HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机的研制

黄高鉴，程永钢，郑普山，张建杰，孙崇凤

（山西省农业科学院农业环境与资源研究所，土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原030031）

我国是农业大国，农作物秸秆是粮食生产中主要副产品，产量多达数亿吨，且秸秆中富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源；但现阶段农民对秸秆的综合利用意识比较淡薄，致使田间地头秸秆焚烧现象屡禁不止，秸秆利用效率极其低下，不仅造成资源浪费，也对生态环境造成了破坏[1-4]。因此，如何提高农民对秸秆的综合利用意识以及秸秆利用效率，是促进农民增收、环境友好、资源节约和可持续发展有效途径[5]。

近年来国家出台了一系列政策，严禁秸秆就地焚烧，专家也建议秸秆还田，主要有以下三点好处：能有效保护生态环境、增加土壤有机质和养分含量、改善土壤物理性状和提高土壤的生物活性，这样不仅有助于解决秸秆焚烧等问题，而且有助于农业生产[6]。为能使秸秆还田技术大面积推广应用，秸秆还田机具研制势在必行。而现有的秸秆还田机功能单一，且经过粉碎后秸秆铺于地表，需再通过旋耕机进行作业使秸秆和土进行混合，通过2种方式处理，增加机器作业对土壤结构的破坏，加大了田间工作量和工作难度。笔者针对上述情况，研制了HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机进行田间试验，旨在为当地的秸秆资源化利用提供一种新型农机。

1 方案设计

1.1 技术要求

综合考虑我国农机和农艺的实际情况，根据我国机械行业标准JB/T 8401.3—2001和JB/T 6678—2001，提出以下主要技术指标（表1）。

表1 秸秆粉碎功能的旋耕一体机主要技术指标

要在满足表1中主要技术指标的基础上，尽量减轻机具质量，同时要注意零件的装配性和互换性等。

1.2 整机结构与工作原理

HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机（图1）采用秸秆粉碎机部、旋耕机部、秸秆导流仓与镇压轮组合设计。外壳的内壁处从左到右依次固定连接有秸秆粉碎部和旋耕机部，外壳的外壁处通过卡块活动连接有第一连接杆，第一连接杆的底部通过夹持块螺纹连接有固定板，固定板的一端通过第一安装板活动连接在外壳的外壁处，另一端通过转轴活动连接有镇压轮。由图1可知，秸秆粉碎机部的内部固定连接有秸秆导流仓，导流仓的内部活动连接有粉碎刀辊，粉碎刀辊的一端通过传送皮带活动连接有电机，秸秆导流仓的底部设置有压辊，旋耕机部的顶部活动连接有悬挂杆。由图1可知，悬挂杆的顶部与秸秆粉碎机部的顶部活动连接，悬挂杆的底部活动连接在齿轮箱的顶部，齿轮箱外壁的一侧固定连接有万向节，齿轮箱的底部固定连接有第二连接杆，第二连接杆的底部贯穿框架活动连接有轴承座，轴承座的一端活动连接有旋耕刀轴。

该机具在进行作业时，拖拉机的动力输出轴经万向节传递给变速箱，经变速箱增速后，通过皮带传送带动秸秆粉碎机部对秸秆进行粉碎，利用秸秆导流仓将粉碎后的秸秆传送至旋耕刀轴外壁处，利用旋耕刀轴一边翻土一边将粉碎的秸秆与土壤混合，经由后面的镇压轮镇压，可达到秸秆粉碎还田、作业后土地平整的效果。

2 功能特点与配套动力计算

2.1 功能特点

HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机，通过对秸秆还田机部、旋耕机部和镇压轮进行优化设计，利用秸秆粉碎机部和旋耕机部，周而复始地运转，将粉碎的秸秆与土壤充分混合，达到了秸秆一次性还田目的；由于镇压轮承担了部分机具的重量，使镇压轮可对作业后的土壤进行平整和压实，后续免耕播种提供便利条件。该机具达到了粉碎旋耕一体的效果，大大减少了田间的工作量，同时提高了秸秆的处理效率和利用率。

2.2 配套动力计算

2.2.1 秸秆粉碎机功耗计算 HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机进行作业时，粉碎秸秆主要在秸秆粉碎机部和秸秆导流仓中进行，只有当粉碎机粉碎时的刀端线速度大于34 m/s时，并且刀轴的转向为反转，粉碎效果才最好[7-8]，故需要较大的功率消耗。据有关文献[9]，秸秆粉碎还田的功耗一般为8～11 kW/垄，本机具设计为四垄作业，每垄取最大功耗11kW，则秸秆粉碎机部功耗应为N1＝44 kW。

2.2.2 旋耕机部功耗计算 旋耕机部工作时，功率消耗主要与旋耕机作业幅度、旋耕刀轴转速、旋耕深度、土壤条件、机组前进速度等因素有关。影响因素较多，可采用下列经验公式估算[10-11]。

式中，Kλ表示旋耕比阻，h表示旋耕深度，Vm表示机具前进速度，B表示旋耕幅度。根据资料可知，Kλ＝K1K2K3K4Kg；其中，K1＝1.2，K2＝0.92，K3＝1.2，K4＝0.71，Kg＝16，故Kλ＝15.05 N/cm2。本研究选取h＝80 mm，B＝2 000 mm，Vm＝1.35 m/s。将以上参数带入公式（1）可得，N2≈32.5 kW。

2.2.3 拖拉机行进功耗计算 拖拉机在作业过程中要克服各种各样阻力，本文主要主要考虑机组前进速度Vm、土壤滚动阻力Pf和行驶过程中受到的牵引阻力PT[12]。拖拉机行进过程消耗的功率为：

其中，Pf＝Gs×f，PT＝Kr×h×B，Kλ表示土壤比阻，f表示滚动阻力系数，Gs表示拖拉机的使用质量作用在拖拉机上的重力。本文选取Kr＝9 N/cm2，h＝80 mm，B＝2 000 mm，f＝0.1，Gs按照东方红LX1204拖拉机的使用质量5 030 kg进行计算。将以上参数代入（2）可得，Pf＝4 930 N，PT＝14 400 N；N3≈26 kW。

2.2.4 传动功耗计算 对于功耗，本研究按照最大功耗进行计算。

闭式齿轮的传动效率（c）一般为0.97，带传动的传动效率（e）一般为0.93，万向联轴器的传动效率（s）一般为0.98[10]，将以上参数代入公式（3）可得，N＝116kW。故选用功率为120kW拖拉机进行作业。2.2.5 主要技术参数 HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机主要技术参数指标（表2）。

表2 HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机的主要技术参数

3 田间试验

3.1 试验地点

试验于2018年在山西省农业科学院朔州分院基地开展，所选试验地地势平坦，长度与宽度都满足机具作业要求，且玉米收获后的茎秆无严重倒伏。

3.2 试验设计

HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机使用东方红LX1204型拖拉机进行配套作业，对机组作业范围内采用随机选取检测点进行还田深度、还田深度稳定性、碎秆长度、秸秆粉碎率性能指标检测。

3.2.1 还田深度及稳定性测定 在HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机已作业范围内，每隔3 m选取一个检测点，选取10点进行检测，计算其平均值。测定结果列于表3[11]。

表3 还田深度的测定 mm

其中，还田深度标准误差式（4）中，hi表示每个测点的还田深度，h表示作业范围的平均还田深度，单位为mm。计算得出，A＝97.31%。

3.2.2 粉碎率测定 秸秆粉碎率测定方法为在一体机作业范围内随机选取5个测试区，每个测试区面积为1 m×1 m，分别称取测试区内所有秸秆和不合格长度的秸秆重量[13-14]，并计算出平均值。测试结果列于表4。

表4 秸秆粉碎率的测定结果

式（5）中，Mb表示测区内不合格长度秸秆质量，Mz表示测区内全部秸秆质量，单位为g。

3.2.3 测式结果对比 从表5可以看出，该一体机的主要性能指标已达到国家及行业的标准[12-13]，满足市场需求。

表5 测试结果与设计值对比

4 结论与讨论

通过对该机具整体结构的优化设计并结合农机和农艺要求，研制出一种多功能的HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机。经田间试验测定，HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机的碎秆长度58 mm、秸秆粉碎率86.94%、平均还田深度96 mm、还田深度稳定性97.31%，测试结果已达到了国家及行业的有关标准。HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体机是一种多功能的秸秆处理机具，可以实现秸秆一次性粉碎翻压均匀还田，为后续免耕播种提供便利条件；并且细碎秸秆有利于分解转化，从而培肥地力；更是大大减少了机器重复作业对土壤结构的破坏，降低了田间工作量和工作难度。

由于时间所限，本机具只对玉米进行了田间试验，未进行更多作物试验。今后应进一步在更多作物上进行试验。由于机械化技术的不断发展，以后应探索在HCZ-220型秸秆粉碎旋耕一体的基础上增加一些结构，使之具备施肥、播种等联合作业功能。