付乾坤，付 君※，陳 志，程 超，任露泉

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022；2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022；3. 中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100080）

0 引 言

玉米是中國種植面積最大的糧食作物[1]，每年產(chǎn)生玉米秸稈高達(dá)3億～3.5億t[2-3]，玉米秸稈綜合利用長期制約玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化[4]。秸稈焚燒不僅污染環(huán)境[5-6]，而且浪費資源[7-8]；秸稈還田雖然增加了土壤的有機(jī)質(zhì)含量[9]，但東北地區(qū)漫長的冰凍期極大地延長了腐爛進(jìn)程，未腐爛秸稈影響春播和出苗質(zhì)量[10]。因此，研制高效能秸稈綜合利用機(jī)械，具有重要現(xiàn)實意義。

撿拾打捆機(jī)是玉米秸稈飼料化收獲的關(guān)鍵裝備[11]。東北地區(qū)干土松散細(xì)碎、濕土粘附性大，撿拾拋送過程夾帶和粘附的土壤嚴(yán)重影響秸稈飼料的應(yīng)用價值[12]。針對秸稈的撿拾、輸送、打捆等環(huán)節(jié)，鄭智旗等[13-15]對彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)的擺動姿態(tài)和滑道運動規(guī)律進(jìn)行了研究，以確定其工作參數(shù)；陳立東等[16]對錘爪式撿拾機(jī)構(gòu)的運動參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和試驗；丁永秀[17]完成了秸稈帶式輸送機(jī)的動力學(xué)仿真；高旭宏等[18]進(jìn)行了方草捆集捆機(jī)電液控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計；Shinners等[19-21]分別對秸稈收獲方式和打捆方式進(jìn)行了比較分析。針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)去土問題，嚴(yán)偉等[22]對鏟篩式殘膜回收機(jī)的振動參數(shù)進(jìn)行了試驗分析，楊望等[23]對木薯收獲機(jī)的振動去土機(jī)理和振動參數(shù)進(jìn)行了研究。

綜上所述，本文提出在秸稈撿拾后、打捆前增加振動輸送去土裝置，針對 2種不同的黃貯秸稈物料，通過臺架試驗，分析振動對秸稈和土壤的分離影響，以確定秸稈振動去土裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，以期為改進(jìn)和優(yōu)化秸稈撿拾打捆機(jī)提供理論依據(jù)。

1 試驗臺設(shè)計

1.1 秸稈撿拾打捆振動去土方案

本文提出，在秸稈撿拾后進(jìn)行振動去土，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。秸稈被彈齒撿拾并拋送至振動輸送篩，振動輸送篩在凸輪作用下連同部分機(jī)殼發(fā)生振動，迫使土壤從秸稈上脫落、分離、去除，清潔秸稈被輸送至揉切機(jī)構(gòu)進(jìn)行揉搓和切碎，并進(jìn)一步完成壓縮和打捆。

1.2 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減少干擾因素、提高試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，試驗臺設(shè)計遵循最簡化原則。試驗臺結(jié)構(gòu)如圖 2所示，主要由機(jī)架、隨動架、篩網(wǎng)、隔離網(wǎng)、滑軌滑塊機(jī)構(gòu)、300 W調(diào)速電機(jī)、聯(lián)軸器、長軸、凸輪、隨動器及收集盒等組成。

機(jī)架由型材組裝而成，電機(jī)固定在機(jī)架一端，通過聯(lián)軸器與長軸聯(lián)接，長軸通過帶座軸承安裝在機(jī)架上，2個同步的凸輪分別安裝在長軸兩端；4條滑軌固定在機(jī)架的4根立柱上，2個隨動架分別安裝在機(jī)架的兩端，隨動架上固定著滑塊，滑塊與滑軌配合，每條滑軌中有 2個滑塊，以保證隨動架運動過程中的平衡性；篩網(wǎng)由網(wǎng)孔15 mm×15 mm、絲粗2 mm的304不銹鋼網(wǎng)剪裁而成，篩網(wǎng)通過螺栓固定在隨動架上，篩網(wǎng)上面由 4張高 250 mm的浸塑電焊網(wǎng)圍成500 mm×500 mm的正方形試驗區(qū)。并運用PHANTOM v711高速攝像機(jī)對試驗過程進(jìn)行記錄和觀察。

圖2 振動去土試驗臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of soil removing test-bed with vibration

1.3 試驗臺工作原理

試驗臺工作時，采用激光轉(zhuǎn)速儀測量長軸轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)振動頻率變化（篩網(wǎng)振動頻率=調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速/60），通過更換不同行程的凸輪實現(xiàn)篩網(wǎng)振幅調(diào)整（凸輪行程=篩網(wǎng)振幅），通過改變振動時長和試驗區(qū)域內(nèi)秸稈厚度，以模擬秸稈輸送速度和秸稈喂入量的變化。

高速攝像機(jī)以 400幀/s的時間分辨率對振動去土過程進(jìn)行記錄。在高速攝影錄像下觀察，試驗臺上秸稈振動去土過程如圖3所示。圖3a～3d為篩面與秸稈第一次碰撞過程：圖3a為碰撞前帶土的秸稈，圖3b為秸稈與篩面碰撞瞬間，圖3c和圖3d為秸稈上粘附的土塊經(jīng)碰撞后松散并掉落的瞬間；圖3e～3h圖為秸稈彈起后發(fā)生翻轉(zhuǎn)并再次碰撞的過程：圖 3e為翻轉(zhuǎn)后帶土的秸稈，圖 3f為秸稈與篩面第二次碰撞瞬間，圖3g為土塊掉落的過程，圖3h為土塊去除后的秸稈。

圖3 振動篩面上秸稈去土過程Fig.3 Process of soil removal from corn stover on surface of vibrating screen

由動量定理，篩面經(jīng)由秸稈施加于土壤的碰撞沖量為

式中 Ii為碰撞沖量 N·m；Fi為土壤所受碰撞力，N；mi為土壤質(zhì)量，kg；v0、v’為碰撞前、后土壤的速度，m/s；t為碰撞時長，s。

從圖3可知，秸稈與篩面碰撞時間極短，故Fi值相對較大。根據(jù)土壤黏附力學(xué)知識，土壤受力包括碰撞力Fi、重力、內(nèi)聚力C和土壤附著于秸稈的粘附力Fadh。碰撞發(fā)生時，碰撞力 Fi破壞了土壤的力系平衡，使土壤擺脫粘附力Fadh或內(nèi)聚力C的束縛而掉落。當(dāng)C ＜Fadh時，表現(xiàn)為土壤破碎，呈碎塊狀掉落；當(dāng)C >Fadh時，表現(xiàn)為土壤整塊脫離秸稈而掉落。同時，秸稈之間相互摩擦，加速秸稈上的殘留土壤掉落。所以秸稈的振動去土效果與碰撞次數(shù)、振動參數(shù)密切相關(guān)[24]。

2 單因素試驗

2.1 試驗材料

本試驗分別針對2種不同類型的玉米秸稈進(jìn)行研究，所用長秸稈為摘穗后整株鋪放的秸稈，短秸稈為摘穗后切碎鋪放的秸稈。試驗所用秸稈取自吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗基地，為使試驗效果更加顯著，試驗采集的是鋪放在地面底層含土率較高的秸稈。試驗在吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室進(jìn)行，試驗前測量秸稈的尺寸和質(zhì)量，測定秸稈的含土率和含水率。含水率的測定按照GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件、測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行[25]；含土率的測定采用稱質(zhì)量方法，隨機(jī)選取5份秸稈，每份質(zhì)量約500 g，進(jìn)行精細(xì)篩分，將土壤與秸稈分離，分別測定土壤和秸稈的質(zhì)量，按式（2）求出秸稈含土率。

式中Tj為秸稈含土率，%；Mt為秸稈中所含土壤的質(zhì)量，g；Mjt為篩分前秸稈和土的總質(zhì)量，g。

經(jīng)測量，長秸稈含水率為38.51%，含土率為5.8%，最大秸稈長度為1 560 mm，平均長度為291.1 mm，最大秸稈單根質(zhì)量為145.22 g；短秸稈含水率為32.19%，含土率為6.3%，最大秸稈長度為425 mm，平均長度為128.4 mm，最大秸稈單根質(zhì)量為6.12 g。2種秸稈的長度分布如圖4所示。

圖4 秸稈的長度統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of stover length

2.2 試驗內(nèi)容與分析

2.2.1 不同秸稈厚度單因素試驗

秸稈在篩面上的堆放厚度，是秸稈撿拾喂入量的參數(shù)表征，是影響土壤與秸稈分離效果的重要因素。為評價不同秸稈厚度條件下的振動去土效果，本文引入秸稈土壤去除率和秸稈損失率的概念。

式中y1為秸稈土壤去除率，%；Mtc為篩分后篩面下方的土壤質(zhì)量，g。

式中y2為秸稈損失率，%；Mjs為篩分后篩面下方的土壤質(zhì)量，g。

設(shè)定篩網(wǎng)振動頻率為4 Hz，篩網(wǎng)振幅為10 mm，振動時長為12 s，按照100、120、140、160、180和200 mm的秸稈厚度分別堆放秸稈，每次試驗前測量含土秸稈的質(zhì)量，試驗后測量篩面下方土壤和秸稈的質(zhì)量。每組試驗進(jìn)行3次，求平均值，試驗結(jié)果如圖5a所示。

由試驗結(jié)果可知，當(dāng)振動時長、振動頻率、振幅相同時，長秸稈和短秸稈的堆放厚度越大，土壤去除率和秸稈損失率越低；土壤去除率與秸稈厚度呈近似線性下降規(guī)律；長秸稈和短秸稈的土壤去除率變化規(guī)律近似相同；秸稈損失率比土壤去除率的下降趨勢更加顯著。

圖5 單因素試驗結(jié)果Fig.5 Results of single factor experiment

2.2.2 不同振動時長單因素試驗

試驗時，振動頻率為4 Hz，凸輪行程為10 mm，秸稈厚度為160 mm，按照8、10、12、14和16 s的振動時長分別進(jìn)行試驗，在振動后分別測量篩面下土壤和秸稈的質(zhì)量，試驗結(jié)果如圖5b所示。

由圖5b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動頻率、振幅、秸稈厚度相同時，振動時長越大，土壤去除率和秸稈損失率越高；振動時長為10和14 s時，2種秸稈的土壤去除率相同；振動時長對長秸稈損失率的影響比對短秸稈損失率的影響更為顯著。

2.2.3 不同振幅單因素試驗

設(shè)定篩網(wǎng)振動頻率為4 Hz，振動時長為12 s，秸稈厚度為160 mm。更換不同行程的凸輪，實現(xiàn)篩網(wǎng)振幅分別為5、10、15、20和25 mm，試驗結(jié)果如圖5c所示。

由試驗結(jié)果可知，當(dāng)振動時長、振動頻率、秸稈厚度相同時，振幅越大，土壤去除率和秸稈損失率越高；只有在振幅為10 mm時，2種秸稈的土壤去除率近似相等，其他振幅下長秸稈土壤去除率均大于短秸稈的；不同振幅條件下，長秸稈的損失率始終大于短秸稈的。

2.2.4 不同振動頻率單因素試驗

選取凸輪的行程為10 mm，則篩網(wǎng)振幅為10 mm,振動時長為12 s，秸稈厚度為160 mm。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，分別為120、180、240、300、360、420 r/min，則篩網(wǎng)振動頻率分別為2、3、4、5、6、7 Hz，試驗結(jié)果如圖5d所示。

由試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)振幅、振動時長、秸稈厚度相同時，隨著篩網(wǎng)振動頻率提高，2種秸稈的土壤去除率和秸稈損失率均顯著增加；當(dāng)篩網(wǎng)的振動頻率為2、5、7 Hz時，2種秸稈的土壤去除率近似相等；長秸稈的秸稈損失率隨振動頻率的增加，呈近似線性增加；當(dāng)篩網(wǎng)的振動頻率大于6 Hz時，短秸稈的秸稈損失率陡增。

3 正交多項式回歸試驗

通過單因素試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈厚度對于兩種秸稈的土壤去除率和短秸稈的損失率影響并不顯著，僅對長秸稈損失率有較大影響。振動頻率、振幅和振動時長均對秸稈的振動去土效果產(chǎn)生顯著影響，然而，上述 3個因素仍有可能發(fā)生交互作用，進(jìn)一步影響振動去土效果。因此，以振動頻率、振幅和振動時長為因素，以土壤去除率和秸稈損失率作為指標(biāo)，分別對長秸稈和短秸稈 2種物料的振動去土性能進(jìn)行正交回歸分析[26-27]。

3.1 長秸稈正交試驗

3.1.1 試驗設(shè)計與方法

由單因素試驗可知，當(dāng)振動時長小12 s，大于16 s時，長秸稈的土壤去除率變化不顯著，因此，振動時長的取值范圍為12～16 s。當(dāng)振幅小于10 mm時，土壤去除率增加緩慢，當(dāng)振幅大于20 mm時，土壤去除率緩慢降低，因此，選取篩網(wǎng)的振幅范圍為10～20 mm。當(dāng)振動頻率小于3 Hz時，土壤去除率增加緩慢，當(dāng)振動頻率大于5 Hz時，土壤去除率變化趨勢由快速增加變?yōu)榫徛黾樱虼?，選取篩網(wǎng)的振動頻率范圍為3～5 Hz。根據(jù)因素數(shù)量及其水平，選擇三元正交多項式回歸設(shè)計安排試驗，長秸稈的因素及水平設(shè)計見表1。

表1 長秸稈的試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of long stover

依據(jù)三元正交多項式回歸設(shè)計試驗安排，共進(jìn)行 27次試驗，試驗方案及結(jié)果如表2。

3.1.2 回歸方程建立

通過計算試驗結(jié)果的常數(shù)項、一次項、交互項和二次項的回歸系數(shù)及偏差平方和，檢驗其顯著性，剔除不顯著項，對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗，求得各試驗因素與長秸稈土壤去除率之間的回歸方程yc1為

3.1.3 雙因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律分析

篩網(wǎng)的振幅、振動頻率、振動時長的交互因素，對長秸稈的土壤去除率 yc1和秸稈損失率 yc2的響應(yīng)曲面如圖6所示。

圖6a是振動時長14 s時，振幅和振動頻率對土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，振動頻率約4.5 Hz，振幅為20 mm時，土壤去除率最高；振動頻率和振幅同時增加時，秸稈損失率也明顯提高。

表2 長秸稈回歸設(shè)計試驗表與響應(yīng)值Table 2 Regression design of long stover experiment and response values

圖6b是振幅15 mm時，振動頻率和振動時間對土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。圖中，土壤去除率和秸稈損失率均隨振動時長的增加而提高，土壤去除率在振動頻率約4.5 Hz時達(dá)到最大，秸稈損失率在振動頻率約3.5 Hz時最小。

圖6c是振動頻率為4 Hz時振幅和振動時長對土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，土壤去除率和秸稈損失率均隨振動時長增加而提高，在振幅20 mm時，土壤去除率最高，秸稈損失率也最大。

圖6 作業(yè)因素間交互對長秸稈振動去土性能的影響Fig.6 Effects of interactive factors on soil removal performance of long stover

3.2 短秸稈正交試驗分析

3.2.1 試驗設(shè)計與方法

當(dāng)振動時長小于10 s時，短秸稈土壤去除率呈正比例上升；振動時長大于14 s時，土壤去除率隨振動時長增加并不明顯，故選其值范圍是10～14 s。同理，其振幅的范圍為10～20 mm，振動頻率范圍為3～5 Hz。表3為短秸桿的試驗因素和水平。

表3 短秸稈的試驗因素和水平Table 3 Factors and levels of short stover

試驗方法同上，共進(jìn)行27次試驗，試驗方案及結(jié)果如表4所示。

3.2.2 回歸方程建立

通過計算試驗結(jié)果的常數(shù)項、一次項、交互項和二次項的回歸系數(shù)及偏差平方和，檢驗其顯著性并剔除不顯著項，并對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗，得到各試驗因素與切碎鋪放秸稈土壤去除率之間的回歸方程yd1為

3.2.3 雙因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律分析

圖 7為振幅、振動頻率、振動時長的交互作用對短秸稈土壤去除率yd1和秸稈損失率yd2的響應(yīng)曲面線圖。

圖7a是振動時長12 s時振幅和振動頻率對短秸稈土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。從圖可知，土壤去除率隨振幅的增加而顯著提高，振動頻率為4 ~4.5 Hz時土壤去除率最高；秸稈損失率隨振動頻率和振幅增加而明顯提高。

表4 短秸稈回歸設(shè)計試驗表及響應(yīng)值Table 4 Regression design of short stover experiment and response values

圖7b是振幅15 mm時，振動頻率和振動時長對短秸稈土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。從圖可知，土壤去除率隨振動時長的增加而提高，在振動頻率為約4 Hz時土壤去除率最高；秸稈損失率隨振動頻率和振動時長的增加而提高。

圖7 作業(yè)因素對短秸稈振動去土性能的影響Fig.7 Effects of interactive factors on soil removal performance of short stover

圖7c是振動頻率為4 Hz時振動頻率和振動時長對土壤去除率和秸稈損失率的響應(yīng)曲面圖。由圖7c可知，土壤去除率和秸稈損失率均隨振幅和振動時長增加而提高，但土壤去除率提高的幅度大于秸稈損失率。

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的秸稈振動去土效果，需對各運動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[28-29]。因撿拾打捆機(jī)的高效作業(yè)，須同時滿足土壤去除率高、秸稈損失率低的雙重指標(biāo)，故本文選用式（9）作為雙指標(biāo)下參數(shù)優(yōu)化依據(jù)[30]。

式中y為秸稈振動去土的綜合指標(biāo)，y值越大，表明土壤去除率與秸稈損失率同步趨向最優(yōu)；λ1、λ2分別為土壤去除率、秸稈損失率的權(quán)重系數(shù)，取值為1。

對于長秸稈試驗，通過式（5）、式（6）及式（9）可得

式中yc為長秸稈振動去土的綜合指標(biāo)。

由式（10）可得，在振動頻率為4.5 Hz，振幅為15 mm時，yc取得最大值；此外，雖采用較大的振動時長可提高土壤去除率，但也降低機(jī)器作業(yè)效率，故選取振動時長為14 s。將上述值代入式（5）、式（6）得，土壤去除率為4.71%，秸稈損失率為0.34%。

對于短秸稈試驗，由式（7）、式（8）及式（9）可得

式中yd為短秸稈振動去土的綜合指標(biāo)。

由式（11）可得，當(dāng)振動頻率為4 Hz時，振動取土綜合指標(biāo)最優(yōu)。因在短秸稈試驗中秸稈損失率較高，參考GB/T 25423-2010《方草捆打捆機(jī)》[31]中牧草總損失率的技術(shù)要求，故規(guī)定本文振動去土過程中秸稈損失率應(yīng)不大于1.5%。在振動頻率4 Hz條件下，當(dāng)振幅大于20 mm時，秸稈損失率超過上述技術(shù)要求，故選取振幅為20 mm。因此，在滿足技術(shù)要求情況下，當(dāng)振動頻率4 Hz、振幅20 mm、振動時長12 s時，yd取得最大值，即土壤去除率為4.44%，秸稈損失率為1.42%。

為檢驗預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，采用如下裝置對最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行每組3次臺架試驗。其結(jié)構(gòu)如圖8所示，通過輸送電機(jī)帶動輸送滾筒轉(zhuǎn)動，在摩擦力作用下，由輸送滾筒帶動環(huán)形篩網(wǎng)柔性轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)秸稈輸送，通過調(diào)節(jié)輸送電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制秸稈在篩面的停留時長。在收集裝置上收集振動去除的土壤和損失的秸稈，試驗結(jié)果如表5。

4.2 驗證試驗

圖8 臺架驗證試驗Fig.8 Verification test on test-bed

表5 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)實測值Table 5 Experimental value of evaluation indices at optimal condition

由表 5可知，各試驗結(jié)果與預(yù)測值吻合，試驗誤差較小，故參數(shù)模型可靠。

5 結(jié) 論

1）針對摘穗后整株鋪放(長秸稈)和切碎鋪放（短秸稈）2種黃貯秸稈物料，以振幅、振動頻率、振動時長為因素，以土壤去除率和秸稈損失率為指標(biāo)，建立了三元二次回歸方程，確定了雙指標(biāo)同步趨優(yōu)的評價方法，確定長秸稈振動去土的最優(yōu)參數(shù)組合為振幅15 mm，振動頻率4.5 Hz，振動時長14 s；短秸稈振動去土最優(yōu)參數(shù)組合為振幅20 mm，振動頻率4 Hz，振動時長12 s。

2）對最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了臺架驗證試驗，結(jié)果表明，長秸稈土壤去除率和秸稈損失率的相對誤差分別為1.9%和11.8%，短秸稈土壤去除率和損失率的相對誤差分別為6.3%和7.7%，最優(yōu)參數(shù)雙指標(biāo)綜合表現(xiàn)良好，回歸模型可靠。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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