一种双向网格化高速破茬切秆作业装置及作业方法与流程

本发明涉及一种双向网格化高速破茬切秆作业装置及作业方法，属于农业机械设备领域。

背景技术：

1、玉米秸秆全量耙混还田耕整地技术是指玉米机收后，将覆盖于地表的秸秆通过深耕与土壤混合，耕后地表秸秆覆盖率不高于30%的秸秆还田耕整地技术。该技术通过机具作业实现秸秆地表覆盖还田与耕层混埋还田相结合的复式还田，有效解决低温冷凉区全量秸秆覆盖还田地温提升慢、播种机通过性低、出苗质量差等问题。其核心作业环节为：秋季机收后，采用圆盘类整地机或松耙联合整地机对耕地进行全幅耕作，将大量秸秆和根茬切碎并混埋入土，其余秸秆覆盖地表。

2、现有技术中，圆盘耙整地机（如专利202521546641.7中提到的地形自适应种床整地机）作为配套装备能完成秸秆、根茬切碎及碎土镇压等多项作业，其主要切茬部件为圆盘耙片，通过耙片纵向交错滚动切割秸秆和根茬，实现一次进地完成整地、秸秆切碎、土壤秸秆混拌、深埋等一系列作业；松耙联合整地机（如专利202111549810.9中提到的玉米秸秆全量还田联合整地机）则集深松、耙地、碎土于一体，主要由切草装置、弧形深松铲和圆盘耙组组成，具有作业效率高、节约能耗等优点。

3、然而，在实际作业过程中，由于耙片在刀辊轴向方向上存在固定的横向间距，导致相邻耙片之间的区域成为切割盲区，大量根茬和地表长秸秆从耙片间隙中漏过而未被切断，这种漏切现象直接导致根茬破碎不彻底、秸秆切断效果差的问题，作业后地表仍残留大量未切断的根茬和长秸秆，严重影响后续播种作业的机具通过性和播种质量。

4、因此，本领域亟需开发一种能够消除耙片横向间距造成的切割盲区、在高速作业条件下实现根茬与秸秆充分切断的破茬切秆技术，以弥补现有圆盘耙整地机残茬漏切的技术短板。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明针对玉米秸秆全量耙混还田耕整地作业过程中存在根茬破碎不彻底、秸秆切断效果差的问题，提供了一种双向网格化高速破茬切秆作业装置及作业方法，可以显著提高玉米根茬破碎与秸秆切断的作业效果，以解决现有技术中存在的上述问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案之一为一种双向网格化高速破茬切秆作业装置，包括主机架、分别安装于主机架上的横向切茬作业总成和纵向切茬作业总成；

3、横向切茬作业总成包括前刀辊座和后刀辊座，前刀辊座上安装有前切刀片，后刀辊座上安装有后切刀片，前切刀片和后切刀片分别与各自刀辊的轴线呈夹角安装；

4、纵向切茬作业总成包括波纹刀盘，波纹刀盘具有波纹型圆周轮廓和切秆缺口结构。

5、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

6、进一步，主机架包括牵引架、前悬挂架、后支架、深度调节机构、液压缸和地轮，该装置的工作速度为10km/h以上，作业深度h为20～150mm，作业幅宽w为1000～2000mm；

7、横向切茬作业总成安装于前悬挂架，纵向切茬作业总成安装于后支架，牵引架通过丝杠与销轴连接后支架，前悬挂架通过u型卡箍固定于后支架，深度调节机构通过液压缸调节地轮相对于后支架的高度。

8、进一步，横向切茬作业总成还包括固定座、调节板和横向轴承座；

9、固定座连接于前悬挂架，固定座与调节板通过螺栓连接，调节板上设有调节横向切茬作业总成作业深度的中心孔位和多个调节孔位，前刀辊座和后刀辊座通过横向轴承座和螺栓连接于调节板。

10、进一步，纵向切茬作业总成分为左侧纵向切茬总成与右侧纵向切茬总成，左侧纵向切茬总成与右侧纵向切茬总成结构相同，包括前竖轴、前轴座、前梁、弯板支座、弯柄、刮土折板、连接轴、限位板、波纹刀盘、双头丝杠、固定支座、固定丝杠、后竖轴、后轴座、后梁、刮土梁、刮土板和纵向轴承座；

11、前轴座通过前竖轴连接于后支架，后轴座通过后竖轴连接于后支架，前轴座和后轴座分别焊接于前梁和后梁；弯板支座连接前梁和后梁，弯柄连接弯板支座和纵向轴承座，连接轴穿连于纵向轴承座之间，连接轴上安装有限位板和波纹刀盘，相邻波纹刀盘间距为180～220mm，刮土梁固接于弯柄，刮土梁上安装有刮土折板和刮土板，双头丝杠和固定丝杠安装于前梁和后梁之间，工作角度调节范围为0°～12°。

12、纵向切茬作业总成的角度调节具体操作流程如下：以左侧纵向切茬总成为例，通过控制双头丝杠的长度，双头丝杠的一端与固定支座通过u型卡箍固接到主机架，双头丝杠的另一端迫使前梁围绕前轴座发生相对转动，旋转点为z1，前梁的转动导致固定丝杠的一端同时移动，固定丝杠的另一端带动后梁围绕后轴座发生相对转动，旋转点为z2，进而使得前梁与后梁之间形成工作角度f1；右侧纵向切茬总成的工作角度f2调节方式与左侧纵向切茬总成相同，通过控制双头丝杠的安装长度调节工作角度f2，前梁位置的旋转点为z3，后梁位置的旋转点为z4，其中，工作角度f1角度调节范围为0°～12°，工作角度f2角度调节范围为0°～12°。

13、进一步，波纹刀盘具有切秆缺口结构与波纹型结构两项特点，缺口形状由点b0至b1的圆弧段、点b1至b5的折线段组成，点b0至b1的圆弧段作为导向圆弧用于固定地表秸秆，切秆缺口结构的导向圆弧半径r的取值范围与地表秸秆截面的直径相关，取值范围为40～60mm，点b4处的尖点用于扎切到秸秆内部，有助于破切秸秆，线段b3-b4与线段b4-b5之间的夹角b取值为45°～60°，折线段b3-b4-b5的截面为楔形结构，减小作业过程中的切割阻力，楔角c取值为30°～90°，缺口长度p1为160～220mm，缺口尖点长度p2为100～150mm；

14、波纹刀盘的波纹型圆周轮廓的截面外廓曲线为正弦函数y=asinx，a为20～50mm。

15、进一步，前刀辊座沿周向均匀设置6个前切刀片，沿轴向设置3组，中间组与侧边组错位布置，组间间距为350～850mm，前刀辊座安装前切刀片后的外周圆直径d1为400～700mm，前切刀片与轴线的安装夹角g1为6°～12°；

16、后刀辊座沿周向均匀设置6个后切刀片，沿轴向设置3组，中间组与侧边组错位布置，组间间距为350～850mm，后刀辊座安装后切刀片后的外周圆直径d2为300～400mm，后切刀片与轴线的安装夹角g2为3°～6°。

17、该作业装置的工作原理为：作业时，前刀辊座和后刀辊座在机组带动下被动式高速旋转，安装的前切刀片和后切刀片对根茬和秸秆实施滚动冲击与剪切。由于刀片相对刀辊中轴轴线设置有安装夹角，刀片刃口呈倾斜状态接触秸秆，使切割方式由垂直砍切转变为滑切与拉伸的复合作用，增加有效切割线长度，同时产生的轴向分力推动切断的秸秆和根茬沿刀辊轴向有序流动，避免缠绕堆积。前刀辊座与后刀辊座在轴向上各设置3组刀片且组间错位布置，使两辊切割轨迹相互交错补充，消除横向漏切区间。纵向切茬作业总成则通过双头丝杠和固定丝杠的联动调节，使前梁绕前轴座旋转、后梁绕后轴座旋转，形成0°～12°的可调工作角度，安装于连接轴上的波纹刀盘以一定倾斜角度对横向残留的秸秆和根茬底部进行纵向切割，其波纹型圆周轮廓在旋转时产生连续波浪式切割轨迹，与横向切茬作业总成的切割轨迹交汇，在地表形成双向网格化切痕，确保任意方向分布的秸秆和根茬均被有效切断，同时可以通过增加纵向切茬作业总成的工作角度，适量扰动土壤，促进秸秆与土壤混合。

18、该装置的有益效果为：

19、1、本发明的作业装置横向切茬作业总成采用前刀辊座与后刀辊座双辊错位布置结构，前刀辊和后刀辊各自沿圆周均布6个切刀片、轴向设置3组且组间交错排列，使两辊切割轨迹相互补充，消除刀片轴向间距造成的切割盲区，大幅提高幅宽方向上的切茬密度和均匀性，同时对称分布的切削力有效减少刀辊高速旋转时的动不平衡；

20、2、前切刀片与中轴轴线之间设置有6°～12°安装夹角，后切刀片设置有3°～6°安装夹角，使刀片切割方式由垂直砍切转变为滑切与拉伸的复合作用，增加切割线长度，同时产生的轴向分力推动被切断的秸秆和根茬沿刀辊轴向流动，避免秸秆在刀辊局部区域的堆积缠绕，改善排茬顺畅性；

21、3、纵向切茬作业总成通过双头丝杠与固定丝杠的联动调节，可使左侧和右侧纵向切茬总成分别独立形成0°～12°可调的工作角度，前梁和后梁各自绕其轴座旋转，实现纵向切茬作业总成切割角度调节，通过增大工作角度提高土壤扰动效果；

22、4、波纹刀盘同时具备切秆缺口结构与波纹型结构两项特点：切秆缺口中的导向圆弧可将地表秸秆有效固定于缺口内，尖点扎切进入秸秆内部实现破切，楔形截面显著降低切割阻力；波纹型圆周轮廓在旋转时形成连续波浪式切割轨迹，增加单位时间内对秸秆的切割频次，大幅提高对根茬与秸秆的切断能力；

23、5、横向切茬作业总成和纵向切茬作业总成的工作部件均采用被动式滚动切割方式，作业速度可达10 km/h以上，经试验验证，在作业速度12 km/h、深度50 mm条件下，双向网格化切割方式的灭茬率为92.4%，秸秆切断率为91.8%，土壤扰动系数为90.2%，结果表明，双向网格化切割方式的根茬与秸秆的切断、土壤扰动的作业效果及工作效率显著高于仅横向切割和仅纵向切割作业方式。

24、本发明的另一技术方案为利用双向网格化高速破茬切秆作业装置作业的方法，包括以下步骤：

25、秋季机械收获后，根茬留茬高度≤150mm，地表秸秆长度≤800mm，机收后的秸秆全量均匀覆盖于地表，采用双向网格化高速破茬切秆作业装置以双向切割线对根茬及地表秸秆进行网格化切割作业，切割线的作业幅宽w为1000～2000mm，其中，横向切割线为两条，纵向切割线为一条。

26、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

27、进一步，横向切割线1号切割线和2号切割线，纵向切割线为3号切割线；

28、1号切割线对根茬头部与纵向分布的长秸秆进行初步切割，切割线高h1为100～200mm，偏角a1为6°～12°，相邻两个切割线之间的距离k1为100～200mm；

29、2号切割线对根茬头部与纵向分布的长秸秆进行细致切割，切割线高h2为50～100mm，偏角a2为3°～6°，相邻两个切割线之间的距离k2为50～100mm；

30、3号切割线对根茬底部与横向分布的长秸秆进行切割，切割线为波纹状结构，波长h3为50～100mm，波高a3为30～60mm，3号切割线的切割角度可调，调节范围为0°～6°，提高切茬效果的同时可以增加土壤扰动效果。

31、进一步，相邻两个1号切割线之间的距离k1是相邻两个2号切割线之间的距离k2的2倍。

32、进一步，切割线的作业幅宽w为1300mm，作业深度为20～150mm，作业速度≥10km/h。

33、作业的原理为：依据根茬与地表秸秆的空间分布特征，将切割作业分解为横向与纵向两个正交方向，形成网格化切割路径，在机组前进方向上，利用两道高度和偏角呈梯度递减的横向切割线，先后对根茬头部及纵向分布的长秸秆实施两级递进式横向切割：1号切割线以较高位置和较大偏角完成粗切，2号切割线以较低位置和较小偏角进行精切，使根茬从茎基部被切断并破坏其与土壤的固结，同时将纵向分布的秸秆切断，随后利用波纹状结构的纵向切割线沿垂直于机组前进的方向对根茬底部及横向分布的长秸秆进行纵向切割，并与前序横向切割轨迹交叉，在秸秆覆盖层和根茬区域形成完整闭合的网格化切割面，使根茬和长秸秆在横向与纵向两个方向上均被充分切断，从而弥补单一方向切割存在的漏切区域，实现全幅宽范围内根茬和秸秆的高效破碎。

34、有益效果

35、1、作业方法通过设置横向与纵向两级双向切割线，在地表形成完整闭合的网格化切割路径，有效弥补单一方向切割导致的漏切区域，解决圆盘耙整地机因耙片横向间距产生的根茬破碎不彻底、地表长秸秆残留问题；

36、2、横向切割线采用高度和偏角递进式设计，先粗切后精切，纵向切割线采用波纹状结构并可调节切割工作角度，三级切割线协同作业，在高速作业条件下实现了根茬和秸秆的高效切断。