] 韓永俊，陳海濤，劉麗雪，等.水稻秸稈纖維制取工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(4):281-286.

[9] 張喜瑞，王俊霖，李粵，等.香蕉秸稈顆粒燃料固體成型機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(11)：22-26.

[10] Annadurai G, J uang R S, Lee D J.Adsorption of heavy metals from water using banana and orangepeels[J].Water Science and Technology, 2003,47(1):185．

[11] 曹衛(wèi)東，王斌斌，洪蘭華，等. 1XHJ系列香蕉假莖還田機(jī)的研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2007,14(3): 54-56．

[12] 張久雷，夏紅梅，鄭丁科，等. 香蕉假莖切塊還田機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與臺(tái)架試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010,32(5):162-165．

[13] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：373-389．

[14] 王丹玲， 陸玲. 動(dòng)力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的意義及其油門(mén)調(diào)節(jié)方法探討[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)， 1999(5):47-51.

[15] 沃爾科夫. 農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度和可靠性的計(jì)算及其理論基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社, 1983.Abstract ID:1003-188X(2017)06-0111-EA

Design of the Pre-cutting Combined Type of Banana Stalk Chopper

Wang Chao, Zhang Xirui, Li Yue, Liang Dong

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Considering the large stalk, high moisture content, rich in fiber and other characteristics of banana stalk in Chinese tropical agricultural areas, a pre-cutting combined type of banana stalk chopper was designed in order to solve the problem of the serious winding of banana stalk fiber and the poor crushing performance. The mechanism of the pre-cutting combined type of banana stalk chopper and the main structure parameters of the transmission system were studied in this project. With the advantages of simple-novel structure, reliable performance and high efficiency of the pre-cutting combined type of banana stalk chopper, it can reduce labor intensity, protect the environment effectively, and thus promote the development of the tropical agricultural.

banana stalk; chopper; returning; pre-cutting

2016-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565010)；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20163038)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503136-3)；?？趯?zhuān)利實(shí)施引導(dǎo)資助項(xiàng)目(?？乒ば胖a(chǎn)2015-03)

王 超(1991-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail) superwang_999@sina.com。

張喜瑞(1981-)，男，山東臨沂人，副教授，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士， (E-mail)zhangxirui_999@sina.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)06-0111-04