垄作玉米双轴高低刀秸秆粉碎还田机的研究设计

河北圣和农业机械有限公司 刘建华

1 问题的提出

目前，国内中原平作区秸秆还田技术非常成熟，配套秸秆还田机基本已达到标准化、系列化。

东北三省（黑龙江、吉林、辽宁）和内蒙古东部地区（以下简称东北四省区）耕地面积大（仅黑龙江耕地就占全国的1/9），年秸秆产量高，在秸秆禁烧政策引导下，秸秆技术还田逐步展开。东北四省区农作物多采用垄作模式，垄顶和垄底存在5～6cm的高度差（部分垄高差更高），传统的还田机动刀长度一致，难以满足该地区垄作模式作业要求：以垄顶为作业基准面，垄底秸秆难以捡拾或粉碎；以垄底为作业基准面，动刀切削垄上土壤，耗能增加且加速还田机损坏。

在东北四省区，动力设备多以大马力拖拉机为主，但目前国内与之配套的大型作业机具种类相对较少。

鉴于此，本公司开展了研制适合东北四省区垄作模式、与大马力拖拉机配套使用的秸秆粉碎还田机工作。

2 双轴高低刀秸秆还田机的设计

2.1 结构特点和工作原理

该机作业幅宽为2800mm，采用双轴结构设计，与147Kw～161.76Kw的拖拉机配套，推荐工作速度为6～9km/h。与拖拉机通过三点悬挂型式连接，拖拉机后输出轴动力经传动轴传递至秸秆粉碎机变速箱，后经过桥轴、带传动把动力传递给前轴。前轴上的长短锤爪根据垄形规律分布，且长锤爪中心线与垄沟中心线重合。

图1 秸秆还田机主要结构

作业时，高速旋转的前轴长短锤爪同时将垄顶和垄底的秸秆捡拾，由于前轴的高速旋转，在喂入口所形成的负压作用下，秸秆被吸入机壳内，锤爪与机壳内第一排定刀齿对秸秆进行第一次切割粉碎；随后，在流经折线型的机壳内壁时，由于截面变化导致气流速度改变，使秸秆多次受到刀片的击打；当秸秆进入后轴所在的腔体时，在后轴和后腔体顶大的作用下又一次受到剪切和击打作用，经过二次粉碎后的秸秆以丝絮状被气流抛送出机壳，均匀抛撒到田间。

2.2 前后轴转速的确定

刀轴的转速是由秸秆切断长度和秸秆无支撑时被切割所需最低切割线速度来确定的。

根据玉米秸秆还田技术要求，秸秆粉碎长度≤10cm，留茬平均高度≤4cm。理论研究和试验表明，玉米秸秆粉碎还田属于无支撑切割，动刀刀端的线速度大于30m/s时才能满足作业需求。

大马力拖拉机较中小型动力设备行走速度快，根据现有技术，刀轴设计值在2000～2400r/min。本机前后刀轴额定转速均为2300 r/min。

2.3 前轴动刀的排布及其动平衡的校核

2.3.1 前轴的结构

东北四省区垄作垄距大多为65cm，大马力拖拉机轮距可跨三垄作业；研发机具作业幅宽280cm，可覆盖四垄范围，且拖拉机与秸秆还田机中心均在垄顶中心。从中心向左右两侧各延伸32.5cm，正好处于垄底中心，继续向左右延伸65cm，达到下一个垄底中心。

垄沟采用短刀座加长锤爪的组合（并且垄沟上两个长锤爪的中心线重合），垄上采用长刀座加短锤爪的组合，垄沟上的锤爪旋转半径较垄顶上的锤爪旋转半径大35mm。

前轴四条垄沟位置的8个长锤爪及48个短的锤爪均是在360度范围内均匀分布，长短垂爪在一起共同形成360度四条螺旋线型式均布：拿掉短锤爪，长锤爪可以保持平衡；拿掉长锤爪，短锤爪亦可保持平衡。同时还能保证前轴上长短锤爪受力的时候，保持受力平衡，从而解决了垄顶垄底作业高低刀作业平稳性问题。作业时，秸秆疏密程度是不一样的，会导致锤爪的阻力大小不一样，长短锤爪在受力的时候，力臂也不一样，容易产生受力不平衡的问题，但是前轴转速高，锤爪质量大，从而惯性力也大，再加上前轴上锤爪排布合理，作业时前轴锤爪间产生的偏摆很小，且很快能恢复到动平衡状态。从实际使用和试验情况看，平稳性完全满足要求。

2.3.2 前轴长短锤爪的排列方式

两片长刀座相互对齐间隔距离44mm为一对，两对长刀座轴向间隔57mm、周向角度呈180°为一组，共用24组长刀座。两片短刀座相互对齐间隔距离44mm为一对，两对刀座中心线重合、周向角度呈180°为一组，共用4组短刀座。

当把第一组长刀座焊接到轴管上后，刀轴顺时针旋转96.43°，轴向平移114mm，焊合第二组长刀座，依次类推，但是焊接时第4、11、18、25等四组刀座为短刀座组。

2.3.3 前轴锤爪动平衡的校核

长短锤爪与前轴构成一个多刚体的转子，严格地说转动惯量不是一个常值。所以刀轴上锤爪的排列方式及动平衡是秸秆还田机最核心的技术所在。

因为刀座为偶数，通过动平衡公式计算，结果为：

I1=（n-1）sina1+（n-2）sina2+……+sin(an-1)=0.025

I2=（n-1）cosa1+（n-2）cosa2+……+cos（an-1）=0.802

公式中的“n”为到轴上刀座的组数，“a”为刀座的方位角度，通过动平衡公式得出的数值都小于1，两组刀座相邻夹角为96.43°，大于60°。即此刀轴排列即为合格。

2.4 后轴动刀的排布及其动平衡的校核

从图1可以看出，后轴主要是二次粉碎秸秆，不涉及刀具不对垄问题。与前轴的甩刀不同，后轴采用的动刀是固定的切碎刀。后轴配置动刀片72个，腔体里配置定刀111个。后轴动刀片呈360度四条螺旋线型式均布，与中原地区普遍使用的秸秆粉碎机结构大致相同，这里不做过多叙述。

2.5 其它部分设计

本机箱体采用的是意大利CMR集团的8M箱体，此箱体带有离合脱开装置，在脱开拖拉机后动力输出的时候，由于刀轴质量大，惯性大，所以轴还要保持旋转状态，但是后动力已经断开，这样势必会造成烧皮带现象，此箱体的离合脱开装置正好解决了此问题。

壳体的焊合，此机器的板材都是采用的Q345B加厚板材，前后腔体均采用三排定刀的设计，在保证坚固耐用的同时，保证切碎效果。

3 结语

该机小批量生产后，已经在吉林和黑龙江部分地区生产应用。用户评价为：该机可用于垄作地区玉米等作物秸秆切碎还田作业，变换动刀也可用于非垄作地区，一次作业相当于传统秸秆机的两次作业，作业效率高，切碎效果好，动力消耗少，在东北垄作地区有良好的适应性。