新型多功能秸秆粉碎还田回收机的设计

新疆农业科学２００８，４５（ｓ２）：１４５—１４８　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　新型多功能秸秆粉碎还田回收机的设计　张佳喜，王学农，陈发，蒋永新，牛长河　（新疆农科院农机所，乌鲁木齐８３００９１）　摘要：目前，农作物秸秆这一生物资源越来越被人们所重视，但是目前秸秆粉碎机具按功能可分为秸秆还田　和秸秆回收两种，功能单一，为了使秸秆粉碎能满足还田及回收的要求，新疆农科院农机所研制了一种新型的　秸秆粉碎还田回收机，结构简单，功耗小，可完成多种作物秸秆的粉碎还田及回收，通过简单的转换装置就既　可以完成秸秆粉碎还田，在不需要风机的情况下，凭借甩刀的击打力及其产生的风力又可以完成秸秆粉碎回　收，试验证明此种机具基本能够满足秸秆粉碎还田及回收作业的要求。　关键词：农业工程；秸秆粉碎；还田；回收　中图分类号：￥２２０．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４３３０（２００８）Ｓ２—０１４５—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｎｅｗ　ａｎｄ　Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｆｉｅｌｄ　Ｓｔｒａｗ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｃｈｏｐｐｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａ—ｘｉ，ＷＡＮＧ　Ｘｕｅ—ｎｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｆａ，Ｊ￣ＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｘｉｎ，Ｎｉｕ　Ｃｈａｎｇ—ｈｅ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ａｄａｄｅ．Ｏ＂ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＵｒｔｍｕＴｉ　８３００９１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｐｅｏｐｌｅ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｔｒａｗ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒａｗ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｗｏ　ｔ）３￣ｅｓ　ｏｆ　ｃｈｏｐｐｅｒ　ｆｏｒ　ｍｕｌｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ，ｂｕｔ　ｔｈｅｉｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｉｍｐｌｅｘ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｍｕｌｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ，ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒａｗ　ｃｈｏｐｐｅｒ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｉｔ’ｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｎｅｅｄ　ａ　ｌｉｔｔｌｅ　ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒａｗ　ｃｈｏｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｕｌｃｈｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｈｔｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｉｔ　ｎｅｅｄｎ’ｔ　ｆａｎ　ｔｏ　ｌｎｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒａｗ　ｃｈｏｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｂｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｉｎｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｂｌａｄｅ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｍｕｌｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒａｗ　ｃｈｏｐｐｉｎｇ；ｍｕｌｃｈ：ｒｅｃｌａｉｍ　秸秆是农作物的主要副产品，也是工农业的重要生物资源。搞好农作物秸秆的综合利用，对于一个　人口众多而农业资源相对短缺的国家，在大力提高资源利用率的同时，保护生态与环境，是整个农业可　持续发展的一项战略措施。　机械化秸秆粉碎还田技术早在２０世纪６０年代初国外就开始应用于生产了。国内机械化还田回收　起源于８０年代，发展速度较慢，主要开发的产品是与中小型拖拉机配套使用的秸杆粉碎还田机具，这些　机具对农业的增产增收发挥了重要作用，但还存在一些问题，如现有的秸秆粉碎机有直接还田和回收两　种，无法满足秸秆既可以还田又可以回收要求。另外，秸秆粉碎回收机都带有风机，这就造成成本高，功　耗大等缺点。为此研制了一种结构合理、功耗小、工作稳定，适合玉米，棉花等多种作物的秸秆粉碎还田　及回收机。　１　主要原理及结构特点　１．１主要部件　秸秆粉碎还田及回收机，主要由悬挂架、动刀辊、齿轮箱、机壳、限深轮，回收送料斗、插板等组成。　粉碎辊刀轴转动支承在机壳两侧，在机壳外有传动副连接在所述粉碎辊刀轴上，同时在机壳两侧装有仿　形地轮，在机壳上部装有回收送料斗或盖板（装在回收送料斗机壳结合部）。图１　收稿日期：２００８—０４—１５　基金项目：旧家科技支撑计划项目“棉花持续优质高效生产技术体系研究与示范”（２００６ＢＡＤ２１Ｂ０２）；新疆维吾尔自治区“十一五”重大科　技　项“棉花生产关键技术开发、集成与示ｌ范”（２ｏｏ７３１　１３３）　作者简介：张佳喜（１９７３一），副研究员，研究　向为农业机械．（Ｅ—ｍｉ￣１）ｘｊｚｊｘ＠ｘ一．ａｃ．Ｃｌｆｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１４６・　新疆农业科学　４５卷　１．２工作原理　在使用时通过齿轮箱前面的输入轴与拖拉机的动力输出轴连接，粉碎辊刀为顺时针旋转，当粉碎辊　刀高速旋转时，Ｊ形甩刀与定刀相对作用将秸秆切碎，并高速将秸秆粉碎还田；如需要回收秸秆时，则将　还田盖板更换为回收送料斗，并利用动甩刀旋转产生的风力和击打力将切碎的秸秆送出回收送料斗到　装料车上。　１．３结构特点　（１）Ｊ形甩刀　甩刀上端与所述中空轴表面垂直刀座连接，中空轴的轴向两刀头重合为３—６　Ｈ瓶，径向每ＯＯ一９０￣，　设置一个刀头，粉碎辊刀相邻的机壳上设置有数排对应于上述Ｊ形甩刀的定刀，秸秆粉碎效果好，不漏　割并且抛送效果好。　（２）垂直式旋刀　由主机动力输出轴的水平旋转，通过一对弧形齿轮，输出到皮带轮。通过大带轮转小带轮进一步增　速，传送到动刀辊。１８　２４把Ｊ型甩刀将作物秸秆切断并打碎。　（３）限深轮仿形　由限深轮通过销子固定限深轮两端的支臂，来控制甩刀离底的最低距离，使机具在工作时，保证了　留茬高度和甩刀不至于碰地。　（４）回收送料斗　回收送料斗与地面的夹角为４５。，这就便于甩刀的切割力和甩刀旋转产生的风力沿４５。方向抛出秸　秆，并利用甩刀旋转的风力将切碎的秸秆送出回收送料斗到装料车上，这就减少了秸秆的输送装置，降　低了成本。　（５）秸秆回收与还田转换装置　将回收送料斗的取下．盖板装上作为还田机使用，大大减少了粉尘，并且可以提高秸秆的粉碎效果，　可以做到一机多用。　２主要工作参数的确定　２．１　甩刀的旋转方向的确定　当甩刀的旋转方向和拖拉机前进时轮子的转向相同时，机具不能正常工作，被甩刀切下的秸秆直接　向下飞出，并不通过粉碎腔统一粉碎。而甩刀的旋转方向和拖拉机前进时轮子的转向相反时，秸秆粉碎　较充分，并且有利于秸秆的抛送回收。　２．２甩刀的排列方式　甩刀的排列方式对刀辊转动时的平衡，物料在粉碎室内的分布状态有着极大的影响。因此，甩刀在　刀轴上的排列，应使其沿粉碎室宽度的运动轨迹分布均匀，物料不向一侧推移，且有利于转轴的动平衡。　常见的排列方式有旋线排列、对称排列、交错平衡排列三种方式。由于交错平衡排列甩刀运动中离心力　合力作用在同一平面内，平衡性能较好，机器振动小，因此该机采用此方式。　２．３甩刀与机壳定刀和前后挡板的间隙的确定　甩刀与定刀的距离过大，粉碎效果不好；距离过小就容易使动刀与定刀碰撞，磨损甩刀，所以甩刀与　定刀的间隙为３—２０　ｎｌｍ为宜，以５～１５　ｉｎｔｌｌ为佳。　甩刀与前挡板的的间隙由与定刀的间隙决定，甩刀与后挡板的间隙过大，秸秆的粉碎效果不好，并　且秸秆易散落于地面，不利于回收。甩刀与后挡板的间隙过小，则容易损坏粉碎部件，甩刀与后挡板的　间隙为８～１５　ｍＩｎ为宜。图２　２．４甩刀参数的确定　甩刀是秸秆粉碎还田回收机的关键部件。Ｒ为甩刀顶端至转子轴中心的转动半径。Ｒ可依据理论　上给定的被切棉秆的有效长度，即Ｒ＞，Ｊ（Ｌ＝２ｌ～３３　ｃｍ）确定。无支撑切割器因转子转速较高，故甩刀　尺寸不宜过大，甩刀数目也不宜过多，以免造成机组工作的不平稳。考虑到对切碎棉秆的气流输送，通　常甩刀宽为５～１５　ｃｍ。甩刀设计成Ｊ形，用销轴与刀座连接，静止时因重力而下垂。每组甩刀沿转子圆　周对称排列，每组通常４片。甩刀一般用优质碳素结构钢６５　ｇｎ制造，刃片经淬火处理。为防止棉秆漏　切和保证切割的连续均匀，且相邻两组甩刀都有适量的重叠。这种设计结构简单，振动小，切碎能力强，　维普资讯 http://www.cqvip.com

增刊（Ｓ２）　张佳喜等：新型多功能秸秆粉碎还田回收机的设计　．１４７．　而且抛送作用也强。图３　：４　ｊ、　’‘　’　‘～　．’　　：　１１．支撑腿；２，动刀辊；３．定刀；４．壳体；５．齿轮箱；　Ｉ．机壳前挡板；２．甩刀：３．定刀：４．机壳后挡板　６．悬挂架：７．回收送料　；８．盖板；９．限深轮　图２甩刀与定刀及挡板配合示意　图１整机结构示意　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｋｎｉｆｅ　ａｎｄ　ｆｉｘｅｄ　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｋｎｉｆｅ　ａｎｄ　ｂａｆｌｆｅ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　２．５刀辊的转速确定　刀辊转速是秸秆粉碎还田、回收的重要工作参数。设计时，从以下三方面确定刀辊转速［１—４］：首先，　能保证有效切割秸秆；其次，满足秸秆的粉碎要求；三是旋转甩刀顶端的切线速度所形成的惯性和气流　作用能有效抛送粉碎后的秸秆。通过以上三方面的理论分析，粉碎机甩刀设计转速必须大于以上三个　方面中的最大值。　２．６回收送料斗的角度和高度的确定　秸秆的抛送实际受到两部分力的作用：一是甩刀高速旋转所产生的抛送力，二是高速旋转的甩刀所　产生的气动力，其中甩刀产生的抛送力为主要的动能，因此回收送料斗的角度可以根据抛送力的的切线　方向为最好，即为抛送角ｅ约为４５。左右　图４　／　、　／／　　Ｉ　ｌ，　图３甩刀结构示意　图４秸秆抛送示意　Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆｔｈｅ　ｋｎｉｆｅ　Ｆ电・４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｗ　ｔｈｒｏｗｉｎｇ　秸秆的回收必须满足一　ｆｌ，９　ｒ￣度，设输送秸秆的质量为ｎ　，升运的垂直高度为　，输送秸秆的初速　度为　ｌ，出口末速度为　２，一般　２＝２～３，，　／ｓ，为使其具有一定的排出能力根据动量守恒：　吣２＝　（１＋　）＋吉　ｚ　（１）　式中　ｔ——升运时秸秆与管壁的摩擦、秸秆间的碰撞、空气阻力等能量损失系数。　设刀辊在水平位置时将秸秆抛起，同时考虑到刀辊的圆周速度与秸秆的初速度之间的差异，则　ｓｉｎＯ＝（１＋　２）　ｌ　ｆ２）　式中ｆ　——刀辊圆周速度转化为物料初速度　时的损失系数。则秸秆的抛送高度为　ｖｓｉｎＯ２＋Ｖ２（１　＋２　２＝　——１２２）２ｇ（．１＋　１）（１＋　２）　（３）　维普资讯 http://www.cqvip.com ・１４８・　新疆农业科学　４５卷　３切割作物秸秆所需消耗功率的计算　３．１　动刀辊空转消耗的功率　根据动力学原理动刀辊空转消耗的功率为：Ｎ刀＝　１＂埘　＋　１　１ｗ　，＝　式中　ｍ——刀辊质量；　——刀辊转动的角速度；　——甩刀末端线速度；卜一转动惯量　（４）　２。　３．２动刀辊旋转切割秸秆所消耗的功率　切割作物秸秆消耗功率计算公式：　１　ｖ　Ｉｏ　切　（５）　式中　——机组作业前进速度；Ｂ——刀辊旋转切割幅宽；，０——甩刀末端线速度。　综合拖拉机空载等其它功耗估算得４０马力以上的拖拉机便可正常作业。　４试验结果　４．１试验条件　选用约翰迪尔６５４拖拉机，工作幅宽为１．８　ｍ，工作行为４行，机具前进速度为４—５　ｋｍ／ｈ。试验材　料为棉秆，地块面积为５．３４　ｈｍ２（８０亩），平均棉秆高５５１　ｎ１Ｈｌ，茎秆含水率１５．８５％，茎秆平均直径９．７６　Ｈ肌，试验地情况良好。　４．２试验结果　２００６年ｌ１月，在新疆新和县棉田中对机具进行了性能试验，试验的主要的性能参数如下：工作幅宽　为１　８００　ｍｍ；工作速度６—７　ｋｍ／ｈ；留茬高度５０—１００　ｍｍ；平均切割秸秆长度＜１５０　ｍｍ；秸秆回收率≥　９ｏ％，粉碎性能满足国家标准。　５结论　秸秆粉碎还田及回收机结构设计合理、新颖、功耗小，有一定的创新性，可对玉米小麦等作物的秸秆　进行粉碎还田或回收作业，具有良好的适应性。为广大农民提供了一种新型多功能的秸秆粉碎还田回　收机具，大大减轻了农民的负担。　参考文献：　［１］黄新平．棉秆粉碎收获机的设ｔｌ－［Ｊ］．农业机械学报，２００３，（７）：６０—６３．　［２］镇江农业机械学院．农业机械（下册）［Ｍ］．北京：中国农业机械出版社，１９８０．　［３］中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册（上，下册）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８４．　［４］吴风生．４Ｑ一３型秸秆还田装置的研制［Ｊ］．农机与食品机械，１９９９，（１）：２８—２９．　［５］卡那沃依斯基［波兰］，曹崇文，吴春江，柯保康等译校．收状机械［Ｍ］．北京：中国农业机械出版社