張懷玉，孔德剛，楊　航，左勝甲，張　超

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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秸稈深施還田機(jī)設(shè)計(jì)及其深施量的試驗(yàn)研究

張懷玉，孔德剛，楊航，左勝甲，張超

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為緩解我國秸稈焚燒及廢棄所帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，設(shè)計(jì)了秸稈深施還田機(jī)，可一次完成秸稈撿拾、切碎和深施還田作業(yè)。同時(shí)，對(duì)其秸稈深施裝置的秸稈深施量進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：秸稈含水率對(duì)秸稈深施量影響較大，深施螺旋轉(zhuǎn)速次之，秸稈長度影響較?。唤斩捝钍┝侩S深施螺旋轉(zhuǎn)速的增大而增加，隨秸稈長度和秸稈含水率的增大而減少。在該試驗(yàn)條件下，深施螺旋轉(zhuǎn)速為540r/min、秸稈含水率為10%、秸稈長度為5mm時(shí)，秸稈深施量最大。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；撿拾裝置；深施裝置；深施螺旋

0引言

伴隨著我國糧食產(chǎn)量的日益增長，農(nóng)作物秸稈作為糧食生產(chǎn)中主要的副產(chǎn)品，每年的秸稈生產(chǎn)量也逐漸增加。但我國秸稈資源利用率低，有大量的秸稈被焚燒，這不僅造成了資源的浪費(fèi)，還對(duì)我們賴以生存的生活環(huán)境造成了很大的影響。秸稈還田既能解決上述問題，又能夠有效地增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤的物理性狀、提高土壤肥力、改善土壤中微量元素比例失調(diào)。其中，秸稈深施還田將部分秸稈深施于土壤深層，還具有提高春季土壤溫度和提高土壤蓄水能力的效果，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在保持穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的條件下，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1-2]。為此，設(shè)計(jì)了秸稈深施還田機(jī)并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在為實(shí)施秸稈深施還田作業(yè)提供機(jī)具和技術(shù)參數(shù)。

1設(shè)計(jì)要求

秸稈深施還田機(jī)需要在移動(dòng)過程中將切碎秸稈深施于土壤深層，因此對(duì)秸稈深施還田機(jī)提出以下要求：

1)整機(jī)可以獨(dú)立完成秸稈撿拾、切碎和深施還田作業(yè)，且各項(xiàng)作業(yè)的工作參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；

2)整機(jī)利用機(jī)—電—液相結(jié)合的控制方法可使各項(xiàng)作業(yè)的啟動(dòng)與停止,即可聯(lián)動(dòng)又可以單獨(dú)操控；

3)滿足一定的可靠性要求；

4)整機(jī)與拖拉機(jī)懸掛連接，作業(yè)速度4～6km/h；

5)作業(yè)對(duì)象為收割后未經(jīng)整理、雜亂鋪于耕地表面的玉米秸稈，作業(yè)時(shí)間集中在玉米收獲后至入冬前這段時(shí)間；

6)秸稈撿拾和秸稈深施的作業(yè)幅寬為2 100mm。

2整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

整機(jī)主要由秸稈撿拾裝置、秸稈喂入裝置、秸稈輸送裝置主機(jī)架、秸稈深施裝置及側(cè)機(jī)架等組成，如圖1所示。此外，還包括一些液壓元件和機(jī)械傳動(dòng)中的部分機(jī)構(gòu)。

側(cè)機(jī)架上安裝了秸稈撿拾裝置、秸稈輸送裝置、秸稈喂入裝置、秸稈切碎裝置和側(cè)懸掛架；主機(jī)架上安裝了秸稈深施裝置和主懸掛架。兩個(gè)機(jī)架通過側(cè)懸掛架聯(lián)接，主機(jī)架兩側(cè)裝有限深輪，側(cè)機(jī)架四角分別安裝地輪。整機(jī)由主懸掛架與拖拉機(jī)連接。兩種狀態(tài)機(jī)具的工作原理如下：

1)作業(yè)狀態(tài)。安裝在拖拉機(jī)側(cè)后方的秸稈撿拾裝置將耕地上的玉米秸稈撿起并向后輸送，通過秸稈輸送裝置將秸稈送至喂入裝置的喂入口，經(jīng)秸稈喂入裝置內(nèi)部安裝的上、下喂入輥對(duì)秸稈形成擠壓并將秸稈拖出喂入裝置；秸稈直接進(jìn)入切碎裝置，經(jīng)切碎裝置切碎的秸稈再經(jīng)拋送筒進(jìn)入秸稈箱中，秸稈箱底部的秸稈經(jīng)深施裝置深施于土層以下設(shè)定的深度。

2)非作業(yè)狀態(tài)。主機(jī)架通過液壓控制系統(tǒng)將側(cè)機(jī)架提升并旋轉(zhuǎn)至一定角度；此時(shí)側(cè)機(jī)架的重力由主機(jī)架支撐，主機(jī)架與側(cè)機(jī)架位置相對(duì)固定后，拖拉機(jī)將整機(jī)提升。

1.秸稈撿拾裝置　2.秸稈喂入裝置　3.秸稈輸送裝置　4.主機(jī)架

3主要部件設(shè)計(jì)

3.1秸稈撿拾裝置

秸稈撿拾裝置是秸稈深施還田機(jī)的主要部件，所起的作用是將玉米秸稈撿拾起來并輸送至秸稈輸送裝置。

秸稈撿拾裝置作業(yè)幅寬1 600mm，彈齒滾筒撿拾器圓周布置4排彈齒。拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)速4～6km/h。為保證作業(yè)時(shí)，撿拾器前秸稈不堆積、不漏撿，要求彈齒的線速度不低于整機(jī)前進(jìn)速度；否則，就會(huì)使秸稈層厚度增加，加大秸稈撿拾難度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，撿拾器轉(zhuǎn)速一般為60～90r/min[3,4]，本設(shè)計(jì)撿拾器轉(zhuǎn)速為80r/min。撿拾器彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。通過ab、bc、cd、da4個(gè)工作階段對(duì)彈齒旋轉(zhuǎn)1周的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，圖2中彈齒按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，V為撿拾器前進(jìn)速度。

圖2　彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡

1)ab段為彈齒將秸稈撿拾提升階段。彈齒在a點(diǎn)時(shí)，彈齒前端伸入秸稈層中，秸稈隨著彈齒從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)。

2)bc段為彈齒將秸稈平推的階段。彈齒經(jīng)ab段運(yùn)動(dòng)落在秸稈輸送裝置上，在bc階段，彈齒齒桿始終保持豎直狀態(tài)將秸稈向后推送。

3)cd段為彈齒的空載階段。經(jīng)過bc階段彈齒留在秸稈輸送裝置上，cd階段彈齒需迅速收回，移動(dòng)到d點(diǎn)。

4)da段為彈齒伸出階段。此時(shí)彈齒伸出，逐漸減小其與地面距離，將彈齒前端伸入秸稈層下，為撿拾秸稈做準(zhǔn)備。

3.2秸稈輸送裝置

本設(shè)計(jì)在撿拾器和喂入輥之間增設(shè)了秸稈輸送裝置，如圖3所示。其作用是將撿拾器撿起的玉米秸稈輸送至喂入口、同時(shí)也可以將兩側(cè)的秸稈向中間聚攏至喂入口。輸送裝置的螺旋葉片將兩側(cè)的秸稈向中間輸送至撥齒處，由撥齒將秸稈撥進(jìn)喂入輥。

圖3　秸稈輸送裝置結(jié)構(gòu)圖

3.3喂入裝置

秸稈喂入裝置位于秸稈輸送裝置和切碎裝置之間，將喂入口處的秸稈送進(jìn)切碎裝置的作業(yè)。喂入輥是喂入裝置的核心部件，其作用是在喂入秸稈的過程中，將秸稈夾緊、壓實(shí)，避免與秸稈之間產(chǎn)生滑動(dòng)。

圖4為喂入裝置簡圖，喂入裝置中安裝有上、下兩個(gè)喂入輥。喂入作業(yè)時(shí)，上、下喂入輥轉(zhuǎn)速大小相同，方向相反。秸稈喂入裝置主要由3部分組成：外殼、喂入輥和支座。上、下喂入輥形式與大小相同，兩個(gè)喂入輥上、下垂直布置。

1.外殼　2.喂入輥　3.支座

3.4切碎器

2.1 兩組患兒肺泡SIRT6含量、血清炎癥因子水平比較 B組患兒肺泡SIRT6含量及血清TNF-α、IL-6水平均顯著高于A組，組間比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表1。

本文設(shè)計(jì)的秸稈深施還田機(jī)選用滾刀式切碎器，刀片選用平板型刀片。切碎器主要由切碎刀輥、支座、定刀和外殼等組成[5]。

3.5秸稈深施裝置

3.5.1鏟體設(shè)計(jì)

鏟體由深施鏟和V型護(hù)鏟板焊接而成，深施鏟的鏟柄和鏟頭，通過螺釘聯(lián)接。秸稈深施作業(yè)深度15～40cm，時(shí)速4～6km/h，要求鏟體具有較高的強(qiáng)度、剛度和較強(qiáng)的土壤疏松能力。本機(jī)選用碎土角為20°的直立式鏟柄的深施鏟，深施鏟材料為65Mn[6-8]。

3.5.2深施螺旋設(shè)計(jì)

深施螺旋性能的優(yōu)劣關(guān)系到秸稈能否被順利地輸送至土壤深層，安裝簡圖如圖5所示。深施螺旋上端直徑20mm，長600mm，螺旋葉片由45鋼焊接制成，螺旋葉片長414mm，螺旋葉片厚度2mm，螺旋外徑48mm，螺旋軸的直徑16mm，螺距64mm，螺旋角27°[9- 12]。

1.軸承座　2.深施螺旋　3.輸送管

實(shí)際工作中深施螺旋轉(zhuǎn)速可由液壓系統(tǒng)控制，深施螺旋的秸稈深施量Q為

(1)

式中Q—深施螺旋的秸稈深施量(kg/s)；

D—螺旋葉片外徑(mm)；

d—螺旋葉片內(nèi)徑(mm)；

λ—葉片與管壁間隙(mm)；

ψ—秸稈填充系數(shù)，常取0.3～0.4；

s—葉片螺距(mm)；

n—深施螺旋的轉(zhuǎn)速(r/min)；

γ—秸稈的密度(kg/m3)；

C—深施螺旋輸送系數(shù)。

4秸稈深施量試驗(yàn)研究

秸稈深施量是評(píng)估秸稈深施裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo)。秸稈深施量與深施螺旋的參數(shù)、秸稈的性狀等因素有關(guān)。從秸稈深施作業(yè)過程可得出深施螺旋的轉(zhuǎn)速、秸稈的含水率和長度都能對(duì)秸稈深施量產(chǎn)生影響。為了檢驗(yàn)秸稈深施裝置深施秸稈的性能，以及上述3個(gè)因素對(duì)秸稈深施量的影響，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)在秸稈深施試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。在試驗(yàn)中用到VFD037M43A型變頻器、VFG80-1500-0.75-B35變頻電機(jī)、101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子秤、直尺、量杯、秒表和噴壺等。

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)考察因素分別為：深施螺旋的轉(zhuǎn)速、秸稈含水率和秸稈長度；試驗(yàn)指標(biāo)為秸稈深施量。由于秸稈含水率對(duì)秸稈質(zhì)量影響較大，所以按單位時(shí)間的深施秸稈體積換算成秸稈深施量。設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示。

表1　因素水平編碼表

試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)，不考慮各因素間的交互作用，并試驗(yàn)方案如表2所示。

4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)中以秸稈深施量為試驗(yàn)指標(biāo)，深施量越大效果越好，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。

表2　試驗(yàn)方案與結(jié)果

1)因素A的第3水平為最優(yōu)水平，即深施螺旋轉(zhuǎn)速為540r/min。

2)因素B的第1水平為最優(yōu)水平，即秸稈含水率為10%。

3)因素C的第1水平為最優(yōu)水平，即秸稈長度為5mm。

3個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A3B1C1，對(duì)極差值進(jìn)行比較可以得出三因素對(duì)秸稈深施量的影響的主次順序?yàn)椋築—A—C。即秸稈含水率影響秸稈深施量的程度較大，深施螺旋影響次之，秸稈長度影響相對(duì)較小。為檢驗(yàn)三因素對(duì)秸稈深施量影響的顯著性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3　方差分析表

由表3可知：在試驗(yàn)條件下，秸稈深施量試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O顯著(PM=0.005 2<0.01)，深施螺旋轉(zhuǎn)速的影響是顯著的(PA=0.012 3<0.05)，秸稈含水率的影響是極顯著的(PB=0.004 1<0.01)，秸稈長度的影響是顯著的(PC=0.030 2<0.05)。根據(jù)3個(gè)因素的F值可知：三因素對(duì)秸稈深施量的影響的主次順序?yàn)椋築—A—C，與極差分析結(jié)果一致。

5結(jié)論

1)整機(jī)一次進(jìn)地可完成玉米秸稈的撿拾、切碎和深施還田作業(yè)，既提高了作業(yè)效率又可緩解頻繁進(jìn)地作業(yè)而造成的耕地破壞。

2)秸稈深施量可以通過控制深施裝置的深施螺旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明：深施螺旋轉(zhuǎn)速、秸稈含水率和秸稈長度是影響秸稈深施量的主要參數(shù)；主次順序依次為秸稈含水率、深施螺旋轉(zhuǎn)速和秸稈長度，且秸稈深施量隨秸稈含水率和秸稈長度的增大而減小、隨深施螺旋轉(zhuǎn)速的增大而增加；深施螺旋轉(zhuǎn)速為540r/min、秸稈含水率為10%、秸稈長度為5mm時(shí)，秸稈深施量最大。

秸稈深施還田機(jī)的設(shè)計(jì)及秸稈深施量的試驗(yàn)研究在一定程度上可以為秸稈深施還田技術(shù)的深入研究及其配套機(jī)械裝備的研發(fā)提供依據(jù)與參考。

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Design of Straw Deep-application Machine and Experimental Research of the Amount of Straw Deep-application

Zhang Huaiyu， Kong Degang， Yang Hang， Zuo Shengjia， Zhang Chao

(College of Engineering，Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to alleviate the wasteful resource and environmental pollution problem which are caused by burning, wasting and low utilization rate of straw in China, designing the straw deep-application returning machine that can simultaneously finish the task of picking, chopping and deep-application returning straw an operation.After analyzing the data of the amount of straw deep-application which can be found in straw deep-application device in orthogonal experiment,it showed that: the water ratio of straw had the biggest influence on the amount of straw deep-application and the influence of the rotate speed of deep-application helix was smaller than straw moisture content.The length of straw’s influence was the smallest among the three elements. Also, the experiment showed that: the amount of straw deep-application had been increased when the rotate speed of deep-application helix improved while the water ratio of straw and the length of straw decreased at the same time. Under the condition of the test, when the rotate speed of deep-application is 540r/min, the water ratio of straw is 10% and the length of straw is 5mm, the amount of straw deep-application is the largest.

Key words：straw returning; straw deep-application returning machine; pickup device; deep-application helix

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0102-05

中圖分類號(hào)：S220.2；S223.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：張懷玉(1963-)，男，哈爾濱人，副教授，博士研究生，(E-mail)4695870965@qq.com。通訊作者：孔德剛(1956-)，男，吉林白山人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)kong-degang@hotmail.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-01)

收稿日期：2015-04-03