李霞 湯明軍 王維新 張思遠(yuǎn)

摘要：為確定受迫振動(dòng)深松鏟的關(guān)鍵參數(shù)，以前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角作為試驗(yàn)因素，以牽引阻力作為相應(yīng)指標(biāo)，首先采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)，確定在牽引阻力最小的情況下，振動(dòng)頻率為8.3～9.2 Hz，振動(dòng)角度約為0°，前進(jìn)速度為3 km/h；然后采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)DPSv7.05軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立相應(yīng)指標(biāo)與影響因素之間的回歸數(shù)學(xué)模型。通過(guò)響應(yīng)面分析，得到前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率與牽引阻力的關(guān)系圖、等高線(xiàn)圖。得出前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角對(duì)牽引阻力的最優(yōu)參數(shù)組合：振動(dòng)頻率為8.35 Hz、前進(jìn)速度為3 km/h、振動(dòng)角為0°，為振動(dòng)深松機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：二次通用旋轉(zhuǎn)；回歸試驗(yàn)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；振動(dòng)深松鏟

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0403-04

土壤深松可以替代長(zhǎng)期淺層旋耕、翻耕作業(yè)，已有研究表明，深松可以打破犁底層，增加土壤耕層容量，降低土壤容重、堅(jiān)實(shí)度，增強(qiáng)蓄水保墑能力，有利于作物根系生長(zhǎng)，可有效避免作物倒伏，最終增加作物產(chǎn)量[1-4]。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始展開(kāi)進(jìn)行深松技術(shù)的研究和推廣，并取得了良好的效果。振動(dòng)深松鏟是受迫振動(dòng)深松機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作性能直接影響受迫振動(dòng)深松機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。國(guó)內(nèi)很多高校和研究院所也對(duì)深松鏟的設(shè)計(jì)和性能做了大量研究工作[5-9]。國(guó)內(nèi)深松機(jī)的深松鏟可分為箭式、鑿式、翼鏟式和仿形深松鏟等[10-11]，但深松鏟所受牽引阻力較大，動(dòng)力消耗較高，目前研究表明，采用振動(dòng)原理能有效降低牽引阻力，深松振動(dòng)減阻方法可分為自激振動(dòng)、受迫振動(dòng)[12-14]。Shahgoli等設(shè)計(jì)了雙齒受迫振動(dòng)深松機(jī)，研究振動(dòng)深松系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與拖拉機(jī)人員工作座位振動(dòng)之間的關(guān)系[15]。李艷龍等設(shè)計(jì)了受迫振動(dòng)式深松鏟，試驗(yàn)證明該振動(dòng)深松機(jī)能使?fàn)恳枇τ行Ы档?3%～18%[16]。蔣建東等針對(duì)茶園振動(dòng)深松機(jī)功率不足的問(wèn)題，采用ALE算法通過(guò)試驗(yàn)分析了深耕鏟-土壤的動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果表明：振動(dòng)頻率 25 Hz、振幅14 mm時(shí)，振動(dòng)切削阻力最小，且降幅約為22%[17]。周桂霞等通過(guò)多因素多水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)，對(duì)鑿尖加小雙翼形深松鏟的研究表明：翼張角31.87°、刃角20.78°、翼傾角21.44°時(shí)，深松鏟所受牽引阻力最小[18]。

針對(duì)現(xiàn)有深松機(jī)械阻力大、能耗高的問(wèn)題，結(jié)合振動(dòng)減阻的優(yōu)點(diǎn)，本研究利用自制受迫振動(dòng)深松機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，建立牽引阻力與機(jī)器行進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，確定前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角的最優(yōu)參數(shù)組合，以期為后續(xù)受迫振動(dòng)深松鏟的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

如圖1所示，本試驗(yàn)通過(guò)偏心軸實(shí)現(xiàn)受迫振動(dòng)深松減阻，其中振動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由偏心軸、十字連接器、深松鏟等組成。工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)十字連接器將偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)機(jī)構(gòu)的上下振動(dòng)，最后帶動(dòng)深松鏟振動(dòng)，完成土壤深松作業(yè)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1單因素試驗(yàn)

利用智能土槽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)，試驗(yàn)中土壤物理特性盡量保持一致：土壤含水率控制在14%～18%，土壤堅(jiān)實(shí)度控制在1.6～2.0 MPa，土壤容重控制在1.50～1.75 g/cm3。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)要嚴(yán)格控制土壤的物理?xiàng)l件，盡量縮小試驗(yàn)的組間差異。

以前進(jìn)速度v、振動(dòng)頻率f、振動(dòng)角β為試驗(yàn)因素，以牽引阻力F為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.2.2二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取前進(jìn)速度v、振動(dòng)頻率f、振動(dòng)角β為控制因素，以牽引阻力F為指標(biāo)進(jìn)行二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[19-20]，建立各因素與牽引阻力間的定量關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。其中，振動(dòng)頻率通過(guò)改變拖拉機(jī)的檔位，即動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)；振動(dòng)角度通過(guò)改變振動(dòng)深松鏟的安裝位置調(diào)整。本試驗(yàn)中確定5個(gè)不同位置的深松鏟安裝圓孔，圖2顯示3種不同振動(dòng)角的振動(dòng)深松鏟的安裝位置。

根據(jù)二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)因子數(shù)p=3，選取m0=6，查二次回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)表得γ=1.682，由方程（1）得出試驗(yàn)次數(shù)N=20次，相應(yīng)公式：

2結(jié)果與分析

2.1前進(jìn)速度對(duì)牽引阻力的影響

將前進(jìn)速度分別設(shè)為1.0、1.5、2.0、2.5、30 km/h，以不振動(dòng)試驗(yàn)作為對(duì)照試驗(yàn)組，分別測(cè)定牽引阻力的大小，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖3、圖4。2.3振動(dòng)角對(duì)牽引阻力的影響

從圖6可以看出，振動(dòng)角對(duì)牽引阻力具有一定影響，牽引力隨振動(dòng)角的變化先減小后增大再減小；當(dāng)振動(dòng)角為0°時(shí)，牽引阻力最小。

2.4二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

按照二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的基本原理與主要程式，編制試驗(yàn)方案。得到以牽引阻力F為響應(yīng)指標(biāo)、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行相應(yīng)的回歸模型分析[21-22]，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3。

2.5回歸分析

利用DPS v7.05軟件對(duì)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次通用旋轉(zhuǎn)回歸分析，牽引力F回歸方程模型：

y=1 249.2+119x1-81.3x2-159.3x3+2x12-100x22+300x32-7.3x1x2-56.8x1x3-76.7x2x3。

式中：x1、x2、x3分別為前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角的水平編碼。

為檢驗(yàn)回歸方程的顯著性，對(duì)回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)，基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，F(xiàn)1=12.59>F0.1（5，5）=3.45，顯然說(shuō)明回歸方程是失擬的；但在試驗(yàn)中心處，方程在試驗(yàn)中心擬合得很好，由于F2=5.14>F0.1（9，10）=2.35，表明牽引力回歸方程在α=0.1水平下顯著。

回歸系數(shù)在回歸方程中，每個(gè)因素的1次項(xiàng)、2次項(xiàng)以及因素間的交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的效應(yīng)是否顯著，用t檢驗(yàn)表明，被檢驗(yàn)的回歸項(xiàng)在α=0.1水平下顯著，通過(guò)DPS v7.05分析軟件得出各個(gè)系數(shù)的顯著性見(jiàn)表5。

以下是α=0.1顯著水平剔除不顯著項(xiàng)后，簡(jiǎn)化后的回歸方程：

3結(jié)論

根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立影響因素與牽引阻力之間的數(shù)學(xué)回歸模型，并研究前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角度對(duì)牽引阻力的影響。在單因素試驗(yàn)中確定各因素對(duì)指標(biāo)影響的水平范圍，為二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的因素水平的確定提供了依據(jù)。綜合單因素、二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果可得：當(dāng)前進(jìn)速度為3 km/h、振動(dòng)頻率為8.35 Hz、振動(dòng)角為0°時(shí)，牽引阻力處于最佳范圍。由于土壤情況差異較大，通過(guò)驗(yàn)證性試驗(yàn)，優(yōu)化組合參數(shù)可以作為受迫振動(dòng)深松機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭洪兵，鄭金玉，羅洋，等. 長(zhǎng)期不同耕作方式下的土壤硬度變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（9）：63-70.

[2]張祥彩，李洪文，何進(jìn)，等. 耕作方式對(duì)華北一年兩熟區(qū)土壤及作物特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（增刊1）：77-82.

[3]張瑞富，楊恒山，高聚林，等. 深松對(duì)春玉米根系形態(tài)特征和生理特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（5）：78-84.

[4]鄭侃，何進(jìn)，李洪文，等. 中國(guó)北方地區(qū)深松對(duì)小麥玉米產(chǎn)量影響的Meta分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（22）：7-15.

[5]楊光明，朱云，張瑞勤，等. 我國(guó)深松機(jī)械的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 湖南農(nóng)機(jī)（學(xué)術(shù)版），2009，36（5）：7-10.

[6]邱立春，李寶筏. 自激振動(dòng)深松機(jī)減阻試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（6）：72-76.

[7]黃玉祥，劉彬，張鵬鵬，等. 一種新型自激振動(dòng)式深松機(jī)：中國(guó)，201420288196.4[P]. 2014-11-05.

[8]蔣立軍. 一種振動(dòng)式深松機(jī)：中國(guó)，201210196080.3[P]. 2012-09-19.

[9]王強(qiáng)，王瑞云，姜鳳英. 一種仿生深松犁具：中國(guó)，201120148022.4[P]. 2011-11-30.[ZK）]

[10]張璐. 深松鏟減阻技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[11]張金波，佟金，馬云海. 仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（4）：141-145.

[12]湯明軍，王維新，李霞，等. 振動(dòng)深松機(jī)的研究進(jìn)展與展望[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016（4）：258-263.

[13]莊凱，郭志軍. 振動(dòng)減阻技術(shù)應(yīng)用于土壤耕作機(jī)具的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（5）：212-217.

[14]莊凱. 振動(dòng)理論在機(jī)組及耕作機(jī)具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 洛陽(yáng)：河南科技大學(xué)，2013.

[15]Shahgoli G，F(xiàn)ielke J，Saunders C，et al. Simulation of the dynamic behavior of a tractor-oscillating subsoiler system[J]. Biosystems Engineering，2010，106（2）：147-155.

[16]李艷龍，劉寶，崔濤，等. 460型杠桿式深松機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（增刊1）：37-40.

[17]蔣建東，高潔，趙穎娣，等. 基于ALE有限元仿真的土壤切削振動(dòng)減阻[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（增刊1）：33-38.

[18]周桂霞，汪春，張偉，等. 基于二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)的深松鏟關(guān)鍵參數(shù)建模[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（10）：86-89.

[19]王金武，張明秋，葛宜元. 水稻整株秸稈還田機(jī)功耗影響試驗(yàn)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（5）：497-501.

[20][JP3]任露泉. 回歸設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009：42-68.

[21]馬洪亮. 免耕播種機(jī)玉米秸稈根茬切斷裝置的研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[22]龔麗農(nóng)，高煥文，蔣金琳. 免耕播種機(jī)玉米根茬處理裝置作業(yè)功耗試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（7）：124-127.

[23]張明明，黃芳，張長(zhǎng)麗. 響應(yīng)面法優(yōu)化野菊花中綠原酸的提取工藝[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（11）：327-329.

[24]姚秋萍，羅明高，潘大托. 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取魚(yú)腥草多糖的工藝[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（10）：252-255.

[FK（H0265。54ZQ]〖HTH〗更正：《江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)》2016年第44卷第7期116-120頁(yè)所刊論文《大蒜根系水提液對(duì)不同品種紅小豆幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響》，第一作者簡(jiǎn)介中的“山西運(yùn)城人”應(yīng)該為“山西晉城人”，特此更正。