大棚作物秸秆粉碎还田机刀片装置

孙平平 李雪明 王晓林

(潍坊科技学院，山东 寿光 262700)

秸秆废弃物是一种可循环利用的资源[1]。秸秆还田是当今世界上普遍重视的一项培肥地力的增产措施，在杜绝了秸秆堆积和焚烧所造成的大气污染的同时还有增肥增产的作用[2]。市面上现存的秸秆粉碎还田机更多的是用于室外农作物的粉碎还田[3]，适用于大棚内作物秸秆粉碎还田的几乎没有。

本文针对目前大棚作物秸秆粉碎还田机刀片装置结构复杂庞大，秸秆粉碎长度较大、抛撒不均匀的问题，设计了一种镰刀型定刀片与直型带弯角的动刀片配合使用的秸秆粉碎还田机刀片装置。其工作幅宽1.2m，通过对整个装置的结构设计、定刀与动刀的加工工艺、排列与配合等关键因素进行理论分析，确定了其最佳结构组织形式及工艺参数。

1 新型秸秆粉碎还田机刀片装置的结构和工作原理

1.1 新型秸秆粉碎还田机刀片装置的结构

本文所研究的大棚作物秸秆粉碎还田机刀片装置由定刀和动刀结构组成。定刀片焊接在刀片装置机罩的内壁上，沿直线在两侧、中间均布3组，形成定刀结构，安装时定刀片刃口迎向动刀片的旋转方向；动刀结构总成包括刀轴(1)、刀架(2)、刀片(3)，刀轴为圆柱回转体零件，选用45钢正火处理，刀架是上下边呈小圆弧的圆角矩型，刀片呈三面刃直型，外端带弯角，弯角取135°。矩形的刀架呈双螺旋排列焊接在刀轴上，三面刃直形的刀片用自锁螺母(4)固定在矩形的刀架上，构成刀片装置。该刀片装置总长1090mm，总宽620mm，总高715mm，结构小巧，动作灵活，平衡性强，粉碎质量高，适用于大棚内地块平坦的支撑柱间作业。

1.2 工作原理

该刀片装置是与小型拖拉机配套使用，利用输出轴传递动力，采用悬挂架升降，接动力传递方式，为方便大棚内作业设置前置形式。通过齿轮传动驱动刀轴高速旋转，对大棚内秸秆直接粉碎并抛撒还田。工作原理是随刀轴高速旋转的末端带小弯曲角的直型动刀片对秸秆进行砍切，并在刀片装置入口处吸压力的作用下将其吸入装置内，与定刀配合使秸秆在多次剪切、打击、撕裂作用下成剪断状，均匀地抛撒在田间。

2 大棚作物秸秆粉碎还田机刀片装置关键部件的设计

2.1 定刀片与动刀片的材料选择及加工工艺

本机刀片材料选用50Mn。为了保持刀片良好的剪切粉碎功能，刀片刃口设计过程中，刃口角度取30°，设置0.5mm的淬火层。新型刀片设计刃口半径为 0.35mm，并采用外磨刃形式以保持刀片刃口锋利，新型刀片的长度取100mm，宽度取 35mm。

2.2 定刀片与动刀片的排列与配合

2.2.1 定刀片的排列

定刀片成直线型焊接在机罩内壁的两侧和中间处，均匀分布。

2.2.2 动刀片的排列

为了使得秸秆粉碎后能及时排出刀片装置，避免缠绕到刀片上，一般取刀片的排列密度q为18～25片/m。刀片的排列密度计算公式为

q=N/L

式中：q为刀片密度(片/cm)；N为刀片数量(片)；L为刀片装置长度(cm)。

考虑到大棚作物秸秆湿度相对较大，若刀片的排列密度过大容易造成刀片被秸秆缠绕，影响后续的秸秆粉碎；若其排列密度过小会使得刀片空切，导致秸秆粉碎不均匀及粉碎长度过大等现象。所以，在满足工作效果的情况下取q=20片/m，将L=1.09m代入上式，计算得出N=22片。

本项目通过分析试验以上排列方式的优缺点，设计创新一款新型的双螺线对称刀片排列方式，使刀轴受力均匀，防止对刀轴产生影响，且要使刀轴受到的径向力平衡，使其均力免震；其次要增大相邻两刀的径向夹角，这样会使得刀片的切碎效果比较好，且不易发生缠绕堵塞和空切的现象。

2.3 定刀片与动刀片的配合

在考虑粉碎、抛撒效果及稳定性等因素的基础上，本文最终选择镰刀型定刀片与直型带弯角的动刀片配合作业的刀片装置。在刀片装置上，定刀焊接在机罩内壁的定刀座上，与安装在刀轴上动刀的重合长度≥75mm，安装时定刀刃口迎向动刀的旋转方向，定刀片1与动刀片2对中布置。如图1所示。

图1 刀片配合图

3 试验设计及结果分析

3.1 试验条件

进行创新式大棚作物秸秆粉碎机刀片装置与传统式粉碎机刀片装置的对比试验。对比分析两者在大棚内支撑柱间作业的区域适用性、功耗、粉碎合格率、抛撒均匀度。2020年11月在山东省寿光市潍坊科技学院设施农业示范园(地处北纬37°52′，东经118°44′)进行了田间试验，试验对象为“玉玲珑”番茄秸秆，先期作了开棚一周的晾晒，秸秆含水率15.85%，较高，秸秆直径10.12 mm，试验地情况满足机具作业要求。

3.2 结果分析

试验结果如下表，

留茬平均高度粉碎秸秆长度合格率抛撒均匀度创新刀片装置83.794.884.7传统刀片装置86.590.379.8

综上可知，当小型拖拉机前进速度为3.6km/h，刀轴转速为 1498r/min，创新刀片装置较传统刀片装置在留茬平均高度、秸秆粉碎长度合格率及抛撒均匀度方面均有较大的改进，满足设计需求。同时该刀片装置可推广到大棚内辣椒、茄子等作物使用，对当地的大棚内作物秸秆粉碎还田发展起到很好的促进作用。