摘要：針對目前香蕉秸稈粉碎效果不佳、能耗高、粉碎后秸稈腐化速度慢及腐熟程度低等問題，設(shè)計(jì)一款具有腐熟劑噴施裝置的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)。設(shè)計(jì)了直式異形甩刀，刀輥的排列方式為對稱單螺旋排列，粉碎刀軸轉(zhuǎn)速范圍為1 500～1 860 r·min-1，噴施裝置選用容積為180 L的藥箱和噴射角為90°的扇形噴頭，單噴頭流量為0.8 L·min-1，4個(gè)噴頭分別間隔370 mm固定于藥桿。以機(jī)器前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速為自變量，以秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度為應(yīng)變量進(jìn)行二因素三水平的田間試驗(yàn)和進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器前進(jìn)速度為1.4 m·s-1，刀輥轉(zhuǎn)速為1 860 r·min-1，此時(shí)香蕉秸稈粉碎合格率為93.08%，拋撒不均勻度為12.11%。實(shí)現(xiàn)了香蕉秸稈粉碎與腐熟的聯(lián)合作業(yè)，相較于前代機(jī)具，不僅提升了秸稈的粉碎效果，還促進(jìn)了秸稈有機(jī)質(zhì)的分解，為后續(xù)香蕉秸稈腐熟還田機(jī)的研究提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；香蕉秸稈；秸稈粉碎；秸稈腐熟；田間試驗(yàn)；異形甩刀

doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0150

中圖分類號：S224.29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）09‐0093‐12

香蕉種植遍布亞洲、美洲、非洲、大洋洲和歐洲等地[1]。我國是全球第二大香蕉生產(chǎn)和消費(fèi)國，主要種植在廣東、廣西、海南、云南和福建等地區(qū)，此外，重慶、四川、貴州等地也有少量種植[2]。根據(jù)聯(lián)合國糧食組織數(shù)據(jù)，2022年我國香蕉產(chǎn)量達(dá)1 177 萬t，預(yù)計(jì)超過2 500 萬t 的秸稈留在田間[3]。傳統(tǒng)的香蕉秸稈處理方法包括自然腐爛和焚燒，但這些方法增加了勞動(dòng)成本，引發(fā)環(huán)境污染，導(dǎo)致富含氮、磷、鉀、鎂、鈣等有機(jī)元素的大量損失。目前，我國的香蕉秸稈處理方式主要有3種：粉碎還田后轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料、提取纖維用作工業(yè)原料和回收處理后作為動(dòng)物青飼料[4]。

秸稈粉碎還田作為應(yīng)用廣泛且高效、綠色的方法，通過將粉碎后的秸稈拋撒在田間提高土壤肥力，減少化肥施用，防止水分流失等[5]。隨著農(nóng)機(jī)裝備研究的深入，我國香蕉秸稈還田機(jī)械在適應(yīng)性、操作性和作業(yè)質(zhì)量等方面成果顯著，研發(fā)的立式和臥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)都具有較高實(shí)用性[6]。吳學(xué)尚等[7]設(shè)計(jì)的甩刀立式香蕉秸稈粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，滿足還田要求。李志強(qiáng)等[8]設(shè)計(jì)的縱向雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)創(chuàng)新地排列刀軸，提升了秸稈粉碎率，減少了纏繞問題。但由于香蕉莖稈粗壯、纖維含量豐富，不僅加大了粉碎的難度，也使得切碎后秸稈碎渣難以在短時(shí)間分解轉(zhuǎn)化，且相對較高的含水率也會(huì)降低秸稈在土壤中的降解和轉(zhuǎn)化速度[9]。腐熟劑中含有大量的有機(jī)物質(zhì)和微生物，可以提供更多的降解菌種和酶，添加腐熟劑可以加速秸稈的分解過程，從而提升粉碎后秸稈的還田效果和改善土壤質(zhì)量。

盡管香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的研究已經(jīng)趨于成熟，但是針對香蕉秸稈獨(dú)特的生物特性[10]，為促進(jìn)秸稈降解、提高作業(yè)效率和保證更佳的粉碎效果和還田效果，有必要設(shè)計(jì)一種具有腐熟劑噴施裝置的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，本研究將粉碎與腐熟2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)整合在1臺(tái)機(jī)器上，在粉碎過程中添加腐熟藥劑，不僅加快粉碎后秸稈碎渣的腐熟效果和速率，還可以提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，利于作物生長，一次完成粉碎與腐熟的復(fù)合作業(yè)。

1 材料與方法

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)主要組成部件包括機(jī)殼、三點(diǎn)懸掛裝置、傳動(dòng)裝置、粉碎裝置、噴施裝置、限深輪和鎮(zhèn)壓輥等，如圖1所示。其中，傳動(dòng)裝置包括變速箱、主鏈輪、從鏈輪和鏈條；粉碎裝置包括刀輥、直式異形甩刀、刀座和焊接在機(jī)殼上的定刀；噴施裝置包括藥箱、吸藥泵、藥桿、噴頭和連接藥桿與噴頭的橡膠軟管。

1.1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置牽引機(jī)具前進(jìn)，且將動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸傳遞至變速箱，再由鏈輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力輸送至粉碎裝置。高速旋轉(zhuǎn)的甩刀切削和撕裂作業(yè)區(qū)地面上的香蕉秸稈，同時(shí)帶動(dòng)秸稈碎塊高速旋轉(zhuǎn)，隨后機(jī)殼上方的定刀與甩刀相互配合將秸稈切碎，切碎后的秸稈碎塊由粉碎作業(yè)區(qū)的擋板引導(dǎo)散落在地面上。機(jī)器持續(xù)行進(jìn)，秸稈碎塊進(jìn)入腐熟劑噴施區(qū)域，吸藥泵抽取藥箱內(nèi)已經(jīng)混合好的藥液，通過橡膠軟管輸送至藥桿，再由噴頭均勻噴灑于秸稈碎塊上，其中噴頭噴灑的角度可通過機(jī)殼兩側(cè)弧形槽口進(jìn)行調(diào)整。腐熟劑噴施完成后，機(jī)殼后端的擋板將土壤表面的秸稈碎塊刮平，最后由鎮(zhèn)壓輥壓實(shí)土壤。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 香蕉秸稈剪切力學(xué)試驗(yàn)

利用Instron3369型萬能試驗(yàn)機(jī)，將5組在秸稈相似位置且長度為150 mm、直徑約125 mm的香蕉秸稈以支撐剪切的方式對其進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)過程中對秸稈施加的載荷的變化過程，試驗(yàn)機(jī)加載速度設(shè)置為50 mm·min-1，加載深度為110 mm，刀具向下移動(dòng)并向秸稈施加載荷。測量并記錄試驗(yàn)臺(tái)配套軟件中的載荷與位移量，取5次測量的平均結(jié)果，將其導(dǎo)入Origin 2021中生成剪切力-位移曲線。

1.3 重要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎裝置是整個(gè)機(jī)器的關(guān)鍵部分，其直接影響著機(jī)器工作效能、整機(jī)功耗、機(jī)身平衡性以及秸稈的粉碎效率和拋撒均勻度等[11]。本研究采用臥式刀軸設(shè)計(jì)，并對核心部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.3.1 粉碎刀片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選用直式異形甩刀，對普通直刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加刀尖處的寬度和質(zhì)量，并在刀尖背部添加一對對稱的扇型結(jié)構(gòu)。扇葉主要由基準(zhǔn)面和迎風(fēng)面組成，扇葉的迎風(fēng)面與粉碎刀片面垂直。刀片的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.2 粉碎刀片的受力分析

以刀片為研究對象、以刀輥軸心為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

忽略刀寬和銷軸對刀片摩擦力的影響，銷軸中心到甩刀尖的距離及偏轉(zhuǎn)甩刀重心到原狀態(tài)甩刀重心的距離計(jì)算如下。

h = L cos θ （1）

h1 = L1 sin θ （2）

R2／h1 = R3／L2（3）

式中，h 為銷軸中心到甩刀尖的距離，m； h1為偏轉(zhuǎn)甩刀重心到原狀態(tài)甩刀重心的距離，m；θ為偏轉(zhuǎn)角，（°）；L 為直式異形甩刀長度，m；L1 為偏轉(zhuǎn)甩刀質(zhì)心到銷軸中心的距離，m；L2 為偏轉(zhuǎn)甩刀質(zhì)心到銷軸中心的偏移距離，m；R2 為偏轉(zhuǎn)甩刀質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)半徑，m；R3 為銷軸中心到刀輥中心的距離，m。

作用于刀片上相對于銷軸中心的力矩平衡方程如下。

FT L cos θ = mL1 sin θ （g + ω2 R3 ） （4）

tan θ = FT L／mL1（ω2R3 + g）（5）

式中，ω 為刀輥角速度， rad·s-1；m 為甩刀質(zhì)量，kg。

1.3.3 優(yōu)化后異形甩刀的靜力學(xué)分析

對刀片進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析可為刀片在實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)生的受力情況提供理論基礎(chǔ)[14]。建立有限元模型，將在Solidworks軟件中建立的粉碎刀片三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

粉碎刀片是通過銷軸鉸接在刀座之上，因此，在粉碎刀片的連接孔處設(shè)置為Fixed Support。還田機(jī)進(jìn)行粉碎作業(yè)時(shí)，粉碎刀片的轉(zhuǎn)速一般在1 500～1 900 r·min-1[12]，因此，將粉碎刀片的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 700 r·min-1。通過前期對香蕉秸稈進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，香蕉秸稈被切斷大約需要2 500 N的力[13]。因此，對粉碎刀垂直于的刀刃處施加大小為2 500 N，并均勻分布在刀刃上。

1.3.4 刀輥的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

進(jìn)行秸稈粉碎作業(yè)時(shí)，粉碎甩刀的轉(zhuǎn)速對秸稈的粉碎效果有重要影響，其絕對轉(zhuǎn)速取決于機(jī)器的前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速[14]，因此刀輥轉(zhuǎn)速是確保刀片有效切割和順利拋撒還田的關(guān)鍵參數(shù)。若刀輥轉(zhuǎn)速過慢，刀片受到的向心力下降，將可能達(dá)不到切斷秸稈所需力的要求；反之，若刀輥轉(zhuǎn)速過快，切割效果可能更好，然而刀片的快速旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致秸稈被一次性切斷，撿拾效果不佳，無法滿足撿拾后的二次粉碎要求[15]。

為了保證秸稈的粉碎質(zhì)量，選擇合理的刀輥轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。分析了刀片在作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)檎较?，以粉碎刀輥軸心為坐標(biāo)系原點(diǎn)、以粉碎刀片刀尖位置作為觀察點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡形成周期性螺旋曲線，如圖5所示，軌跡方程如式（6）所示。

式中，X 和Y 為粉碎刀尖觀測點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中橫、縱坐標(biāo)的瞬時(shí)位置；v 為機(jī)器前進(jìn)的度，m·s-1；t 為作業(yè)時(shí)間，s；R 為刀輥軸心到刀尖觀測點(diǎn)的距離，m；ω 為刀輥旋轉(zhuǎn)角速度， rad·s-1。

對軌跡方程式（6）中的時(shí)間t 進(jìn)行求導(dǎo)，可得刀尖在X 方向和Y 方向的分速度。

式中，vx 和vy 分別為粉碎刀尖在X 方向和Y 方向的分速度，m·s-1。

由粉碎刀尖處的分速度，經(jīng)速度合成可得刀尖處瞬時(shí)絕對速度（vc）。

由式（8）可知，影響刀尖處絕對速度的因素為機(jī)器的前進(jìn)速度、刀尖與刀輥軸心處的距離和刀輥角速度，當(dāng)?shù)都廪D(zhuǎn)動(dòng)到水平且與機(jī)器前進(jìn)速度相同時(shí)，刀尖處的絕對速度最大。

vcmax = v + vc （9）

vr = 60vcmax ／2πR （10）

式中，vcmax 為刀尖處瞬時(shí)絕對速度最大值，m·s-1；vr 為刀輥轉(zhuǎn)速， r·min-1；v 為機(jī)器前進(jìn)速度，m·s-1；R 為刀尖觀測點(diǎn)到刀輥軸心出的距離，m。

1.4 粉碎刀片在刀輥上的排布

根據(jù)秸稈粉碎還田機(jī)械刀片的排列要求[16‐17]，必需遵循以下2個(gè)原則：粉碎刀在刀輥上的排列要滿足徑向受力和軸向受力的平衡，以滿足刀輥的動(dòng)平衡要求；相鄰2個(gè)刀座在刀輥上的徑向夾角必需大于等于60°?？紤]到香蕉秸稈的特性，如果相鄰的2個(gè)刀座之間的距離過小，雖然刀片排列較密，可以提高秸稈的撿拾效果，但會(huì)導(dǎo)致刀片纏繞嚴(yán)重，同時(shí)機(jī)器的負(fù)荷也會(huì)超過承受能力。如果距離過大，粉碎時(shí)會(huì)漏撿過多，無法達(dá)到預(yù)期的粉碎效果。綜上所述，本研究設(shè)計(jì)相鄰2個(gè)刀座之間的軸向距離為90 mm，徑向夾角為60°，采用對稱螺旋線排列方式，具體的刀片分布情況如圖6所示。

1.5 噴施裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.5.1 噴頭選型設(shè)計(jì)

噴頭作為腐熟劑噴施裝置的終端部件，對粉碎后秸稈的腐熟質(zhì)量有重要影響。按照粉碎后噴施腐熟劑的順序，將藥桿設(shè)定在粉碎刀輥之后600 mm處，固定于機(jī)殼上方內(nèi)測的弧形槽中，便于根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求調(diào)整藥桿的角度。本研究選用孔徑為0.91 mm，噴射角度為90°的扇形噴頭。

Q = MvB／600n （11）

式中，Q 為噴頭噴量， L·min-1；M 為用藥量，L·hm-2；v 為機(jī)器前進(jìn)速度，km·h-1；B 為作業(yè)幅寬，m；n 為噴頭數(shù)。

對于本研究所選用的噴頭，忽略液體在噴頭中流動(dòng)的位能和能量的損耗，則藥劑噴出時(shí)的初速度和噴頭噴出液體的體積計(jì)算如下。

A = πr孔2 （12）

V液= ∫πr孔2 v水dt （13）

式中，A 為截面面積， mm-1；r孔為噴頭孔徑，mm；V液為噴出液體體積， mm3；v水為液體噴出速度，m·s-1。

為合理設(shè)置各噴頭之間的距離，綜合藥桿在機(jī)具的安裝位置、噴頭噴施速度和噴灑角度等因素[18]，噴頭安裝如圖7所示。

1.5.2 藥箱設(shè)計(jì)

考慮到整機(jī)質(zhì)量和空間位置，本研究設(shè)計(jì)一種異形藥箱，該藥箱既便于固定在機(jī)具上，又能滿足施用要求。藥箱外形為圓柱形設(shè)計(jì)，頂部設(shè)有1個(gè)藥液加注口和1個(gè)排氣孔，側(cè)壁設(shè)計(jì)分隔板，底部設(shè)計(jì)凹陷的沉水槽，這樣設(shè)計(jì)即使在劇烈震動(dòng)和晃動(dòng)的作業(yè)環(huán)境下也能減少藥液在藥箱中波動(dòng)并且在藥液量較少時(shí)將藥液清空，保證了機(jī)器運(yùn)行的平穩(wěn)性。其腐熟裝置如圖8所示。

當(dāng)藥箱裝滿腐熟藥劑時(shí)的作業(yè)面積計(jì)算公式如下。

S = 180 × 25vB／Q （14）

式中，S 為作業(yè)面積，m2。

1.6 田間試驗(yàn)

1.6.1 試驗(yàn)條件

遵循《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》（GB/T 24675.6—2021）的規(guī)定[19]，針對香蕉秸稈粉碎及噴施還田機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證機(jī)具的作業(yè)性能和粉碎后秸稈腐化效果。試驗(yàn)地點(diǎn)位于海南省儋州市海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院智能農(nóng)機(jī)裝備研究所的農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地。香蕉植株的高度約為2 100～2 800 mm，平均直徑約為50～80 mm，平均含水率為33.8%，地塊內(nèi)種植情況良好，地形相對平坦，滿足試驗(yàn)需求。

試驗(yàn)所用牽引動(dòng)力源為型號是M804-A的雷沃歐豹拖拉機(jī)，為更準(zhǔn)確地判定機(jī)具的作業(yè)效果，標(biāo)定功率為59.0 kW。

1.6.2 試驗(yàn)指標(biāo)

為更準(zhǔn)確地判定機(jī)具的作業(yè)效果，選取香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度作為試驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》[20]的要求，香蕉秸稈粉碎還田的長度大于10 cm即為粉碎不合格。

香蕉秸稈粉碎合格率的測定：每個(gè)行程在測區(qū)長度方向上等間距測定3點(diǎn)，共6點(diǎn)，每點(diǎn)隨機(jī)選擇1 m×1 m區(qū)域進(jìn)行測定，將區(qū)域內(nèi)所有粉碎的香蕉秸稈收集并稱重；記錄所收集秸稈粉碎不合格的秸稈重量，計(jì)算每個(gè)測定區(qū)域的香蕉秸稈粉碎合格率對6個(gè)測定區(qū)域的香蕉秸稈粉碎合格率，取平均值即為最后的結(jié)果。

Rq = （m1 - m2／m1 ）× 100% （15）

式中，m1 為測定區(qū)域內(nèi)粉碎香蕉秸稈的總質(zhì)量，kg；m2 為測定區(qū)域內(nèi)粉碎不合格香蕉秸稈的質(zhì)量，kg；Rq為測定區(qū)域內(nèi)的香蕉秸稈粉碎合格率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），％。

利用秸稈拋撒不均勻度與秸稈粉碎合格率對田試驗(yàn)效果進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式如下。

式中，Mi為第i個(gè)測定區(qū)域內(nèi)香蕉秸稈的質(zhì)量，kg；-M為測定區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)香蕉秸稈的平均質(zhì)量，kg；Fb為香蕉秸稈的拋撒不均勻度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），％。

1.6.3 試驗(yàn)方案

拖拉機(jī)的行駛速度影響著機(jī)具內(nèi)香蕉秸稈的喂入量，同時(shí)香蕉莖稈的殘茬也會(huì)對拖拉機(jī)的行駛產(chǎn)生一定的阻礙。在實(shí)際作業(yè)中，拖拉機(jī)的行駛速度一般為0.8～2.0 m·s-1[21]，本研究選取1.1、1.4和1.7 m·s-1 的機(jī)器前進(jìn)速度進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)合前文參數(shù)分析，粉碎刀輥的最佳轉(zhuǎn)速為1 833 r·min-1，若粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速過快將容易導(dǎo)致粉碎室內(nèi)氣流速度增大，從而將未完全粉碎的香蕉秸稈帶出，降低粉碎合格率，若刀輥轉(zhuǎn)速過慢，將不粉碎刀軸轉(zhuǎn)速能達(dá)到切斷秸稈的力學(xué)要求，因此，本研究選取粉碎刀軸轉(zhuǎn)速1 500、1 680、1 860 r·min-1 進(jìn)行試驗(yàn)。為確定機(jī)器的最優(yōu)工作參數(shù)，選取機(jī)器前進(jìn)速度、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，香蕉秸稈粉碎合格率和拋撒不均勻度為試驗(yàn)指標(biāo)，開展二因素三水平田間試驗(yàn)。

1.7 對比試驗(yàn)

在田間試驗(yàn)之前，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)比較3種腐熟劑種類，不同施藥量對秸稈腐熟影響大小，選取最佳腐熟劑施用方案。

為了驗(yàn)證經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的具有腐熟劑噴施裝置的秸稈粉碎還田機(jī)在粉碎還田后的秸稈腐熟效果，將其與傳統(tǒng)的臥式秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉秸稈剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖9可知，在剪切試驗(yàn)過程中，隨著刀具的向下移動(dòng)，秸稈所受剪切力整體呈上升趨勢，但是在載荷加載中段，發(fā)生小幅波動(dòng)，最后急速下降。這是因?yàn)殡S著刀具向秸稈內(nèi)部切入，刀具與秸稈纖維組織摩擦力增大，隨之剪切力也增大，刀具切入，破壞了秸稈葉鞘組織結(jié)構(gòu)，因此剪切力發(fā)生波動(dòng)，達(dá)到中心髓部位置時(shí)，剪切力進(jìn)一步增大，髓部產(chǎn)生裂痕，秸稈抗剪能力下降，摩擦力降低，剪切力曲線呈急速下降趨勢。

2.2 粉碎裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)確定

2.2.1 粉碎刀片參數(shù)確定

刀片包括刀柄、刀身、刀刃和銷軸連接孔，綜合考慮粉碎刀片與粉碎刀盤的安裝尺寸，避免粉碎刀片出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象，本研究設(shè)計(jì)刀片主要參數(shù)為：刀片厚度10 mm、刀柄寬度40 mm、刀柄長度20 mm、刀刃長度150 mm 以及刀片的回轉(zhuǎn)半徑250 mm。

2.2.2 粉碎刀棍轉(zhuǎn)速確定

考慮到整機(jī)重量和刀輥的抗變形與抗震動(dòng)要求，采用空心軸設(shè)計(jì)的刀輥，材料選用20CrMnTi[22]。刀輥壁厚為15mm，外徑尺寸為85 mm，刀尖到刀輥軸心的距離為250 mm。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證和相關(guān)資料[23]得知機(jī)器的前進(jìn)速度為1.1～1.7 m·s-1。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，粉碎刀片刀尖的線速度最小為34 m·s-1，而當(dāng)?shù)都獾木€速度達(dá)到48 m·s-1 時(shí)，粉碎效果最佳且功耗最低[16]，因此，選擇刀尖的線速度為48 m·s-1。通過計(jì)算，得到刀輥的轉(zhuǎn)速1 833 r·min-1，本次試驗(yàn)刀輥轉(zhuǎn)速范圍選取1 500～1 860 r·min-1。

2.3 粉碎刀片受力分析

由式（5）可知，刀片長度、刀片質(zhì)量和刀輥的角速度都會(huì)影響機(jī)器作業(yè)時(shí)甩刀的偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角越大，秸稈的撿拾效果和粉碎效果越差。因此，將刀片的形狀創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加刀尖部分的寬度和扇型結(jié)構(gòu)，在保證刀片整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，增加了刀片質(zhì)量，減小了偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)而有效提升了撿拾和粉碎效果。

為保證秸稈粉碎質(zhì)量，需合理選擇上述參數(shù)。綜合考慮機(jī)身尺寸、整機(jī)平穩(wěn)性、機(jī)器能耗和粉碎效果后，確定刀片長度為0.17 m，刀片質(zhì)量為1.25 kg，刀輥角速度為157～200 rad·s-1。

2.4 粉碎刀片靜力學(xué)分析結(jié)果

通過Static Structural 求解得到粉碎刀片的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖10 所示。可以看出，粉碎刀片受力后的最大變形量為0.195 07 mm，最大變形位置發(fā)生在刀尖位置，結(jié)合刀片工作實(shí)況，該變形不影響粉碎刀片對香蕉秸稈的粉碎效果，在可接受范圍內(nèi)。粉碎刀片的等效應(yīng)力最大為247.77 MPa，所受應(yīng)力最大區(qū)域在刀具銷軸孔處，此時(shí)應(yīng)力小于65 Mn鋼的屈服強(qiáng)度[σ]=270 MPa，粉碎刀刃處的應(yīng)力集中較小，小于許用應(yīng)力，刀片滿足強(qiáng)度條件，材料安全可用，刀片的設(shè)計(jì)滿足作業(yè)要求。

2.5 噴施裝置參數(shù)確定

2.5.1 噴頭參數(shù)確定

綜合考慮作業(yè)環(huán)境、噴頭覆蓋率和噴灑均勻性3 方面的因素，確定機(jī)具橫向布置噴頭數(shù)為4，機(jī)器前進(jìn)速度為3.96～6.12 km·h-1[24]，作業(yè)幅寬為1.5 m，用藥量為250 L·hm-2，將上述數(shù)值代入式（11）得單個(gè)噴頭流量為0.62～0.96 L·min-1。取單個(gè)噴頭流量為0.8 L·min-1，r孔為0.91 mm，計(jì)算得出液體噴出的初速度為20.51 m·s-1。

假設(shè)在工作幅寬為1 500 mm、噴頭與秸稈的垂直距離為195 mm時(shí)，噴頭與藥桿兩端的距離為195 mm，各噴頭間距370 mm，噴施重疊寬度為20 mm，藥劑噴施均勻，符合工作要求。

2.5.2 藥箱參數(shù)確定

藥箱具體的尺寸參數(shù)為：藥箱外徑400 mm，長度1 500 mm，總液體容積約180 L，當(dāng)取單個(gè)噴頭流量為0.8 L·min-1，4個(gè)噴頭工作，機(jī)具前進(jìn)速度為1.4 km·h-1，工作幅寬為1.5 m，通過計(jì)算得出為8 438 m2，可以達(dá)到生產(chǎn)率要求。

2.6 田間試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

田間試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2 所示，為探究各個(gè)試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響，應(yīng)用Minitab19 軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表2和表3可知，機(jī)器前進(jìn)速度對香蕉秸稈粉碎合格率具有顯著影響。粉碎刀輥轉(zhuǎn)速B 對香蕉秸稈粉碎合格率具有極顯著影響，對拋撒不均勻度Fb具有顯著影響。

當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度一定時(shí)，香蕉秸稈粉碎合格率與粉碎刀輥轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，隨著粉碎刀輥轉(zhuǎn)速的增大，粉碎刀片對秸稈的剪切力也隨之增大，加速了秸稈的粉碎。若轉(zhuǎn)速過快，容易加劇機(jī)架的振動(dòng)和機(jī)器的能耗，影響機(jī)器的使用壽命和粉碎效果；當(dāng)轉(zhuǎn)速過慢時(shí)，無法對香蕉秸稈造成有效的粉碎，秸稈纖維極易纏繞粉碎刀片，從而造成粉碎裝置失效，影響機(jī)器的正常作業(yè)。當(dāng)粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為1 860 r·min-1 時(shí)，香蕉秸稈粉碎合格率最高且拋撒不均勻度Fb最小。因此，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速B選取1 860 r·min-1。

根據(jù)表2和表3，綜合考慮香蕉秸稈的粉碎效果、機(jī)器功耗等因素，本研究選取香蕉秸稈粉碎還田機(jī)優(yōu)化工作參數(shù)組合為：機(jī)器前進(jìn)速度1.4 m·s-1、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速1 860 r·min-1（A2B3）。為檢驗(yàn)優(yōu)化組合的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，此時(shí)香蕉秸稈粉碎合格率為93.08％ ，拋撒不均勻度為12.11％，滿足香蕉秸稈粉碎質(zhì)量的要求。

2.7 對比試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)選用益富源公司的秸稈腐熟液，按照預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)配腐熟劑藥液，并設(shè)定機(jī)器的行進(jìn)速度均為1.4 m·s-1，刀輥轉(zhuǎn)速均為1 860 r·min-1。在海南大學(xué)儋州農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，之后每隔6 d記錄機(jī)器還田后秸稈的顏色變化、軟化情況和質(zhì)量變化，試驗(yàn)結(jié)果如表4～5和圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，香蕉秸稈粉碎過程中施用一定量的腐熟劑對粉碎后的秸稈的腐化率產(chǎn)生顯著影響。秸稈粉碎還田后顏色和硬度都發(fā)生變化，但是，在粉碎過程中施用腐熟劑會(huì)加快秸稈顏色和硬度的轉(zhuǎn)變。直接粉碎的秸稈在第66天開始變黑和腐爛，而施用腐熟劑的秸稈會(huì)在第54天開始變黑并完全腐爛。

本研究也測定了香蕉秸稈粉碎后12、24、36、48和60 d的剩余質(zhì)量（圖11），在1～60 d，2種粉碎方式后秸稈質(zhì)量都在減小，但是施用腐熟劑的粉碎方式會(huì)讓秸稈在第20天左右失重率明顯加快，最大降幅達(dá)到43.7%，而在60 d內(nèi)，直接粉碎的秸稈失重率只有31.3%。這種施用能夠明顯提高秸稈的腐化速度和腐熟程度，降低粉碎后秸稈的質(zhì)量，使秸稈中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等能更大程度地還施于土壤，從而有利于后期作物的再次種植。

3 討論

在香蕉種植業(yè)中，香蕉秸稈的處理一直是具有挑戰(zhàn)性的問題，主要是因?yàn)槠涓吆?、脆性以及纖維豐富等特點(diǎn)。目前，已有的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)通過切碎秸稈并將其還田，初步解決了這一問題。然而，在這一過程中，機(jī)具設(shè)計(jì)存在一些缺陷，導(dǎo)致粉碎效果和還田效果不佳的問題尚未得到解決。為了進(jìn)一步提升香蕉秸稈的粉碎效果和還田效果，本研究在臥式粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上增加了腐熟劑噴施裝置，并對粉碎裝置進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種新型的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，旨在加速秸稈的分解，從而提高還田效果，促進(jìn)香蕉的二次種植。

粉碎刀片在刀輥上的排列方式對整機(jī)平穩(wěn)性、機(jī)器能耗和秸稈的粉碎效果有重要影響[16]，不合理的刀片排列方式不僅會(huì)影響秸稈的粉碎效率，也可能導(dǎo)致機(jī)器劇烈震動(dòng)甚至損壞[17]。本研究設(shè)計(jì)一種直式異形甩刀，采用對稱螺旋線排列方式。相較于傳統(tǒng)的直刀，新設(shè)計(jì)的刀尖質(zhì)量增加，從而獲得較大的向心力，降低了對機(jī)具轉(zhuǎn)速的要求。為了進(jìn)一步提升香蕉秸稈的粉碎效果，提高機(jī)具的工作效率，對粉碎刀片性能的進(jìn)行分析。當(dāng)粉碎刀輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著機(jī)器前進(jìn)速度的增大，香蕉秸稈粉碎合格率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因?yàn)殡S著機(jī)器前進(jìn)速度的增大，喂入機(jī)器內(nèi)的香蕉秸稈量也隨之增大，香蕉秸稈粉碎合格率得到提高；當(dāng)增大到一定值時(shí)，由于前進(jìn)速度過快，導(dǎo)致香蕉秸稈的喂入量過多，且粉碎刀輥轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度之比變小，機(jī)器對秸稈無法進(jìn)行充分粉碎，秸稈粉碎合格率隨之降低。蕉園內(nèi)多為磚紅壤，這種土壤具有較強(qiáng)的粘性，會(huì)對機(jī)器的前進(jìn)速度造成一定的阻礙。若機(jī)器的前進(jìn)速度過慢，會(huì)導(dǎo)致粉碎作業(yè)時(shí)間的延長，導(dǎo)致工作效率降低、機(jī)器的功耗增大。通過二因素三水平的田間試驗(yàn)，選取香蕉秸稈粉碎還田機(jī)優(yōu)化工作參數(shù)組合為機(jī)器前進(jìn)速度為1.4 m·s-1，刀輥轉(zhuǎn)速為1 860 r·min-1，此時(shí)秸稈的粉碎合格率達(dá)到93.08%，拋撒不均勻度為12.11%，滿足了預(yù)期目標(biāo)要求。但在實(shí)際生產(chǎn)中，很難確定一種通用的作業(yè)速度，因?yàn)椴煌淖鳂I(yè)速度可能會(huì)受到多種因素的影響，包括但不限于土壤濕度、香蕉秸稈的密度和濕度、機(jī)械設(shè)備的性能等。雖然本研究選擇的作業(yè)速度在特定條件下可能表現(xiàn)良好，但在實(shí)際生產(chǎn)中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。噴頭在藥桿上的安裝位置直接影響腐熟藥劑的噴施效果，若噴頭間距過大，會(huì)有漏噴現(xiàn)象，若噴頭的間距過小，兩噴頭之間的藥劑噴施會(huì)出現(xiàn)大量重疊，這將造成藥劑浪費(fèi)。本研究噴施裝置選用容積為180 L的藥箱和噴射角為90°的扇形噴頭，單噴頭流量為0.8 L·min-1，4個(gè)噴頭分別間隔370 mm 固定于藥桿，可以達(dá)到生產(chǎn)率要求。

本文將香蕉秸稈粉碎與腐熟劑噴施結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合作業(yè)，從而提升了還田效果。對比試驗(yàn)驗(yàn)證顯示，相較于傳統(tǒng)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器粉碎還田后秸稈的腐化速度和腐熟程度更優(yōu)。然而，本研究中土壤養(yǎng)分測定的內(nèi)容相對較少，僅對比了傳統(tǒng)機(jī)械與本研究的腐熟效果。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中需測定使用腐熟粉碎機(jī)具的香蕉地土壤養(yǎng)分，以與傳統(tǒng)粉碎機(jī)具做進(jìn)一步對比分析。

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