秸秆还田覆盖播种施肥复式作业机设计

陈书法，孙 蒨，朱晓华，孟宪清

(1.淮海工学院 ，江苏 连云港 222005；2.贑榆区农机化技术推广服务站，江苏 连云港 222100)

0 引言

随着社会的进步，环境问题被视为国家未来发展的难题。目前，农民往往在作物收获后，大量燃烧秸秆，不仅造成了严重的生物资源的浪费，更造成了雾霾及有害气体CO、SO2,、NO2等一系列严重的环境问题，成为社会关注的重点话题[1]。

国外对于秸秆还田复式作业机具的研究已经趋于成熟，很多欧美国家早已经采取这种保护性、一次性的耕作方式。秸秆还田复式作业机在我国的起步较晚，对于这种一次性的秸秆还田耕作机具的认识基本是空白状态。目前，国内作业机的结构，功能单一，作业效果达不到农艺要求。

施肥播种复式作业机主要是将秸秆打碎，通过螺旋输送机将秸秆还田，不仅减少了环境的污染，而且资源得到了充分的利用。本文的秸秆还田覆盖播种施肥复式作业机可以提高农作业效率、优化播种间隔，将播种和施肥同步进行，并实施按农作物需量进行施肥，大大提高肥料的利用率，减少了肥料的浪费和多余肥料对环境的污染。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

本文设计了一种可以实现一次灭茬、秸秆还田覆盖、旋耕及播种施肥的复式作业机，可以减少劳动强度，保持一致的播种行距、旋耕深度，不仅节约了资源，而且保护了环境。本机可实现多行播种，极大地提高了工作效率。整机采用了一些简单、通用的零部件，更换方便。该机的播种种类多，既可以播种玉米，也可以播种小麦，且播种量也可以根据播种的需要而自行调节。该机在实现复式作业的同时，也考虑到了作业环境，在条件恶劣的情况下也可以工作。

1.2 总体设计

秸秆还田覆盖播种施肥复式作业机的结构，如图1所示。拖拉机输出轴速度为540r/min，实现灭茬刀轴速度为2 400r/min，旋耕刀轴转速为200r/min。

本机的主要组成部分为三点悬挂装置、前变速箱、灭茬侧边传动装、灭茬刀辊组件、绞笼及风机，具体包括旋耕侧边传动装置、机架、旋耕侧边传动箱、排肥器、种肥箱、播种器及抛洒管道等。田间作业时，机具前部三点悬挂于拖拉机上，动力由拖拉机输入到前变速箱，由前变速箱带动万向节到侧边V带，使得粉碎刀轴转动，粉碎刀轴上安装有粉碎刀具；同时，由另一侧的V带带动绞笼旋转，带动地面的粉碎后的稻秸秆，通过绞笼的转动，将粉碎的秸秆传递到风机中，再由风机向外界抛洒；与此同时，后方的侧边传动箱，由拖拉机的动力经过万向节带动使得旋耕刀轴转动，旋耕刀轴上安装有旋耕刀具，完成旋耕；播种排肥箱侧面装有电机，由电机带动轴，使得播种施肥器转动，经过输料管，完成播种施肥过程。

1.3 旋耕装置传动系统设计

秸秆还田播种施肥复式作业机旋耕传动系统图如图2所示。旋耕装置的传动路线为：拖拉机动力输出轴 万向节 旋耕侧边传动装置 旋耕刀辊组件(200 r/min)。

1.三点悬挂装置 2.前变速箱 3.灭茬侧边传动装置 4.灭茬刀辊组件 5.绞笼 6.风机 7.旋耕侧边传动装置 8.机架 9.旋耕侧边传动箱 10.排肥器 11.种肥箱 12.播种器 13.抛洒管道

1．传动轴 2.万向节 3.旋耕侧边传动装置 4.旋耕刀辊组件

通过设计计算，得到各级传动比及齿轮齿数如表1所示。

表1 旋耕装置各级传动比Table1 Transmission ratioofRotary device at all levels

1.4 灭茬装置传动系统设计

秸秆还田播种施肥复式作业机灭茬传动系统图如图3所示。传动路线为：拖拉机输入→前变速箱→万向节带动V带→粉碎刀轴→另一侧V带→绞笼，最终粉碎刀轴的转速为2 400r/min，绞笼的转速为1 855r/min。

1.中间变速器输入轴 2.中间变速器输出轴 3.右侧带传动 4.稻秸秆粉碎轴 5.绞笼、风机轴 6.左侧带传动

计算得到齿轮及V带传动比及基本参数，如表2所示。

表2 灭茬装置齿轮参数Table 2 Parametersstubble gear

续表2

2 关键部件设计

2.1 旋耕刀与灭茬刀的设计与排列

旋耕机性能有很多影响因素，包括旋耕刀排列方式，其对切削扭矩、功率损耗、作业机使用后效果及作业机的平衡性等指标有至关重要的作用。刀的排列方式应遵循以下原则：①在刀辊轴向投影圆周内总刀数等分排列，刀辊每转过360°/Z有1把弯刀入土，使得切土扭矩平衡，减小波动幅度；②左右弯刀交替入土；③尽可能增大轴向同截面或相邻两弯刀周向夹角，以避免夹土阻塞[2]。

根据本设计中的设计参数确定耕幅为[2]

(5)

式中B—旋耕机耕幅(m)；

N—拖拉机发动机的额定功率(kN)。

如果幅宽大的话，刀片自然增多，这样发动机工作会过载。所以，选择合适的耕幅非常重要，本文幅宽选择2m。

由于这次设计的作业机耕幅选择为2m,左右旋耕与灭茬弯刀各20把(见图4)，根据实际要求选取双螺旋线排列方式。

刀轴与刀具构成一个多刚体的转子。转动惯量由于不是实际的整体，因此理论上来说不是一个常值。由于刀轴的转速高，灭茬刀质量大，离心惯量大[2]，因此把刀与刀轴看为一个刚体后，灭茬刀排列满足以下4个条件(圆周角度方向)，即可到达动平衡[2]，则

Ix=sinα1+sinα2+...+sinαn=0

(1)

Iy=cosα1+cosα2+...+cosαn=0

(2)

当n为偶数时，满足以下公式，即

Ixz=(n-1)×sinα1+(n-2)sinα2+...+

sinαn-1=0

(3)

Iyz=(n-1)×cosα1+(n-2)cosα2+...+

cosαn-1=0

(4)

n—刀轴上的组数；

α—刀座的角度；

Ix—刀轴对x轴的转动惯量；

Iy—刀轴y轴的转动惯量；

Ixz—刀具平面对垂直的x,z轴的惯性积；

Iyz—刀具平面对垂直的x,z轴的惯性积。

本机中，n=40,α的各个角度如图5所示。

根据以上约束条件，设计了一个基于VB的计算程序进行验证。通过输入选取的α值，使得满足上述条件为0值；否则修改，得到以下排列双头螺旋排列方式展开图。横向为长度坐标，纵向为角度坐标一格90°，如图4所示。

图4 灭茬刀辊弯刀布置展开图Fig.4 Stubble knife roll machetes deployment plan

2.2 施肥与播种装置设计

播种施肥装置由排肥器、种肥箱、播种器、输料管及分散种子装置组成；播种施肥装置由电动机驱动实现播种施肥，如图5所示。在播种施肥过程中，根据实际需要调节出料量。其优点如下：①播种器间隔分布均匀，可实现种子的播种均匀，以此提高产量；②播种施肥装置的排量可根据需要而自行调节；③种箱和肥料箱采用漏斗形式，这样可以减少在机器作业时种子和肥料的剩余量。

1.肥料箱 2.传动轴 3.播种器 4.施肥器 5.电动机 6.种肥箱

2.3 播种施肥器种类的选择

外槽轮式播种器与外槽轮式施肥器原理相似，具有结构简单及适用于易于搅动的化肥和颗粒化种子的特点，广泛应用于谷物条播和中耕播种机上。根据复式作业机的播种施肥的要求，选择外槽轮式播种与外槽轮式施肥器。外槽轮式播种器的播种过程为：种子在重力的作用下滑落填满槽轮的凹槽，槽轮在电机的作用下旋转，种子跟随槽轮一起转动，进行排种；槽轮外围的种子由于槽轮的转动产生的外缘波动和种子之间的摩擦而发生运动，这种运动逐层传递，由槽轮带动的种子转动掉入排种舌，最终落入输种管[3]，完成播种。

2.4 施肥器的参数选择

根据实际需要和设计要求选取外槽轮式播种器参数如下：

1)外槽轮的直径：d=60mm。

2)外槽轮转速n：槽轮的转速为n=40r/min。

3)外槽轮工作长度L：播小麦类等谷物时，可取L=45mm。

4)外槽轮数Z：槽数Z选择不能偏多，也不能偏少。选用常用外槽轮Z=14齿。

同理，选择外槽轮式播种器主要参数如下：

1)外槽轮的直径：d=40mm。

2)外槽轮转速n：槽轮的适宜转速范围为n=40r/min，在此转速时播量较稳定。

3)外槽轮工作长度L：播小麦类等谷物时，可取L=35mm。

4)外槽轮数Z：槽数Z选择不能偏多，也不能偏少，选用常用外槽轮Z=14齿。

2.5 肥料箱的设计

种箱和肥料箱容量根据播种工作的幅宽、播种量或施肥量、播种行程、种子肥料的密度等而决定，工作中不宜将子粒或肥料全部排放，剩余的籽粒或肥料太少会直接降低排种施肥的性能，应至少留有10%的余量。种肥箱的容量可用下式确定，即

(6)

式中V—种肥箱容量(L)；

L—装满1箱种子所能播种施肥的距离，最少等于1个往返的行程，即地块长度的1倍(m) ；

B—工作幅宽(m)；

Qmax—单位面积最大播种量或施肥量(kg/hm2)；

λ—种子或肥料的密度(kg/m3) 。

根据小麦的播种需求计算如下：B=2，L=30，Qmax=20kg/0.067hm2,λ=0.77，得出V=46L。肥料箱的设计要满足将肥和种子分开并且自行落下的要求。

2.6 输料管的参数选择

输料管主要是将播出的种子导入撒种器中，使种子顺利到达沟内，它的直径选40mm，材料为塑料。输料管的长度L用以下公式确定，即

(7)

式中H—种子从出料口到撒种器的垂直距离(mm)；

α—输料管倾斜角度(与水平方向的夹角)。

3 田间试验验证

田间试验位于江苏省连云港灌云县一带一年两熟的丘陵区域，实验区域空气湿度较大，播种小麦，地面平坦，鲜有障碍体，年均降水量大约为800mm，得出以下实验数据，如表3所示。

表3 田间实验数据Table 3 Field experimental data

4 结论

结合秸秆还田保护性耕作的实际需求，设计了一种秸秆还田施肥播种复式作业机。该机器结构紧凑合理，工作效率高，由抛洒管道将稻秸秆覆盖到地面上。旋耕灭茬刀轴采用双螺旋排列方式，播种施肥器采用内槽轮式播种施肥器，播种施肥器使用电机带动，实现精量播种的需求。该机作业效果好，工作范围广泛，满足了农户对于秸秆还田播种施肥复式作业机的要求。