張緒爭(zhēng) 魏清 何瑞銀

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈6 億～8 億t，其中稻麥秸稈約占43.71%[1,2]。如何科學(xué)有效地處理農(nóng)作物秸稈已逐漸成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的一個(gè)緊迫任務(wù)[3]。秸稈就地還田是最便捷、最廉價(jià)、最有效的秸稈利用途徑，因此在我國(guó)得到了大力推廣[4,5]。常規(guī)還田方式存在高產(chǎn)條件下難以全量還田且秸稈還田深度淺，導(dǎo)致后期播種質(zhì)量差、耕層土壤板結(jié)和病蟲害風(fēng)險(xiǎn)增加等問題[6]。王川等[7]研制了一種秸稈深埋保護(hù)性耕作復(fù)合作業(yè)機(jī)具，能將地表90%的秸稈深埋到地表10 cm 以下。鄭智旗等[8]研制的秸稈撿拾粉碎掩埋復(fù)式還田機(jī)能將20%～50%的秸稈掩埋到土層15 cm 以下。魏鳳蘭等[9]研制的氣吸式秸稈復(fù)合還田機(jī)能將地表粉碎秸稈吸入風(fēng)機(jī)，經(jīng)導(dǎo)料筒引至壟溝，存在秸稈量大時(shí)易堵塞等問題。王瑞麗等[10]研制了一種秸稈深埋還田開溝滅茬機(jī)，可實(shí)現(xiàn)開深溝、碎土、滅茬等多道工序。林靜等[11]研制了一臺(tái)1JHL-2 型秸稈深埋還田機(jī)，可完成秸稈粉碎、收集、開溝、深埋、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了一種能一次性完成水稻秸稈撿拾、秸稈入溝、覆土作業(yè)的秸稈集中溝埋還田一體機(jī)，為秸稈集中溝埋還田機(jī)械化技術(shù)與裝備的研發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 整體設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

秸稈集中溝埋還田主要有開溝、秸稈撿拾、秸稈入溝、覆土鎮(zhèn)壓四個(gè)步驟[12]。秸稈集中溝埋還田一體機(jī)設(shè)計(jì)方案主要包括：

1）采用深度可調(diào)的鏈?zhǔn)介_溝裝置開溝，將土壤拋向開溝裝置左側(cè)，形成寬20 cm、深30 cm的埋草溝[13]；

2）采用水平旋轉(zhuǎn)摟草裝置將右側(cè)地表水稻秸稈摟集至埋草溝上方，由壓草輪壓入溝內(nèi)；

3）采用螺旋絞龍覆土裝置將開溝作業(yè)拋出的土壤集中并覆土鎮(zhèn)壓。

整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。秸稈集中溝埋還田一體機(jī)的主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求見表1。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 秸稈集中溝埋還田一體機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

動(dòng)力來源于拖拉機(jī)后輸出軸。傳動(dòng)系統(tǒng)通過萬向節(jié)、減速器、中間軸、錐齒輪減速器、I 級(jí)帶輪減速器、Ⅱ級(jí)帶輪減速器將動(dòng)力傳遞給相應(yīng)的工作部件。傳動(dòng)路線主要分為三路。

第一路：中間軸→I 級(jí)帶輪減速器→覆土裝置傳動(dòng)系統(tǒng)；

第二路：中間軸→開溝鏈→開溝裝置；

第三路：中間軸→換向減速器→旋轉(zhuǎn)摟草裝置。

開溝主動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)軸向與拖拉機(jī)后輸出軸成90°角，因此開溝裝置減速箱采用一組標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)（改變動(dòng)力傳動(dòng)方向和傳動(dòng)比）。為使開溝鏈條線速度達(dá)到額定工作速度4.6 m/s，錐齒輪傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1.65，模數(shù)設(shè)計(jì)為7。摟草裝置減速箱采用錐齒輪傳動(dòng)，根據(jù)摟草裝置動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速要求（250 r/min），錐齒輪傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1.38，模數(shù)設(shè)計(jì)為4。覆土裝置中間軸距離過大，因此采用兩級(jí)V 帶傳動(dòng)，根據(jù)螺旋絞龍的轉(zhuǎn)速（≥190 r/min），傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1.2 和1.4，每級(jí)選用兩根B 型V 帶。

表1 秸稈集中溝埋還田一體機(jī)主要性能指標(biāo)

2 工作部件選型與試驗(yàn)

2.1 摟草裝置選型與試驗(yàn)

2.1.1 摟草裝置選型

摟草裝置起到將地表水稻秸稈摟集成草條送入埋草溝的作用。根據(jù)江淮地區(qū)收割機(jī)拋撒的秸稈形態(tài)以及田間秸稈量，查閱文獻(xiàn)[14,15]可知水平旋轉(zhuǎn)式摟草機(jī)具備漏摟率低、作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，本文選擇世達(dá)爾9LXD 水平旋轉(zhuǎn)式摟草機(jī)作為摟草部件。主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知影響水平摟草裝置工作效果的關(guān)鍵參數(shù)為彈齒轉(zhuǎn)速和彈齒離地間隙，下面對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定。

表2 世達(dá)爾9LXD 摟草機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

摟草機(jī)靠秸稈之間的相互牽連作用摟草。當(dāng)摟耙彈齒圓周線速度為6 m/s 時(shí)，秸稈之間的相互牽連作用力下降，摟草效果下降，一般正常范圍值為10～13 m/s。世達(dá)爾9LXD 摟草機(jī)的摟草臂長(zhǎng)度為1 m。按照公式（1）計(jì)算摟耙彈齒圓周角速度。

式中：W——摟耙彈齒圓周角速度，rad/s；

v——摟耙彈齒圓周線速度，m/s；

r——摟草臂長(zhǎng)度，m。

設(shè)v為10 m/s，已知r為1 m，計(jì)算得W為10 rad/s。

按公式（2）計(jì)算彈齒轉(zhuǎn)速。

式中：n——彈齒轉(zhuǎn)速，r/min。

已知W為 10 rad/s，計(jì)算得n為 95 r/min。

摟耙彈齒不接觸地面且離地高度低于留茬高度，一般在30～50 mm。離地間隙過低時(shí)，彈齒易戳入土中，損壞彈齒，增加撿拾功耗；離地間隙過高時(shí)，彈齒會(huì)出現(xiàn)摟不到秸稈的情況，造成漏摟率升高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文選擇離地間隙為40 mm。

2.1.2 摟草裝置性能試驗(yàn)

田間秸稈狀況見表3。田間水稻品種為南粳46，摟草裝置由東方紅ME350 拖拉機(jī)牽引工作，前進(jìn)速度為2.5 km/h，共進(jìn)行二個(gè)作業(yè)行程試驗(yàn)，每次行程不低于50 m，每個(gè)行程上隨機(jī)選取5 個(gè)點(diǎn)，測(cè)量并計(jì)算草條寬度平均值、單位面積平均漏摟秸稈質(zhì)量和漏摟率，結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：水平旋轉(zhuǎn)摟草裝置摟集的草條寬度平均值為18.2 cm，單位面積平均漏摟秸稈質(zhì)量為0.041 kg/m2，漏摟率為4.7%，漏摟率較低，能夠確保秸稈集中溝埋還田一體機(jī)有較高的秸稈入溝率。

表3 田間秸稈狀況

表4 摟草裝置試驗(yàn)結(jié)果

2.2 鏈?zhǔn)介_溝裝置選型與試驗(yàn)

2.2.1 鏈?zhǔn)介_溝裝置選型

鏈?zhǔn)介_溝裝置由山東高唐新航機(jī)械有限公司定制加工，由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)導(dǎo)輪、張緊鏈輪、開溝鏈、開溝刀片、支撐臂、螺旋排土器、刮土鏟等關(guān)鍵部件組成，如圖2 所示。主動(dòng)鏈輪安裝在中間軸上；從動(dòng)導(dǎo)輪、張緊鏈輪和螺旋排土器安裝在支撐臂上；支撐臂和刮土鏟固定在安裝架上，隨安裝架繞中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)。開溝裝置采用逆時(shí)針切削方式，輸入軸通過十字萬向節(jié)與拖拉機(jī)后輸出軸相連，配套輸入轉(zhuǎn)速為540 r/min，開溝鏈線速度設(shè)計(jì)為4.6 m/s。當(dāng)開溝深度為30 cm，開溝鏈與水平夾角約為45°。開溝深度通過液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。開溝裝置主要技術(shù)參數(shù)見表5。

圖2 開溝裝置三維圖

2.2.2 鏈?zhǔn)介_溝裝置性能試驗(yàn)

田間土壤狀況見表6。鏈?zhǔn)介_溝裝置由東方紅LX904 型拖拉機(jī)牽引，作業(yè)速度為2.5 km/h，進(jìn)行2 個(gè)作業(yè)行程試驗(yàn)，每次行程不低于50 m，在每個(gè)作業(yè)行程上隨機(jī)選取5 個(gè)點(diǎn)，測(cè)量并計(jì)算開溝深度、溝面寬度、溝底寬度以及左右兩側(cè)拋土帶寬度，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

試驗(yàn)結(jié)果表明：鏈?zhǔn)介_溝裝置可開出矩形埋草溝，溝面寬度和溝底寬度平均值分別為20.4 cm和20.2 cm，左右兩側(cè)拋土帶寬度分別為58.2 cm 和51.4 cm，溝深平均值為30.3 cm，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為87%，溝型尺寸滿足秸稈集中溝埋還田的農(nóng)藝要求，開溝深度穩(wěn)定。

表5 開溝裝置主要技術(shù)參數(shù)

2.3 覆土裝置的設(shè)計(jì)

螺旋絞龍覆土裝置是將2 段旋向相反的等長(zhǎng)葉片對(duì)稱焊接在旋轉(zhuǎn)軸上，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)[16,17]為螺旋葉片直徑（D2）、螺距（S）、螺旋升角（α)以及輸送長(zhǎng)度（L）。

作業(yè)時(shí)，螺旋絞龍推送土壤的過程等效為開式雙螺旋輸送機(jī)向中間輸送物料的過程。

式中：M1——螺旋輸送機(jī)單位時(shí)間的輸送量，kg；

F——所送物料的橫截面積，m2；

VZ——土壤軸向移動(dòng)速度，m/s；

ρ——土壤堆積密度，t/m3；

D2——螺旋葉片直徑，m；

表6 田間土壤狀況

表7 開溝裝置試驗(yàn)結(jié)果

γ——填充系數(shù)；

S——螺距，m；

n——旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，r/min。

螺旋絞龍覆土過程中，實(shí)際推送的土壤質(zhì)量等于開溝裝置單位時(shí)間拋出的土壤質(zhì)量，即單位時(shí)間開溝裝置的生產(chǎn)率。

式中：M2——實(shí)際推送的土壤質(zhì)量，kg；

Q——開溝裝置理論生產(chǎn)率，m3/s。

理想狀態(tài)下，開溝裝置拋出的土壤全部被推送到埋草溝內(nèi)，則輸送量需滿足M1≥M2，代入式（3）和（4）得：

螺旋絞龍的最大螺距Smax需滿足

式中：D1——旋轉(zhuǎn)軸的直徑，m；

β——摩擦角，°；

f——螺旋絞龍與土壤的摩擦系數(shù)。

取D1=0.18D2，根據(jù)摩擦系數(shù)與摩擦角的關(guān)系β=arctanf，得：

根據(jù)JB/T 7679－2008《螺旋輸送機(jī)》計(jì)算方法，取填充系數(shù)γ=0.33，將式（7）帶入式（5），計(jì)算得螺旋葉片直徑為0.39 m，螺距為0.24 m。

田間試驗(yàn)測(cè)得開溝裝置左右拋土帶寬度分別為0.58 m 和0.51 m，輸送長(zhǎng)度取0.6 m，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出絞龍關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，見表8。

3 整機(jī)田間試驗(yàn)

對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)后，將各部件進(jìn)行加工制造和裝配，整機(jī)實(shí)物圖見圖3。

為了驗(yàn)證秸稈集中溝埋還田一體機(jī)的作業(yè)性能，設(shè)計(jì)了田間性能驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)安排在南京市高淳區(qū)水稻收獲后的田塊上。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地前茬作物品種為南粳46，由久保田PRO688Q 全喂入履帶收割機(jī)完成收割作業(yè)。田間作物及土壤狀況見表9、表10。試驗(yàn)用拖拉機(jī)為90 馬力久保田輪式拖拉機(jī)，作業(yè)速度為2.5 km/h，試驗(yàn)總面積約為0.8 hm2。

表8 螺旋絞龍關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖3 秸稈集中溝埋還田一體機(jī)實(shí)物圖

3.2 測(cè)定方法

根據(jù)文獻(xiàn)[18,19]中的試驗(yàn)方法對(duì)秸稈集中溝埋還田一體機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。圖4 為田間試驗(yàn)圖。評(píng)價(jià)指標(biāo)有開溝尺寸、秸稈入溝率、覆土厚度和作業(yè)效率。

試驗(yàn)時(shí)，沿機(jī)器作業(yè)方向，隨機(jī)選取三個(gè)作業(yè)長(zhǎng)度不低于50 m 的作業(yè)行程，每個(gè)行程等間距取5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。挖出溝型截面，測(cè)量最上層秸稈的中點(diǎn)到原地表的距離作為覆土厚度，然后清除溝底回土和秸稈及溝邊碎土，用直尺測(cè)定溝深及溝的上、下口寬，每個(gè)行程內(nèi)等距離測(cè)量對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溝形截面尺寸。收集5 m 內(nèi)埋入溝中的秸稈和溝外的秸稈進(jìn)行稱重，按埋入溝中的秸稈和5 m 測(cè)量區(qū)內(nèi)秸稈總質(zhì)量的比值計(jì)算秸稈入溝率。

表9 田間作物狀況

表10 田間土壤狀況

圖4 秸稈集中溝埋還田一體機(jī)田間試驗(yàn)

式中：S——秸稈入溝率，%；

m1——溝內(nèi)秸稈質(zhì)量，kg；

m——測(cè)定區(qū)秸稈總質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果見表11。試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈集中溝埋還田一體機(jī)的作業(yè)效果能滿足秸稈集中溝埋還田農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1）將鏈?zhǔn)介_溝裝置、水平旋轉(zhuǎn)摟草裝置和螺旋絞龍覆土裝置等關(guān)鍵部件集成優(yōu)化配套，研發(fā)了秸稈集中溝埋還田一體機(jī)。該機(jī)可一次完成開溝、摟草入溝、覆土作業(yè)。

2）通過合理布置整機(jī)方案和設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，保證了各工作部件動(dòng)力匹配、速度同步、動(dòng)作協(xié)調(diào)，可基本實(shí)現(xiàn)秸稈集中溝埋還田機(jī)械化作業(yè)。

表11 秸稈集中溝埋還田一體機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

3）試驗(yàn)結(jié)果表明：秸稈集中溝埋還田一體機(jī)的工作幅寬為2 m，作業(yè)效率為0.43 hm2/h，平均開溝深度為29.95 cm，溝面寬為21.2 cm，溝底寬為20.45 cm，秸稈入溝率為86.3%，平均覆土厚度為15.5 cm，作業(yè)效果滿足秸稈集中溝埋還田技術(shù)的農(nóng)藝要求。