沟齿式香蕉假茎粉碎还田机设计与试验

王自强，李 粤，张喜瑞，梁 栋，汝绍锋，魏思林

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)

0 引言

据国家统计局数据库的统计数据，我国2014年香蕉产量已达到1 179.19 万t，假设香蕉茎叶废弃物质量与香蕉产出质量比值为2.4，则香蕉茎叶废弃物年产量可达2 830万t[1-4]。

在香蕉产地香蕉收获后，绝大多数的香蕉假茎依然沿用了人工的方法处理，不但浪费耕地资源，影响蕉园品种的更新，而且还可能导致堆放香蕉假茎的空地变成香蕉病虫害的繁殖场和传播源，严重影响香蕉产业的后续发展[5-6]。另外，香蕉假茎中富含氮、磷、钾等有机物，若直接将其整株进行机械化粉碎还田，不但可以大大减轻农民的劳动强度，而且有利于增加土壤有机质，改善蕉园土壤结构，保持保水、透气、保温等理化性状[7-8]。粉碎后的香蕉茎叶碎片覆盖地面，可减少土壤水分的蒸发，缓冲雨水对土壤的侵蚀，增强土壤的蓄水能力[9-11]，进而实现香蕉种植地的保护性耕作。

现有国外大型农机公司的秸秆粉碎还田机普遍存在配套动力和工作幅宽较大的问题，而且主要针对玉米秆、水稻、麦秆及棉秆等作物秸秆粉碎，对植蕉地区适应性差，不能直接用于香蕉假茎粉碎。目前，我国对于香蕉假茎粉碎还田机的研究尚处于研究的起步阶段。朱德荣等[12]设计了一种能一次性将香蕉的假茎、叶、根茬同时粉碎还田的还田机具，减少了拖拉机进地次数，降低了作业成本，但存在粉碎刀易磨损、机器振动过大等问题，需进一步优化。李粤、甘声豹等[13]研制的喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机，一次田间作业可完成香蕉假茎铲断、喂入、粉碎和抛洒还田的连续作业。田间试验表明：其粉碎率达到了94.9%，但由于其对香蕉假茎的粉碎方式为径向切割，粉碎过程中甩刀对假茎有一个很大的横向摆力，从而对还田机喂入辊的夹持有很高的要求；另外，在压辊挤压输送香蕉假茎的过程中压辊辊齿易产生缠绕。张喜瑞、甘声豹[14]等研制的滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机能完成香蕉假茎螺旋喂入、卧式粉碎和抛洒还田。试验表明：该样机作业过程中运行比较平稳，粉碎性能良好，香蕉假茎粉碎合格率高达96.6%，粉碎后香蕉假茎平均长度为57mm，优于行业标准；但存在螺旋刀片易产生形变影响喂入效果、锤爪式粉碎刀易磨损、更换成本高及卧式还田机易缠绕等问题，需进行进一步优化。

针对以上问题，结合香蕉假茎粗大、脆性大等特性，设计了一种能对收获后的香蕉假茎整株进行直接还田的沟齿式香蕉假茎粉碎还田机，理论计算了其关键部件的结构参数，并进行了实际田间试验。该机器的研制成功对促进香蕉假茎还田的综合利用和香蕉产业的可持续发展具有十分重要的意义，并具有较高的经济效益和生态效益。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

沟齿式香蕉假茎粉碎还田机主要由喂入装置、秸秆粉碎装置、镇压装置、三点悬挂机构及机壳等部分组成，如图1所示。

1.喂入装置 2.带传动机构 3.秸秆粉碎装置 4.镇压装置 5.滚压辊 6.机壳 7.定刀 8.三点悬挂机构 9.变速箱 10.带传动机构

整机通过三点悬挂机构连接于拖拉机后下方，田间作业时可通过调节悬挂机构的高度来适应不同的作业环境[15]。被拖拉机前倒伏装置推倒的香蕉假茎整株先后经过喂入、粉碎和滚压等装置进行处理，喂入装置和粉碎装置位于机壳内，滚压装置连接在机壳后方，定刀安装在喂入辊后上方机壳上。

1.2 工作原理与技术参数

还田机作业时，拖拉机的动力输出轴通过万向联轴器将动力传递到沟齿式香蕉假茎粉碎还田机的传动系统。拖拉机输出的动力一部分经由变速箱上的一传动轴及喂入装置的带传动机构传到沟齿式喂入辊，驱动喂入辊完成香蕉假茎的轴向喂入；另一部分经变速箱上的另一传动轴及粉碎装置的带传动机构将动力传递给粉碎装置，带动粉碎装置的刀辊高速旋转。旋转的甩刀对喂入辊平稳喂入的香蕉假茎进行粉碎并抛撒在地上，镇压装置对香蕉假茎碎块进行滚压。样机主要性能参数和技术参数如表1所示。

表1 机器的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

2 关键部件设计

2.1 喂入装置

喂入装置是将被拖拉机前倒伏装置推倒的香蕉假茎进行强行喂入，并送入到粉碎装置的装置[16]，主要由沟齿式喂入辊、调心滚子轴承及带轮等部件组成，如图2所示。

喂入装置主要技术参数有：沟齿式喂入辊长度L和直径D；沟齿式喂入辊转速n1，转向与拖拉机驱动轮方向相同。

1. 沟齿式喂入辊 2. 调心滚子轴承

2.1.1 结构参数

喂入装置主要结构参数有：沟齿式喂入辊长度L和直径D、沟齿式喂入辊轴线与地面之间的距离h。

L越长，对香蕉假茎抓取幅度越宽，同时也会增加整机的尺寸和功耗。综合考虑到香蕉植株的行距和横向生长幅宽，本设计选取沟齿形喂入辊长度L=1 600mm。

喂入辊外径D越大，对香蕉假茎的抓取能力越强，同样会增加功率的消耗。若D过小，虽然可以大大降低功率消耗，但由于对香蕉假茎的抓取面积过小，无法平稳地喂入香蕉假茎，起不到喂入的作用。

外径D可根据公式(1)计算进行选取[13]，即

(1)

其中，Dmin为喂入辊最小外径(mm)；Q为压延比，取Q=0.6；Φ为喂入前香蕉秸秆截面直径，取Φ=250～350mm；θ为香蕉假茎对沟齿式喂入辊的摩擦角，取θ=40°～50°。

将上述选择数据代入式(1)，得到Dmin为127～253mm；而外径D取在100～250mm范围内比较合适[13]，因此本设计取D=250mm。

要保证喂入辊能够有效喂入香蕉假茎，喂入辊轴线到地面的距离不能大于最小的香蕉假茎直径与喂入辊半径之和，故本设计取h=300mm。

2.1.2 沟齿式喂入辊的转速n1

喂入辊的转速直接决定着香蕉假茎的进给速度，间接影响还田机后续的粉碎效果，是粉碎还田机重要的工作参数之一。在香蕉假茎在与喂入辊接触之前，香蕉假茎相对机器的速度与相对于拖拉机前进速度在数值上相等的。香蕉假茎在与喂入辊接触之后，沟齿辊刃口将对香蕉假茎进行切削、打击。此时，若沟齿辊的转速过大，沟齿辊刃口在一定时间内切削香蕉假茎的次数就越多，切块就越小，但在向后切削力作用下，假茎喂入速度加快，导致功率消耗过大，反过来又会影响粉碎效果；若转速过小，假茎喂入速度小于机器前进速度，会导致机器将假茎向前推行，在喂入口出现堵塞，不仅达不到喂入效果，还会增大功率的消耗。因此，只有沟齿辊外缘刃口最下端的线速度等于拖拉机的前行速度时，香蕉假茎才能够被稳定地喂入，且在喂入效果和功率消耗上也能达到一个较优的平衡。因此，取沟齿式喂入辊外缘刃口最下端的线速度与拖拉机行进速度相同，即取值0.7～1.0m/s。沟齿式喂入辊转速计算公式为

(2)

其中，n1为沟齿式喂入辊滚动转速(r/min)；v1为沟齿式喂入辊外缘刃口转动线速度(m/s)。

代入前面已知数据得：n1=53.50～76.43r/min。为保证进料速度大于拖拉机行进速度，综合考虑功率和作业要求，取满足条件的最大转速n1=76.5r/min。

2.2 粉碎装置

秸秆粉碎装置是香蕉假茎粉碎还田机中的关键部件，主要包括两根粉碎刀轴、粉碎刀座、粉碎刀及螺栓。粉碎刀座径向等角度排列在粉碎刀辊上，主动轴轴向每排等距离配置6对，从动轴轴向每排等距离配置7对。两根粉碎刀辊在空间上呈阶梯式布置，轴测图如图3所示。

粉碎装置的主、从动辊采用双辊异向转动形式和阶梯式结构布局，既可以有效保证粉碎效果又能实现地面还田物的均匀覆盖等作业。装置中，采用粉碎刀辊主动轴反转、从动刀辊正转的组合形式，不仅可以提高粉碎率，还可以使碎块均匀地抛撒在地上。

1.齿轮箱 2.传动轴 3.调心滚子轴承 4.V带传动系统 5.粉碎主动刀辊 6.粉碎从动刀辊

2.3 镇压装置

镇压装置安装在还田机后方，主要功能是将粉碎的香蕉假茎碎块压实，同时还具有支承和行进的作用。该装置主要包括镇压辊、套筒及连接耳板，如图4所示。滚压轴通过轴承与套筒连接，套筒能够自由转动。两边的连接耳板与机壳用螺钉固定，镇压辊的高度通过两侧的连接耳板调节。在机壳上有不同高度的连接孔，连接耳板可通过连接不同的连接孔来改变滚压装置的高度。

镇压辊工作长度为1 600 mm，材料采用 Q235 钢。为保证滚压强度而又减轻滚压装置质量，套筒选用直径300mm、壁厚为10mm的钢管。

1. 滚动轴 2.套筒 3.连接耳板

2.4 传动系统的设计

沟齿式香蕉假茎粉碎还田机的传动系统包括滚动喂入装置传动系统和秸秆粉碎装置传动系统。其中，滚动喂入装置传动系统原理如下：工作时，动力从拖拉机后输出轴输出，先经圆锥齿轮减速，再由带传动机构(减速)传递给喂入装置将动力传递喂入辊。秸秆粉碎装置传动系统由齿轮箱和V带传动机构组成，动力从拖拉机后输出轴输出，通过大小圆锥齿轮啮合实现增速，由V带传动机构(加速)传递给粉碎装置的主动轴，再通过齿轮传动传递给从动轴。整机的传动系统如图5所示。

图5 传动系统示意图Fig.5 Transmission schematic of horizontal type with trench teeth machine for banana stalks crushing and returning

3 田间试验

3.1 试验条件

2017 年 9 月 16 日，在海南大学机电工程学院农机试验基地香蕉收获后的香蕉地进行了粉碎还田机的性能试验。田间香蕉假茎的平均高度为 1 500mm，香蕉树行距为 2m，香蕉树株距约为1.5m，香蕉品种为海南当地种植较多的“广东1号”品种，配套动力为雷沃欧豹M804拖拉机。

3.2 试验方法

本试验在秸秆粉碎作业完成后各测试5次，依据试验目的确定该试验的试验指标为香蕉假茎覆盖率及香蕉假茎粉碎合格率。

3.2.1 工作效率

选取还田机有效作业直线段大于50 m的行程测量，用秒表测定机器走过指定测量点间所用的时间t0；然后，用皮尺沿着拖拉机行进方向测量两点之间的距离H0，用式(3)计算粉碎机在田间正常工作时的工作效率Q。试验测取5组数据，进而求平均值。

(3)

其中，Q为工作效率(hm2/h)；H0为测量点之间的距离(m)；t0为秸秆粉碎还田机在指定测量点间的工作时间(s)；B为粉碎机的作业幅宽(m)。

3.2.2 香蕉假茎粉碎合格率

每个行程在粉碎区长度方向上等距离测定5点，每点随机选取5个测量区(长1m×宽1m)，从每个测量区中捡拾所有的假茎粉碎物用天平称重，记为m1；从假茎粉碎物选出长度大于100mm的假茎粉碎物称重，记为m2；利用公式(4)计算出每个测量区的香蕉秸秆粉碎合格率ρ，最后求得5个测量区合格率的平均值。

(4)

其中，ρ为测量区内香蕉秸秆粉碎合格率(%)；m1为区域内所有香蕉假茎的质量(kg)；m2为粉碎后假茎长度大于100mm(不合格)的粉碎物质量(kg)。

3.3 试验结果与分析

沟齿式香蕉假茎粉碎还田机作业性能测试结果如表2所示。

表2 主要性能指标测试结果Table 2 The results of the main performance tests

试验结果表明：样机田间作业工作效率的平均值为0.43 hm2/h。试验中测得香蕉秸秆粉碎合格率平均值为96.98%，已达到秸秆粉碎还田的农艺要求。

4 结论

1)设计了沟齿式香蕉假茎粉碎还田机，通过理论计算和对香蕉秸秆力学特性的研究分析，进而对整机喂入装置、粉碎装置及镇压装置等主要部件进行了结构设计和参数确定；分析了粉碎装置主要结构、工作原理，并确定了粉碎刀辊主动轴和从动轴的转速、两刀辊的结构参数。

2)采用空间阶梯式布局的双粉碎刀辊并行配置作业模式，实现前置粉碎刀辊在粉碎香蕉假茎，后置粉碎刀辊粉碎剩余部分假茎的同时对香蕉假茎碎片进行再次粉碎及假茎碎片的简单埋覆。

3)两粉碎辊异向转动且其上的粉碎刀采用交错布置，可以有效减少刀轴的缠绕并使粉碎更完全，粉碎从动轴的顺时针旋转还可防止香蕉假茎碎片飞溅。