中国是香蕉生产及消费大国,随着国内香蕉种植面积的不断扩大,如何处理收获后废弃的香蕉秸秆成为我国香蕉种植业面临的一大难题。目前,国内大部分地区仍以传统方式处理香蕉秸秆,将人工砍伐后的秸秆燃烧或废弃田间地头,不仅处理效率低下,而且还有可能造成环境污染及土壤破坏等问题。香蕉秸秆的粉碎还田将有效提高废弃秸秆的处理效率,解决人工搬运秸秆带来的劳作强度高及效率低下等问题。同时,将富含有机质及微量元素的香蕉秸秆粉碎还田,还有利于改善蕉园土壤结构,增加土壤有机质含量。目前,用于香蕉秸秆粉碎还田作业的成熟配套机具还很缺乏,粉碎质量欠佳,作业效率有待提高。基于此状况,结合理论分析、有限元仿真分析及正交试验三种方法,对海南大学所研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机进行优化改造,从机架壳体的优化、粉碎装置的优化及过载保护器的设计三大方面对立式香蕉秸秆粉碎还田机进行优化设计,其主要优化内容为:(1)机架机壳的优化设计。缩小了机壳的作业幅宽以降低机具的作业功耗,同时为了方便粉碎刀的维修与保养,在机壳顶部增设方形天窗。对初步改造后的机壳进行了模态分析及灵敏度分析,得出机壳的前六阶模态频率及对应振型,以及模态频率对机壳各部位钢板厚度的灵敏度。以仿真分析参数为参考对机壳的前悬挂装置及各部位的钢板厚度进行了优化设计。优化后的机壳一阶模态频率提高了 28%,重量降低了9%,在保证机壳模态频率错开共振频率的同时实现了机壳轻量化的设计目的。(2)粉碎装置的优化设计。首先,分析了 L型粉碎弯刀在作业过程中出现的两种失效形式:粉碎刀的断裂失效和非断裂失效。随后,对粉碎刀的结构、材料、刃口及厚度等参数做了优化改进,新的粉碎装置由直型刀配合折弯刀架组成,刀体材料选用65Mn弹簧合金钢,刃口部位进行耐磨合金堆焊处理,刀片的设计厚度定为12mm。最后,在刀架上设置呈45°角偏斜于刀架中心线的阻挡块,以解决粉碎刀因偏摆角度过大造成的秸秆切割功耗上升问题。此外,考虑秸秆粉碎效果,经理论分析计算得出立式刀轴转速应不低于1070r/min。(3)为防止香蕉秸秆粉碎还田机作业时发生过载,制定了两种过载保护器的设计方案:(1)安全剪切销过载保护装置(2)过载保护摩擦离合器。综合考虑制造加工难度及成本等因素,选用安全剪切销作为立式香蕉秸秆粉碎还田机的过载保护装置。除此之外,还对机具的行走装置进行了改造,通过用滚动负重轮代替原来的行走装置可在一定程度上降低机具的作业功耗。(4)对优化改造后的香蕉秸秆粉碎还田机设计了三因素三水平正交试验。由试验分析结果可知,影响机具整体作业效果的因素其影响度从大到小依次为:粉碎刀片厚度→立式刀轴转速→机具行进速度。同时,当机具前进速度为3km/h,立式刀轴转速为2000r/min,粉碎刀片设计厚度为12mm时,机具的粉碎率效果及地面粉碎秸秆覆盖率最好,由此也确定了粉碎刀片的设计参数为12mm。