Y 型甩刀式秸秆粉碎还田机关键部件的设计与性能试验

潘佛雏，康建明，颜利民

（新疆科神农业装备科技开发股份有限公司，新疆 石河子832011）

棉花秸秆是棉花收获后的作物残体，为避免秸秆焚烧造成环境污染，现大力提倡秸秆粉碎还田，以提升土壤的有机质含量，促进农业增产。棉花秸秆粉碎还田的方式主要有人工清理和机械清理两种方式。人工清理，费时费力，效率低[1-2]。机械化清理主要是采用秸秆粉碎还田机对棉花秸秆直接粉碎并还田，按工作部件的运动方式可分为卧式和立式秸秆粉碎还田机[3-4]。

国外发达国家早在20 世纪60 年代就开始对秸秆机械化还田进行研究[5]。美国万国公司于60 年代首次在联合收割机上安装切碎机对秸秆粉碎还田[6]。德国肯勃公司研制的玉米茎秆作物切碎机能完成秸秆的回收、切碎、性能可靠，但整机结构复杂[7]。意大利的OMARV 公司开发了能满足不同作物残留秸秆粉碎还田的机械，工作幅宽1.2-6 m，价格昂贵[8-9]。综观国外机械化秸秆还田技术，机具品种多，性能可靠，但价格昂贵[10-12]。

我国从上世纪80 年代开始对秸秆还田机械进行研究[13]。河北省农机化所对秸秆还田机刀片的设计、选材及刀片形状进行了分析比较，探讨了最佳刀片密度及最佳排列方式[14]。毛罕平和陈翠英[15]建立了秸秆还田机刀轴系统的离散化模型及临界转速的计算式，确定了刀轴系统的临界转速。张晋国和高焕文[16]通过试验研究，得出了刀片在不同切割速度下，对短秆、长秆、秸秆不同含水率、不同刀刃厚度、有定刀和无定刀等情况下的切断率曲线。虽然国内对于秸秆粉碎机械的研究报道较多，但主要是玉米、牧草及麦秸秆的应用，而对于棉花秸秆切割粉碎方面的研究报道较少。因此，研制一种高效实用的棉花秸秆粉碎还田机，对实现棉花秸秆的资源化和商品化，以及促进资源节约、环境保护和农民增收均具有重要的现实意义。

1 Y型秸秆粉碎还田机的整机结构和工作原理

1.1 Y型秸秆粉碎还田机整机结构

Y 型秸秆粉碎还田机主要有机架、变速箱、侧传动轴、限深辊、支架、刀轴、悬挂架等组成，整机结构如图1 所示，主要技术参数如表1 所示。

图1 Y 型秸秆粉碎还田机结构示意图Fig.1 Structure diagram of Y type cutting device of smashed straw machine

表1 主要技术参数表Table 1 The table of main technical parameter

1.2 工作原理

本机是利用拖拉机动力输出轴，通过传动系统驱动高速旋转的粉碎部件，对棉杆进行直接粉碎并还田。工作原理是高速旋转的Y 型甩刀对地上的棉杆进行砍切，并在喂入口处负压的作用下将其吸入机壳内，使秸秆在多次砍切、打击、撕裂揉搓作用下成碎断状，均匀的抛洒在田间。

2 Y型秸秆粉碎还田机关键部件的设计

2.1 Y型甩刀的材料选择及加工工艺

考虑刀片经常与秸秆、土块等摩擦，工作条件极其恶劣，所以要求选材具有较强的耐磨性和抗冲击韧性。本机刀片材料选用65 Mn。热处理工艺：将刀片加热到880-900 ℃，保温10 min 后淬火，然后在180-200 ℃回火2 h，表面硬度达到HRC48-56，芯部硬度达到HRC33-40。

2.2 Y型甩刀的排列密度和排列方式

2.2.1 Y型甩刀的排列密度 在作业幅宽、 刀轴转速、前进速度相同的条件下，Y 型甩刀数量过少，达不到秸秆粉碎的要求；反之，消耗功率过大，制造成本提高并且妨碍碎秸秆的排出，造成堵塞并影响粉碎质量。Y 型甩刀的排列密度（C）计算为：

式中：N 为甩刀数量；L 为作业幅宽（m）。对于Y 型甩刀，刀片的排列密度一般为0.23-0.4 片/cm。

本机刀片数量N=90， 作业幅宽L=230 cm，则C=0.39 片/cm。

2.2.2 Y型甩刀的排列方式 合理的排列方式不仅能提高粉碎质量，还可使机具运转平稳。常见的排列方式有螺旋线排列、对称排列和交错平衡排列等方式。本机采用均匀免震法，沿刀轴圆周方向均匀排列甩刀，并根据秸秆粉碎的要求，对称安装两把甩刀。Y 型甩刀结构示意见图2，安装排列方式见图3。2.3刀轴转速及动平衡校核

2.3.1 刀轴转速的确定 在机具前进时，刀片的绝对速度是由机组的前进速度和刀轴的回转运动所合成。为使刀片在整个切割过程中对秸秆不产生推搓现象，因此要求其绝对运动为余摆线（图4）。

设Y 型甩刀运动轨迹上任意点坐标M（x,y），则其在时间t 内的位置如下式：

图2 Y 型甩刀结构示意图Fig.2 Structure diagram of Y type cutting device

图3 刀具排列示意图Fig.3 Arrangement diagram of Y type cutting device

图4 Y 型甩刀运动轨迹分析Fig.4 Trajectory analysis of Y type cutting device

式中：R 为甩刀回转半径（m），ω 为刀轴角速度（r/s），t 为刀轴运动时间（s），vm为机组前进速度（m/s）。

由上式微分得：

式中：水平速度vx是个变量，其大小影响切茬作业质量。当vx＞0 时，甩刀将产生推搓秸秆的作用，切茬作用减小，为确保把茎秆粉碎，vx必须有足够的向后分量，即vx≤0，vm≤Rsinωt，

上式表示了刀轴转速（n）与甩刀回转半径（R），机组前进速度（vm）之间的关系。

2.3.2 刀轴动平衡的校核Y 型甩刀与刀轴构成一个多刚体的转子，严格的讲，其转动惯量不是常数。但转速较高，甩刀质量大，受到的离心惯性力也较大。作业时产生的偏摆很小且很快恢复到动平衡位置。刀片排列、切割力及振动都有随机性。因此，把Y 型甩刀和刀轴看成一个刚体后，要使刀轴转动平衡，则A，B 两校正面上的N 个分力的合力必须分别为零，而这两个面上的分力都是大小相等且方向各不相同（图5）。取分力F1a的方向为X 轴正向，由F1a逆时针转90 度的方向为Y 轴正向，将各个分力向X、Y 轴分解，得到A 面上两个合力Fax，Fbx，由图5 可写出两个平面上的平衡方程式：

式中：α 为刀片周向间距角度（°），β 为刀片的周向角度（°），F1，F2为刀片转动产生的惯性力（N）。当时，刀轴即可达到动平衡。

图5 刀轴离心力分解示意图Fig.5 Force decomposition diagram of knife shaft centrifugal

3 试验设计及结果分析

3.1 试验条件

2014 年10 月在新疆第八师145 团进行了田间试验，试验对象为棉花秸秆，膜下滴灌种植，行距配置为66+10 cm， 秸秆含水率12.85%， 茎秆直径11.52 mm，试验地情况满足机具作业要求。

3.2 试验方法

本试验选用L16(45)正交表进行正交试验，每个试验重复3 次，取平均值[17-18]。在其它因素不变的条件下，考察机具前进速度（v）、刀轴转速（n）和刀片离地间隙（h）对秸秆粉碎长度合格率（L1）、留茬高度（L2）的影响，试验因素和水平见表2，因素对性能指标的影响结果见表3，试验结果分析见表4。

表2 试验因素与水平Table 2 Test factors and levels

表3 试验方案与试验结果Table 3 Test scheme and results

表4 正交试验极差分析Table 4 Results of range analysis

3.3 结果分析

由表3 结果表明，影响因素对棉花秸秆粉碎长度合格率的主次因素为：n3＞h2＞v3，即刀轴转速2 400 r/min,刀片离地间隙8 cm，机具前进速度9 km/h；影响因素对秸秆留茬高度的主次因素为：n1＞v2＞h3，即刀轴转速2 200 r/min，机具前进速度8 km/h,刀片离地间隙10 cm。机具前进速度越慢，刀轴转速越高，Y 型甩刀对秸秆打击次数越多，秸秆粉碎长度越短，留茬高度越低。当刀轴转速增加时，整机的功耗也会相应增加，振动加剧，轴承等部件的使用寿命降低。综合考虑各影响因素，选取机具前进速度9 km/h，滚刀转速2 400 r/min，刀片离地间隙10 cm。以此参数设计的机具经田间检测， 秸秆粉碎长度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，完全满足设计需求。

4 结论

针对目前水平旋转式秸秆粉碎还田机作业后秸秆粉碎长度不均匀，留茬高度不均匀的问题，通过对Y 型甩刀材料、排列方式，刀轴转速等关键技术进行研究，研制了一种Y 型甩刀式秸秆粉碎还田机。通过正交试验极差分析与田间试验相结合，得出秸秆粉碎还田回收机在机具前进速度9 km/h，滚刀转速2 400 r/min，刀片离地间隙10 cm 时，秸秆粉碎长度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，机具有较优的作业性能。

[1]王庆惠,王学农,陈发,等.滚刀式秸秆粉碎装置的设计及试验研究[J].新疆农业科学,2012,49(2):279-284.

[2]王双磊,李金甫,赵洪亮,等.棉花秸秆利用现状与还田潜力分析研究[J].山东农业大学学报:自然科学版,2014,45(2):310-315.

[3]张克诚,刘军江.滚筒甩刀式秸秆粉碎还田机的研制[J].新疆农机化，2012(2)：11-13.

[4]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京:中国农业科学技术出版社，2007.

[5]胡伟.秸杆粉碎还田机发展趋势与分析[C].农业机械化研究文集，1993.

[6]戴飞,韩正晟,张克平,等.我国机械化秸秆还田联合作业机的现状与发展[J].中国农机化，2011(6):42-45.

[7]张佳喜,刘旋峰,牛长河.新型滚刀式棉秸秆粉碎回收机的研制[J].农机化研究,2012,34(1):95-98.

[8]张佳喜,陈发,王学农.秸秆粉碎还田回收机性能优化试验[J].中国农机化,2007(6):76-78.

[9]Ramon J,Agns H.Effects of tillage systems in dry land farming on near-surface water content during the late winter period[J].Soil and Tillage Research,2005,82(2):173-183.

[10]Bescansa P,Imaz MJ,Virto I，et al.Soil water retention as affected by tillage and residue management in semiarid Spain[J].Soil and Tillage Research,2006,87(1):19-27.

[11]Akinci I,Yilmaz D,Canakci M.Failure of arotary tiller spur gear[J].Engineering Failure Analysis,2005,12(3):400-404.

[12]VaresS,Hakkinen T.Environmental burdens of concrete and concrete products[J].Nordic Concrete Research,1998(21):123-138.

[13]刘旋峰,牛长河.新型滚刀式秆粉碎装置的试验研究[J].新疆农机化,2010(2):8-10.

[14]冯佐龙.4QZ-12型青饲料收获机关键部件的研究[D].保定:河北农业大学,2008.

[15]毛罕平,陈翠英.秸秆还田机工作机理与参数分析[J].农业工程学报,1995(4):62-66.

[16]张晋国,高焕文.不同条件下麦秸切碎效果的试验研究[J].农业工程学报,2000(3):70-71.

[17]陈学庚,康建明.梳齿式采棉机籽棉清杂系统参数优化[J].农业机械学报,2012,43(Z1):120-124.

[18]康建明,陈学庚,温浩军,等.基于响应面法的梳齿式采棉机采收台优化设计[J].农业机械学报,2013,44(Z2):57-61.