王自強(qiáng)，李 粵，張喜瑞，梁 棟，汝紹鋒，魏思林

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)2014年香蕉產(chǎn)量已達(dá)到1 179.19 萬(wàn)t，假設(shè)香蕉莖葉廢棄物質(zhì)量與香蕉產(chǎn)出質(zhì)量比值為2.4，則香蕉莖葉廢棄物年產(chǎn)量可達(dá)2 830萬(wàn)t[1-4]。

在香蕉產(chǎn)地香蕉收獲后，絕大多數(shù)的香蕉假莖依然沿用了人工的方法處理，不但浪費(fèi)耕地資源，影響蕉園品種的更新，而且還可能導(dǎo)致堆放香蕉假莖的空地變成香蕉病蟲害的繁殖場(chǎng)和傳播源，嚴(yán)重影響香蕉產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展[5-6]。另外，香蕉假莖中富含氮、磷、鉀等有機(jī)物，若直接將其整株進(jìn)行機(jī)械化粉碎還田，不但可以大大減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善蕉園土壤結(jié)構(gòu)，保持保水、透氣、保溫等理化性狀[7-8]。粉碎后的香蕉莖葉碎片覆蓋地面，可減少土壤水分的蒸發(fā)，緩沖雨水對(duì)土壤的侵蝕，增強(qiáng)土壤的蓄水能力[9-11]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)香蕉種植地的保護(hù)性耕作。

現(xiàn)有國(guó)外大型農(nóng)機(jī)公司的秸稈粉碎還田機(jī)普遍存在配套動(dòng)力和工作幅寬較大的問題，而且主要針對(duì)玉米稈、水稻、麥稈及棉稈等作物秸稈粉碎，對(duì)植蕉地區(qū)適應(yīng)性差，不能直接用于香蕉假莖粉碎。目前，我國(guó)對(duì)于香蕉假莖粉碎還田機(jī)的研究尚處于研究的起步階段。朱德榮等[12]設(shè)計(jì)了一種能一次性將香蕉的假莖、葉、根茬同時(shí)粉碎還田的還田機(jī)具，減少了拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)，降低了作業(yè)成本，但存在粉碎刀易磨損、機(jī)器振動(dòng)過大等問題，需進(jìn)一步優(yōu)化。李粵、甘聲豹等[13]研制的喂入式立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，一次田間作業(yè)可完成香蕉假莖鏟斷、喂入、粉碎和拋灑還田的連續(xù)作業(yè)。田間試驗(yàn)表明：其粉碎率達(dá)到了94.9%，但由于其對(duì)香蕉假莖的粉碎方式為徑向切割，粉碎過程中甩刀對(duì)假莖有一個(gè)很大的橫向擺力，從而對(duì)還田機(jī)喂入輥的夾持有很高的要求；另外，在壓輥擠壓輸送香蕉假莖的過程中壓輥輥齒易產(chǎn)生纏繞。張喜瑞、甘聲豹[14]等研制的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機(jī)能完成香蕉假莖螺旋喂入、臥式粉碎和拋灑還田。試驗(yàn)表明：該樣機(jī)作業(yè)過程中運(yùn)行比較平穩(wěn)，粉碎性能良好，香蕉假莖粉碎合格率高達(dá)96.6%，粉碎后香蕉假莖平均長(zhǎng)度為57mm，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；但存在螺旋刀片易產(chǎn)生形變影響喂入效果、錘爪式粉碎刀易磨損、更換成本高及臥式還田機(jī)易纏繞等問題，需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

針對(duì)以上問題，結(jié)合香蕉假莖粗大、脆性大等特性，設(shè)計(jì)了一種能對(duì)收獲后的香蕉假莖整株進(jìn)行直接還田的溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)，理論計(jì)算了其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際田間試驗(yàn)。該機(jī)器的研制成功對(duì)促進(jìn)香蕉假莖還田的綜合利用和香蕉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義，并具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)主要由喂入裝置、秸稈粉碎裝置、鎮(zhèn)壓裝置、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)及機(jī)殼等部分組成，如圖1所示。

1.喂入裝置 2.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.秸稈粉碎裝置 4.鎮(zhèn)壓裝置 5.滾壓輥 6.機(jī)殼 7.定刀 8.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu) 9.變速箱 10.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

整機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)連接于拖拉機(jī)后下方，田間作業(yè)時(shí)可通過調(diào)節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)的高度來(lái)適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境[15]。被拖拉機(jī)前倒伏裝置推倒的香蕉假莖整株先后經(jīng)過喂入、粉碎和滾壓等裝置進(jìn)行處理，喂入裝置和粉碎裝置位于機(jī)殼內(nèi)，滾壓裝置連接在機(jī)殼后方，定刀安裝在喂入輥后上方機(jī)殼上。

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

還田機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力一部分經(jīng)由變速箱上的一傳動(dòng)軸及喂入裝置的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳到溝齒式喂入輥，驅(qū)動(dòng)喂入輥完成香蕉假莖的軸向喂入；另一部分經(jīng)變速箱上的另一傳動(dòng)軸及粉碎裝置的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給粉碎裝置，帶動(dòng)粉碎裝置的刀輥高速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的甩刀對(duì)喂入輥平穩(wěn)喂入的香蕉假莖進(jìn)行粉碎并拋撒在地上，鎮(zhèn)壓裝置對(duì)香蕉假莖碎塊進(jìn)行滾壓。樣機(jī)主要性能參數(shù)和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂入裝置

喂入裝置是將被拖拉機(jī)前倒伏裝置推倒的香蕉假莖進(jìn)行強(qiáng)行喂入，并送入到粉碎裝置的裝置[16]，主要由溝齒式喂入輥、調(diào)心滾子軸承及帶輪等部件組成，如圖2所示。

喂入裝置主要技術(shù)參數(shù)有：溝齒式喂入輥長(zhǎng)度L和直徑D；溝齒式喂入輥轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)向與拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪方向相同。

1. 溝齒式喂入輥 2. 調(diào)心滾子軸承

2.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

喂入裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：溝齒式喂入輥長(zhǎng)度L和直徑D、溝齒式喂入輥軸線與地面之間的距離h。

L越長(zhǎng)，對(duì)香蕉假莖抓取幅度越寬，同時(shí)也會(huì)增加整機(jī)的尺寸和功耗。綜合考慮到香蕉植株的行距和橫向生長(zhǎng)幅寬，本設(shè)計(jì)選取溝齒形喂入輥長(zhǎng)度L=1 600mm。

喂入輥外徑D越大，對(duì)香蕉假莖的抓取能力越強(qiáng)，同樣會(huì)增加功率的消耗。若D過小，雖然可以大大降低功率消耗，但由于對(duì)香蕉假莖的抓取面積過小，無(wú)法平穩(wěn)地喂入香蕉假莖，起不到喂入的作用。

外徑D可根據(jù)公式(1)計(jì)算進(jìn)行選取[13]，即

(1)

其中，Dmin為喂入輥?zhàn)钚⊥鈴?mm)；Q為壓延比，取Q=0.6；Φ為喂入前香蕉秸稈截面直徑，取Φ=250～350mm；θ為香蕉假莖對(duì)溝齒式喂入輥的摩擦角，取θ=40°～50°。

將上述選擇數(shù)據(jù)代入式(1)，得到Dmin為127～253mm；而外徑D取在100～250mm范圍內(nèi)比較合適[13]，因此本設(shè)計(jì)取D=250mm。

要保證喂入輥能夠有效喂入香蕉假莖，喂入輥軸線到地面的距離不能大于最小的香蕉假莖直徑與喂入輥半徑之和，故本設(shè)計(jì)取h=300mm。

2.1.2 溝齒式喂入輥的轉(zhuǎn)速n1

喂入輥的轉(zhuǎn)速直接決定著香蕉假莖的進(jìn)給速度，間接影響還田機(jī)后續(xù)的粉碎效果，是粉碎還田機(jī)重要的工作參數(shù)之一。在香蕉假莖在與喂入輥接觸之前，香蕉假莖相對(duì)機(jī)器的速度與相對(duì)于拖拉機(jī)前進(jìn)速度在數(shù)值上相等的。香蕉假莖在與喂入輥接觸之后，溝齒輥刃口將對(duì)香蕉假莖進(jìn)行切削、打擊。此時(shí)，若溝齒輥的轉(zhuǎn)速過大，溝齒輥刃口在一定時(shí)間內(nèi)切削香蕉假莖的次數(shù)就越多，切塊就越小，但在向后切削力作用下，假莖喂入速度加快，導(dǎo)致功率消耗過大，反過來(lái)又會(huì)影響粉碎效果；若轉(zhuǎn)速過小，假莖喂入速度小于機(jī)器前進(jìn)速度，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器將假莖向前推行，在喂入口出現(xiàn)堵塞，不僅達(dá)不到喂入效果，還會(huì)增大功率的消耗。因此，只有溝齒輥外緣刃口最下端的線速度等于拖拉機(jī)的前行速度時(shí)，香蕉假莖才能夠被穩(wěn)定地喂入，且在喂入效果和功率消耗上也能達(dá)到一個(gè)較優(yōu)的平衡。因此，取溝齒式喂入輥外緣刃口最下端的線速度與拖拉機(jī)行進(jìn)速度相同，即取值0.7～1.0m/s。溝齒式喂入輥轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

(2)

其中，n1為溝齒式喂入輥滾動(dòng)轉(zhuǎn)速(r/min)；v1為溝齒式喂入輥外緣刃口轉(zhuǎn)動(dòng)線速度(m/s)。

代入前面已知數(shù)據(jù)得：n1=53.50～76.43r/min。為保證進(jìn)料速度大于拖拉機(jī)行進(jìn)速度，綜合考慮功率和作業(yè)要求，取滿足條件的最大轉(zhuǎn)速n1=76.5r/min。

2.2 粉碎裝置

秸稈粉碎裝置是香蕉假莖粉碎還田機(jī)中的關(guān)鍵部件，主要包括兩根粉碎刀軸、粉碎刀座、粉碎刀及螺栓。粉碎刀座徑向等角度排列在粉碎刀輥上，主動(dòng)軸軸向每排等距離配置6對(duì)，從動(dòng)軸軸向每排等距離配置7對(duì)。兩根粉碎刀輥在空間上呈階梯式布置，軸測(cè)圖如圖3所示。

粉碎裝置的主、從動(dòng)輥采用雙輥異向轉(zhuǎn)動(dòng)形式和階梯式結(jié)構(gòu)布局，既可以有效保證粉碎效果又能實(shí)現(xiàn)地面還田物的均勻覆蓋等作業(yè)。裝置中，采用粉碎刀輥主動(dòng)軸反轉(zhuǎn)、從動(dòng)刀輥正轉(zhuǎn)的組合形式，不僅可以提高粉碎率，還可以使碎塊均勻地拋撒在地上。

1.齒輪箱 2.傳動(dòng)軸 3.調(diào)心滾子軸承 4.V帶傳動(dòng)系統(tǒng) 5.粉碎主動(dòng)刀輥 6.粉碎從動(dòng)刀輥

2.3 鎮(zhèn)壓裝置

鎮(zhèn)壓裝置安裝在還田機(jī)后方，主要功能是將粉碎的香蕉假莖碎塊壓實(shí)，同時(shí)還具有支承和行進(jìn)的作用。該裝置主要包括鎮(zhèn)壓輥、套筒及連接耳板，如圖4所示。滾壓軸通過軸承與套筒連接，套筒能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩邊的連接耳板與機(jī)殼用螺釘固定，鎮(zhèn)壓輥的高度通過兩側(cè)的連接耳板調(diào)節(jié)。在機(jī)殼上有不同高度的連接孔，連接耳板可通過連接不同的連接孔來(lái)改變滾壓裝置的高度。

鎮(zhèn)壓輥工作長(zhǎng)度為1 600 mm，材料采用 Q235 鋼。為保證滾壓強(qiáng)度而又減輕滾壓裝置質(zhì)量，套筒選用直徑300mm、壁厚為10mm的鋼管。

1. 滾動(dòng)軸 2.套筒 3.連接耳板

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)包括滾動(dòng)喂入裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和秸稈粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)。其中，滾動(dòng)喂入裝置傳動(dòng)系統(tǒng)原理如下：工作時(shí)，動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，先經(jīng)圓錐齒輪減速，再由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(減速)傳遞給喂入裝置將動(dòng)力傳遞喂入輥。秸稈粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪箱和V帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，通過大小圓錐齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)增速，由V帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(加速)傳遞給粉碎裝置的主動(dòng)軸，再通過齒輪傳動(dòng)傳遞給從動(dòng)軸。整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Transmission schematic of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2017 年 9 月 16 日，在海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地香蕉收獲后的香蕉地進(jìn)行了粉碎還田機(jī)的性能試驗(yàn)。田間香蕉假莖的平均高度為 1 500mm，香蕉樹行距為 2m，香蕉樹株距約為1.5m，香蕉品種為海南當(dāng)?shù)胤N植較多的“廣東1號(hào)”品種，配套動(dòng)力為雷沃歐豹M804拖拉機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在秸稈粉碎作業(yè)完成后各測(cè)試5次，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定該試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)為香蕉假莖覆蓋率及香蕉假莖粉碎合格率。

3.2.1 工作效率

選取還田機(jī)有效作業(yè)直線段大于50 m的行程測(cè)量，用秒表測(cè)定機(jī)器走過指定測(cè)量點(diǎn)間所用的時(shí)間t0；然后，用皮尺沿著拖拉機(jī)行進(jìn)方向測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離H0，用式(3)計(jì)算粉碎機(jī)在田間正常工作時(shí)的工作效率Q。試驗(yàn)測(cè)取5組數(shù)據(jù)，進(jìn)而求平均值。

(3)

其中，Q為工作效率(hm2/h)；H0為測(cè)量點(diǎn)之間的距離(m)；t0為秸稈粉碎還田機(jī)在指定測(cè)量點(diǎn)間的工作時(shí)間(s)；B為粉碎機(jī)的作業(yè)幅寬(m)。

3.2.2 香蕉假莖粉碎合格率

每個(gè)行程在粉碎區(qū)長(zhǎng)度方向上等距離測(cè)定5點(diǎn)，每點(diǎn)隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)量區(qū)(長(zhǎng)1m×寬1m)，從每個(gè)測(cè)量區(qū)中撿拾所有的假莖粉碎物用天平稱重，記為m1；從假莖粉碎物選出長(zhǎng)度大于100mm的假莖粉碎物稱重，記為m2；利用公式(4)計(jì)算出每個(gè)測(cè)量區(qū)的香蕉秸稈粉碎合格率ρ，最后求得5個(gè)測(cè)量區(qū)合格率的平均值。

(4)

其中，ρ為測(cè)量區(qū)內(nèi)香蕉秸稈粉碎合格率(%)；m1為區(qū)域內(nèi)所有香蕉假莖的質(zhì)量(kg)；m2為粉碎后假莖長(zhǎng)度大于100mm(不合格)的粉碎物質(zhì)量(kg)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)作業(yè)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 2 The results of the main performance tests

試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)田間作業(yè)工作效率的平均值為0.43 hm2/h。試驗(yàn)中測(cè)得香蕉秸稈粉碎合格率平均值為96.98%，已達(dá)到秸稈粉碎還田的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了溝齒式香蕉假莖粉碎還田機(jī)，通過理論計(jì)算和對(duì)香蕉秸稈力學(xué)特性的研究分析，進(jìn)而對(duì)整機(jī)喂入裝置、粉碎裝置及鎮(zhèn)壓裝置等主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定；分析了粉碎裝置主要結(jié)構(gòu)、工作原理，并確定了粉碎刀輥主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、兩刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2)采用空間階梯式布局的雙粉碎刀輥并行配置作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)前置粉碎刀輥在粉碎香蕉假莖，后置粉碎刀輥粉碎剩余部分假莖的同時(shí)對(duì)香蕉假莖碎片進(jìn)行再次粉碎及假莖碎片的簡(jiǎn)單埋覆。

3)兩粉碎輥異向轉(zhuǎn)動(dòng)且其上的粉碎刀采用交錯(cuò)布置，可以有效減少刀軸的纏繞并使粉碎更完全，粉碎從動(dòng)軸的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還可防止香蕉假莖碎片飛濺。