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1、 基于耦合仿生機(jī)理立式香蕉秸稈粉碎 還田機(jī)研制 摘 要 香蕉是世界四大水果之一，在國(guó)際鮮果市場(chǎng)上占有很重要的比重。在我國(guó)，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(jì)作物，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地區(qū)發(fā)展有著十分重要的意義。香蕉果實(shí)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(zhǎng)有機(jī)物氮、磷、鉀及微量元素，是一種天然的有機(jī)化肥源。如果在香蕉采摘完后利用農(nóng)機(jī)具直接將香蕉樹粉碎還田，不僅可以改善香蕉地土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(jì)效率。 目前國(guó)內(nèi)香蕉種植業(yè)機(jī)械化程度較低，配套的農(nóng)機(jī)具較少且處在研發(fā)優(yōu)化階段，所以當(dāng)前蕉農(nóng)對(duì)香蕉樹的處理基本上是通過(guò)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(huì)引發(fā)病蟲害給蕉園帶來(lái)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(gè)制約香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題?；诖?，本文結(jié)合理論分析、虛擬樣機(jī)技術(shù)和正交試驗(yàn)三種方法，對(duì)海南大學(xué)研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要研究?jī)?nèi)容為： （1）運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與實(shí)地調(diào)查的方法，研究香蕉的生物特性及力學(xué)特性。通過(guò)分析香蕉假莖的種植方式、結(jié)構(gòu)與形狀，為整機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考；通過(guò)分析香蕉假莖抗剪切強(qiáng)度

3、的力學(xué)特性，為粉碎裝置的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。 （2）基于仿生學(xué)原理，模仿狼爪輪廓形態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)香蕉秸稈粉碎刀片的刀刃曲線；從運(yùn)動(dòng)學(xué)仿生角度出發(fā)，在充分研究狼爪收縮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，獲取狼爪運(yùn)動(dòng)曲線方程，將其應(yīng)用在秸稈粉碎刀刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)上。 （3）田間試驗(yàn)。制定試驗(yàn)方法，以香蕉秸稈粉碎率、秸稈覆蓋率和生產(chǎn)率等試驗(yàn)指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS，結(jié)合正交試驗(yàn)方案，通過(guò)極差和方差分析方法，確定機(jī)具結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最優(yōu)組合、分析各因素的交互影響。研究得到機(jī)具的重要參數(shù)的最優(yōu)組合為拖拉機(jī)前進(jìn)速度為3m/s，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為1650 r/min，秸稈粉碎刀厚度為12 mm進(jìn)行田間試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)

4、指標(biāo)分別為：秸稈粉碎率為90.6%，覆蓋率為90.5%。 關(guān)鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田；形態(tài)仿生；運(yùn)動(dòng)仿生；耦合仿生；正交試驗(yàn)  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(hù)性耕種的現(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3.2 國(guó)外保護(hù)性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3.3 國(guó)內(nèi)保護(hù)性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.4 國(guó)內(nèi)外秸稈粉碎還田機(jī) 5 1.4.1秸稈粉碎還田機(jī)的分類 6 1.4.2國(guó)外粉碎還田機(jī)研究現(xiàn)狀 6 1.4.3國(guó)內(nèi)秸稈粉碎還田機(jī)現(xiàn)狀 7 1.4.4香蕉秸稈粉碎還田機(jī)研究現(xiàn)狀 7 1.4.5 仿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的應(yīng)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(shù)路線 9 1.6.1課題來(lái)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(shù)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(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(xué)特性 13 2.3.1測(cè)試目的 13 2.3.2香蕉秸稈拉伸試驗(yàn) 14 2.3.3香蕉假莖剪切應(yīng)力的測(cè)定 15 2.4本章小結(jié) 15 三、整機(jī)及主要參數(shù)設(shè)計(jì) 16 3.1技術(shù)方案的確定 16 3.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 3.3還田機(jī)作業(yè)寬度確定 18 3.

18、4 動(dòng)力傳遞方式 18 3.5傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速 18 3.6粉碎刀盤動(dòng)力的計(jì)算與校核 19 3.7本章小結(jié) 19 四、秸稈粉碎刀構(gòu)型仿生設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)與加工 23 4.2.5 秸稈粉碎刀軸的設(shè)計(jì) 24 4.3 本章小結(jié) 25 五、基于狼爪運(yùn)動(dòng)仿生刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 26 5.1 運(yùn)動(dòng)仿生研究依據(jù)分析 26 5.2 運(yùn)動(dòng)仿生研究 26 5.2.1 運(yùn)動(dòng)仿生模型建立

19、 26 5.2.2 運(yùn)動(dòng)仿生模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 26 5.3 機(jī)具運(yùn)動(dòng)參數(shù)仿生設(shè)計(jì) 27 5.3.1刀片運(yùn)動(dòng)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(jié) 29 六、田間試驗(yàn) 30 6.1 試驗(yàn)條件 30 6.1.1試驗(yàn)地土壤含水率測(cè)定 30 6.1.2香蕉假莖含水率測(cè)定 31 6.2 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定 32 6.2.1 還田機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì) 33 6.4

20、試驗(yàn)結(jié)果與分析 34 6.4.1 SPSS軟件介紹 34 6.4.2 正交試驗(yàn) 35 6.4.3試驗(yàn)結(jié)果極差分析 36 6.4.4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析 37 6.5 本章小結(jié) 38 七、結(jié)論與展望 39 7.1 研究結(jié)論 39 7.2 創(chuàng)新點(diǎn) 39 7.3 存在的不足 40 參考文獻(xiàn) 41 碩士學(xué)位攻讀期間學(xué)術(shù)成果與參與項(xiàng)目 46 致謝 47  III 海南大學(xué)碩士學(xué)位論文 一、緒論 1.1 研究背景 香蕉是一種生長(zhǎng)在熱帶地區(qū)的水果，因其生長(zhǎng)周期較短、產(chǎn)量較高，在我國(guó)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(jì)作物（朱曉

21、闖，張喜瑞等，甘聲豹，2015）。具統(tǒng)計(jì)，2016年，香蕉收獲面積為490萬(wàn)噸，全國(guó)香蕉種植面積為570萬(wàn)畝，香蕉年產(chǎn)量為893萬(wàn)畝，年產(chǎn)值高達(dá)246.7億元。海南位于我國(guó)華南地區(qū)，全面暖熱，其后溫和，為香蕉的生長(zhǎng)提供了便利的條件。海南是我國(guó)香蕉種植大省之一，在2016年，海南香蕉收獲面積為38萬(wàn)畝，種植面積為48萬(wàn)畝，香蕉產(chǎn)量為125.62萬(wàn)噸，產(chǎn)值達(dá)到了125.62億元（海南日?qǐng)?bào)，2017）。因此，香蕉對(duì)于促進(jìn)我國(guó)熱點(diǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加蕉農(nóng)經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)大3~6米，其葉片呈橢圓狀，長(zhǎng)

22、約3~3.5m，寬約65m，位于莖稈頂端成簇生長(zhǎng)，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(qiáng)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(guó)等2012；甘聲豹等，2015）。 香蕉果實(shí)收獲后，蕉園中留下的香蕉植株沒經(jīng)過(guò)合理的處理成為農(nóng)業(yè)廢棄物，由于我國(guó)在香蕉種植業(yè)機(jī)械化水平低，配套農(nóng)機(jī)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(fēng)干焚燒，產(chǎn)生大量有害氣體，污染環(huán)境，同時(shí)也會(huì)造成香蕉莖稈中大量有機(jī)物

23、白白浪費(fèi)，（李粵，2016）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，秸稈中的有機(jī)質(zhì)含量約占到了其總量的15%，以目前我國(guó)60000萬(wàn)噸/年的秸稈生產(chǎn)量來(lái)計(jì)算，僅秸稈中含有的氮、磷、鉀總量之和就達(dá)到了1070多萬(wàn)噸/年，超過(guò)了我國(guó)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(jì)算，僅2016年我國(guó)香蕉秸稈產(chǎn)量就高達(dá)3800萬(wàn)噸，如此大量的香蕉秸稈如果不進(jìn)行妥善的處理，不僅會(huì)污染蕉園環(huán)境，影響蕉園更新，而且會(huì)滋生蟲害，危害來(lái)年香蕉成長(zhǎng)，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(guó)極其重視對(duì)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(jī)械化處理已經(jīng)達(dá)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(jī)將莖稈中的纖維提取出來(lái)作為工業(yè)原料等等，但對(duì)香蕉秸稈的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于糧食作物的秸稈利用率，所以提高香蕉秸稈處理的機(jī)械化水平，對(duì)保護(hù)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(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們由于過(guò)度開墾土地，砍伐森林和不合理的土壤耕作方式，使我國(guó)干旱地區(qū)降水量急劇減少的同時(shí)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(hù)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(hù)性耕種方式來(lái)保護(hù)土地的耕種環(huán)境，改善土壤結(jié)構(gòu)，防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流失。保護(hù)性耕作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是秸稈粉碎還田技術(shù)（劉曉亮，2012），農(nóng)作物秸稈經(jīng)還田機(jī)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(shí)被粉碎的秸稈由于腐爛，秸稈中的有機(jī)物溶于土壤之中，增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，達(dá)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(jī)質(zhì)，以及氮、磷、鉀等香蕉生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的生物肥料，通過(guò)還田機(jī)將其推倒粉碎還田，被粉碎的香蕉假莖相對(duì)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(shí)秸稈中的有機(jī)物也能溶于土壤之中，增強(qiáng)土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高香蕉的產(chǎn)量，同時(shí)也降低蕉農(nóng)在種植過(guò)程的成本，增加將農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入。因?yàn)橄憬督斩挼纳锾匦圆煌谄渌蠹Z食作物，香蕉秸稈中含水率高，纖維含量高，導(dǎo)致現(xiàn)有常規(guī)秸稈粉碎還田機(jī)并不適合香蕉秸稈的粉碎還田，因此，研制一種針對(duì)香蕉假莖的特性的秸稈粉碎還田機(jī)來(lái)進(jìn)行對(duì)香蕉假莖的粉碎工作。 1.3 研究現(xiàn)狀 1.3.1 保護(hù)性耕種的發(fā)展現(xiàn)狀 保護(hù)性耕作起源于美國(guó)，其主張?jiān)诳沙掷m(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上保護(hù)耕種環(huán)境，降低污染（楊忠國(guó)等，2016），不僅可以減少勞動(dòng)量，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，還能增加土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

27、含量，增強(qiáng)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(dá)到增產(chǎn)增收，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。我國(guó)從2015年開始，連續(xù)8年將保護(hù)性工作技術(shù)寫入國(guó)家一號(hào)文件，大力研究和實(shí)施保護(hù)性耕作模式來(lái)保護(hù)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(guó)內(nèi)外對(duì)保護(hù)性耕作的定義說(shuō)法不一，外國(guó)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)（CTIC，2002），一般認(rèn)為覆蓋率大于30%的為保護(hù)性耕作，覆蓋率在15%~30%的成為少耕，不屬于保護(hù)性耕作（張海林等，2005；秦紅靈，2007）。 1.3.2 國(guó)外保護(hù)性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外的保護(hù)性耕作發(fā)展比國(guó)內(nèi)要早

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

29、生后，美國(guó)人對(duì)“黑風(fēng)暴”產(chǎn)生的原因做了深刻的分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴所帶的大量沙塵是被風(fēng)暴卷起的泥土顆粒。土地的翻新，會(huì)使面積的泥土裸露在地表面，容易受到風(fēng)蝕和水蝕?；诖耍_始對(duì)傳統(tǒng)的工作方式進(jìn)行改良，提出少耕、免耕的耕種方式。第二階段從20世紀(jì)50年代開始，大量實(shí)驗(yàn)證明，免耕技術(shù)對(duì)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(shù)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(jì) 80 年代，隨著農(nóng)機(jī)具的不斷發(fā)展，以及先進(jìn)農(nóng)藥的研制與使用，保護(hù)性耕作模式得到飛速發(fā)

30、展。據(jù) CTIC 數(shù)據(jù) 顯示，美國(guó)在 2000 年采用保護(hù)性耕作的耕地面積占總耕地面積的 21%（王長(zhǎng)生等， 2004；曹建軍，2006），到 2002 年同比增加 39%，保護(hù)性耕地面積達(dá)到 6769 萬(wàn) hm2， （李安寧等，2006）。 澳大利亞在20世紀(jì)70年底開始嘗試進(jìn)行保護(hù)性耕作的研究與試驗(yàn)，并于 80 年代開始大量的推廣。到 2002 年，保護(hù)性耕作耕地面積為 1460 萬(wàn) 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(hù)性耕作模式取代（常春麗等，2008）。 加拿大及南美的一些國(guó)家于 20 世紀(jì) 60 年代開始先后引進(jìn)了保護(hù)性耕作技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)的研究與試驗(yàn)，從

31、而在農(nóng)作物耕作方面進(jìn)行推廣。近幾年，繼保護(hù)性耕作理念提出后，國(guó)外又提出關(guān)于保護(hù)性農(nóng)業(yè)的理念（梁少華等，2015）。 1.3.3 國(guó)內(nèi)保護(hù)性耕作發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)國(guó)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(guó)土總面積的 52.5%（王志輝等，2009），是世界主要的干旱國(guó)家之一。我國(guó)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(wàn) hm2，土地干旱，使得土壤局部顆粒化，容易造成水土流失，降低土壤肥力，不能給農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(jì)減少，如果這種情況不能得到有效的控制，會(huì)使土地逐漸荒漠化，國(guó)有耕地面積減少，嚴(yán)重影響了

32、我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化、現(xiàn)代化和信息化發(fā)展 （關(guān)躍輝，2008），研究和發(fā)展保護(hù)性耕作技術(shù)可以有效的解決這些問(wèn)題。中國(guó)對(duì)保護(hù)性耕種比國(guó)外發(fā)展較晚，20 世紀(jì) 60 年代初，國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一些科研人員開始在國(guó)內(nèi)進(jìn)行保護(hù)性耕作研究與試驗(yàn)；到20 世紀(jì) 70 年代起，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和部分高校開始進(jìn)行秸稈殘茬覆蓋和少(免)耕等試驗(yàn)研究，取 得較好的增產(chǎn)效果（張飛等，2004）； 20 世紀(jì) 80 年代開始，保護(hù)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(hù) 性耕作技術(shù)在理論和試驗(yàn)方面取得不錯(cuò)的成績(jī)，并得到大規(guī)模的推廣，應(yīng)用面積也 不斷增加。從2015年開

33、始，保護(hù)性耕種技術(shù)就連續(xù)8年別寫入中央的一號(hào)文件，2007 年，農(nóng)業(yè)部出臺(tái)《關(guān)于大力發(fā)展保護(hù)性耕作的意見》，這份意見標(biāo)志著中國(guó)實(shí)施保護(hù)性耕作模式迎來(lái)一個(gè)新時(shí)代（王幸等，2014；劉文政等，2017）。因?yàn)橛袊?guó)家對(duì)保護(hù)性耕種技術(shù)認(rèn)可和支持，在全國(guó)范圍內(nèi)保護(hù)性工作得到了大力發(fā)。2008-2014 年保護(hù)性耕作面積、機(jī)械化免耕覆蓋面積、以及機(jī)械化免耕播種面積變化趨勢(shì)如圖 2 所示（中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化基于離散元法香蕉地仿生滅茬刀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 4 年鑒，2014）。由圖 2 可知，我國(guó)傳統(tǒng)的耕種方式逐年減少，機(jī)械化免耕播種、機(jī)械化覆蓋播種，保護(hù)性耕種的面積逐年增加。 保護(hù)性耕種技術(shù)雖然在我國(guó)取得了不錯(cuò)的

34、成績(jī)，但是和國(guó)外保護(hù)性耕種技術(shù)比還存在一定的差距。我國(guó)地域?qū)拸V，各個(gè)地區(qū)的地勢(shì)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(guó)保護(hù)性耕作技術(shù)在配套的農(nóng)機(jī)具上要求較高。 圖 2 2008-2014 年保護(hù)性耕作作業(yè)面積變化圖 1.4 國(guó)內(nèi)外秸稈粉碎還田機(jī) 1.4.1香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的分類 香蕉秸稈粉碎還田機(jī)是實(shí)現(xiàn)香蕉植株粉碎還田的重要工具，根據(jù)目前對(duì)香蕉秸稈粉碎機(jī)器的研究，香蕉秸稈粉碎機(jī)器按照香蕉秸稈的喂入方式可以分為固定式粉碎機(jī)具和懸掛式粉碎機(jī)具（李玉萍，2008）。固定式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)基本上是由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，所以機(jī)器不適合移動(dòng)作業(yè)。所以，固定式香蕉秸稈粉

35、碎還田機(jī)在工作前需要人工將香蕉秸稈砍斷搬運(yùn)至機(jī)器周盤，機(jī)器工作時(shí)也需要人工將香蕉秸稈送入機(jī)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(jī)器在粉碎工作時(shí)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(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛架裝置與拖拉機(jī)相連接，置于拖拉機(jī)尾端，經(jīng)萬(wàn)向節(jié)將拖拉機(jī)的后輸出軸的動(dòng)力傳給還田機(jī)，為還田機(jī)的粉碎裝置提供動(dòng)力，在拖拉機(jī)的牽引下可以直接隨拖拉機(jī)進(jìn)入蕉園進(jìn)行粉碎工作。懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)相比固定式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)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(jī)在工作時(shí)刀片不僅會(huì)切割香蕉秸稈，在遇上不平整的地段

36、，粉碎刀片會(huì)進(jìn)入土壤，不僅曾加機(jī)器的功耗，而且會(huì)損傷刀片，降低機(jī)器的粉碎率。 懸掛式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)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(jī)和臥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)（朱良等，2010）。立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的輸入動(dòng)力一般經(jīng)變速箱直接垂直向下傳遞給粉碎刀輥，機(jī)器工作的主要對(duì)象是香蕉植株的秸稈，所以機(jī)器的粉碎裝置在安裝時(shí)刀片與地面會(huì)留一定的間隙，避免與土地接觸，因此，機(jī)器的整機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作時(shí)所消耗的動(dòng)力較小，質(zhì)量較輕。臥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)在粉碎裝置后面一般帶有滅茬裝置，機(jī)器的輸入動(dòng)力經(jīng)變速箱穿向機(jī)架兩端，在經(jīng)皮帶，帶輪將動(dòng)力分別傳遞給粉碎裝置和滅茬裝置。臥式香蕉粉碎機(jī)工作時(shí)

37、不僅可以粉碎香蕉秸稈，同時(shí)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(jī)在工作時(shí)刀輥上容易雜草纏繞，而且滅茬刀需進(jìn)土工作，機(jī)器消耗的功率也比較大（吳學(xué)尚，2014）。 1.4.2國(guó)外粉碎還田機(jī)研究現(xiàn)狀 秸稈粉碎技術(shù)在國(guó)外特別是在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)發(fā)展的非常先進(jìn)。美國(guó)從20世紀(jì)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(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)，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(lái)還田而不是焚燒廢棄，還田率非常高。 在美國(guó)，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(shí)現(xiàn)還田。 在意大利，人們研制出的秸稈

38、還田的機(jī)器不僅種類多，適用性強(qiáng)，同時(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)土地面積廣闊，因此當(dāng)?shù)厝送ǔ２粚?duì)秸稈進(jìn)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(jī)器。除此以外，在德國(guó)、西班牙、丹麥、日本等國(guó)家，也都研制出了適合自己國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況的秸稈粉碎還田的機(jī)器以及先進(jìn)的刀片。 1.4.3國(guó)內(nèi)秸稈粉碎還田機(jī)現(xiàn)狀 雖然秸稈粉碎還田在國(guó)外發(fā)展的很早并且發(fā)展迅速，而我國(guó)的對(duì)于秸稈粉碎機(jī)器的研究卻起步很晚。同保護(hù)性耕作一樣，直至20世紀(jì)70年代，我國(guó)才意識(shí)到保護(hù)性耕作和秸稈還田的重要性，秸稈粉碎還田機(jī)

39、才被我國(guó)引進(jìn)借鑒使用與開發(fā)。但是我國(guó)對(duì)于秸稈粉碎機(jī)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(jī)器。不僅如此，北方秸稈還田的程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南方，因此北方的秸稈粉碎還田機(jī)器的先進(jìn)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南方。 香蕉秸稈相對(duì)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(diǎn)，一般的秸稈粉碎還田機(jī)很難將香蕉秸稈粉碎然后進(jìn)行還田。并且香蕉秸稈粉碎還田裝置在作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)切割力大，同時(shí)香蕉秸稈纖維容易纏繞在刀具上，降低工作效率，同時(shí)對(duì)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(jī)的發(fā)展在我國(guó)依舊處于一個(gè)相對(duì)弱勢(shì)的情況，大部分的蕉農(nóng)仍

40、然采用傳統(tǒng)的人力勞動(dòng)對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行砍伐，然后任其自然腐爛，浪費(fèi)了人力物力以及土地資源。由于香蕉種植的局限性，對(duì)于香蕉秸稈粉碎還田機(jī)器的研究也就主要集中在我國(guó)南方地區(qū)。 1.4.4香蕉秸稈粉碎還田機(jī)研究現(xiàn)狀 洛陽(yáng)理工學(xué)院朱德榮等人研發(fā)的機(jī)器主要采用固定的粉碎刀來(lái)粉碎香蕉秸稈，同時(shí)采用立式與臥式相結(jié)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(jī)器采用固定的刀片來(lái)完成粉碎過(guò)程，香蕉秸稈粉碎產(chǎn)生的力對(duì)刀具的影響較大且無(wú)法分散從而減小切削力，對(duì)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(jié)合的方式來(lái)對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎還田，但是由于傳動(dòng)

41、系統(tǒng)配合不夠嚴(yán)密，傳動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)器工作時(shí)機(jī)身晃動(dòng)，工作不穩(wěn)定，如若在地形較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行工作，不能夠百分百保證機(jī)器的穩(wěn)定性，以免造成傷害。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(cuò)在同一平面且成20度角的軸，軸上安裝鋸齒形刀片，工作時(shí)兩軸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切碎香蕉秸稈。但是此裝置只能對(duì)已經(jīng)砍伐過(guò)的香蕉秸稈進(jìn)行加工，處理成較細(xì)碎的秸稈段，不能直接進(jìn)入田地對(duì)香蕉秸稈進(jìn)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(shí)間，相比于其他的秸稈粉碎機(jī)器，不具有便捷提高效率等特性。 海南大學(xué)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(jī)，采用螺旋

42、狀的刀片先對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行預(yù)切割，再由動(dòng)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(shí)，刀具從由下至上切入秸稈，同時(shí)切斷的秸稈在下落過(guò)程中會(huì)再次碰到運(yùn)轉(zhuǎn)的粉碎刀，將秸稈打碎，從而達(dá)到較好的粉碎結(jié)果。此裝置對(duì)秸稈的處理以及粉碎的效果較好，但是滾割喂入時(shí)，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(huì)出現(xiàn)切不斷或者浪費(fèi)功率等情況，適用性有待進(jìn)一步的加強(qiáng)。 廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的張進(jìn)疆等人研制的臥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，采用Y型刀片和定刀組合的方式對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎。Y型刀片進(jìn)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(jìn)行第二步的粉碎工作，對(duì)香蕉秸稈的粉碎效果大大提高。但是這臺(tái)機(jī)器在設(shè)計(jì)前進(jìn)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)左右兩端不平衡，機(jī)身不夠穩(wěn)定，影響了工作效率。 1.4.5 仿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的應(yīng)用 我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(qiáng)度高，工作效率低下。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大量實(shí)驗(yàn)證明，以機(jī)械代替人工耕種既可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和土地出產(chǎn)率，也能降低工作強(qiáng)度，節(jié)約人力物力和成本，對(duì)促進(jìn)地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。 農(nóng)業(yè)機(jī)械是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要工具，農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器性能有直接的影響（張潤(rùn)醴，2018），近些年來(lái)隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)

44、外學(xué)者開始將仿生技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)。海南大學(xué)的汝紹峰等人模仿螻蛄爪趾的形狀設(shè)計(jì)一種去除椰衣的仿生鋼絲輥刷（汝紹鋒，2018）；吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的任露泉院士等人模仿螻蛄爪趾形態(tài)設(shè)計(jì)一種挖掘機(jī)斗齒，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明仿生挖掘機(jī)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(shè)計(jì)了一種非光滑犁壁（任露泉等2005），比普通35號(hào)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(duì)象，設(shè)計(jì)了一種仿生鎮(zhèn)壓輥，并通過(guò)正交試驗(yàn)分析得出鎮(zhèn)壓輥減阻性能的最佳參數(shù)；西安大學(xué)的龔皓暉等人模仿家鼠腳趾設(shè)計(jì)了一種仿生深松鏟，并就入土阻力做了限元模擬個(gè)土槽對(duì)比

45、試驗(yàn)，結(jié)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(xué)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(yàn)證了仿生非光滑篩面的減粘作用；南京工業(yè)大學(xué)工學(xué)院與信德農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的郭俊、Muhammad Sohail Memon等根據(jù)鼴鼠前爪趾在挖土過(guò)程中有較低切削阻力和防粘減阻的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種秸稈粉碎鋸齒刀片（任露泉等，1990；郭俊等，2017），并在地表無(wú)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(guó)標(biāo)刀做對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明在三種試驗(yàn)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(guó)標(biāo)刀片。 以上只是仿生在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的部分案例，仿生技術(shù)是以自然界中生物 形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能為研究對(duì)象，有目的的去設(shè)計(jì)或改進(jìn)舊的儀器設(shè)備，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能有所提高，也為我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中提供了思路與方法。 1.5 課題研究的意義 國(guó)外香蕉秸稈大都進(jìn)行大面積的種植，所以發(fā)展的香蕉秸稈還田機(jī)器多為大型機(jī)器，作業(yè)面積大。而我國(guó)香蕉種植基本位于南方地區(qū)，南方地區(qū)多以山地、臺(tái)地等為主，同時(shí)農(nóng)田也都是小面積耕作的農(nóng)田。因此國(guó)外的大型機(jī)械并不適合我國(guó)，主要還是應(yīng)該發(fā)展小型的秸稈粉碎機(jī)來(lái)進(jìn)行工作。 大力發(fā)展香蕉秸稈還田機(jī)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(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)秸稈還田也是保護(hù)性耕作技術(shù)非常重要的一部分，是我國(guó)當(dāng)前形勢(shì)下，為了減少大氣污染，提升土壤肥沃程度，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐的一項(xiàng)環(huán)境友好型技術(shù)。 1.6 課題研究的內(nèi)容、方法及技術(shù)路線 1.6.1課題來(lái)源 本課題來(lái)源于公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)—南方熱區(qū)香蕉秸稈還田技術(shù)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(duì)象，在立式香蕉秸稈粉碎還田為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，提高機(jī)器的粉碎率和工作效率，研究的內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面： 研究?jī)?nèi)容一：香蕉生物學(xué)與力學(xué)特性研究 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與實(shí)地調(diào)查的方法，研究香蕉的生物特性及力學(xué)特

48、性。通過(guò)分析香蕉假莖的種植方式、結(jié)構(gòu)與形狀，為整機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考；通過(guò)分析香蕉假莖抗剪切強(qiáng)度的力學(xué)特性，為粉碎裝置的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。 研究?jī)?nèi)容二：立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì) 查閱資料并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)整機(jī)參數(shù)，利用三維建模軟件建立整機(jī)三維圖形，通過(guò)計(jì)算和仿真對(duì)整機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與校核。 主要內(nèi)容如下： （1）整機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。設(shè)計(jì)一種立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，實(shí)現(xiàn)一次性香蕉秸稈的全量粉碎。 （2）建立整機(jī)三維模型。運(yùn)用solidWorks軟件對(duì)零部件進(jìn)行三維建模，為機(jī)具加工做好準(zhǔn)備。 （3）整機(jī)傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)與校核。查閱資料，對(duì)比分析不同傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定機(jī)器的傳

49、動(dòng)方式，結(jié)合拖拉機(jī)動(dòng)力輸出功率和香蕉秸稈的力學(xué)特性，對(duì)整機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行校核。 （4）整機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析?；诜律鷮W(xué)原理，模仿狼爪輪廓形態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)香蕉秸稈粉碎刀片的刀刃曲線；從運(yùn)動(dòng)學(xué)仿生角度出發(fā)，在充分研究狼爪收縮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，獲取狼爪運(yùn)動(dòng)曲線方程，將其應(yīng)用在秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)參數(shù)的設(shè)計(jì)上。 （5）田間試驗(yàn)。制定試驗(yàn)方法，以香蕉秸稈粉碎率、秸稈覆蓋率和生產(chǎn)率等試驗(yàn)指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS，結(jié)合正交試驗(yàn)方案，通過(guò)極差和方差分析方法，確定機(jī)具結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)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(shù)路線 在借鑒國(guó)內(nèi)外秸稈粉碎機(jī)械研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合

50、香蕉植株的生長(zhǎng)特性，結(jié)構(gòu)性能等設(shè)計(jì)出合理的整機(jī)方案。借助SolidWorks等軟件對(duì)刀具系統(tǒng)進(jìn)行平衡性能的分析與優(yōu)化，確定關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，技術(shù)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(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(zhǎng)在地表下方，形狀呈橢圓狀或塊狀，是為香蕉植株的生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)，新生的蕉葉在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)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(xué)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(zhǎng)；蕉葉其形狀成橢圓形，長(zhǎng)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?cái)?。因?yàn)榍o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(jī)器并不適合對(duì)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(lái)增加厚度，同時(shí)外表皮木質(zhì)化，能夠起到保護(hù)作用，表皮處的維管束無(wú)木質(zhì)化細(xì)胞，其結(jié)構(gòu)疏松。不僅如此，葉鞘在橫向上長(zhǎng)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(lái)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(shè)計(jì)一種立軸剪切式的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)器，將對(duì)香蕉秸稈的擊打變?yōu)榧羟?，能更有效的?shí)現(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(guò)曬干焚燒

53、的方式直接在田間進(jìn)行處理，且焚燒秸稈所帶來(lái)的有害氣體將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)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(yùn)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(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，香蕉秸稈中含有大量的纖維素和有機(jī)物，是一種營(yíng)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(guó)歡等，2012）。目前對(duì)香蕉秸稈的利用方式主要有直接還田、堆制有機(jī)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(jī)肥料可以有效的將香蕉秸稈含有的有機(jī)物氮、磷、鉀融入土壤之中，不僅僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，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(jī)器提取和化學(xué)提取兩種方式，提取出的纖維在多個(gè)國(guó)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(yàn)發(fā)現(xiàn)該面料制成的短褲無(wú)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(guò)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(yáng)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(zhǎng)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(jié)果表明豬的發(fā)育和生長(zhǎng)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(jié)果表明用香蕉秸稈做的培養(yǎng)基能加快進(jìn)菌絲的生長(zhǎng)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(dāng)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(fèi)。本文主要研究?jī)?nèi)容是香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以粉碎直接還田的方式提高對(duì)香蕉秸稈的利用率。 2.3香蕉的力學(xué)特性 2.3.1測(cè)試目的

56、 我國(guó)在小麥、玉米等秸稈作物粉碎還田技術(shù)比對(duì)香蕉秸稈粉碎技術(shù)研究起步要早些，已研制出來(lái)一系列比較成熟的還田農(nóng)機(jī)具，但對(duì)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(jié)構(gòu)和含水率各有不同，如果在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)充分考慮香蕉假莖的生物特性和力學(xué)特性，僅僅以相關(guān)單位研制的小麥、玉米還田機(jī)作為參考設(shè)計(jì)機(jī)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(cè)量香蕉秸稈的力學(xué)特性，為后續(xù)還田機(jī)的設(shè)計(jì)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(yàn) 選取“廣東香蕉1號(hào)”香蕉假莖為試驗(yàn)材料，如圖5所示，粉碎試驗(yàn)分為三組，每組三

57、個(gè)樣品。測(cè)試步驟如下：首先用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣本秸稈的長(zhǎng)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(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)上，然后通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)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(yàn)臺(tái)顯示器上讀取到樣本假莖的拉升力E，通過(guò)計(jì)算可以得樣本秸稈的抗拉升強(qiáng)度。計(jì)算公式如下： （2-1） 式中：σ拉伸—新鮮香蕉假莖植株的抗拉強(qiáng)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(cè)得香蕉假莖剪切應(yīng)力平均值為0.65Mpa

58、 表1. 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)技術(shù)參數(shù) Table 1 The main technical index of Universal testing machine 技術(shù)參數(shù) 數(shù)值范圍 最大試驗(yàn)力 0~50kN 試驗(yàn)力相對(duì)誤差 ≤±1% 加持方式 自動(dòng)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(yīng)力的測(cè)定 香蕉假莖剪切應(yīng)力的設(shè)計(jì)同樣分三組試驗(yàn)，每組三個(gè)試驗(yàn)樣品，測(cè)試步驟如下：首先用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣本秸稈的長(zhǎng)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(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)上，然后通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)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(yàn)臺(tái)顯示器上讀取到樣本假莖的拉升力F，通過(guò)計(jì)算可以得樣本秸稈的抗拉強(qiáng)度。計(jì)算公式如下： （2-2） 式中：τ剪切—新鮮香蕉假莖的抗拉強(qiáng)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(cè)得香蕉假莖拉伸應(yīng)力平均值為1.28Mpa。 2.4本章小結(jié) 本章對(duì)香蕉假莖的生物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，針對(duì)香蕉假莖莖稈粗大、含水率高以及纖維分布等特點(diǎn)，提出剪切代替擊打

60、實(shí)現(xiàn)有效還田這一理論。同時(shí)，基于對(duì)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(fèi)與環(huán)境污染，香蕉秸稈中含有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可有效增加土壤肥力，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的循環(huán)利用；直接還田、堆制有機(jī)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(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)香蕉秸稈力學(xué)特性的研究，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)香蕉假莖的抗拉伸和剪切的物理特性進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)得剪切應(yīng)力為0.65 Mpa，抗拉強(qiáng)度為1. 28MPa。這些測(cè)定數(shù)據(jù)為香蕉秸稈粉碎還田的粉碎機(jī)理和低功耗粉碎方式提供了重要的理論基礎(chǔ)。  三、整機(jī)及主要參數(shù)設(shè)計(jì) 3.1技術(shù)方

61、案的確定 本論文設(shè)計(jì)的立式對(duì)旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)已海南地區(qū)香蕉園內(nèi)的香蕉假莖為作業(yè)對(duì)象，設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)在對(duì)香蕉假莖的推倒、粉碎、鋪平等功能，所以整機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮一下五個(gè)因素 1. 要充分考慮香蕉的種植方式，生長(zhǎng)環(huán)境，即農(nóng)藝結(jié)合 2. 還田機(jī)的設(shè)計(jì)適應(yīng)性與實(shí)用性要強(qiáng)，在設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)在工作過(guò)程中，對(duì)香蕉假莖的推倒，粉碎、鋪平要連貫。 4. 盡量降低機(jī)器功耗。在我國(guó)華南地區(qū)，農(nóng)用拖拉機(jī)主要以小型拖拉機(jī)為主，因此拖拉機(jī)動(dòng)力傳輸功率不高，所以要合理設(shè)計(jì)立式對(duì)旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田

62、機(jī)的各個(gè)部件，提高還田機(jī)的工作效率 5. 粉碎裝置是整個(gè)還田機(jī)的核心部件，所以粉碎裝置的設(shè)計(jì)實(shí)要用性強(qiáng)，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(duì)轉(zhuǎn)的刀盤，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉假莖的多次粉碎，提高粉碎效果 3.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 運(yùn)用SolidWorks實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，繪制虛擬樣機(jī)，如圖6所示。 本文研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、變速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、假莖粉碎裝置、機(jī)架等組成立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的相關(guān)技術(shù)見表2，秸稈粉碎還田機(jī)工作時(shí)，立式式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，牽引還田機(jī)前進(jìn)，拖拉機(jī)

63、后輸出軸輸出動(dòng)力通過(guò)換向節(jié)將動(dòng)力傳入還田機(jī)上端的變速箱，機(jī)架上端的動(dòng)力輸出軸通過(guò)齒輪齒輪分別與前后階梯分布的粉碎裝置相連接，進(jìn)而將動(dòng)力傳遞給前后兩粉碎裝置，通過(guò)齒輪的外嚙合，實(shí)現(xiàn)兩粉碎裝置的正反轉(zhuǎn)，粉碎裝置刀盤的中心距離略大于刀盤長(zhǎng)度的一半，這樣在在兩粉碎刀盤中間形成一個(gè)共同粉碎區(qū)域，位于這共同區(qū)域的香蕉假莖會(huì)受到相對(duì)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(jī)主要性能參數(shù) Table.2 Main technical parameters of returning machine with vertical type 參數(shù) 設(shè)計(jì)值 機(jī)具配套動(dòng)力/kw 80 作業(yè)

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

65、G. 7 vertical banana straw crushing and returning machine frame 3.3還田機(jī)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(jī)作業(yè)時(shí)采用對(duì)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(guò)田間實(shí)地測(cè)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(jī)器的配套動(dòng)力，取。 3.4 動(dòng)力傳遞方式 立式香蕉秸稈粉碎還田裝置傳機(jī)的動(dòng)力經(jīng)變速箱分兩路傳遞:一級(jí)粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和二級(jí)粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)。一級(jí)粉碎動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給還田機(jī)上端的變數(shù)箱的輸入軸，動(dòng)力輸入主動(dòng)軸經(jīng)圓錐齒輪向下將動(dòng)力傳遞給一級(jí)傳動(dòng)軸（增速），再經(jīng)圓錐齒輪將動(dòng)力向前傳動(dòng)給二級(jí)從動(dòng)軸（平速），最后再通過(guò)圓錐齒輪將動(dòng)力傳遞給一級(jí)粉碎裝置：二級(jí)粉碎裝置沖動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給還田機(jī)上端的變數(shù)箱的輸入軸，動(dòng)力輸入主動(dòng)軸經(jīng)圓錐齒輪向下將動(dòng)力傳遞給一級(jí)傳動(dòng)軸（增速），再經(jīng)圓錐齒輪將動(dòng)力向后傳動(dòng)給二級(jí)從動(dòng)軸（平速），最后再通過(guò)圓錐齒輪將動(dòng)力傳遞給一級(jí)粉碎裝置。立式對(duì)旋剪切式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是經(jīng)變數(shù)箱將動(dòng)力同時(shí)向前向后兩側(cè)傳遞。 3.5傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速 課題組所擁有的拖拉機(jī)為雷沃歐豹M804型拖拉機(jī)（兩臺(tái)），拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速n1分別為，720r/min和1100r/min由于變速箱的傳動(dòng)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(zhuǎn)速n1可以通過(guò)公式計(jì)算： n1=ni