机电一体化秸秆旋切灭茬装置研究

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1项目背景

随着我国农业生产的发展，粮食产量大幅提高，秸秆数量也迅速增多，据统计，我国每年的作物秸秆产出量约为7~8亿吨。由于目前农村中烧煤、用电和液化气的普及，农村中使用秸秆生火做饭、取暖的做法已微乎其微。由于秸秆在短期内不易腐解，利用率低，尤其是小麦秸秆，农民更不愿意回收利用，在小麦收获后，田地里总有大量秸秆剩余。为了不影响下茬耕作，以往的做法都是就地焚烧，由此引起严重的环境污染和有机资源的浪费，操作不慎时，还经常发生烧坏邻边的庄稼、树木及人身伤亡等现象，给国家和个人财产造成不应有的损失，给社会稳定也带来不利因素，由田间焚烧秸秆而引起的大气污染、地表生态环境破坏、交通出行受阻等间接经济损失无法估量。据统计，2015年前，全国用作还田和有机肥料的作物秸秆仅占总量的20%左右，田间直接焚烧的占50%以上。秸秆焚烧的另一后果是：消防工作压力巨大。据统计：2014至2015年，全国因焚烧秸秆发生严重火灾12万起，烧坏庄稼近百万亩，烧伤烧死一千余人，烧坏民房、树木不计其数。消防部门出警近15万次，直接和间接的经济损失达数亿元。1.12015年安徽省出台秸秆禁烧零容忍办法，严禁秸秆焚烧。为了有效禁烧秸秆，就必须对秸秆的处理及综合利用提出切实可行的方案，变“堵”为“疏”，在不影响农民耕作播种的前提下，让农民朋友自觉不烧，这样才能把禁烧工作长久、平稳、有效地开展下去。目前我国对秸秆处理的方式大致有两种方法：秸秆粉碎还田和秸秆打包离田。秸秆粉碎还田是在小麦收割后，采用甩刀式粉碎机对小麦留茬部分和联合收割机脱粒后抛撒的秸秆进行粉碎，然后用旋耕刀旋起约5厘米左右的薄土覆盖秸秆。这种方法的优点是设备结构简单、操作成本低、工作周期短。缺点是：1.1.1粉碎效果不好：尤其是在早晚田间有露水，秸秆比较潮湿的情况下，粉碎后的秸秆长度过长，留在土地中容易缠绕农机具，影响下茬播种机工作。1.1.2覆土掩埋的深度不够：由于粉碎后秸秆量比较大，覆土厚度太薄，大面积的秸秆不能很好掩埋，露在地表上面，影响下季播种、出苗和打药、追肥等田间管理。1.1.3秸秆暴露在地表层上面，不能在短期内腐熟，前茬遗留的病菌、虫卵附着在秸秆上，转移给下茬作物，对下茬作物的生长产生不利影响。1.1.4越来越多的农业专家和农民担忧：用这样的方法使秸秆还田，长期下来，秸秆不能很快腐熟转化成有机肥料，田地里未腐熟的秸秆总量不断增多，土壤的生物结构不平衡，也会给作物生长带来负面影响。1.2秸秆打包离田是在小麦收割后，将剪切下来的秸秆用机械捡拾起来后打包成捆，然后运出发电或堆沤肥。秸秆打包离田的优点是：地表干净整洁，有利于下茬耕作；秸秆送去发电或集中堆沤肥等，秸秆可以再次利用，发挥效益。缺点是：1.2.1收割机的工作效率严重降低。因为不再对小麦留茬部分进行粉碎，为便于下茬耕作，一般要求留茬高度不高于10厘米，这样就使收割机的工作负荷增大，工作效率严重降低。因为小麦秸秆越靠近底部，直径越粗，硬度也越大，同时枯萎垂落的叶片也越多，收割机的往复式刀片剪切起来就非常吃力。剪切后的小麦秸秆经输送装置全部送入脱粒机脱粒，因为秸秆量增大，收割机的输送装置经常阻塞，皮带烧坏屡屡发生，故障频发。脱粒机的工作负荷也随之增大，整个收割机的工作效率下降约一倍左右，本来1小时可以收割8亩左右的，因为留茬高度不能超过10厘米，1小时只能收割4亩左右，收割机手抵触情绪非常大，有时是拒绝下地收割。有时遇到阴雨天气即将来临的关口，农民为了抢收粮食，也不愿意因为考虑留茬高度而耽误收割，他们情愿留茬高度高一点，也要把粮食抢收上来。1.2.2能耗增加。因为需要多切除秸秆，就要多耗费刀片动力，这样使收割机单位时间内的工作效率下降，单位能耗随之增加。秸秆在输送和脱粒的过程中，需要消耗大量动力，这些动力的消耗，对秸秆的粉碎和回收，没有任何作用，纯粹是无用功，还在一定程度上影响机械的使用可靠性，增加维修费用，浪费资源。同时秸秆碎片进入粮食之中，使粮食含杂率增高，需要进一步清理，又再一次消耗能源。1.2.3打捆机捡拾作业不干净。经收割机脱粒后小麦秸秆，成团成堆地抛撒在地面。打捆机捡拾时，因为秸秆分布不均匀，厚的地方太厚，捡拾爪通过时，一次旋转不能全部搂起，往往捡拾不干净，地面留有大量秸秆，既浪费资源，又影响农民耕种。

2本项目的研发方向和拟解决的关键技术

针对以上存在问题，按照国家政策要求，结合农民和收割机手的利益诉求，蚌埠市龙泰消防有限公司研发部在2015年初组织研发人员开展了“机电一体化秸秆就地旋切灭茬装置”项目的研究工作。通过大量调研、走访、论证、比对，我们最终确定了研发方向及技术路线：2.1研发方向：秸秆切割、打捆离田该方向既符合国家政策，又使田地整洁，没有上茬作物遗留的病菌虫卵等，有利于农民根据墒情及时播种和后期管理，符合农民耕种要求。秸秆离田后可送去发电厂发电，也可留作农民生产有机肥，均符合环保要求。2.2关键要求：收割机留茬高度不大于10厘米。为了保证收割机工作效率，在关键时刻把农民粮食收割上来，同时减少能耗，减少污染和浪费，需要采取二次切割的方案，即：2.2.1收割机原有的往复式剪刀提高收割高度，只剪切麦穗以下20厘米左右的长度，剪切后的留茬高度约在60厘米左右。2.2.2在收割机下部适当的部位另外安装一组旋切式刀具，专门切削往复式剪刀剪切后的小麦秸秆，留茬高度不大于10厘米。剪切后的小麦秸秆摆放基本整齐有序，便于打捆机捡拾。2.3技术路线2.3.1采用机电一体化设计，直流电机直接带动刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全满足收割机整体收割需要。收割机采用二次切割的办法，在收割小麦时，每小时能提高工作效率30%以上。2.3.2采用刀片分组装配、整机并联的方法，工作幅宽可以根据需要任意组合调整，通用性好。

3结构特点和工作原理

本装置由机架、传动轴、传动轴皮带轮、轴承座、发电机、发电机皮带轮、牵引轴、间隔套、提升杆、旋切架、尾轮、尾轮轴、直流电机、调整垫片、旋切刀片、避障架、整流器、控制开关等组成。机架和四轮拖拉机通过悬挂机构相连接，拖拉机输出轴和该装置传动轴相连接，传动轴通过轴承座固定在机架上，发电机固定在机架上，通过传动轴皮带轮，皮带和发电机皮带轮相连接，旋切架前端套在牵引轴上用间隔套隔开并固定在机架上，直流电机通过调整垫片固定在旋切架上，旋切刀片固定在直流电机输出轴上，避障架固定在最下面直流电机输出轴套管上，尾轮通过尾轮轴固定在旋切架的尾部，发电机输出通过电缆后和整流器连接，整流后接控制开关，再从开关连接到各直流电机。上述设计的有益效果是：通过发电转换，解决了机械方法难以实现的多个活动部位高速旋转装置，能够对收割后的大田秸杆进行就地快速粉碎，也可对大田秸杆就地快速收割回收，可适应任何高低不平地块。和现有的其他灭茬装置比较，在相同功率的情况下，该装置可提高效率30%以上。工作原理：四轮拖拉机通过输出轴及悬挂机构和该装置连接后，通过皮带传输带动发电机发电，发出电再经过整流器整流后进入控制开关，然后进入各直流电机。带动刀片以90M/S左右的线速度高速旋切。本装置采用四组旋切架，每组装有三个旋切刀片，三个旋切刀片的高度差可根据需要粉碎的长度，通过固定直流电机调整垫片调整，为了防止两组相邻的刀片间距过近造成擦碰，两组两相邻的刀片前后轴线间距设计相差1/2刀片直径，为防止最下面离地较近的刀片被大的异物损伤，刀片前装有避障架，秸杆留茬高度可通过改变尾轮和旋切架之间的上下位置确定。各组旋切架通过尾轮和地面高度变化自动上下活动。在行驶路途或地头转弯，拖拉机通过液压悬挂机构将该装置机架升起，在提升杆的作用下各旋切架将同时升高。本装置结构简单，高效节能，对较湿润和较软的秸杆有着很好的切割效果，可适应各种不同平整度的田块，本装置不但对秸杆能够就地粉碎还田，而且在只使用底刀的状态下，可对秸杆进行旋切回收利用，有利于广泛推广使用。

4设计的创新点

4.1采用机电一体化设计，直流电机直接带动刀片，工作效率高，剪切效果好，能完全满足收割机整体收割需要。收割机采用二次切割的办法，在收割小麦时，每小时能提高工作效率30%以上。4.2本机械采用刀片分组装配、整机并联的方法，工作幅宽可以根据需要任意组合调整，通用性好。4.3本机械的每组刀片均能根据地面情况随机调节工作高度，能切实保证刀片在工作时留茬高度完全符合标准要求，又能使刀片在遇到硬物时有效保护自己不被碰坏。4.4本机械的每组刀片数量可以根据需要增加或减少。如果下道工序是捡拾打捆，那么一根刀杆只需要在最下部安装一个刀片；如果下道工序是腐熟还田，那就可以根据需要每间隔一段距离装一个刀片，多块刀片分层切割，不受秸秆水分高低的影响，切割后的秸秆长度一致，便于腐熟和耕种管理。4.5本机械还可以根据需要安装在播种机的前部。如果小麦留茬高度低于20厘米，切茬后不需要回收打捆，而不切茬又影响播种和出苗后的田间管理时，可以使用本机械在切除秸秆后直接播种，这样可以大大提高工作效率，减少机械反复下地作业对农田土壤的碾压侵害。

5使用特点

5.1与小麦联合收割机配套使用时5.1.1将收割机原有的往复式剪刀装置提高，只剪切麦穗以下20厘米左右的长度，剪切后的留茬高度约在60厘米左右。5.1.2在收割机下部安装本旋切式秸秆切茬装置，专门切削往复式剪刀剪切后的小麦秸秆，留茬高度不大于5厘米。剪切后的小麦秸秆摆放基本整齐有序，便于打捆机捡拾。5.2与打捆机配套时：在打捆机或播种机的前部安装本旋切式秸秆切茬装置。本装置与打捆机的踩压装置直接通过输送装置相连，去除打捆机的捡拾装置，也就是说，秸秆切茬后不落地，直接送入打捆机打捆。这样即减少了动力消耗，简化了机械机构，又使地表面更加干净，利于农民播种和田间管理。

6试验情况

我公司研发人员自2015年午收以来，已经对该产品在小麦秸秆上的切割效果反复进行了田间试验，积累了大量数据。试验证明：6.1切割效率高：旋切式刀具切割小麦秸秆，不受秸秆高低、干湿、粗细等条件的限制，完全能满足割副宽度2.5米的收割机1小时收割10亩以上的技术要求。6.2切割效果好：因为采用机电一体化设计和旋切式刀具，切割长度和留茬高度可以根据要求随意设定。切割后地面干净、整洁，有利于农民耕种和田间管理。6.3采用直流电机直接带动刀片的方法，极大地简化了传输装置，与采用机械传动方式相比，结构简单、维修方便，节约能源在30%以上。6.4装置底部设计有防硬物保护装置，确保刀片在高速工作状态下不受损坏，机械故障率低，使用可靠性好。7结论本机械的安装使用，虽然本身消耗了一些动力，但因为调整了收割机的收割高度（穗下20厘米），实行二次切割，大大降低了收割机原有模式的动力消耗，两相比较，总体上完全起到了能耗降低的作用。同时减少了收割机的故障时间，减少了收割机的维修费用，提高了收割机的工作效率，满足了农民在三夏期间抢收抢种的根本需求。最重要的是在秸秆禁烧方面，彻底解决了因为强行禁烧而产生的一系列矛盾，有效地解决了禁烧和播种之间存在的问题，变“堵”为“疏”，使国家和我省的禁烧政策能有效地得到贯彻落实，使各地的禁烧工作能有条不紊、全面深入地开展下去，同时对资源的回收利用，对环境保护，对社会稳定，都有非常重要的经济效益和深远的社会效益。

作者:王伟 卢思迪 左振 王哲 单位:安徽省蚌埠市龙泰消防有限公司