基于耦合仿生機理立式香蕉秸稈粉碎還田機研制

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1、 基于耦合仿生機理立式香蕉秸稈粉碎 還田機研制 摘 要 香蕉是世界四大水果之一，在國際鮮果市場上占有很重要的比重。在我國，香蕉主要種植在海南、云南、福建、兩廣等熱帶、亞熱帶地區(qū)，香蕉是一種經(jīng)濟作物，對當?shù)剞r(nóng)村的經(jīng)濟建設和地區(qū)發(fā)展有著十分重要的意義。香蕉果實收獲后，留下大面積的香蕉樹成為了農(nóng)業(yè)廢棄物。據(jù)研究表明，在香蕉莖稈、葉片中含有大量有利于香蕉生長有機物氮、磷、鉀及微量元素，是一種天然的有機化肥源。如果在香蕉采摘完后利用農(nóng)機具直接將香蕉樹粉碎還田，不僅可以改善香蕉地土壤結構，增強土壤肥力，提高香蕉產(chǎn)量，而且可以減少種植成本，提高經(jīng)

2、濟效率。 目前國內(nèi)香蕉種植業(yè)機械化程度較低，配套的農(nóng)機具較少且處在研發(fā)優(yōu)化階段，所以當前蕉農(nóng)對香蕉樹的處理基本上是通過人工砍伐成小段搬置于田間地頭自行腐爛，但這種處理方式不僅污染蕉園種植環(huán)境，而且會引發(fā)病蟲害給蕉園帶來隱患，而隨著香蕉種植面積的增加，香蕉秸稈廢棄物處理也成了一個制約香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題?；诖?，本文結合理論分析、虛擬樣機技術和正交試驗三種方法，對海南大學研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機的進行優(yōu)化改進，主要研究內(nèi)容為： （1）運用統(tǒng)計學分析與實地調(diào)查的方法，研究香蕉的生物特性及力學特性。通過分析香蕉假莖的種植方式、結構與形狀，為整機參數(shù)的設計提供參考；通過分析香蕉假莖抗剪切強度

3、的力學特性，為粉碎裝置的設計提供理論基礎。 （2）基于仿生學原理，模仿狼爪輪廓形態(tài)，優(yōu)化設計香蕉秸稈粉碎刀片的刀刃曲線；從運動學仿生角度出發(fā)，在充分研究狼爪收縮運動規(guī)律的基礎上，獲取狼爪運動曲線方程，將其應用在秸稈粉碎刀刀尖點運動軌跡設計上。 （3）田間試驗。制定試驗方法，以香蕉秸稈粉碎率、秸稈覆蓋率和生產(chǎn)率等試驗指標，利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS，結合正交試驗方案，通過極差和方差分析方法，確定機具結構參數(shù)與運動參數(shù)的最優(yōu)組合、分析各因素的交互影響。研究得到機具的重要參數(shù)的最優(yōu)組合為拖拉機前進速度為3m/s，粉碎刀輥轉速為1650 r/min，秸稈粉碎刀厚度為12 mm進行田間試驗，對應的試驗

4、指標分別為：秸稈粉碎率為90.6%，覆蓋率為90.5%。 關鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田；形態(tài)仿生；運動仿生；耦合仿生；正交試驗  Abstract Banana is one of the world's four major fruits, and it has a very important proportion in the international fresh fruit market. In China, bananas are mainly grown in tropical and subtropical regions such as Hainan, Yun

5、nan, Fujian, and Guangdong. Bananas are an economic crop and are of great significance to the economic construction and regional development of local rural areas. After the banana fruit is harvested, a large area of ??banana trees is left as agricultural waste. According to research, banana stalks a

6、nd leaves contain a large number of organic nitrogen, phosphorus, potassium and trace elements which are beneficial to banana growth. It is a natural source of organic fertilizer. If the banana tree is directly crushed and returned to the field after the banana is harvested, it can not only improve

7、the soil structure of the banana land, enhance the soil fertility, increase the banana yield, but also reduce the planting cost and improve the economic efficiency. At present, the domestic banana planting industry has a low degree of mechanization, and the supporting agricultural machinery is less

8、 and is in the stage of research and development optimization. Therefore, the current banana farmers’ treatment of banana trees is basically by self-deforestation into small sections and placed on the fields to rot themselves. This treatment not only pollutes the planting environment of the banana p

9、lantation, but also causes pests and diseases to bring hidden dangers to the banana plantation. With the increase of banana planting area, the treatment of banana straw waste has become a bottleneck restricting the development of the banana industry. Based on this, this paper combines theoretical an

10、alysis, virtual prototyping technology and orthogonal experiment to optimize and improve the vertical banana straw crushing and returning machine developed by Hainan University. The main research contents are as follows: (1) Using the methods of statistical analysis and field investigation to study

11、 the biological and mechanical properties of bananas. By analyzing the planting pattern, structure and shape of banana pseudostem, it provides reference for the design of the whole machine parameters. By analyzing the mechanical properties of banana pseudostem shear strength, it provides a theoretic

12、al basis for the design of the crushing device. (2) Based on the principle of bionics, imitate the contour shape of the wolf claw, optimize the design of the blade curve of the banana straw crushing blade; from the perspective of kinematics bionics, on the basis of fully studying the law of the con

13、traction movement of the wolf claw, obtain the equation of the curve of the wolf claw. It is applied to the trajectory design of the straw pulverizing knife. (3) Field trials. The test method was developed to determine the optimal combination of structural parameters and motion parameters of the im

14、plements by using the data processing software SPSS and the orthogonal test scheme by using the data processing software SPSS and the orthogonal test method to determine the optimal combination of the structural parameters of the implement and the motion parameters. Analyze the interaction of variou

15、s factors. The optimal combination of important parameters of the machine was obtained. The forward speed of the tractor was 3m/s, the speed of the crushing knife roller was 1650 r/min, and the thickness of the straw crushing knife was 12 mm. The corresponding test indexes were: straw crushing rate

16、At 90.6%, the coverage rate is 90.5%.  目錄 一、緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究的目的及意義 2 1.3 研究現(xiàn)狀 3 1.3.1 保護性耕種的現(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3.2 國外保護性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3.3 國內(nèi)保護性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.4 國內(nèi)外秸稈粉碎還田機 5 1.4.1秸稈粉碎還田機的分類 6 1.4.2國外粉碎還田機研究現(xiàn)狀 6 1.4.3國內(nèi)秸稈粉碎還田機現(xiàn)狀 7 1.4.4香蕉秸稈粉碎還田機研究現(xiàn)狀 7 1.4.5 仿生技術在農(nóng)業(yè)機械方面的應用 8

17、 1.5 課題研究的意義 9 1.6 課題研究的內(nèi)容、方法及技術路線 9 1.6.1課題來源 9 1.6.2課題研究的內(nèi)容 9 1.6.3課題的研究方法與技術路線 10 二、香蕉秸稈的生物特性及物理特性研究 12 2.1 香蕉莖稈的結構特點 12 2.2.香蕉秸稈的生物特性及利用方式 12 2.3香蕉的力學特性 13 2.3.1測試目的 13 2.3.2香蕉秸稈拉伸試驗 14 2.3.3香蕉假莖剪切應力的測定 15 2.4本章小結 15 三、整機及主要參數(shù)設計 16 3.1技術方案的確定 16 3.2 整機結構設計 16 3.3還田機作業(yè)寬度確定 18 3.

18、4 動力傳遞方式 18 3.5傳動比和轉速 18 3.6粉碎刀盤動力的計算與校核 19 3.7本章小結 19 四、秸稈粉碎刀構型仿生設計 20 4.1秸稈粉碎刀研究現(xiàn)狀 20 4.2 仿生秸稈粉碎刀的設計 21 4.2.1 仿生原型的選取 21 4.2.2 仿生擬合曲線獲取 22 4.2.3 狼爪輪廓曲線擬合函數(shù) 22 4.2.4 仿生秸稈粉碎刀的設計與加工 23 4.2.5 秸稈粉碎刀軸的設計 24 4.3 本章小結 25 五、基于狼爪運動仿生刀尖點運動軌跡設計 26 5.1 運動仿生研究依據(jù)分析 26 5.2 運動仿生研究 26 5.2.1 運動仿生模型建立

19、 26 5.2.2 運動仿生模型運動學分析 26 5.3 機具運動參數(shù)仿生設計 27 5.3.1刀片運動的速度和加速方程 27 5.4切割節(jié)距 27 5.5 粉碎裝置的喂入及排出量 28 5.6 防堵性能參數(shù) 29 5.7 本章小結 29 六、田間試驗 30 6.1 試驗條件 30 6.1.1試驗地土壤含水率測定 30 6.1.2香蕉假莖含水率測定 31 6.2 試驗指標測定 32 6.2.1 還田機工作效率 32 6.2.2 香蕉秸稈粉碎合格率 32 6.2.3 秸稈覆蓋率 33 6.2.4 刀軸所受扭矩和功耗 33 6.3 試驗設計 33 6.4

20、試驗結果與分析 34 6.4.1 SPSS軟件介紹 34 6.4.2 正交試驗 35 6.4.3試驗結果極差分析 36 6.4.4 試驗結果方差分析 37 6.5 本章小結 38 七、結論與展望 39 7.1 研究結論 39 7.2 創(chuàng)新點 39 7.3 存在的不足 40 參考文獻 41 碩士學位攻讀期間學術成果與參與項目 46 致謝 47  III 海南大學碩士學位論文 一、緒論 1.1 研究背景 香蕉是一種生長在熱帶地區(qū)的水果，因其生長周期較短、產(chǎn)量較高，在我國南方地區(qū)，如兩廣、云南、海南及福建地區(qū)廣泛種植，是我熱帶地區(qū)一種重要的經(jīng)濟作物（朱曉

21、闖，張喜瑞等，甘聲豹，2015）。具統(tǒng)計，2016年，香蕉收獲面積為490萬噸，全國香蕉種植面積為570萬畝，香蕉年產(chǎn)量為893萬畝，年產(chǎn)值高達246.7億元。海南位于我國華南地區(qū)，全面暖熱，其后溫和，為香蕉的生長提供了便利的條件。海南是我國香蕉種植大省之一，在2016年，海南香蕉收獲面積為38萬畝，種植面積為48萬畝，香蕉產(chǎn)量為125.62萬噸，產(chǎn)值達到了125.62億元（海南日報，2017）。因此，香蕉對于促進我國熱點地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，增加蕉農(nóng)經(jīng)濟收入有十分重要的意義。 香蕉是一種莖稈巨大的芭蕉科草本植物，主要由蕉葉、莖稈、球莖以及根系組成，成熟的香蕉植株可以長大3~6米，其葉片呈橢圓狀，長

22、約3~3.5m，寬約65m，位于莖稈頂端成簇生長，如圖1所示。香蕉秸稈是香蕉植株的重要組成部分，其橫截面積的半徑一般在10~20cm莖稈中含水率高，纖維含量主要集中在外層，秸稈的強度由外到內(nèi)逐漸減少，所以秸稈在橫截面積上很容易被折斷（劉歡國等2012；甘聲豹等，2015）。 香蕉果實收獲后，蕉園中留下的香蕉植株沒經(jīng)過合理的處理成為農(nóng)業(yè)廢棄物，由于我國在香蕉種植業(yè)機械化水平低，配套農(nóng)機具比較欠缺，大部分蕉農(nóng)選擇處理香蕉植株的方式主要是人工將其砍伐成小段置于蕉園地頭腐爛，少部分風干焚燒，產(chǎn)生大量有害氣體，污染環(huán)境，同時也會造成香蕉莖稈中大量有機物

23、白白浪費，（李粵，2016）。據(jù)不完全統(tǒng)計，秸稈中的有機質(zhì)含量約占到了其總量的15%，以目前我國60000萬噸/年的秸稈生產(chǎn)量來計算，僅秸稈中含有的氮、磷、鉀總量之和就達到了1070多萬噸/年，超過了我國現(xiàn)有化肥施用總量的四分之一（黃慧德等，2011）。若蕉園每畝種植2600香蕉，每株香蕉莖稈濕重已35kgJ計算，僅2016年我國香蕉秸稈產(chǎn)量就高達3800萬噸，如此大量的香蕉秸稈如果不進行妥善的處理，不僅會污染蕉園環(huán)境，影響蕉園更新，而且會滋生蟲害，危害來年香蕉成長，增加種植成本。因此，香蕉秸稈廢棄物的處理和利用是目前香蕉種植業(yè)上的一道難題。 我國極其重視對農(nóng)作物秸稈的利用和處理，尤其是小麥

24、，玉米，水稻等的秸稈處理和利用，目前糧食作物秸稈機械化處理已經(jīng)達到了很高的水平，大部分的糧食作物秸稈直接被粉碎還田，小部分的農(nóng)作物秸稈用于固體成型制成燃料，或者用纖維提取機將莖稈中的纖維提取出來作為工業(yè)原料等等，但對香蕉秸稈的利用率遠遠低于糧食作物的秸稈利用率，所以提高香蕉秸稈處理的機械化水平，對保護蕉園環(huán)境，提高蕉農(nóng)收入有重要影響。 1.2 研究的目的及意義 近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們由于過度開墾土地，砍伐森林和不合理的土壤耕作方式，使我國干旱地區(qū)降水量急劇減少的同時蒸發(fā)量也隨之增高，引起土質(zhì)沙漠化和水土流失，降低了土壤肥力，從而造成作物產(chǎn)量減少（李寶筏等，2002）。為了保護土地耕種

25、環(huán)境，我們必須擯棄以往的耕種方式，大力研發(fā)和發(fā)展新型保護性耕種方式來保護土地的耕種環(huán)境，改善土壤結構，防止營養(yǎng)物質(zhì)流失。保護性耕作的關鍵環(huán)節(jié)就是秸稈粉碎還田技術（劉曉亮，2012），農(nóng)作物秸稈經(jīng)還田機粉碎后覆蓋在土地表面上，可以減少土壤水分和肥力的流失，同時被粉碎的秸稈由于腐爛，秸稈中的有機物溶于土壤之中，增加了土壤中的有機質(zhì)，改善土壤物理結構，達到提高作物產(chǎn)量的效果。 香蕉秸稈廢棄物主要包括在地表上的假莖，蕉葉和地表下等根茬兩部分，在這些廢棄秸稈中含有大量的有機質(zhì)，以及氮、磷、鉀等香蕉生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的生物肥料，通過還田機將其推倒粉碎還田，被粉碎的香蕉假莖相對于粉碎前極大的加快

26、了假莖的腐爛速度，降低了蕉園中病蟲害的滋生率，同時秸稈中的有機物也能溶于土壤之中，增強土壤肥力，改善土壤結構，提高香蕉的產(chǎn)量，同時也降低蕉農(nóng)在種植過程的成本，增加將農(nóng)的經(jīng)濟收入。因為香蕉秸稈的生物特性不同于其它三大糧食作物，香蕉秸稈中含水率高，纖維含量高，導致現(xiàn)有常規(guī)秸稈粉碎還田機并不適合香蕉秸稈的粉碎還田，因此，研制一種針對香蕉假莖的特性的秸稈粉碎還田機來進行對香蕉假莖的粉碎工作。 1.3 研究現(xiàn)狀 1.3.1 保護性耕種的發(fā)展現(xiàn)狀 保護性耕作起源于美國，其主張在可持續(xù)發(fā)展的基礎上保護耕種環(huán)境，降低污染（楊忠國等，2016），不僅可以減少勞動量，節(jié)約時間和經(jīng)濟成本，還能增加土壤營養(yǎng)物質(zhì)

27、含量，增強土壤的可耕作性；鎖住土壤的水分，減少土壤侵蝕，提高水分利用率，從而達到增產(chǎn)增收，保護生態(tài)環(huán)境的目的。我國從2015年開始，連續(xù)8年將保護性工作技術寫入國家一號文件，大力研究和實施保護性耕作模式來保護耕地、發(fā)展可持續(xù)性農(nóng)業(yè)，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向（佟霞等，2010）。國內(nèi)外對保護性耕作的定義說法不一，外國學者以秸稈根茬粉碎后地表秸稈殘茬覆蓋量的多少為衡量標準（CTIC，2002），一般認為覆蓋率大于30%的為保護性耕作，覆蓋率在15%~30%的成為少耕，不屬于保護性耕作（張海林等，2005；秦紅靈，2007）。 1.3.2 國外保護性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 國外的保護性耕作發(fā)展比國內(nèi)要早

28、，其中北美洲、南美洲和澳洲的保護性耕地面積約是歐洲保護性耕作面積的 4 倍左右，美國、加拿大、澳大利亞等國家的保護性耕地面積約占總耕地面積的 60%以上，而歐洲國家大約占 15%，亞洲和非洲等國家相對更少（高煥文等，2008）。 20 世紀 30 年代，在美國的西部草原地區(qū)發(fā)生一場史上最為嚴重的“黑風暴”，風暴吹過的地方，房屋、土地以及水源被風暴中所帶的沙塵掩埋，千萬人民流離，經(jīng)濟損失巨大。這場風暴的產(chǎn)生使得美國人開始對傳統(tǒng)耕作方式進行深刻反思，同時開始對新型耕作模式進行積極探索，保護性耕作誕生于此時。在這80多年的時間內(nèi)，美國保護性耕種的發(fā)展大致可以分成三個階段。第一階段始于“黑風暴”災難發(fā)

29、生后，美國人對“黑風暴”產(chǎn)生的原因做了深刻的分析總結，發(fā)現(xiàn)風暴所帶的大量沙塵是被風暴卷起的泥土顆粒。土地的翻新，會使面積的泥土裸露在地表面，容易受到風蝕和水蝕?；诖?，開始對傳統(tǒng)的工作方式進行改良，提出少耕、免耕的耕種方式。第二階段從20世紀50年代開始，大量實驗證明，免耕技術對減少土壤侵蝕作用顯著，目前田間作業(yè)次數(shù)由 8 ~7 次減到 3~1次（涂建平等，2004）；免耕技術雖然可以減少土壤侵蝕，但是土地中的雜草、作物秸稈容易滋生病蟲害，降低作物產(chǎn)量，以此，又提出了作物輪作與秸稈還田的耕種方法。 20 世紀 80 年代，隨著農(nóng)機具的不斷發(fā)展，以及先進農(nóng)藥的研制與使用，保護性耕作模式得到飛速發(fā)

30、展。據(jù) CTIC 數(shù)據(jù) 顯示，美國在 2000 年采用保護性耕作的耕地面積占總耕地面積的 21%（王長生等， 2004；曹建軍，2006），到 2002 年同比增加 39%，保護性耕地面積達到 6769 萬 hm2， （李安寧等，2006）。 澳大利亞在20世紀70年底開始嘗試進行保護性耕作的研究與試驗，并于 80 年代開始大量的推廣。到 2002 年，保護性耕作耕地面積為 1460 萬 hm2，占耕地面積的73%，鏵式犁翻耕的傳統(tǒng)耕作模式完全被保護性耕作模式取代（常春麗等，2008）。 加拿大及南美的一些國家于 20 世紀 60 年代開始先后引進了保護性耕作技術，并進行相關的研究與試驗，從

31、而在農(nóng)作物耕作方面進行推廣。近幾年，繼保護性耕作理念提出后，國外又提出關于保護性農(nóng)業(yè)的理念（梁少華等，2015）。 1.3.3 國內(nèi)保護性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 我國國土遼闊，總面積在世界上排名第三，但干旱、半干旱土地的面積約占國土總面積的 52.5%（王志輝等，2009），是世界主要的干旱國家之一。我國旱地主要分布在秦嶺淮河的北部地區(qū)，旱地作物農(nóng)業(yè)種植面積約 3300 萬 hm2，土地干旱，使得土壤局部顆?；?，容易造成水土流失，降低土壤肥力，不能給農(nóng)作物的生長提供充足的養(yǎng)分和水分，造成農(nóng)作物產(chǎn)量降低，農(nóng)民經(jīng)濟減少，如果這種情況不能得到有效的控制，會使土地逐漸荒漠化，國有耕地面積減少，嚴重影響了

32、我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化、現(xiàn)代化和信息化發(fā)展 （關躍輝，2008），研究和發(fā)展保護性耕作技術可以有效的解決這些問題。中國對保護性耕種比國外發(fā)展較晚，20 世紀 60 年代初，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)領域的一些科研人員開始在國內(nèi)進行保護性耕作研究與試驗；到20 世紀 70 年代起，中國農(nóng)業(yè)科學院和部分高校開始進行秸稈殘茬覆蓋和少(免)耕等試驗研究，取 得較好的增產(chǎn)效果（張飛等，2004）； 20 世紀 80 年代開始，保護性耕作研究從旱地 農(nóng)業(yè)耕作體系向秸稈殘茬覆蓋和減少耕作發(fā)展。隨著研究的深入，到 90 年代后保護 性耕作技術在理論和試驗方面取得不錯的成績，并得到大規(guī)模的推廣，應用面積也 不斷增加。從2015年開

33、始，保護性耕種技術就連續(xù)8年別寫入中央的一號文件，2007 年，農(nóng)業(yè)部出臺《關于大力發(fā)展保護性耕作的意見》，這份意見標志著中國實施保護性耕作模式迎來一個新時代（王幸等，2014；劉文政等，2017）。因為有國家對保護性耕種技術認可和支持，在全國范圍內(nèi)保護性工作得到了大力發(fā)。2008-2014 年保護性耕作面積、機械化免耕覆蓋面積、以及機械化免耕播種面積變化趨勢如圖 2 所示（中國農(nóng)業(yè)機械化基于離散元法香蕉地仿生滅茬刀的設計與試驗 4 年鑒，2014）。由圖 2 可知，我國傳統(tǒng)的耕種方式逐年減少，機械化免耕播種、機械化覆蓋播種，保護性耕種的面積逐年增加。 保護性耕種技術雖然在我國取得了不錯的

34、成績，但是和國外保護性耕種技術比還存在一定的差距。我國地域?qū)拸V，各個地區(qū)的地勢地貌和生態(tài)環(huán)境種類繁多，差異較大，因此，也造成了我國保護性耕作技術在配套的農(nóng)機具上要求較高。 圖 2 2008-2014 年保護性耕作作業(yè)面積變化圖 1.4 國內(nèi)外秸稈粉碎還田機 1.4.1香蕉秸稈粉碎還田機的分類 香蕉秸稈粉碎還田機是實現(xiàn)香蕉植株粉碎還田的重要工具，根據(jù)目前對香蕉秸稈粉碎機器的研究，香蕉秸稈粉碎機器按照香蕉秸稈的喂入方式可以分為固定式粉碎機具和懸掛式粉碎機具（李玉萍，2008）。固定式香蕉秸稈粉碎還田機基本上是由電動機提供動力，所以機器不適合移動作業(yè)。所以，固定式香蕉秸稈粉

35、碎還田機在工作前需要人工將香蕉秸稈砍斷搬運至機器周盤，機器工作時也需要人工將香蕉秸稈送入機器的喂入裝置。固定式香蕉秸稈粉碎還田的這種喂入方式比較消耗人力物力，但是這種喂入方式機器在粉碎工作時只需切割香蕉秸稈，沒有外界因素干擾。懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機通過三點懸掛架裝置與拖拉機相連接，置于拖拉機尾端，經(jīng)萬向節(jié)將拖拉機的后輸出軸的動力傳給還田機，為還田機的粉碎裝置提供動力，在拖拉機的牽引下可以直接隨拖拉機進入蕉園進行粉碎工作。懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機相比固定式香蕉秸稈粉碎還田機可以節(jié)省人力物力，但是由于受蕉園地理環(huán)境的影響，懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機在工作時刀片不僅會切割香蕉秸稈，在遇上不平整的地段

36、，粉碎刀片會進入土壤，不僅曾加機器的功耗，而且會損傷刀片，降低機器的粉碎率。 懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機根據(jù)粉碎刀輥的位置又可以分為立式香蕉秸稈粉碎還田機和臥式香蕉秸稈粉碎還田機（朱良等，2010）。立式香蕉秸稈粉碎還田機的輸入動力一般經(jīng)變速箱直接垂直向下傳遞給粉碎刀輥，機器工作的主要對象是香蕉植株的秸稈，所以機器的粉碎裝置在安裝時刀片與地面會留一定的間隙，避免與土地接觸，因此，機器的整機結構比較簡單，工作時所消耗的動力較小，質(zhì)量較輕。臥式香蕉秸稈粉碎還田機在粉碎裝置后面一般帶有滅茬裝置，機器的輸入動力經(jīng)變速箱穿向機架兩端，在經(jīng)皮帶，帶輪將動力分別傳遞給粉碎裝置和滅茬裝置。臥式香蕉粉碎機工作時

37、不僅可以粉碎香蕉秸稈，同時也能破碎香蕉植株的根茬，將粉碎后的秸稈與土壤混合在一起；但是臥式香蕉秸稈粉碎還田機在工作時刀輥上容易雜草纏繞，而且滅茬刀需進土工作，機器消耗的功率也比較大（吳學尚，2014）。 1.4.2國外粉碎還田機研究現(xiàn)狀 秸稈粉碎技術在國外特別是在美國等發(fā)達國家，已經(jīng)發(fā)展的非常先進。美國從20世紀60年代就已經(jīng)開始研究發(fā)展秸稈粉碎裝置，他們不僅科學技術發(fā)達，農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)生量也非常大，但是這些大量的秸稈都被用來還田而不是焚燒廢棄，還田率非常高。 在美國，秸稈還田的不單單包括玉米等常見的大量需求的糧食作物，甚至連需求量小的作物秸稈也都實現(xiàn)還田。 在意大利，人們研制出的秸稈

38、還田的機器不僅種類多，適用性強，同時也具有較大的普遍通用性。不僅僅能用于農(nóng)作物秸稈的還田，同時還可作用于牧草等不同類型的作物的還田。 在澳大利亞，由于當時土地面積廣闊，因此當?shù)厝送ǔ２粚斩掃M行處理，任秸稈在田間腐爛，因此澳大利亞并不需要秸稈粉碎還田的機器。除此以外，在德國、西班牙、丹麥、日本等國家，也都研制出了適合自己國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況的秸稈粉碎還田的機器以及先進的刀片。 1.4.3國內(nèi)秸稈粉碎還田機現(xiàn)狀 雖然秸稈粉碎還田在國外發(fā)展的很早并且發(fā)展迅速，而我國的對于秸稈粉碎機器的研究卻起步很晚。同保護性耕作一樣，直至20世紀70年代，我國才意識到保護性耕作和秸稈還田的重要性，秸稈粉碎還田機

39、才被我國引進借鑒使用與開發(fā)。但是我國對于秸稈粉碎機器以及裝置的研究注重于玉米等作物的秸稈，有粉碎還田、滅茬還田、整株還田等各種處理秸稈的新產(chǎn)品機器。不僅如此，北方秸稈還田的程度要遠遠高于南方，因此北方的秸稈粉碎還田機器的先進性要遠遠高于南方。 香蕉秸稈相對于玉米等作物的秸稈，具有秸稈粗大且纖維含量高、含水量高、體積大、質(zhì)量重等特點，一般的秸稈粉碎還田機很難將香蕉秸稈粉碎然后進行還田。并且香蕉秸稈粉碎還田裝置在作業(yè)時，會出現(xiàn)切割力大，同時香蕉秸稈纖維容易纏繞在刀具上，降低工作效率，同時對刀具造成破壞，提高了生產(chǎn)的成本。因此香蕉秸稈粉碎還田機的發(fā)展在我國依舊處于一個相對弱勢的情況，大部分的蕉農(nóng)仍

40、然采用傳統(tǒng)的人力勞動對香蕉秸稈進行砍伐，然后任其自然腐爛，浪費了人力物力以及土地資源。由于香蕉種植的局限性，對于香蕉秸稈粉碎還田機器的研究也就主要集中在我國南方地區(qū)。 1.4.4香蕉秸稈粉碎還田機研究現(xiàn)狀 洛陽理工學院朱德榮等人研發(fā)的機器主要采用固定的粉碎刀來粉碎香蕉秸稈，同時采用立式與臥式相結合的雙刀輥的裝置，能夠一次性完成香蕉秸稈的切斷、粉碎與還田。但是由于此機器采用固定的刀片來完成粉碎過程，香蕉秸稈粉碎產(chǎn)生的力對刀具的影響較大且無法分散從而減小切削力，對刀片造成的傷害較大，減短了刀具壽命，提高了生產(chǎn)成本。除此之外，此裝置采用立式與臥式相結合的方式來對香蕉秸稈進行粉碎還田，但是由于傳動

41、系統(tǒng)配合不夠嚴密，傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定，導致機器工作時機身晃動，工作不穩(wěn)定，如若在地形較復雜的區(qū)域進行工作，不能夠百分百保證機器的穩(wěn)定性，以免造成傷害。 華南農(nóng)業(yè)大學李志偉等人制造出一種鋸齒形刀的香蕉秸稈粉碎裝置，采用兩根交錯在同一平面且成20度角的軸，軸上安裝鋸齒形刀片，工作時兩軸做相對運動，切碎香蕉秸稈。但是此裝置只能對已經(jīng)砍伐過的香蕉秸稈進行加工，處理成較細碎的秸稈段，不能直接進入田地對香蕉秸稈進行處理。這樣的處理方法增加了人工砍伐以及將切碎后的秸稈拋灑還田的時間，相比于其他的秸稈粉碎機器，不具有便捷提高效率等特性。 海南大學張喜瑞等人研制出的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機，采用螺旋

42、狀的刀片先對香蕉秸稈進行預切割，再由動力傳遞喂入給粉碎裝置（張喜瑞，2011）。粉碎裝置采用臥軸甩刀式，粉碎刀采用質(zhì)量較大的錘爪型粉碎刀。粉碎裝置工作時，刀具從由下至上切入秸稈，同時切斷的秸稈在下落過程中會再次碰到運轉的粉碎刀，將秸稈打碎，從而達到較好的粉碎結果。此裝置對秸稈的處理以及粉碎的效果較好，但是滾割喂入時，螺旋刀片的切削力隨著地形的改變而改變，隨著地形的不斷變化，有可能會出現(xiàn)切不斷或者浪費功率等情況，適用性有待進一步的加強。 廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所的張進疆等人研制的臥式香蕉秸稈粉碎還田機，采用Y型刀片和定刀組合的方式對香蕉秸稈進行粉碎。Y型刀片進行第一步的粉碎，然后秸稈碰撞到箱體上安

43、裝的定刀，從而進行第二步的粉碎工作，對香蕉秸稈的粉碎效果大大提高。但是這臺機器在設計前進時，傳動系統(tǒng)的設計左右兩端不平衡，機身不夠穩(wěn)定，影響了工作效率。 1.4.5 仿生技術在農(nóng)業(yè)機械方面的應用 我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，耕地面積廣闊，以傳統(tǒng)的耕種方式不僅需要消耗大量人力物力，而且工作強度高，工作效率低下。隨著科學技術的發(fā)展和大量實驗證明，以機械代替人工耕種既可以提高勞動生產(chǎn)率和土地出產(chǎn)率，也能降低工作強度，節(jié)約人力物力和成本，對促進地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。 農(nóng)業(yè)機械是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化的重要工具，農(nóng)業(yè)機械的設計方法對機器性能有直接的影響（張潤醴，2018），近些年來隨著仿生技術的發(fā)展，國內(nèi)

44、外學者開始將仿生技術運用于農(nóng)業(yè)機械的設計。海南大學的汝紹峰等人模仿螻蛄爪趾的形狀設計一種去除椰衣的仿生鋼絲輥刷（汝紹鋒，2018）；吉林大學工程仿生教育部重點實驗室的任露泉院士等人模仿螻蛄爪趾形態(tài)設計一種挖掘機斗齒，通過對比試驗證明仿生挖掘機斗齒比JL80斗齒減阻性能提升了11%（張琰等，2012）；模仿蜣螂頭部設計了一種非光滑犁壁（任露泉等2005），比普通35號鋼普通犁壁減阻性能高了6.6%~12.7%；佟金教授以蜣螂腹部為研究對象，設計了一種仿生鎮(zhèn)壓輥，并通過正交試驗分析得出鎮(zhèn)壓輥減阻性能的最佳參數(shù)；西安大學的龔皓暉等人模仿家鼠腳趾設計了一種仿生深松鏟，并就入土阻力做了限元模擬個土槽對比

45、試驗，結果證明在在相同條件下仿生深松鏟比JB/T 9788-1999深松鏟入土阻力更小，功耗減少了20.6%（龔皓暉等，2013）；江蘇大學李耀明教授等（李耀明等，2013）研究了油菜混合物與仿生篩面基體間的粘附特性，驗證了仿生非光滑篩面的減粘作用；南京工業(yè)大學工學院與信德農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院的郭俊、Muhammad Sohail Memon等根據(jù)鼴鼠前爪趾在挖土過程中有較低切削阻力和防粘減阻的功能特點設計一種秸稈粉碎鋸齒刀片（任露泉等，1990；郭俊等，2017），并在地表無秸稈覆蓋、地表50%覆蓋和地表100%秸稈覆蓋三種秸稈覆蓋情況下與國標刀做對比試驗，試驗結果證明在三種試驗條件下仿生刀

46、片的土壤破損率和秸稈粉碎質(zhì)量均優(yōu)于國標刀片。 以上只是仿生在農(nóng)業(yè)機械設計中的部分案例，仿生技術是以自然界中生物 形態(tài)、結構和功能為研究對象，有目的的去設計或改進舊的儀器設備，所以設計的產(chǎn)品性能有所提高，也為我們在設計過程中提供了思路與方法。 1.5 課題研究的意義 國外香蕉秸稈大都進行大面積的種植，所以發(fā)展的香蕉秸稈還田機器多為大型機器，作業(yè)面積大。而我國香蕉種植基本位于南方地區(qū)，南方地區(qū)多以山地、臺地等為主，同時農(nóng)田也都是小面積耕作的農(nóng)田。因此國外的大型機械并不適合我國，主要還是應該發(fā)展小型的秸稈粉碎機來進行工作。 大力發(fā)展香蕉秸稈還田機器，不僅是為了提高蕉農(nóng)的工作效率，減輕他們的勞

47、作強度，提高經(jīng)濟效益。同時秸稈還田也是保護性耕作技術非常重要的一部分，是我國當前形勢下，為了減少大氣污染，提升土壤肥沃程度，加快我國農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐的一項環(huán)境友好型技術。 1.6 課題研究的內(nèi)容、方法及技術路線 1.6.1課題來源 本課題來源于公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項—南方熱區(qū)香蕉秸稈還田技術技集成示范（201503136） 1.6.2課題研究的內(nèi)容 本論文主以海南地區(qū)香蕉假莖對象，在立式香蕉秸稈粉碎還田為基礎進行優(yōu)化、改進，提高機器的粉碎率和工作效率，研究的內(nèi)容主要包括以下三個方面： 研究內(nèi)容一：香蕉生物學與力學特性研究 運用統(tǒng)計學分析與實地調(diào)查的方法，研究香蕉的生物特性及力學特

48、性。通過分析香蕉假莖的種植方式、結構與形狀，為整機參數(shù)的設計提供參考；通過分析香蕉假莖抗剪切強度的力學特性，為粉碎裝置的設計提供理論基礎。 研究內(nèi)容二：立式香蕉秸稈粉碎還田機的設計 查閱資料并結合實際情況設計整機參數(shù)，利用三維建模軟件建立整機三維圖形，通過計算和仿真對整機的關鍵部件設計與校核。 主要內(nèi)容如下： （1）整機設計與結構參數(shù)的確定。設計一種立式香蕉秸稈粉碎還田機，實現(xiàn)一次性香蕉秸稈的全量粉碎。 （2）建立整機三維模型。運用solidWorks軟件對零部件進行三維建模，為機具加工做好準備。 （3）整機傳動方式的設計與校核。查閱資料，對比分析不同傳動方式的優(yōu)缺點，確定機器的傳

49、動方式，結合拖拉機動力輸出功率和香蕉秸稈的力學特性，對整機的動力進行校核。 （4）整機關鍵部件的設計與分析?；诜律鷮W原理，模仿狼爪輪廓形態(tài)，優(yōu)化設計香蕉秸稈粉碎刀片的刀刃曲線；從運動學仿生角度出發(fā)，在充分研究狼爪收縮運動規(guī)律的基礎上，獲取狼爪運動曲線方程，將其應用在秸稈粉碎還田機作業(yè)參數(shù)的設計上。 （5）田間試驗。制定試驗方法，以香蕉秸稈粉碎率、秸稈覆蓋率和生產(chǎn)率等試驗指標，利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS，結合正交試驗方案，通過極差和方差分析方法，確定機具結構參數(shù)與運動參數(shù)的最優(yōu)組合、分析各因素的交互影響。 1.6.3課題的研究方法與技術路線 在借鑒國內(nèi)外秸稈粉碎機械研究成果的基礎上，結合

50、香蕉植株的生長特性，結構性能等設計出合理的整機方案。借助SolidWorks等軟件對刀具系統(tǒng)進行平衡性能的分析與優(yōu)化，確定關鍵部件的主要結構參數(shù)，技術路線如圖3所示  二、香蕉秸稈的生物特性及物理特性研究 2.1 香蕉莖稈的結構特點 香蕉秸稈主要分為真莖和假莖兩部分。真莖由球莖和氣生莖組成，球莖主要生長在地表下方，形狀呈橢圓狀或塊狀，是為香蕉植株的生長提供養(yǎng)分和水分的中心；香蕉植株處于地表上方，莖稈內(nèi)含有大量的纖維和水分，是由螺旋狀的

51、葉鞘一層層緊密包裹在在一起形成的枝干，是香蕉秸稈還田的主要的工作對象。香蕉植株的葉片從假莖的中心開始一片片向著外部生長，新生的蕉葉在生長過程中會將老蕉葉向擠秸稈外圍，這就造成了香蕉秸稈的橫截面積比較大，形成了巨大的莖，直徑一般在 8~10 cm，高 3~6 m。（甘聲豹，2015；吳學尚等，2014；朱德榮等，2011），如圖4所示。香蕉植株的葉片較大，在香蕉假莖的頂端大約有 10~20 片成簇生長；蕉葉其形狀成橢圓形，長約 3~3.5 m，寬約 65 cm。香蕉莖稈中纖維含量和水分高，纖維在莖稈內(nèi)分布不均勻，主要是分布在莖稈的外層，所以莖稈容易被橫向截斷。因為莖稈比較粗壯，且莖稈中的纖維含量

52、和含水率較高，所以一般的還田機器并不適合對香蕉莖稈的還田作業(yè)。 香蕉秸稈葉鞘雖然表面光滑，但是在內(nèi)表皮含有大量的纖維素來增加厚度，同時外表皮木質(zhì)化，能夠起到保護作用，表皮處的維管束無木質(zhì)化細胞，其結構疏松。不僅如此，葉鞘在橫向上長度厚薄等都不一致，因此香蕉秸稈在橫向上易折斷。從成分上來分析，香蕉假莖主要成分是纖維類物質(zhì)，這類物質(zhì)被擊打成碎片的難度較高。因此設計一種立軸剪切式的香蕉秸稈粉碎還田機器，將對香蕉秸稈的擊打變?yōu)榧羟校芨行У膶崿F(xiàn)粉碎還田的目的。 2.2.香蕉秸稈的生物特性及利用方式 新鮮的香蕉秸稈粗大笨重且含水率極高，使其難以通過曬干焚燒

53、的方式直接在田間進行處理，且焚燒秸稈所帶來的有害氣體將對環(huán)境造成嚴重的污染，目前，蕉農(nóng)處理香蕉秸稈的方式主是將其砍成小段搬運至田間地頭任其腐爛，這種處理方式造成了人力與生物資源的極大浪費。據(jù)統(tǒng)計，香蕉秸稈中含有大量的纖維素和有機物，是一種營養(yǎng)豐富的生物資源，其中僅纖維素含量就占58.5%~76.1%，其余半纖維素含量占28.5%~29.9%，木質(zhì)素含量占4.8%~6.13%，水溶物含量占1.9%~2.6%，果膠含量占0.3%~1.0%，還包含少量的錳、鋅、鈣和多種維生素（劉國歡等，2012）。目前對香蕉秸稈的利用方式主要有直接還田、堆制有機肥料、纖維利用、資源化、飼料化和食用菌培養(yǎng)基六種方式（

54、陳石等，2012），直接還田和堆制有機肥料可以有效的將香蕉秸稈含有的有機物氮、磷、鉀融入土壤之中，不僅僅能改善土壤結構，增強土壤肥力，促進作物生長，而且變廢為寶，減少生產(chǎn)化肥投入，節(jié)約成本（Acuna P，1998）；香蕉秸稈中的纖維有機器提取和化學提取兩種方式，提取出的纖維在多個國家作為工業(yè)原料加工使用，其中紡織業(yè)居多，日本日清紡織公司就曾將香蕉纖維和棉以1:1的比例制成短褲面料，試驗發(fā)現(xiàn)該面料制成的短褲無論是吸濕性和膨松性還是涼爽感都比100%純棉面料制成的短褲好（梁冬等，2007），而且香蕉秸稈纖維提取過程中產(chǎn)生的秸稈渣還可以用于發(fā)酵生成沼氣，據(jù)歐陽忠等研究，每克秸稈渣干物在常溫下經(jīng)發(fā)酵

55、可產(chǎn)生0.27 L沼氣（歐忠慶等，2006），并且沼氣渣還能作為作物生長肥料使用；魏登山將香蕉秸稈和廢菌料按一定比例制成飼料給豬食用，結果表明豬的發(fā)育和生長速度都有所增快（魏登山，1995）；李青松等將香蕉秸稈作為食用菌培養(yǎng)基（李青松等，2009），結果表明用香蕉秸稈做的培養(yǎng)基能加快進菌絲的生長速度，而且產(chǎn)量有所提高。 綜上所述，香蕉秸稈是一種用途較廣的生物資源，但因生產(chǎn)條件限制，每年有大量的香蕉秸稈被當成農(nóng)業(yè)廢棄物丟棄在田間未有效利用而造成資源大量浪費。本文主要研究內(nèi)容是香蕉秸稈粉碎還田機的優(yōu)化設計，以粉碎直接還田的方式提高對香蕉秸稈的利用率。 2.3香蕉的力學特性 2.3.1測試目的

56、 我國在小麥、玉米等秸稈作物粉碎還田技術比對香蕉秸稈粉碎技術研究起步要早些，已研制出來一系列比較成熟的還田農(nóng)機具，但對香蕉秸稈的粉碎還處于探索、研發(fā)及優(yōu)化階段。香蕉假莖粗大且含水率高，且在徑向和軸向纖維分布結構和含水率各有不同，如果在設計機器時充分考慮香蕉假莖的生物特性和力學特性，僅僅以相關單位研制的小麥、玉米還田機作為參考設計機器，容易出現(xiàn)刀片磨損、變形、斷裂和粉碎效果不佳的情況（依秋，王濤等，2013）。所以測量香蕉秸稈的力學特性，為后續(xù)還田機的設計提供了理論重要理論依據(jù)和方向。 2.3.2香蕉秸稈拉伸試驗 選取“廣東香蕉1號”香蕉假莖為試驗材料，如圖5所示，粉碎試驗分為三組，每組三

57、個樣品。測試步驟如下：首先用游標卡尺測出樣本秸稈的長度a、厚以b及寬度c并記錄數(shù)據(jù)，在將樣本假莖固定在WE-100型萬能試驗臺上，然后通過萬能試驗臺對樣本假莖均勻施加載荷直至樣本秸稈斷裂，樣本假莖斷裂使我們可以從試驗臺顯示器上讀取到樣本假莖的拉升力E，通過計算可以得樣本秸稈的抗拉升強度。計算公式如下： （2-1） 式中：σ拉伸—新鮮香蕉假莖植株的抗拉強度，Mpa； F—剪切力，N； b—香蕉假莖試樣厚度； c—香蕉假莖試樣寬度。 由以上方法測得香蕉假莖剪切應力平均值為0.65Mpa

58、 表1. 萬能試驗機技術參數(shù) Table 1 The main technical index of Universal testing machine 技術參數(shù) 數(shù)值范圍 最大試驗力 0~50kN 試驗力相對誤差 ≤±1% 加持方式 自動夾緊 扁試樣加持厚度 0~15mm 扁試樣最大加持寬度 0~40mm 最小刻度值 0.1kN/格 2.3.3香蕉假莖剪切應力的測定 香蕉假莖剪切應力的設計同樣分三組試驗，每組三個試驗樣品，測試步驟如下：首先用游標卡尺測出樣本秸稈的長度a、厚以b及寬度c并記錄數(shù)據(jù)，再將樣本假莖固定在WE

59、-100型萬能試驗臺上，然后通過萬能試驗臺對樣本假莖均勻施加載荷直至樣本秸稈斷裂，樣本假莖斷裂是我們可以從試驗臺顯示器上讀取到樣本假莖的拉升力F，通過計算可以得樣本秸稈的抗拉強度。計算公式如下： （2-2） 式中：τ剪切—新鮮香蕉假莖的抗拉強度，MPa； F—剪切力，N； b—香蕉假莖試樣厚度； c—香蕉假莖試樣寬度。 由以上方法測得香蕉假莖拉伸應力平均值為1.28Mpa。 2.4本章小結 本章對香蕉假莖的生物結構特點進行了分析，針對香蕉假莖莖稈粗大、含水率高以及纖維分布等特點，提出剪切代替擊打

60、實現(xiàn)有效還田這一理論。同時，基于對香蕉假莖生物特性以及利用方式的探究，論述了傳統(tǒng)的香蕉秸稈處理方式所造成的資源浪費與環(huán)境污染，香蕉秸稈中含有的營養(yǎng)物質(zhì)可有效增加土壤肥力，促進有機質(zhì)的循環(huán)利用；直接還田、堆制有機肥料、纖維利用、資源化、飼料化和食用菌培養(yǎng)基等六種香蕉秸稈利用方式表明了秸稈生物質(zhì)資源循環(huán)利用具有較好的應用前景。通過對香蕉秸稈力學特性的研究，用萬能試驗機對香蕉假莖的抗拉伸和剪切的物理特性進行測試，分別測得剪切應力為0.65 Mpa，抗拉強度為1. 28MPa。這些測定數(shù)據(jù)為香蕉秸稈粉碎還田的粉碎機理和低功耗粉碎方式提供了重要的理論基礎。  三、整機及主要參數(shù)設計 3.1技術方

61、案的確定 本論文設計的立式對旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機已海南地區(qū)香蕉園內(nèi)的香蕉假莖為作業(yè)對象，設計主要功能是實現(xiàn)在對香蕉假莖的推倒、粉碎、鋪平等功能，所以整機在設計過程中要考慮一下五個因素 1. 要充分考慮香蕉的種植方式，生長環(huán)境，即農(nóng)藝結合 2. 還田機的設計適應性與實用性要強，在設計過程中要考慮香蕉假莖的外形，留茬高度，蕉園地面平整程度，刀具更換等 3. 立式對旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機在工作過程中，對香蕉假莖的推倒，粉碎、鋪平要連貫。 4. 盡量降低機器功耗。在我國華南地區(qū)，農(nóng)用拖拉機主要以小型拖拉機為主，因此拖拉機動力傳輸功率不高，所以要合理設計立式對旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田

62、機的各個部件，提高還田機的工作效率 5. 粉碎裝置是整個還田機的核心部件，所以粉碎裝置的設計實要用性強，粉碎率高。本文中粉碎裝置采用的是L形甩刀，密閉的粉碎腔和前后對轉的刀盤，可以實現(xiàn)對香蕉假莖的多次粉碎，提高粉碎效果 3.2 整機結構設計 運用SolidWorks實體設計軟件，繪制虛擬樣機，如圖6所示。 本文研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機主要由三點懸掛裝置、變速箱、傳動系統(tǒng)、假莖粉碎裝置、機架等組成立式香蕉秸稈粉碎還田機的相關技術見表2，秸稈粉碎還田機工作時，立式式香蕉秸稈粉碎還田機通過三點懸掛裝置與拖拉機相連，牽引還田機前進，拖拉機

63、后輸出軸輸出動力通過換向節(jié)將動力傳入還田機上端的變速箱，機架上端的動力輸出軸通過齒輪齒輪分別與前后階梯分布的粉碎裝置相連接，進而將動力傳遞給前后兩粉碎裝置，通過齒輪的外嚙合，實現(xiàn)兩粉碎裝置的正反轉，粉碎裝置刀盤的中心距離略大于刀盤長度的一半，這樣在在兩粉碎刀盤中間形成一個共同粉碎區(qū)域，位于這共同區(qū)域的香蕉假莖會受到相對方向剪切力的作用，提高粉碎效果。 表 2 立式香蕉秸稈還田機主要性能參數(shù) Table.2 Main technical parameters of returning machine with vertical type 參數(shù) 設計值 機具配套動力/kw 80 作業(yè)

64、速度/(ms–1) 1.39 整機質(zhì)量/kg 400 作業(yè)寬幅/mm 1600 粉碎刀輥轉速/(rmin–1) 1500 機架的研制與課題組已研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機稍有不同，已有立式香蕉秸稈粉碎還田機機架采用Q235號鋼板焊接而成，在變速箱兩測焊有兩條加固方形鋼管，機器田間作業(yè)時機具震動較大，長期工作機架容易變形，為了降低機器工作時機架震動劇烈而發(fā)生形變，在機架四周采用100ⅹ100x4方形鋼加固，且通過solidworks軟件分析模態(tài)分析后改進后機器作業(yè)過程中震動有較大改善，如圖7所示。 圖7 立式香蕉秸稈粉碎還田機機架 FI

65、G. 7 vertical banana straw crushing and returning machine frame 3.3還田機作業(yè)寬度確定 海南的香蕉種植方式為壟上種植，因此還田機作業(yè)時采用對壟作業(yè)（付乾坤等，2016）。作業(yè)寬度為 （3-1） 式中：——作業(yè)寬度，； ——壟寬，； ——壟距，； ——秸稈傾倒系數(shù)； ——香蕉秸稈平均高度， 經(jīng)過田間實地測量，香蕉地壟寬d為0.6m壟距s為0.3m，傾倒系數(shù)取0.1，香蕉秸稈平均高度為2.0m，

66、故作業(yè)寬度，考慮到機器的配套動力，取。 3.4 動力傳遞方式 立式香蕉秸稈粉碎還田裝置傳機的動力經(jīng)變速箱分兩路傳遞:一級粉碎裝置傳動系統(tǒng)和二級粉碎裝置傳動系統(tǒng)。一級粉碎動系統(tǒng)：動力由拖拉機后輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞給還田機上端的變數(shù)箱的輸入軸，動力輸入主動軸經(jīng)圓錐齒輪向下將動力傳遞給一級傳動軸（增速），再經(jīng)圓錐齒輪將動力向前傳動給二級從動軸（平速），最后再通過圓錐齒輪將動力傳遞給一級粉碎裝置：二級粉碎裝置沖動系統(tǒng)：動力由拖拉機后輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞給還田機上端的變數(shù)箱的輸入軸，動力輸入主動軸經(jīng)圓錐齒輪向下將動力傳遞給一級傳動軸（增速），再經(jīng)圓錐齒輪將動力向后傳動給二級從動軸（平速），最后再通過圓錐齒輪將動力傳遞給一級粉碎裝置。立式對旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機的傳動系統(tǒng)是經(jīng)變數(shù)箱將動力同時向前向后兩側傳遞。 3.5傳動比和轉速 課題組所擁有的拖拉機為雷沃歐豹M804型拖拉機（兩臺），拖拉機動力輸出軸轉速n1分別為，720r/min和1100r/min由于變速箱的傳動比為1:1.5增速，所以經(jīng)齒輪箱增速后最后傳遞到刀盤的轉速n1可以通過公式計算： n1=ni