武濤，馬旭,2*，陳學(xué)深，陳耿文，賴遠(yuǎn)宏

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510642；2.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣東 廣州510642)

玉米根茬根系豐富、熱值高，是一種清潔的生物質(zhì)能燃料[1]。研究表明，玉米根茬占玉米秸稈總質(zhì)量的12% ～15%[2]。全世界玉米根茬的年產(chǎn)量可達(dá)2.25億t[3]。研制玉米根茬收獲機具，進(jìn)而實現(xiàn)玉米根茬的規(guī)?；茫瑢ΡＷo環(huán)境和開發(fā)生物清潔能源具有重要意義。

玉米根系與土壤交織、纏繞，形成根土復(fù)合結(jié)構(gòu)，稱之為根土復(fù)合體，這種緊密的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得玉米根茬的根土分離十分困難。玉米根茬收獲機械，須破壞根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)，使根茬與包裹其上的土壤實現(xiàn)分離，最終完成根茬的收集[4]。目前研制的玉米根茬收獲機具主要有玉米根茬起鋪機[5–8]、玉米根茬收集機[3,9–13]與玉米根茬脫土機[14–15]等，這些機具的根土分離作業(yè)方式大致可分為碾壓式、擊打式、抖動式、揉搓式，以及它們的組合形式。

根土分離機構(gòu)是玉米根茬收獲機具的關(guān)鍵部件。為設(shè)計低耗高效的根土分離部件，提高玉米根茬根土分離率，需確定較優(yōu)的玉米根茬根土分離作業(yè)方式與作業(yè)參數(shù)。筆者利用自行研制的根莖類作物根土分離試驗臺，進(jìn)行了不同作業(yè)方式的根土分離效果對比試驗，獲得了較優(yōu)的根土分離作業(yè)方式。在此基礎(chǔ)上，對影響根土分離率與作業(yè)功耗的關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗，建立作業(yè)參數(shù)與根土分離率以及作業(yè)功耗之間的數(shù)學(xué)模型，確定最佳作業(yè)參數(shù)，以期為玉米根茬收獲機械的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

1 試驗裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

根莖類作物根土分離試驗臺由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制，主要由碾壓脫土機構(gòu)、擊打脫土機構(gòu)、抖動脫土機構(gòu)、輸送鏈、調(diào)速電機及傳動系統(tǒng)組成，如圖1 所示。碾壓脫土機構(gòu)由碾壓輥及支撐板組成；擊打脫土機構(gòu)由轉(zhuǎn)子、飛錘和罩板組成；抖動脫土機構(gòu)由桿條抖動鏈及抖動輪組成。該試驗臺可通過調(diào)整工作參數(shù)實現(xiàn)碾壓、擊打、抖動的單獨作業(yè)方式或組合作業(yè)方式，并可根據(jù)試驗要求對碾壓軋距、碾壓輥轉(zhuǎn)速、飛錘轉(zhuǎn)速、飛錘質(zhì)量、桿條抖動鏈振幅、振頻、運動速度、升角等工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

試驗臺由調(diào)速電機驅(qū)動，工作時，玉米根茬根土復(fù)合體從進(jìn)料口落入輸送鏈上，輸送至碾壓脫土機構(gòu)碾壓輥下方，碾壓輥與支撐板對根土復(fù)合體進(jìn)行碾壓，接著根土復(fù)合體被輸送至擊打脫土機構(gòu)下方，旋轉(zhuǎn)的飛錘擊打根土復(fù)合體，并拋擲根土復(fù)合體，撞擊至罩板后下落到抖動脫土機構(gòu)的抖動輸送鏈上，破碎的土壤經(jīng)輸送鏈與桿條抖動鏈間隙下落至地面，而玉米根茬在經(jīng)過抖動脫土后落入集茬箱，根土分離完成。

圖1 根莖類作物根土分離試驗臺結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of test-bed of fibrous root crops

2 試驗材料與試驗指標(biāo)

2.1 試驗材料

玉米根茬根土復(fù)合體材料取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田，土壤質(zhì)地為中壤土。根據(jù)經(jīng)驗，土壤含水率是影響玉米根茬根土分離效果的重要因素。為考察土壤含水率對根土分離效果的影響，依據(jù)含水率高低，將試驗樣品分為2組。A組為剛從田間挖出的玉米根茬根土復(fù)合體，土壤含水率為30% ～35%，玉米根茬連同裹挾的土壤整株挖出，用塑料袋包裹，防止水分蒸發(fā)。B組的制備過程為：將玉米根茬連同裹挾的土壤整株挖出，置于田間晾曬，待玉米根茬根土復(fù)合體的土壤含水率下降為10% ～ 15%時，用塑料袋包裹，防止水分蒸發(fā)。測量2組根土復(fù)合體樣品的質(zhì)量與直徑，并對樣品進(jìn)行篩選，以保證樣品的一致性。

2.2 試驗指標(biāo)及測試方法

根土分離率是指根土分離作業(yè)脫去的土壤與根土分離作業(yè)前根茬所包裹土壤的質(zhì)量比，是衡量玉米根茬根土分離效果的關(guān)鍵指標(biāo)。根土分離率T=(W1–W2)/(W1–W3)×100%，式中：W1為投入根土分離試驗臺的根土復(fù)合體質(zhì)量(g)；W2為經(jīng)根土分離試驗臺脫土后含殘余土壤的根茬質(zhì)量(g)；W3為不含殘余土壤的根茬凈質(zhì)量(g)。

作業(yè)功耗由安裝于試驗臺驅(qū)動軸上的扭矩傳感器(型號ZRN503，量程為±0 ～200 N·m，電源±15 VDC，輸出頻率(10±5) kHz，北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司)測量。

3 試驗方法

通過單獨作業(yè)方式、組合作業(yè)方式以及不同作業(yè)次數(shù)的根土分離效果試驗，篩選較優(yōu)的玉米根茬根土分離作業(yè)方式；針對優(yōu)選的作業(yè)方式，進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗，以確定最佳的作業(yè)參數(shù)。

3.1 單獨作業(yè)方式與組合作業(yè)方式的根土分離效果試驗

調(diào)整試驗臺參數(shù)，使其分別實現(xiàn)碾壓、擊打，抖動的單獨作業(yè)方式，以及碾壓+擊打、碾壓+抖動，擊打+抖動，碾壓+擊打+抖動的組合作業(yè)方式，對高含水率樣品(A組)與低含水量樣品(B組)分別進(jìn)行脫土作業(yè)，以根土分離率為試驗指標(biāo)，每種作業(yè)方式重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值，其主要作業(yè)參數(shù)為：軋距20 mm、飛錘轉(zhuǎn)速300 r/min、飛錘質(zhì)量0.2 kg、抖動鏈升角20°、抖動頻率15 Hz。

3.2 不同作業(yè)次數(shù)的根土分離效果試驗

調(diào)整試驗臺參數(shù)，使其分別實現(xiàn)碾壓、擊打，抖動的單獨作業(yè)方式。選擇低含水量樣品(B組)，對每種單獨作業(yè)方式分別進(jìn)行3 種處理。處理1：對同一樣品作業(yè)1次；處理2：對同一樣品作業(yè)2次；處理3：對同一樣品作業(yè)3次。以根土分離率為試驗指標(biāo)，每種處理重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。

3.3 碾壓+擊打組合作業(yè)方式的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗

根據(jù)以上試驗確定的玉米根茬機械化脫土的最佳工藝(即針對低含水率的玉米根茬根土復(fù)合體，采用碾壓+擊打組合的作業(yè)方式效果最佳)，對該作業(yè)方式下的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗。在碾壓+擊打組合的作業(yè)方式下，影響根土分離效果的主要因素為碾壓軋距、飛錘轉(zhuǎn)速和飛錘質(zhì)量。

Box–Behnken 設(shè)計模型能用較少的試驗次數(shù)進(jìn)行全面的分析研究[16]，根據(jù)Box–Behnken 中心組合設(shè)計原理[17–20]，利用Design–Expert 軟件設(shè)計3 因素3 水平的響應(yīng)面分析試驗。采用低含水率樣品，以碾壓軋距、飛錘轉(zhuǎn)速、飛錘質(zhì)量為試驗因素，以根土分離率與功耗為試驗指標(biāo)，每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。試驗因素水平編碼如表1 所示。

表1 試驗因素及水平 Table 1 Coding list of factors and levels

4 結(jié)果與分析

4.1 單獨作業(yè)方式與組合作業(yè)方式對根土分離率的影響

圖2 結(jié)果表明，單獨作業(yè)方式，對于低含水率樣品，碾壓方式的根土分離率最高，抖動方式的最低，表明對于含水率較低的根土復(fù)合體，碾壓方式比擊打和抖動方式可更有效地破壞根茬與土壤間的連接。對于高含水率樣品，擊打方式的根土分離率最高，抖動方式的最低，說明對于含水率較高的根土復(fù)合體，碾壓方式的根土分離效果下降，這是由于碾壓使得土壤被壓實在根茬上，不易實現(xiàn)根土分離。采用抖動方式的根土分離率都相對較低。

圖2 單獨作業(yè)方式的根土分離率 Fig.2 Roots-soil separation rate of single operation

圖3 結(jié)果表明，組合作業(yè)方式中，對于低含水率樣品，碾壓+擊打+抖動組合方式的根土分離率最高，其次為碾壓+擊打組合方式，再次為碾壓+抖動組合方式，擊打+抖動組合方式的最低。碾壓+擊打+抖動組合方式的根土分離率雖然最高，但與采用碾壓+擊打組合方式的根土分離率相比，提高并不顯著，表明采用抖動方式的分離效果較差，且采用3 種作業(yè)方式的組合進(jìn)行玉米根茬脫土，會增加機具設(shè)計的復(fù)雜性，因此，從根土分離率和簡化結(jié)構(gòu)綜合考慮，采用碾壓+擊打的作業(yè)方式較優(yōu)。對于高含水率樣品，不論采用何種組合作業(yè)方式，根土分離率均較低(＜80%)。

綜上，組合作業(yè)方式的根土分離率高于單獨作業(yè)方式，低含水率樣品的根土分離率高于高含水率樣品，因此實現(xiàn)玉米根茬的根土分離，應(yīng)采用低含水量樣品。

圖3 組合作業(yè)方式的根土分離率 Fig.3 Roots-soil separation rate of combined operation

4.2 作業(yè)次數(shù)對根土分離效果的影響

對低含水率樣品進(jìn)行不同作業(yè)次數(shù)的根土分離效果試驗，并對組合作業(yè)方式與多次單獨作業(yè)方式的根土分離效果進(jìn)行比較。

4.2.1 作業(yè)次數(shù)對根土分離率的影響

圖4 結(jié)果表明，隨作業(yè)次數(shù)的增加，3 種作業(yè)方式的根土分離率均上升，其中擊打方式的作業(yè)次數(shù)對根土分離率的影響最顯著，其根土分離率提高最明顯，碾壓與抖動方式的作業(yè)次數(shù)對根土分離率影響不顯著。

圖4 不同作業(yè)次數(shù)的根土分離率 Fig.4 Influence of operating times on roots-soil separation rate

4.2.2 組合作業(yè)方式與多次單獨作業(yè)方式比較

對比圖3 及圖4 可知，對于低含水率樣品，采用碾壓+擊打組合作業(yè)方式的根土分離率高于3次碾壓及3次抖動的作業(yè)方式，高于2次擊打、接近3次擊打的作業(yè)方式。這是因為碾壓作用破壞了根茬與土壤之間的連接，使包裹在根茬上的大團塊狀土壤散碎為小塊或粉末，隨后擊打作用使小塊土壤與根茬徹底分離，而單純的多次碾壓只能使土壤粉碎，卻無法徹底使土壤與根茬分離。單次擊打只能粉碎外部土壤，內(nèi)部土壤與根茬連接緊密，需要通過多次擊打，破壞外部土壤才能使內(nèi)部土壤粉碎，但多次擊打的方式增加了機具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性且降低了工作效率，因此，采用碾壓+擊打組合作業(yè)方式的根土分離效果優(yōu)于多次單獨作業(yè)方式。

以上結(jié)果表明，為提高玉米根茬的根土分離率，在玉米根茬機械化收獲時，應(yīng)先將玉米根茬根土復(fù)合體在田間晾曬至干燥，再采用碾壓+擊打組合作業(yè)方式進(jìn)行根茬脫土。

4.3 作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果

優(yōu)化作業(yè)參數(shù)的試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗結(jié)果 Table 2 Results of experiment

4.3.1 回歸模型的建立與檢驗

利用Design–Expert 軟件對表2 中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到根土分離率的回歸模型。

模型的方差分析結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，軋距、飛錘轉(zhuǎn)速以及飛錘質(zhì)量對根土分離率的影響均極顯著，影響主次依次為飛錘質(zhì)量、軋距、飛錘轉(zhuǎn)速，且軋距與飛錘質(zhì)量之間存在交互作用。模型的F 值為31.77，P<0.000 1，說明該模型極顯著，失擬項的F 檢驗結(jié)果不顯著(P=0.115 6＞0.05)，說明模型擬合度高；決定系數(shù)R2=0.949 6，且預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2預(yù)測)與校正復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2校正)較接近，說明模型能夠正確反映y1與x1、x2、x3之間的關(guān)系，可以根據(jù)模型對根土分離率進(jìn)行預(yù)測。

表3 根土分離率回歸方程的方差分析 Table 3 Variance analysis of roots-soil separation rate

對表2 中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到功耗的回歸數(shù)學(xué)模型。

模型的方差分析結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，軋距、飛錘轉(zhuǎn)速對功耗的影響顯著，飛錘轉(zhuǎn)速的影響大于軋距，飛錘質(zhì)量對功耗的影響不顯著。模型的F 值為62.90，P<0.000 1，說明該模型極顯著，失擬項的F 檢驗結(jié)果不顯著(P=0.149 5＞0.05)，說明模型擬合度高；決定系數(shù)R2=0.912 9，且預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)與校正復(fù)相關(guān)系數(shù)較接近，說明模型能夠正確反映y2與x1、x2之間的關(guān)系，可以根據(jù)模型對功耗進(jìn)行預(yù)測。

表4 功耗回歸方程方差分析 Table 4 Variance analysis of power consumption

4.3.2 作業(yè)參數(shù)對根土分離率的響應(yīng)曲面分析

根據(jù)試驗結(jié)果(表2)，得到作業(yè)參數(shù)對根土分離率的響應(yīng)曲面圖，如圖5 所示。

圖5 根土分離率的響應(yīng)曲面 Fig.5 Response surface for roots-soil separation rate

由圖5–a 可知，在飛錘質(zhì)量處于0 水平時，根土分離率隨飛錘轉(zhuǎn)速的增加而緩慢上升，且上升趨勢基本穩(wěn)定，根土分離率隨軋距的增加而降低，且降低趨勢逐漸增加。軋距對根土分離率的影響比飛錘轉(zhuǎn)速顯著，等高線平行表明軋距與飛錘轉(zhuǎn)速之間無交互作用，與方差分析的結(jié)果一致。

由圖5–b 可知，在飛錘轉(zhuǎn)速處于0 水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量的增加而上升，隨軋距的增加而降低。當(dāng)軋距處于低水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量的增加而緩慢上升；當(dāng)軋距處于高水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量的增加而迅速上升，這是由于軋距較小時，碾壓輥將根土復(fù)合體破壞，已取得較高的根土分離率，飛錘的擊打作用雖然進(jìn)一步提高了根土分離率，但飛錘的質(zhì)量增長對提高根土分離率的貢獻(xiàn)較小。當(dāng)飛錘質(zhì)量處于低水平時，根土分離率隨軋距的增加而降低，且降低趨勢逐漸增加；當(dāng)飛錘質(zhì)量處于高水平時，軋距處于中水平時根土分離率達(dá)到極大值，這是由于軋距較小時，部分土壤被壓實在根茬上，影響了根土分離率的提高，而軋距在中水平時，碾壓輥將根土復(fù)合體破壞，飛錘以較高的質(zhì)量沖擊根土復(fù)合體，使根土徹底分離，從而獲得較高的根土分離率。由圖5–b 還可知，飛錘質(zhì)量對分離率的影響比軋距顯著，等高線不平行表明軋距與飛錘質(zhì)量之間存在交互作用，與方差分析的結(jié)果一致。

由圖5–c 可知，當(dāng)軋距處于0 水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量與轉(zhuǎn)速的增加而上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于低水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量的增加而顯著提高；當(dāng)轉(zhuǎn)速處于高水平時，根土分離率隨飛錘質(zhì)量的增加而提高的趨勢減弱；在轉(zhuǎn)速與飛錘質(zhì)量都處于高水平時，根土分離率達(dá)到極大值，表明當(dāng)飛錘轉(zhuǎn)速較低時，飛錘質(zhì)量的增加對根土分離率的貢獻(xiàn)較大，當(dāng)飛錘轉(zhuǎn)速較高時，飛錘質(zhì)量的增加對根土分離率的貢獻(xiàn)度減少。由圖5–c 還可知，飛錘質(zhì)量對分離率的影響比飛錘轉(zhuǎn)速顯著，等高線平行表明，飛錘質(zhì)量與飛錘轉(zhuǎn)速之間無交互作用，與方差分析的結(jié)果一致。

4.3.3 作業(yè)參數(shù)對功耗的響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表2 的試驗數(shù)據(jù)，得到作業(yè)參數(shù)對功耗的響應(yīng)曲面，如圖6 所示。由圖6 可知，功耗隨轉(zhuǎn)速增加而迅速升高，隨軋距增加而緩慢降低，轉(zhuǎn)速對功耗的影響比軋距顯著，軋距與轉(zhuǎn)速之間無交互作用，與方差分析的結(jié)果一致。

圖6 功耗的響應(yīng)曲面 Fig.6 Response surface for power consumption

4.3.4 作業(yè)參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

通過分析可知，根土分離率與功耗都隨轉(zhuǎn)速的增加而升高，以根土分離率最大、作業(yè)功耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下約束條件。

對模型(1)和(2)進(jìn)行尋優(yōu)，得到最優(yōu)解為：x1=22 mm，x2=200 r/min，x3=0.3 kg，在該參數(shù)組合下的根土分離率預(yù)測值為94.84%，作業(yè)功耗預(yù)測值為0.8 kW。采用上述最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行驗證試驗，用低含水率樣品重復(fù)5次試驗，取平均值，測得根土分離率為95.44%，作業(yè)功耗為0.72 kW。試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，表明模型的可信度較高。以最佳作業(yè)參數(shù)對玉米根茬復(fù)合體進(jìn)行根土分離作業(yè)，能夠滿足設(shè)計與使用要求。

5 結(jié)論

單獨作業(yè)和組合作業(yè)等多種根土分離作業(yè)方式的試驗結(jié)果表明，采用碾壓+擊打組合作業(yè)方式對低含水率根土復(fù)合體進(jìn)行脫土作業(yè)是最佳的根土分離作業(yè)方式。

針對最佳根土分離作業(yè)方式，建立了根土分離率與作業(yè)功耗的回歸模型。模型的方差分析表明，作業(yè)參數(shù)對根土分離率的影響主次依次為飛錘質(zhì)量、軋距、飛錘轉(zhuǎn)速，飛錘轉(zhuǎn)速對作業(yè)功耗的影響大于軋距，飛錘質(zhì)量對功耗影響不顯著。

以根土分離率最大、作業(yè)功耗最小為目標(biāo)，對所建模型進(jìn)行尋優(yōu)，得到最優(yōu)工作參數(shù)為軋距=22 mm，飛錘轉(zhuǎn)速=200 r/min，飛錘質(zhì)量=0.3 kg。試驗測得根土分離率為95.44%，作業(yè)功耗為0.72 kW，驗證試驗值與理論預(yù)測值基本一致，表明模型的可信度較高。

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