秸秆快速还田机整体设计及三维建模

题目：秸秆快速还田机整体设计及三维建模
姓名：
班级学号：1008
指导教师：
摘要
秸秆是农作物的副产品，是一种可以利用的重要生物资源，合理的利用作物秸秆资源对因过度使用化肥和焚烧作物秸秆所带来的环境安全问题，有着积极而重要的意义。

在保持和改善生态环境、农业可持续发展的前提下，不断提高资源利用率、土地产出率。

秸秆机械还田是解决秸秆处理问题的有效途径之一。

目前，秸秆机械还田机具已成为我国农机近期研究的一个重要领域。

关于稻麦秸秆整株还田的机具研究目前还存在很多问题。

为了使水稻整株秸秆还田机具各部件的结构设计降低秸秆整株还田机具功率消耗，本文对秸秆还田机具的关键部件进行了优化设计。

本次新型秸秆整株还田机设计将解决部件缠草严重，可靠性低的问题；秸秆还田机功率消耗大的问题；秸秆还田后难以腐解问题。

黑龙江省作为水稻种植面积最大的省份，推广秸秆还田是改善土壤结构，提高土壤肥力，增产增收的有效途径；是促进粮食生产良性循环和建立现代化生态农业保障可持续发展的有利措施。

秸秆整株还田技术在简化结构、减少工序、节约成本等方面相对于粉碎还田具有一定的优势，能解决因秸秆粉碎还田不当带来的不良后果，如壅土、翻压质量不好、妨碍耕作、影响出苗等现象。

因此应该大力提倡稻草整株还田。

秸秆整株还田机可以作为大中型联合收割机的主要配套机具，同时完成整株还田和旋耕作业，实现一机多用。

机具进行反转作业，加大了深耕，有利于秸杆还田，实现增加土壤有机质的目的，满足了当今农艺深耕、松土的要求。

关键词秸杆还田快速腐解还田机
毕业论文（设计）用纸
Abstract
Today，treatment of stubble has become a prominent problem in agricultural production。

After harvest，a large number of stubble in the fields hindered the smooth progress of the next cropping，and this stubble biomass resources with higher heating value are not fully utilized。

For the current treatment of maize stubble and the tense energy situation，proposed development of the roots and soil gleaning device of stubble is of great significance。

This article shows a deep study of the theory on reducing excavating resistance 、
low-power excavating technology with the methods of theoretical analysis、experimental research and computer simulation。

For the target of low power consumption、to ensure the integrity of root stubble，Wedge excavating shovel and picking up wheel components are designed。

According to the study of corn root stubble growth characteristics、distribution pattern in spatial space and root soil composite mechanical properties，the structure parameters of corn stubble is offered and the main structure parameters for the shovel is determined。

The finite element model of shovel is established。

Also relative motion trajectory for the tip of picking up wheel finger is analyzed，and picking characteristics of the stubble，casting stubble performance and condition is studied。

Through understanding and analyzing the plow surface，drawing the plow surface design concept，designed the trash rack device to set stubble。

This paper analyzes the physical characteristics of stubble and its harvest technology。

According to the design requirements，it determined overall structure，transmission line，and its work flow]1[。

Keywords soil joint machine of soil preparation harvest stubble gleaning device
毕业论文（设计）用纸
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第 1 章绪论 (1)
1.1设计的背景及实际意义................................................................ 错误!未定义书签。

1.2 秸秆还田机及其机具的国内外发展现状. (1)
1.2.1 秸秆还田……………………………………………………………………………1.2.2国内发展现状及趋势………………………………………………………………。

1.2.3国外发展现状及趋势………………………………………………………………。

1.3发展进展及待解决的问题............................................................ 错误!未定义书签。

1.4设计内容及设计路线 (2)
第 2 章秸秆还田机总体设计........................................................... 错误!未定义书签。

2.1拖拉机功率的选择........................................................................ 错误!未定义书签。

2.2还田机工作参数的选择 (12)
2.2.1 影响功率消耗的因素 (12)
2.2.2 参数选择 (12)
3.1 机具总体设计.......................................................................................。

第 3 章秸秆还田机关键部件优化设计 (19)
3.1主要工作部件优化设计 (19)
3.2刀辊部件优化设计 (20)
2.3.1 刀轴机构设计 (14)
2.3.2 刀轴强度校核............................................................................................ 错误!未定义书签。

2.3.3 刀片结构设计…………………………………………………………………………………
2.3.4 刀片的排列……………………………………………………………………………………
3.3梳理装置优化设计………………………………………………………………………………
3.4喷药装置…………………………………………………………………………………………
第 4 章总结与展望 (35)
参考文献 (36)
致谢 (38)
附录1 译文............................................................................................ 错误!未定义书签。

附录2 英文原文.................................................................................... 错误!未定义书签。

第 1 章绪论
1.1 设计的背景及实际意义
作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物质资源。

据不完全估计，全世界每年可生产近20亿t的秸秆。

中国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一。

据中国农科院区划所有关课题组调研分析，我国每年约有6。

2亿吨秸杆，其中水稻秸杆1。

8亿吨，小麦秸杆1。

1 吨，其总量相当于北方草原打草量的60倍，共含氮300多万吨，含磷70多万吨，含近700万吨，相当于我国化肥总产量的1/4还多(秦天斐，2004)。

每当收获季节，广大农民为赶农时，抢播种，图省事，大量的秸秆没有被利用，就被地焚烧，其结果不仅浪费农业资源，燃烧的秸秆产生大量有害气体，这不仅浪费了生物资源，而且严重地污染环境，造成公害。

焚烧秸秆已成为困扰我国农业生产和环保的一大难题。

同时长期以来，我国大部分农田由于长时间以来耕作方式单一，使土壤底部形成了坚硬的犁底层，加之多年不施用农家肥，以及大量使用化肥，导致土壤有机质急剧下降。

中国化肥施用总量从1949年的0。

6万t(纯养分)增加到2004年的4836。

7万t，单位面积的化肥施用量从1952年的0。

75kg/ha增加到2001年的犯7。

okg/ha(曾希柏，李菊梅，2004)。

据国家统计局统计，2004年，全国平均化肥施用量达208。

5kg/ha，超出世界平均水平94。

55kg/ha一倍多。

全国耕地有机质平均含量为1。

8%，致使农作物减产或产量不稳，不利于可持续农业和生态农业的发展。

秸秆直接还田，可就地取材，广开有机肥源，变废为宝，是充分利用秸秆资源的有效途径之一。

秸秆还田还可以改善土壤结构，提高土壤肥力，减少化肥施用量，增产增收，促进粮食生产良性循环。

(吴官聚等，2002)
秸秆还田能改善土壤的团粒结构和理化性状(夏萍等，2001)。

作物秸秆富含纤维素、木质素等富碳物质，它是形成土壤有机质的主要来源，因而秸秆还田有利于更新和增加土壤有机质。

秸秆在耕翻入土之后，在分解过程中进行矿质化，释放养分，同时进行腐殖质化，使一些有机质化合物缩合脱水，形成更复杂的腐殖质，从而改善了土壤的结构及保水、吸水、粘结、透气、保温等性状，提高了土壤本身调节水、肥、温、气的能力。

土壤有机质含量增加，养分结构趋于合理，可使其容重降低，土质疏松，通透性提高，犁耕比阻减
小。

实践证明：秸秆还田后，土壤中氮、磷、钾养分都有所增加，尤其是速效钾的增加最明显。

秸秆中有机质的含量平均为15%左右。

据测定，湿玉米秸秆含氮量为0。

61%，含磷量为0。

27%，含钾量为2。

28%，如果每亩地还田秸秆1000kg，则可增加有机质150kg。

每亩地一年若还田鲜玉米秸秆1250kg，则相当于4000kg土杂肥的有机质含量，含氮、磷、钾相当于18。

75kg碳氨、10kg过磷酸钙和7。

65kg硫酸钾，同时还能补充其它多种营养元素(董佑福等，2003)。

特别是1998一2001年在黑龙江省新华、八五六、八五八、大兴、查哈阳等农场及黑龙江省农垦科学院水稻研究所示范的稻草全量还田，累计应用面积6。

7万hm2，土壤有机质提高0。

2个百分点，土壤容重下降0。

042g/cm3，土壤理化性质得到改善，肥力提高。

水稻产量8008。

5 kg/ha，增产10。

3%;化肥用量减少45一90kg/ha，节肥10%一15%，其培肥地力、增产、节肥效果非常显著。

(慕永红，2003)
大量研究证明，秸秆还田能够有效增加土壤有机质含量，改良土壤、培肥地力特别对缓解氮、磷、钾比例失调的矛盾，弥补磷、钾不足有重要意义。

在现代农业条件下，通过秸秆机械化全量还田，可以增加作物产量，杜绝了焚烧现象，减少了对环境的污染。

所以大力开展机械化秸秆全量还田机具的研究与开发对我国农业的发展具有特别重要的意义。

1.2 秸秆还田及其机具的国内外发展现状
1.2.1秸杆还田
秸秆还田从还田形式上可分为间接还田、生化腐熟快速还田、直接还田。

l)间接还田技术包括堆沤还田、烧灰还田、过腹还田、生化腐熟快速还田、菇渣还田和沼渣还田。

秸秆堆沤还田也称高温堆肥，是解决我国当前有机肥源短缺的主要途径。

它是利用夏季高温季节把秸秆堆积，采用厌氧发酵沤制，其特点是时间长、受环境影响大，劳动强度高，产量小但成本低廉。

现已发展到推广应用催腐剂、酵素剂等堆沤秸秆，缩短了沤制时间。

烧灰还田是将秸秆焚烧成灰而还田，操作简单方便，碳酸钾含量丰富，但易污染空气，损失大量能源和碳、氮、磷，故一般很少采用。

过腹还田是一种效益很高的秸秆利用方式。

秸秆经过青贮、氨化、微贮处理，饲喂畜禽，过腹排粪还田，提高秸秆的经济价值，形成粮食一秸秆一饲料一牲畜一肥料一粮食的良性循环。

未经处理的秸秆饲料利用率低，耗量小。

菇渣还田是指秸秆可作为菇类的培养料，故将秸秆生产菇类后剩下的菇渣还田，其营养丰富，可减少化肥用量，但菇渣产量小，所消耗的秸秆量有限。

沼渣还田是因为秸秆可以发酵制沼，故沼渣还田是优质的有机肥：但因沼渣产量小，生
产周期长，劳动强度大，也不常用。

2)生化腐熟快速还田
该技术有3种还田方式，即催腐堆肥技术、速腐堆肥技术和酵腐堆肥技术。

其特点是用高新技术进行菌种的培养和生产，用现代化设备控制温度、湿度、数量、质量和时间，经机械翻抛、高温堆腐、生物发酵等过程，将秸秆转化成优质的有机肥，具有自动化程度高、腐熟周期短、产量高、采用好氧发酵环境无污染，肥效高等优点。

但优良微生物复合菌种和化学制剂筛选困难;操作条件需严格控制：秸秆需严格预处理且设各成本和运行费用较高。

3)直接还田
该技术包括覆盖栽培还田、粉碎还田和整秆还田。

秸秆覆盖栽培还田是利用整秆覆盖机，将摘穗后直立于田间的秸秆，按照一定的规律编压覆盖在作物的行间，起到秸秆还田与蓄水保墒共举的目的，这种方法特别适用于降雨量很少的旱地。

并且这种方法和机械化整秆还田方式都具有减少一次粉碎程序、保持秸秆水份、降低生产费用等优点。

目前，我国北方的覆盖栽培技术己在很多地方，如河北、黑龙江、山西等，大面积推广应用。

粉碎还田包括各类作物的秸秆粉碎和根茬粉碎(主要是玉米根茬)机械化技术;粉碎还田能加速秸秆在土壤中腐解，易被土壤吸收，可改善土壤的团粒结构和理化性能，增加土壤肥力，促进作物持续增产增收，粉碎秸秆根茬还田机还可集粉碎、旋耕和灭茬为一体，减化作业程序。

整秆还田是用机械将田间直立的作物秸秆整秆翻埋或平铺为覆盖栽培。

机械还田是一项高效、省工、省时的有效措施，易被接受和推广。

根茬是残留在收获后土壤中的作物根茎，属于农业废弃物，但随着现今农业技术的发展，这些类似废弃物已经可以达到变废为宝的程度，正如本课题的意义。

可将废弃根茬通过捡拾器拾起，收集起来并将其转化成固态、液态及气态燃料，又可作为饲料、建筑材料和养殖食用菌等工农业生产的原料。

另外，还可对其燃烧后的灰分进行再循环利用，生产加工生物质钾肥等系列农作物复合肥料，能够取得良好的效果]10[。

研制玉米根茬收获机进行根茬收获，可以提高播种机的通过性和播种质量，创造无根茬的良好的种床条件，有利于种子生长发芽，提高农作物产量。

对根茬捡拾机构的研究与设计是根茬收获的关键环节，对根茬回收利用具有重大的意义。

1.2.2国内发展现状及趋势
1.2.2.1国内研究现状
从70年代末开始，我国农机化工作者在引进国外农业科研成果的基础上，先后研究开发出了秸秆、根茬粉碎还田和整秆还田的机械化技术和各种机具。

目前大量应用的多是完成单一粉碎作业的卧式秸秆粉碎还田机。

例如：IGx一2型旋耕灭茬机，4JQ一200型秸秆切碎还田机，FGL一140型秸秆还田旋耕机。

虽然秸秆还田机械种类较多，但是对它们的理论研究甚少，技术多半停留在较低水平上，致使进一步的开发研究比较盲目，对其结构参数、运动参数和动力参数的配置与选择缺乏较充分理论和试验依据。

此机型粉碎玉米秸秆效果较理想，而粉碎小麦、水稻秸秆的效果尚不理想，尚在改进之中。

我国的秸秆还田机具除已有的卧式粉碎机外，近年来又开发了以灭茬为主的立式圆盘切割粉碎机。

成熟的机型主要有石家庄市农业机械厂生产的4Q系列秸秆切碎还田机和架城第二机械厂生产的4F系列秸秆粉碎机。

现有机具性能基本能够满足农艺要求，但都不同程度地存在一定的问题。

主要问题是秸秆还田的机械化程度还比较低和技术成熟度不高。

例如：常用的正转旋耕机灭茬不彻底，碎土率低，秸秆不能充分掩埋和覆盖，不能较好地实现稻麦秸秆还田的农艺要求。

1980年之前大田里使用的旋耕机主要是正转旋耕机。

近年来，随着大中型联合收割机在收割季节己形成由南向北的收割态势，反转旋耕机作为其主要配套耕作机具得到了迅速发展。

联合收割机收割后，地表留茬高度一般为30cm左
右，秸杆还田己成为改善土壤有机质、提高土壤肥力的重要措施。

反转旋耕机耕作时，旋耕刀从沟底向地表切割土壤，土壤毁于拉，功耗较小，同时土块和留茬通过刀轴上方向后方抛出，撞击旋耕机后方的栅栏后，留茬在栅栏内落地，小土块通过栅栏间隙覆盖在留茬上，形成耕后埋茬的土壤。

现在大田里广泛使用的是反转旋耕机。

如连云港旋耕机厂和上海松江农机厂都以生产反转旋耕机为主，同时也生产刀辊可调整的正反转旋耕机。

近年来，各科研、生产单位正在积极研究、开发与中小型联合收割机配套的秸秆切碎装置(机)，但使用情况还不能令人满意。

例如用于配置新疆一2型等中型小麦联合收割机的切碎装置，当小麦单产较低时，作业效果尚好，而单产超过4500kg/hmZ时，其效果较差。

目前实际使用不多。

而水稻联合收获机方面，我国目前引进日本半喂入履带机型，如日本久保田PRO481等，均配有切碎装置，而我国生产量较多的履带式自走全喂入水稻收获机则无此装置，不能实现水稻秸秆的切碎还田。

综上所述，我国关于秸秆还田机械技术的研究与开发，其主要取向还停留在秸秆切碎还田机械化技术上，结构单一，使用性较差。

旋耕反转作业己经成为了旋耕方式的主流。

简单适用的整秆还田机械化技术研究成果极少，特别是适合水稻整株还田的机具更少。

1.2.2.存在问题
我国秸秆还田机虽然增长速度很快，但其发展仍然存在不少问题，如不能很好解决，将严重阻碍其持续稳定发展口其问题主要表现为：
1）我国目前不少地方使用正转旋耕机进行秸秆还田作业，正转旋耕机由于受到刀辊旋转方向及结构的限制，其覆盖性能差。

试验表明：当秸秆留茬为30一40厘米时，正转旋耕机作业后的植被覆盖率仅为40%，田地一泡水，秸秆即浮在表面，而且碎土性差，地表留有较多大土块，不能满足农艺的下粗上细的土壤覆盖要求，土壤透气性差。

这给秸秆还田新农艺带来不良影响，特别在水稻产区抛秧栽植技术的迅速推广，表层过多的秸秆影响水稻根系的深扎和立苗。

另外，正转旋耕机入土性能差且易产生寄生功率，加重了旋耕机和拖拉机传动装置的负荷，导致功率消耗很大且折损机械寿命。

2）现有的用于灭茬的反转旋耕机，其植被覆盖、碎土、平整度等耕作质量均优于正转旋耕机，也有利于避免产生寄生功率。

但刀辊前方奎土严重，缠草多，造成旋耕刀重复切削，功率消耗也很大，农民普遍反映配套拖拉机冒/黑烟。

其打茬能力也不理想，许多大的根茬仍留在耕层里。

3)现有秸秆切碎还田机几乎都使用甩刀(L型甩刀、锤爪式甩刀等)砍切秸秆。

其刀辊使用胶带传动且转速均在1200转/分以上，功耗很大，拖拉机冒黑烟。

一般其甩刀等工作部件工作时需离地面5厘米以上，实际工作中，甩刀常碰到石头等坚硬物，甩刀磨损严重，甩刀寿命短，换刀费时费钱。

秸秆被高速砍切的过碎过细，铺撒在地表后再用旋耕机旋耕两遍，覆盖效果仍然很差，还要辅以高柱犁深翻、压盖等工序，耕整地成本高。

拖拉机进地次数多，土地压实严重。

另外田地泡水后还是有许多碎秸秆漂浮在水面，给后续的播种工作造成影响。

1.2.2.3发展方向
加大秸秆还田机械新产品的研制，秸秆还田机械的研究应在解决秸秆及根茬单项作业基础上，开发新的复式作业机具，逐步取代单项作业机具。

目前，己开发应用和正在开发的复合作业方式有：联合收获机+切碎还田装置;秸秆粉碎+根茬破茬机;秸秆粉碎+根茬破碎十免耕播种;秸秆还田+旋耕;桔秆还田+深松等多种模式。

各种复式作业模式或单一或组合，取代目前的单项作业，这样的机型是今后的重点，也是市场需求的重点。

加强旋耕反转作业机具的开发，解决水稻和小麦种植区因没有合适的还田机械，而造成的作业效果、消耗功率大、还田效率低等问题;对还田机的结构参数、运动参数和动力参数的配置与选择，进行深入细致的理论和试验研究，为新产品的开发提供理论依据，以满足目前市场上的秸秆还田机质量不够稳定，机型少，机械配套动力不足，秸秆粉碎率、破茬率、秸秆掩埋深度等达不到农艺要求的现状。

1.2.3国外发展现状及趋势
美国、加拿大等国家的小麦、玉米秸秆大部分用于还田。

许多国家(如加拿大等)普遍采用秸秆机械粉碎还田。

在南亚、东南亚等一些不发达国家作物秸秆则是动物饲料的主要来源。

在美国，秸秆还田十分普遍。

不仅小麦、玉米等秸秆大量还田，而且像大豆、番茄等作物秸秆也尽量还田。

据美国农业部统计，每年生产作物秸秆4。

5亿吨，占整个美国有机残物生产量的70。

4%，秸秆还田量占秸秆生产量的68%。

这是一项了不起的成就，对于保持美国的土壤与土壤肥力起着十分重要的作用。

而英国秸秆直接还田量则占其秸秆生5产总量的73%。

日本微生物学家岛本觉也先生研究发明的酵素菌技术在日本广泛应用于种植业、养殖业、环境保护等领域，还可直接用于秸秆肥制作，达到秸秆还田目的，具有良好的经济效益，
社会效益和生态效益，目前己在世界上二十几个国家得到迅速推广应用。

发达国家研究秸秆还田技术和机具起步较早，美国万国公司于60年代初首次在联合收割机上采用切碎机对秸秆进行粉碎还田，其后研制了与90kw(122马力)拖拉机配套的60
型秸秆切碎机。

英国在80年代初在收获机上对秸秆进行粉碎，并采用犁式耙进行深埋。

日本用的是在半喂入联合收割机后面加装切草装置，切碎后的茎秆一般为10cm左右，一次就能完成收获和秸秆粉碎，我国有些农场引入并使用的/久保田0、/小太郎0等就是这类装置。

虽然国外技术发展迅速，但是大都是与拖拉机配套的秸秆粉碎还田机，粉碎直立或联合收割机作业后抛撒的秸秆。

而能将多种作业工序和二为一的秸秆整株还田作业机具尚未见报道，尤其是适应水田作业的类似机械技术及机具未见报道。

1．3研究进展及待解决的问题
据初步调查，水稻和小麦种植区因无整株秸秆还田覆盖作业机具，采取直接翻埋作业时机具工作部件缠草相当严重，秸秆覆盖效果较差;而采取秸秆粉碎还田除现有机具可靠性低、粉碎效果差以及动力消耗大外，由于采取多耕多耙的水整地作业方式，被粉碎还田的水稻秸秆又会在水整地过程中重新浮出田面，严重影响后序种植环节机械化作业。

东北地区主要采用秸秆粉碎翻压还田，但由于温度低，秸秆直接进行还田腐烂较慢，影响下年的耙地与插秧。

为了解决上述情况，东北农业大学于2005年研制出适合水稻和小麦种植区，进行秸秆
还田作业的新型秸秆整株还田机械。

图1一1为其结构示意图。

其主要特点是：
(l)研制出用于埋草的弧型刀、刀盘、排列方式以及刀与刀盘的联接，有正反转作业
形式，中央减速器可翻转180度;
(2)工作平稳，在中央减速器与侧减速器之间的传动轴两端设有两个接盘，在接盘中
安装了调心轴承;
(3)碎土能力强，整机后面设有挡草栅，增加碎土能力，同时能够有效将茎秆埋于土
中，提高茎秆还田率，达到农业要求。

经田间试验鉴定得出，IZT-210水稻整株秸秆还田机作业机具的秸秆还田率高，碎土能
力强，土壤覆盖较好，且性能可靠，作业质量能够满足农业技术要求，是水稻秸秆还田和农田旋耕较好的新型机具。

由于机械直接还田机具普遍存在耗能大，成本高的特点，功率损耗便成为制约机具推广
的主要原因，如何优化选择机具参数，使机具在满足农业技术要求的前提下降低功耗便成为亟待解决的问题。

1．4设计内容及设计路线
1．4．1设计内容
（1）确定还田机的整体功能
（2）还田机的结构设计
（3）秸秆还田机的主要结构参数的设计和校核
（4）三维建模
1．4．2设计方法
本文设计的秸秆还田机的主要功能是对秸秆及碎茬进行有效的粉碎还田，达到较高的覆盖率，秸秆还田机的基本参数和性能参数符合农艺要求，因此我们需要设计合理的主机机构和部件，来实现不同的功能。

例如要使机具具有较高还田覆盖率就需要将刀片的结构和机具的结构及运动参数相结合，为了使机具耕经济节能，就需要对机具的传动、运动等部分进行优化设计、使机具结构紧凑、工作质量高。

经过对机具的功能分析和部件设计后，将要采用适宜的连接承载部件使得机器的各个功能部件得以合理的组合搭配，在完成了上述的几个步骤后就进入到了各个主要部件的校核阶段以满足工作时的强度要求。

在设计过程中，需要使用CAD、Proe等主要软件及数学软件，借助理论分析和时间相结合的方法，对机械整体结构和性能参数进行辅助设计，对刀片、刀轴及一些重要的位置参数进行设计，并设计出秸秆还田机使其能实现它的功能。

1．4．3设计技术路线
本文的技术路线如下图1-1所示
图1-1 技术路线图
Figure。

1-2 Technology Roadmap。