1JH-440型秸秆粉碎还田机的研究

李新明

（山东工业职业学院，山东 淄博 256414）

农作物秸秆是农业生产的主要附属物，资源量巨大，如何有效利用农作物秸秆是现阶段面临的主要难题。玉米秸秆资源利用方式主要有还田、饲料化和工业化等形式，其中机械化直接还田是一条最快捷、有效的途径，也是实现保护性耕作、建立高产稳产农业的有效途径[1]。秸秆还田装备研发对于发展生态沃土、促进资源有效利用具有重要意义。

国外对秸秆的利用方式主要也是机械还田，有效促进了秸秆还田发展，也相应推进了保护性耕作技术。国外秸秆机械化还田机具存在对我国适应性差的问题，且价格昂贵，不适宜直接使用。国内现有秸秆还田机依然存在农机、农艺融合程度不足的问题，由于秸秆不能细碎，导致小麦免耕播种机堵塞，防堵装置的使用又带来机具价格的上涨及动力需求的增加。另外，采用灭茬或普通旋耕的方式，秸秆和根茬混入土壤后导致土壤不实产生间隙，不仅失墒较快，而且导致播种后种子在土壤中出现架空现象，无法形成优良的种床环境，影响种子的正常发芽和根系成长，降低了作物对自然灾害的抵御能力。因此，现有秸秆还田机械都存在农机、农艺融合程度不足、还田质量不稳定等影响作物后期成长的问题，其主要表现在捡拾不干净、抛撒不均匀、长度太长。不仅导致免耕播种机堵塞，而且秸秆与土壤融合不好导致种子虚空，后期根系偏弱以致减产。

针对以上问题，结合区域农艺要求，以提高秸秆还田质量和推进保护性耕作技术为出发点，设计了1JH-440 细碎型秸秆还田机，该机是为大功率拖拉机配套的机型，在不清理秸秆的情况下就能够进行机械化免耕播种，适用于合作社及大农户进行秸秆粉碎还田作业，为我国保护性耕作有效推进提供技术和装备支撑。

1 方案设计

1.1 整机结构

1JH-440 型秸秆粉碎还田机结构型式为悬挂单轴式，主要由万向节总成、机架、悬挂总成、齿轮箱总成、罩壳总成、张紧装置、地轮总成、刀轴（分段）总成、挡帘、支撑装置等组成，组成及外形尺寸见图1。该机作业后秸秆覆盖相对均匀，地表平整。粉碎还田作业质量要求：切碎长度≤10 cm，粉碎长度合格率≥90%，抛洒不均匀度≤20%，粉碎率≥90%，漏切率≤1.5%，适用性好，安全程度高。

图1 1JH-440型秸秆粉碎还田机组成图Fig.1 The composition of 1JH-440 straw crushing and returning machine

1.2 工作原理

机具作业时，拖拉机与1JH-440 细碎型秸秆还田机通过三点悬挂连接成一体，拖拉机通过传动系统驱动主驱动轴旋转，动力从两端经皮带传递给甩刀轴。拖拉机在行进中，秸秆还田机高速旋转的动刀将秸秆切断并打入罩壳内，在动刀与定刀作用下将秸秆在罩壳内粉碎到长度＜10 cm，细碎后的秸秆通过气流及离心作用被均匀抛撒在机具后方的田间，完成秸秆还田作业。地轮可以对均匀铺放的秸秆进行镇压，有效防止秸秆乱飞并对埋入土壤中的秸秆进行压实，形成高质量种床。

2 秸秆还田机设计计算

2.1 动力匹配计算

机具动力由拖拉机动力输出轴提供。由经验公式可知拖拉机的最大功率输出Pmax为[2]

式中：Pmax——拖拉机最大输出功率，kW；P——动力输出轴负载的功率消耗，kW；Ms——拖拉机使用质量，kg；Fn——还田机的牵引阻力，N；f——拖拉机的滚动阻力系数，取0.08；v——机具正常作业速度，km/h；g——重力加速度，9.8 m/s2。

根据农业机械设计手册可知，还田机单位幅宽消耗功率为0.22 kW/cm，则还田粉碎装置消耗的功率为P=0.22 kW/cm×440 cm=88 kW。考虑到其他工作部件消耗的功率，取P值为90 kW，阻力Fn为24 KN。田间试验选择凯斯2104 拖拉机提供动力，Ms为4 570 kg，代入上式可得Pmax=153.97 kW。

2.2 挂接装置设计

农机具悬挂参数是否合理对机组工作质量影响极大，设计不当会导致耕深不稳、耕宽不稳等[3]。补偿式三点悬挂连接装置设计的基础是挠性连接理论，与传统三点悬挂相比连接牢固、稳定性好。补偿式三点悬挂连接机构由拉杆、上挂接板、斜撑板以及左右对称的一对下挂接板组成，见图2。

图2 补偿式三点悬挂连接机构Fig.2 The compensation type three-point linkage

从图2可知，拉杆上部与还田机上挂接板通过销轴铰接。作业时，拉杆对销轴的作用力补偿了平衡力系中某些力的变化，增加了整体结构稳定性。图2 左双点划线组成一个三点悬挂机构的三角形，图2右双点划线形成刚性三角形，两个三角形所在的平面相互垂直，由三角形稳定性原理可知，机具整体既具有刚性又具有稳定性。

该补偿式三点悬挂连接装置优点：①机具田间作业时，还田机稳定性较好，降低了功耗；②运输时，可缩短拉杆长度，降低了还田机摆动风险，增加了作业人员的安全性。

2.3 Y型甩刀在刀轴上的排列

Y型刀片具有功耗小、耐磨的优点，且在定刀的作用下更容易将秸秆细碎。整机刀具的数量和排列方式直接影响着粉碎装置的粉碎效果、工作阻力以及机具的振动频率等[4-5]，合理的布置不仅能降低功耗，更能减轻机组振动，提高粉碎质量。考虑到粉碎装置的功率消耗不可过大，根据粉碎要求，计算得粉碎轴上安装56 组刀具，共112 把甩刀。将刀具分为两大组，按照双螺旋线排列，相邻两组刀具轴向距离为150 mm。此时，位于同一条螺旋线上的相邻两刀片的径向夹角为72°，如图3 所示。工作过程中，每次最多有2 把甩刀同时作业，在保证粉碎效果的同时，减轻了机具的工作阻力，降低了甩刀磨损程度，提高整机使用寿命。

图3 Y型甩刀在粉碎轴上排列Fig.3 The arrangement of Y-type flail on comminution shaft

2.4 稳定性计算

2.4.1 爬坡稳定性能指数

爬坡行驶状态下，一般道路规定的最大坡度角20°，此时机纵向稳定性小于爬坡稳定性指数表征，该指数越大越好。该机接近角＞20°，所以机组满足纵向稳定性要求。

2.4.2 拖拉机悬挂机构油缸提升能力校核

凯斯纽荷兰Puma 2104 油缸最大推入推出力PZma为6 700 N，油缸提升能力储备指数

提升能力储备达到67.4%，故油缸提升能力足够。

3 结论

（1）为满足播种时需秸秆粉碎的农艺要求，设计了1JH-440 型秸秆还田机。该机由万向节总成、机架、悬挂总成、齿轮箱总成、罩壳总成、张紧装置、地轮总成、刀轴总成、挡帘、支撑装置等组成，结构简单可靠，调整使用便捷。

（2）对改机动力匹配进行计算，明确了田间作业所需动力Pmax=167.75 kW。对挂接装置、刀轴排列及稳定性进行计算，确定了该机关键技术参数。

（3）作为衔接收获和免耕播种的秸秆还田装备，对于发展生态沃土、促进资源有效利用具有极其重要意义，为我国保护性耕作有效推进提供技术和装备支撑。