地下灌溉復(fù)合管成型裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

楊杰，關(guān)陽(yáng)，古冬冬，仵峰，張煜忠，施進(jìn)發(fā)

(華北水利水電大學(xué)，鄭州市，450046)

0 引言

目前，我國(guó)玉米秸稈產(chǎn)量穩(wěn)居高位[1]。其中，黃淮海地區(qū)的玉米秸稈產(chǎn)量約占全國(guó)的1/4[2]。為了充分利用秸稈資源，我國(guó)大力推廣應(yīng)用秸稈機(jī)械還田技術(shù)[3-5]。根據(jù)秸稈機(jī)械化還田的方式不同，可以分為：秸稈粉碎表層還田、秸稈與根茬混埋還田、秸稈整稈還田、秸稈溝埋還田[6]。其中秸稈粉碎表層還田質(zhì)量好，成本降低，秸稈處理量多，效率高。但玉米秸稈的根茬粗壯，且黃淮海地區(qū)小麥、玉米為一年兩熟，秸稈粉碎表層還田處理影響小麥的播種，小麥根部易腐爛，不利于生長(zhǎng)[7]。秸稈與根茬混埋還田，既很好地解決人工處理玉米根茬耗時(shí)費(fèi)力問(wèn)題，又能起到整地作用，改良土質(zhì)，做到種地養(yǎng)地。秸稈整稈還田，具有鎖住土壤水分的效果，減少秸稈粉碎流程，降低生產(chǎn)成本[8]。但秸稈整稈還田配套的還田工具為鏵式犁，經(jīng)常使用鏵式犁會(huì)形成犁底層，對(duì)作物的生長(zhǎng)不利。秸稈溝埋還田，增加土壤中有機(jī)物的含量，土壤結(jié)構(gòu)與環(huán)境得到改善，有利于作物的生長(zhǎng)，產(chǎn)量增加[9]。

秸稈溝埋還田是在我國(guó)逐漸形成的一種新型秸稈還田技術(shù)，目前還處于研發(fā)階段[10]。查良玉等[11]在常規(guī)東方紅904雙盤開(kāi)溝機(jī)擋土板上焊接合適的擋土板，開(kāi)溝性能良好，碎土率高，解決了秸稈機(jī)械溝埋還田埋草后覆土難的問(wèn)題。陳玉侖[12]以稻麥聯(lián)合收獲機(jī)與開(kāi)溝機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草多功能一體機(jī)，一次作業(yè)即可完成稻麥作物聯(lián)合收獲、開(kāi)溝和秸稈入溝還田等工序。孔德剛等[13]根據(jù)秸稈深施還田要求借鑒深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種螺旋式秸稈深施機(jī)單體裝置。目前，在單項(xiàng)作業(yè)方面，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)的基本機(jī)械化要求，但埋草作業(yè)需要人工進(jìn)行。在聯(lián)合作業(yè)方面，還未形成較為成熟的一體機(jī)整體作業(yè)系統(tǒng)，需要對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作優(yōu)化，提高工作性能和效率。此外，秸稈溝埋還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)也可同時(shí)考慮增加施氮肥或催腐劑等功能。

基于上述玉米秸稈溝埋還田的發(fā)展現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步研究黃淮海地區(qū)的秸稈還田問(wèn)題，提高秸稈的利用率，結(jié)合秸稈粉碎還田的技術(shù)和地下灌溉技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種用于地下灌溉復(fù)合管成型裝置。將作物秸稈粉碎與土壤按不同比例摻量混合，擠壓形成空心圓管狀的復(fù)合管材，應(yīng)用時(shí)采用一次性淺埋，一年或一季后直接全量還田；秸稈土壤混合物料擠壓成管狀，當(dāng)作地下灌溉管材，解決下茬作物的出苗及生長(zhǎng)過(guò)程中與微生物爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥的問(wèn)題。

1 成型裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)前期的試驗(yàn)得到地下灌溉復(fù)合管成型的農(nóng)藝特點(diǎn)：(1)當(dāng)秸稈參量為5%，含水率在20%～26%的區(qū)間時(shí)，復(fù)合管滿足綜合性能指標(biāo)要求；(2)擠壓成型的復(fù)合管容重不低于1.30 g/cm3時(shí)，有利于復(fù)合管的成型；(3)為了達(dá)到玉米秸稈就地直接全量還田的目的，地下灌溉復(fù)合管成型裝置與玉米秸稈還田機(jī)配套使用，在拖拉機(jī)的牽引下工作，應(yīng)保證一定的復(fù)合管擠壓成型速度。因此，依據(jù)地下灌溉復(fù)合管成型特性和要求，確定了地下灌溉復(fù)合管成型裝置的設(shè)計(jì)要求。

1.1 成型裝置結(jié)構(gòu)

地下灌溉復(fù)合管成型裝置主要由動(dòng)力部分、攪拌部分、擠壓成型部分和機(jī)殼組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 三維結(jié)構(gòu)俯視圖

(b) 三維結(jié)構(gòu)左視圖 圖1 地下灌溉復(fù)合管成型裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of compound pipe forming device for underground irrigation1.從動(dòng)皮帶輪 2.皮帶 3.主動(dòng)皮帶輪 4.三相異步電動(dòng)機(jī) 5.從動(dòng)齒輪2 6.拌料板 7.旋轉(zhuǎn)拌料軸2 8.支撐架 9.外殼 10.旋轉(zhuǎn)拌料軸1 11.拌料板 12.從動(dòng)齒輪1 13.聯(lián)軸器 14.減速器 15.主動(dòng)齒輪 16.進(jìn)料筒 17.法蘭盤 18.出料筒 19.絞龍葉片 20.絞龍軸

傳動(dòng)部分主要包括三相異步電機(jī)、減速器、皮帶輪、主動(dòng)齒輪、拌料左從動(dòng)齒輪、拌料右從動(dòng)齒輪。攪拌部分主要包括拌料左動(dòng)力軸、拌料右動(dòng)力軸以及四個(gè)拌料板。擠壓成型部分主要由絞龍軸、絞龍葉片組成。機(jī)殼既是保護(hù)結(jié)構(gòu)，也是地下灌溉復(fù)合管定型的主要組成部分。

地下灌溉復(fù)合管成型裝置整體由鋼焊接而成，可以滿足工況強(qiáng)度要求。地下灌溉復(fù)合管成型裝置4個(gè)部分組成一套完整的聯(lián)合工作產(chǎn)品，混合物料充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑪D壓部分將混合物料機(jī)械力壓縮成管，并具有輸送物料功能。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 地下灌溉復(fù)合管成型裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of underground irrigation compound pipe forming device

1.2 工作原理

如圖2所示，絞龍軸通過(guò)聯(lián)軸器與減速器連接，電機(jī)啟動(dòng)通過(guò)皮帶傳動(dòng)減速器，減速器帶動(dòng)絞龍軸、絞龍葉片旋轉(zhuǎn)，絞龍軸上的主動(dòng)齒輪開(kāi)始順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)攪拌部件工作，絞龍軸帶動(dòng)擠壓成型部件工作。

圖2 動(dòng)力傳遞方向及混合物料運(yùn)動(dòng)方向Fig. 2 Power transfer direction and mixture movement direction1.絞龍軸 2.從動(dòng)齒輪2 3.從動(dòng)齒輪1 4.攪拌部件 5.擠壓成型部件 6.主動(dòng)齒輪

當(dāng)?shù)叵鹿喔葟?fù)合管成型裝置開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將一定比例的秸稈和土壤攪拌均勻，加水使得混合物料含水率達(dá)到一定值，混合物料粘度增大便于壓縮成管。攪拌好的秸稈和土壤在進(jìn)料筒完成入料，通過(guò)攪拌裝置進(jìn)行二次拌料，一是使得混合物料攪拌更加充分，二是給混合物料施加下壓力，便于混合物料進(jìn)入到擠壓成型部分。擠壓成型部分將混合物料壓縮傳輸，在絞龍軸、絞龍葉片的傳動(dòng)和擠壓下，秸稈和土壤混合物料在絞龍軸、絞龍葉片和外殼的共同作用下，形成具有一定強(qiáng)度的復(fù)合管材。絞龍軸的前端沒(méi)有絞龍葉片，目的為了形成空心的圓管，圓管中可以加水，便于對(duì)下茬作物滴灌；經(jīng)過(guò)壓縮成型的混合物料在出料筒進(jìn)一步壓縮，出料筒通過(guò)法蘭盤與外殼連接，方便拆卸，更換不同尺寸的內(nèi)徑出料筒，為了擠壓成型不同尺寸外徑的地下灌溉復(fù)合管。

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 攪拌部件設(shè)計(jì)

攪拌部件由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由主動(dòng)齒輪軸、從動(dòng)齒輪軸1、從動(dòng)齒輪軸2組成，如圖2所示。

當(dāng)主動(dòng)齒輪軸開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之嚙合的從動(dòng)齒輪軸1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)齒輪1與從動(dòng)齒輪2嚙合，從動(dòng)齒輪軸2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在從動(dòng)齒輪軸1的帶動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)攪拌軸1開(kāi)始逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)攪拌軸交錯(cuò)連接的拌料板運(yùn)行攪拌工作，一個(gè)旋轉(zhuǎn)攪拌軸通過(guò)螺絲螺母緊固的兩片拌料板。通過(guò)主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)從動(dòng)齒輪軸1，從動(dòng)齒輪軸1帶動(dòng)從動(dòng)齒輪軸2的傳動(dòng)方式，可以有效避免兩根旋轉(zhuǎn)拌料軸上的拌料板出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)干涉現(xiàn)象，保證拌料板的正常工作。主動(dòng)齒輪軸的轉(zhuǎn)速為488 r/min，且傳動(dòng)比為1.2，從動(dòng)齒輪軸1的傳動(dòng)比為0.8。

2.2 螺旋擠壓成型部件設(shè)計(jì)

螺旋擠壓成型部件為機(jī)具的核心部件，其將秸稈與土壤混合物進(jìn)行螺旋擠壓，使其成為密實(shí)的圓管形狀。擠壓部分所選用的絞龍為等螺距、圓柱狀。絞龍結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為螺距s、外徑D、軸徑d[14]。其中螺距s根據(jù)輸送效率來(lái)定，一般情況下，當(dāng)絞龍轉(zhuǎn)速不變，螺距越小，輸送效率越低，但輸送效率不會(huì)隨著螺距的增加而一直增大，當(dāng)螺距增加到一定值的時(shí)候，輸送效率會(huì)降低[15]。絞龍外徑D一般根據(jù)實(shí)際需要來(lái)定值。絞龍軸徑d的取值要考慮多種因素，軸徑過(guò)大，結(jié)構(gòu)不緊湊，軸徑太小，會(huì)增加加工制造的難度，對(duì)輸送效果也不利，一般情況下，d=(0.20～0.35)D。

秸稈與土的混合物料在絞龍的帶動(dòng)下進(jìn)行物料輸送時(shí)，同時(shí)進(jìn)行著兩種運(yùn)動(dòng)，一種是繞著軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一種時(shí)沿著軸線的直線運(yùn)動(dòng)[16]。理想狀態(tài)下，絞龍的輸送速度V=ns/60。其中：n為絞龍轉(zhuǎn)速，r/min。當(dāng)秸稈顆粒與土的混合物接觸到絞龍葉片，會(huì)跟隨絞龍葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，理論上會(huì)產(chǎn)生與螺旋葉片相互垂直的速度V1=Vcosα=(ns/60)cosα。其中：α為螺旋升角(即垂直于葉片速度V1與軸向速度V之間的夾角)。

確定好絞龍的內(nèi)徑、外徑后，絞龍螺距的確定要考慮到與其所傳輸?shù)奈锪夏Σ料禂?shù)。當(dāng)物料的摩擦系數(shù)較小時(shí)，要求s≥D；物料的摩擦系數(shù)較大，設(shè)計(jì)s

2.3 擠壓成型部分物料輸送功率

擠壓成型結(jié)構(gòu)主要是將粉碎好的秸稈壓縮擠壓成型，所以其壓縮速率應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)秸稈喂入量。

(1)

式中：Q——絞龍輸送量，t/h；

ψ——充滿系數(shù)；

γ——容重，t/m3；

c——傾斜輸送系數(shù)。

絞龍軸轉(zhuǎn)速以前期試驗(yàn)得到的絞龍軸的最大轉(zhuǎn)速作為理論數(shù)據(jù)計(jì)算。參照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)理論手冊(cè)，谷物的充滿系數(shù)ψ取值范圍為0.25～0.4，故粉碎后的秸稈充滿系數(shù)ψ=0.3。前期試驗(yàn)表明，當(dāng)秸稈混合物的含水率在23%，壓縮成型的復(fù)合管密實(shí)度ρ=1.3 g/cm3，即γ=0.543 t/m3。絞龍擠壓裝置傾斜輸送系數(shù)c=1。各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值如表2所示。

表2 絞龍輸送功率指標(biāo)Tab. 2 Transmission power index of winch

將上述指標(biāo)代入到式(1)中，得到擠壓成型部分絞龍輸送量Q=3 t/h。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)因素水平的確定

設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，3個(gè)試驗(yàn)因素分別為：混合物料含水率θ(%)、物料喂入量p(kg/min)以及絞龍軸轉(zhuǎn)速n(r/min)。混合物料含水率區(qū)間為20%～26%。

為了確定合適的絞龍轉(zhuǎn)速，做了初步試驗(yàn)。通過(guò)型號(hào)為YE2-160M1-2高效率三相異步電動(dòng)機(jī)，該三相異步電機(jī)的功率為11 kW，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，電機(jī)連接減速器，通過(guò)變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，確定擠壓成型裝置絞龍軸的轉(zhuǎn)速。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合物料的含水率、喂入量一定時(shí)，當(dāng)絞龍轉(zhuǎn)速過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)卡死；絞龍轉(zhuǎn)速過(guò)低，混合物料難以擠壓成管。所以擠壓成型裝置絞龍軸的轉(zhuǎn)速最慢為326 r/min，最快為488 r/min。

混合物料的喂入量是通過(guò)初步試驗(yàn)得到的，大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)混合物料喂入量小于110 kg/min，且絞龍轉(zhuǎn)速在最低轉(zhuǎn)速326 r/min與最高轉(zhuǎn)速488 r/min 的閉區(qū)間調(diào)節(jié)，混合物料都無(wú)法擠壓成管狀，且不能保證連續(xù)出料。當(dāng)混合物料喂入量大于170 kg/min，絞龍轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至最低轉(zhuǎn)速110 r/min時(shí)，出料口出現(xiàn)卡死狀態(tài)，絞龍轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至最高轉(zhuǎn)速488 r/min 時(shí)，擠壓成型裝置出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)且玉米秸稈復(fù)合管機(jī)具外殼持續(xù)高溫，不利于混合物料的壓縮成管。因此，混合物料的喂入量的取值為110 kg/min、140 kg/min、170 kg/min。試驗(yàn)因素水平參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平表Tab. 3 Test factor levelTable

3.2 試驗(yàn)條件

2021年11月在試驗(yàn)基地進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)物料包括：玉米秸稈、土壤和水。玉米品種為中禾170，土壤取自田間地頭。主要儀器設(shè)備有：玉米秸稈復(fù)合管機(jī)具、11 kW三相異步電機(jī)、速度可調(diào)混合物料傳送帶以及測(cè)量?jī)x器(水分儀、電子秤、秒表、變頻器、轉(zhuǎn)速儀、米尺)等。

用鐮刀將摘完果穗的玉米秸稈在接近根茬位置砍斷，用粉碎機(jī)將其打碎并收集起來(lái)。將粉碎過(guò)的玉米秸稈與土壤按照比例用電子秤稱重混合并加入適量的水?dāng)嚢杌靹颉＝?jīng)過(guò)前期試驗(yàn)表明，混合物料的玉米秸稈含量為5%，含水率在20%～26%的區(qū)間時(shí)，利于混合物料的擠壓成型。當(dāng)?shù)叵鹿喔葟?fù)合管的密度不小于1.30 g/cm3即為合格，達(dá)到成型性能指標(biāo)[17]。用水分儀測(cè)定混合物料的含水率，加水?dāng)嚢柚梁蕽M足要求進(jìn)行試驗(yàn)。

電機(jī)通電開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)玉米秸稈復(fù)合管機(jī)具運(yùn)行。將攪拌好的混合物料均勻鋪在傳送帶上，設(shè)定傳送速度，傳送帶將秸稈與土的混合物料傳輸?shù)降叵鹿喔葟?fù)合管機(jī)具進(jìn)料口，物料在自身的重量下完成進(jìn)料，通過(guò)攪拌裝置以及擠壓成型裝置擠壓成管。在混合物料擠壓成管的過(guò)程中，秒表記錄傳送帶輸送混合物料及物料壓縮成管的時(shí)間、變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速儀用來(lái)測(cè)量絞龍軸轉(zhuǎn)速、米尺測(cè)量復(fù)合管的長(zhǎng)度。

因玉米秸稈復(fù)合管用于地下灌溉，結(jié)合開(kāi)溝機(jī)可完成開(kāi)溝深度為220 mm、開(kāi)溝坡度為60°、頂部寬為304 mm的溝槽，所以玉米秸稈復(fù)合管的外徑應(yīng)小于開(kāi)溝寬度，本次試驗(yàn)選取的出料筒孔徑為100 mm、120 mm，即兩種復(fù)合管外徑分別為100 mm、120 mm。通過(guò)前期試驗(yàn)得到，當(dāng)出料筒孔徑為100 mm時(shí)，復(fù)合管內(nèi)徑過(guò)小，摩擦阻力大出料筒發(fā)熱狀況嚴(yán)重，復(fù)合管內(nèi)徑過(guò)大，復(fù)合管松散難以擠壓成型。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到，當(dāng)復(fù)合管外徑為100 mm，內(nèi)徑為30 mm；復(fù)合管外徑為120 mm，內(nèi)徑為35 mm合適。研究?jī)煞N不同管徑的長(zhǎng)度為100 cm的地下灌溉復(fù)合管的成型效果以及出料速度。

試驗(yàn)得到的玉米秸稈復(fù)合管是由秸稈、水、土壤混合物經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機(jī)擠壓而成的中空管道，質(zhì)地均勻，內(nèi)壁光滑。管壁上分布有均勻的微小裂縫，具有較好輸水、透水條件，具備成為一種新型灌溉材料的潛質(zhì)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表3中的試驗(yàn)因素水平數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，用提前準(zhǔn)備好的兩種孔徑尺寸不同的出料筒，擠出成型兩種管徑的地下灌溉復(fù)合管，即外徑為100 mm，內(nèi)徑為30 mm和外徑為120 mm，內(nèi)徑為35 mm；量取得到長(zhǎng)度為100 cm的地下灌溉復(fù)合管并進(jìn)行稱重處理得到該質(zhì)量；依據(jù)式(2)得到兩種不同管徑的地下灌溉復(fù)合管體積v，代入到式(3)中計(jì)算得到兩種地下灌溉復(fù)合管的成型密度ρ，當(dāng)計(jì)算得到的復(fù)合管成型密度不小于1.30 g/cm3即為合格；秒表記錄成型長(zhǎng)度為100 cm的兩種管徑的時(shí)間。兩種不同尺寸的地下灌溉復(fù)合管試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。

表4 外徑為12 cm，內(nèi)徑為3.5 cm的地下灌溉復(fù)合管試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Test results of corn straw compound pipe with outer diameter of 12 cm and inner diameter of 3.5 cm

表5 外徑為10 cm，內(nèi)徑為3 cm的地下灌溉復(fù)合管試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Test results of corn straw composite tube with outer diameter of 10 cm and inner diameter of 3 cm

v=π×(R-r)2×h

(2)

式中：R——復(fù)合管外徑，cm；

r——復(fù)合管內(nèi)徑，cm；

h——復(fù)合管長(zhǎng)度，cm。

(3)

式中：m——復(fù)合管質(zhì)量，g。

3.3.1 分析復(fù)合管成型性能的影響因素

如圖3所示為地下灌溉復(fù)合管成型性能分析圖。

(a) 地下灌溉復(fù)合管成型密度平均數(shù)

(b) 地下灌溉復(fù)合管成型密度標(biāo)準(zhǔn)差 圖3 地下灌溉復(fù)合管成型性能參數(shù)Fig. 3 Forming performance parameters of composite pipe for underground irrigation

圖3(a)中X軸表示試驗(yàn)類型分三種：類型A代表試驗(yàn)表中的試驗(yàn)號(hào)1、2、3；類型B代表試驗(yàn)號(hào)4、5、6；類型C代表試驗(yàn)號(hào)7、8、9，Y軸代表三種試驗(yàn)類型對(duì)應(yīng)的地下灌溉復(fù)合管成型密度的平均數(shù)。從圖3(a)可以看出：隨著含水率的變化，三組類型復(fù)合管成型密度的變化趨勢(shì)相同且外徑為12 cm的復(fù)合管的成型密度比外徑為10 cm的復(fù)合管的成型密度小。

圖3(b)中X軸代表內(nèi)容同圖3(a)，Y軸代表三種試驗(yàn)類型對(duì)應(yīng)的地下灌溉復(fù)合管成型密度的標(biāo)準(zhǔn)差。從圖3(b)可以看出：隨著含水率的增加，成型密度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，說(shuō)明試驗(yàn)類型C相較于A和B的成型密度更穩(wěn)定。

3.3.2 分析復(fù)合管成型時(shí)間的影響因素

從圖4可以看出：通過(guò)對(duì)兩組不同管徑的試驗(yàn)類型下出料時(shí)間的變化情況進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)編號(hào)增加，出料時(shí)間呈減小趨勢(shì)且外徑為10 cm的復(fù)合管成型時(shí)間變化趨勢(shì)更明顯。且兩組試驗(yàn)出料時(shí)間最小所對(duì)應(yīng)的同為試驗(yàn)編號(hào)9，即當(dāng)混合物含水率在26%，絞龍軸轉(zhuǎn)速在488 r/min，物料喂入量在170 kg/min時(shí)，既保證了玉米秸稈復(fù)合管出料的連續(xù)性，出料速度相對(duì)較快，該組合類型復(fù)合管成型時(shí)間最短。

圖4 地下灌溉復(fù)合管成型時(shí)間Fig. 4 Forming time of corn straw compound pipe

通過(guò)計(jì)算得到兩種不同管徑成型100 cm的時(shí)間平均在7.48 s左右，即地下灌溉復(fù)合管成型速率為0.13 m/s，考慮到后期地下灌溉復(fù)合管成型裝置要在拖拉機(jī)的牽引下行走并提供動(dòng)力，配合玉米秸稈還田機(jī)使用，因?yàn)閺?fù)合管成型速率較慢，本著拖拉機(jī)的行駛速度與復(fù)合管成型速率基本保持同步的原則，導(dǎo)致玉米秸稈還田機(jī)工作效率偏低。

本文中地下灌溉復(fù)合管成型裝置還需要以提高出料速度為研究目的，進(jìn)行離散元仿真分析，探究影響復(fù)合管成型速率的因素，提高玉米秸稈還田機(jī)工作效率，為地下灌溉復(fù)合管成型裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)參考。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一種地下灌溉復(fù)合管成型裝置，采用正交試驗(yàn)對(duì)復(fù)合管的成型性能進(jìn)行了初步分析，確定了混合物料壓縮成型過(guò)程中各因素的最佳配合，為玉米秸稈還田技術(shù)提供了一定參考，主要得出以下結(jié)論。

1) 通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)地下灌溉復(fù)合管成型裝置，其中攪拌部件的性能參數(shù)為主動(dòng)齒輪軸的轉(zhuǎn)速為488 r/min，且傳動(dòng)比為1.2，從動(dòng)齒輪軸1的傳動(dòng)比為0.8；擠壓成型部件的螺距s=80 mm、外徑D=100 mm、軸徑d=30 mm，絞龍輸送量Q=3 t/h?？梢詽M足將作物秸稈粉碎與土壤按不同比例摻量混合，擠壓形成空心圓管狀的復(fù)合管材的性能要求。

2) 臺(tái)架試驗(yàn)表明：在含水率20%～26%的區(qū)間中，在保證玉米秸稈復(fù)合管滿足性能要求，即復(fù)合管密度不小于1.30 g/cm3，隨著含水率的遞增，玉米秸稈成型密度先遞減再遞加，且成型密度離散性越來(lái)越小，玉米秸稈復(fù)合管性能更加穩(wěn)定。當(dāng)混合物含水率在26%，絞龍軸轉(zhuǎn)速在488 r/min，物料喂入量在170 kg/min時(shí)，既保證了玉米秸稈復(fù)合管出料的連續(xù)性，出料速度相對(duì)較快。