基于東北高寒地區(qū)的秸稈還田機的改良與創(chuàng)新

葛宜元+王晨超+王洋+周遠航+邱新偉

摘要秸稈還田機是耕作機械的一種，主要為了進行保護性耕作，增加土壤有機質(zhì)含量，防止土壤沙化、水土流失等現(xiàn)象。但是，我國秸稈還田機大部分采用旋耕機模式進行改制，在實際生產(chǎn)與應用中效果并不理想。特別對于東北高寒地區(qū)來說，若把秸稈粉碎還田，則會造成機器功率消耗過大；東北地區(qū)冬季時間長、氣溫低，導致秸稈腐蝕不完全，春耕整地期間，造成堵塞、纏繞現(xiàn)象。為此，本文專門針對東北高寒地區(qū)的氣候及土壤特性，對秸稈還田機進行改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞秸稈還田機東北高寒地區(qū)電子控制梳理機構(gòu)生物腐蝕劑噴灑裝置

基金項目：黑龍江省青年科學基金項目（QC2011C073）；黑龍江省普通高等學校青年學術(shù)骨干支持計劃項目（1252G058）；黑龍江省高校科技成果產(chǎn)業(yè)化前期研發(fā)培育項目；黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（201310222051）；佳木斯大學科技創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目資助（Cxtd-2013-01）

作者簡介：葛宜元（1983-），女，黑龍江人，博士，講師，碩士研究生導師，主要從事田間機械及機械可靠性的研究，E-mail：65696787@qq.com。

0前言

秸稈還田機是對收獲后的農(nóng)田殘余秸稈進行處理后直接深埋的機械。據(jù)測定，濕玉米秸稈含氮量為0.61%，含磷量為0.27%，含鉀量為2.28%。如每畝地還田秸稈1000 kg，則可增加有機質(zhì)150 kg，每畝地一年若還田鮮玉米秸稈1250 kg，則相當于4000 kg土雜肥的有機質(zhì)含量，含氮、磷、鉀相當于18.75 kg碳銨、10 kg過磷酸鈣和7.65 kg硫酸鉀，還能補充其他多種營養(yǎng)元素，故秸稈還田對于改良土壤有著積極的作用＼[1-5＼]。

山東農(nóng)業(yè)大學通過對山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)試站土地進行少免耕試驗，測得進行秸稈還田后的土壤有機質(zhì)含量明顯高于普通耕作的土壤，在0～50 cm土層中，進行秸稈還田的土壤含水率比未進行秸稈還田的土壤高出1.48%～7.38%，并且可以有效減少化肥的使用，防止土壤板結(jié)等＼[6＼]。

對于三季或兩季耕作的土地來說，需要在秸稈還田之后進行下一季的耕作，這就要求對秸稈的粉碎較為完全，殘余秸稈長度不能超過一定限度，而對于東北地區(qū)來說，土地進行一季度耕作，在進行秋收之后，要經(jīng)歷漫長的冬季嚴寒時段。如果像南方那樣對秸稈進行過渡粉碎，則會造成功率消耗增大，增加耕作成本；如果粉碎度達不到一定標準，又會造成腐蝕不完全，來年春耕時秸稈滿天飛、纏繞機械的現(xiàn)象。針對這種情況，提出幾點關(guān)于東北高寒地區(qū)的秸稈還田機的改革與創(chuàng)新，以期達到解決問題的目的。

1機械傳動機構(gòu)的改良

以往秸稈還田機大部分采用機械式傳動，這種動力傳動方式在傳動過程中操作不便，其拖拉機動力輸出箱配備的動力花鍵鍵數(shù)不同，與秸稈還田機相連接時，需要配套鏈接，其動力消耗與液壓傳動大體相同。

農(nóng)業(yè)機械的工作環(huán)境比較惡劣，在傳動的過程中如果無法做到較好的密封，則會造成動力消耗進一步增大，且傳動部件會過快損壞，達不到預期壽命。利用機械傳動，無法對機器轉(zhuǎn)速進行無級變速控制，工作轉(zhuǎn)速和拖拉機前進速度配合較為困難。

采用液壓傳輸動力，可以避免在傳動過程中機械部件空間結(jié)構(gòu)的影響，在進行秸稈還田機設(shè)計時，不必考慮動力結(jié)構(gòu)的空間總成，只需在機器一側(cè)加裝液壓馬達，解決動靜平衡即可。利用液壓傳動，最終將流體動力轉(zhuǎn)換為機械運動，可以有效節(jié)約機器的占地空間，減輕機器總重。

通過對液壓油路和PLC電路板、控制軟件、電路線路的設(shè)計，可以根據(jù)拖拉機前進的速度與土壤的濕度、堅實度，控制秸稈還田機刀輥的旋轉(zhuǎn)速度，以期達到最好的秸稈還田效果。在進行工作的時候，通過PLC上自動程序與手工操作的切換，根據(jù)實際工作環(huán)境，進行人工控制秸稈還田機的轉(zhuǎn)速，以適應更加惡劣的工作環(huán)境，保障秸稈還田機的適用范圍。

2秸稈梳理機構(gòu)

農(nóng)作物進行機械收獲之后（特別是小麥、水稻、大豆、玉米等），從聯(lián)合收獲機出來的秸稈往往成行堆放（此處指全喂入式聯(lián)合收獲機械），在進行秸稈還田時會將秸稈還田機頂起，造成無法入土或入土深度不夠，秸稈還田效果不理想，甚至對機器產(chǎn)生損傷。成行秸稈進行還田時，很容易造成秸稈纏繞現(xiàn)象，輕則使秸稈還田機浮于土壤表面，不能入土，重則與覆蓋裝置產(chǎn)生干擾，增加還田刀的阻力，使其斷裂。增加秸稈還田機的轉(zhuǎn)速，可以減輕這種現(xiàn)象，但是旋轉(zhuǎn)速度增加，則會提高整機的設(shè)計、制造成本和耕作成本，而且影響秸稈的覆土填埋效果。

基于此，在秸稈還田機的前方，增加秸稈梳理機構(gòu)，如圖2，利用四桿機構(gòu)帶動鑲有仿形齒的鋼管進行左右擺動，利用四桿機構(gòu)的急回特性產(chǎn)生振動，將堆積較厚的秸稈進行四下拋灑，使其薄而勻地覆蓋在地表，從而減小翻埋難度，進而可以降低刀輥轉(zhuǎn)速，節(jié)約耕作成本，仿形齒固定橫梁與秸稈還田機橫梁用平行四桿機構(gòu)進行連接，在仿形齒橫梁兩端安裝地輪，以達到仿形效果，在機器工作期間，保證仿形齒不會因為與地面接觸而造成損壞，增加其使用壽命，也可以達到更好的翻埋效果。

3生物腐蝕劑噴灑裝置

東北地區(qū)進行秋收之后，在短暫的時間內(nèi)就進入冬季，由于冬季溫度太低，土壤內(nèi)的大部分微生物不再進行活動，嚴重影響了秸稈的腐蝕效果。來年開春，溫度還在較低時候就需要進行整地，大部分秸稈并不能在一個冬季完全腐蝕，造成了耕作的麻煩。這就需要在秸稈還田之前，在秸稈表面噴灑腐蝕劑。傳統(tǒng)的化學腐蝕劑使用量大，經(jīng)濟效果差，且對環(huán)境產(chǎn)生較大破壞，為此，選用生物腐蝕劑。

山東如皋市土肥站殷麗萍等在江安鎮(zhèn)徐柴村針對不同的生物腐蝕劑進行了對比試驗，篩選了生物腐蝕劑＼[7＼]。傳統(tǒng)工作方式是先用噴灑裝置將生物腐蝕劑和附著物進行噴灑，再進行下一步工作，其會對土壤進行兩次碾壓，不利于作物生長，且費工費時，經(jīng)濟效益差。

本文在梳理機構(gòu)和旋耕機構(gòu)之間加裝了生物腐蝕劑噴灑裝置，如圖3，對梳理拋灑過的秸稈噴上生物腐蝕劑。生物腐蝕劑中含有大量的可以在低溫嚴寒下活動的微生物菌類，附著在秸稈表面，利用秋收之后、入冬之前和來年開春的短暫時間進行快速腐蝕，再加上冬季嚴寒狀況下的腐蝕，可以在第二年春耕時將所有秸稈完全降解腐蝕掉。在梳理機構(gòu)上方安裝光電傳感器，利用其在不同材質(zhì)之間反射與傳輸速度不同的特點，測定秸稈的厚度，根據(jù)秸稈厚度控制裝置控制電控閥門的開啟大小，進而控制生物腐蝕劑的噴灑量，進行精確噴灑，降低經(jīng)濟成本。endprint

4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，增大功率的損耗，且纏繞現(xiàn)象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構(gòu)造，在旋轉(zhuǎn)時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現(xiàn)象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質(zhì)量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉(zhuǎn)的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節(jié)約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據(jù)秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉(zhuǎn)速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據(jù)地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經(jīng)放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據(jù)單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構(gòu)拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉(zhuǎn)速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據(jù)機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調(diào)節(jié)生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉(zhuǎn)速，以保證在高速作業(yè)的情況下，不影響作業(yè)質(zhì)量。

利用電子傳感處理裝置，根據(jù)地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉(zhuǎn)速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現(xiàn)精準作業(yè)，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續(xù)工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結(jié)論

針對東北高寒地區(qū)應用的秸稈還田機，在結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現(xiàn)精準作業(yè)，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉(zhuǎn)速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節(jié)約成本。根據(jù)秸稈數(shù)量，改變拖拉機前進速度，只需調(diào)節(jié)單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉(zhuǎn)速，以適應不同的土地情況。通過創(chuàng)新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

＼[1＼]單鶴翔，盧昌艾，張金濤，等.不同肥力土壤下施氮與玉米秸稈還田對冬小麥氮素吸收利用的影響＼[J＼].植物營養(yǎng)與肥料學報，2012，18（1）：35-41.

＼[2＼]劉世平，聶新濤，張洪程，等.稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效應分析＼[J＼].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（7）：48-51.

＼[3＼]吳健生，劉建政，黃秀蘭，等.基于面向?qū)ο蟮耐恋卣韰^(qū)農(nóng)田灌排系統(tǒng)自動化識別＼[J＼].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（8）：25-31.

＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)＼[J＼].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]趙鵬，陳阜.豫北秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮利用及土壤硝態(tài)氮的短期效應＼[J＼].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艷，樊貴盛，周懷平，等. 秸稈還田方式對旱地玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響＼[J＼].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（11）：60-67.

＼[7＼]殷麗萍，丁峰，鄒忠，等.不同種類秸稈腐熟劑應用效果對比研究＼[J＼].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009，（4）：159-160.

＼[8＼]彭宇，王丹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述＼[J＼].電子測量與儀器學報，2011，25（5）：389-399.（03）endprint

4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，增大功率的損耗，且纏繞現(xiàn)象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構(gòu)造，在旋轉(zhuǎn)時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現(xiàn)象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質(zhì)量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉(zhuǎn)的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節(jié)約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據(jù)秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉(zhuǎn)速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據(jù)地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經(jīng)放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據(jù)單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構(gòu)拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉(zhuǎn)速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據(jù)機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調(diào)節(jié)生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉(zhuǎn)速，以保證在高速作業(yè)的情況下，不影響作業(yè)質(zhì)量。

利用電子傳感處理裝置，根據(jù)地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉(zhuǎn)速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現(xiàn)精準作業(yè)，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續(xù)工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結(jié)論

針對東北高寒地區(qū)應用的秸稈還田機，在結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現(xiàn)精準作業(yè)，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉(zhuǎn)速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節(jié)約成本。根據(jù)秸稈數(shù)量，改變拖拉機前進速度，只需調(diào)節(jié)單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉(zhuǎn)速，以適應不同的土地情況。通過創(chuàng)新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

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＼[4＼]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)＼[J＼].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（7）：181-185.

＼[5＼]趙鵬，陳阜.豫北秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮利用及土壤硝態(tài)氮的短期效應＼[J＼].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2008，13（4）：19-23.

＼[6＼]解文艷，樊貴盛，周懷平，等. 秸稈還田方式對旱地玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響＼[J＼].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（11）：60-67.

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4刀輥及連接方式改良

秸稈還田機的刀輥往往采用實心鋼材，直徑較小，在刀輥上焊接刀座，通過螺栓螺母使刀與刀輥連接，在工作過程中，焊接位置容易開裂，且在工作的過程中，由于大部分秸稈長度大于刀輥周長，容易出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，增大功率的損耗，且纏繞現(xiàn)象嚴重時，無形中增大刀輥直徑，減小還田刀的入土深度，降低翻埋效果。刀座與刀輥之間進行焊接，很難保證刀座垂直于刀輥，且位置偏差較大，不利于動靜平衡的保證。以往還田刀以澆鑄或鍛造成型，刀體寬度有限，且大多刀刃呈平面構(gòu)造，在旋轉(zhuǎn)時很容易掛上秸稈，工作時會增大旋耕阻力，功耗增大且容易使刀座焊點開裂。

基于此，采用鋼板軋制或鑄造大直徑刀輥，如圖4，有效解決刀輥纏草現(xiàn)象，并且可以增大刀輥的剛度和強度，減小質(zhì)量，增大秸稈還田機的壽命。利用刀盤固定還田彎刀，刀盤與刀輥之間進行過渡配合，將刀盤進行定位之后，再進行焊接，可以有效提高定位精度。在刀輥上焊接刀盤，將埋草刀安裝在刀盤上，可以方便地進行裝卸，并且連接可靠性加大。

為了增大還田刀的剛度與強度，將還田刀的固定端進行增大，使用壽命大大增加，還田刀的刀刃采用圓弧造型彎轉(zhuǎn)的滑切刃，不將秸稈進行切斷，而是利用慣性將秸稈旋進土壤，在還田刀出土時，秸稈順著滑切刃運動，由于土壤阻力而落入壤土中，進行填埋，以達到減小阻力、節(jié)約成本目的。

5電子傳感器與微型處理器

為了達到精準噴施生物腐蝕劑和根據(jù)秸稈厚度控制秸稈還田機刀輥轉(zhuǎn)速，以達到更好的翻埋和腐蝕效果的目的，在秸稈還田機最前部，安裝一排光電傳感器，利用光電傳感器將附著于地面的秸稈厚度測出，通過電路將厚度信號傳導至單片機微型處理器。微型處理器將信號進行分析處理，根據(jù)地面秸稈的厚度，從輸出端口傳出電信號，經(jīng)放大器后，將電流進行放大，用來操控電磁液壓閥。電磁液壓閥根據(jù)單片機微處理器傳導過來的電信號，控制液體的流量＼[8＼]。

在刀輥前方安裝光電傳感器，將梳理機構(gòu)拋灑之后的秸稈厚度測出，將厚度信號傳輸至單片機，進而控制刀輥的轉(zhuǎn)速。在秸稈量不大時，可以提高工作速度，根據(jù)機器前進的速度，利用單片機微處理器控制調(diào)節(jié)生物腐蝕劑噴灑的速度和秸稈還田機刀輥的轉(zhuǎn)速，以保證在高速作業(yè)的情況下，不影響作業(yè)質(zhì)量。

利用電子傳感處理裝置，根據(jù)地表秸稈厚度的不同，控制刀輥的轉(zhuǎn)速和生物腐蝕劑噴灑速度，可以實現(xiàn)精準作業(yè)，達到較好的翻埋和腐蝕效果，為后續(xù)工作提供良好條件，有效地減少了耕作成本。

6結(jié)論

針對東北高寒地區(qū)應用的秸稈還田機，在結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新地加入秸稈梳理裝置和生物腐蝕劑噴灑裝置，并引入傳感器和電子控制裝置，實現(xiàn)精準作業(yè)，以期能夠達到更好的翻埋和腐蝕效果。通過傳感器測得的秸稈厚度，單片機進行對比分析后，控制刀輥的轉(zhuǎn)速，可以達到更好的翻埋效果，更合理地利用能量，節(jié)約成本。根據(jù)秸稈數(shù)量，改變拖拉機前進速度，只需調(diào)節(jié)單片機上對應的拖拉機速度，自動控制生物腐蝕劑的噴灑效果和刀輥轉(zhuǎn)速，以適應不同的土地情況。通過創(chuàng)新和改造，可以達到自動控制，使秸稈更好地完成翻埋和腐蝕，為春耕做好工作。

參考文獻：

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