玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

牛文學(xué)，高聚林，趙永來，崔紅梅，楊雪頔

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014100；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

玉米中含有大量的蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素及微量元素等，營養(yǎng)價(jià)值極高，是我國重要的糧食與飼料作物，其播種面積占農(nóng)作物總播種面積的22.08 %。2016年玉米種植面積達(dá)到3 676.8萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到21 955.2萬t。其中，內(nèi)蒙古的種植面積為320.8萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到2 139.8萬t[1]。我國玉米秸稈年產(chǎn)量達(dá)到2億t以上，但玉米的秸稈處理一直是世界性難題[2]。根據(jù)國務(wù)院辦公廳下發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》，國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)編制秸稈綜合利用規(guī)劃的指導(dǎo)意見的通知》文件，要求省、市、縣三級(jí)政府完成秸稈綜合利用規(guī)劃的編制工作，規(guī)劃中要明確鼓勵(lì)農(nóng)作物秸稈綜合利用的政策保障體系、秸稈利用的產(chǎn)業(yè)布局和重點(diǎn)項(xiàng)目。經(jīng)過科研工作者對(duì)玉米種植區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)平衡的研究表明：每年補(bǔ)充810～1 425kg/hm2的有機(jī)碳，可以長(zhǎng)期保持耕作土壤的肥力[3]。

玉米秸稈中含有大量有機(jī)質(zhì)，其還田腐蝕后會(huì)可分解轉(zhuǎn)換為多種營養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)土壤中微生物繁殖，加快土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高土壤蓄水保墑能力，改善土壤理化性狀，從而提高作物產(chǎn)量。

從還田方式上來看, 主要包括直接還田、間接還田及綜合還田3種方式。直接還田方式中的翻壓還田是我國主要的秸稈還田方式[4]；但秸稈還田以后降解速度過慢，不能及時(shí)降解，耕作層存在大量未經(jīng)腐爛的秸稈，會(huì)影響下茬作物的播種和灌溉，甚至?xí)詹糠值剩焕谙虏缱魑锏纳L(zhǎng)，因此需要額外添加一些降解菌，從而加快降解速度。

農(nóng)牧交錯(cuò)帶冬季溫度較低，直接還田后玉米秸稈腐蝕較慢，且影響春季的播種。試驗(yàn)表明：玉米秸稈直接粉碎并拋撒于地表后投放降解菌，能夠加快秸稈降解，但來年播種時(shí)有未腐蝕的秸稈；而將粉碎后的玉米秸稈先進(jìn)行聚攏，之后集中投放降解菌，秸稈降解的速率會(huì)得到明顯的改善。國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)改進(jìn)秸稈單獨(dú)還田作業(yè)或改進(jìn)秸稈還田機(jī)進(jìn)行了研究[5-8]，對(duì)秸稈小間距聚攏的作業(yè)機(jī)具研究較少。

針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶的氣候條件，為加快玉米秸稈還田后腐熟進(jìn)程，結(jié)合本課題組研制的可以大量生產(chǎn)的秸稈降解菌，設(shè)計(jì)了玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)。該機(jī)具能夠一次完成還田后玉米秸稈的聚攏、排菌、鎮(zhèn)壓及覆土組合作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)農(nóng)藝要求和工作條件提出以下要求：①在不停車的情況下完成聚攏、排菌、鎮(zhèn)壓及覆土作業(yè)。②整機(jī)的工作幅寬為4倍行距(4壟)。③每壟寬度小于300 mm。④降解菌為好氧菌，與氮肥、粘結(jié)劑混合，形狀為圓形顆粒狀。菌劑需投放在秸稈堆正上方，且必須與空氣充分接觸。⑤聚攏起來的秸稈堆要有一定的密度，保證秸稈不會(huì)有任何方向上的大幅度位移。⑥機(jī)具與拖拉機(jī)后部的牽引裝置連接，由拖拉機(jī)牽引其作業(yè)。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的機(jī)具工藝工序?yàn)椋航斩捑蹟n→投放降解菌→覆土。整機(jī)主要包括秸稈聚攏指盤、鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、覆土裝置、排菌裝置、機(jī)架及限深輪，如圖1所示。

1.聚攏指盤 2.鎮(zhèn)壓裝置 3.覆土裝置 4.排菌裝置5.機(jī)架 6.限深輪

1.3 工作原理

工作時(shí)，玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)懸掛于拖拉機(jī)后方；隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，秸稈聚攏指盤先進(jìn)行聚攏作業(yè)，將秸稈分別從玉米播種行間聚攏到行上，并安裝限深輪，以防止撥草齒過深的扎入土中；然后，對(duì)聚攏的秸稈進(jìn)行排放菌劑；最后，將秸稈壓實(shí)，并在周圍覆蓋一些土壤，防止秸稈吹散，以便于菌劑發(fā)揮作用。

1.4 整機(jī)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

整機(jī)作業(yè)地為旱地，土壤堅(jiān)實(shí)度較高，由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，覆土作業(yè)的牽引阻力較大。由于前面的聚攏裝置驅(qū)動(dòng)力為工作阻力，所以該機(jī)具不需要從拖拉機(jī)額外的輸出驅(qū)動(dòng)力，從而使機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，減輕整機(jī)質(zhì)量，操縱穩(wěn)定性好。

由于玉米的壟作間距為600mm，設(shè)計(jì)要求玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)設(shè)置為一次性可起4壟耕地，所以有效工作幅寬為2 400mm。機(jī)架寬度為2 500mm，長(zhǎng)度為2 000mm，長(zhǎng)度方向上放置有2根梁，梁對(duì)稱布置，相距1 200mm。第1根橫梁下方的交錯(cuò)放置4對(duì)指盤，每對(duì)指盤相距500～600mm，由U型螺栓連接在機(jī)架前端；每個(gè)指盤的工作幅寬為200 mm。機(jī)架后上方放置排菌裝置，在第2根橫梁下方連接鎮(zhèn)壓裝置，用于鎮(zhèn)壓秸稈堆，在機(jī)架后端放置覆土裝置，并將秸稈堆兩側(cè)覆土。鎮(zhèn)壓裝置運(yùn)用凹面輪，覆土裝置配置3個(gè)雙翼式曲面型培土器和兩個(gè)單翼式曲面型培土器，雙翼式曲面型培土器放置在每對(duì)指盤的中心位置上。單翼式培土器對(duì)稱布置在機(jī)架后側(cè)兩端，相距2 400mm，利用翼部將沿曲面升起的土壤向側(cè)面翻轉(zhuǎn)并堆置在秸稈堆處，實(shí)現(xiàn)覆蓋秸稈的作用。玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 1 Main structural parameters of corn straw gather and drain bacteria and cover soil machine

參數(shù)單位數(shù)值外形尺寸mm2000×2500×1200工作幅寬mm2400行距mm500～600作業(yè)行數(shù)4配套動(dòng)力kW≥50作業(yè)速度km/h8～10菌箱容積L270

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 聚攏裝置的設(shè)計(jì)

玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的作業(yè)對(duì)象為秸稈殘茬覆蓋地，為提高秸稈降解菌的降解效率，需要先將秸稈聚成相距600mm的草壟。此過程勞動(dòng)強(qiáng)度較大，人工收獲效率低，所以需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。國內(nèi)目前尚未有成型的小行距聚攏機(jī)械，所以需要設(shè)計(jì)合理的小行距聚攏裝置。秸稈殘茬覆蓋地的地面情況與牧草割倒后的地面情況類似，可以根據(jù)摟草機(jī)為原型進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)橫向摟草機(jī)、側(cè)向滾筒式摟草機(jī)、水平旋轉(zhuǎn)式摟草機(jī)、指盤式側(cè)向摟草機(jī)進(jìn)行比較表明，指盤式摟草機(jī)具有適應(yīng)地形性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牧草的移動(dòng)距離短、損失較低、工作時(shí)不依靠拖拉機(jī)動(dòng)力裝置、由工作阻力驅(qū)動(dòng)指盤旋轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[9]，所以選擇以指盤為原型進(jìn)行改進(jìn)。

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

聚攏裝置主要由指盤、指盤支架及仿型機(jī)構(gòu)等組成，可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的連續(xù)運(yùn)作，如圖2所示。仿型機(jī)構(gòu)采用平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，可以在地表起伏不大的田地上工作能得到單體仿形性能。指盤支架由60Si2Mn彈簧鋼制成，以保證在規(guī)定范圍內(nèi)其彈性變形可以承受一定的載荷，并不會(huì)發(fā)生永久變形，保證指盤的工作角度不會(huì)發(fā)生變化。

2.1.2 指盤外形設(shè)計(jì)

作業(yè)的工作寬幅為200mm，每壟相距600 mm，結(jié)合秸稈收集前后的高度，選定指盤的直徑為560 mm。指盤由彈齒、壓盤、法蘭、軸承、螺母和螺栓構(gòu)成，如圖3所示。法蘭放置在壓盤中心，由螺栓螺母將彈齒等間距的固定在兩個(gè)壓盤中間。壓盤外圈的孔可以繼續(xù)用螺栓螺母，將彈齒進(jìn)行雙重限位。法蘭的內(nèi)測(cè)放置軸承，便于安裝支架。

指盤作業(yè)的地形較為復(fù)雜，要求指盤的彈齒具備一定的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)在彈齒遇到障礙或者撞擊時(shí)彈齒能夠具有一定的彈性和韌性。根據(jù)機(jī)具的工作性質(zhì)要求，彈齒的材料選擇60Si2Mn彈簧鋼。彈齒與支架的彈性變形能力使整個(gè)機(jī)構(gòu)有著較好的抗拉強(qiáng)度、彈性極限和疲勞強(qiáng)度，從而使得機(jī)構(gòu)可以在沖擊、振動(dòng)和長(zhǎng)期交變應(yīng)力下使用。

1.指盤 2.指盤支架 3.仿型機(jī)構(gòu)

1.彈齒 2.壓盤 3.法蘭 4.軸承 5.螺母 6.螺栓

2.1.3 指盤的夾角設(shè)計(jì)

聚攏裝置的主要工作部件是指盤，但指盤的半徑較小，按照摟草機(jī)的排布方式放置指盤時(shí)工作效率不高。為了高效完成作業(yè)任務(wù)，指盤平面的水平直徑與機(jī)器的前進(jìn)方向成一定角度(指盤的偏角α)的同時(shí)，指盤平面與平行于該水平直徑的鉛垂面之間也存在一個(gè)夾角，為指盤的傾角β。放置位置如圖4所示。

圖4 指盤位置示意圖

2.2 單圓盤開溝器

將降解菌按要求劑量投放到秸稈堆中，主要由排菌裝置完成。為了提高菌種的利用率，排菌量需要根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度來調(diào)整排菌器的轉(zhuǎn)速，故排菌結(jié)構(gòu)使用外槽輪式變量排菌器，并由直流電機(jī)帶動(dòng)，直流電機(jī)由單片機(jī)控制。單片機(jī)以機(jī)具前進(jìn)速度為參數(shù)，對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到精準(zhǔn)排菌的目的。

2.2.1 外槽輪排菌器設(shè)計(jì)

外槽輪式排菌器由排菌盒、外槽輪及軸組成，如圖5所示。排菌盒上方與菌箱相連，菌料從下部出口排出。外槽輪將排菌盒分為完全分離的上下兩部分，軸的一端連接外槽輪的內(nèi)壁，另一端與鏈輪相連，直流電機(jī)通過鏈輪帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，菌料靠自身重力充滿排菌盒上部及外槽輪凹槽內(nèi)，隨著外槽輪的旋轉(zhuǎn)，凹槽中的菌料由上部帶到下部，菌料因?yàn)橹亓某隹谂懦?，從而?shí)現(xiàn)排菌。該排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)性較好，便于控制，整體以塑料為主，減少了菌料對(duì)機(jī)構(gòu)的腐蝕[10]。

2.2.2 排菌裝置的排量控制

該控制系統(tǒng)由磁感應(yīng)式速度傳感器、單片機(jī)、直流電機(jī)等組成，與拖拉機(jī)配合使用。采用拖拉機(jī)蓄電池供電，具有廣泛的通用性。全電動(dòng)的排菌過程簡(jiǎn)化了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)成本和操作、維修難度。工作時(shí)，磁感應(yīng)式速度傳感器采集機(jī)具運(yùn)動(dòng)速度，將信號(hào)輸入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)通過機(jī)具的運(yùn)動(dòng)速度及預(yù)先設(shè)定的單位面積排菌量，通過算法計(jì)算出該時(shí)刻的實(shí)際排菌量，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使實(shí)際排菌量與定值相一致，從而實(shí)現(xiàn)變量排菌。其原理如圖6所示[11]。

圖6 排菌裝置排量控制原理圖

2.3 鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

秸稈聚攏以后，處于松散的狀態(tài)，為了長(zhǎng)時(shí)間讓秸稈處于堆積的狀態(tài)，在聚攏結(jié)束后需要對(duì)秸稈進(jìn)行鎮(zhèn)壓，以便增大密度、縮小體積、增強(qiáng)聚攏效果。同時(shí)，根據(jù)農(nóng)藝要求，兩側(cè)秸稈密度相對(duì)于投放菌種中間處的密度需要更大一些。設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓器時(shí)，其直徑直接影響鎮(zhèn)壓效果及滑移率：直徑越小，作業(yè)中的鎮(zhèn)壓輪滑移率越大，同時(shí)出現(xiàn)拖、壅物料現(xiàn)象的幾率也隨之增大；直徑越大，越易傳動(dòng)，可減小作業(yè)中的滑移率，但過大的直徑會(huì)增大作業(yè)過程中的滾動(dòng)阻力；直徑不同，對(duì)物料的鎮(zhèn)壓程度也不同[12]。

鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓輪、輪輞支撐架、壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及聯(lián)接機(jī)構(gòu)組成，如圖7所示。鎮(zhèn)壓裝置依靠U型螺栓與機(jī)架固定。鎮(zhèn)壓輪寬度是由秸稈聚攏后的集聚情況決定的，一般對(duì)于鎮(zhèn)壓器寬度而言，寬度過小易造成秸稈堆周圍土壤下沉，在地表形成溝狀；寬度過大，相同作業(yè)載荷下，會(huì)因鎮(zhèn)壓器與土壤接觸面積增大而使其對(duì)土壤產(chǎn)生的壓強(qiáng)減小，從而不能達(dá)到預(yù)定的鎮(zhèn)壓效果。根據(jù)農(nóng)藝的需求設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輪為工作幅寬300mm的凹面輪，凹面輪兩邊直徑200mm，中間100mm。凹面輪對(duì)菌種附近的中間秸稈壓實(shí)程度較弱，以滿足菌種對(duì)氧氣的需要。壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由調(diào)節(jié)拉桿、彈簧及輪輞支撐架上的凹槽構(gòu)成，彈簧一端和調(diào)節(jié)拉桿相連，另一端固定在輪輞支撐架上。將調(diào)節(jié)拉桿拉到不同的凹槽內(nèi)，彈簧的彈力會(huì)發(fā)生變化，彈簧對(duì)輪輞支撐架的拉力也就隨之改變，從而迫使鎮(zhèn)壓輪會(huì)對(duì)物料施加不同的壓力，從而使調(diào)節(jié)拉桿可以調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓后的秸稈堆的高度。壓力調(diào)節(jié)裝置一共分為Ⅰ～Ⅴ擋，擋位越高，對(duì)物料施加的壓力越大。將高度為200mm的秸稈堆進(jìn)行鎮(zhèn)壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：調(diào)節(jié)拉桿位于Ⅰ擋時(shí)，滾壓1次，高度方向可擠壓為150mm；Ⅴ擋時(shí)，滾壓1次，高度方向可擠壓為120mm。

1.鎮(zhèn)壓輪 2.輪輞支撐架 3.壓力調(diào)節(jié)裝置

2.4 覆土裝置的設(shè)計(jì)

鎮(zhèn)壓裝置對(duì)秸稈堆進(jìn)行碾壓后，秸稈堆的寬度會(huì)有小幅度的增加，導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)效果不能符合農(nóng)藝要求，需要添加機(jī)構(gòu)對(duì)秸稈堆的寬度進(jìn)行約束。經(jīng)過擠壓的秸稈堆難以一直保持?jǐn)D壓后的狀態(tài)，所以在鎮(zhèn)壓秸稈后需要再添加覆土裝置，將部分土壤覆蓋秸稈。降解菌為好氧菌，需要與空氣充分接觸，降解菌周圍的秸稈需暴露在空氣中。綜上所述，覆土裝置要做到秸稈堆兩側(cè)覆土，而中間部分保持原有狀態(tài)，結(jié)合土壤實(shí)際情況，選用曲面型培土器作為覆土裝置的工作部件。曲面型培土器主要由鏟柱、右培土壁、右調(diào)節(jié)壁、左調(diào)節(jié)壁、 左培土壁、鏟尖和鏟胸等組成，如圖8所示。

1.鏟柱 2.右培土壁 3.右調(diào)節(jié)壁 4.左調(diào)節(jié)壁 5左培土壁 6.鏟尖 7.鏟胸

鏟胸和培土壁一起構(gòu)成鏟體曲面，鏟尖主要實(shí)現(xiàn)破土的作用，鏟體曲面實(shí)現(xiàn)破碎、翻轉(zhuǎn)土壤，并將土壤推向兩側(cè)的作用。鏟尖使用螺栓固定，磨損后可及時(shí)更換，其工作幅寬可由調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為250～350 mm，工作深度30～50 mm。鏟尖呈三角形，工作面近似為凸曲面。鏟刃應(yīng)進(jìn)行淬火處理，使其具有較好的入土性能和良好的耐磨性。翼板曲面參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)土壤性質(zhì)確定[13]，加工時(shí)盡量保證工作面各處光滑過渡，減小工作阻力，最大限度減少粘土現(xiàn)象，且可以使土壤沿光滑曲面穩(wěn)定移動(dòng)。

3 聚攏裝置的參數(shù)確定

聚攏裝置中彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響著秸稈的聚攏狀態(tài)。在指盤平面的中心，建立右手直角坐標(biāo)系:x軸的正向與機(jī)器前進(jìn)方向一致，z軸指向遠(yuǎn)離地面的方向。將指盤簡(jiǎn)化成圓，在投影面上的投影如圖9所示。

圖9 指盤投影簡(jiǎn)圖

3.1 指盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

簡(jiǎn)圖中指盤上某點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是由機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和指盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成，軌跡在XOZ平面內(nèi)為擺線，在直徑為560mm的指盤邊緣上表現(xiàn)為短擺線。指盤圓上的任意一點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡為

式中R—分析點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；

ω—指盤角速度；

t—時(shí)間；

α—指盤偏角；

β—指盤傾角；

v—指盤前進(jìn)速度。

圖10 指盤邊緣某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

由公式(2)得到：在指盤的結(jié)構(gòu)尺寸特定時(shí)，指盤的工作參數(shù)主要有偏角α、傾角β及前進(jìn)速度v；而影響彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡的主要有偏角α與傾角β，從計(jì)算機(jī)繪圖中表明前進(jìn)速度不會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.2 指盤偏角α的分析

為了研究偏角α對(duì)指盤運(yùn)動(dòng)的影響，設(shè)定指盤半徑R=280mm，機(jī)器前進(jìn)速度v=10km/h，傾角β=30°，繪制出偏角α分別為45°、42°、39°、36°、33°、30°的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖11所示。

1.α=30° 2.α=33° 3.α=36° 4.α=39° 5.α=42° 6.α=45°圖11 偏角α與運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系

由圖11可知：偏角α越大，指盤投影在YOZ平面內(nèi)的橢圓短徑越大，工作幅寬越大。由YOX平面的投影視圖可知：當(dāng)y方向上移動(dòng)量一定時(shí)，偏角α越大，x方向的移動(dòng)量增大，秸稈的位移增大，秸稈損失量也隨之增大；當(dāng)偏角α過大時(shí)，指盤會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，工作效率下降，牽引阻力增大。當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，偏角α越大，秸稈運(yùn)動(dòng)時(shí)垂直于機(jī)具前進(jìn)方向的速度分量越大，導(dǎo)致秸稈的橫向位移增大，聚攏起來的壟寬隨之增加。

3.3 指盤傾角β的分析

為了研究?jī)A角β對(duì)指盤運(yùn)動(dòng)的影響，設(shè)定指盤半徑R=280mm，機(jī)器前進(jìn)速度v=10km/h，偏角α=45°，繪制出β分別為42°、36°、30°、24°、18°的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖12所示。

1.β=18° 2.β=24° 3.β=30° 4.β=36° 5.β=42°

由圖12可知：傾角β越大，指盤投影在YOZ平面內(nèi)的橢圓長(zhǎng)軸越偏于水平方向，工作幅寬越大，同時(shí)秸稈在豎直方向的移動(dòng)越?。划?dāng)傾角β過大時(shí)，指盤在豎直方向上的高度太小，會(huì)出現(xiàn)聚草的現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，工作效率下降，牽引阻力增大。

綜上分析表明：在不出現(xiàn)滑移的現(xiàn)象時(shí)，指盤的偏角α越大越好，傾角β越小越好。在調(diào)整工作幅寬時(shí)，優(yōu)先考慮增大傾角β。

3.4 彈齒數(shù)的確定

為了保證指盤能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和摟集秸稈，指盤上要設(shè)有一定數(shù)量彈齒。由于指盤的直徑較小，彈齒數(shù)量過多會(huì)造成纏草的情況，根據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所對(duì)摟草機(jī)的研究：彈齒數(shù)m可用通過角Φ等于彈齒間夾角θ偶數(shù)倍關(guān)系確定，即Φ=Kθ(K=4、6、8、…)[14-15]。結(jié)合指盤自身的運(yùn)動(dòng)特征，得

式中R—指盤半徑；

β—指盤傾角；

h—物料厚度；

m—彈齒數(shù)目。

假設(shè)秸稈厚度為60mm，取K=6，則m=24。

在內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗的10月田間進(jìn)行試驗(yàn)，直徑為560mm的指盤在聚攏碎秸稈(秸稈長(zhǎng)度≤100mm)的作業(yè)中，指盤傾角為0～40°時(shí)指盤不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象；再根據(jù)指盤的工作幅寬，確定指盤偏角30°～60°，彈齒數(shù)目為24時(shí)整機(jī)工作性能較好。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院玉米試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)地屬于一年一熟的平原區(qū)，土壤為壤土，年降水量400mm左右。試驗(yàn)日期為2017年11月1日，氣溫-10°，土壤含水率為13.9%。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)橛衩资肇浐?，秸稈粉碎還田，秸稈覆蓋量4.5kg/m2。

玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：能夠?qū)⑶锸蘸蠓鬯榈挠衩捉斩捈瘲l，且覆蓋適量土壤，加入玉米秸稈降解菌后加快秸稈腐蝕，使還田后的秸稈變?yōu)榈?年播種時(shí)的有機(jī)肥料。其解決了農(nóng)牧交錯(cuò)地帶保護(hù)性耕作中玉米秸稈腐蝕不完全的問題，有利于推廣農(nóng)牧交錯(cuò)地帶的保護(hù)性耕作。玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)照片如圖13(a)所示，田間試驗(yàn)如圖13(b)所示。

圖13 玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)及田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 漏摟率

漏摟率參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14247-2015《摟草機(jī)試驗(yàn)方法》[16]。試驗(yàn)時(shí)，漏摟率行程為5 m，撿拾機(jī)具通過后未能摟到且長(zhǎng)度大于70mm的玉米秸稈，定義為漏摟秸稈。稱量5m內(nèi)平均漏摟秸稈質(zhì)量為m1，稱量行程5m內(nèi)摟集秸稈質(zhì)量為m2，m1與m2的比值為漏摟率。通過試驗(yàn)測(cè)得該機(jī)漏摟率為2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 秸稈集條寬度

秸稈集條寬度在每個(gè)行程選5m，每隔0.5m測(cè)量一次秸稈集條寬度。試驗(yàn)測(cè)得該機(jī)秸稈集條寬度為0.28～0.35 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 排菌量

由于田間試驗(yàn)過程中外槽輪排菌裝置將玉米秸稈降解菌與尿素排入集條的秸稈上，因此較難測(cè)試排量。試驗(yàn)用腐熟劑為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自主提取的玉米秸稈降解菌與尿素混合而成。排菌器的排菌性能在室內(nèi)的播種器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行，外槽輪轉(zhuǎn)速與整機(jī)前進(jìn)速度與試驗(yàn)相同，測(cè)得外槽輪排菌器的降解菌與尿素混合物最大排出質(zhì)量流率為0.152 kg/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.4 破土深度

覆土裝置破土深度直接影響著機(jī)具覆土量及覆土作業(yè)的效果。試驗(yàn)后，每隔0.5m測(cè)量培土器工作前后高度差，測(cè)試100m試驗(yàn)區(qū)共200個(gè)測(cè)量點(diǎn)取平均值，測(cè)得平均破土深度為4.57mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了該機(jī)具的指盤式聚攏裝置，外槽輪式排菌裝置，鎮(zhèn)壓輪式鎮(zhèn)壓裝置，培土式覆土裝置。

2)通過分析聚攏裝置中彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡得到：指盤傾角為0°～40°。指盤偏角30°～60°、彈齒個(gè)數(shù)為24時(shí)，聚攏裝置工作性能較好。

3)進(jìn)行了玉米秸稈聚攏排菌覆土還田機(jī)的試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)漏摟率為2%，秸稈集條寬度為0.28～0.35m，外槽輪排菌器的降解菌與尿素混合物最大排出質(zhì)量流率為0.152kg/s，平均破土深度為4.57mm，滿足設(shè)計(jì)要求。