1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

王馨竟

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

黑龍江省玉米種植面積、產(chǎn)量和商品化率均居全國(guó)首位，每年產(chǎn)出玉米秸稈數(shù)量很大，作好秸稈的綜合利用是農(nóng)業(yè)工作的重中之重。隨著2020年《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025年)》有序規(guī)范實(shí)施，確定并提出符合不同區(qū)域的保護(hù)性耕作制度，提出推動(dòng)玉米秸稈覆蓋免少耕播種保護(hù)性耕作技術(shù)。該技術(shù)是一種以農(nóng)作物秸稈覆蓋地表、免耕播種為主的現(xiàn)代耕作技術(shù)體系，能有效增加土壤肥力和保墑抗旱能力、保護(hù)環(huán)境、節(jié)本增效，其核心是盡量少動(dòng)土，盡量多的秸稈覆蓋，次年春季播種時(shí)采用秸稈粉碎還田機(jī)粉碎秸稈后，均勻拋撒在田間，再利用條耕或免耕播種技術(shù)進(jìn)行播種。

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)是按照保護(hù)性耕作技術(shù)研究設(shè)計(jì)的，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)型可配備大馬力拖拉機(jī)，滿足合作社、農(nóng)場(chǎng)和大農(nóng)戶進(jìn)行大面積秸稈粉碎還田作業(yè)的需求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙軸正反向刀軸，可減少動(dòng)力消耗，其中第二刀軸的動(dòng)刀組配合可調(diào)式定刀組合作業(yè)，將收獲的玉米秸稈粉碎至8 cm以下，并均勻地拋撒在地面上，有利于后期免耕播種作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)，主要包括機(jī)架、第一動(dòng)力輸入軸、第一變速箱、萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸、第二變速箱、第二刀軸組定刀、尾板、第二刀軸、第二傳動(dòng)總成、第一刀軸、第一傳動(dòng)總成，如圖1所示，通過(guò)三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)連接，并由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供傳動(dòng)動(dòng)力。

1.機(jī)架;2.第一動(dòng)力輸入軸;3.第一變速箱;4.萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸;5.第二變速箱;6.第二刀軸組定刀;7.尾板;8.第二刀軸;9.第二傳動(dòng)總成;10.第一刀軸;11.第一傳動(dòng)總成

1.2 工作原理

首先，秸稈粉碎還田機(jī)與拖拉機(jī)連接后，拖拉機(jī)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接該機(jī)第一變速箱上動(dòng)力輸入軸，為整機(jī)提供動(dòng)力。第一刀軸通過(guò)皮帶傳動(dòng)與第一變速箱動(dòng)力輸出軸連接，實(shí)現(xiàn)第一刀軸正向旋轉(zhuǎn)(逆時(shí)針?lè)较?。第一變速箱與第二變速箱通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，并為其提供動(dòng)力。第二刀軸與第二變速箱通過(guò)皮帶傳動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)第二刀軸反向旋轉(zhuǎn)(順時(shí)針?lè)较?。作業(yè)時(shí)第一刀軸與第二刀軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)組合作業(yè)，即第一刀軸將地面上的秸稈撿拾粉碎后拋向第二刀軸，第二刀軸配合定刀組對(duì)秸稈進(jìn)行二次粉碎，粉碎后的秸稈碎末在尾板的導(dǎo)向作用下，沿粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)拋物線均勻的拋撒在地面上，完成秸稈粉碎還田作業(yè)。根據(jù)作業(yè)過(guò)程中秸稈的粉碎長(zhǎng)短，可調(diào)節(jié)第二刀軸組合動(dòng)刀和定刀的相對(duì)距離，即可改變秸稈粉碎后的長(zhǎng)度[1]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接第一變速箱徑向動(dòng)力輸入軸，由變速箱增速后，經(jīng)第一變速箱動(dòng)力輸出軸兩端的第一刀軸大皮帶輪將動(dòng)力傳動(dòng)到第一刀軸兩端的第一刀軸小皮帶輪，再次增速后驅(qū)動(dòng)第一刀軸正向旋轉(zhuǎn)；第二變速箱動(dòng)力輸入軸與第一變速箱軸向動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接傳輸動(dòng)力，經(jīng)第二變速箱增速后，由第二變速箱動(dòng)力輸出軸經(jīng)兩端第二刀軸大皮帶輪將動(dòng)力傳動(dòng)到第二刀軸小皮帶輪再次增速，驅(qū)動(dòng)第二刀軸反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的粉碎作業(yè)。

1.第一刀軸大皮帶輪;2.第一變速箱動(dòng)力輸出軸;3.第一變速箱徑向動(dòng)力輸入軸;4.第一變速箱軸向動(dòng)力輸出軸;5.第一變速箱;6. 第一刀軸;7.第一刀軸小皮帶輪;8.第二刀軸大皮帶輪;9.第二刀軸小皮帶輪;10.第二變速箱動(dòng)力輸出軸;11.第二變速箱;12.第二刀軸

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

參考現(xiàn)有參數(shù)(表1)及公式，計(jì)算該機(jī)所需配套動(dòng)力。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)

式中：Pmax—拖拉機(jī)最大功率，kW;

P—?jiǎng)恿敵鲚S負(fù)載消耗的功率，kW；

mj—秸稈粉碎還田機(jī)的質(zhì)量，kg;

ms—拖拉機(jī)使用質(zhì)量，kg；

f—拖拉機(jī)的滾動(dòng)阻力系數(shù)，取值f=0.8；

vm—機(jī)組作業(yè)速度，km·h-1;

g—重力加速度，m·s-2。

計(jì)算可得，Pmax=124.23 kW。

2.3 動(dòng)刀的排列規(guī)律

根據(jù)莖稈的物理機(jī)械性質(zhì)分析可知，玉米秸稈由纖維素所構(gòu)成，其纖維方向與秸稈軸線平行，因此割刀切入秸稈的方向與其切割阻力和功率消耗有著密切關(guān)系。試驗(yàn)證實(shí)：斜切和削切較橫斷切的切割阻力和功率消耗降低30%～60%[1]。因此本文所設(shè)計(jì)的1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)上的動(dòng)刀排列規(guī)則要符合這一要求，能有效減少動(dòng)力消耗并保證作業(yè)質(zhì)量。

動(dòng)刀排列規(guī)律如下：第一刀軸上共安裝36組動(dòng)刀，18組動(dòng)刀為一列，兩列動(dòng)刀按雙螺旋線排布，兩組相鄰動(dòng)刀間的軸向間距為190 mm；同一螺旋線上相鄰的兩組動(dòng)刀夾角為72°，如圖3所示；作業(yè)時(shí)確保有4組動(dòng)刀同時(shí)作業(yè)；第二刀軸動(dòng)刀組與第一刀軸排列規(guī)律相同，第一刀軸動(dòng)刀組型式為Y型甩刀，第二刀軸動(dòng)刀組型式為鋸齒形直刀。

圖3 動(dòng)刀的排列規(guī)律示意圖

2.4 第二刀軸組定刀的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)撿拾起的玉米秸稈進(jìn)行二次粉碎，針對(duì)不同需求玉米秸稈所需的粉碎長(zhǎng)度不一致等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了動(dòng)刀組和可調(diào)節(jié)式定刀組(圖4)配合作業(yè)。第二刀軸組定刀安裝在第二刀軸前部上方，由定刀軸、定刀和鎖止機(jī)構(gòu)組成；在定刀軸上共安裝35把定刀，每相鄰2把定刀間距95 mm；定刀軸兩端穿過(guò)機(jī)架側(cè)板上的長(zhǎng)條孔，由鎖止機(jī)構(gòu)上的螺母固定。需要調(diào)節(jié)動(dòng)刀、定刀相對(duì)距離時(shí)，松開(kāi)定刀軸兩端鎖止機(jī)構(gòu)螺母，使定刀軸沿機(jī)架側(cè)板上的長(zhǎng)條孔移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。該設(shè)計(jì)主要作用是通過(guò)第二刀軸組動(dòng)刀、定刀組合作業(yè)，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行二次粉碎。

1.第二刀軸；2.定刀；3.定刀軸

2.5 皮帶調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

皮帶調(diào)整裝置如圖5，包括變速箱調(diào)距機(jī)構(gòu)(圖6)和動(dòng)力軸調(diào)距機(jī)構(gòu)(圖7)兩部分；通過(guò)變速箱調(diào)整距螺桿與動(dòng)力軸調(diào)距螺桿同時(shí)動(dòng)作，使變速箱和動(dòng)力軸產(chǎn)生位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主、從動(dòng)皮帶輪間距的調(diào)節(jié)。

1.動(dòng)力軸調(diào)距機(jī)構(gòu)；2.變速箱調(diào)距機(jī)構(gòu)

圖6 動(dòng)力軸調(diào)距螺桿示意圖

圖7 變速箱調(diào)距螺桿示意圖

3 結(jié)論

1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)是結(jié)合以往的秸稈粉碎還田機(jī)工作原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種雙軸秸稈粉碎還田機(jī)，改善以往單軸粉碎還田機(jī)存在的問(wèn)題，提高了秸稈粉碎的質(zhì)量和效率，對(duì)推動(dòng)玉米秸稈覆蓋免少更播種保護(hù)性耕作技術(shù)起到促進(jìn)作用。

1)研究論述了1JH-320型雙軸秸稈粉碎還田機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理，根據(jù)秸稈粉碎覆蓋還田耕種技術(shù)的農(nóng)藝要求進(jìn)行了關(guān)鍵部件的理論研究和設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)了動(dòng)刀的排列規(guī)律和第二刀軸組。

2)設(shè)計(jì)的雙軸秸稈粉碎還田機(jī)采用雙軸正反兩轉(zhuǎn)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，且由第二刀軸動(dòng)刀組與定刀組配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米秸稈依次切割，切割效果良好，相較于市場(chǎng)現(xiàn)有的單軸秸稈粉碎還田機(jī)和雙軸秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)更加新穎，動(dòng)力消耗更小。

3)通過(guò)整機(jī)性能試驗(yàn)表明，該機(jī)可將收獲后的玉米秸稈粉碎成長(zhǎng)度小于8 cm的碎末，并均勻拋撒在地面上，符合國(guó)家要求，達(dá)到了秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量及設(shè)計(jì)要求。