張喜瑞，王自強(qiáng)，李 粵，梁 棟

0 引 言

香蕉是世界四大水果之一，是中國主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其主要分布在海南、福建、廣東、云南等熱帶亞熱帶地區(qū)[1-3]。香蕉產(chǎn)業(yè)在海南經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

香蕉的種植周期一般為 2～3 a[4-6]，由于品種老舊，病蟲害的加重導(dǎo)致香蕉產(chǎn)量的降低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。蕉農(nóng)會(huì)重新栽種新的香蕉品種，而在栽種新的品種前需要蕉農(nóng)對(duì)之前的香蕉秸稈以及根茬進(jìn)行處理。目前，在香蕉秸稈粉碎還田方面，一些研究學(xué)者基于保護(hù)性耕作技術(shù)研制出一系列香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，并且取得很大的成效，如張喜瑞等[7]研制的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機(jī)解決了現(xiàn)有香蕉秸稈粉碎還田機(jī)所存在的秸稈粉碎不徹底，刀具易磨損等問題。張進(jìn)疆等[8]研制的1XHJ系列香蕉假莖還田機(jī)，該機(jī)器的工作原理是利用Y型甩刀對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎，且粉碎率大于 94%。吳學(xué)尚等研制的甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)采用立軸甩刀結(jié)合機(jī)架內(nèi)壁上弧形定刀對(duì)香蕉秸稈撕裂粉碎，試驗(yàn)表明該機(jī)器工作效率高，功耗低[9]。綜上所述，目前大多數(shù)研究只集中在粉碎香蕉秸稈方面，然而對(duì)于香蕉根茬處理的研究并不是很多，如今蕉農(nóng)依然采用人工挖掘的方式清除香蕉根茬，此種方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且污染環(huán)境，易滋生病蟲害。中國北方地區(qū)的秸稈與根茬聯(lián)合作業(yè)機(jī)具種類很多，其大多采用雙軸式結(jié)構(gòu)，即上軸破碎秸稈，下軸破碎根茬[10-12]。由于此種結(jié)構(gòu)能讓雙軸實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，因此雙軸式結(jié)構(gòu)得到普遍應(yīng)用。但是其主要針對(duì)玉米、稻麥這些北方農(nóng)作物，由于地域、氣候以及農(nóng)作物等因素的差異，導(dǎo)致北方的秸稈與根茬聯(lián)合粉碎還田機(jī)在南方熱區(qū)香蕉地進(jìn)行作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)香蕉秸稈纖維纏繞刀輥等問題。朱德榮等[1]針對(duì)南方熱區(qū)作物設(shè)計(jì)了一種香蕉莖稈/根茬還田機(jī)械，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠粉碎香蕉秸稈本身，而且還可以清除地下的根茬。然而該機(jī)器作業(yè)時(shí)，存在功耗大，切斷后的香蕉秸稈纖維易纏繞在滅茬刀輥上，導(dǎo)致機(jī)器不能正常工作等問題。

此外，近年來國內(nèi)學(xué)者對(duì)農(nóng)作物秸稈切割的性能及刀片等作了大量研究，其中包括玉米秸稈切割時(shí)切割力和切割功耗的主要影響因素，馬永昌等對(duì)小麥秸稈的受切特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用雙定刀且兩定刀間距較小時(shí)，切割功耗較低[13]；李景彬等基于棉桿切割性能的試驗(yàn)研究，提出棉桿的最佳切割速度為 1 000～1 300 r/min，最適宜的刀片為錘片型刀片[14]；劉慶庭等通過單因素秸稈切割試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滑切最省力[15]。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，秸稈切割研究主要集中在稻麥、玉米等農(nóng)作物秸稈上，而對(duì)于香蕉秸稈的切割研究偏少，因此，本文針對(duì)現(xiàn)有香蕉莖稈/根茬還田機(jī)械所存在的切割阻力大、香蕉莖稈纖維易纏繞刀輥問題，應(yīng)用滑切原理[16-19]，設(shè)計(jì)一種變滑切角式秸稈切割刀片，進(jìn)而研究設(shè)計(jì)出一種滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)，以期為適用于熱帶地區(qū)作物的秸稈與根茬處理機(jī)具的缺乏提供解決方案。

1 結(jié)構(gòu)與動(dòng)力傳遞

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

所研制的滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)如圖 1所示，主要有三點(diǎn)懸掛裝置、變速箱、秸稈粉碎裝置、滅茬裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)罩等部件組成，整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表 1。還田機(jī)工作時(shí)由拖拉機(jī)通過懸掛裝置與機(jī)架連接，牽引著機(jī)器前行，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)與機(jī)架上變速箱的動(dòng)力輸入軸連接，變速箱的兩動(dòng)力輸出軸通過V帶傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力分別傳遞給秸稈粉碎刀輥和滅茬刀輥。滅茬刀輥的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向相同，秸稈粉碎刀輥的旋轉(zhuǎn)方向與滅茬刀輥旋轉(zhuǎn)方向相反，滅茬刀輥設(shè)置在秸稈粉碎刀輥的后下方，通過滅茬刀輥上的刀片切碎根茬。

圖1 滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sliding-cutting and anti-twining returning device for banana straw

表1 滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main technical parameters of sliding-cutting and anti-twining returning device for banana straw

1.2 動(dòng)力傳遞方式

滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)的動(dòng)力經(jīng)變速箱后分為2路傳遞：秸稈粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和滅茬裝置傳動(dòng)系統(tǒng)。秸稈粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，先通過錐齒輪嚙合傳動(dòng)（增速），再由V帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（增速）傳遞給秸稈粉碎裝置；滅茬裝置傳動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，經(jīng)錐齒輪嚙合傳動(dòng)后（減速），再由V帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速）傳遞給滅茬裝置，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力傳遞簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of power transmission

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 秸稈滑切刀刃口曲線設(shè)計(jì)

由于直線刃刀片刀尖點(diǎn)處靜態(tài)滑切角相對(duì)刀片基部處滑切角變化幅度較大，在切割秸稈過程中切割阻力變化迅速，功耗嚴(yán)重。而等滑切角式切割刀片在切割纖維含量少的藤莖類秸稈方面效果顯著[16]，然而香蕉秸稈富含大量纖維[7]，若利用等滑切角式切割刀片切割香蕉莖稈，由于其刀刃曲線上滑切角大小始終不變，刀片在切斷香蕉莖稈纖維時(shí)，香蕉莖稈纖維易從刀尖點(diǎn)滑向刀片基部，進(jìn)而纏繞刀軸。參考文獻(xiàn)[20]知滑切角越大，滑切作用越明顯，刀片切割莖稈纖維時(shí)越不易被纏繞，因此本文基于滑切原理，針對(duì)香蕉莖稈纖維含量多的特性，應(yīng)用螺線方程，設(shè)計(jì)一種變滑切角式切割刀片。如圖 3所示，當(dāng)?shù)镀芯€AB由任意θ角轉(zhuǎn)過dθ角時(shí)，其上任意切割點(diǎn)M變到M1點(diǎn)，極徑由r變成r1，極徑增加dr，若dθ趨近于0，可視MM1為直線，弧度MN1與直線MN相等，根據(jù)滑切角[16]定義，在直角三角形MNM1中有

圖3 變滑切角刀刃曲線示意圖Fig.3 Diagram of different sliding-cutting angle curve for blade

依據(jù)切割的條件，刀尖端點(diǎn)處至刀片基部處的滑切角應(yīng)逐漸增大，取刀片刃線上任一點(diǎn)處滑切角τ

其中1τ為刃口曲線端點(diǎn)B處滑切角，k為刀刃曲線靜態(tài)滑切角遞增系數(shù)，考慮到切割秸稈過程滑切阻力波動(dòng)的幅度，此處取值5。聯(lián)立式（1）、（2）得

令a= s in(τ1+ k θ)，則 d a = kcos(τ1+ k θ)dθ ，將其代入式（3）積分得滑切刀片刀刃曲線方程

根據(jù)文獻(xiàn)資料[20]，要使刀刃在潮濕濕潤(rùn)環(huán)境下不纏繞香蕉莖稈纖維，需使刀刃端點(diǎn)的滑切角1τ小于刀刃基部的滑切角0τ，由文獻(xiàn)資料[19]可知，要使秸稈滑切刀片不纏草，秸稈滑切刀片側(cè)切刃滑切角應(yīng)滿足

式中τat為秸稈滑切刀片旋轉(zhuǎn)前進(jìn)作業(yè)時(shí)，刀片任一點(diǎn) r在時(shí)間t的動(dòng)態(tài)滑切角，(°)；τa為秸稈滑切刀片任一點(diǎn)r的靜態(tài)滑切角，(°)；μ為香蕉秸稈與滑切刀片的摩擦角，(°)。

考慮到秸稈切割工作環(huán)境的惡劣性，對(duì)刀片的耐磨性以及耐腐蝕性要求較高，刀片材料選用工具鋼Cr12MoV，其耐磨性、強(qiáng)度和鋼的淬透性均高于Cr12[21]。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量香蕉秸稈與鋼板的摩擦角為 26°～36°，此處取值 35°，由式（5）得秸稈滑切刀片任一點(diǎn) r的靜態(tài)滑切角小于等于55°，且刀片基部滑切角大于刀片端點(diǎn)滑切角，因而刀片基部滑切角τ0取較大值55°，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)秸稈滑切刀片端點(diǎn)滑切角取值范圍為40°~50°。若秸稈滑切刀片端點(diǎn)滑切角τ1取值過大，刀片在切割秸稈過程中起不到防纏效果，若取值過小，則滑切減阻和秸稈切斷效果不明顯，故設(shè)計(jì)刀片端點(diǎn)滑切角τ1取中間值45°。

將k=5，τ1=45°代入式（4）得

滑切刀片結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖 4所示，刀片加工采用沖壓加工工藝[22]。

圖4 滑切刀片結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.4 Structure and parameter of sliding-cutting blade

2.2 秸稈粉碎刀軸的設(shè)計(jì)

參考課題組已研制的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)秸稈粉碎刀軸設(shè)計(jì)參數(shù)，秸稈粉碎刀軸采用材料為 20Cr，壁厚10 mm鋼管制成，內(nèi)徑d= 60 mm，外徑D=80 mm，通過秸稈粉碎刀軸兩端的軸承與軸承端蓋固定在機(jī)架外殼上。由于田間作業(yè)過程中秸稈滑切刀片對(duì)香蕉秸稈采用無支撐切割方式，研究結(jié)果表明無支撐切割香蕉莖稈時(shí)滑切刀刀尖線速度應(yīng)不小于30 m/s，否則會(huì)造成香蕉秸稈粉碎不徹底[23]。而刀尖線速度取決于秸稈粉碎軸的回轉(zhuǎn)半徑及轉(zhuǎn)速。秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速大小影響著還田機(jī)的平衡與振動(dòng)特性。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，提高刀尖線速度可通過增大秸稈粉碎刀輥回轉(zhuǎn)半徑的方式，但隨之會(huì)使秸稈粉碎刀軸的動(dòng)不平衡加劇，進(jìn)而使秸稈還田機(jī)振動(dòng)劇烈[24]。結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有秸稈粉碎還田機(jī)以及課題組已研制的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)刀輥設(shè)計(jì)參數(shù)[7,25-26]，確定秸稈粉碎裝置回轉(zhuǎn)半徑為250 mm，秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速范圍在1 200～1 600 r/min之間。

2.3 滅茬部件設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)有旋茬刀只能起出根茬，而圓犁刀、旋耕刀雖能除茬，但除茬率低且功耗大[22]，故本文所設(shè)計(jì)的滅茬刀為L(zhǎng)型刀。分為左型和右型2種。滅茬部件由滅茬刀軸、滅茬盤和滅茬刀組成，滅茬部件田間作業(yè)時(shí)在作業(yè)反力以及驅(qū)動(dòng)力作用下滅茬刀軸會(huì)產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜組合變形。從節(jié)能減材角度考慮，在不影響滅茬部件強(qiáng)度和使用要求的前提下可將刀軸設(shè)計(jì)成空心軸[27]。經(jīng)計(jì)算選用材料為Q235的無縫鋼管，其外徑D=90 mm，內(nèi)徑d=70 mm，滅茬盤由5 mm厚鋼板制成，刀盤間距為120 mm。L型刀結(jié)構(gòu)（圖5）參數(shù)分別為：彎折角112°，滑切角5°，彎曲半徑30 mm，刃角17°，刃厚0.8 mm，如圖5所示。參考文獻(xiàn)[25，28]選取滅茬刀回轉(zhuǎn)半徑250 mm，為使刀片在整個(gè)切土過程中不產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，參考文獻(xiàn)[23]確定滅茬刀軸轉(zhuǎn)速范圍為400～600 r/min。滅茬刀與刀盤通過螺栓固定連接，方便拆卸與更換，同時(shí)保證了滅茬刀在旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)根茬的切碎。

圖5 滅茬刀片F(xiàn)ig.5 Stubble crushing blade

2.4 滅茬刀數(shù)與切土節(jié)距

每個(gè)刀盤上滅茬刀數(shù)與切土節(jié)距滿足

式中S為切土節(jié)距，m；Vm為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s，試驗(yàn)用拖拉機(jī)為雷沃歐豹 M804，田間實(shí)際作業(yè)速度范圍為1.11～1.67 m/s；n1為滅茬刀輥轉(zhuǎn)速，r/min；z為同一刀盤上滅茬刀數(shù)。

為滿足根茬粉碎質(zhì)量要求，參考文獻(xiàn)[23]知切土節(jié)距S應(yīng)小于等于5，從而求出z≥5，同一刀盤上滅茬刀數(shù)量過多會(huì)造成相鄰兩個(gè)滅茬刀間隙過小，容易引起堵塞和香蕉莖稈纖維的纏繞。數(shù)量過少會(huì)造成切土節(jié)距過大，根茬粉碎不徹底。因此本文取z=6，將z=6代入式（7）可推出S=1.85～4.17 cm，由于所求切土節(jié)距S小于等于5 cm，故滿足香蕉根茬粉碎的農(nóng)藝要求。

2.5 滅茬刀排列

滅茬刀輥分左右兩段，各有18把滅茬刀，為避免其旋轉(zhuǎn)過程中附加動(dòng)載荷和作業(yè)中的脈沖振動(dòng)，除茬刀的排列應(yīng)參照現(xiàn)有旋耕機(jī)理論，采用對(duì)稱螺旋線排列[23,29]，如圖6所示。

圖6 滅茬刀在滅茬刀軸上安裝排列示意圖Fig.6 Diagram of arrangement of stubble crushing knives on stubble crushing blade roller

2.6 粉碎刀輥與滅茬刀輥相對(duì)位置的確定

2個(gè)刀輥垂直距離與割茬高度、碎茬深度以及2個(gè)刀輥回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系如圖7所示。

式中H為兩刀輥的垂直距離，m；R1為粉碎刀輥半徑，m；R2為滅茬刀輥半徑，m；S1為割茬高度，m。參考文獻(xiàn)[23]知與拖拉機(jī)配套的秸稈粉碎機(jī)輪轍間留茬平均高度≤0.075 m，本文取S1=0.05 m；S2為碎茬深度，m。經(jīng)田間測(cè)量，香蕉根主要生長(zhǎng)在0～0.18 m處，香蕉根茬的最大截面一般在地下深度0.09～0.1 m處，因此本文取碎茬深度S2為0.1 m。故S1=0.05 m，R1=0.25 m，R2=0.25 m，S2=0.1 m，得H=0.15 m。

兩刀輥水平距離D過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)具體積過大，減弱機(jī)架的剛度，且拖拉機(jī)的負(fù)荷也會(huì)增加，過小會(huì)導(dǎo)致兩刀輥上刀具出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，且刀輥更容易纏繞纖維，造成機(jī)器堵塞。因此要以滿足機(jī)器工作性能為前提，來選取D的最佳參數(shù)，而L為粉碎腔拋出的碎秸稈落地點(diǎn)到粉碎刀輥中心線的距離。

式中β為粉碎腔后罩板與水平面的夾角；R1為粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑；S1為割茬高度,取S1=0.05 m；ε為粉碎腔出口間隙，ε越大，碎秸稈越易拋出[30]，為利于碎秸稈的拋出，本文取ε=30 mm。

圖7 秸稈粉碎刀輥與滅茬刀輥相對(duì)位置示意圖Fig.7 Sketch diagram of relative position between straw crushing blade roller and stubble crushing blade roller

β過大，秸稈粉碎刀輥會(huì)對(duì)拋灑在地面上的碎秸稈產(chǎn)生二次粉碎作用，這樣導(dǎo)致機(jī)器功率消耗增加，且易在粉碎刀輥下方形成堵塞。通過課題組已有秸稈還田機(jī)試驗(yàn)[28]得出 β角與功率消耗之間的關(guān)系，田間試驗(yàn)表明，β∈（ 5 0 °,6 0°）時(shí)，測(cè)試指標(biāo)達(dá)到最佳，故 β取中間值為55°。

D1為滅茬刀觸地點(diǎn)到粉碎刀輥中心的水平距離。過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)具尺寸過大，D1過小時(shí)，拋出的碎秸稈會(huì)打到滅茬刀輥上，由于香蕉莖稈富含纖維，纖維易纏繞在滅茬刀輥上，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)D1=1.1L時(shí)，拋出的碎秸稈對(duì)滅茬刀輥的影響已經(jīng)很小，并且滅茬刀輥上纏繞的纖維量很少；為使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊取D1=1.1L。

在滿足作業(yè)質(zhì)量要求和結(jié)構(gòu)允許的情況下，D應(yīng)取最小值，聯(lián)立式（9）和式（10）得：

將S1=50 mm，R1=250 mm，β=55°，R2=250 mm，S2=100 mm，ε=30 mm代入式（11）得D=805 mm，圓整D=800 mm。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在海南大學(xué)農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)選用的香蕉樹品種為“廣東香蕉 1號(hào)”，香蕉樹高度為 2100～2800 mm，香蕉莖稈平均纖維含量 3.8%。其他試驗(yàn)設(shè)備有雷沃歐豹M804拖拉機(jī)、磅秤、NP-501型電子天平秤、CYT-302型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器（北京天宇恒創(chuàng)傳感器有限公司）、8203型鋼卷尺、米尺、PS-930型秒表。

3.2 試驗(yàn)方法

基于滑切減阻降耗原理，結(jié)合香蕉秸稈粉碎效果的影響因素，本試驗(yàn)選取影響香蕉秸稈粉碎率和還田機(jī)作業(yè)功耗的主要因素：機(jī)器前進(jìn)速度、秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速與滅茬刀輥轉(zhuǎn)速，依據(jù)前文中的參數(shù)范圍，分別為 3因素取3個(gè)不同水平，如表2所示，雷沃歐豹M804拖拉機(jī)提供還田機(jī)試驗(yàn)所需前進(jìn)速度，如前文1.2節(jié)動(dòng)力傳遞方式所述，秸稈粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)中錐齒輪傳動(dòng)比為1.95，V帶傳動(dòng)比從高至低依次為1.15、1、0.85，從而實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎刀輥不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，而滅茬裝置傳動(dòng)系統(tǒng)錐齒輪傳動(dòng)比為0.55，V帶傳動(dòng)比從高至低依次分別為1.5、1.25、1，從而實(shí)現(xiàn)滅茬刀輥不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。V帶輪與刀軸采用小過盈加鍵配合方式，以方便更換V帶輪。試驗(yàn)并采用Design Expert version 8.0.7軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)二次回歸擬合模型分別繪出香蕉秸稈粉碎率和功耗的響應(yīng)面分析圖。

表2 試驗(yàn)因素及各因素水平Table 2 Experimental factors and levels of each factor

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)試方法

從取樣單位中隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)試區(qū)（1 m×1 m），在測(cè)試區(qū)中稱取所有秸稈粉碎殘?jiān)馁|(zhì)量 G，kg；稱取測(cè)量區(qū)中秸稈長(zhǎng)度大于10 cm的殘?jiān)|(zhì)量g，kg。根據(jù)式（12）計(jì)算出每個(gè)測(cè)量區(qū)中香蕉秸稈合格率（%），最后求出 3個(gè)測(cè)量區(qū)中的平均值，即為所求值。

在試驗(yàn)過程中功率和轉(zhuǎn)速值則則通過安裝在香蕉秸稈還田機(jī)動(dòng)力輸入軸上的CYT-302型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)定，功率損耗值直接從顯示控制儀讀取。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，共13組試驗(yàn)，取5次重復(fù)試驗(yàn)均值作為各組的試驗(yàn)結(jié)果。

3.4 結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)進(jìn)行了三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，共對(duì)13個(gè)試驗(yàn)組合進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experiment scheme and results

本試驗(yàn)選用Design-Expert 8.0.7軟件對(duì)表3中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，分別得出秸稈粉碎率、功耗對(duì)各因素編碼值的回歸方程為

經(jīng)Design-Expert軟件處理后，分別得出功耗和秸稈粉碎率方差分析結(jié)果如表4所示，由表4方差分析結(jié)果可知功耗和秸稈粉碎率的模型顯著（P<0.05），對(duì)于目標(biāo)函數(shù)Y1，因素X2、X3極顯著；對(duì)于目標(biāo)函數(shù)Y，因素X2極顯著，X1X2、21X 、23X 顯著。各因素對(duì)香蕉秸稈粉碎率和功耗的顯著性順序從大至小依次均為秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

3.5 響應(yīng)曲面法分析

影響因素對(duì)秸稈粉碎率影響的主次順序是秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度，秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)秸稈粉碎率存在顯著（P<0.05）交互作用。由圖8a知，隨著滅茬刀輥轉(zhuǎn)速的增大，秸稈粉碎率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在滅茬刀輥轉(zhuǎn)速為500 r/min（0水平）時(shí)達(dá)到最大值。由圖8b知，隨著機(jī)器前進(jìn)速度和滅茬刀輥轉(zhuǎn)速的增加，秸稈粉碎率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為 1.39 m/s（0水平）、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，秸稈粉碎率達(dá)到最大。由圖8c知，隨著機(jī)器前進(jìn)速度的增大，秸稈粉碎率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在前進(jìn)速度為1.39 m/s時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)速度大于1.39 m/s時(shí)，刀輥圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度之比λ過小，導(dǎo)致秸稈粉碎不徹底。

隨著秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度的增大，功耗均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，因素間且不存在交互作用。因此實(shí)際作業(yè)時(shí)為降低功耗，應(yīng)在保證秸稈粉碎率的條件下，參數(shù)盡量選取較小值。

利用Design-Expert軟件的Optimization 功能，進(jìn)行優(yōu)化分析，得到香蕉秸稈還田機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合：機(jī)器前進(jìn)速度為1.39 m/s、秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，香蕉秸稈粉碎率為95.2%，功耗為4.96 kW。

圖8 各因素對(duì)秸稈粉碎率影響Fig.8 Influence of factors on rate of straw crushing

3.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

圖9 滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)實(shí)物圖及作業(yè)效果圖Fig.9 Photos of sliding-cutting and anti-twining returning machine for banana straw and its operation effect

根據(jù)響應(yīng)曲面分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖 9所示。為消除隨機(jī)誤差，重復(fù)試驗(yàn) 5次，作業(yè)總面積50 m2，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，得到在最優(yōu)工作參數(shù)情況下，香蕉秸稈粉碎率田間試驗(yàn)值為94.9%，實(shí)際功耗為5.1 kW分別與軟件分析值（95.2%、4.96 kW）間的誤差為0.31個(gè)百分點(diǎn)、0.27%，軟件分析可行。基地土壤類型為磚紅壤，土體深厚，土質(zhì)較黏重，土地平坦，坡度不大于 5°；田間香蕉莖稈的平均高度為1 500 mm，香蕉樹行距為2 m，株距約為1.5 m，香蕉品種為海南當(dāng)?shù)胤N植較多的巴西Williams品種。2臺(tái)秸稈粉碎還田機(jī)的前進(jìn)速度均控制為1.39 m/s，秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速均設(shè)置為1 600 r/min，分別在2臺(tái)秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)后試驗(yàn)田內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)長(zhǎng)10 m，寬1 m的測(cè)量區(qū)域，通過上述 4.3節(jié)試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試方法計(jì)算出每個(gè)測(cè)量區(qū)香蕉秸稈粉碎率和功耗，取 5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 香蕉秸稈還田機(jī)作業(yè)性能對(duì)比Table 5 Comparison of working performance for returning machines for banana straw

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)相對(duì)市場(chǎng)原機(jī)具在各項(xiàng)性能指標(biāo)的提高程度，故將樣機(jī)與本課題組之前所設(shè)計(jì)研制的甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)[31-32]共同進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)仍選在海南大學(xué)農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地，

4.2 結(jié)果分析

該試驗(yàn)對(duì)二者在秸稈粉碎率、功耗以及香蕉秸稈纖維纏繞情況3個(gè)方面做了詳細(xì)的比較。

試驗(yàn)結(jié)果表明：滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)的秸稈粉碎率相對(duì)于甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)提高 1.94個(gè)百分點(diǎn)，功耗降低11.3%，且在整個(gè)作業(yè)過程中，滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)沒有出現(xiàn)纖維纏繞刀軸現(xiàn)象，而甩刀式立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)出現(xiàn)局部纏繞情況，進(jìn)一步證明所研制的滑切防纏式香蕉秸稈還田機(jī)相對(duì)于原有機(jī)具在工作性能上有了一定的改進(jìn)和提升。

5 結(jié) 論

1）基于滑切原理，設(shè)計(jì)了變滑切角秸稈切割刀片，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)切碎過程中刀具對(duì)香蕉秸稈的滑切，理論研究了秸稈粉碎刀輥與滅茬刀輥的位置關(guān)系，保證了香蕉秸稈還田機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化。

2）通過Design-Expert軟件進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析，得出各因素對(duì)香蕉秸稈粉碎率和功耗影響的顯著性順序從大到小依次均為：秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度。

3）通過Design-Expert軟件得出滑切防纏式還田機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)組合分別為機(jī)器前進(jìn)速度為1.39 m/s、秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、滅茬刀輥轉(zhuǎn)速為500 r/min，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)得出香蕉秸稈粉碎率為94.9%，功耗為5.1 kW，分別與軟件預(yù)測(cè)值（95.2%、4.96 kW）間的誤差為0.31個(gè)百分點(diǎn)、0.27%，此研究為香蕉秸稈還田機(jī)的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)依據(jù)。

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