高留茬稻秸稈覆蓋還田復(fù)式作業(yè)機的設(shè)計與試驗分析

崔軍 鐘志堂 史新明 唐莉莉 張飛

秸稈還田是秸稈綜合利用的重要途徑。為解決稻秸稈還田條件下提高小麥播種質(zhì)量這一難題，設(shè)計一種高留茬稻秸稈覆蓋還田復(fù)式作業(yè)機。該機使用自走式履帶底盤，可一次性完成秸稈撿拾、切割、粉碎、旋耕、播種和碎秸稈覆蓋還田等作業(yè)。使用該機可不用考慮收割環(huán)節(jié)對秸稈切碎和勻鋪的要求，從而提升收割機的作業(yè)效率和可靠性，大幅降低收獲時的功耗。機具在秸稈撿拾后“干凈”的地表進行旋耕可以大幅降低旋切阻力，碎秸稈覆蓋還田可以避免因秸稈掩埋還田引起的失墑和死苗現(xiàn)象，起到保墑防凍作用。自走式履帶底盤大大增強了機具的通過性，即使在蘇南常見的濕爛地塊也能行走自如。

1 整機結(jié)構(gòu)

該機為一種多功能復(fù)式作業(yè)機械，主要部件包括履帶行走底盤、秸稈收集輸送裝置、秸稈切碎裝置、旋耕機、同步播種裝置、碎秸稈輸送噴撒裝置和操控系統(tǒng)等（詳見圖1），可一次性完成高留茬稻秸稈的切割、撿拾、粉碎、旋耕、小麥播種和碎秸稈覆蓋還田等作業(yè)工序，對聯(lián)合收割機收獲的高留茬稻秸稈具有良好的適應(yīng)性。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 動力傳動設(shè)計

2.1.1 發(fā)動機選用

發(fā)動機的選用主要考慮履帶行走底盤、秸稈收集與輸送、秸稈粉碎、旋耕與播種、碎秸稈噴撒

圖1 機具總體結(jié)構(gòu)圖

表1 功率估算表

2.1.2 動力傳動

該機工作時，首先由發(fā)動機皮帶輪將動力傳遞至中間軸，再由中間軸分別傳遞至風(fēng)機、旋耕機輸入皮帶輪、碎草滾筒和過渡軸，旋耕機輸入皮帶輪通過減速齒輪箱驅(qū)動左右旋耕刀軸，過渡軸則首先驅(qū)動輸送槽，再由輸送槽驅(qū)動割臺輸入軸，進而驅(qū)動切割器、攪龍筒與撿拾輪工作。傳動路線如圖2 所示。

該機的播種機構(gòu)由電機通過鏈輪直接驅(qū)動，電機的轉(zhuǎn)速則由安裝在行走變速箱軸端的測速編碼器通過輸出的脈沖數(shù)進行控制。

設(shè)計選擇的動力傳遞基本參數(shù)如下：發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速R額=2 400 r/min，發(fā)動機輸出皮帶輪直徑D發(fā)=140 mm，HST 輸出轉(zhuǎn)速R0=860 r/min，行走變速箱前進檔傳動比i=0.05，行走變速箱倒退檔傳動比i=0.05，播種電機調(diào)速范圍在6～14 r/min。

2.2 秸稈處理部件設(shè)計

該部件主要包括秸稈收集輸送裝置、秸稈切碎裝置、碎秸稈輸送噴撒裝置，作用是將秸稈切碎并順利送出粉碎裝置。收集輸送裝置主要由切割器、橫向攪龍、輸送鏈等組成。粉碎裝置主要由碎草動刀輥（前段為輸送釘齒，后段為碎草動刀）、定刀架、刀輥下凹板、導(dǎo)草筋與上蓋板等組成，碎秸稈噴撒裝置主要由風(fēng)機和碎秸稈噴撒筒組成。秸稈在切割器作用下通過橫向攪龍輸送至粉碎裝置，進入秸稈粉碎裝置的秸稈在輸送釘齒和導(dǎo)草筋的作用下向后段移動，在后段由于動刀和定刀的作用，使秸稈得到切碎。切碎后的秸稈沿動刀切線方向飛出，最終覆蓋在已播種的地面上。

該機采用常柴62 kW 發(fā)動機，動力輸出額定轉(zhuǎn)速R額=2 400 r/min，發(fā)動機皮帶輪直徑D發(fā)=140 mm，中間軸輸入帶輪直徑D中軸=215 mm，往粉碎裝置方向的輸出帶輪直徑D出2=177 mm，碎草刀軸輸入帶輪直徑D碎=147 mm，其刀軸轉(zhuǎn)速為：n＝2 400×140÷215×177÷147＝1 881（r/min）

圖2 動力傳動圖

設(shè)計該機碎草刀軸回轉(zhuǎn)直徑D碎回=550 mm，其刀片頂端線速度為：v＝пD×n÷1 000÷60＝3.14×550×1 881÷1 000÷60＝54.1（m/s）

通過計算得出結(jié)論：碎草刀片線速度為54.1 m/s，能夠滿足碎草作業(yè)要求。

2.3 播種部件設(shè)計

圖3 為播種裝置示意圖。播種機的設(shè)計重點在于兩方面：一是電控同步播種，二是從整機機構(gòu)緊湊要求出發(fā)設(shè)計了負(fù)壓輸種器。如圖3 所示，復(fù)式機的同步播種裝置由種箱、回轉(zhuǎn)上排式排種器、負(fù)壓輸種器、排種管、直流調(diào)速電機、同步編碼器和控制器組成。為了使排種器的排種速度與機器作業(yè)速度按一定比例同步，同步編碼器安裝在行走變速箱的同步輸出軸上，通過控制器控制調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速，進而控制播種量。為了增加種槽的充種能力，保證排種均勻，樣機排種輪設(shè)計采用大直徑尼龍棒料制造，并采用了回轉(zhuǎn)上排式排種器。

圖3 播種裝置示意圖

根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計小麥播種量分別為每畝6 kg、8 kg、10 kg、12 kg、14 kg。播種裝置由直流調(diào)速電機通過鏈輪、08B 鏈條單級傳動，從動鏈輪和排種輪連接，播種電機調(diào)速范圍在6～14 r/min，播量分檔通過控制盒分檔旋鈕實現(xiàn)。為了方便控制和電機動力傳遞，設(shè)計主動鏈輪Z1=24 齒，從動鏈輪Z2=24 齒，播種機設(shè)計傳動比i=1。

2.4 旋耕部件設(shè)計

圖4 旋耕部件示意圖

圖4 為旋耕部件示意圖。復(fù)式機的旋耕機由支架、中間傳動箱、旋耕刀輥、提升油缸及護罩組成，采用組合式標(biāo)Ⅱ型動刀、定刀。按總體結(jié)構(gòu)布置，旋耕機所在位置正是秸稈切割、撿拾后秸稈殘留量很少的稻坂茬田，所以旋耕機可以獲得理想的耕作條件，旋耕作業(yè)時功率消耗更低，作業(yè)質(zhì)量也更好。旋耕刀輥傳動設(shè)計與計算如下：

1）按旋耕作業(yè)技術(shù)要求，旋耕深度大于60 mm，計算得轉(zhuǎn)速不小于280 r/min，設(shè)計采用IT225刀片。

2）發(fā)動機輸出皮帶輪直徑D發(fā)=140 mm，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速R額=2 400 r/min。

3）設(shè)計中間軸輸入皮帶輪直徑D中軸=215 mm。

4）往風(fēng)機方向的中間軸輸出皮帶輪直徑D出1=215 mm。

5）風(fēng)機輸入皮帶輪直徑D風(fēng)=220 mm。

6）旋耕機傳動箱輸入皮帶輪直徑D箱=203 mm。

7）設(shè)計傳動箱主動齒輪為18 齒，二軸齒輪分別為51 齒和19 齒，三軸齒輪分別為35 齒和18齒，惰輪為27 齒，刀軸齒輪為20 齒。旋耕刀輥總傳動比：

i=140÷215×215÷203×18÷51×19÷35×18÷27×27÷20=0.12

3 田間試驗

3.1 試驗時間、地點

試驗時間為2019 年10 月20 日。試驗地為水稻收獲機收獲后的茬地。該田地勢平坦，長度為200 m，寬度為30 m，田間秸稈平均留茬高度為25 cm，土壤類型為壤土。

3.2 試驗內(nèi)容、方法

根據(jù)NY/T 1229-2006《旋耕施肥播種聯(lián)合作業(yè)機 作業(yè)質(zhì)量》檢測該機主要作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)。試驗結(jié)果見表2。

3.3 試驗結(jié)果分析

按照設(shè)計要求，旋耕深度≥6 cm 即為合格，播種深度在3～5 cm 即為合格，秸稈粉碎長度≤15 cm 即為合格。從試驗結(jié)果看，該機作業(yè)性能良好，主要性能指標(biāo)均符合設(shè)計要求和國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 試驗結(jié)果