張 園，歐忠慶，鄧怡國，崔振德，李 玲，張 勁，王業(yè)勤，韋麗嬌，劉勝利

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

菠蘿(又名鳳梨)是著名的熱帶水果之一，在我國種植面積大約7萬hm2左右，主要分布于廣東、海南、廣西、云南及福建等省區(qū)。其中，廣東的菠蘿種植面積占到全國種植面積的1/2，雷州半島(徐聞)為菠蘿種植主產(chǎn)區(qū)。

在我國，菠蘿的種植采用密植的方式，普遍為寬窄行植法，大行距50～60cm，小行距40～50cm，株距約20cm，每公頃菠蘿地的葉片質(zhì)量可達(dá)120～180t，葉片重疊，縱橫交錯，厚度可達(dá)20cm。菠蘿葉片中含有豐富的果糖、氨基酸、有機(jī)酸、葡萄糖、粗纖維、蛋白質(zhì)、鈣、磷、維生素、鐵、酶等多種營養(yǎng)物質(zhì)[1]。1992年，符開熙等人指出菠蘿葉每公頃還田量平均為120t；同時，根據(jù)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)和粵西農(nóng)墾徐聞橡膠研究所養(yǎng)分測定，菠蘿葉片回田，每公頃折合化肥相當(dāng)于投入硫酸銨1 687.5kg、過磷酸鈣225.45kg、氯化鉀1 446.15kg，且含有大量有機(jī)質(zhì)。由此可見，菠蘿莖葉粉碎還田具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

我國大部分菠蘿葉片采用還田的方式進(jìn)行利用。最初采用的方式是將菠蘿收獲后的菠蘿殘株通過人工或者推土機(jī)等設(shè)備搬運(yùn)到田間地頭，曬干焚燒或者堆漚成肥料。這種方式一直持續(xù)到20世紀(jì)80年代末，不僅速度慢，影響下茬作物的種植，還會對環(huán)境造成一定程度的污染。為了解決這一問題，我國開始了對菠蘿葉粉碎還田機(jī)械化技術(shù)的研究。開始是利用切碎的原理，以曳行機(jī)帶多級圓盤耙切碎機(jī)將菠蘿植株葉片切碎還田。這種處理方式只是切碎、切短葉片，葉片大部分呈現(xiàn)塊狀，組織結(jié)構(gòu)破壞程度不大，腐爛分解較慢，不利于土地立即耕種。后來，出現(xiàn)了錘擊式工作方式的葉片粉碎機(jī)，但因菠蘿葉片中含有豐富的植物纖維，且纖維強(qiáng)度較大，粉碎作業(yè)常需要重復(fù)兩次以上方可達(dá)到要求。

目前，菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)械普遍作業(yè)效率較低、作業(yè)能耗較高，主要原因在于菠蘿屬于密植農(nóng)作物，莖葉厚重，葉片層層重疊，縱橫交錯，厚度大，且菠蘿葉中含有較堅(jiān)韌的纖維，增加了粉碎難度，與其他農(nóng)作物秸稈相比具有其獨(dú)有的生物學(xué)特性和機(jī)械力學(xué)特性。為了便于后續(xù)機(jī)耕作業(yè)，避免出現(xiàn)菠蘿葉纖維纏繞、堵塞機(jī)具的情況，一般要求粉碎后的菠蘿葉、菠蘿纖維等長度不超過15cm?，F(xiàn)有的菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)進(jìn)入菠蘿地后，往往要進(jìn)行2～3次的粉碎，才能使得粉碎效果達(dá)到要求(菠蘿莖葉及纖維長度小于等于15cm的比例不低于90%)，避免造成后續(xù)耕整地作業(yè)中堵犁等現(xiàn)象的發(fā)生。在第2次、第3次粉碎過程中，菠蘿莖葉貼緊地表且與地面泥土混雜在一起，要想對其粉碎，必須降低粉碎刀輥，對菠蘿葉及泥土混合物等進(jìn)行粉碎作業(yè)，從而使得能耗增加；同時，粉碎2～3次意味著拖拉機(jī)反復(fù)碾壓土地，造成土地壓實(shí)，也不利于后續(xù)的耕整地作業(yè)。因此，降低菠蘿莖葉粉碎過程中效率低、能耗高、土壤壓實(shí)等問題最直接的辦法就是在保證粉碎率的前提下減少菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)的作業(yè)次數(shù)[2]。

為此，項(xiàng)目組針對現(xiàn)有菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)械作業(yè)效率低、作業(yè)難度大、作業(yè)能耗高及土壤壓實(shí)等問題，結(jié)合降低菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)作業(yè)次數(shù)的目標(biāo)，按照性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的技術(shù)思路和總體方案，研制了與大中型拖拉機(jī)配套的雙輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

根據(jù)菠蘿植株密植、葉茂且交疊的特點(diǎn)，為一次作業(yè)達(dá)到粉碎質(zhì)量要求，所研制的雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)主要由喂入裝置、粉碎裝置、傳動系統(tǒng)、機(jī)架和行走系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.支撐機(jī)構(gòu) 2.三點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu) 3.變速箱 4.皮帶輪 5.皮帶 6.張緊機(jī)構(gòu) 7.前刀輥定刀 8.甩刀 9.前刀輥 10.皮帶輪 11.后刀輥定刀 12.后刀輥 13.直刀 14.機(jī)罩 15.萬向輪

returning machine

該機(jī)喂入裝置依靠機(jī)罩左右擋板及前擋板離地間隙所形成的空間完成菠蘿葉植株的喂入；粉碎裝置由前刀輥總成、后刀輥總成及固定于機(jī)架內(nèi)的定刀組成，并在前擋板至后擋板之間形成菠蘿葉粉碎容腔；傳動系統(tǒng)由萬向節(jié)、變速箱和皮帶輪總成及張緊機(jī)構(gòu)組成；支撐機(jī)構(gòu)從機(jī)架上卸除后，三點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)及萬向輪總成組成整機(jī)行走系統(tǒng)。

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main technical parameters for pineapple leaf shattering and

returning machine

主要參數(shù)單位數(shù)值長×寬×高mm2230×1537×1160行進(jìn)速度m/s0.75～0.97配套動力kW66.15～102.9工作幅寬cm90～150甩刀轉(zhuǎn)速r/min1628前刀輥回轉(zhuǎn)半徑mm240直刀轉(zhuǎn)速r/min1384后刀輥回轉(zhuǎn)半徑mm150單位面積油耗kg/hm250～60工作效率hm2/h0.25～0.35粉碎率%88～90

1.2 工作原理

雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)工作過程中，三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)連接，整機(jī)前半部被抬離地面，卸下支撐機(jī)構(gòu)后，三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與萬向輪共同支撐機(jī)架。當(dāng)拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向節(jié)與粉碎機(jī)變速箱連接后，皮帶輪通過皮帶將動力傳輸給前后刀輥，隨著拖拉機(jī)的前移，整機(jī)開始工作。粉碎機(jī)沿行進(jìn)方向，菠蘿葉植株進(jìn)入到前刀輥甩刀回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，葉片即受到甩刀的擊打、切割作用力，受力斷裂的菠蘿葉片隨即被甩入粉碎容腔內(nèi)，先與前刀輥定刀作用后再被甩入后刀輥直刀回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，二次受到直刀與定刀的作用力后沿機(jī)架后擋板被排出粉碎容腔，即完成菠蘿葉的粉碎還田作業(yè)。粉碎還田期間，根據(jù)粉碎作業(yè)效果的需要，可通過張緊裝置調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，以便更好地控制動力傳輸；同時，調(diào)整萬向輪與機(jī)架的離地高度，并操縱拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下沉力度可控制菠蘿葉的喂入離地高度。

1.3 粉碎特點(diǎn)及要求

菠蘿葉粉碎還田后，一般緊接著就可以翻耕和播種下一茬作物。粉碎后殘余葉片、纖維的長度不超過15cm，要求菠蘿葉絕大部分被打爛，莖葉組織結(jié)構(gòu)被破壞，暴露出纖維，并與泥土混合在一起，以利于殘葉和纖維的腐爛分解，否則容易引起后續(xù)機(jī)耕作業(yè)時出現(xiàn)纖維纏繞機(jī)具、堵塞嚴(yán)重而無法作業(yè)或者影響下茬作物的播種等。菠蘿葉片中含有大量的葉脈纖維，且菠蘿植株葉片豐茂，現(xiàn)有的機(jī)型需要兩遍重復(fù)作業(yè)才能滿足要求。

雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)采用雙輥設(shè)計(jì)原理，要求一次作業(yè)實(shí)現(xiàn)對菠蘿葉片的多次擊打、切割作用，以實(shí)現(xiàn)顯著提升工作效率、提高粉碎質(zhì)量和降低作業(yè)成本的目標(biāo)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)在作業(yè)過程中充分考慮了菠蘿葉片纖維的力學(xué)性能因素，粉碎部件在一次作業(yè)過程中對菠蘿葉片進(jìn)行多次擊打和切割作用，兼顧了作業(yè)質(zhì)量與效率指標(biāo)，且匹配中型拖拉機(jī)動力，實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.1 刀具的選型與設(shè)計(jì)

2.1.1 刀輥轉(zhuǎn)向的確定

菠蘿葉片韌性強(qiáng)度較大，粉碎作業(yè)過程中需對目標(biāo)進(jìn)行多次長時間作業(yè)力，以達(dá)到一次作業(yè)符合農(nóng)藝要求的目的?；诖耍ぬ}葉片在進(jìn)入粉碎容腔時需要承受向上的拋撒力，且雙輥刀具需要連續(xù)銜接，因此選擇前刀輥轉(zhuǎn)向與拖拉機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向相反、后刀輥與前刀輥轉(zhuǎn)向相同。

2.1.2 甩刀的選型

甩刀安裝于前刀輥上，主要完成對菠蘿葉片的切斷拋灑、擊打破損，并承受菠蘿莖根、硬土、石塊等阻力緩沖作用。在刀具與菠蘿葉片最先接觸的瞬間，L型甩刀在有效擊打的同時，能較好地完成對葉片的切割和拋送。為增大粉碎接觸面積，前刀輥上的刀具選用雙L型甩刀，如圖2所示。

圖2 甩刀結(jié)構(gòu)示意圖

受甩刀回轉(zhuǎn)半徑尺寸對刀輥平衡及整機(jī)振動的影響，隨回轉(zhuǎn)半徑的增大，整機(jī)的尺寸增大，且刀輥動不平衡因素也增大，整機(jī)振動激增[3]。參照現(xiàn)有粉碎機(jī)甩刀平衡的回轉(zhuǎn)半徑范圍180～300mm，選取本機(jī)甩刀回轉(zhuǎn)半徑為240mm，厚度10cm，擊切口徑50mm。

2.1.3 直刀的選型

直刀安裝于后刀輥上，主要完成對甩刀拋送至后刀輥區(qū)域的菠蘿葉殘片和長纖維進(jìn)行擊切的作用。在甩刀與直刀工作過程中極近位置瞬間，直刀再次將粉碎腔內(nèi)的菠蘿葉殘片和纖維進(jìn)行拋送，并與定刀組合完成二次切碎。同樣，為進(jìn)一步增大粉碎接觸面積和二次拋送效果，后刀輥上的刀具選用直線型，并固定于后刀輥刀座上。直刀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 直刀結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)給定后刀輥一個前行的線速度v和轉(zhuǎn)速ω后，直刀的刀端運(yùn)動軌跡如圖4所示。根據(jù)單束菠蘿葉纖維力學(xué)性能和實(shí)際比對試驗(yàn)可知：后刀輥上直刀的線速度為35m/s時可取得較好的粉碎效果。同時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定直刀長度120mm、厚度8cm。

圖4 直刀端部運(yùn)動軌跡

2.1.4 定刀的選型與布位

定刀的作用在于配合甩刀、直刀擊切菠蘿葉片和纖維，以改善菠蘿葉的粉碎效果，安裝在機(jī)罩上側(cè)的內(nèi)壁上，定刀迎動刀(甩刀和直刀)的旋轉(zhuǎn)方向開有刃口。為便于分析影響定刀切割的相關(guān)參數(shù)，假定菠蘿葉殘片靜止，定刀相對于秸稈繞動刀的軸心做圓周運(yùn)動[4-6]，切割時的幾何參數(shù)如圖5所示。

圖5 定刀工作時幾何分析圖

(1)

(2)

(3)

其中，α為直刀的切割轉(zhuǎn)角(°)；θ為直刀的滑切角(°)；β為直刀的擠推角(°)；D為直刀刃偏心距(mm)；H為切割中心線高度(mm)；L為切割點(diǎn)處的回轉(zhuǎn)半徑(mm)。

根據(jù)計(jì)算及多次田間試驗(yàn)分析，綜合轉(zhuǎn)矩消耗和較好的粉碎效果，粉碎機(jī)前刀輥定刀安裝于前刀輥正上方機(jī)罩內(nèi)，配合甩刀軌跡裝配，與甩刀重合長度38cm，定刀長78cm，刃口長45cm；后刀輥定刀安裝于后刀輥正上方偏后15°方向機(jī)罩內(nèi)，配合直刀軌跡等間距裝配，與直刀重合長度45cm，定刀長70cm，間距55cm，刃口長50cm。定刀結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 定刀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 刀具的排列

受刀具排列合理性能對整機(jī)作業(yè)效果及平衡性的直接影響，雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)在充分保證不漏切、兼顧粉碎質(zhì)量和減少阻力波動的需求前提下，堅(jiān)持避免刀具相互干擾及阻塞、負(fù)荷受力均勻、降低磨損和結(jié)構(gòu)簡單及經(jīng)濟(jì)適用等原則[7-12]。前刀輥甩刀布位采用以中間為基點(diǎn)、左右對稱的排列方式[見圖7(a)]，以減少阻力波動，有效降低振動和輪軸受力；后刀輥直刀采用螺旋線對稱排列方式[見圖7(b)]，軸向等間距，徑向等角度分布，刀軸負(fù)荷均勻，產(chǎn)生的離心力施加到刀軸上的合力為零，有效保證整機(jī)穩(wěn)定性。

圖7 刀具在刀輥外圓展開圖中布位圖

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動系統(tǒng)有效保證了雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的動力傳輸，如圖8所示。

圖8 雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖

returning machine

該機(jī)采用分級傳動系統(tǒng)，即輸入軸—變速箱—主動輥—從動輥(一級)—從動輥(二級)的模式，分別依托萬向節(jié)、皮帶和張緊機(jī)構(gòu)為載體。采用皮帶作為主從動力的傳輸載體，可有效保證在機(jī)具堵塞、負(fù)載過大及復(fù)雜工況下對刀具的硬損傷。根據(jù)傳動比公式(2)，選用120型拖拉機(jī)，輸出軸轉(zhuǎn)速540r/min,計(jì)算前后刀輥的轉(zhuǎn)速分別為1 628r/min和1 384r/min。

(4)

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所和技術(shù)推廣單位湛江市麻章區(qū)倉龍農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心于2016年5月22日在廣東省湛江市徐聞縣廣東友好農(nóng)場的連片菠蘿地進(jìn)行了試驗(yàn)，測試工作由農(nóng)業(yè)部熱帶作物機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心完成。該地塊較平坦，坡度≤3°，紅壤土，土質(zhì)較粘重，無石塊雜物，地表(6～8cm)土壤平均含水率為29.8%，土壤平均堅(jiān)實(shí)度為497.33kPa。試驗(yàn)地菠蘿植株采用寬行窄雙行植法，大行距50～60cm，小行距40～50cm，株距約20cm，植株高度45～55cm，密度4 000～5 000株/667m2，產(chǎn)植株葉片質(zhì)量10～11t。試驗(yàn)過程配套上海紐荷蘭1204拖拉機(jī)，慢Ⅱ檔(0.8m/s)作業(yè)，試驗(yàn)效果如圖9所示。

圖9 雙輥式菠蘿葉粉碎還田作業(yè)效果圖

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《秸稈粉碎還田機(jī)》(JB/T6678-2001)要求，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行指標(biāo)測試，包括工作效率、油耗、粉碎合格率及菠蘿頭露出地面高度等。試驗(yàn)的儀器設(shè)備主要有卷尺、米尺、電子秤、捆扎繩、自封袋、秒表、土壤取樣器、汽車拖拉機(jī)綜合測試儀、測速儀、分析天平、土壤水分測定儀及土壤緊實(shí)度儀等。相關(guān)指標(biāo)測試方法按如下依據(jù)進(jìn)行。

3.2.1 工作幅寬及生產(chǎn)率

測定10個行程的工作幅寬D(mm)，計(jì)算其算術(shù)平均值d=D/10。

在正常作業(yè)條件下測定菠蘿葉粉碎還田3個班次作業(yè)，每個班次作業(yè)不少于2h，生產(chǎn)時間精確到min，取平均值，則

(5)

其中，E為純工作小時生產(chǎn)率( hm2/h)；Q為作業(yè)班次作業(yè)面積(hm2)；T為工作時間(h)。

3.2.2 油耗

工作前加滿油箱，工作后再加滿油箱，并記錄試驗(yàn)過程中加入油箱的總油量和總作業(yè)面積，即計(jì)算出油耗量。

3.2.3 粉碎合格率

在測區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5點(diǎn)，每點(diǎn)為1m×1m的正方形，從中揀出不合格的菠蘿葉，稱重，記為Wb；計(jì)算各點(diǎn)粉碎合格率、粉碎不合格率。

測點(diǎn)菠蘿葉粉碎合格率為

(6)

其中，F(xiàn)h為菠蘿葉粉碎合格率(%)；Wh為測點(diǎn)菠蘿葉粉碎合格質(zhì)量(kg)；Wz為田間調(diào)查菠蘿葉質(zhì)量五點(diǎn)平均數(shù)(kg)。

測點(diǎn)菠蘿葉粉碎不合格率為

(7)

其中，F(xiàn)b為菠蘿葉粉碎不合格率(%)；Wb為測點(diǎn)菠蘿葉粉碎不合格質(zhì)量(kg)。

3.2.4 菠蘿頭露出地面高度合格率

在測區(qū)取5個隨機(jī)的點(diǎn)，每點(diǎn)為1m×1m的正方形，測量每株菠蘿頭露出地面的高度，菠蘿頭露出地表高度小于等于3cm為合格，計(jì)算該高度的平均值和合格率。

各點(diǎn)內(nèi)菠蘿頭露出地面的高度的平均值為

(8)

其中，Hi為各點(diǎn)菠蘿頭露出地面高度(cm)；n為5個點(diǎn)內(nèi)菠蘿總植株數(shù)(個)。

菠蘿頭高度合格率為

(9)

其中，y為測點(diǎn)菠蘿頭高度合格率(%)；Mh為測點(diǎn)內(nèi)菠蘿頭高度合格植株數(shù)(個)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)際測試試驗(yàn)、計(jì)算，相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 主要測試指標(biāo)結(jié)果

試驗(yàn)與測試結(jié)果表明：雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的性能良好，作業(yè)平穩(wěn)，操作可靠性較高；生產(chǎn)效率達(dá)0.356hm2/h，較單輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)的作業(yè)效率提高近2倍；單位時間油耗54.14kg/hm2，較單輥式兩遍作業(yè)的效率可節(jié)省燃油成本1/3；輪轍間菠蘿葉粉碎合格率及輪轍中菠蘿葉粉碎合格率分別達(dá)到90.8%和89.9%。其測試值雖小于單輥式作業(yè)機(jī)，但均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)參考值，滿足實(shí)際使用要求。菠蘿頭露出地面高度平均值29.6mm，顯著優(yōu)于參考值，對于菠蘿地及時粉碎后翻種有較高的促進(jìn)作用；同時，合格率89.3%，達(dá)到整機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

1)針對現(xiàn)有單輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)械作業(yè)效率低、作業(yè)難度大、作業(yè)能耗高及兩遍作業(yè)土壤被壓實(shí)等問題，研制了雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)。該機(jī)以大中型輪式拖拉機(jī)為配套動力，主要特點(diǎn)在于粉碎機(jī)構(gòu)由前、后兩個粉碎刀輥組成。前刀輥主要起到切斷莖稈、撿拾菠蘿葉并進(jìn)行初步粉碎的作用，采用雙L改進(jìn)型甩刀；后刀輥主要起到再次粉碎和對菠蘿葉纖維二次切割的作用，采用開刃口的直刀。通過前后刀輥的配合，該機(jī)能實(shí)現(xiàn)一次粉碎作業(yè)達(dá)到粉碎要求的目標(biāo)。

2)與現(xiàn)有機(jī)型相比，在保證粉碎率90%(粉碎后長度小于15cm的菠蘿葉所占的比重)以上的條件下，將生產(chǎn)率由0.186 hm2/h提高到了0.356 hm2/h，油耗由71.84kg/hm2降低到了54.14kg/hm2，作業(yè)成本節(jié)省1/3，優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)型，適應(yīng)于我國菠蘿地莖葉粉碎還田的技術(shù)發(fā)展需求。

3)基于菠蘿種植農(nóng)藝分有無起壟的區(qū)別，以及操作機(jī)手對于機(jī)具貼地程度的不同，雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)在根莖粉碎環(huán)節(jié)所表現(xiàn)的粉碎質(zhì)量、動力消耗及渣土混合等指標(biāo)依然有較大波動；同時，甩刀工作過程中破土和錘切菠蘿莖稈的作用力較大，對于甩刀的處理質(zhì)量要求較高。在今后的進(jìn)一步研發(fā)過程中，對于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合及粉碎機(jī)具單一指標(biāo)優(yōu)化具有重大意義。