菠萝叶粉碎还田技术研究与双辊式粉碎还田机的设计

摘要：根据菠萝叶的生物学特性和力学特性，设计了菠萝叶粉碎还田处理的工艺路线，在此基础上，对刀辊布置、刀具排布等进行了综合分析，设计了1BHJ-100型双辊式菠萝叶粉碎还田机，并对其总体结构、工作原理与主要技术参数进行了介绍，最后对该样机进行了初步的田间试验。结果表明，该样机能够实现一次粉碎达到还田要求，提高了菠萝叶粉碎还田的效率，具有较大的经济效益和生态效益。

关键词：粉碎还田机；还田工艺；双辊式；菠萝叶

中图分类号：S224 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4705-03

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.19.052

Technology and Birotor Equipment Design of Returning Pineapple Leaves

LI Ling1， ZHANG Jin1， OU Zhong-qing1， CUI Zhen-de1， LI Yu-lin1， ZHANG Yuan1， YANG Zhong-ze2

（1.Institute of Agricultural Machinery， Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang 524091， Guangdong， China；

2. College of Materials Science and Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： Based on the biological characteristics and mechanical properties of pineapple leaf， the returning crushing processing route for pineapple leaves was designed. Based on the processing route，the arrangement of rotors and cutters were carried on comprehensive analysis. The 1 BHJ-100 double rotor returning machine for pineapple leaf was designed. The overall structure， working principles and main technical parameters of the birotor returning machine were introduced. The preliminary field experiment of the prototype was carried out. The results showed that the prototype could meet requirements of farmers and improve the efficiency. The machine had huge economic and ecological benefits.

Key words： field returning machine；field returning processing route；birotor；pineapple leaf

菠萝（Ananas comosus）又名凤梨，属凤梨科（Bromeliaceae）凤梨属（Ananas），是著名的四大热带水果之一。菠萝原产于南美洲的巴西、阿根廷、巴拉圭等热带雨林地区，现广泛分布于南北纬30°之间，有60多个国家和地区进行菠萝的种植和生产，主产区集中于泰国、菲律宾、中国、巴西、印度、尼日利亚等地，我国菠萝主要生产区域分布于海南、广东、广西、云南、福建等地[1，2]。我国菠萝种植面积约60 000 hm2，菠萝果实平均产量17 t/hm2，茎叶120～150 t/hm2[3]。菠萝叶除含有2%左右的纤维外，还含有植物蛋白、淀粉及葡萄糖、钙、磷和大量的叶绿素[4]。菠萝残株传统的处理方法为就地焚烧还田，这种处理方式不仅造成环境污染，而且极大地浪费了资源，近几年在菠萝叶综合利用方面有较多新成果，例如提取菠萝叶纤维[4]、菠萝叶渣厌氧发酵制作沼气[5]、菠萝叶渣制作生物有机肥[6]、菠萝叶渣制作青贮饲料[7]等。但目前为止，大部分的菠萝叶仍然需要采用粉碎还田的方式进行利用，这种方式速度快、效率高，推广和应用起来更容易。菠萝叶直接粉碎回田在广东菠萝种植区应用较为广泛，特别是在地势相对平坦的徐闻县和雷州市，粉碎还田是目前菠萝叶利用的主要形式[6]。因此，菠萝叶粉碎还田工艺与粉碎还田机械的研究具有重要的意义。

1 菠萝叶的粉碎还田工艺

我国粉碎还田的大宗对象主要为农作物收获后的残余秸秆，如玉米秸秆、稻秆、麦秸等。秸秆粉碎还田不仅要考虑粉碎长度不对其他农机作业造成堵塞，还要考虑粉碎难易程度，是否影响播种、病虫害、杂草生长、田间营养均衡等各种问题[8，9]，菠萝茎叶粉碎还田技术的研究同样要考虑还田农艺以及与还田工艺相关的问题。

菠萝植株茎短，叶呈莲座式排列，剑形叶片最长可达100 cm，平均长60～70 cm，其基部宽、尾部尖，纵向弯曲多成弓形，横向基部成半圆型，尾部有一定的弧度，有些品种叶缘有锯齿形的刺，菠萝叶片表皮有蜡，较为坚韧，叶肉富含叶绿素并含有一定量的纤维，水分占叶片的70%左右[4]。菠萝茎叶粉碎之后要达到还田要求，应具备以下条件：①经过粉碎后，叶片及叶片纤维打断后长度不大于15 cm（此值为经验值，目前仍无相关标准），不影响后续的翻耕作业；②一定程度上要破坏菠萝叶表皮细胞，使得叶肉还田后易腐烂；③一定程度粉碎露出地表的菠萝根茎，使其易于腐烂。在菠萝叶粉碎还田的粉碎工艺上，除了要使其满足以上几个条件之外，还需选择合适的粉碎时间、合理的作业幅宽等，以提高粉碎质量和粉碎效率。

目前，我国菠萝茎叶粉碎还田主要采用拖拉机后悬挂式，带动单辊式的卧式粉碎还田机进行菠萝茎叶的粉碎还田，工艺流程一般为：①拖拉机带动粉碎机刀辊旋转，降低粉碎还田机高度到合适位置，使得刀具能拾取到大量的菠萝叶；②拖拉机前行，刀辊高速旋转切断菠萝叶并带入粉碎室进行一次粉碎；③菠萝叶一次粉碎结束后，稍微降低粉碎还田机高度，对菠萝叶进行二次粉碎；④对于某些拐角或不平整位置粉碎长度不能达标的，调整粉碎还田机高度，进行三次粉碎；⑤土地翻耕。以上工艺流程有着作业次数重复多、作业效果差的弊端，为了提高作业效率和作业质量，在以往单辊式菠萝叶粉碎还田机的基础上设计了1BHJ-100型双辊式的菠萝茎叶粉碎还田机，拟使其还田工艺流程简化为：①拖拉机带动粉碎机刀辊旋转，降低粉碎还田机高度到合适位置，使得前刀辊的甩刀能打击到菠萝茎叶与土壤的接触面；②拖拉机前行，前刀辊高速旋转切断菠萝叶并将其带入粉碎室，在粉碎室中经过前刀辊粉碎的菠萝茎叶在甩刀的带动下进入后刀辊粉碎范围内，进行二次粉碎；③土地翻耕。通过菠萝叶粉碎还田机结构的改进，拖拉机在行走一次的情况下使得菠萝茎叶粉碎效果达到还田要求，从而将作业效率提高近1倍，且能有效降低土壤被拖拉机压实的状况。

2 双辊式菠萝叶粉碎还田机的设计

2.1 双辊式菠萝茎叶粉碎还田机的工作原理

1BHJ-100型双辊式菠萝茎叶粉碎还田机采用拖拉机后悬挂的作业方式，其结构如图1所示，主要包括机架、传动机构、粉碎机构、地轮等，其中机架包括三点悬挂机构、前支撑架、侧板、上盖板等；传动机构主要由T型换向器、联轴器、皮带、皮带轮等组成；粉碎机构主要为粉碎刀辊和定刀，定刀通过螺栓固定在机架上，该机型设计为双辊式，粉碎刀辊分为前刀辊和后刀辊。

整个装置通过三点悬挂机构固定在拖拉机后置的提升架上，从而可以调节刀辊离地高度，地轮置于还田机末端的两侧，起到支撑机架和对地面进行仿形的作用。拖拉机动力输出轴输出的动力经过联轴器传递给T型换向器，再经V带变速传动带动前刀辊高速旋转，后刀辊则由皮带、皮带轮与前刀辊联接起来做高速旋转运动。在田间作业的过程中，前刀辊上的甩刀与地面接触，对地面上的菠萝植株进行切削和捡拾，切断的菠萝茎叶进入由侧板和上盖板等组成的粉碎室中，在前刀辊甩刀、后刀辊动刀以及前后刀辊定刀等机构的共同作用下剪切、碰撞、撕裂，粉碎后的叶渣在离心力作用下沿粉碎机后挡板排出抛洒于地表，完成粉碎作业。与现有菠萝茎叶粉碎还田机相比，1BHJ-100型双辊式菠萝茎叶粉碎还田机的最大区别及优势在于其具有两个粉碎刀辊。

2.2 双辊式菠萝茎叶粉碎还田机结构设计

2.2.1 前后刀辊的布置 为提高粉碎效率，减少拖拉机作业次数，该还田机采用了双刀辊式的粉碎结构，在拖拉机动力输出轴的带动下，两个刀辊作同向的高速旋转运动。1BHJ-100型双辊式菠萝茎叶粉碎还田机的刀辊布置如图2所示，两个刀辊分别为前刀辊、后刀辊，前刀辊起到切削和捡拾、粉碎菠萝茎叶的作用，因此前刀辊布置甩刀，作业时甩刀回转半径与地表相切；后刀辊主要起粉碎作用，其上布置固定的直刀，与地面保持一定间隙以减少功耗。

根据国内现有秸秆还田机甩刀回转半径范围一般为240～300 mm，并参照现有的菠萝叶粉碎还田机，选取该样机前刀辊甩刀回转半径为280 mm，转速1 600 r/min，刀尖线速度达到46.8 m/s，后刀辊回转半径选取为180 mm，转速则相对于前刀辊更高，为2 400 r/min，刀尖线速度为45.3 m/s，根据整机结构尺寸要求，拟定两刀辊中心距为480 mm。

2.2.2 刀具的选用与排布 粉碎机常用的甩刀形式有锤爪、L形甩刀、Y形甩刀、直刀、鞭式甩刀等几种。根据设计要求，前刀辊刀具起到切断、捡拾、初步粉碎菠萝茎叶的作用，后刀辊主要起到再次粉碎菠萝茎叶的作用，再综合菠萝茎叶机械力学特性，前刀辊采用甩刀（图3）侧面开刃口，甩刀背对背成对使用，构成Y形甩刀，通过销轴与前刀轴上的刀座连接；后刀辊采用直刀（图4），通过螺栓固定在后刀轴的刀座上。为延长使用寿命，前刀辊甩刀与后刀辊直刀均采用65 Mn材质的刀具。

刀具的排列形式直接影响到粉碎效果，且与刀辊的振动密切相关[10]。刀具在刀轴上的排布首先应满足静平衡的条件，即要求刀具在刀轴上间距相同、周向间角相等，此外考虑到田间作业时的状况，在达到粉碎效果的前提下，应加大刀具间距，避免堵塞。根据以上条件以及该样机作业幅宽，前刀辊选用14对甩刀，后刀辊选用直刀18把，使得前刀辊甩刀密度为0.28把/cm，后刀辊直刀密度为0.18把/cm，其排布方式分别见图5和图6。

2.3 双辊式粉碎还田机的主要技术参数

双辊式粉碎还田机的主要技术参数为： 配套动力73 kW及以上功率的拖拉机，输出转速540 r/min；与拖拉机连接方式为标准三点式悬挂；作业幅宽1 m；前刀辊转速1 600 r/min；后刀辊转速2 400 r/min；生产效率0.20～0.25 hm2/h；长、高、宽分别为2 235 mm、1 190 mm、1560 mm。

3 初步田间试验效果

对该样机进行了初步的田间试验，试验结果表明，一次粉碎后菠萝茎叶长度普遍低于15 mm，该样机能满足预先设定的菠萝茎叶一次粉碎达到还田要求的工艺路线，与现有的菠萝茎叶粉碎还田机相比，该样机的工作效率能达到设计要求的0.20～0.25 hm2/h，使得菠萝茎叶粉碎还田机的工作效率提高了近1倍。

4 小结

该样机采用了双辊式的结构，简化了菠萝叶粉碎还田的工艺，一次粉碎基本能满足菠萝茎叶还田的粉碎长度要求，提高了菠萝叶粉碎还田的效率，与现有的菠萝叶粉碎还田机相比优势明显。

该样机在结构及工作性能的稳定性、功耗等方面还需大量的田间试验。在刀辊的相对位置、刀具排布方式的优化以及减少刀具磨损状况等方面还需进一步的研究。

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