1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机的研究与设计

王馨竟

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 牡丹江分院，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

黑龙江省玉米种植面积、产量和商品化率均居全国首位，每年产出玉米秸秆数量很大，作好秸秆的综合利用是农业工作的重中之重。随着2020年《东北黑土地保护性耕作行动计划(2020—2025年)》有序规范实施，确定并提出符合不同区域的保护性耕作制度，提出推动玉米秸秆覆盖免少耕播种保护性耕作技术。该技术是一种以农作物秸秆覆盖地表、免耕播种为主的现代耕作技术体系，能有效增加土壤肥力和保墒抗旱能力、保护环境、节本增效，其核心是尽量少动土，尽量多的秸秆覆盖，次年春季播种时采用秸秆粉碎还田机粉碎秸秆后，均匀抛撒在田间，再利用条耕或免耕播种技术进行播种。

1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机是按照保护性耕作技术研究设计的，符合国家标准。该机型可配备大马力拖拉机，满足合作社、农场和大农户进行大面积秸秆粉碎还田作业的需求，创新设计双轴正反向刀轴，可减少动力消耗，其中第二刀轴的动刀组配合可调式定刀组合作业，将收获的玉米秸秆粉碎至8 cm以下，并均匀地抛撒在地面上，有利于后期免耕播种作业。

1 整机结构与原理

1.1 整机结构

1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机，主要包括机架、第一动力输入轴、第一变速箱、万向节传动轴、第二变速箱、第二刀轴组定刀、尾板、第二刀轴、第二传动总成、第一刀轴、第一传动总成，如图1所示，通过三点悬挂的方式与拖拉机连接，并由拖拉机动力输出轴提供传动动力。

1.机架;2.第一动力输入轴;3.第一变速箱;4.万向节传动轴;5.第二变速箱;6.第二刀轴组定刀;7.尾板;8.第二刀轴;9.第二传动总成;10.第一刀轴;11.第一传动总成

1.2 工作原理

首先，秸秆粉碎还田机与拖拉机连接后，拖拉机通过万向节连接该机第一变速箱上动力输入轴，为整机提供动力。第一刀轴通过皮带传动与第一变速箱动力输出轴连接，实现第一刀轴正向旋转(逆时针方向)。第一变速箱与第二变速箱通过万向节连接，并为其提供动力。第二刀轴与第二变速箱通过皮带传动连接，实现第二刀轴反向旋转(顺时针方向)。作业时第一刀轴与第二刀轴同时旋转组合作业，即第一刀轴将地面上的秸秆捡拾粉碎后抛向第二刀轴，第二刀轴配合定刀组对秸秆进行二次粉碎，粉碎后的秸秆碎末在尾板的导向作用下，沿粉碎刀轴旋转抛物线均匀的抛撒在地面上，完成秸秆粉碎还田作业。根据作业过程中秸秆的粉碎长短，可调节第二刀轴组合动刀和定刀的相对距离，即可改变秸秆粉碎后的长度[1]。

2 关键部件设计与分析

2.1 传动系统的设计

1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机动力传动系统如图2所示。拖拉机动力输出轴通过万向节连接第一变速箱径向动力输入轴，由变速箱增速后，经第一变速箱动力输出轴两端的第一刀轴大皮带轮将动力传动到第一刀轴两端的第一刀轴小皮带轮，再次增速后驱动第一刀轴正向旋转；第二变速箱动力输入轴与第一变速箱轴向动力输出轴通过万向节连接传输动力，经第二变速箱增速后，由第二变速箱动力输出轴经两端第二刀轴大皮带轮将动力传动到第二刀轴小皮带轮再次增速，驱动第二刀轴反向旋转，实现玉米秸秆的粉碎作业。

1.第一刀轴大皮带轮;2.第一变速箱动力输出轴;3.第一变速箱径向动力输入轴;4.第一变速箱轴向动力输出轴;5.第一变速箱;6. 第一刀轴;7.第一刀轴小皮带轮;8.第二刀轴大皮带轮;9.第二刀轴小皮带轮;10.第二变速箱动力输出轴;11.第二变速箱;12.第二刀轴

2.2 主要技术参数

参考现有参数(表1)及公式，计算该机所需配套动力。

表1 主要技术参数

(1)

式中：Pmax—拖拉机最大功率，kW;

P—动力输出轴负载消耗的功率，kW；

mj—秸秆粉碎还田机的质量，kg;

ms—拖拉机使用质量，kg；

f—拖拉机的滚动阻力系数，取值f=0.8；

vm—机组作业速度，km·h-1;

g—重力加速度，m·s-2。

计算可得，Pmax=124.23 kW。

2.3 动刀的排列规律

根据茎秆的物理机械性质分析可知，玉米秸秆由纤维素所构成，其纤维方向与秸秆轴线平行，因此割刀切入秸秆的方向与其切割阻力和功率消耗有着密切关系。试验证实：斜切和削切较横断切的切割阻力和功率消耗降低30%～60%[1]。因此本文所设计的1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机上的动刀排列规则要符合这一要求，能有效减少动力消耗并保证作业质量。

动刀排列规律如下：第一刀轴上共安装36组动刀，18组动刀为一列，两列动刀按双螺旋线排布，两组相邻动刀间的轴向间距为190 mm；同一螺旋线上相邻的两组动刀夹角为72°，如图3所示；作业时确保有4组动刀同时作业；第二刀轴动刀组与第一刀轴排列规律相同，第一刀轴动刀组型式为Y型甩刀，第二刀轴动刀组型式为锯齿形直刀。

图3 动刀的排列规律示意图

2.4 第二刀轴组定刀的设计

为实现对捡拾起的玉米秸秆进行二次粉碎，针对不同需求玉米秸秆所需的粉碎长度不一致等问题，设计了动刀组和可调节式定刀组(图4)配合作业。第二刀轴组定刀安装在第二刀轴前部上方，由定刀轴、定刀和锁止机构组成；在定刀轴上共安装35把定刀，每相邻2把定刀间距95 mm；定刀轴两端穿过机架侧板上的长条孔，由锁止机构上的螺母固定。需要调节动刀、定刀相对距离时，松开定刀轴两端锁止机构螺母，使定刀轴沿机架侧板上的长条孔移动，从而实现调节功能。该设计主要作用是通过第二刀轴组动刀、定刀组合作业，对玉米秸秆进行二次粉碎。

1.第二刀轴；2.定刀；3.定刀轴

2.5 皮带调节装置的设计

皮带调整装置如图5，包括变速箱调距机构(图6)和动力轴调距机构(图7)两部分；通过变速箱调整距螺杆与动力轴调距螺杆同时动作，使变速箱和动力轴产生位移，从而实现对主、从动皮带轮间距的调节。

1.动力轴调距机构；2.变速箱调距机构

图6 动力轴调距螺杆示意图

图7 变速箱调距螺杆示意图

3 结论

1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机是结合以往的秸秆粉碎还田机工作原理，创新设计一种双轴秸秆粉碎还田机，改善以往单轴粉碎还田机存在的问题，提高了秸秆粉碎的质量和效率，对推动玉米秸秆覆盖免少更播种保护性耕作技术起到促进作用。

1)研究论述了1JH-320型双轴秸秆粉碎还田机的总体结构及工作原理，根据秸秆粉碎覆盖还田耕种技术的农艺要求进行了关键部件的理论研究和设计计算，设计了动刀的排列规律和第二刀轴组。

2)设计的双轴秸秆粉碎还田机采用双轴正反两转同时旋转，且由第二刀轴动刀组与定刀组配合作业，实现了对玉米秸秆依次切割，切割效果良好，相较于市场现有的单轴秸秆粉碎还田机和双轴秸秆粉碎还田机结构更加新颖，动力消耗更小。

3)通过整机性能试验表明，该机可将收获后的玉米秸秆粉碎成长度小于8 cm的碎末，并均匀抛撒在地面上，符合国家要求，达到了秸秆粉碎还田机作业质量及设计要求。