玉米秸秆还田机械的设计

片 圆周 速 度相 同 的条件 下 ， ： 有
．
，
当 ｎ为 偶 数 时 ，刀 排 列 要 满 足 以 下 公 式 ： ＝
（ 一 ）ｉａ＋ ｎ ２ ｓ ｃ＋ ｓ ｏ １Ｏ ＝ １Ｃ Ｓ Ｉ ｎ １ ｓ ｌ（一 ）ｉ ｅ …＋ｉ ｔ ＝ ； （ 一 ）Ｏ￣＋ ｎ ｎ２ ｎ
（ 一 ）ｏａ＋ ＣＳ／ ０ ｎ ２ ｃｓ２ …＋ ＯＯ ＝ 。式 中 ： 为 刀 轴 上 刀 座 组 数 ： 为 刀座 角 度 。 Ｏ Ｌ
其 中的 主要途 径之 一 。秸秆 还 田最 直接 、 有效 的方 最
法是 通过 机 械完成 对 秸秆 的切 碎 和还 田 。为此 ， 对 针 我 国玉米 收 获机械 中秸秆 还 田这个 重要 环节 ， 究 安 研
全高 效 的玉 米秸秆 还 田机 械具 有重要 的现实 意义 。
１ 秸 秆 还 田机 的设 计
Ｂ Ｉ ６ ｘ ０ ／ ： ＝ ． ２ １ ４Ｎ ｍ 角速 度 ｃ ｎ ｒ３ 。 ８ ｏ ＇ ０ ＝ｒ ／
较大 ． 受到的离心惯性力也较大 ． 因此作业时产生 的
偏摆 很 小且 很快 恢 复到 动平衡 位 置 。刀 片排列 、 割 切 力及 振 动都 是 随机性 的 ， 以可把 切 碎刀 和 刀轴看 成 所
中 图分 类号 ：２ ４４ ￥２． 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ４ １６ （ １）２ ０ １— ３ １７ — １ ０ １－ ０ ７ ０ １ ２ １
玉米是我国 目 前第一大粮食作物 ， 其秸秆大部分
被 焚烧 丢弃 ， 造成 了较 为严 重 的环境 污染 。随着 科 技
一
个 刚体 。 碎刀 在刀 轴 圆周方 向的角度 排列 满 足 以 切
下 条 件 ，即可 达 到 平 衡 ：＝ｉａ＋ｓ ａ＋ ＋ｉａ＝ ； ／ ｓ １ ｉ ２… ｓ Ｏ ｘ ｎ ｎ ｎ
Ｉ＝Ｃ Ｓ ＋ Ｃ Ｓ ＋… ＋ Ｏ ￣ ｙ Ｏ ａ， ０ ￣２ Ｃ Ｓ ＝０。
当 ｎ为奇 数 时 ， 刀排 列 要满 足 以下公 式 ：
＝
（
二
）（ｎ 一ｎ１ （ 一）（ｎ 一 ｘｓａ ｓｃ ＋毕 １ｘｓａ ｉ ｉ￣ ） ｉ
二
切 碎 过程 所 消 耗 的功 率 Ｎ ＝ ｏＮ ＋ ｅＮ ＋ 式 中 ： Ⅳ。 为切碎秸秆所消耗 的功率 ：， ／ 为克服打击 和传递 给 ＼ 切 碎 秸 秆 速 度 的惯 性 力 所 消耗 的功 率 ； ， 克 服 切 Ⅳ为 碎秸 秆 的摩 擦 阻力所 消耗 的功率 。
１ 切碎 刀 片倾 角 ｏ 的确定 ． ２ ｃ
切碎刀片的倾角直接影响切割的工作阻力 、 切碎
质 量 和运 转 稳 定性 。 以 ＡＢ表示 切碎 刀 片 的 刃 口 ， 表 示其 运 动方 向 ， Ⅳ表示 秸 秆所 受 压 力 ， Ⅳ分 解 为 将
沿 运 动方 向的 力 Ｊ ｓ和平 行 于 刃 口方 向的力 （ 图 见
二
一 ） （ｏ － ｃｓ２ １× ｃｓｎ－ｏ ） ｉ
）０ ＝ （） ４
．ｃｓ ＋ ｏ （
＋ ） ｃｓ １ － ｏ￣（
二
式 中 ： 喂人 量 ，ｇ ｓＧ Ｑ为 ｋ／ ； ｃ为秸 秆平 均 质量 ，ｇ ｋ；
为在一次切割 中所需能量 的平均值 ，ｇｍ； ｋ ・ Ｌ为
切 碎秸 秆 总长 度 ， ； ｉ △ 为 切碎 段长 度 ，ｌ ｎ ｎ。 在 假设 秸秆 不 是弹性 打击 ， 切 碎物 的速 度 与 刀 且
玉 米 秸 秆 还 田机 械 的设 计
章 慧全
（ 宁省 农 业 机 械 化 研 究 所 ， 阳 １０ ６ ） 辽 沈 １ １ １
摘要： 为进一步提高玉米秸 秆还田机械 的整机性能 ， 对其结构及性能参数如刀轴转速 ， 刀轴 动平衡校核 ， 碎刀倾 角 、 切 排列密度 、 排
列方式 ， 功率消耗进行分析计算 ， 为设计安全高效的玉米秸 秆还 田机械提供理论参考 。 关键词 ： 秸秆还田 ； 机械 ； 设计 ； 切碎刀 ； 功率
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ６ ２ １－ ４ ０
作者简 介： 慧全（９ ５ ） 男， 章 １６一 ， 高级工程 师， 事农 业机械 方 从
面 的 设 计 与研 究 工 作 。
２ 。Ｓ力使秸秆沿运动方向前进 、 ） 压缩和被切割 ． 力
１ ８
农 业科 技 与装 备
１４ 切 碎 刀排 列密 度 ．
一
Ｉ ， Ｔ
２￣ ／ ／２ ２
．
般来 说 ．刀 座在轴 向上是按 等 距离 排列 的 ， 即
７５ ３ ×
＿５１警 （ ＿５０ ＝ｘ￣ ． ６ ）
刀座间的距离相等。如有特殊需要 ， 可按要求设计刀 座距 离 。
ｒ ／ｍ ｉ ｎｏ
按切 段 长度计 算 转速 ， 则秸 秆还 田刀 轴转 速 可 由
下式 求得 ：
ｎ ：
！
Ｌｘｍ
（） １
图 １ 割 刀 回转 示意 图
Ｆｉ ｒ Ｒｏ ａｔｏｎ ｕｔ ｎｇ ｋｎ ｆ ｇｕ ｅ １ ｔｉ ｏｆｃ ｔ ｉｅ ｉ
式 中 ： 为秸 秆 排 出 的线 速 度 ， ｓ 为秸 秆 切 ｍ／ 江 段长 度 ，ｍ： 为切碎 刀 的排数 。 ｅ ｍ 秸 秆 的排 出速 度是 前 摘 穗 辊 的线 速 度 和后 摘 穗
Ｎ
０４ ． ０片／ ｍ。 ｃ
１５ 切碎 刀排 列方式 ．

切碎刀 的合理排列 ．不仅能够提高切碎质量 ， 还
Ｔ
能 够保 证机 具 的运 行乎 稳 。 的排列 不 仅要 达 到动平 刀
衡 计 算 的要 求 ， 要 进行 动 平 衡 试 验 ， 平 衡块 进 行 还 用 调整。 切碎 刀 的排 列方 式有 单 （ ） 双 螺旋 线排 列 和对称
２１ 年 １ ０１ ２月
使秸秆沿刃 Ｅ滑动。试验表明， ｌ 滑动的存在可 以节约 切割力 。为使秸秆沿刃 口滑切 ， 滑切力 必须大于秸 秆 与刀 片 的摩擦 力 Ｆ， Ｔ Ｆ 即 ＞ 。由于 ＴＮｔ＇ ＝ ｇ（ 滑切 ￣ｒ为
角 ）Ｆ Ｎ ｇ（ 为摩擦角 ）所 以只有 当 ｒ Ｏ ， ；＝ ｔ Ｏ Ｏ ， ＞ 时 才能 产 生滑 切 。一 般秸秆 与 钢材 的摩 擦角 为 ２ ～Ｏ 。 ５ ４ 。
切割 阻 力 和 切 割单 位 面 积 所 消耗 的功 与 滑切 角 成 反 函数关 系 ． 当滑 切 角增 大 到 一 定 程度 时 ， 但 由于
在作 业 幅度 、 刀轴 转速 、 进速 度相 同的条 件下 ， 前 切碎 刀 的数 目有 一个 最佳 值 。数 目过少 ， 不 到切 碎 达
的 发展 ． 秆 开 始被 重 新 利 用 ， 秸秆 直接 还 田就 是 秸 而
辊 的线 速度 的垂 直分 量合 量 ， 算公 式 为 ： 计
＝
、 （ ｇ） Ｉ ／ 前ｔ ２ ， ８ ＋后
（） ２
式 中 ： 为前 摘 穗辊 线 速度 ， ／ ； 为后 摘穗 辊 ｍｓ 线 速度 ， ／ ； ｍ ｓ 为前摘 穗辊 螺 旋升 角 。 按 照农 艺要 求 ， 段 长度 低 于 １０ｍｍ 的秸秆 量 切 ０ 应 不少 于 ８％．考虑 到秸 秆 被 切 割 时秸 秆 和摘 穗 辊 ５ 之 间 有 相对 滑 动 ， 般设 定 一 个 滑 移 系数 （０ ， 一 ２％）则 设 计切段 长 度为 ：＝Ｏ （－０ 。 Ｌ Ｉ０ １２ ％） １． 切割线速度的验算 ． １ ２ 割刀 的结构 不 同 ，其 回转 半
ａｍ ０
摩擦功增加 ， 功反而会升高。 实际工作中， 滑切角一般 取 ３～ ５ ， ６ ５ 。因此 刀 片倾 角 ａ ９ 。丁 ＝０一 。
直 刀 式 甩 刀 刀 片 的 排 列 密 度 一 般 为 ０６ ～ ． ． ０７ ０ ３
片／ｍ：Ｙ 型甩 刀 刀 片 的 排 列 密 度 一 般 为 ０２ — ． ｃ ．３ ０４ ０ 片／ ｍ：锤 爪式 切 碎 刀 刀片 的排 列 密 度一 般 为 ０２ ～ ｃ ． ０
根据 玉 米秸秆 还 田的农 艺 要求 ， 玉米 秸 秆 的长 度 不得 大 于 １０ｍ 留茬平 均高 度不 大 于 ８ ｍ。 秆 ０ ｍ， ０ｍ 秸 还 田装置 大 多是 在一 根刀 轴上 安装 多组 切碎 部件 。 分 别对 各行 玉米 秸秆 进 行切碎 。 由于其传 动简 单 ， 于 属 无底 刀 的切 割方 式 ， 以随时切 断 玉米 收获 机拉 茎 辊 可
径也不 同。若锤刀式的曲柄半径为 铰接点 回转半
径 为 ｒ， 锤 刀 回转 半 径 ｒｒ ｒ。切 刀 线 速度 为 ： ＝ ２则 ＝ ２ ＋
ｎ ／ ０。 ｒ ３
秸 秆是 在惯 性支 撑条 件下 被切 割 的 。 为保 证 良好 的切碎 质量 ， 切刀 必须 要有 一定 的切 割速 度 。有关 资 料 显示 ， 在无 底 刀切 割 条件 下 。 切刀 刀 端 的线 速 度
％ 与秸 秆 的强度 和切 碎过 程 的喂 入量 关 系为 ：
忙 — Ａ （ －） １ （） ５
ｓ ａ ） ． ＋ｉａ ｉ ２＋ ． ｓ （ ｎ ・ ｎ
二
＋ ）ｓ ｏ 旦 １一ｉ ｔ ）０ ｎ（ ＝
二
（） ３
，＝ 、（ ｚ
） （Ｏ￣一ｏ １＋ ＸＣＳ ｃ ） （
要求 ； 目过多 ， 数 消耗的功率增大 ， 制造成本增高 ， 且 妨 碍 切碎 的秸 秆排 出 ， 造成 堵塞 并 影响 切碎 质量 。切 碎刀 数量 最佳 值 一般 由切 碎刀 密度 来确 定 ，公 式 为 ：
ＣＮＬ ＝ ／ 。式 中 ： 为甩 刀 数 量 ； 为机 具 的作 业 幅 宽 ， Ⅳ
６０ 。 。
１３ 刀轴 动 平衡 的校 核 ．
切 碎刀 与 刀轴构 成 一个 多刚 体 的转子 ， 转动 惯 其 量并 不 是一 个 常数 。 由于切 碎刀 转速 较高 ， 的质 量 刀
１６ 功率 消耗 ．