秸秆集中沟埋还田一体机的设计与试验

张绪争 魏清 何瑞银

0 引言

据统计，我国年产农作物秸秆6 亿～8 亿t，其中稻麦秸秆约占43.71%[1,2]。如何科学有效地处理农作物秸秆已逐渐成为我国农业生产面临的一个紧迫任务[3]。秸秆就地还田是最便捷、最廉价、最有效的秸秆利用途径，因此在我国得到了大力推广[4,5]。常规还田方式存在高产条件下难以全量还田且秸秆还田深度浅，导致后期播种质量差、耕层土壤板结和病虫害风险增加等问题[6]。王川等[7]研制了一种秸秆深埋保护性耕作复合作业机具，能将地表90%的秸秆深埋到地表10 cm 以下。郑智旗等[8]研制的秸秆捡拾粉碎掩埋复式还田机能将20%～50%的秸秆掩埋到土层15 cm 以下。魏凤兰等[9]研制的气吸式秸秆复合还田机能将地表粉碎秸秆吸入风机，经导料筒引至垄沟，存在秸秆量大时易堵塞等问题。王瑞丽等[10]研制了一种秸秆深埋还田开沟灭茬机，可实现开深沟、碎土、灭茬等多道工序。林静等[11]研制了一台1JHL-2 型秸秆深埋还田机，可完成秸秆粉碎、收集、开沟、深埋、镇压等多项作业。本文设计了一种能一次性完成水稻秸秆捡拾、秸秆入沟、覆土作业的秸秆集中沟埋还田一体机，为秸秆集中沟埋还田机械化技术与装备的研发应用提供参考。

1 整体设计及传动系统设计

1.1 整体结构

秸秆集中沟埋还田主要有开沟、秸秆捡拾、秸秆入沟、覆土镇压四个步骤[12]。秸秆集中沟埋还田一体机设计方案主要包括：

1）采用深度可调的链式开沟装置开沟，将土壤抛向开沟装置左侧，形成宽20 cm、深30 cm的埋草沟[13]；

2）采用水平旋转搂草装置将右侧地表水稻秸秆搂集至埋草沟上方，由压草轮压入沟内；

3）采用螺旋绞龙覆土装置将开沟作业抛出的土壤集中并覆土镇压。

整体结构如图1 所示。秸秆集中沟埋还田一体机的主要性能指标设计要求见表1。

1.2 传动系统的设计

图1 秸秆集中沟埋还田一体机结构简图

动力来源于拖拉机后输出轴。传动系统通过万向节、减速器、中间轴、锥齿轮减速器、I 级带轮减速器、Ⅱ级带轮减速器将动力传递给相应的工作部件。传动路线主要分为三路。

第一路：中间轴→I 级带轮减速器→覆土装置传动系统；

第二路：中间轴→开沟链→开沟装置；

第三路：中间轴→换向减速器→旋转搂草装置。

开沟主动链轮旋转轴向与拖拉机后输出轴成90°角，因此开沟装置减速箱采用一组标准直齿锥齿轮传动（改变动力传动方向和传动比）。为使开沟链条线速度达到额定工作速度4.6 m/s，锥齿轮传动比设计为1.65，模数设计为7。搂草装置减速箱采用锥齿轮传动，根据搂草装置动力输入轴转速要求（250 r/min），锥齿轮传动比设计为1.38，模数设计为4。覆土装置中间轴距离过大，因此采用两级V 带传动，根据螺旋绞龙的转速（≥190 r/min），传动比设计为1.2 和1.4，每级选用两根B 型V 带。

表1 秸秆集中沟埋还田一体机主要性能指标

2 工作部件选型与试验

2.1 搂草装置选型与试验

2.1.1 搂草装置选型

搂草装置起到将地表水稻秸秆搂集成草条送入埋草沟的作用。根据江淮地区收割机抛撒的秸秆形态以及田间秸秆量，查阅文献[14,15]可知水平旋转式搂草机具备漏搂率低、作业效率高的优点，本文选择世达尔9LXD 水平旋转式搂草机作为搂草部件。主要技术指标见表2。

根据文献[15]可知影响水平搂草装置工作效果的关键参数为弹齿转速和弹齿离地间隙，下面对这两个参数进行确定。

表2 世达尔9LXD 搂草机主要技术指标

搂草机靠秸秆之间的相互牵连作用搂草。当搂耙弹齿圆周线速度为6 m/s 时，秸秆之间的相互牵连作用力下降，搂草效果下降，一般正常范围值为10～13 m/s。世达尔9LXD 搂草机的搂草臂长度为1 m。按照公式（1）计算搂耙弹齿圆周角速度。

式中：W——搂耙弹齿圆周角速度，rad/s；

v——搂耙弹齿圆周线速度，m/s；

r——搂草臂长度，m。

设v为10 m/s，已知r为1 m，计算得W为10 rad/s。

按公式（2）计算弹齿转速。

式中：n——弹齿转速，r/min。

已知W为 10 rad/s，计算得n为 95 r/min。

搂耙弹齿不接触地面且离地高度低于留茬高度，一般在30～50 mm。离地间隙过低时，弹齿易戳入土中，损坏弹齿，增加捡拾功耗；离地间隙过高时，弹齿会出现搂不到秸秆的情况，造成漏搂率升高。根据经验，本文选择离地间隙为40 mm。

2.1.2 搂草装置性能试验

田间秸秆状况见表3。田间水稻品种为南粳46，搂草装置由东方红ME350 拖拉机牵引工作，前进速度为2.5 km/h，共进行二个作业行程试验，每次行程不低于50 m，每个行程上随机选取5 个点，测量并计算草条宽度平均值、单位面积平均漏搂秸秆质量和漏搂率，结果见表4。

试验结果表明：水平旋转搂草装置搂集的草条宽度平均值为18.2 cm，单位面积平均漏搂秸秆质量为0.041 kg/m2，漏搂率为4.7%，漏搂率较低，能够确保秸秆集中沟埋还田一体机有较高的秸秆入沟率。

表3 田间秸秆状况

表4 搂草装置试验结果

2.2 链式开沟装置选型与试验

2.2.1 链式开沟装置选型

链式开沟装置由山东高唐新航机械有限公司定制加工，由主动链轮、从动导轮、张紧链轮、开沟链、开沟刀片、支撑臂、螺旋排土器、刮土铲等关键部件组成，如图2 所示。主动链轮安装在中间轴上；从动导轮、张紧链轮和螺旋排土器安装在支撑臂上；支撑臂和刮土铲固定在安装架上，随安装架绕中间轴转动。开沟装置采用逆时针切削方式，输入轴通过十字万向节与拖拉机后输出轴相连，配套输入转速为540 r/min，开沟链线速度设计为4.6 m/s。当开沟深度为30 cm，开沟链与水平夹角约为45°。开沟深度通过液压系统调节。开沟装置主要技术参数见表5。

图2 开沟装置三维图

2.2.2 链式开沟装置性能试验

田间土壤状况见表6。链式开沟装置由东方红LX904 型拖拉机牵引，作业速度为2.5 km/h，进行2 个作业行程试验，每次行程不低于50 m，在每个作业行程上随机选取5 个点，测量并计算开沟深度、沟面宽度、沟底宽度以及左右两侧抛土带宽度，试验结果见表7。

试验结果表明：链式开沟装置可开出矩形埋草沟，沟面宽度和沟底宽度平均值分别为20.4 cm和20.2 cm，左右两侧抛土带宽度分别为58.2 cm 和51.4 cm，沟深平均值为30.3 cm，开沟深度稳定性系数为87%，沟型尺寸满足秸秆集中沟埋还田的农艺要求，开沟深度稳定。

表5 开沟装置主要技术参数

2.3 覆土装置的设计

螺旋绞龙覆土装置是将2 段旋向相反的等长叶片对称焊接在旋转轴上，其关键结构参数[16,17]为螺旋叶片直径（D2）、螺距（S）、螺旋升角（α)以及输送长度（L）。

作业时，螺旋绞龙推送土壤的过程等效为开式双螺旋输送机向中间输送物料的过程。

式中：M1——螺旋输送机单位时间的输送量，kg；

F——所送物料的横截面积，m2；

VZ——土壤轴向移动速度，m/s；

ρ——土壤堆积密度，t/m3；

D2——螺旋叶片直径，m；

表6 田间土壤状况

表7 开沟装置试验结果

γ——填充系数；

S——螺距，m；

n——旋转轴转速，r/min。

螺旋绞龙覆土过程中，实际推送的土壤质量等于开沟装置单位时间抛出的土壤质量，即单位时间开沟装置的生产率。

式中：M2——实际推送的土壤质量，kg；

Q——开沟装置理论生产率，m3/s。

理想状态下，开沟装置抛出的土壤全部被推送到埋草沟内，则输送量需满足M1≥M2，代入式（3）和（4）得：

螺旋绞龙的最大螺距Smax需满足

式中：D1——旋转轴的直径，m；

β——摩擦角，°；

f——螺旋绞龙与土壤的摩擦系数。

取D1=0.18D2，根据摩擦系数与摩擦角的关系β=arctanf，得：

根据JB/T 7679－2008《螺旋输送机》计算方法，取填充系数γ=0.33，将式（7）带入式（5），计算得螺旋叶片直径为0.39 m，螺距为0.24 m。

田间试验测得开沟装置左右抛土带宽度分别为0.58 m 和0.51 m，输送长度取0.6 m，根据设计计算得出绞龙关键技术参数，见表8。

3 整机田间试验

对关键部件进行选型与设计后，将各部件进行加工制造和装配，整机实物图见图3。

为了验证秸秆集中沟埋还田一体机的作业性能，设计了田间性能验证试验。试验安排在南京市高淳区水稻收获后的田块上。

3.1 试验条件

试验地前茬作物品种为南粳46，由久保田PRO688Q 全喂入履带收割机完成收割作业。田间作物及土壤状况见表9、表10。试验用拖拉机为90 马力久保田轮式拖拉机，作业速度为2.5 km/h，试验总面积约为0.8 hm2。

表8 螺旋绞龙关键技术参数

图3 秸秆集中沟埋还田一体机实物图

3.2 测定方法

根据文献[18,19]中的试验方法对秸秆集中沟埋还田一体机进行试验评价。图4 为田间试验图。评价指标有开沟尺寸、秸秆入沟率、覆土厚度和作业效率。

试验时，沿机器作业方向，随机选取三个作业长度不低于50 m 的作业行程，每个行程等间距取5 个测量点。挖出沟型截面，测量最上层秸秆的中点到原地表的距离作为覆土厚度，然后清除沟底回土和秸秆及沟边碎土，用直尺测定沟深及沟的上、下口宽，每个行程内等距离测量对应点的沟形截面尺寸。收集5 m 内埋入沟中的秸秆和沟外的秸秆进行称重，按埋入沟中的秸秆和5 m 测量区内秸秆总质量的比值计算秸秆入沟率。

表9 田间作物状况

表10 田间土壤状况

图4 秸秆集中沟埋还田一体机田间试验

式中：S——秸秆入沟率，%；

m1——沟内秸秆质量，kg；

m——测定区秸秆总质量，kg。

3.3 试验结果

田间试验结果见表11。试验结果表明，秸秆集中沟埋还田一体机的作业效果能满足秸秆集中沟埋还田农艺要求。

4 结论

1）将链式开沟装置、水平旋转搂草装置和螺旋绞龙覆土装置等关键部件集成优化配套，研发了秸秆集中沟埋还田一体机。该机可一次完成开沟、搂草入沟、覆土作业。

2）通过合理布置整机方案和设计传动系统，保证了各工作部件动力匹配、速度同步、动作协调，可基本实现秸秆集中沟埋还田机械化作业。

表11 秸秆集中沟埋还田一体机田间试验结果

3）试验结果表明：秸秆集中沟埋还田一体机的工作幅宽为2 m，作业效率为0.43 hm2/h，平均开沟深度为29.95 cm，沟面宽为21.2 cm，沟底宽为20.45 cm，秸秆入沟率为86.3%，平均覆土厚度为15.5 cm，作业效果满足秸秆集中沟埋还田技术的农艺要求。