基于耦合仿生机理立式香蕉秸秆粉碎还田机研制

基于耦合仿生机理立式香蕉秸秆粉碎 还田机研制 摘 要香蕉是世界四大水果之一，在国际鲜果市场上占有很重要的比重。在我国，香蕉主要种植在海南、云南、福建、两广等热带、亚热带地区，香蕉是一种经济作物，对当地农村的经济建设和地区发展有着十分重要的意义。香蕉果实收获后，留下大面积的香蕉树成为了农业废弃物。据研究表明，在香蕉茎秆、叶片中含有大量有利于香蕉生长有机物氮、磷、钾及微量元素，是一种天然的有机化肥源。如果在香蕉采摘完后利用农机具直接将香蕉树粉碎还田，不仅可以改善香蕉地土壤结构，增强土壤肥力，提高香蕉产量，而且可以减少种植成本，提高经济效率。目前国内香蕉种植业机械化程度较低，配套的农机具较少且处在研发优化阶段，所以当前蕉农对香蕉树的处理基本上是通过人工砍伐成小段搬置于田间地头自行腐烂，但这种处理方式不仅污染蕉园种植环境，而且会引发病虫害给蕉园带来隐患，而随着香蕉种植面积的增加，香蕉秸秆废弃物处理也成了一个制约香蕉产业发展的瓶颈问题。基于此，本文结合理论分析、虚拟样机技术和正交试验三种方法，对海南大学研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机的进行优化改进，主要研究内容为：（1）运用统计学分析与实地调查的方法，研究香蕉的生物特性及力学特性。通过分析香蕉假茎的种植方式、结构与形状，为整机参数的设计提供参考；通过分析香蕉假茎抗剪切强度的力学特性，为粉碎装置的设计提供理论基础。（2）基于仿生学原理，模仿狼爪轮廓形态，优化设计香蕉秸秆粉碎刀片的刀刃曲线；从运动学仿生角度出发，在充分研究狼爪收缩运动规律的基础上，获取狼爪运动曲线方程，将其应用在秸秆粉碎刀刀尖点运动轨迹设计上。（3）田间试验。制定试验方法，以香蕉秸秆粉碎率、秸秆覆盖率和生产率等试验指标，利用数据处理软件SPSS，结合正交试验方案，通过极差和方差分析方法，确定机具结构参数与运动参数的最优组合、分析各因素的交互影响。研究得到机具的重要参数的最优组合为拖拉机前进速度为3m/s，粉碎刀辊转速为1650 r/min，秸秆粉碎刀厚度为12 mm进行田间试验，对应的试验指标分别为：秸秆粉碎率为90.6%，覆盖率为90.5%。关键词：香蕉秸秆；粉碎还田；形态仿生；运动仿生；耦合仿生；正交试验AbstractBanana 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, Yunnan, 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 and 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 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 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 plantation, 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 analysis, 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 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 theoretical 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 contraction 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 implements 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 various 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 At 90.6%, the coverage rate is 90.5%.目录一、绪论11.1 研究背景11.2 研究的目的及意义21.3 研究现状31.3.1 保护性耕种的现发展现状31.3.2 国外保护性耕作发展现状31.3.3 国内保护性耕作发展现状41.4 国内外秸秆粉碎还田机51.4.1秸秆粉碎还田机的分类61.4.2国外粉碎还田机研究现状61.4.3国内秸秆粉碎还田机现状71.4.4香蕉秸秆粉碎还田机研究现状71.4.5 仿生技术在农业机械方面的应用81.5 课题研究的意义91.6 课题研究的内容、方法及技术路线91.6.1课题来源91.6.2课题研究的内容91.6.3课题的研究方法与技术路线10二、香蕉秸秆的生物特性及物理特性研究122.1 香蕉茎秆的结构特点122.2.香蕉秸秆的生物特性及利用方式122.3香蕉的力学特性132.3.1测试目的132.3.2香蕉秸秆拉伸试验142.3.3香蕉假茎剪切应力的测定152.4本章小结15三、整机及主要参数设计163.1技术方案的确定163.2 整机结构设计163.3还田机作业宽度确定183.4 动力传递方式183.5传动比和转速183.6粉碎刀盘动力的计算与校核193.7本章小结19四、秸秆粉碎刀构型仿生设计204.1秸秆粉碎刀研究现状204.2 仿生秸秆粉碎刀的设计214.2.1 仿生原型的选取214.2.2 仿生拟合曲线获取224.2.3 狼爪轮廓曲线拟合函数224.2.4 仿生秸秆粉碎刀的设计与加工234.2.5 秸秆粉碎刀轴的设计244.3 本章小结25五、基于狼爪运动仿生刀尖点运动轨迹设计265.1 运动仿生研究依据分析265.2 运动仿生研究265.2.1 运动仿生模型建立265.2.2 运动仿生模型运动学分析265.3 机具运动参数仿生设计275.3.1刀片运动的速度和加速方程275.4切割节距275.5 粉碎装置的喂入及排出量285.6 防堵性能参数295.7 本章小结29六、田间试验306.1 试验条件306.1.1试验地土壤含水率测定306.1.2香蕉假茎含水率测定316.2 试验指标测定326.2.1 还田机工作效率326.2.2 香蕉秸秆粉碎合格率326.2.3 秸秆覆盖率336.2.4 刀轴所受扭矩和功耗336.3 试验设计336.4 试验结果与分析346.4.1 SPSS软件介绍346.4.2 正交试验356.4.3试验结果极差分析366.4.4 试验结果方差分析376.5 本章小结38七、结论与展望397.1 研究结论397.2 创新点397.3 存在的不足40参考文献41硕士学位攻读期间学术成果与参与项目46致谢47III海南大学硕士学位论文一、绪论1.1 研究背景香蕉是一种生长在热带地区的水果，因其生长周期较短、产量较高，在我国南方地区，如两广、云南、海南及福建地区广泛种植，是我热带地区一种重要的经济作物（朱晓闯，张喜瑞等，甘声豹，2015）。具统计，2016年，香蕉收获面积为490万吨，全国香蕉种植面积为570万亩，香蕉年产量为893万亩，年产值高达246.7亿元。海南位于我国华南地区，全面暖热，其后温和，为香蕉的生长提供了便利的条件。海南是我国香蕉种植大省之一，在2016年，海南香蕉收获面积为38万亩，种植面积为48万亩，香蕉产量为125.62万吨，产值达到了125.62亿元（海南日报，2017）。因此，香蕉对于促进我国热点地区经济发展，增加蕉农经济收入有十分重要的意义。香蕉是一种茎秆巨大的芭蕉科草本植物，主要由蕉叶、茎秆、球茎以及根系组成，成熟的香蕉植株可以长大36米，其叶片呈椭圆状，长约33.5m，宽约65m，位于茎秆顶端成簇生长，如图1所示。香蕉秸秆是香蕉植株的重要组成部分，其横截面积的半径一般在1020cm茎秆中含水率高，纤维含量主要集中在外层，秸秆的强度由外到内逐渐减少，所以秸秆在横截面积上很容易被折断（刘欢国等2012；甘声豹等，2015）。 香蕉果实收获后，蕉园中留下的香蕉植株没经过合理的处理成为农业废弃物，由于我国在香蕉种植业机械化水平低，配套农机具比较欠缺，大部分蕉农选择处理香蕉植株的方式主要是人工将其砍伐成小段置于蕉园地头腐烂，少部分风干焚烧，产生大量有害气体，污染环境，同时也会造成香蕉茎秆中大量有机物白白浪费，（李粤，2016）。据不完全统计，秸秆中的有机质含量约占到了其总量的15%，以目前我国60000万吨/年的秸秆生产量来计算，仅秸秆中含有的氮、磷、钾总量之和就达到了1070多万吨/年，超过了我国现有化肥施用总量的四分之一（黄慧德等，2011）。若蕉园每亩种植2600香蕉，每株香蕉茎秆湿重已35kgJ计算，仅2016年我国香蕉秸秆产量就高达3800万吨，如此大量的香蕉秸秆如果不进行妥善的处理，不仅会污染蕉园环境，影响蕉园更新，而且会滋生虫害，危害来年香蕉成长，增加种植成本。因此，香蕉秸秆废弃物的处理和利用是目前香蕉种植业上的一道难题。我国极其重视对农作物秸秆的利用和处理，尤其是小麦，玉米，水稻等的秸秆处理和利用，目前粮食作物秸秆机械化处理已经达到了很高的水平，大部分的粮食作物秸秆直接被粉碎还田，小部分的农作物秸秆用于固体成型制成燃料，或者用纤维提取机将茎秆中的纤维提取出来作为工业原料等等，但对香蕉秸秆的利用率远远低于粮食作物的秸秆利用率，所以提高香蕉秸秆处理的机械化水平，对保护蕉园环境，提高蕉农收入有重要影响。1.2 研究的目的及意义近年来，随着经济的发展，人们由于过度开垦土地，砍伐森林和不合理的土壤耕作方式，使我国干旱地区降水量急剧减少的同时蒸发量也随之增高，引起土质沙漠化和水土流失，降低了土壤肥力，从而造成作物产量减少（李宝筏等，2002）。为了保护土地耕种环境，我们必须摈弃以往的耕种方式，大力研发和发展新型保护性耕种方式来保护土地的耕种环境，改善土壤结构，防止营养物质流失。保护性耕作的关键环节就是秸秆粉碎还田技术（刘晓亮，2012），农作物秸秆经还田机粉碎后覆盖在土地表面上，可以减少土壤水分和肥力的流失，同时被粉碎的秸秆由于腐烂，秸秆中的有机物溶于土壤之中，增加了土壤中的有机质，改善土壤物理结构，达到提高作物产量的效果。香蕉秸秆废弃物主要包括在地表上的假茎，蕉叶和地表下等根茬两部分，在这些废弃秸秆中含有大量的有机质，以及氮、磷、钾等香蕉生长所需要的营养物质，是优质的生物肥料，通过还田机将其推倒粉碎还田，被粉碎的香蕉假茎相对于粉碎前极大的加快了假茎的腐烂速度，降低了蕉园中病虫害的滋生率，同时秸秆中的有机物也能溶于土壤之中，增强土壤肥力，改善土壤结构，提高香蕉的产量，同时也降低蕉农在种植过程的成本，增加将农的经济收入。因为香蕉秸秆的生物特性不同于其它三大粮食作物，香蕉秸秆中含水率高，纤维含量高，导致现有常规秸秆粉碎还田机并不适合香蕉秸秆的粉碎还田，因此，研制一种针对香蕉假茎的特性的秸秆粉碎还田机来进行对香蕉假茎的粉碎工作。1.3 研究现状1.3.1 保护性耕种的发展现状保护性耕作起源于美国，其主张在可持续发展的基础上保护耕种环境，降低污染（杨忠国等，2016），不仅可以减少劳动量，节约时间和经济成本，还能增加土壤营养物质含量，增强土壤的可耕作性；锁住土壤的水分，减少土壤侵蚀，提高水分利用率，从而达到增产增收，保护生态环境的目的。我国从2015年开始，连续8年将保护性工作技术写入国家一号文件，大力研究和实施保护性耕作模式来保护耕地、发展可持续性农业，已成为现代农业发展的方向（佟霞等，2010）。国内外对保护性耕作的定义说法不一，外国学者以秸秆根茬粉碎后地表秸秆残茬覆盖量的多少为衡量标准（CTIC，2002），一般认为覆盖率大于30%的为保护性耕作，覆盖率在15%30%的成为少耕，不属于保护性耕作（张海林等，2005；秦红灵，2007）。1.3.2 国外保护性耕作发展现状 国外的保护性耕作发展比国内要早，其中北美洲、南美洲和澳洲的保护性耕地面积约是欧洲保护性耕作面积的 4 倍左右，美国、加拿大、澳大利亚等国家的保护性耕地面积约占总耕地面积的 60%以上，而欧洲国家大约占 15%，亚洲和非洲等国家相对更少（高焕文等，2008）。 20 世纪 30 年代，在美国的西部草原地区发生一场史上最为严重的“黑风暴”，风暴吹过的地方，房屋、土地以及水源被风暴中所带的沙尘掩埋，千万人民流离，经济损失巨大。这场风暴的产生使得美国人开始对传统耕作方式进行深刻反思，同时开始对新型耕作模式进行积极探索，保护性耕作诞生于此时。在这80多年的时间内，美国保护性耕种的发展大致可以分成三个阶段。第一阶段始于“黑风暴”灾难发生后，美国人对“黑风暴”产生的原因做了深刻的分析总结，发现风暴所带的大量沙尘是被风暴卷起的泥土颗粒。土地的翻新，会使面积的泥土裸露在地表面，容易受到风蚀和水蚀。基于此，开始对传统的工作方式进行改良，提出少耕、免耕的耕种方式。第二阶段从20世纪50年代开始，大量实验证明，免耕技术对减少土壤侵蚀作用显著，目前田间作业次数由 8 7 次减到 31次（涂建平等，2004）；免耕技术虽然可以减少土壤侵蚀，但是土地中的杂草、作物秸秆容易滋生病虫害，降低作物产量，以此，又提出了作物轮作与秸秆还田的耕种方法。 20 世纪 80 年代，随着农机具的不断发展，以及先进农药的研制与使用，保护性耕作模式得到飞速发展。据 CTIC 数据 显示，美国在 2000 年采用保护性耕作的耕地面积占总耕地面积的 21%（王长生等， 2004；曹建军，2006），到 2002 年同比增加 39%，保护性耕地面积达到 6769 万 hm2， （李安宁等，2006）。澳大利亚在20世纪70年底开始尝试进行保护性耕作的研究与试验，并于 80 年代开始大量的推广。到 2002 年，保护性耕作耕地面积为 1460 万 hm2，占耕地面积的73%，铧式犁翻耕的传统耕作模式完全被保护性耕作模式取代（常春丽等，2008）。 加拿大及南美的一些国家于 20 世纪 60 年代开始先后引进了保护性耕作技术，并进行相关的研究与试验，从而在农作物耕作方面进行推广。近几年，继保护性耕作理念提出后，国外又提出关于保护性农业的理念（梁少华等，2015）。 1.3.3 国内保护性耕作发展现状 我国国土辽阔，总面积在世界上排名第三，但干旱、半干旱土地的面积约占国土总面积的 52.5%（王志辉等，2009），是世界主要的干旱国家之一。我国旱地主要分布在秦岭淮河的北部地区，旱地作物农业种植面积约 3300 万 hm2，土地干旱，使得土壤局部颗粒化，容易造成水土流失，降低土壤肥力，不能给农作物的生长提供充足的养分和水分，造成农作物产量降低，农民经济减少，如果这种情况不能得到有效的控制，会使土地逐渐荒漠化，国有耕地面积减少，严重影响了我国农业的可持续化、现代化和信息化发展 （关跃辉，2008），研究和发展保护性耕作技术可以有效的解决这些问题。中国对保护性耕种比国外发展较晚，20 世纪 60 年代初，国内的农业领域的一些科研人员开始在国内进行保护性耕作研究与试验；到20 世纪 70 年代起，中国农业科学院和部分高校开始进行秸秆残茬覆盖和少(免)耕等试验研究，取 得较好的增产效果（张飞等，2004）； 20 世纪 80 年代开始，保护性耕作研究从旱地 农业耕作体系向秸秆残茬覆盖和减少耕作发展。随着研究的深入，到 90 年代后保护 性耕作技术在理论和试验方面取得不错的成绩，并得到大规模的推广，应用面积也 不断增加。从2015年开始，保护性耕种技术就连续8年别写入中央的一号文件，2007 年，农业部出台关于大力发展保护性耕作的意见，这份意见标志着中国实施保护性耕作模式迎来一个新时代（王幸等，2014；刘文政等，2017）。因为有国家对保护性耕种技术认可和支持，在全国范围内保护性工作得到了大力发。2008-2014 年保护性耕作面积、机械化免耕覆盖面积、以及机械化免耕播种面积变化趋势如图 2 所示（中国农业机械化基于离散元法香蕉地仿生灭茬刀的设计与试验 4 年鉴，2014）。由图 2 可知，我国传统的耕种方式逐年减少，机械化免耕播种、机械化覆盖播种，保护性耕种的面积逐年增加。 保护性耕种技术虽然在我国取得了不错的成绩，但是和国外保护性耕种技术比还存在一定的差距。我国地域宽广，各个地区的地势地貌和生态环境种类繁多，差异较大，因此，也造成了我国保护性耕作技术在配套的农机具上要求较高。图 2 2008-2014 年保护性耕作作业面积变化图 1.4 国内外秸秆粉碎还田机1.4.1香蕉秸秆粉碎还田机的分类香蕉秸秆粉碎还田机是实现香蕉植株粉碎还田的重要工具，根据目前对香蕉秸秆粉碎机器的研究，香蕉秸秆粉碎机器按照香蕉秸秆的喂入方式可以分为固定式粉碎机具和悬挂式粉碎机具（李玉萍，2008）。固定式香蕉秸秆粉碎还田机基本上是由电动机提供动力，所以机器不适合移动作业。所以，固定式香蕉秸秆粉碎还田机在工作前需要人工将香蕉秸秆砍断搬运至机器周盘，机器工作时也需要人工将香蕉秸秆送入机器的喂入装置。固定式香蕉秸秆粉碎还田的这种喂入方式比较消耗人力物力，但是这种喂入方式机器在粉碎工作时只需切割香蕉秸秆，没有外界因素干扰。悬挂式香蕉秸秆粉碎还田机通过三点悬挂架装置与拖拉机相连接，置于拖拉机尾端，经万向节将拖拉机的后输出轴的动力传给还田机，为还田机的粉碎装置提供动力，在拖拉机的牵引下可以直接随拖拉机进入蕉园进行粉碎工作。悬挂式香蕉秸秆粉碎还田机相比固定式香蕉秸秆粉碎还田机可以节省人力物力，但是由于受蕉园地理环境的影响，悬挂式香蕉秸秆粉碎还田机在工作时刀片不仅会切割香蕉秸秆，在遇上不平整的地段，粉碎刀片会进入土壤，不仅曾加机器的功耗，而且会损伤刀片，降低机器的粉碎率。悬挂式香蕉秸秆粉碎还田机根据粉碎刀辊的位置又可以分为立式香蕉秸秆粉碎还田机和卧式香蕉秸秆粉碎还田机（朱良等，2010）。立式香蕉秸秆粉碎还田机的输入动力一般经变速箱直接垂直向下传递给粉碎刀辊，机器工作的主要对象是香蕉植株的秸秆，所以机器的粉碎装置在安装时刀片与地面会留一定的间隙，避免与土地接触，因此，机器的整机结构比较简单，工作时所消耗的动力较小，质量较轻。卧式香蕉秸秆粉碎还田机在粉碎装置后面一般带有灭茬装置，机器的输入动力经变速箱穿向机架两端，在经皮带，带轮将动力分别传递给粉碎装置和灭茬装置。卧式香蕉粉碎机工作时不仅可以粉碎香蕉秸秆，同时也能破碎香蕉植株的根茬，将粉碎后的秸秆与土壤混合在一起；但是卧式香蕉秸秆粉碎还田机在工作时刀辊上容易杂草缠绕，而且灭茬刀需进土工作，机器消耗的功率也比较大（吴学尚，2014）。1.4.2国外粉碎还田机研究现状秸秆粉碎技术在国外特别是在美国等发达国家，已经发展的非常先进。美国从20世纪60年代就已经开始研究发展秸秆粉碎装置，他们不仅科学技术发达，农作物秸秆的产生量也非常大，但是这些大量的秸秆都被用来还田而不是焚烧废弃，还田率非常高。在美国，秸秆还田的不单单包括玉米等常见的大量需求的粮食作物，甚至连需求量小的作物秸秆也都实现还田。在意大利，人们研制出的秸秆还田的机器不仅种类多，适用性强，同时也具有较大的普遍通用性。不仅仅能用于农作物秸秆的还田，同时还可作用于牧草等不同类型的作物的还田。在澳大利亚，由于当时土地面积广阔，因此当地人通常不对秸秆进行处理，任秸秆在田间腐烂，因此澳大利亚并不需要秸秆粉碎还田的机器。除此以外，在德国、西班牙、丹麦、日本等国家，也都研制出了适合自己国家农业生产情况的秸秆粉碎还田的机器以及先进的刀片。1.4.3国内秸秆粉碎还田机现状虽然秸秆粉碎还田在国外发展的很早并且发展迅速，而我国的对于秸秆粉碎机器的研究却起步很晚。同保护性耕作一样，直至20世纪70年代，我国才意识到保护性耕作和秸秆还田的重要性，秸秆粉碎还田机才被我国引进借鉴使用与开发。但是我国对于秸秆粉碎机器以及装置的研究注重于玉米等作物的秸秆，有粉碎还田、灭茬还田、整株还田等各种处理秸秆的新产品机器。不仅如此，北方秸秆还田的程度要远远高于南方，因此北方的秸秆粉碎还田机器的先进性要远远高于南方。香蕉秸秆相对于玉米等作物的秸秆，具有秸秆粗大且纤维含量高、含水量高、体积大、质量重等特点，一般的秸秆粉碎还田机很难将香蕉秸秆粉碎然后进行还田。并且香蕉秸秆粉碎还田装置在作业时，会出现切割力大，同时香蕉秸秆纤维容易缠绕在刀具上，降低工作效率，同时对刀具造成破坏，提高了生产的成本。因此香蕉秸秆粉碎还田机的发展在我国依旧处于一个相对弱势的情况，大部分的蕉农仍然采用传统的人力劳动对香蕉秸秆进行砍伐，然后任其自然腐烂，浪费了人力物力以及土地资源。由于香蕉种植的局限性，对于香蕉秸秆粉碎还田机器的研究也就主要集中在我国南方地区。1.4.4香蕉秸秆粉碎还田机研究现状洛阳理工学院朱德荣等人研发的机器主要采用固定的粉碎刀来粉碎香蕉秸秆，同时采用立式与卧式相结合的双刀辊的装置，能够一次性完成香蕉秸秆的切断、粉碎与还田。但是由于此机器采用固定的刀片来完成粉碎过程，香蕉秸秆粉碎产生的力对刀具的影响较大且无法分散从而减小切削力，对刀片造成的伤害较大，减短了刀具寿命，提高了生产成本。除此之外，此装置采用立式与卧式相结合的方式来对香蕉秸秆进行粉碎还田，但是由于传动系统配合不够严密，传动系统不稳定，导致机器工作时机身晃动，工作不稳定，如若在地形较复杂的区域进行工作，不能够百分百保证机器的稳定性，以免造成伤害。华南农业大学李志伟等人制造出一种锯齿形刀的香蕉秸秆粉碎装置，采用两根交错在同一平面且成20度角的轴，轴上安装锯齿形刀片，工作时两轴做相对运动，切碎香蕉秸秆。但是此装置只能对已经砍伐过的香蕉秸秆进行加工，处理成较细碎的秸秆段，不能直接进入田地对香蕉秸秆进行处理。这样的处理方法增加了人工砍伐以及将切碎后的秸秆抛洒还田的时间，相比于其他的秸秆粉碎机器，不具有便捷提高效率等特性。海南大学张喜瑞等人研制出的滚割喂入式卧轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机，采用螺旋状的刀片先对香蕉秸秆进行预切割，再由动力传递喂入给粉碎装置（张喜瑞，2011）。粉碎装置采用卧轴甩刀式，粉碎刀采用质量较大的锤爪型粉碎刀。粉碎装置工作时，刀具从由下至上切入秸秆，同时切断的秸秆在下落过程中会再次碰到运转的粉碎刀，将秸秆打碎，从而达到较好的粉碎结果。此装置对秸秆的处理以及粉碎的效果较好，但是滚割喂入时，螺旋刀片的切削力随着地形的改变而改变，随着地形的不断变化，有可能会出现切不断或者浪费功率等情况，适用性有待进一步的加强。广东省农业机械研究所的张进疆等人研制的卧式香蕉秸秆粉碎还田机，采用Y型刀片和定刀组合的方式对香蕉秸秆进行粉碎。Y型刀片进行第一步的粉碎，然后秸秆碰撞到箱体上安装的定刀，从而进行第二步的粉碎工作，对香蕉秸秆的粉碎效果大大提高。但是这台机器在设计前进时，传动系统的设计左右两端不平衡，机身不够稳定，影响了工作效率。1.4.5 仿生技术在农业机械方面的应用我国是传统的农业大国，耕地面积广阔，以传统的耕种方式不仅需要消耗大量人力物力，而且工作强度高，工作效率低下。随着科学技术的发展和大量实验证明，以机械代替人工耕种既可以提高劳动生产率和土地出产率，也能降低工作强度，节约人力物力和成本，对促进地区农业发展具有重要的意义。农业机械是实现农业机械化的重要工具，农业机械的设计方法对机器性能有直接的影响（张润醴，2018），近些年来随着仿生技术的发展，国内外学者开始将仿生技术运用于农业机械的设计。海南大学的汝绍峰等人模仿蝼蛄爪趾的形状设计一种去除椰衣的仿生钢丝辊刷（汝绍锋，2018）；吉林大学工程仿生教育部重点实验室的任露泉院士等人模仿蝼蛄爪趾形态设计一种挖掘机斗齿，通过对比试验证明仿生挖掘机斗齿比JL80斗齿减阻性能提升了11%（张琰等，2012）；模仿蜣螂头部设计了一种非光滑犁壁（任露泉等2005），比普通35号钢普通犁壁减阻性能高了6.6%12.7%；佟金教授以蜣螂腹部为研究对象，设计了一种仿生镇压辊，并通过正交试验分析得出镇压辊减阻性能的最佳参数；西安大学的龚皓晖等人模仿家鼠脚趾设计了一种仿生深松铲，并就入土阻力做了限元模拟个土槽对比试验，结果证明在在相同条件下仿生深松铲比JB/T 9788-1999深松铲入土阻力更小，功耗减少了20.6%（龚皓晖等，2013）；江苏大学李耀明教授等（李耀明等，2013）研究了油菜混合物与仿生筛面基体间的粘附特性，验证了仿生非光滑筛面的减粘作用；南京工业大学工学院与信德农业大学农业工程学院的郭俊、Muhammad Sohail Memon等根据鼹鼠前爪趾在挖土过程中有较低切削阻力和防粘减阻的功能特点设计一种秸秆粉碎锯齿刀片（任露泉等，1990；郭俊等，2017），并在地表无秸秆覆盖、地表50%覆盖和地表100%秸秆覆盖三种秸秆覆盖情况下与国标刀做对比试验，试验结果证明在三种试验条件下仿生刀片的土壤破损率和秸秆粉碎质量均优于国标刀片。以上只是仿生在农业机械设计中的部分案例，仿生技术是以自然界中生物 形态、结构和功能为研究对象，有目的的去设计或改进旧的仪器设备，所以设计的产品性能有所提高，也为我们在设计过程中提供了思路与方法。1.5 课题研究的意义国外香蕉秸秆大都进行大面积的种植，所以发展的香蕉秸秆还田机器多为大型机器，作业面积大。而我国香蕉种植基本位于南方地区，南方地区多以山地、台地等为主，同时农田也都是小面积耕作的农田。因此国外的大型机械并不适合我国，主要还是应该发展小型的秸秆粉碎机来进行工作。大力发展香蕉秸秆还田机器，不仅是为了提高蕉农的工作效率，减轻他们的劳作强度，提高经济效益。同时秸秆还田也是保护性耕作技术非常重要的一部分，是我国当前形势下，为了减少大气污染，提升土壤肥沃程度，加快我国农业发展步伐的一项环境友好型技术。1.6 课题研究的内容、方法及技术路线1.6.1课题来源本课题来源于公益性行业（农业）科研专项南方热区香蕉秸秆还田技术技集成示范（201503136）1.6.2课题研究的内容本论文主以海南地区香蕉假茎对象，在立式香蕉秸秆粉碎还田为基础进行优化、改进，提高机器的粉碎率和工作效率，研究的内容主要包括以下三个方面：研究内容一：香蕉生物学与力学特性研究运用统计学分析与实地调查的方法，研究香蕉的生物特性及力学特性。通过分析香蕉假茎的种植方式、结构与形状，为整机参数的设计提供参考；通过分析香蕉假茎抗剪切强度的力学特性，为粉碎装置的设计提供理论基础。研究内容二：立式香蕉秸秆粉碎还田机的设计查阅资料并结合实际情况设计整机参数，利用三维建模软件建立整机三维图形，通过计算和仿真对整机的关键部件设计与校核。主要内容如下：（1）整机设计与结构参数的确定。设计一种立式香蕉秸秆粉碎还田机，实现一次性香蕉秸秆的全量粉碎。（2）建立整机三维模型。运用solidWorks软件对零部件进行三维建模，为机具加工做好准备。（3）整机传动方式的设计与校核。查阅资料，对比分析不同传动方式的优缺点，确定机器的传动方式，结合拖拉机动力输出功率和香蕉秸秆的力学特性，对整机的动力进行校核。（4）整机关键部件的设计与分析。基于仿生学原理，模仿狼爪轮廓形态，优化设计香蕉秸秆粉碎刀片的刀刃曲线；从运动学仿生角度出发，在充分研究狼爪收缩运动规律的基础上，获取狼爪运动曲线方程，将其应用在秸秆粉碎还田机作业参数的设计上。（5）田间试验。制定试验方法，以香蕉秸秆粉碎率、秸秆覆盖率和生产率等试验指标，利用数据处理软件SPSS，结合正交试验方案，通过极差和方差分析方法，确定机具结构参数与运动参数的最优组合、分析各因素的交互影响。1.6.3课题的研究方法与技术路线在借鉴国内外秸秆粉碎机械研究成果的基础上，结合香蕉植株的生长特性，结构性能等设计出合理的整机方案。借助SolidWorks等软件对刀具系统进行平衡性能的分析与优化，确定关键部件的主要结构参数，技术路线如图3所示二、香蕉秸秆的生物特性及物理特性研究2.1 香蕉茎秆的结构特点香蕉秸秆主要分为真茎和假茎两部分。真茎由球茎和气生茎组成，球茎主要生长在地表下方，形状呈椭圆状或块状，是为香蕉植株的生长提供养分和水分的中心；香蕉植株处于地表上方，茎秆内含有大量的纤维和水分，是由螺旋状的叶鞘一层层紧密包裹在在一起形成的枝干，是香蕉秸秆还田的主要的工作对象。香蕉植株的叶片从假茎的中心开始一片片向着外部生长，新生的蕉叶在生长过程中会将老蕉叶向挤秸秆外围，这就造成了香蕉秸秆的横截面积比较大，形成了巨大的茎，直径一般在 810 cm，高 36 m。（甘声豹，2015；吴学尚等，2014；朱德荣等，2011），如图4所示。香蕉植株的叶片较大，在香蕉假茎的顶端大约有 1020 片成簇生长；蕉叶其形状成椭圆形，长约 33.5 m，宽约 65 cm。香蕉茎秆中纤维含量和水分高，纤维在茎秆内分布不均匀，主要是分布在茎秆的外层，所以茎秆容易被横向截断。因为茎秆比较粗壮，且茎秆中的纤维含量和含水率较高，所以一般的还田机器并不适合对香蕉茎秆的还田作业。香蕉秸秆叶鞘虽然表面光滑，但是在内表皮含有大量的纤维素来增加厚度，同时外表皮木质化，能够起到保护作用，表皮处的维管束无木质化细胞，其结构疏松。不仅如此，叶鞘在横向上长度厚薄等都不一致，因此香蕉秸秆在横向上易折断。从成分上来分析，香蕉假茎主要成分是纤维类物质，这类物质被击打成碎片的难度较高。因此设计一种立轴剪切式的香蕉秸秆粉碎还田机器，将对香蕉秸秆的击打变为剪切，能更有效的实现粉碎还田的目的。2.2.香蕉秸秆的生物特性及利用方式新鲜的香蕉秸秆粗大笨重且含水率极高，使其难以通过晒干焚烧的方式直接在田间进行处理，且焚烧秸秆所带来的有害气体将对环境造成严重的污染，目前，蕉农处理香蕉秸秆的方式主是将其砍成小段搬运至田间地头任其腐烂，这种处理方式造成了人力与生物资源的极大浪费。据统计，香蕉秸秆中含有大量的纤维素和有机物，是一种营养丰富的生物资源，其中仅纤维素含量就占58.5%76.1%，其余半纤维素含量占28.5%29.9%，木质素含量占4.8%6.13%，水溶物含量占1.9%2.6%，果胶含量占0.3%1.0%，还包含少量的锰、锌、钙和多种维生素（刘国欢等，2012）。目前对香蕉秸秆的利用方式主要有直接还田、堆制有机肥料、纤维利用、资源化、饲料化和食用菌培养基六种方式（陈石等，2012），直接还田和堆制有机肥料可以有效的将香蕉秸秆含有的有机物氮、磷、钾融入土壤之中，不仅仅能改善土壤结构，增强土壤肥力，促进作物生长，而且变废为宝，减少生产化肥投入，节约成本（Acuna P，1998）；香蕉秸秆中的纤维有机器提取和化学提取两种方式，提取出的纤维在多个国家作为工业原料加工使用，其中纺织业居多，日本日清纺织公司就曾将香蕉纤维和棉以1:1的比例制成短裤面料，试验发现该面料制成的短裤无论是吸湿性和膨松性还是凉爽感都比100%纯棉面料制成的短裤好（梁冬等，2007），而且香蕉秸秆纤维提取过程中产生的秸秆渣还可以用于发酵生成沼气，据欧阳忠等研究，每克秸秆渣干物在常温下经发酵可产生0.27 L沼气（欧忠庆等，2006），并且沼气渣还能作为作物生长肥料使用；魏登山将香蕉秸秆和废菌料按一定比例制成饲料给猪食用，结果表明猪的发育和生长速度都有所增快（魏登山，1995）；李青松等将香蕉秸秆作为食用菌培养基（李青松等，2009），结果表明用香蕉秸秆做的培养基能加快进菌丝的生长速度，而且产量有所提高。综上所述，香蕉秸秆是一种用途较广的生物资源，但因生产条件限制，每年有大量的香蕉秸秆被当成农业废弃物丢弃在田间未有效利用而造成资源大量浪费。本文主要研究内容是香蕉秸秆粉碎还田机的优化设计，以粉碎直接还田的方式提高对香蕉秸秆的利用率。2.3香蕉的力学特性2.3.1测试目的我国在小麦、玉米等秸秆作物粉碎还田技术比对香蕉秸秆粉碎技术研究起步要早些，已研制出来一系列比较成熟的还田农机具，但对香蕉秸秆的粉碎还处于探索、研发及优化阶段。香蕉假茎粗大且含水率高，且在径向和轴向纤维分布结构和含水率各有不同，如果在设计机器时充分考虑香蕉假茎的生物特性和力学特性，仅仅以相关单位研制的小麦、玉米还田机作为参考设计机器，容易出现刀片磨损、变形、断裂和粉碎效果不佳的情况（依秋，王涛等，2013）。所以测量香蕉秸秆的力学特性，为后续还田机的设计提供了理论重要理论依据和方向。2.3.2香蕉秸秆拉伸试验选取“广东香蕉1号”香蕉假茎为试验材料，如图5所示，粉碎试验分为三组，每组三个样品。测试步骤如下：首先用游标卡尺测出样本秸秆的长度a、厚以b及宽度c并记录数据，在将样本假茎固定在WE-100型万能试验台上，然后通过万能试验台对样本假茎均匀施加载荷直至样本秸秆断裂，样本假茎断裂使我们可以从试验台显示器上读取到样本假茎的拉升力E，通过计算可以得样本秸秆的抗拉升强度。计算公式如下： （2-1）式中：拉伸新鲜香蕉假茎植株的抗拉强度，Mpa； F剪切力，N； b香蕉假茎试样厚度； c香蕉假茎试样宽度。由以上方法测得香蕉假茎剪切应力平均值为0.65Mpa表1. 万能试验机技术参数Table 1 The main technical index of Universal testing machine技术参数数值范围最大试验力050kN试验力相对误差±1%加持方式自动夹紧扁试样加持厚度015mm扁试样最大加持宽度040mm最小刻度值0.1kN/格2.3.3香蕉假茎剪切应力的测定香蕉假茎剪切应力的设计同样分三组试验，每组三个试验样品，测试步骤如下：首先用游标卡尺测出样本秸秆的长度a、厚以b及宽度c并记录数据，再将样本假茎固定在WE-100型万能试验台上，然后通过万能试验台对样本假茎均匀施加载荷直至样本秸秆断裂，样本假茎断裂是我们可以从试验台显示器上读取到样本假茎的拉升力F，通过计算可以得样本秸秆的抗拉强度。计算公式如下： （2-2）式中：剪切新鲜香蕉假茎的抗拉强度，MPa； F剪切力，N； b香蕉假茎试样厚度； c香蕉假茎试样宽度。由以上方法测得香蕉假茎拉伸应力平均值为1.28Mpa。2.4本章小结本章对香蕉假茎的生物结构特点进行了分析，针对香蕉假茎茎秆粗大、含水率高以及纤维分布等特点，提出剪切代替击打实现有效还田这一理论。同时，基于对香蕉假茎生物特性以及利用方式的探究，论述了传统的香蕉秸秆处理方式所造成的资源浪费与环境污染，香蕉秸秆中含有的营养物质可有效增加土壤肥力，促进有机质的循环利用；直接还田、堆制有机肥料、纤维利用、资源化、饲料化和食用菌培养基等六种香蕉秸秆利用方式表明了秸秆生物质资源循环利用具有较好的应用前景。通过对香蕉秸秆力学特性的研究，用万能试验机对香蕉假茎的抗拉伸和剪切的物理特性进行测试，分别测得剪切应力为0.65 Mpa，抗拉强度为1. 28MPa。这些测定数据为香蕉秸秆粉碎还田的粉碎机理和低功耗粉碎方式提供了重要的理论基础。三、整机及主要参数设计3.1技术方案的确定本论文设计的立式对旋剪切式香蕉秸秆粉碎还田机已海南地区香蕉园内的香蕉假茎为作业对象，设计主要功能是实现在对香蕉假茎的推倒、粉碎、铺平等功能，所以整机在设计过程中要考虑一下五个因素1. 要充分考虑香蕉的种植方式，生长环境，即农艺结合2. 还田机的设计适应性与实用性要强，在设计过程中要考虑香蕉假茎的外形，留茬高度，蕉园地面平整程度，刀具更换等3. 立式对旋剪切式香蕉秸秆粉碎还田机在工作过程中，对香蕉假茎的推倒，粉碎、铺平要连贯。4. 尽量降低机器功耗。在我国华南地区，农用拖拉机主要以小型拖拉机为主，因此拖拉机动力传输功率不高，所以要合理设计立式对旋剪切式香蕉秸秆粉碎还田机的各个部件，提高还田机的工作效率5. 粉碎装置是整个还田机的核心部件，所以粉碎装置的设计实要用性强，粉碎率高。本文中粉碎装置采用的是L形甩刀，密闭的粉碎腔和前后对转的刀盘，可以实现对香蕉假茎的多次粉碎，提高粉碎效果3.2 整机结构设计运用SolidWorks实体设计软件，绘制虚拟样机，如图6所示。本文研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机主要由三点悬挂装置、变速箱、传动系统、假茎粉碎装置、机架等组成立式香蕉秸秆粉碎还田机的相关技术见表2，秸秆粉碎还田机工作时，立式式香蕉秸秆粉碎还田机通过三点悬挂装置与拖拉机相连，牵引还田机前进，拖拉机后输出轴输出动力通过换向节将动力传入还田机上端的变速箱，机架上端的动力输出轴通过齿轮齿轮分别与前后阶梯分布的粉碎装置相连接，进而将动力传递给前后两粉碎装置，通过齿轮的外啮合，实现两粉碎装置的正反转，粉碎装置刀盘的中心距离略大于刀盘长度的一半，这样在在两粉碎刀盘中间形成一个共同粉碎区域，位于这共同区域的香蕉假茎会受到相对方向剪切力的作用，提高粉碎效果。表 2 立式香蕉秸秆还田机主要性能参数Table.2 Main technical parameters of returning machine with vertical type参数设计值机具配套动力/kw80作业速度/(ms1)1.39整机质量/kg400作业宽幅/mm1600粉碎刀辊转速/(rmin1)1500机架的研制与课题组已研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机稍有不同，已有立式香蕉秸秆粉碎还田机机架采用Q235号钢板焊接而成，在变速箱两测焊有两条加固方形钢管，机器田间作业时机具震动较大，长期工作机架容易变形，为了降低机器工作时机架震动剧烈而发生形变，在机架四周采用100100x4方形钢加固，且通过solidworks软件分析模态分析后改进后机器作业过程中震动有较大改善，如图7所示。图7 立式香蕉秸秆粉碎还田机机架FIG. 7 vertical banana straw crushing and returning machine frame3.3还田机作业宽度确定海南的香蕉种植方式为垄上种植，因此还田机作业时采用对垄作业（付乾坤等，2016）。作业宽度为 （3-1） 式中：作业宽度，； 垄宽，； 垄距，； 秸秆倾倒系数； 香蕉秸秆平均高度，经过田间实地测量，香蕉地垄宽d为0.6m垄距s为0.3m，倾倒系数取0.1，香蕉秸秆平均高度为2.0m，故作业宽度，考虑到机器的配套动力，取。3.4 动力传递方式立式香蕉秸秆粉碎还田装置传机的动力经变速箱分两路传递:一级粉碎装置传动系统和二级粉碎装置传动系统。一级粉碎动系统：动力由拖拉机后输出轴经万向节传递给还田机上端的变数箱的输入轴，动力输入主动轴经圆锥齿轮向下将动力传递给一级传动轴（增速），再经圆锥齿轮将动力向前传动给二级从动轴（平速），最后再通过圆锥齿轮将动力传递给一级粉碎装置：二级粉碎装置冲动系统：动力由拖拉机后输出轴经万向节传递给还田机上端的变数箱的输入轴，动力输入主动轴经圆锥齿轮向下将动力传递给一级传动轴（增速），再经圆锥齿轮将动力向后传动给二级从动轴（平速），最后再通过圆锥齿轮将动力传递给一级粉碎装置。立式对旋剪切式香蕉秸秆粉碎还田机的传动系统是经变数箱将动力同时向前向后两侧传递。 3.5传动比和转速课题组所拥有的拖拉机为雷沃欧豹M804型拖拉机（两台），拖拉机动力输出轴转速n1分别为，720r/min和1100r/min由于变速箱的传动比为1:1.5增速，所以经齿轮箱增速后最后传递到刀盘的转速n1可以通过公式计算： n1=ni