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摘 要：研究以秸秆腐化为基础，设计一种与已有谷物收割机配套的秸秆腐化还田机，其集作物收割、秸秆粉碎和秸秆腐化还田操作于一体，以加快秸秆还田后的腐化，在解决作物秸秆处理难这一问题的同时，也改善了土壤肥力和农业生态环境。实验表明，经改进的作物秸秆腐化还田机，能使秸秆腐化分解腐化时间缩短，产量比单一秸秆粉碎方式略高。
关键词：秸秆粉碎还田机；腐化剂；改进设计
中图分类号 S38 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）08-122-03
秸秆还田机的研究始于20世纪60年代[1]，近年来，由于我国农村秸秆处理难及秸秆焚烧带来的环境污染问题日益严重，研究秸秆综合利用新技术具有重要意义。随着国家对生态环境越来越重视，秸秆还田技术成为当今世界上普遍重视的一项生产措施，其在改善秸秆焚烧所造成的大气污染的同时，还有增肥增产作用。研究表明，合理的秸秆还田措施，增产作用显著。但是自然环境下秸秆腐解缓慢，易在土壤中形成有机酸积累，对耕作与农艺操作有不利影响。因此，研究一种适合农艺要求的秸秆快速腐化还田机，对于保护环境及改善农业生产具有重要意义。
1 基本组成和工作原理
1.1 基本组成 秸秆腐化还田联合作业机（简称秸秆腐化还田机）由秸秆收割装置、秸秆粉碎系统、腐化剂喷洒系统三大部分组成。作物秸秆腐化还田联合收割机的总成如图1所示。秸秆收割装置是将生长在农田里的作物通过原联合收割机自带的收割机构进行收割的装置。秸秆（再）粉碎系统的作用是将收割后的秸秆粉碎并细化，该系统由秸秆还田机和（再）粉碎机构组成；腐化剂喷洒系统的作用是将调配好的腐化剂加压后经喷头喷洒到粉碎的秸秆表面，以使其最大程度的腐化，腐化剂喷洒系统主要由药箱、HSP4045型自吸泵、喷药管路、喷头、逆止回流阀、喷杆和调节阀等组成。
1.2 工作原理 工作时，联合收割机将田地里的秸秆进行收割，经作物收集及初粉碎机构后，输入再粉碎机构进一步粉碎细化；同时，通过电控系统启动自吸泵，将腐化剂按照一定的工作要求喷洒在细碎的作物秸秆上，从而实现腐化剂和作物秸杆的混合；随后作物秸杆被抛出机外，按条状铺在地表。考虑田块大小的情况不同，有些田块的秸秆不需要进一步粉碎，设计了多种作业方式，其可根据不同田间作业需要自由切换工作模式[2]，即可进行单独喷药，也可以进行单独再粉碎，还可以进行喷药与再粉碎相结合的混合作业方式等。本研究以雷沃GE70型联合还田机为匹配对象，其主要技术参数如表1所示。
2 主要部件选型及设计
2.1 粉碎刀具 还田机粉碎系统选用十字花式刀具，主要由刀头、刀柄、转轴等组成，如图2所示。刀组按销轴对称排列，刀头通过固定螺母连接在刀座上，刀座再通过轴套连接在转轴上，由传动装置输入动力，带转轴旋转，再通过转轴带动刀座、刀头转动，完成作物秸秆的粉碎。十字花刀具刀头设计为直刀且开刃。刀头形状为楔形，以便重心下移，增大转动惯量，增强粉碎能力，同时延长使用寿命。由多片刀头组成一套动刀组，在还田机工作腔内定刀组的配合下增强切碎、破茬能力。该刀具在机器中能一次性完成秸秆粉碎细化和腐化剂、秸秆二者的均匀混拌。
2.2 药液自吸泵 根据农用药物喷洒要求，采用微型高压水泵HSP4045，该水泵具有过压过热双自动保护开关，发生堵塞或工作温度异常时能自动停机保护；同时，具有耐酸碱腐蚀，泵体与电机分离，泵体内无机械部件不存在机械磨损，运转平稳，可以空转，使用寿命极长，性能稳定安装方便等特点。自吸泵固定安装在收割机顶部的机架上，并由蓄电池给泵体供电，从而驱动高压水泵转动，以使泵能按一定要求完成从水箱中泵水的工作过程，后使其经水管至喷嘴处喷出高压液流。HSP4045型水泵参数如表2。
2.3 腐化剂药箱 腐化剂药箱固定于还田机车顶上，根据施药量的要求及车顶空间位置大小，确定还田机药箱容量为150L。药箱设计为长方形，长度为80cm，宽度为65cm，高度为30cm。为了提高药箱的耐腐蚀能力，采用聚乙烯塑料制作，如图3所示。
2.4 溢流阀 为控制管路药液压力，在液压泵出液口处设计安装了直动式溢流阀，当管路压力过高或自吸泵工作时，调节阀处于关闭，多余的药液可通过溢流阀流至药箱，以防止管路过高爆裂而导致药液的泄漏。利用手轮可以自由调节腐化剂喷洒压力，以适应不同的工作要求，选用型号为DBDH6K10/100直动式溢流阀。
根据对小麦秸杆量、腐化剂的喷施均匀性和作用效果等方面的测定，用药量确定为M=375L/hm2，机组工作速度v=2.3～4.6km/h，工作幅宽B=2.56m，选择喷头数n=8，可得Q=0.46～0.92L/min。
本机选用CC系列喷嘴5004型，入口接头1/8，等效喷孔孔径1.3mm，最大流量0.91L/min，喷流角度40°。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀，液滴大小为小到中等，防堵塞。喷头固定于喷杆上，与喷杆一起固定在二次秸秆粉碎机构出料口一圈，对称均匀分布，一边2个喷头。腐化剂喷施系统管路均由可拆卸耐高压软管连接而成。
3 结果验证
3.1 试验材料 试验地：安徽省滁州市凤阳县的一年一熟灌溉地，土壤为肥力比较均匀的潮土；作物：川农2号水稻，要求株高在122cm左右，试验地水稻有效穗为17万/667m2左右，结实率83%左右；腐化剂：选用广州微元生物有限公司的粗纤维降解菌（秸秆还田腐化剂）。为充分发挥腐化剂高效、快速降解能力的特点，使用时，添加一定量的尿素水溶液或红糖水溶液作为活化物质进行催化作用（调配比例：1kg腐化剂+25kg水+2.5kg活性物质）。但由于受所种作物类型、天气和温度的影响，使用该腐化剂的腐熟时长一般约为25～50d，且冬季与夏季差异较大。
3.2 试验方法 对麦茬地采用2种不同秸秆还田处理方式：秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田和秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田。实验一：运用控制变量法，通过对比上述2种不同处理方式下的小麦秸秆腐化时间；实验二：运用控制变量法，通过对比种植在上述2种不同处理方式下的水田里的下一季水稻产量。
3.3 试验结果 由实验一可得：秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田处理方式下的小麦秸秆完成其田间秸秆量80%腐化的时间为78d；秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田处理方式下的小麦秸秆完成其田间秸秆量80%腐化的时间为42d。由实验二可得：种植在秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田处理方式下的水田里的下一季水稻产量比种植在秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田处理方式下的水田里的下一季水稻产量高。具体参数如表3所示。
3.4 试验总结 通过对比表3中2015年度水稻产量及对照增产率可得出：秸秆粉碎配合腐化剂喷洒的秸秆还田作业方法的水稻产量明显高于只将秸秆粉碎而未进行药物喷洒过程的水稻产量。秸秆粉碎配合腐化剂喷洒的秸秆还田方式不仅可以及时高效地粉碎并且充分细化作物秸秆，还能通过喷洒腐化剂对秸秆起到快速腐化的作用，同时还可提高土壤营养成分，改善土地物理性状，优化农田生态环境，促进作物产量增加。
4 结论
本研究利用现有的秸秆粉碎还田技术和秸秆腐化剂开发应用的研究成果，设计出一种可同时完成作物收割、秸秆粉碎和秸秆腐化还田操作的作物秸秆腐化还田机，其也可根据不同的工作需求，实现单独药物喷洒、单独秸秆粉碎或者喷药与粉碎相结合的混合作业等工作方式。
通过田间试验表明，秸秆粉碎与喷施腐化剂相结合的工作方式能够更有效地加快秸秆的腐化，比没有使用腐化剂的方式腐化缩短36d；同时，喷洒药物后的腐化还田方法能够更有效地促进下一季农作物的生长，从而提高产量。
参考文献
[1]张银霞，曾宪阳，杨星刊，等.秸秆粉碎灭茬还田的试验研究[J].河南农业大学学报，2002，36（2）：179-182.
[2]胡亚鲜，王晓燕，李洪文，等.垄作喷药浅松除草设计[J].农业机械学报，2009，40（7）：61-66.
[3]戴飞，张峰伟，赵春花，等.快速腐熟秸秆还田机设计与实验[J].农业机械学报，2015，07：143-146.
（责编：张宏民）
关键词：秸秆粉碎还田机；腐化剂；改进设计
中图分类号 S38 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）08-122-03
秸秆还田机的研究始于20世纪60年代[1]，近年来，由于我国农村秸秆处理难及秸秆焚烧带来的环境污染问题日益严重，研究秸秆综合利用新技术具有重要意义。随着国家对生态环境越来越重视，秸秆还田技术成为当今世界上普遍重视的一项生产措施，其在改善秸秆焚烧所造成的大气污染的同时，还有增肥增产作用。研究表明，合理的秸秆还田措施，增产作用显著。但是自然环境下秸秆腐解缓慢，易在土壤中形成有机酸积累，对耕作与农艺操作有不利影响。因此，研究一种适合农艺要求的秸秆快速腐化还田机，对于保护环境及改善农业生产具有重要意义。
1 基本组成和工作原理
1.1 基本组成 秸秆腐化还田联合作业机（简称秸秆腐化还田机）由秸秆收割装置、秸秆粉碎系统、腐化剂喷洒系统三大部分组成。作物秸秆腐化还田联合收割机的总成如图1所示。秸秆收割装置是将生长在农田里的作物通过原联合收割机自带的收割机构进行收割的装置。秸秆（再）粉碎系统的作用是将收割后的秸秆粉碎并细化，该系统由秸秆还田机和（再）粉碎机构组成；腐化剂喷洒系统的作用是将调配好的腐化剂加压后经喷头喷洒到粉碎的秸秆表面，以使其最大程度的腐化，腐化剂喷洒系统主要由药箱、HSP4045型自吸泵、喷药管路、喷头、逆止回流阀、喷杆和调节阀等组成。
1.2 工作原理 工作时，联合收割机将田地里的秸秆进行收割，经作物收集及初粉碎机构后，输入再粉碎机构进一步粉碎细化；同时，通过电控系统启动自吸泵，将腐化剂按照一定的工作要求喷洒在细碎的作物秸秆上，从而实现腐化剂和作物秸杆的混合；随后作物秸杆被抛出机外，按条状铺在地表。考虑田块大小的情况不同，有些田块的秸秆不需要进一步粉碎，设计了多种作业方式，其可根据不同田间作业需要自由切换工作模式[2]，即可进行单独喷药，也可以进行单独再粉碎，还可以进行喷药与再粉碎相结合的混合作业方式等。本研究以雷沃GE70型联合还田机为匹配对象，其主要技术参数如表1所示。
2 主要部件选型及设计
2.1 粉碎刀具 还田机粉碎系统选用十字花式刀具，主要由刀头、刀柄、转轴等组成，如图2所示。刀组按销轴对称排列，刀头通过固定螺母连接在刀座上，刀座再通过轴套连接在转轴上，由传动装置输入动力，带转轴旋转，再通过转轴带动刀座、刀头转动，完成作物秸秆的粉碎。十字花刀具刀头设计为直刀且开刃。刀头形状为楔形，以便重心下移，增大转动惯量，增强粉碎能力，同时延长使用寿命。由多片刀头组成一套动刀组，在还田机工作腔内定刀组的配合下增强切碎、破茬能力。该刀具在机器中能一次性完成秸秆粉碎细化和腐化剂、秸秆二者的均匀混拌。
2.2 药液自吸泵 根据农用药物喷洒要求，采用微型高压水泵HSP4045，该水泵具有过压过热双自动保护开关，发生堵塞或工作温度异常时能自动停机保护；同时，具有耐酸碱腐蚀，泵体与电机分离，泵体内无机械部件不存在机械磨损，运转平稳，可以空转，使用寿命极长，性能稳定安装方便等特点。自吸泵固定安装在收割机顶部的机架上，并由蓄电池给泵体供电，从而驱动高压水泵转动，以使泵能按一定要求完成从水箱中泵水的工作过程，后使其经水管至喷嘴处喷出高压液流。HSP4045型水泵参数如表2。
2.3 腐化剂药箱 腐化剂药箱固定于还田机车顶上，根据施药量的要求及车顶空间位置大小，确定还田机药箱容量为150L。药箱设计为长方形，长度为80cm，宽度为65cm，高度为30cm。为了提高药箱的耐腐蚀能力，采用聚乙烯塑料制作，如图3所示。
2.4 溢流阀 为控制管路药液压力，在液压泵出液口处设计安装了直动式溢流阀，当管路压力过高或自吸泵工作时，调节阀处于关闭，多余的药液可通过溢流阀流至药箱，以防止管路过高爆裂而导致药液的泄漏。利用手轮可以自由调节腐化剂喷洒压力，以适应不同的工作要求，选用型号为DBDH6K10/100直动式溢流阀。
根据对小麦秸杆量、腐化剂的喷施均匀性和作用效果等方面的测定，用药量确定为M=375L/hm2，机组工作速度v=2.3～4.6km/h，工作幅宽B=2.56m，选择喷头数n=8，可得Q=0.46～0.92L/min。
本机选用CC系列喷嘴5004型，入口接头1/8，等效喷孔孔径1.3mm，最大流量0.91L/min，喷流角度40°。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀，液滴大小为小到中等，防堵塞。喷头固定于喷杆上，与喷杆一起固定在二次秸秆粉碎机构出料口一圈，对称均匀分布，一边2个喷头。腐化剂喷施系统管路均由可拆卸耐高压软管连接而成。
3 结果验证
3.1 试验材料 试验地：安徽省滁州市凤阳县的一年一熟灌溉地，土壤为肥力比较均匀的潮土；作物：川农2号水稻，要求株高在122cm左右，试验地水稻有效穗为17万/667m2左右，结实率83%左右；腐化剂：选用广州微元生物有限公司的粗纤维降解菌（秸秆还田腐化剂）。为充分发挥腐化剂高效、快速降解能力的特点，使用时，添加一定量的尿素水溶液或红糖水溶液作为活化物质进行催化作用（调配比例：1kg腐化剂+25kg水+2.5kg活性物质）。但由于受所种作物类型、天气和温度的影响，使用该腐化剂的腐熟时长一般约为25～50d，且冬季与夏季差异较大。
3.2 试验方法 对麦茬地采用2种不同秸秆还田处理方式：秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田和秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田。实验一：运用控制变量法，通过对比上述2种不同处理方式下的小麦秸秆腐化时间；实验二：运用控制变量法，通过对比种植在上述2种不同处理方式下的水田里的下一季水稻产量。
3.3 试验结果 由实验一可得：秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田处理方式下的小麦秸秆完成其田间秸秆量80%腐化的时间为78d；秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田处理方式下的小麦秸秆完成其田间秸秆量80%腐化的时间为42d。由实验二可得：种植在秸秆粉碎细化后，经喷药过程再还田处理方式下的水田里的下一季水稻产量比种植在秸秆粉碎细化后，不经喷药过程直接还田处理方式下的水田里的下一季水稻产量高。具体参数如表3所示。
3.4 试验总结 通过对比表3中2015年度水稻产量及对照增产率可得出：秸秆粉碎配合腐化剂喷洒的秸秆还田作业方法的水稻产量明显高于只将秸秆粉碎而未进行药物喷洒过程的水稻产量。秸秆粉碎配合腐化剂喷洒的秸秆还田方式不仅可以及时高效地粉碎并且充分细化作物秸秆，还能通过喷洒腐化剂对秸秆起到快速腐化的作用，同时还可提高土壤营养成分，改善土地物理性状，优化农田生态环境，促进作物产量增加。
4 结论
本研究利用现有的秸秆粉碎还田技术和秸秆腐化剂开发应用的研究成果，设计出一种可同时完成作物收割、秸秆粉碎和秸秆腐化还田操作的作物秸秆腐化还田机，其也可根据不同的工作需求，实现单独药物喷洒、单独秸秆粉碎或者喷药与粉碎相结合的混合作业等工作方式。
通过田间试验表明，秸秆粉碎与喷施腐化剂相结合的工作方式能够更有效地加快秸秆的腐化，比没有使用腐化剂的方式腐化缩短36d；同时，喷洒药物后的腐化还田方法能够更有效地促进下一季农作物的生长，从而提高产量。
参考文献
[1]张银霞，曾宪阳，杨星刊，等.秸秆粉碎灭茬还田的试验研究[J].河南农业大学学报，2002，36（2）：179-182.
[2]胡亚鲜，王晓燕，李洪文，等.垄作喷药浅松除草设计[J].农业机械学报，2009，40（7）：61-66.
[3]戴飞，张峰伟，赵春花，等.快速腐熟秸秆还田机设计与实验[J].农业机械学报，2015，07：143-146.
（责编：张宏民）