定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

李 粤，郭超凡，姚德宇，贺宁波，张喜瑞，吴紫晗，李 媛

定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

李 粤1，郭超凡1，姚德宇1，贺宁波1，张喜瑞1※，吴紫晗1，李 媛2

（1. 海南大学机电工程学院，海口 570228；2. 中国热带农业科学院科技信息研究所，海口 570228）

针对香蕉秸秆粉碎机具缠绕造成秸秆粉碎率不达标等问题，该研究设计了一种定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机。在粉碎过程中，粉碎定刀与高速运转中的Y型甩刀对香蕉秸秆形成三点支撑，进而实现秸秆粉碎与避免秸秆缠绕。其中，Y型甩刀由2个L型刀片组合的Y型粉碎刀与甩刀构成。确定了各关键部件的结构参数、动定刀排列组合方式及香蕉秸秆粉碎过程受力分析，明确了影响粉碎效果的主要因素为机具前进速度、粉碎刀辊转速以及Y型甩刀折弯角。以前进速度、刀辊转速和甩刀折弯角为试验因素，以香蕉秸秆粉碎合格率和抛撒不均匀度为评价指标，进行三水平三因素正交田间试验，确定优化参数组合为前进速度1.85 m/s，刀辊转速1 500 r/min，Y型甩刀片折弯角140°，此时香蕉秸秆粉碎合格率为95.1%，抛撒不均匀度为14.6%，满足香蕉秸秆粉碎作业性能要求。与已有秸秆粉碎机进行性能对比试验，结果表明，该研究研制的定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机秸秆粉碎合格率提高了1.7个百分点，防缠性能更优。该机具的研制对解决蕉区秸秆粉碎还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。

农业机械；试验；香蕉秸秆；定刀；甩刀；防缠；粉碎还田机

0 引 言

海南省是香蕉种植的主要种植区[1]，香蕉具有生长周期短和产量高等特点，但同样伴随着大量的香蕉秸秆等农业废弃物[2]。每到香蕉收获季节地里都会留下大量的秸秆，对香蕉秸秆的有效处理一直都存在很大问题，香蕉秸秆处理的效果会直接影响下一次香蕉产量，进而影响蕉农收入。

目前对香蕉秸秆的处理方式主要有以下3种：机械化粉碎还田、香蕉秸秆纤维提取、香蕉秸秆回收做成青饲料[3-5]。其中，机械化粉碎还田是绿色还田的一种有效方式，秸秆粉碎抛撒覆盖地表，以减少土壤水蚀和风蚀，进而提高土壤抗旱能力和增强土壤肥力[6]。并且长期的秸秆还田对土壤细菌群落丰富度与多样性具有积极影响[7]，进一步促进香蕉的再次种植与发育，形成良好循环。

由于香蕉秸秆的主要生物特性不同于与玉米、水稻、小麦等农作物秸秆，香蕉秸秆直径粗大，一般秸秆直径范围为100～200 mm；含水率高，纤维含量丰富[8-9]。因此秸秆还田机具必须能够对粗大的香蕉秸秆有粉碎效果。目前，市场上的秸秆粉碎还田机分为卧式与立式两种类型。立式作为一种新型粉碎方式，还处于研发阶段，吴学尚基于粉碎原理设计了甩刀式立式香蕉秸秆粉碎机，通过调整刀轴高度，甩刀在粉碎刀轴高速转动下对香蕉秸秆实施不同效果的粉碎[10]。立式粉碎方式虽能降低功耗但不利于秸秆喂入，立轴处缠绕较为严重。相对于立式粉碎，卧式粉碎方式趋于成熟，张喜瑞等基于滑切原理，粉碎刀采用刀刃拟合曲线并设计秸秆粉碎机[11]；王自强等设计沟齿式香蕉假茎粉碎还田机，提高了假茎粉碎率适用性不强[12]；魏思林等通过分析秸秆粉碎特点，设计了一种砍切喂入双辊式秸秆粉碎还田机，提高粉碎效率[13]；郑智旗等设计的动定刀支撑滑切式秸秆粉碎装置，利用等滑切角式粉碎定刀和随粉碎刀辊高速旋转的粉碎动刀形成的支撑滑切作用对秸秆进行粉碎[14]。以上粉碎方式虽使秸秆粉碎效果更加显著，但均存在刀辊缠绕严重、刀片易损耗、部分装置动定刀无法有效配合的问题，尤其在秸秆老化后韧性较高的情况下，导致粉碎还田机无法长时间运作，进而影响粉碎效率。

针对香蕉秸秆韧性强、易缠绕刀轴、动定刀无法有效配合，影响后期香蕉秸秆粉碎效果的问题，在综合分析香蕉秸秆物理特性以及秸秆粉碎还田机的优劣势的基础上，提出了定甩刀相互支撑实现粉碎防缠的方法。基于此设计思路，本文通过理论分析确定了关键粉碎部件的主要结构参数；设计动定刀相互配合参数；通过三水平三因素正交试验，选取优化组合，并进行田间试验，以期为南方香蕉种植区秸秆粉碎还田机的研究提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机主要包括三点悬挂装置、机架、传动装置、粉碎装置和防缠装置。传动装置由变速箱、主带轮、从带轮、V型皮带、张紧轮组成。防缠装置主要由4排定刀排列构成。粉碎装置包括粉碎刀辊、Y型甩刀。整机结构如图1所示。

1.2 工作原理与技术改进

机具在拖拉机的三点悬挂装置的牵引下进行作业，先将动力传递给传动装置的变速箱输入轴，动力经皮带轮传递给粉碎刀辊，刀辊高速转动，Y型甩刀与定刀共同对香蕉秸秆作用，两者相对运动增加了对秸秆的切削力，香蕉秸秆粉碎后经镇压辊压实进行还田，整机的主要性能指标与技术参数如表1所示。

表1 香蕉秸秆粉碎还田机主要技术参数

已有香蕉秸秆粉碎还田机采用双侧传动，整机的动不平衡大；采用L型粉碎刀，虽然粉碎效果显著，但出现香蕉秸秆缠绕刀具、刀辊的现象；传动轴与刀辊通过齿轮传动，不利于远距离传动且精度不高，存在振动、冲击大等问题。因此，本文研制的定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机从以下几个方面进行改进：

1）优化传动系统，增强粉碎稳定性。将皮带轮两侧传动改为单侧传动，减少了整机质量，将三点悬挂装置进行适当的横向移动以尽量使得两侧配重平衡。

2）定甩刀交错排布，提高防缠效果。结合香蕉秸秆纤维特点，利用机架内部空间，增加防缠装置，防缠装置主要由安装于机架两侧的两排定刀组成，每侧定刀之间交错排列，各自与运动中的粉碎刀片相互配合，粉碎香蕉秸秆的同时进行防缠。

3）两级增速，粉碎更加彻底。为了保证机具在作业过程中运行的稳定，传动装置中锥齿轮组（增速）将动力传递给带轮组（增速），带轮输出动力至粉碎刀辊，通过带传动，有利于机具传动平稳、缓冲吸振。此时的粉碎刀轴高速转动，对于粗大的香蕉秸秆，两级增速可以确保能够粉碎香蕉秸秆。

2 主要部件结构设计

2.1 粉碎装置

2.1.1 粉碎甩刀组合设计

目前，秸秆粉碎还田刀片主要有3种类型：直刀型、甩刀型（Y型、L型、T型）、锤爪型[15]。甩刀的类型对秸秆粉碎质量有很大影响[16]。直刀型粉碎刀粉碎效率高但捡拾效果差，锤爪式虽能将秸秆大面积卷入粉碎装置但对于纤维含量丰富的香蕉秸秆粉碎效果较差。甩刀型粉碎刀在田间作业时随秸秆粉碎轴高速旋转，冲击并切断秸秆，粉碎效率高，且具备满足秸秆粉碎装置粉碎和收集秸秆的要求，因此选用甩刀型粉碎刀[17]。

在甩刀型粉碎刀片中，由于Y型和L型刀片具有较好的刚度和耐磨性，适用香蕉秸秆的粉碎还田作业[18]。本文对Y型刀片与L型刀片在相同的条件进行秸秆切割试验，对L型和Y型刀片在试验秸秆上的相同部位以相同的角速度对秸秆进行切割和受力分析，如图2所示。

粉碎刀对香蕉秸秆的支持力大小直接影响秸秆粉碎效率[19]。以平行茎秆纤维为轴，垂直其方向为轴，建立直角坐标系。秸秆受力方程可表示为

当以相同的作用力切割秸秆时，Y型刀刃和L型刀刃以相同角度切割秸秆，因此有：

综上可得：

本文采用的Y型甩刀分别由2个L型刀片组合的Y型粉碎刀与甩刀结合构成，如图3所示。粉碎机工作时的工况复杂，需提高粉碎刀具的耐磨性以及耐腐蚀性，故Y型甩刀采用的材料为Cr12MoV，具有较强的耐磨性和淬透性[21]。刀片两侧开刃，便于通过传动系统实现刀轴正反转。

螺柱直径小于孔直径可以使刀片在运动过程中相对于圆柱销转动，在遇到硬质物体时刀刃部分被动避开来自异物的作用力，更好地适应田地的复杂环境。国内香蕉秸秆粉碎还田机的粉碎刀折弯角在120°～160°范围内[19]，考虑刀身长度大于刀片折弯部分长度保证刀身部分安装在刀盘上的稳定性，本文选取120°、140°、150°的粉碎甩刀折弯角进行对比试验。

2.1.2 粉碎刀辊的设计

粉碎刀辊是香蕉秸秆粉碎还田机粉碎装置的关键部件。粉碎刀辊材料为20CrMnTi，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性[22]。为减轻轴的质量，降低功耗，刀辊选用空心轴，且内、外径比值控制在0.5～0.6的范围内，以保证刀辊的刚度和扭转稳定性[23]。当内、外径比值大时，其壁过薄，易造成刀辊弯曲变形影响粉碎效果；当内、外径比值小时，其壁过厚，功耗增大，结合已有的装置，刀辊外径为90 mm，内径为40 mm。

刀辊转速影响香蕉秸秆粉碎效果，是香蕉秸秆粉碎合格率的主要因素之一。影响粉碎秸秆的切割线速度约为30～48 m/s，国内已知的秸秆粉碎还田机的粉碎甩刀回转半径在240～300 mm[14]，考虑刀辊动平衡等因素，选取粉碎甩刀的回转半径为290 mm。

刀辊转速可由下式计算：

求解可得=988～1 581 r/min。

2.2 防缠刀片

防缠装置主要由安装在机架两侧的定刀构成，定刀结构对于防缠效果起关键作用，定刀材料为65 Mn弹簧钢，锰提高淬透性，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，当定刀受到来自香蕉秸秆的冲击时，可保持一定的抗冲击性，有较强的回复力。

定刀主要由刀柄、连接孔、刀身、刀刃和折弯角5个部分组成。定刀结构及参数如图4所示。刀柄与机架通过螺钉固定，刀柄与刀身连接处的折弯角=90°，刀柄上部与机架上表面贴合，此时刀身正好垂直于机架，此时刀刃对秸秆单位面积产生的压强最大，能够保证有效切断香蕉秸秆。

2.3 定甩刀排布

为保持粉碎刀辊两端的轴承负载均匀，动刀排列时应尽量平衡[24]。根据《农业机械设计手册》[25]考虑香蕉树株高的影响，确定Y型甩刀的刀片数量为18把。为充分利用机架上部空间，排列方式采用交错排列，径向夹角分别为90°或180°。

1.刀柄 2.连接孔 3.折弯角 4.刀身 5.刀刃

1.Y型甩刀 2.第1排定刀 3.第2排定刀

1.Y-type flailing blade 2.The first row of fixed blade 3.The second row of fixed blade

注：1为甩刀与刀辊端面的距离，mm；2为甩刀与第1排定刀的水平距离，mm；3为定刀的水平间距，mm；4为甩刀与第2排定刀的垂直距离，mm；5为定刀的垂直间距，mm。

Note:1is the distance between the flail blade and the end face of the blade roller, mm;2is the horizontal distance between the flailing blade and the first row of fixed blade, mm;3is the horizontal distance of fixed blade, mm;4is the vertical distance between the flailing blade and the second row of fixed blade, mm;5is the vertical distance of fixed blade, mm.

图5 刀片排布示意图

Fig.5 Schematic diagram of blade arrangement

2.4 防缠刀片的结构设计及参数确定

地表的香蕉秸秆被粉碎刀辊卷入粉碎装置，同时随着Y型甩刀进行转动。当甩刀与机架上的定刀同时与香蕉秸秆发生接触时，秸秆受力发生变形、剪切、粉碎。在秸秆受力过程中，由于秸秆直径相对于甩刀和定刀的回转半径较小，因此在接触香蕉秸秆表皮时甩刀和定刀可视为处于平行位置[26]。秸秆粉碎过程的受力如图6所示。

镉是一种有害的微量物质，在一定的浓度水平，对人类和其他生命体具有直接的损害作用。土壤中的镉，不但对植物的正常生长无效，而且比其他元素(Cu、Pb、Zn等)更低浓度对植物产生毒害作用。一般情况下，土壤镉污染对动物影响，主要通过食用镉污染植物或饮水引起；人体中的镉都是出生后由外界环境摄取而积累于体内的，因为新生儿体几乎没有镉的存在；重金属镉可导致肾亏损，从而引发骨痛病、高血压、贫血等疾病[19]。

甩刀与定刀对香蕉秸秆进行切断的瞬时处于力矩平衡状态。甩刀刀柄的通孔与秸秆的接触距离1和定刀的固定通孔与秸秆的接触距离2均会影响秸秆的受力。接触距离过大会导致刀具受压变形，影响粉碎效果；接触距离过小会导致粉碎不彻底。

1.Y型甩刀 2.香蕉秸秆 3.定刀

1.Y-type flailing blade 2.Banana straw 3.Fixed blade注：F1为甩刀对香蕉秸秆的支持力，N；ƒ1为甩刀与秸秆间的摩擦力，N；为秸秆质量，kg；为重力加速度，9.8 m·s-2；F为离心力，N；F2为定刀对香蕉秸秆的支持力，N；ƒ2为定刀与秸秆间的摩擦力，N；ω为甩刀角速度，rad·s-1；为秸秆的回转半径，mm；1为甩刀柄的通孔与秸秆的接触距离，mm；2为定刀的固定通孔与秸秆的接触距离，mm。为秸秆粉碎时甩刀与定刀相互作用力的夹角，(°)；为甩刀的折弯角，(°)。

Note:F1is the support force of the flailing blade on the straw, N;1is the friction between the flailing blade and the straw;is the mass of stalk, kg;is gravitational acceleration, 9.8 m·s-2;Fis the centrifugal force, N;F2is the support force of the fixed blade on the straw, N;2is the friction between the fixed blade and the straw;ωis the angular velocity of blade, rad·s-1;is the radius of gyration of the straw, mm;1is the contact distance between the through hole of the flailing blade handle and the straw, mm;2is the contact distance between the fixed through-hole of the fixed blade and the straw, mm;is the included angle of the interaction force between the flailing blade and the fixed blade when straw is crushed, (°);is the bending angle of the flailing blade, (°).

图6 秸秆粉碎过程受力分析

Fig.6 Stress analysis of straw crushing process

香蕉秸秆切断瞬间的受力方程为

对式（7）求解可得：

3 田间试验

3.1 试验条件及指标测定

定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计加工完成后，根据GB/T 24675.6—2009《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》标准的要求[27]，于2021年3月23日在海南大学的农机试验基地进行田间试验。试验田长40 m，宽50 m，试验选用的香蕉树品种为“巴西蕉”，香蕉树高度为2 000～2 600 mm，香蕉茎秆直径范围为38～52 mm，香蕉茎秆平均纤维含量3.8%。为表明秸秆粉碎效果[28]，采用测定秸秆还田后秸秆粉碎合格率和秸秆抛撒不均匀度作为秸秆粉碎效果的评价指标。

根据《农业机械试验条件测定方法的一般规定》（GB/T5262—2008）[29]，香蕉秸秆粉碎合格率采用五点法进行测定。在机具作业行程中，随机选取3个试验区（1 m×1 m），每个试验区取2条对角线的交点作为一个取样点，在2条对角线上，距4个顶点距离约为对角线长度1/4处取另外4个点作为取样点，每个试验区共5个取样点。收集所有取样点的秸秆，并称质量、计算秸秆粉碎合格率，对15个取样点的秸秆粉碎合格率求平均值。

3.2 试验方案

香蕉地实际作业环境复杂，对行驶、机具运行等因素有直接影响。由于香蕉根茎对拖拉机的行驶产生阻碍，在实际作业中机具的前进速度在1～2 m/s范围内[11,13]，本文前进速度选取1.45、1.65 和1.85 m/s。基于减阻防缠原理，结合香蕉秸秆粉碎效果和前文参数分析，为确定参数最佳组合，本试验选取影响秸秆粉碎合格率的主要因素还田机前进速度、粉碎刀辊转速、Y型甩刀折弯角进行三水平三因素试验，试验因素水平编码如表2所示。田间试验通过三水平三因素的正交试验，选择最佳9组因素组合进行试验，正交试验方案如表3所示。

表2 因素水平编码表

表3 正交试验方案

3.3 试验结果与分析

表4 方差分析

Table 4 Variance analysis

注：<0.05为显著，<0.01为极显著，下同。 Note:<0.05 means significant,<0.01 means highly significant, the same below.

3.4 对比试验

香蕉秸秆纤维的缠绕程度会直接影响秸秆粉碎果。为验证优化设计后机具的粉碎效果与防缠效果，与已有卧式秸秆粉碎还田机进行对比试验，还田机前进速度均为1.85 m/s，刀辊转速为1 500 r/min，刀片折弯角为140°，在海南大学的农机试验基地进行5次对比试验，粉碎合格率取平均值，且对比香蕉秸秆缠绕情况，试验结果如表5所示。

表5 作业性能对比

试验结果表明，定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机的秸秆粉碎合格率为94.9%，相对于已有卧式香蕉秸秆粉碎还田机提高了1.7个百分点，防缠效果有较大改善，香蕉茎秆纤维只对粉碎刀辊有小部分的局部缠绕，缠绕情况如图8所示。

4 结 论

1）基于香蕉秸秆粉碎合格率及秸秆抛撒不均匀度的作业要求，本文设计了一种定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机，甩刀与定刀配合，达到支撑粉碎的效果，解决了粉碎刀辊的缠绕问题。

2）通过对各关键部件结构参数的研究、动定刀的排列组合以及香蕉秸秆粉碎过程受力分析，确定了Y型甩刀和定刀的结构参数、定甩刀组合参数。

根据实际田间作业条件，通过三水平三因素的正交试验，确定较优参数组合为前进速度1.85 m/s，刀辊转速为1 500 r/min，Y型甩刀刀片折弯角为140°，此时香蕉秸秆粉碎合格率为95.1%，抛撒不均匀度为14.6%，优化参数可以满足香蕉秸秆粉碎的实际要求。通过对比试验，验证防缠装置作业效果更优。

[1] 雷武逵. 香蕉产业升级配套技术及对策研究[J]. 广西农业科学，2008，39(3)：397-400.

Lei Wukui. Complementary upgrading technology for banana industry and its countermeasures[J]. Guangxi Agricultural Sciences, 2008, 39(3): 397-400. (in Chinese with English abstract)

[2] 孙鹏，刘满意，王蓓蓓. 香蕉秸秆不同还田模式对土壤微生物群落的影响[J]. 热带生物学报，2021，12(1)：57-62.

Sun Peng, Liu Manyi, Wang Beibei. Effects of fresh harvested banana foliage on the soil microbial community structures[J]. Journal of Tropical Biology, 2021, 12(1): 57-62. (in Chinese with English abstract)

[3] Yang L, Tan L L, Zhang F H, et al. Duration of continuous cropping with straw return affects the composition and structure of soil bacterial communities in cotton fields. [J]. Canadian journal of Microbiology, 2018, 64(3): 167-181.

[4] 欧忠庆，张园，刘智强，等. 正反转倒U型甩刀香蕉茎秆粉碎还田机的设计与试验[J]. 农机化研究，2020，42(12)：80-84.

Ou Zhongqing, Zhang Yuan, Liu Zhiqiang, et al. Design and experiment on banana stalks disintegrator with positive and negative u-shaped flail blade[J]. Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(12): 80-84. (in Chinese with English abstract)

[5] 李双，梁栋，张喜瑞，等. 香蕉茎秆纤维提取刀片的改进设计[J]. 食品与机械，2019，35(1)：130-135.

Li Shuang, Liang Dong, Zhang Xirui, et al. Improved design of banana stalk fiber extraction blade[J]. Food＆Machinery, 2019, 35(1): 130-135. (in Chinese with English abstract)

[6] 冯佐龙. 4QZ-12型青饲料收获机关键部件的研究[D]. 保定：河北农业大学，2008.

Feng Zuolong. Study on Key Parts of 4QZ-12 Forage Harvester[D]. Baoding: Agricultural University of Hebei, 2008. (in Chinese with English abstract)

[7] 李宝凤，许和华，刘国. 机械化保护性耕作技术在小麦生产中的应用[J]. 现代农机，2019，26(2)：48-51.

Li Baofeng, Xu Hehua, Liu Guo. Application of mechanized conservation tillage technology in wheat production[J]. Modern Agricultural Machinery, 2019, 26(2): 48-51. (in Chinese with English abstract)

[8] 张喜瑞，甘声豹，郑侃，等. 滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：33-41.

Zhang Xirui, Gan Shengbao, Zheng Kan, et al. Design and experiment on cut roll feeding type horizontal shaft flail machine for banana pseudostem crushing and returning[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 33-41. (in Chinese with English abstract)

[9] 李志强，李粤，贺宁波，等. 纵向双辊式香蕉秸秆粉碎还田机的设计与试验[J]. 中国农机化学报，2020，41(3)：180-184.

Li Zhiqiang, Li Yue, He Ningbo, et al. Design and experiment of banana stalk crushing and returning machine with lengthways double rollers type[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2020, 41(3): 180-184. (in Chinese with English abstract)

[10] 吴学尚，李粤，张喜瑞，等. 甩刀式立式香蕉秸秆粉碎机的设计[J]. 农机化研究，2014，36(4)：83-86.

Wu Xueshang, Li Yue, Zhang Xirui, et al. The design of the vertical flail banana stalk crushing machine[J]. Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(4): 83-86. (in Chinese with English abstract)

[11] 张喜瑞，王自强，李粤，等. 滑切防缠式香蕉秸秆还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(3)：26-34.

Zhang Xirui, Wang Ziqiang, Li Yue, et al. Design and experiment of sliding-cutting and anti-twining returning device for banana straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[12] 王自强，李粤，张喜瑞，等. 沟齿式香蕉假茎粉碎还田机设计与试验[J]. 农机化研究，2018，40(12)：55-59.

Wang Ziqiang, Li Yue, Zhang Xirui, et al. Design and experiment on banana stalks disintegrator with double shafts[J]. Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(12): 55-59. (in Chinese with English abstract)

[13] 魏思林，李粤，张喜瑞，等. 砍切喂入双辊式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验[J]. 农机化研究，2019，41(10)：80-84，90.

Wei Silin, Li Yue, Zhang Xirui, et al. Design and experiment of double-roller returning machine with the type of cutting and feeding for banana straw[J]. Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(10): 80-84, 90. (in Chinese with English abstract)

[14] 郑智旗，何进，李洪文，等. 动定刀支撑滑切式秸秆粉碎装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(S1)：108-116.

Zheng Zhiqi, He Jin, Li Hongwen, et al. Design and experiment of straw-chopping device with chopping and fixed blade supported slide cutting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(S1): 108-116. (in Chinese with English abstract)

[15] 施印炎，罗伟文，胡志超，等. 全量秸秆粉碎条铺与种带分型清秸装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(4)：58-67.

Shi Yinyan, Luo Weiwen, Hu Zhichao, et al. Design and test of equipment for straw crushing with strip-laying and seed-belt classification with cleaning under full straw mulching[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(4): 58-67. (in Chinese with English abstract)

[16] 章志强，何进，李洪文，等. 可调节式秸秆粉碎抛撒还田机设计与试验[J]. 农业机械学报，2017，48(9)：76-87.

Zhang Zhiqiang, He Jin, Li Hongwen, et al. Design and experiment on straw chopper cum spreader with adjustable spreading device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 76-87. (in Chinese with English abstract)

[17] 林静，马铁，李宝筏. 1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：32-40.

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa. Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 32-40. (in Chinese with English abstract)

[18] 贾洪雷，姜鑫铭，郭明卓，等. V-L型秸秆粉碎还田刀片设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(1)：28-33.

Jia Honglei, Jiang Xinming, Guo Mingzhuo, et al. Design and experiment of V-L shaped smashed straw blade[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 28-33. (in Chinese with English abstract)

[19] 刘鹏，何进，李艳洁，等. 异速对辊式玉米秸秆粉碎还田装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(14)：69-79. Liu Peng, He Jin, Li Yanjie, et al. Design and experiment of double rollers maize stalk chopping device with different rotation speeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 69-79. (in Chinese with English abstract)

[20] 李果，李粤，张喜瑞，等. 秸秆粉碎还田机甩刀的设计[J]. 农机化研究，2014，36(8)：122-125.

Li Guo, Li Yue, Zhang Xirui, et al. Design on the flail of straw chopper machine to field[J]. Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(8): 122-125. (in Chinese with English abstract)

[21] 赵昌胜. 高速工具钢在模具制造中的应用及热处理[J]. 模制造，2011，11(11)：88-90.

Zhao Changsheng, Application and heat treatment of high-speed tool steel in die & mold manufacture[J]. Mould Manufacture, 2011, 11(11): 88-90. (in Chinese with English abstract)

[22] 肖佳. 采棉机摘锭温挤压精制坯工艺研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2012.

Xiao Jia. Process Research on Warm-Extrusion- Fine-Blocking for Picking Spindle of Cotton-Picking Machine[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[23] 段文献. 夹指链式残膜回收装置的设计及试验[D]. 石河子：石河子大学，2017.

Dua Wenxian. Design of Clamping Finger-Chain Type Device for Recycling Agricultural Plastic Film[D]. Shihezi: Shihezi University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[24] 李明，王金丽，邓怡国，等. 1GYF-120型甘蔗叶粉碎还田机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2008，24(2)：121-126.

Li Ming, Zhang Jinli, Deng Yiguo, et al, Structural design and experiments on sugarcane leaf shattering and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(2): 121-126. (in Chinese with English abstract)

[25] 中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[26] 孙妮娜，王晓燕，李洪文，等. 差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(22)：267-276.

Sun Nina, Wang Xiaoyan, Li Hongwen, et al. Design and experiment of differential sawing rice straw chopper for turning to field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 267-276. (in Chinese with English abstract)

[27] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会. 保护性耕作机械秸秆粉碎还田机：GB/T 24675. 6—2009[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[28] 李洋阳，刘思宇，单春艳，等. 保护性耕作综合效益评价体系构建及实例分析[J]. 农业工程学报，2015，31(15)：48-54.

Li Yangyang, Liu Siyu, Shan Chunyan, et al. Framework for comprehensive benefit assessment on conservation tillage and its application[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 48-54. (in Chinese with English abstract)

[29] 农业部农业机械试验鉴定总站，GB/T 5262-2008 农业机械试验条件测定方法的一般规定[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[30] 李果. 1JGHXJ-160A型卧式香蕉秸秆粉碎还田机的研究[D]. 海口：海南大学，2015.

Li Guo. Design and Manufacture of 1JGHXJ-160A Horizontal Banana Returning Straw Crushing Machine[D]. Haikou: Hainan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[31] 唐宁宁. 1JGHL-160A型香蕉秸秆全量粉碎还田联合作业机的研制[D]. 海口：海南大学，2017.

Tang Ningning. Design and Manufacture of 1JGHL-160A Banana Straw Total Crushing and Returning Combined Machine[D]. Haikou: Hainan University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[32] 宋雅婷. 1XHJ-1600型卧式香蕉假茎粉碎还田机关键部件的优化设计与试验研究[D]. 海口：海南大学，2016.

Song Yating. Design and Optimization of Key Components ＆ Test of Horizontal Banana Straw Crushing Machine[D]. Haikou: Hainan University, 2016. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of banana straw crushing and returning machine with anti-wrapping device supported by flailing blade

Li Yue1, Guo Chaofan1, Yao Deyu1, He Ningbo1, Zhang Xirui1※, Wu Zihan1, Li Yuan2

(1.,,570228,; 2.,,570228,)

Banana straw is usually broken into pieces to degrade naturally in the farmland. However, severe entanglement of knife roller easily causes the wear of blades, leading to a short service life and low crushing efficiency in the conventional banana straw-crushing and returning machine. A great challenge has also been posed on the effective coordination of fixed knives during operation, especially in the case of high toughness after the aging of banana straw. Therefore, this study aims to improve the smashing rate of banana straw up to the standard requirement, thereby avoiding the winding of banana straw in pulverizers. An anti-wrapping device with a fixed flailing knife was also designed to reduce the entanglement for the banana straw-crushing and returning machine. Specifically, the movable and fixed knife was effectively coordinated in the machine. Three-point support was also formed using the crushing fixed knife and the Y-shaped flailing knife in high-speed crushing operation for the banana straw. As such, the highly efficient straw-crushing was realized to avoid straw entanglement. Among them, the Y-shaped flailing knife was composed of two L-shaped blades combined with a Y-shaped flailing knife and a flail. A systematic investigation was made on the optimization of structural parameters for the key components of crushing, the arrangement and combination of fixed knives, as well as the force analysis of banana straw during crushing. Correspondingly, the main test factors were determined as the forward speed of the returning machine, the speed of the crushing knife roller, and the bending angle of the Y-shaped flailing knife. A three-level three-factor orthogonal field test was then carried out, where the evaluation indicators were set as the crushing qualification rate of banana straw, and the unevenness of throwing. An optimal parameter combination was achieved, where the forward speed was 1.85 m/s, the knife roller speed was 1 500 r/min, and the bending angle of the Y-shaped flailing knife was 140°. In this case, the crushing qualification rate of banana straw was 95.1%, and the unevenness of throwing was 14.6%, indicating suitable for the actual situation of banana straw crushing. A comparison test was also conducted to verify the performance of the improved pulverizer. It was found that the qualified rate of straw smashing increased by 1.7 percentage points in the fixed-blade anti-wrapping banana straw crushing and returning machine, where the anti-wrapping device performed better. Consequently, the anti-wrapped banana straw crushing and returning machine with a fixed flailing knife can be expected to realize the sliding cooperation of the flailing and fixed knife for a better crushing effect, thereby reducing the entanglement of crushing knife roller. As such, the higher squeezing force of the cutter on the straw greatly contributed to effectively improving the crushing performance under the optimal operation requirements in the southern banana areas. The finding can provide strong technical support to the straw crushing and returning to the field in the banana areas.

agricultural machinery; test; banana stalk; fixed blade; flailing blade; anti-wrapping; crushing and returning machine

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.002

S147.2

A

1002-6819(2021)-18-0011-09

2021-05-11

2021-09-08

国家自然科学基金项目（51965015，52075137）；海南省院士工作站专项（SQ2020ysgzz0009）

李粤，教授，研究方向为热带农业机械技术与装备。Email：liyue_888888@163.com

张喜瑞，博士，教授，博士生导师，研究方向为热带智能农业机械性能设计与试验。Email：zhangxirui_999@sina.com

中国农业工程学会会员：李粤（E041200562S）；张喜瑞（E04230000M）

李粤，郭超凡，姚德宇，等. 定甩刀防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(18)：11-19. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.002 http://www.tcsae.org

Li Yue, Guo Chaofan, Yao Deyu, et al. Design and experiment of banana straw crushing and returning machine with anti-wrapping device supported by flailing blade[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 11-19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.002 http://www.tcsae.org