玉米收获机割台砍劈式茎秆粉碎装置设计与试验

王立军 张志恒 刘天华 王奕娇 贾 飞 姜佳旭

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

我国东北地区冬季封冻期长，土壤积温较低，秸秆还田后分解速度慢，影响了还田效果[1]。为了提高玉米秸秆还田后的分解效率，在进行粉碎作业时需要把秸秆尽可能打碎，以增大茎秆破碎后的表面积[2]。目前，玉米秸秆还田时的粉碎程度较低，因此设计一种可以提高茎秆粉碎程度的茎秆粉碎装置具有重要意义。

研究人员对农作物的切割特性及秸秆粉碎装置已进行了许多研究[2-10]。现有玉米收获机割台下方多为甩刀式茎秆粉碎装置，结构简单但作业效果不佳。为了使玉米收获机作业后的玉米秸秆粉碎长度合格率符合国家标准，以及增大玉米秸秆的破碎率，本文设计一种符合玉米茎秆力学特性的砍劈式茎秆粉碎装置，通过单因素试验和二次正交旋转组合台架试验对试验因素进行分析优化，并通过田间试验验证茎秆粉碎装置的作业性能。

1 茎秆粉碎装置结构

砍劈式茎秆粉碎装置与玉米收获机割台配合使用，安装在收获机割台下方。在收获机工作时，玉米茎秆进入分禾器后在拨禾链的作用力下被拉茎辊夹持，此时茎秆进入粉碎装置的工作范围，在转动的拉茎辊作用下向下运动，刀尖在穿透茎秆的过程中将茎秆局部劈裂，同时刀片旋转使受打击纤维与待受打击纤维间相互撕裂，直至茎秆低于茎秆粉碎装置的工作平面。砍劈式茎秆粉碎装置主要包括刀轴、刀片、刀臂、固定圆盘等，如图1所示。为了使刀片更容易击穿茎秆外皮进入到茎秆内部，且保证对茎秆的劈裂使内穰充分暴露，增大茎秆段与土壤的接触面积以提高其降解速率，将刀形设计为三角形。鉴于当前玉米收获机割台下方每个刀轴的圆周方向上安装两把甩刀，砍劈式茎秆粉碎装置同样对称布置两把焊有刀片的刀臂。固定圆盘上的弧形孔用以调节刀臂的安装角，调节范围为-45°～45°。为了防止刀片松动，在刀片上留出沉槽，深度e=3 mm，沉槽宽度与刀臂尺寸一致，为30 mm。

图1 茎秆粉碎装置结构示意图Fig.1 Diagram of chopper1.玉米茎秆 2.固定圆盘 3.刀轴 4.弧形孔 5.刀臂 6.刀片

1.1 刀片间隙设计

在刀片对茎秆打击时，茎秆沿着刀片间隙变形，使茎秆发生劈裂。茎秆梢部直径分布在10.4～12.8 mm。刀片间隙过大时顶端的玉米茎秆可能从间隙滑走无法被粉碎；间隙太小刀片与茎秆的接触面积增大导致打击时茎秆受到的应力变小，不利于刀片进入茎秆内部，使作业效果变差。因此刀片间隙确定为10 mm，可以保证对茎秆的有效打击。

1.2 刀片宽度设计

玉米收获机作业时高速旋转的刀片劈裂玉米茎秆，由于要求粉碎后的茎秆段长度小于100 mm[11]，刀片宽度B应小于100 mm，此时刀片对茎秆在轴线方向的打击作用范围小于100 mm，茎秆段长度才有可能小于100 mm。同时，为了使刀片能够对茎秆内部造成破坏，刀片需要拥有一定长度的打击行程L以击穿茎秆，所以刀片宽度不宜过小。刀尖倾角θ越大打击行程越短，故以刀尖倾角120°为例，若刀片宽度取80 mm，通过计算得到打击行程为20 mm，此时对于较粗茎秆无法击穿。宽度为90 mm时，打击行程L为23 mm(玉米茎秆下部最大直径23 mm)，可以击穿茎秆。因此刀片宽度确定为90 mm，且此时不会与割台其他部件发生干涉。

1.3 刀片数量设计

玉米茎秆下部的最大直径为23 mm。如图2所示，茎秆被夹持于两个拉茎辊缝隙间，图中虚线所示为假想茎秆，为茎秆在夹持过程中左右两边各预留一个直径的距离，防止茎秆发生偏移时刀片无法将其粉碎，故选择沿着刀臂方向安装5个间距10 mm、厚度4 mm的刀片。测量玉米收获机割台下方刀轴的旋转中心到拉茎辊缝隙间的距离为270 mm，使刀片排布以拉茎辊的缝隙为对称轴，从而确定刀轴旋转中心到刀臂末端距离为300 mm。

图2 刀片间距设计示意图Fig.2 Diagram of design of blade spacing1.固定圆盘 2.弧形孔 3.刀臂 4.刀片 5.茎秆 6.拉茎辊

2 粉碎过程理论分析

2.1 应力分析

包括玉米在内的大部分农作物的茎秆都属于各向异性材料，即茎秆沿不同方向的力学特性有着显著差别[12]，当打击力沿着茎秆的纤维方向时可以顺势将其劈裂，而垂直于纤维方向的切割则需要将全部的纤维组织切断[13]。基于玉米生物力学特性，提出一种新的粉碎方式，以期在满足秸秆粉碎长度合格率的同时提高其破碎程度。

在茎秆粉碎装置作业过程中，秸秆受到高速旋转刀片的打击，根据动量定理有

Ft=m(v1-v0)

(1)

(2)

式中F——秸秆受到刀片的打击力，N

t——打击作用时间，s

m——玉米秸秆质量，kg

v1——刀片刀尖线速度，m/s

v0——玉米秸秆受到打击前的速度，m/s

n——刀轴转速，r/min

R——刀尖到旋转中心的距离，m

图3中，α为刀片方向u与打击力F之间的夹角；β为刀臂安装角。玉米茎秆属于粘弹性材料，在受力时立即出现弹性变形。刀片在茎秆发生局部变形后与其接触面积增大。茎秆粉碎装置对茎秆的相对速度一定时，由公式(1)得出打击力与打击作用时间成反比，打击作用时间与茎秆的硬度相关[14]，硬度越大，打击作用时间越短[15]，进而打击力越大。

图3 茎秆粉碎分析示意图Fig.3 Analysis diagram of stalk chopping 1.茎秆 2.刀片 3.刀臂 4.固定圆盘

在刀片对茎秆的打击过程中，v1保持恒定，有

l=v1t

(3)

式中l——刀片打击深度，m

假设冲击载荷全部作用在茎秆上，引起茎秆断裂的临界条件为

F≥σsA

(4)

式中σs——茎秆发生断裂的极限应力，Pa

A——茎秆与刀片的作用面积，m2

如图3所示，忽略刀片与茎秆接触面的曲率，茎秆打击处的作用面积为

(5)

式中d——刀片厚度，m

玉米茎秆与刀片所接触的平面平行于刀臂0°安装时所在平面，通过几何关系可知，刀臂安装角β等于α。

综合公式(1)～(5)得茎秆断裂的临界条件为

(6)

式中σ——冲击应力，Pa

公式(6)表明，茎秆在刀片打击下发生断裂，主要与刀轴转速n、刀尖到旋转中心的距离R、刀臂安装角β的余弦值成正比，与刀片厚度d、刀尖倾角θ成反比。

2.2 茎秆粉碎长度

粉碎后的茎秆段理论长度L0可表示为[16]

(7)

式中r——拉茎辊半径，m

n0——拉茎辊转速，r/min

z——圆周方向刀臂数量

公式(7)表明，茎秆段的理论长度与拉茎辊转速n0、拉茎辊半径r成正比，与刀轴转速n、圆周方向的刀臂数量z成反比。将各项参数代入式(7)得L0=88 mm<100 mm，满足茎秆粉碎长度要求。根据文献[17]，玉米收获机的机器前进速度通过影响茎秆的喂入量对茎秆粉碎长度造成影响，在机器前进速度为5 km/h时，茎秆粉碎长度的理论值与实际值最相近。

3 试验与结果分析

3.1 试验材料

玉米茎秆取自东北农业大学试验田，品种为德美亚2号。随机选取待收获无倒伏、无病虫害的茎秆，玉米茎秆的直径17～23 mm，自然高度2 400～2 700 mm，取回后及时完成试验。

3.2 试验台架

茎秆粉碎试验台架主要由机架总成、茎秆粉碎装置、喂入机构和刀轴驱动机构等组成，如图4所示，该台架结构简单，可方便调节刀轴转速、链轮转速、刀臂安装角等。

图4 台架实物图Fig.4 Chopping test bench1.茎秆粉碎装置 2.机架总成 3.锥齿轮 4.茎秆喂入护板 5、10.电机 6.链轮 7.直齿轮 8、9.变频器

3.3 试验因素

茎秆的破碎效果受多方面因素影响，如茎秆的物理特性、茎秆粉碎装置的作业参数和结构参数等。茎秆的物理特性中，含水率对切割的力学特性有影响[18]，因此，为探究砍劈式茎秆粉碎装置对收获期内不同含水率玉米茎秆的粉碎效果，在玉米收获期内每隔3 d选取玉米茎秆进行单因素试验[19]。

根据理论分析，茎秆粉碎装置的结构参数对茎秆的粉碎效果有影响。刀臂安装角不同使得刀片对茎秆的打击方向不同进而影响粉碎效果。茎秆的外皮与内穰的机械强度差异较大，外皮机械强度高，内穰较低，刀尖的尖锐程度(倾角)对茎秆外皮的穿透能力亦不相同[20]，不同的刀尖倾角对茎秆的破坏作用亦不相同，因此选取不同的安装角和刀尖倾角进行试验，刀尖倾角依照锐角、直角、钝角分别取60°、90°和120°。安装角的定义方式如图5所示。

图5 刀臂安装角示意图Fig.5 Diagram of fixed angle of chopper1.固定圆盘 2.刀臂

茎秆粉碎装置的作业参数选择：通过对玉米联合收获机刀轴转速与拉茎辊转速的测量，刀轴转速与拉茎辊转速的比值恒定为1.1，因此试验过程中保持两者转速比值不变[21]。由于玉米茎秆粉碎时刀端线速度在30 m/s以上时能达到比较好的粉碎效果[11]，根据茎秆粉碎装置的旋转中心到最外端刀片距离，可计算得此时刀轴转速需达到950 r/min，因此选取转速范围为800～1 100 r/min。

3.4 试验方法

试验时，根据试验方案调整各试验因素，链轮转速根据刀轴转速的变化作相应调整，依次开启控制刀轴转速和链轮转速的变频器，待茎秆粉碎装置和喂入装置稳定运转后将茎秆投入茎秆喂入护板，再将粉碎后的秸秆段收集、统计，并通过干燥法测量茎秆的含水率。

采用秸秆粉碎长度合格率y1、秸秆破碎率y2作为评价指标，分别从茎秆的轴向和径向两个尺度评价粉碎效果。计算公式分别为

(8)

(9)

式中m1——秸秆粉碎前质量，g

m2——秸秆粉碎后长度小于100 mm的秸秆段质量，g

m3——秸秆粉碎后几何宽度小于10 mm的秸秆段质量，g

3.5 单因素试验

3.5.1茎秆含水率对粉碎效果的影响

设定刀轴转速950 r/min，安装角0°，刀尖倾角90°，分析含水率对粉碎效果的影响，试验结果如图6。

图6 茎秆含水率对粉碎效果的影响Fig.6 Effect of moisture content on indexes of maize stalk

收获期内随着玉米收获时间的推移，茎秆含水率下降。收获初期玉米茎秆含水率为79.56%，与末期差为9.07%。茎秆含水率越低，其干物质含量就越高，致使其韧性、硬度增加，使得剪切强度也呈增加的趋势[22-23]，致使在粉碎过程中打击茎秆时的阻力变大，因而随着含水率的降低，秸秆的粉碎长度合格率也呈下降的趋势。根据文献[24]，弹性模量是玉米秸秆机械特性的关键指标，随着含水率降低，弹性模量变大，玉米秸秆的弹性下降，内聚力减小，玉米秸秆更容易破碎，因而秸秆破碎率上升。

3.5.2刀臂安装角对粉碎效果的影响

刀臂以不同的角度安装会影响粉碎过程中刀片对茎秆的打击角度，选取安装角在-45°～45°的5个水平进行单因素试验，刀轴转速为950 r/min，刀尖倾角为90°，通过干燥法测量茎秆含水率为75.27%～76.55%。试验结果如图7所示。

图7 安装角对粉碎效果的影响Fig.7 Effect of fixed angle of knife on indexes of maize stalk

试验结果表明，秸秆的粉碎长度合格率随安装角的增加先提高后降低，在安装角为0°时达最大值，比-45°时的最低值增加了27.9%。秸秆破碎率随着安装角的增加先提高后降低，安装角0°时的秸秆破碎率比45°时的最低值高12.6%，这表明在对茎秆的粉碎作业过程中，刀片垂直打击茎秆是较为有效的打击角度，这是因为当刀片垂直打击茎秆时，有效的作用面积最小，冲击应力最大，因此造成秸秆的粉碎长度合格率和破碎率在刀片垂直打击茎秆时达到最大值，与理论分析结果基本一致。

3.5.3刀尖倾角对粉碎效果的影响

在刀片对茎秆的打击过程中，不同的刀尖倾角对茎秆的粉碎效果也不同，为此选取刀片倾角为60°、90°、120°进行单因素试验探究其影响规律，安装角和刀轴转速分别固定在0°和950 r/min，通过干燥法测量茎秆含水率为75.27%～76.55%。试验结果如图8所示。

图8 刀尖倾角对粉碎效果的影响Fig.8 Effect of tip angle of blade on indexes of maize stalk

试验结果表明，秸秆的粉碎长度合格率和破碎率均随着刀尖倾角的增加先增大后减小，且刀尖倾角为60°时秸秆粉碎长度合格率与破碎率均比120°时高。刀尖倾角90°时秸秆的粉碎长度合格率和破碎率比120°时分别增加了18.5%和9.6%。这是由于不同的刀尖倾角在破坏茎秆表皮时难易程度不同。玉米茎秆表皮的强度比内部纤维高得多，刀尖越尖锐越容易对茎秆表皮造成破坏，但同时也降低了刀片对茎秆整体的有效破坏面积，使茎秆的破坏程度下降。刀尖倾角在低水平时，刀片对茎秆整体的有效破坏面积低是影响粉碎效果的主要原因。高水平时，刀尖对茎秆表皮的破坏程度低是影响粉碎效果的主要原因，且刀尖倾角60°时的粉碎效果比120°时好，说明茎秆表皮的破坏比茎秆整体的有效破坏面积对粉碎效果更具影响力。因而，秸秆的粉碎长度合格率与破碎率均呈现先提高后降低的趋势。

3.5.4刀轴转速对粉碎效果的影响

设定安装角0°、刀尖倾角90°，通过干燥法测量茎秆含水率为75.27%～76.55%，刀轴转速在800～1 100 r/min范围内等间隔选取7个水平进行单因素试验。试验结果如图9所示。

图9 刀轴转速对粉碎效果的影响Fig.9 Effect of rotational speed of shaft of chopper on indexes of maize stalk

试验结果表明，随着刀轴转速增加，秸秆的粉碎长度合格率呈现先增加后平稳变化的趋势，但当刀轴转速达到1 100 r/min时，秸秆粉碎长度合格率略有下降。秸秆破碎率呈现先增加后略微减小的趋势。刀轴转速对秸秆破碎率有显著影响，刀轴转速在800～950 r/min，对秸秆粉碎长度合格率影响显著，刀轴转速1 050 r/min时秸秆的粉碎长度合格率比800 r/min时高31.9%。刀轴转速1 050 r/min时的秸秆破碎率比800 r/min时高24.2%。这是因为玉米茎秆属于粘弹性体，刀片以较低的速度打击茎秆会产生较大的压缩变形，速度越大传递变形的时间越短，故刀轴转速增加使茎秆所受打击力变大，故起初秸秆粉碎长度合格率与秸秆破碎率均呈上升趋势，随着刀轴转速继续增加，刀片对打击点传递变形的时间不再显著变化，变形量变化同样不明显，秸秆粉碎长度合格率呈现稳定变化的趋势，但刀轴转速的增加更容易打破内部纤维之间的粘聚效果，易于将茎秆撕裂[15]，故秸秆破碎率仍然呈现上升趋势。但由于刀轴转速增加的同时链轮转速也在增加，对有效打击次数造成影响，使得秸秆粉碎长度合格率和破碎率在刀轴转速达到1 100 r/min时略微降低。

3.6 多因素试验

3.6.1试验设计

为优化茎秆粉碎装置的作业与结构参数，采用Design-Expert 8.0.6软件中的二次正交旋转组合试验设计方法进行试验[25]。依据单因素试验结果，确定刀轴转速、安装角、刀尖倾角为试验因素，以秸秆粉碎长度合格率和秸秆破碎率为评价指标，通过干燥法测量茎秆含水率为75.27%～76.55%，结合单因素试验的结果选定的各因素编码见表1，每组试验重复5次，取平均值作为试验结果。试验方案与结果见表2。

表1 试验因素编码Tab.1 Coding of factors

表2 试验方案与结果Tab.2 Results of response surface experiment

3.6.2试验结果分析

通过Design-Expert 8.0.6软件对表2的数据进行多元线性回归拟合，剔除不显著因素，得到秸秆粉碎长度合格率y1和秸秆破碎率y2的回归方程，并进行显著性检验。

(1)秸秆粉碎长度合格率回归模型与响应曲面分析

(10)

因交互项X1X3对秸秆粉碎长度合格率的影响显著，取交互项X1X3对秸秆粉碎长度合格率进行分析。如图10a所示，当安装角为0°时，刀尖倾角一定的情况下，随刀轴转速增加，秸秆粉碎长度合格率提高，这是因为随着刀轴转速增加，刀片对茎秆在单位时间内的打击次数增多，且打击力提高，进而降低了秸秆段的长度。在刀轴转速一定的条件下，随着刀尖倾角的增加，秸秆粉碎长度合格率呈先上升后下降的趋势。这是因为刀尖倾角决定了刀片打击茎秆时进入茎秆内部的难易程度，刀尖越尖锐，刀片越容易击穿茎秆表皮，但刀尖倾角小的刀片对茎秆的有效破坏面积也小，对粉碎效果造成了影响，因而刀尖倾角为锐角时，随着刀尖倾角增加秸秆的粉碎长度合格率提高。在刀尖倾角为钝角时，刀尖角度逐渐成为钝角，刀片对茎秆的冲击应力下降，使得秸秆的粉碎长度合格率下降。

图10 各因素对评价指标影响的响应曲面Fig.10 Response surfaces of influence of various factors on indexes

(2)秸秆破碎率回归模型与响应曲面分析

(11)

因交互项X1X3对秸秆破碎率的影响显著，取交互项X1X3对秸秆破碎率进行分析。如图10b所示，在安装角为0°，刀尖倾角为锐角时，秸秆破碎率随刀轴转速的增加而上升。在刀尖倾角为钝角时，随刀轴转速的增加秸秆破碎率先增加后略微减小。这是因为刀尖角度在锐角范围内，对茎秆的击穿作用明显，打击茎秆的冲击应力也大，故刀轴转速的提高可有效增加破碎效果，当刀尖倾角由锐角转钝角时，刀尖对茎秆的击穿效果减弱，所以刀轴转速增加对秸秆破碎率的提高作用下降。在刀轴转速为900～1 000 r/min时，秸秆的破碎率随刀尖倾角增大先提高后趋于平缓，在刀轴转速为1 000～1 100 r/min时秸秆破碎率随刀尖倾角的增大先提高后降低。这是因为在刀轴转速处于900～1 000 r/min时，增大刀尖倾角有利于提高刀片对茎秆的破坏作用，而刀轴转速为1 000～1 100 r/min，刀尖倾角为锐角时，随着刀尖倾角的增加对茎秆破坏效果增强，刀尖为钝角时不利于击穿茎秆表皮，故呈现先增大后减小的趋势。

3.7 参数优化与田间验证试验

3.7.1参数优化

为获得茎秆粉碎装置各因素较优的参数组合，根据粉碎质量要求和实际作业条件选定优化约束条件，利用Design-Expert 8.0.6软件的多目标优化算法进行参数优化，目标及约束条件为

(12)

优化结果为：当刀轴转速1 092 r/min，安装角41.37°，刀尖倾角82.69°时，秸秆粉碎长度合格率为91.28%，秸秆破碎率为85.66%。

3.7.2田间验证试验

考虑到测量与加工的便利性，对优化结果进行了圆整，将刀轴转速设置为1 090 r/min，安装角41°，刀尖倾角83°，加工砍劈式茎秆粉碎装置并安装到割台下方。刀轴转速的调节过程中利用转速仪测定转速变化，直到转速仪示数变化范围稳定在(1 090±1) r/min。为了验证台架试验的准确性，2019年9月29日在黑龙江省北安市赵光农场进行田间试验。玉米的种植模式为大垄双行，垄距110 cm，平均株距26 cm。按照GB/T 21961—2008《玉米收获机械试验方法》的规定，试验区分为20 m起步提速区、20 m测定区、15 m停车区，在试验前将起步提速区和停车区的玉米清除。在测定区内玉米收获机作业速度控制在5 km/h。试验时玉米茎秆含水率为77.66%～80.40%。在此条件下重复5次试验，并在相同的条件下作业，与现有的甩刀式茎秆粉碎装置作业效果进行比较，两种茎秆粉碎装置的安装如图11所示。

图11 玉米联合收获机割台茎秆粉碎装置安装图Fig.11 Installation of choppers in header of maize combine harvest

试验后作业效果如图12所示，从破碎的秸秆段形貌来看，砍劈式茎秆粉碎装置作业后茎秆内穰暴露，轴向呈不规则断面，端面呈锯齿状。

图12 茎秆粉碎效果Fig.12 Effects of stalks chopped by different choppers

玉米收获机作业后，根据GB/T 24675.6—2009《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》标准要求，每次收获机作业完成后随机选取10个面积为1 m2的测试样区，拾取切碎的秸秆并统计秸秆的长度分布如图13所示，其长度分布集中在80～90 mm之间，与理论分析基本一致。秸秆粉碎长度合格率与破碎率试验结果如表3所示。

图13 砍劈式粉碎装置茎秆段长度分布图Fig.13 Distribution of length of stalks of chopper

表3 试验结果Tab.3 Results of experiments%

由表3可知，砍劈式茎秆粉碎装置作业后秸秆的粉碎长度合格率与破碎率分别为90.21%、85.78%，与优化结果基本一致。砍劈式茎秆粉碎装置的秸秆粉碎长度合格率和秸秆破碎率分别比甩刀式茎秆粉碎装置高33.37、72.44个百分点。

4 结论

(1)基于玉米茎秆的力学特性，提出一种砍劈式茎秆粉碎装置，该装置作业后秸秆的粉碎长度合格率满足国家标准要求。

(2)玉米秸秆粉碎长度合格率随其含水率的降低而下降，秸秆破碎率则上升；随着安装角和刀尖倾角的增大，秸秆的粉碎长度合格率与破碎率均呈先增加后减小的趋势；随刀轴转速增加，秸秆的粉碎长度合格率和破碎率均呈现先增加后略微下降的趋势。

(3)通过多因素试验得出各因素对秸秆粉碎长度合格率的影响程度由大到小依次为：刀轴转速、刀尖倾角、安装角，对秸秆破碎率的影响程度由大到小依次为刀轴转速、安装角、刀尖倾角。

(4)通过优化分析，获得最优参数组合为：刀轴转速1 090 r/min、安装角41°、刀尖倾角83°。田间试验表明，秸秆的粉碎长度合格率和破碎率分别达到90.21%、85.78%，分别比玉米联合收获机割台下方安装的甩刀式茎秆粉碎装置高33.37个百分点和72.44个百分点。田间试验验证了理论分析和室内试验的正确性。