正反转倒U型甩刀香蕉茎秆粉碎还田机的设计与试验

欧忠庆,张 园,刘智强,邓怡国,王业勤,韦丽娇,陈沛民,燕 波

(中国热带农业科学院 农业机械研究所,广东 湛江 524091)

0 引言

我国是世界香蕉第四大生产国[1],2017年全国收获面积33万hm2[2],香蕉产业是我国南亚热带地区的农业支柱产业[3]。一般蕉树每2年更新一次[4],按每年淘汰30%计,则全国每年需要处理蕉茎9.9万hm2,目前多数以人工或挖掘机搬运到田间地头丢弃,处理效率低,成本高,既污染环境又占用耕地[5-7],因此机械化还田呼声较为强烈,但现有技术不够成熟[8]。机械还田的主要机型按刀具与刀轴连接方式,分为铰接方式(甩刀式)和固定连接式,前者刀具铰接于销轴,销轴套装于刀轴,刀具可有效避让石头等硬物,减少了功耗和避免了损坏机具[9]。

按刀轴布置位置又分为卧式和立式。卧式如1XHJ系列香蕉假茎还田机[10],甩刀数量多,密度大,蕉茎粉碎彻底,粉碎效果好,但短时间作业正常,作业时间一长则又长又韧的蕉茎就不断缠绕机具[11],导致作业能耗大和效率低,甚至损坏机具。立式机型甩刀数量少,密度小,决定其粉碎率较低[12-14],粉碎不彻底,其刀具旋转平面与地面平行,在不平整地面作业时,易切到泥土,功耗大[10]。例如,甘声豹[2]等研制的喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机,刀具(弯刀、直刀、刀盘和螺旋片等)与刀轴固定刚性连接,一种在拖拉机牵引下移动作业(如重型圆盘耙),但切碎效果差,处理周期长,蕉茎易缠绕主轴[10];另一种刀具依靠动力高速旋转作业,极易碰撞干硬泥土、石头、防风用残留的木棒或竹杆等硬物而损坏,甚至损坏拖拉机,并不适合我国南方土壤质地粘重、干硬且石头等硬物较多的耕作条件作业,如黄其新[15]开发的旋刀式香蕉灭茬还田机、朱德荣[16]等设计的新型香蕉秸秆还田机和莫建德[17]等研制的香蕉秸秆还田机等。

综上所述,卧轴甩刀机型安全性、适应性和粉碎效果最好,关键是解决蕉茎缠绕问题[11]。为此,一些单位开展了研究,但收效甚微。何峰[18]等公开了一种带有刃口的甩刀的蕉杆粉碎还田机,在甩刀切割部位开设刃口,以切断香蕉丝防止缠绕主轴,但蕉茎可绕开甩刀直接缠绕于主轴。黄严[19-20]等公开了一种农作物秸粉碎机,滚筒设置半圆形锯齿刀片,以切断蕉茎防缠绕,但半圆形锯齿刀片被蕉茎缠绕后,不会主动切割蕉茎,而是依靠蕉茎本身在高速旋转中收紧,挤压半圆形锯齿刀片,蕉茎难于切断离开滚筒,易缠绕滚筒。为此,设计了一种倒U型甩刀及一种刀辊可正反转的香蕉秸秆粉碎还田机,以期破解刀辊缠绕问题。

1 整机技术方案

香蕉秸秆和菠萝叶都含有柔韧性极强的纤维,尤其菠萝叶纤维柔韧性更强。卧式甩刀秸秆粉碎还田机处理香蕉秸秆和菠萝叶时,香蕉秸秆极易缠绕机具,菠萝叶却从不出现缠绕现象。香蕉秸秆长达2～3m,甚至3～4m,而菠萝叶长度一般不超过1m。分析发现:菠萝叶长度短,即使打不断也被打飞,不会缠绕机具;而香蕉秸秆长度长,如打不断将被其未进入还田机的另一端拉住,不能离开还田机,跟随气流旋转就极易缠绕在刀辊上。可见,蕉茎长度长是引起缠绕的一个主要因素。为此,从解决蕉茎长度入手,采用刀辊可正反转的结构,以及刀辊先正转作业1次、再反转作业1次的工艺流程作业(正转指与拖拉机前行时的车轮转向相同,反转指与拖拉机前行时的车轮转向相反,以下同)。刀辊正转作业时,将蕉茎打烂切短,并直接抛出机外,虽粉碎效果差,但蕉茎不跨过刀辊无法缠绕刀辊;刀辊反转作业时,将预处理过长度已短的碎蕉茎从地面抓起,送入粉碎室再次粉碎,因预处理过的蕉茎长度较短,即使跨过刀辊也无法缠绕刀辊,从而从根本上解决了缠绕难题。

2 整机结构与技术参数

2.1 整机结构

正反转倒U型甩刀香蕉秸秆粉碎还田机为拖拉机后置悬挂式,主要由机架、传动系统、粉碎机构和地轮行走装置组成,如图1所示。

整机通过三点悬挂机构与拖拉机连接,近地面两个连接点通过销轴铰接方式连接,最高处连接点通过铁链两端的销轴分别与拖拉机和机具连接,作用是地轮行走中被突然抬高,机具可环绕近地面两个连接点连线摆动,从而避免机架损坏;同时,机具随着地形上下浮动,控制甩刀离地面的最低距离,使机具在工作时保证了留茬高度。

作业时,拖拉机向前行驶,将香蕉树推倒,其动力输出轴通过机具动力输入轴、变速箱和V带轮传动组件,驱动刀辊先正转作业1次、再反转作业1次,将香蕉秸秆粉碎成丝状碎渣,最后抛洒还田,完成整个还田作业过程。

2.2 技术参数

正反转倒U型甩刀香蕉秸秆粉碎还田机主要技术参数如表1所示。

表1 香蕉秸秆粉碎机主要技术参数Table 1 Main technical parameters for Banana Stalks machine

3 主要工作部件设计与分析

3.1 传动系统的设计

动力从变速箱输入轴输入后,经锥齿轮驱动两根输出轴分别正转和反转。刀辊两端均设有V带轮,若需要正转,则在正转输出轴与刀辊之间安装V带,此时反转输出轴与刀辊之间不安装V带;若需要反转,则在反转输出轴与刀辊之间安装V带。同理,此时正转输出轴与刀辊之间不安装V带,如图2所示。

1.输入轴 2.正转输出轴 3.组合倒U型甩刀 4.反转输出轴图2 传动方案结构图Fig.2 Schematic diagram ofTransmission scheme

3.2 组合倒U型甩刀设计

直刀型甩刀外形笔直,不易挂住秸秆,防缠绕性能好,但切割覆盖面窄,粉碎面积小,易漏割;L型及其改进型和Y型甩刀切割覆盖面宽,粉碎面积大,不漏割,但弯折段易挂住秸秆,易缠绕刀辊。为此,将两把L改进型甩刀两两一组,面对面组合贴在一起,外形似倒U形,且刀头端宽度最小,呈锥形,其宽度比刀身平段宽度小1～2cm,以方便秸秆沿两刀刀刃滑脱离开。

3.3 甩刀及刀座排列方式

为了防止漏割和甩刀发生碰撞,相邻两组甩刀沿刀轴轴向重合0～2mm,径向夹角为180°,甩刀按刀辊轴向对称排列,如图3所示。每把L改进型甩刀质心位于弯曲这侧,离心力将使其向刀背一侧翻转,即同组两把甩刀翻转方向相反。为减小其刀端间隙,防止漏割和蕉茎进入两甩刀之间缠绕刀轴,甩刀与其两侧刀座的间隙及甩刀与销轴之间的间隙均较小,为0.2～0.5mm。

图3 甩刀及刀座排列图Fig.3 Sickle and knife arrangement diagram

3.4 粉碎室的设计

粉碎室内设置定刀,虽能增强粉碎效果,但定刀易阻碍秸秆离开,秸秆易缠绕刀辊。为此,粉碎室不设置定刀,其入口段盖板设计为圆弧形,与刀辊旋转圆弧相对应,与处于径向射线位置时的甩刀间隙较小,以增强入口处负压,将秸秆吸入粉碎室。粉碎室中段设计为直线形,处于径向射线位置时的甩刀与其正上方盖板之间的间隙较大,达20～30cm,以利于秸秆在离心力作用下快速脱离甩刀抛向盖板,被盖板阻挡后下落,又被后续甩刀重新粉碎,以增加粉碎效果。粉碎室出口处采用敞开式结构,在刀辊正转作业时,可减小出口处负压,防止秸秆反向吸入粉碎室而缠绕刀辊;在刀辊反转作业时,也有利于秸秆抛出离开,防止缠绕刀辊。

3.5 地轮行走装置的设计

地轮行走装置没有驱动系统,在拖拉机牵引下移动。由地轮和地轮支架组成。地轮支架一端焊接于机架外两侧,另一端通过轴承安装地轮,并伸入刀辊工作幅宽范围内,以防止地轮作业行走中辗压未粉碎的蕉茎而被突然抬高,导致抬高甩刀出现漏割现象。

3.6 挡渣装置的设计

铁链挡渣装置由钢筋及若干条铁链组成,钢筋横向焊接于地轮支架上,若干条铁链一端焊接于钢筋上,另一端依靠自重下垂,以阻挡粉碎物飞溅伤人。铁链的优点是透气性能好,刀辊正转作业时可减小出口处负压,防止秸秆反向吸入粉碎室缠绕刀辊。

4 田间试验与结果

4.1 试验条件

田间性能试验在广东省徐闻县和安镇下尾仔村进行,机具工作幅宽1.08m,试验配套东方红LX904拖拉机作动力,功率66.2kW。香蕉品种为“广东香蕉2号”,种植行距1860mm,株距1740mm,植株假茎高2250～2850mm,干枯茎杆和叶片较多,秸秆含水率92.2%,每公顷植株数量3000株,产量为121t/hm2。

4.2 试验方法及指标

试验前,调查试验地特征和测定香蕉秸秆特性,试验时机器按正常工作状态作业,并按照以下方法检测。

4.2.1 香蕉秸秆产量

在试验地对角线上取样5点,对每点选择1颗植株,并将其茎杆和叶片全部砍下,称其质重,求出5点平均值,并计算每公顷的产量。

香蕉秸秆每公顷产量为

W=N×G

(1)

式中W—香蕉秸秆产量(kg/hm2);

N—每公顷植株数量(颗);

G—香蕉秸秆的平均质量(kg)。

4.2.2 香蕉秸秆粉碎率

在试验地对角线上取样5点,每点取1 m×1m,挖掘、拣拾出每点所有茎杆、叶片和纤维,称其质量,从中拣出粉碎长度≥200mm的茎秆、叶片和纤维,并称其质量,计算每点秸秆粉碎率及平均值。

每点粉碎率为

Fni=(Mzi-Mbi)/Mzi×100%

(2)

式中Fni—i测点秸秆粉碎率;

Mzi—测点秸秆总质量(kg);

Mbi—测点中粉碎长度≥200mm的秸秆质量(kg);

F—秸秆粉碎率。

4.2.3 生产率测定

在正常作业条件下测定1h左右(时间精确到s),测定3次,取平均值,则

E=Q/T

(3)

式中E—生产率(hm2/h);

Q—作业面积(hm2);

T—工作时间(h)。

4.2.4 单位面积燃油消耗量测定

在测定生产率的同时,测定其燃油消耗量,测定3次,取平均值,即

F=A/Q

(4)

式中F—单位面积燃油消耗量(kg/hm2);

A—工作时间内燃油消耗量()。

4.2.5 作业速度测定

在往返行程内进行测定,测定3次,取平均值。

4.3 试验结果与分析

采用刀辊先正转作业1次、再反转作业1次的工艺流程作业,香蕉秸秆粉碎成丝状碎渣,并有部分与泥土混合在一起,没有残留块状蕉茎,作业后地面平整,如图4所示。根据上述试验方法,测定了机具的性能参数,结果如表2所示。

表2 主要测试指标结果Table 2 The main indicators of the test results

图4 香蕉茎秆粉碎还田机作业效果图Fig.4 Banana stalk crushing and returning machine operation effect diagram

试验结果表明:整个作业过程没有出现蕉茎缠绕机具现象,机器作业性能稳定,作业负荷较轻,尤其是刀辊正转作业时拖拉机可以以较高速度行驶作业;与现有的 1XHJ系列香蕉假茎还田机[10]相比,工作效率提高了70%,单位面积耗油量节省29%。但是在土壤粘性大、水分多的蕉园,地轮易粘附泥土,泥土又不断掉落,造成地轮高度变化,降低其仿地形行走能力,因此应研究地轮外形结构,提高防粘土能力。

5 结论

1)正反转倒U型甩刀香蕉秸秆粉碎还田机从解决蕉茎长度入手,采用甩刀可正反转作业的结构,以及甩刀先正转作业1次将蕉茎打烂切短、再反转作业1次的工艺流程作业,破解了缠绕难题,实现了减轻作业能耗、提高作业效率和避免损坏机具的目的,且二次粉碎对新鲜大型香蕉品种(如粉蕉)更有技术优势。

2)该机配套拖拉机动力58.8～66.2kW,工作幅宽1.08m,生产率1.7 hm2/h,香蕉秸秆粉碎率93.1%,作业后土地可立即翻耕播种,机具应用前景广阔。