王 昕，金誠謙，徐金山，倪有亮

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

秸稈作為煤炭、石油、天然氣之后成為第四大能源物質(zhì)，其富含有機碳和氮磷鉀等礦物質(zhì)元素及大量微量元素和有機物，可有效增加土壤中有機質(zhì)含量，改善土壤肥力狀況，提高農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。目前，秸稈在我國的綜合利用率僅為70%，盡管我國農(nóng)業(yè)種植收獲機械化水平逐年提高，但秸稈還田方式仍較為簡單。以南方兩季作物產(chǎn)區(qū)為例，安徽省大部分地區(qū)采用將秸稈打捆集中用于火力發(fā)電的綜合利用形式。此方法存在較大安全隱患，易導致突發(fā)大面積火災，而且運輸成本高、資源利用率低，不利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。同時，由于我國地域廣泛，大部分地區(qū)所用稻麥聯(lián)合收割機多為橫軸流，此種機型為側邊排草，導致秸稈切碎只能通過獨立的秸稈還田機進行，提高了農(nóng)業(yè)種植成本，且工作效率較低。因此，研制與縱軸流聯(lián)合收割機配套的秸稈切碎拋撒裝置是我國轉變秸稈還田方式、提高秸稈綜合利用率的趨勢所在。

目前，我國廣泛使用的農(nóng)業(yè)收獲機械品牌主要有雷沃、谷王、沃德、科樂收及中國收獲等中小品牌聯(lián)合收獲機，也有部分國際農(nóng)機品牌，包括克拉斯、凱斯、約翰迪爾及久保田等。經(jīng)過文獻查閱和多次實地考察，調(diào)研了雷沃谷神系列聯(lián)合收獲機、久保田988聯(lián)合收獲機、克拉斯TUCANO570聯(lián)合收獲機、克拉斯470谷物聯(lián)合收獲機等，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)階段所使用聯(lián)合收獲機均采用撒布板對切碎的秸稈進行拋撒還田，撒布板葉片的數(shù)量為6～8片不等，部分小型聯(lián)合收獲機僅有4片拋撒板。對比國內(nèi)外聯(lián)合收獲機發(fā)現(xiàn)：在撒布板的調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)范圍的設計中仍存在較大改進空間，其調(diào)節(jié)方式單一、調(diào)節(jié)角度范圍較小，且當前對撒布板拋撒效果的試驗數(shù)據(jù)缺乏，缺少機構改進的依據(jù)。因此，本文就久保田988聯(lián)合收獲機撒布板機構進行了田間試驗，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)自行設計了一種手動、電動可調(diào)的撒布板調(diào)節(jié)機構，可增加撒布板葉片調(diào)節(jié)角度，有效提高秸稈還田利用率。

1 試驗樣機結構

本文樣機為久保田988縱軸流全喂入式聯(lián)合收獲機，其配備有秸稈切碎裝置，秸稈拋撒形式為撒布板拋撒，如圖1所示。

試驗樣機撒布板機構主要由安裝板和4片撒布板組成。撒布板每個葉片與安裝板間通過螺栓連接固定，弧形槽孔僅提供定位作用，撒布板葉片固定后不可滑動。因此，撒布板葉片角度需人工手動調(diào)節(jié)，且各葉片間不存在聯(lián)動關系，調(diào)節(jié)方式較為繁瑣，調(diào)節(jié)范圍較小。本文根據(jù)試驗樣機撒布板機構形式設計了田間試驗，對其角度調(diào)節(jié)關系和拋撒效果進行驗證，并以此作為結構優(yōu)化設計的依據(jù)。

圖1 樣機撒布板結構

2 樣機結構田間試驗分析

2.1 試驗材料

試驗地位于南京市白馬鎮(zhèn)種植水稻的一年一熟耕地，土層深厚，土壤有機質(zhì)含量高。試驗作物為粳稻品種，機收后留茬高度約為15～25cm。試驗樣機為久保田988聯(lián)合收獲機。

2.2 試驗方法

1)樣機撒布板機構由4片葉片組成，從左至由依次定義為撒布板A、撒布板B、撒布板C、撒布板D。其中，撒布板A為固定位置，不可調(diào)節(jié)，故依次將撒布板B、C、D弧形槽由下至上依次定義位置1、2、3。示意圖如圖2所示。

圖2 撒布板調(diào)整位置示意圖

2)撒布板B、C、D依次調(diào)節(jié)到位置1、2、3，分別記為B1、B2、B3，C1、C2、C3，D1、D2、D3，共計3×3×3=27組試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。以樣機割幅為寬度，以作業(yè)行程50m為長度進行收獲，即可獲得27行試驗數(shù)據(jù)。

表1 撒布板不同調(diào)節(jié)位置組合

續(xù)表1

3)參照孫麗娟、馮建提出的秸稈粉碎還田機秸稈拋撒不均勻度的測試方法，在每個試驗行按照樣機收獲方向，隨機選取3個試驗樣品點，且選取樣點時注意應在收獲機割臺前進10m后，以確保不會因前進速度和樣機內(nèi)部秸稈堆積對試驗結果產(chǎn)生影響。

4)在每個樣品點取樣方法為：樣機收獲后測量該樣品點最大拋撒幅寬L，將最大幅寬5等分，由下至上依次編號為1～5沿樣機收獲前進方向量取0.5m，則該區(qū)域為取樣范圍，如圖3所示。圖3中箭頭方向為樣機前進方向。

圖3 拋撒不均勻度樣品點取樣方法

5)試驗行每個樣品點分別取5袋樣機拋撒出的樣品，進行稱重，記為Mi。

6)每個樣品點秸稈拋撒不均勻度的計算公式為

(1)

(2)

式中n—測試小區(qū)數(shù)量，取n=5；

Mi—第i點秸稈質(zhì)量(g)；

F—該樣品點秸稈拋撒不均勻度(%)。

7)每組撒布板調(diào)節(jié)角度關系分別進行試驗方法1)～5)步驟，通過步驟6)計算公式處理后，將每個試驗行的3個樣品點秸稈拋撒不均勻度取平均值，即可得到相應撒布板角度關系下的秸稈拋撒不均勻度，記為F(B1-3，C1-3，D1-3)。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

將所取樣品依次稱重，并按照公式(1)、(2) 計算得出試驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 樣機試驗數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

續(xù)表2

2.4 數(shù)據(jù)分析與總結

由試驗樣品數(shù)據(jù)表，經(jīng)過計算分析，可得出如下結論：

1)試驗過程中，采樣順序與標號嚴格按照試驗方案1)～7)進行。由試驗數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn)：試驗行每個樣品點樣品質(zhì)量從1～5號順序遞減，且每個取樣點1號樣品質(zhì)量明顯高于2～5號。這是由于樣機為縱軸流聯(lián)合收獲機、脫粒滾筒旋轉方向為順時針、撒布板A位置固定(見圖2)造成的。因此，在后續(xù)撒布板結構設計研究中應充分考慮到縱軸流或橫軸流聯(lián)合收獲機對秸稈拋撒分布的影響。

2)對比試驗數(shù)據(jù)表中各調(diào)整位置組合下的拋撒不均勻度，可以發(fā)現(xiàn)：當撒布板B、C、D位置平行時，其拋撒不均勻度明顯低于其他位置組合，如表2所示。即位置為B1C1D1時，不均勻度約為0.549；位置為B2C2D2時，不均勻度約為0.475；位置為B3C3D3時，不均勻度約為0.414，且此時不均勻度為各位置組合中最小值。因此，在結構設計和田間作業(yè)過程中，應注意保持各撒布板位置相對平行，此時拋撒不均勻度較小，拋撒效果顯著提高。

表3 不均勻度較低時撒布板調(diào)節(jié)位置組合

3)由試驗數(shù)據(jù)表可以發(fā)現(xiàn)：當撒布板B、C、D位置分布散亂(即不存在兩兩平行關系)時，不均勻度較高，即拋撒效果較差。因此，在設計中應注意引入聯(lián)動調(diào)節(jié)機構，保持在不同開合角下各撒布板位置均可平行調(diào)節(jié)，以此提高調(diào)節(jié)精度和效率，保證秸稈還田拋撒效果。

3 結構優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化背景

調(diào)研結果和試驗數(shù)據(jù)分析表明:現(xiàn)有聯(lián)合收割機后的秸稈拋撒多采用一組起引導作用的撒布板,使之得以分散撒布。雖然現(xiàn)有撒布板的開合角度及導向角可以調(diào)節(jié)，但不能實現(xiàn)統(tǒng)一動作和及時響應，需要逐一松開螺釘后手工逐個調(diào)整，十分不便，嚴重影響聯(lián)合收割機作業(yè)效率，且可調(diào)范圍較小，調(diào)整位置隨意，不準確。針對現(xiàn)有技術存在的問題，設計了一種可以方便實現(xiàn)撒布板同步調(diào)節(jié)開合角的聯(lián)合收割機秸稈撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構，從而顯著改善撒布板的調(diào)整便捷性，為保證秸稈的還田利用及田間作業(yè)奠定良好的基礎。

3.2 秸稈撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構結構

將樣機原有拋撒結構尺寸進行擴大，左右分別設計4片撒布板，且兩側對稱，可使秸稈切碎后順利喂入拋撒裝置進行還田。

撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構包括上端分別鉸接在與機架固定連接在安裝板上且分別左傾和右傾的2組撒布板，左傾撒布板和右傾撒布板的中下部分別通過相應的鉸銷與左調(diào)整板和右調(diào)整板鉸接；鉸銷與安裝板上對應的開合引導槽構成移動副，左調(diào)整板的鉸接點之一和右調(diào)整板的鉸接點之一分別與左連桿和右連桿的一端鉸接；左、右連桿的另一端分別與調(diào)節(jié)手柄一端的鉸支中心兩側鉸接。

扳轉調(diào)節(jié)手柄，可以通過兩側的鉸接點驅使左、右連桿做平面運動，分別經(jīng)左調(diào)整板和右調(diào)整板帶動各撒布板的鉸接點在相應的開合引導槽內(nèi)移位，從而繞各自上端的鉸支點擺轉，實現(xiàn)所需的同步開合調(diào)節(jié)及方便快捷地秸稈均勻拋撒調(diào)控。

安裝板中部還具有分別與導向連接桿兩端形成移動副的左、右導向引導槽，導向引導桿的一端與調(diào)節(jié)手柄的鉸支中心一側鉸接；機架鉸裝電動推桿的固定端，電動推桿的伸出端通過杠桿與長桿的一端鉸接，長桿的另一端與調(diào)節(jié)手柄的鉸支中心鉸接。這樣，可以借助電動推桿通過杠桿及連桿機構驅使調(diào)節(jié)手柄的鉸支中心在導向引導槽的約束條件下左右移位，從而使左傾和右傾2組撒布板同時左擺或右擺，改變其初始的導向方向，達到同步調(diào)節(jié)導向角的目的。該機構撒布板導向角的調(diào)節(jié)與撒布板開合角的調(diào)節(jié)相復合，能夠實現(xiàn)更靈活多變的拋撒調(diào)整，更好地適應各種外界條件變化的不同作業(yè)狀況。

其中，圖4為剖視圖，圖5為調(diào)節(jié)機構結構示意圖。

圖4 剖視圖

1.安裝板 2.左傾撒布板 2.右傾撒布板 3.左側調(diào)整板 3′.右側調(diào)整板 4.左連桿 4′、6.右連桿 5.調(diào)節(jié)手柄 5L.左側鉸接點 5C.鉸支中心

3.3 秸稈撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構工作原理

該機構由4片左傾撒布板、4片右傾撒布板及水平雙調(diào)節(jié)機構組成，配套在聯(lián)合收割機上之后。工作時，順時間扳轉調(diào)節(jié)手柄可以通過兩側的鉸接點驅使左、右連桿做平面運動，分別經(jīng)左調(diào)整板和右調(diào)整板帶動左、右兩組撒布板的鉸接點在相應的開合引導槽內(nèi)移位，從而分別繞各自上端的鉸支點逆時針和順時針擺轉，實現(xiàn)圖6所示的同步縮合調(diào)節(jié)；順時間扳轉調(diào)節(jié)手柄的情形相反，可以實現(xiàn)左、右兩組撒布板的同步張開調(diào)節(jié)。操控電動推桿伸出并通過杠桿及連桿機構驅使調(diào)節(jié)手柄的鉸支中心在導向引導槽的約束條件下右移時，可以使左傾和右傾兩組撒布板如圖7所示同時右擺；操控電動推桿縮回并通過杠桿及連桿機構驅使調(diào)節(jié)手柄的鉸支中心在導向引導槽的約束條件下左移時，可以使左傾和右傾兩組撒布板同時左擺，從而按需改變其初始的導向方向，同步調(diào)節(jié)導向角，如圖8所示。

本文設計的水平雙調(diào)節(jié)機構將調(diào)節(jié)導向角的調(diào)節(jié)與開合角的調(diào)節(jié)有機結合，不僅調(diào)節(jié)快捷方便，且靈活多變，對外界工況的適應性顯著增強。

圖6 同步縮合調(diào)節(jié)示意圖

圖7 同時右擺示意圖

圖8 同時左擺示意圖

3.4 秸稈撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構試制與驗證

3.4.1 水平雙調(diào)節(jié)機構試制

試制過程中，該機構主體安裝部分考慮機構需要韌性和塑性較高，具有一定的伸長率，且在安裝過程中部分構件需要進行焊接，故需要良好的焊接性能和熱加工性，因此采用Q235A。其中，部分零部件(如鉸接部分長隔套與短隔套)根據(jù)設計要求需要在引導槽內(nèi)進行往復滑動，需要較高強度和切削加工性，因此采用45鋼。樣機試制現(xiàn)場及樣機局部實物圖如圖9所示。

樣機試制后進行調(diào)試過程中，調(diào)節(jié)手柄和電動推桿均可實現(xiàn)目標動作，撒布板葉片可同時開合并同時左右擺動，且中心線左右兩側撒布板在聯(lián)動調(diào)節(jié)時可始終保持平行位置，充分考慮到上述試驗的數(shù)據(jù)分析結果。這表明，該調(diào)節(jié)機構的機械部分設計合理可行，但其田間試驗特性有待進一步試驗驗證。

圖9 水平調(diào)節(jié)機構樣機試制現(xiàn)場

3.4.2 水平雙調(diào)節(jié)機構田間試驗驗證

1)試驗材料。試驗地位于南京市白馬鎮(zhèn)種植水稻的一年一熟耕地，土層深厚，土壤有機質(zhì)含量高。試驗作物為粳稻品種，機收后留茬高度約為15-25cm。試驗樣機為裝配有撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構的久保田988聯(lián)合收獲機。

2)試驗方法。由于設計的水平雙調(diào)節(jié)機構分為手動調(diào)節(jié)和電動推桿調(diào)節(jié)兩部分，因此在田間試驗中每部分選取3個位置進行試驗，共計3×3=9(行)，每行取3個樣品點，共計27個樣品點。其中，手動調(diào)節(jié)部分3個調(diào)節(jié)位置以導向引導槽螺栓位置確定，分別為：撒布板向兩側張開到最大角度(簡稱最大張角，螺栓位于引導槽右端)、撒布板向內(nèi)側合攏到最小角度(簡稱最小張角，螺栓位于引導槽左端)、撒布板處于最大張角和最小張角中點位置(簡稱中點張角，螺栓位于引導槽中點)；電動推桿部分3個調(diào)節(jié)位置以電動推桿拉線行程(約為50mm)確定，分別為：兩組撒布板同時左傾到最大(簡稱左傾位置，拉線行程為0)、兩側撒布板同時處于中間位置(簡稱推桿中間，拉線行程為25mm)、兩組撒布板同時右傾到最大(簡稱右傾位置，拉線行程為50mm)。綜上所述，試驗手動和電動調(diào)節(jié)位置組合如下表4所示。

表4 手動、電動調(diào)節(jié)位置組合

Table 4 Adjustment position combination of spreading plates with manual and electronic methods

最大張角,左傾位置最大張角,右傾位置最大張角,推桿中間最小張角,左傾位置最小張角,右傾位置最小張角,推桿中間中點張角,左傾位置中點張角,右傾位置中點張角,推桿中間

取樣及計算方法同本文2.2節(jié)3)～6)，試驗數(shù)據(jù)及計算結果如表5所示。

表5 手動、電動調(diào)節(jié)機構試驗數(shù)據(jù)表

3)數(shù)據(jù)分析與總結。

(1)經(jīng)過田間試驗及數(shù)據(jù)對比，兩側各4片撒布板的拋撒結構在田間作業(yè)過程中可有效提高秸稈拋撒幅寬，約為2 081mm；相較于原樣機共4片撒布板形式，拋撒幅寬提高15%，可更加有效地將秸稈拋撒，進行還田利用。

2) 由于拋撒不均勻度仍作為衡量拋撒機具功效的主要依據(jù)，對比設計機構與原機構田間試驗數(shù)據(jù)，設計調(diào)節(jié)機構存在聯(lián)動性，可在水平方向對撒布板拋撒位置進行調(diào)節(jié)過程中始終保持兩側撒布板處于相對平行位置，即驗證本文2.4節(jié)中的結論2)和3)。聯(lián)動機構條件下，機具作業(yè)拋撒不均勻度范圍為22%～69%，平均約為45%，相較于原機構降低了14%，很大程度提升了秸稈在拋撒過程中的還田利用率，更加有效地實現(xiàn)了資源可再生利用。

4 結論與建議

1)通過田間試驗，以久保田988機型為例，自行設計了一種可適用于多種機型聯(lián)合收獲機的秸稈撒布板水平雙調(diào)節(jié)機構，可同時對兩側撒布板進行調(diào)節(jié)，并使其始終保持相對平行位置。通過兩次田間試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了其有效性和可行性，解決了目前我國使用機型中存在拋撒幅寬窄、秸稈分布不均勻等問題，提高了田間作業(yè)效率，促進了秸稈還田技術的綜合應用。

2)文中樣機試驗和結構設計中均未對撒布板水平方向調(diào)節(jié)方式的研究與改進，然而在秸稈拋撒過程中，撒布板縱向高度的不同也會對秸稈拋撒均勻度產(chǎn)生影響因此。后續(xù)研究中應以撒布板下邊緣為參照點，引入撒布板相對田間地面高度作為影響因素。此外，我國疆域遼闊，各地區(qū)氣候差別較大，在特殊田間作業(yè)環(huán)境下風速較大，秸稈拋撒效果受其影響明顯。因此，建議在后續(xù)拋撒機構研究中將風速風向作為影響因素計入結構設計過程中，在作業(yè)時對其進行測量標定，得到相應風速風向下撒布板的調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)機構對環(huán)境影響因素的自適應調(diào)節(jié)。