玉米秸秆还田混拌联合作业装备结构设计与优化

随着全球人口的不断增长和经济的持续发展，对粮食生产的需求也愈发迫切。传统的农业生产模式所带来的土地退化、水资源枯竭和化学肥料使用过量等问题给农业发展带来了极大的挑战。玉米秸秆粉碎还田是秸秆综合利用最直接的方式，将机收后的玉米秸秆用秸秆粉碎机切断打碎，再通过旋耕机械混拌至土壤中，使秸秆颗粒能够与土壤充分接触，秸秆还田均匀、快速腐烂，避免因秸秆腐烂不彻底影响播种和土壤压实。目前，常规的秸秆还田过程中不能一次完成秸秆粉碎-抛撒还田-旋耕混拌作业，需要分步骤更换机具，影响工作效率，同时，旋耕混拌装置受刀片结构及排布方式的影响，需要进行反复耕作以改善秸秆埋覆效果，不仅破坏土层结构，而且对刀具造成磨损，影响使用寿命。本项目通过理论分析、结构设计、仿真分析等方法，以改善玉米秸秆旋耕混拌质量为目的，设计一种可实现玉米秸秆精细粉碎、旋耕作业、土壤与秸秆充分混拌的联合整地装备，为后续播种作业奠定前期的整地基础。基于旋耕混拌装置作业机理以及刀具周向和轴向对土壤的相互作用机制，优化旋耕刀具结构设计和刀具排列布局，满足国家标准的前提下破碎土壤，增加土壤孔隙间隙，蓄水保墒的要求，实现玉米秸秆的二次粉碎及将粉碎后的秸秆与旋耕后的土壤进行充分混拌。

本项目以扩大大学生科学视野，提高大学生综合设计能力为出发点，立足于课程理论基础，通过参加创新研究活动，培养学生探索精神、创新设计与理论学习能力，使学生进一步掌握机械原理、机械设计、材料力学、三维建模等专业基础知识。在学生训练过程中，加强学生动手能力培养和工程实践训练，提高学生针对实际需求通过创新思维进行机械设计和工艺制作等实际工作能力，进而为学生将来走上工作岗位具备良好工作能力提供锻炼机会。本项目主要研究内容如下：

（1）结合田间碎秸秆的分布情况、秸秆的还田量要求等，根据实际的田间工况设计整机的传动系统、秸秆捡拾粉碎装置、旋耕混拌装置等，并对其进行合理的布局，实现一机多用，一次作业即可完成秸秆粉碎和埋覆，减少后续的作业成本。

（2）分析旋耕混拌刀片运动特性、曲线几何参数和工作参数，并对旋耕混拌刀片的结构进行改进，建立刀具数学模型，计算回转半径、折弯角、弯折半径等结构参数，优化旋耕刀刃口曲线以减小旋耕过程中土壤阻力的影响。

将两种或两种以上的耕作机械通过合理的方式结合到一起进行联合作业既可以发挥各机具的优势，也可以按照要求同时完成多项工序，相较单一功能的机具分段作业效率更高，并且可以减少拖拉机的下地次数，从而减少土壤压实的影响。 国外对联合耕整机的研究起步更早，技术上也相对更成熟。德国雷肯（LEMKEN）公司设计了Smaragd K 联合整地机，该机具由翼型深松铲、圆盘靶和镇压辊组成，工作幅宽可在 4~10 米的范围内调节，具有较好的灭茬整地的效果。丹麦禾沃（HE-VA）公司设计了 Triple-Tiller 整地机，该机具由深松铲、圆盘耙组成，可以有效的进行灭茬耕地作业。美国凯斯纽荷兰公司设计了凯斯Ecolo-Tiger 530C联合整地机，主要由两排不同方式排列的圆盘犁、深松铲、圆盘靶和镇压辊组成，可一次性完成灭茬、碎土、深松、镇压、平土作业，如图1所示。马斯其奥奇奥公司设计了DRACULA联合整地机，该机具由圆盘耙、深松铲、平土耙组成，可一次性进行灭茬、深松、秸秆埋覆、平土等作业，如图2所示。

           

            图1凯斯Ecolo-Tiger 530C联合整地机                          图2马斯其奥奇奥DRACULA联合整地机

近年来国家政策对保护性耕作扶持力度加大，借鉴国外的先进设备，经过不断的改进与完善，保护性耕作配套机具研发得到快速发展。郑侃等考虑深松部件和旋耕部件的相互作用后，优化设计了反旋深松联合作业耕整机，相较传统的深松旋耕机提高了秸秆埋覆效果。魏国粱等针对油菜秸秆埋覆效果差等问题，提出了采用犁耕和旋耕机联合作业，并将犁的结构参数进行优化。廖庆喜等为改善油菜田区的耕作效果，设计了驱动型犁旋联合耕整机，采用驱动犁在前，旋耕刀辊在后的结构，试验证明该机具具有较好的秸秆切碎及混埋能力。周华等人设计了秸秆还田深松旋埋联合耕整机，该机具利用深松铲先对土壤和秸秆进行破碎，再通过旋埋刀辊进行秸秆埋覆作业，对秸秆的埋覆性能优于传统的旋耕机。

（1）基于玉米秸秆碎混还田技术需求，提出玉米秸秆还田装置与旋耕混拌装置相结合的全新思路，实现玉米秸秆的田间精细化处理。该装备具有一机多用、节能降耗、提高经济性等特点。

（2）通过参数特性分析对旋耕弯刀进行结构优化，完成对土壤的破碎作业并将粉碎后的秸秆和破碎后的土壤进行充分混拌，降低工作能耗，为提高机具作业性能提供了新的技术手段。

（a）技术路线

 

图3 技术路线

（b）拟解决的问题

（1）旋耕刀片结构设计。明确旋耕刀具的运动方式和受力情况，优化设计刀具结构参数和空间排列布局，提升耕整土壤的工作效率、减小功率损耗，延长使用寿命是拟解决的主要关键问题。

（2）模型构建及优化。为了提高联合整地装备的适用性，整机结构设计过程中需要建立关键部件的设计模型并进行多次结构优化，同时装配时部件相互之间有可能产生干扰而影响整体布局也是拟解决的关键问题。

（c）预期成果

（1）提供相关研究报告1份；

（2）参加两项竞赛；

（3）省级学术期刊发表相关论文1篇。

2024.06 — 2024.09：研究并掌握相关农业工程及机械设计领域的相关知识和基本基本原理，借助网络资源和图书馆馆藏，广泛搜集并深入阅读各类数据、书籍和文献，并对收集到的信息进行全面的整合与梳理。

2024.10 — 2024.12：学生在指导老师的指导下，建立玉米秸秆碎混还田集成装备的理论模型，通过三维模型虚拟设计，验证结构的匹配性。

2025.01 — 2025.03：对旋耕混拌刀片进行参数调整，优化刀片回转半径、转弯角、弯折半径等，并优化刀片排布方式。

2025.04 — 2025.06：引导学生对收集到的资料进行系统的整理与分析，对所获得资料进行整合，完成项目调研报告并撰写项目论文。