砍切喂入双辊式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

魏思林，李 粤，张喜瑞，梁 栋，王自强，陈 实，李志强

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)

0 引言

我国每年农作物收获后的秸秆产出量都相当巨大，大量的废弃秸秆资源在风干后被焚烧掉，不但造成了有机质资源的白白浪费，还带来了严重的环境污染问题。据不完全统计，秸秆中的有机质含量约占到了其总量的15%，以目前我国60 000万t/年的秸秆生产量来计算，仅秸秆中含有的氮、磷、钾总量之和就达到了1 070多万t/年，超过了我国现有化肥施用总量的1/4[1-3]。

国外早在1个多世纪以前就开展了对秸秆还田技术的研究，其秸秆还田机具也较完备和完善[4]。我国的秸秆粉碎还田技术受到传统思维、技术层面和经济层面的制约，没有得到足够的重视，且发展缓慢[5]，针对香蕉秸秆粉碎处理的研究只有华南地区的一些高校及科研院所开展。例如，王自强[6]等研制了一种沟齿式香蕉秸秆粉碎还田机，两根对滚的粉碎辊不仅能增加粉碎效果，而且能减轻粉碎过程中易缠绕的问题。田间试验表明：该机器的粉碎率达到了96.98%，但存在甩刀易磨损及机器震动过大等问题，需要进一步改进。公菲[7]等研制了一种液压式香蕉秸秆粉碎还田机，由变量泵的输出量来控制定量液压马达的转速，提高了能源的利用率，降低了作业成本；但是该机器需要人工将香蕉假茎砍断喂入，增加了工作量。吴学尚[8]等研制了的立式香蕉秸秆粉碎还田机，利用立轴甩刀与机架内壁上的定刀对香蕉秸秆撕裂粉碎，试验表明：该机器粉碎效果好、功耗低，但工作时甩刀容易磨损、变形断裂。

针对上述问题，结合香蕉茎秆粗大、含水量多、富含纤维素及木质素等物质的特性，设计了一种在香蕉收获后能直接对香蕉整株假茎进行粉碎的砍切喂入双辊式香蕉秸秆粉碎还田机，并通过理论建模确立了机具关键部件结构和运动参数，采用仿真分析对秸秆粉碎刀辊进行了模态分析，最终对研制出的样机进行了田间试验。

1 机器结构与参数

1.1 整机结构

砍切喂入双辊式香蕉秸秆粉碎还田机主要包括铲断喂入装置、粉碎装置、皮带传动装置、行走轮，变速箱及机壳，如图1所示。

1.2 工作原理及机器参数

机器工作时，由拖拉机提供动力，通过三点悬挂装置与拖拉机相连；拖拉机在前行的过程中会将香蕉秸秆往前推倒，随后位于香蕉秸秆粉碎还田机前端的铲断装置会将香蕉假茎根部铲断；被铲断的香蕉秸秆会在挤压辊挤压输送作用下送入秸秆粉碎装置；粉碎装置由两个粉碎刀辊组成，进入秸秆粉碎装置的香蕉秸秆先由第1个粉碎辊进行初步粉碎并被抛向后端，由二级粉碎刀辊进行二次粉碎。机器的整机参数如表1所示。

1.铲断装置 2.锯齿式压辊 3.动力输入传动轴 4.变速箱

表1 机器的主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 铲断装置

香蕉秸秆在进入粉碎装置之前，先由铲断装置将其铲断。铲断装置位于机具前方，工作时需要承载足够大的铲断力，所以将其两端的支架设计为三角形，如图2所示。

设铲断刀刃口斜面与地面之间的夹角为α，其大小影响着铲断的香蕉秸秆能否被成功地铲起来由喂入辊抓取喂入粉碎室。如果夹角取值过大，被铲断的香蕉秸秆可能会堆积在铲断装置前部，造成机具不能正常工作；如果夹角过小，刀刃的强度不够，刀刃容易变形。研究表明[9-11]：铲断角α在 0°～20°之间时，铲断的阻力会逐渐减小；当α≥20°时，铲断阻力随着α的增大而增大；当α为 18°～22°时,铲断阻力比α在 45°～ 60°之间时要降低 35%～50%。本装置取刃口倾斜角α为 20°，尺寸如图 3(a)所示。支撑钢板焊接在铲齿刀刃的后端，结构尺寸如图 3(b) 所示。支撑钢板一方面起支撑作用，另一发面可去除泥土、石块等杂物。

1.铲刀 2.销轴图2 铲断装置Fig.2 Cut ting device

图3 铲刀尺寸示意图

2.2 喂入装置

喂入装置的喂入辊位于铲断装置的上方，主要作用是抓取香蕉秸秆喂入粉碎室[12]。为了使香蕉秸秆能平稳地喂入粉碎室，在喂入辊上设计了锯齿，如图4所示。

喂入装置的主要结构参数：锯齿喂入辊的长度设为L,直径为D，与地面的距离为H。喂入辊直径的大小直接影响到喂入辊抓取香蕉秸秆的能力：喂入辊的直径越大，对香蕉秸秆的抓取能力越强，同时也会增加功率消耗；喂入辊的直径过小，对香蕉假茎的抓取面积过小，无法平稳地将香蕉假茎送入粉碎室。

1.锯齿式喂入辊 2.传动轴 3.皮带轮 4.皮带

香蕉假茎的外径D可以根据公式(1)计算求得[13]，即

(1)

其中，Dmin为锯齿式喂入辊的最小外径(m)；Q为压延比，取Q=0.6；φ为香蕉秸秆被挤压前截面直径，取φ=250～350mm；θ为香蕉假茎对沟齿式喂入辊的摩擦角(°)，取θ=40°～50°。

将上述选择数据代入式(1)，得到Dmin为127～253mm；外径D取值在100～250mm范围内比较合适，本文取喂入辊外径D=250mm。

要保证喂入辊能够有效喂入香蕉假茎，喂入辊轴线到地面的距离不能大于最小的香蕉假茎直径与喂入辊半径之和，故本设计取h=300mm。

喂入辊转直接影响着香蕉假茎的进给速度，间接影响到秸秆粉碎还田机的粉碎效果，秸秆粉碎效果是设计一台合格的还田机重要参数之一。香蕉假茎经铲断后在被喂入辊抓取之前，假茎与地面相对于拖拉机的前进速度在数值上是相等的；在假茎被喂入辊抓取之后，喂入辊上的锯齿会对假茎切削、打击。若锯齿式喂入辊转速过大，增加机器的消耗，浪费能源；若锯齿式喂入辊转速过小，香蕉假茎无法被平稳地抓取，会导致机器推着香蕉假茎前行，堵塞喂入口；若锯齿式喂入辊的线速度和香蕉假茎的相对速度相同时，假茎不仅能被平稳地送入粉碎室，而且整机消耗的功率也最小。因此，取锯齿式喂入辊的线速度和假茎的相对速度、机器的前行速度相同，即0.5～0.8m/s。

锯齿式喂入辊的转速与线速度满足公式(2)，即

(2)

其中，n1为锯齿式喂入辊的转速(r/min)；V线为锯齿式喂入辊的线速度(m/s)。

由式(2)可知：喂入辊转速在66.88～95.54r/min之间，当机具的前进速度大于秸秆喂入速度时，香蕉秸秆易堆积在机具前方，故取n1=200r/min。

2.3 粉碎装置

粉碎装置是整个机具的核心部件，包括刀辊、刀座、粉碎刀及螺丝螺栓等，如图5所示。粉碎刀座径向等距离排列在粉碎刀轴上，一级粉碎刀轴轴向等距离配置7对，二级粉碎刀轴轴向等距离配置8对，两个粉碎刀辊在空间上呈现阶梯式布置。

1.皮带 2.粉碎辊 3.甩刀图5 粉碎装置

设计每组甩刀的工作宽度为95mm，考虑到香蕉假茎纤维含量高，刀片切割香蕉茎秆时容易被纤维缠绕，两个甩刀之间留有20mm的间距，甩刀排列计算公式为

(3)

若采用单头螺旋线方式排列甩刀，每组甩刀间会有20mm的间隙，而秸秆的直径在10～40mm之间，会有部分直径小的秸秆漏切，故采用双螺旋的方式排列甩刀，每条螺旋线上14把甩刀。第1条螺旋线上相邻的甩刀关于轴线的夹角为60°；第2条螺旋线与第1条螺旋线关于轴线对称，且在轴线方向向右偏移50mm来弥补两相近甩刀间的间隙空缺，保证秸秆不会被漏切。甩刀在刀辊上的排列如图6所示。其中，空心圆表示第1条螺旋线上的甩刀，实心圆表示第2条的螺旋线上的甩刀排列。

图6 刀片在刀辊上的排列

2.4 刀辊的模态分析

秸秆粉碎还田机具田间粉碎作业时，粉碎刀辊高速旋转与香蕉假茎接触以剪切香蕉假茎。粉碎刀辊在高速转动时虽受到两端轴承的约束，但因作业幅宽较大，中间部分会受到动力载荷的驱动。尤其是高速运转工作时所激发出来的工作频率接近粉碎刀轴自身固有频率时，机具将产生剧烈震动，进而对机具造成很大危害[14]。采用Soildworks 2016自带的Simulation模块对粉碎刀辊进行模态分析，得出粉碎刀辊前5阶频率。为确定粉碎刀辊的合理转速，本文提取前5阶固有频率和振型进行分析。固有频率结果如表2所示，振型结果如图7所示。

表2 粉碎刀辊各阶固有频率

由图7可知：在2阶模态振型中，刀辊弯曲变形最小；第3、4阶模态振型中，刀辊呈S形状变形；第5阶模态振型中，刀辊呈M形状变形，粉碎刀辊的前5阶值固有频率f的变动区域为1 221.5～6 429.8Hz。根据秸秆粉碎作业过程中刀辊转速需要达到的范围n=900～1 100r/min，得到刀轴激励频率范围为 12.5～18.3Hz，显然远小于最低阶数的固有频率(1 221.5Hz)，即粉碎刀辊工作转速避开了粉碎刀轴固有频率的临界值域，防止了共振的产生，所以刀辊转速的选择范围合理。

3 田间试验

3.1 试验条件

本试验选择海南省澄迈县福山镇墩茶村的香蕉种植基地，蕉园品种为巴西蕉，香蕉假茎高度2.2～2.7m。为保证还田机的连续作业和结果稳定性，试验地应尽量选取田间平缓地段，作业结果如图8所示。

图8 作业结果

3.2 试验方法

试验依据中华人民共和国机械行业标准《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》(GB/T 24675.6-2009)的测试要求,并根据田间实际情况，取样单元选取以机具行进同一方向上长度50m且宽度不小于本机作业幅宽的区域。在试验田中随机划分了5个取样单元，在地表秸秆覆盖状况下各测试5次，分别测得相应数据。

3.2.1 还田机工作效率

香蕉假茎粉碎还田机的工作效率即还田机每工作1h的作业面积。用秒表测定机具从点1到点2所花费的时间t0(点1到点2的直线段距离需大于50m)，在机具前进的方向测量点1和点2之间的距离H0，田间工作效率可以通过公式(4)计算出。将记录到的5组数值取平均值即为香蕉假茎还田机工作效率，则

(4)

式中Q—工作效率(hm2/h)；

H0—测量点之间的距离(m)；

t0—机具从测量点1运动到测量点2点所花费的时间(s)；

B—机具的作业幅宽(m)。

3.2.2 香蕉秸秆粉碎合格率

机具工作的每个行程中随机选取5个1m×1m的测量区，捡拾测量区中的所有碎秸秆，秤量得其质量m1，并挑拣出长度大于10cm的秸秆秤其质量m2，按公式(5)计算出每个测量区秸秆的粉碎合格率，即

(5)

式中p—每个测量区的秸秆粉碎合格率；

m1—每个测量区的秸秆总质量(g)；

m2—每个测量区的不合格秸秆总质量(g)。

3.3 试验结果与分析

还田机田间试验性能测试结果如表3所示。

表3 主要性能测试结果

续表3

样机田间试验表明：工作效率平均值为0.43，香蕉秸秆平均粉碎合格率为96.46%，已达到了秸秆粉碎还田机的农艺要求。

4 结论

1)砍切喂入双辊式粉碎香蕉秸秆粉碎还田机可以完成对香蕉秸秆的推倒铲断、抓取喂入粉碎的连续工作。

2)铲断装置和喂入装置可以将整株香蕉假茎铲断送入粉碎室，并将香蕉假茎全面粉碎，解决了因地面不平整而产生的粉碎不全面问题。

3)双粉碎刀辊采用空间阶梯布局，实现了前置刀辊对香蕉假茎初次粉碎后后置粉碎刀辊再次对香蕉茎秆碎片粉碎的功能，提高了粉碎率。