張春嶺 夏俊芳 張居敏 周 華 祝英豪 王金武

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

機(jī)械化秸稈埋覆還田是將農(nóng)作物收獲后的秸稈粉碎并埋入土壤，之后秸稈自然分解并腐殖化，不僅增加土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤保水、保墑能力，還可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1-5]。作為機(jī)械化秸稈埋覆還田主要機(jī)具之一，秸稈還田耕整機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和刀片排列方式對(duì)作業(yè)質(zhì)量和功耗有著顯著影響[6-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)秸稈還田耕整機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和刀片排列方式已有相應(yīng)的研究并取得了一定的研究成果[10-14]。傳統(tǒng)秸稈還田耕整機(jī)作業(yè)質(zhì)量不理想，且刀軸易纏草。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者根據(jù)不同作物耕、播農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的秸稈還田耕整機(jī)[15-18]。夏俊芳等[19-21]設(shè)計(jì)了一種螺旋橫刀，并通過(guò)螺旋橫刀、旋耕刀和彎刀等在刀軸上的合理排列設(shè)計(jì)了多種秸稈還田耕整機(jī)，試驗(yàn)分析表明應(yīng)用螺旋橫刀的秸稈還田耕整機(jī)不僅提高了作業(yè)性能，也解決了刀軸易纏草的問(wèn)題，但功耗較大。

本文針對(duì)長(zhǎng)江中下游兩熟制地區(qū)土壤黏重板結(jié)，現(xiàn)有秸稈還田耕整機(jī)作業(yè)質(zhì)量不理想、刀輥易纏草和功耗大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種等滑切角二次切刀，進(jìn)一步提出一種六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥，在滿足作業(yè)性能要求下降低功耗，并通過(guò)田間試驗(yàn)分析主要影響因素對(duì)作業(yè)性能和功耗的影響顯著性，為長(zhǎng)江中下游兩熟制地區(qū)秸稈還田耕整機(jī)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和刀輥結(jié)構(gòu)

六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三點(diǎn)懸掛裝置、變速箱、機(jī)架、左刀輥、右刀輥和托板等裝置組成。其刀輥(以左刀輥為例)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由刀軸、旋耕刀和二次切刀等部件組成。整機(jī)刀輥分為左刀輥和右刀輥兩部分，兩刀輥關(guān)于變速箱輸入軸軸線所在豎直平面結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以減小左右刀輥受力不均衡給軸承帶來(lái)的損壞和機(jī)具振動(dòng)。旋耕刀以四頭螺旋線沿圓周方向均勻排布，二次切刀和旋耕刀沿軸向方向交替出現(xiàn)，組成六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥。

圖2 六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of six-head spiral straw returning cultivator’s knife roller1.旋耕刀 2.二次切刀 3.刀軸

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

整機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置安裝于拖拉機(jī)后方。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由拖拉機(jī)輸出軸輸出，經(jīng)齒輪箱變速后分別輸送到左刀輥和右刀輥，左、右刀輥均為正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相同?；谡n題組前期研制的水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)刀輥旋耕埋草原理[20-21]，本設(shè)計(jì)刀輥在作業(yè)時(shí)，旋耕刀和二次切刀交替入土，切割秸稈并切削土壤。在刀輥快速旋轉(zhuǎn)作用下，同一條螺旋線上正切刃相向排列的旋耕刀形成封閉圓柱體狀，將秸稈埋入土壤并防止刀軸被秸稈或雜草等纏繞。少量秸稈滑離旋耕刀后被下一刻運(yùn)動(dòng)而來(lái)的二次切刀切斷，從而提高秸稈粉碎率。二次切刀運(yùn)動(dòng)于兩把旋耕刀之間，還起到防止旋耕刀夾土、降低旋耕刀切土阻力的作用。根據(jù)課題組前期研制的水旱兩用秸稈還田機(jī)技術(shù)參數(shù)[20-21]和本文對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)結(jié)果，整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 等滑切角二次切刀設(shè)計(jì)

(1)刀片刃口曲線方程的建立

作業(yè)時(shí)，等滑切角二次切刀(簡(jiǎn)稱二次切刀)一方面切割土壤表面秸稈和土壤內(nèi)部根茬，同時(shí)撕裂土壤，減小旋耕刀作業(yè)阻力；另一方面，二次切刀可以對(duì)沿旋耕刀正切刃滑出的秸稈進(jìn)行二次切割，從而提高秸稈粉碎率。由于稻-油、稻-麥兩熟區(qū)中水稻莖稈韌性大，易纏繞，且生長(zhǎng)土壤較粘濕，傳統(tǒng)旋耕刀不易切斷秸稈，而二次切刀對(duì)前一時(shí)刻旋耕刀未切斷的秸稈可以進(jìn)行第二次切割，因此稱為二次切刀。結(jié)合秸稈還田刀片已有研究成果[22-23]，本設(shè)計(jì)的二次切刀刃口曲線采用等角(靜態(tài)滑切角)螺線。

表1 六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of six-head spiral straw returning cultivator

二次切刀刃口曲線示意圖如圖3所示，M為刃口曲線上任意一切割點(diǎn)，坐標(biāo)軸OX正方向?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)方向，OY正方向?yàn)榈遁S重心方向。當(dāng)?shù)镀@刀軸中心O以角速度ω由任意初始角θ轉(zhuǎn)過(guò)dθ時(shí)，M點(diǎn)變到M′點(diǎn)，極徑由r變成了r′，增加了dr。如果dr趨近于0，則弧線MM′可近似為直線，其弧長(zhǎng)和直線MN長(zhǎng)度相等。由滑切角定義[23]可得

(1)

式中τ——滑切角，(°)

本設(shè)計(jì)二次切刀靜態(tài)滑切角為常數(shù)，令其為C0，即tanτ=C0。將其代入式(1)整理后可得

r=Ceθcotτ

(2)

式中C——積分常數(shù)

圖3 二次切刀刃口曲線示意圖Fig.3 Diagram of secondary cutter blade edge curve

參考已有研究[24]并結(jié)合課題組前期對(duì)韌性較大的水稻莖稈切割力學(xué)試驗(yàn)分析，本設(shè)計(jì)選取靜態(tài)滑切角為50°。依據(jù)GB/T 5669—2008《旋耕機(jī)械 刀和刀座》對(duì)刀片初始入土半徑設(shè)計(jì)要求并減少材料的使用，設(shè)計(jì)刀片刃口起始處極徑為105 mm。根據(jù)小麥播種以及油菜和水稻直播深度要求[25-26]，結(jié)合GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》對(duì)旱耕耕深的規(guī)定，耕深大于8 cm即可滿足小麥播種和油菜直播相應(yīng)農(nóng)藝要求，但當(dāng)秸稈埋覆深度在10 cm以下時(shí)，可以明顯提高土壤溫度和蓄水能力[27]?？紤]到二次切刀作用，取其最大旋轉(zhuǎn)半徑為210 mm，較旋耕刀最大旋轉(zhuǎn)半徑大5 mm；刃口起始處極角取54°。將刀片刃口起始處極徑和極角代入式(2)可求得C=47.73，因此等滑切角二次切刀刃口曲線方程為

r=47.73eθcot50°

(3)

(2)二次切刀動(dòng)態(tài)滑切角分析

對(duì)靜態(tài)滑切角的分析并未考慮機(jī)具行駛速度，但實(shí)際中機(jī)具行駛速度對(duì)滑切角影響很大，不可忽視。如圖3所示，靜態(tài)滑切角與動(dòng)態(tài)滑切角的差值Δτ可表達(dá)為

(4)

式中u——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

R——最大旋耕半徑，mm

由圖3幾何關(guān)系可得

(5)

(6)

聯(lián)立式(4)～(6)可解得

(7)

其中

λ=Rω/u

式中H——耕深，mm

λ——旋耕速比

由式(7)可得，r越大，即越靠近刀尖處，動(dòng)態(tài)滑切角受影響越小，即只要刃口起始處動(dòng)態(tài)滑切角滿足秸稈不纏繞的要求，其余各處均滿足。因此，下面僅分析刃口起始處動(dòng)態(tài)滑切角。目前常用旋耕速比為4～10[28]，但旋耕速比過(guò)大會(huì)增加刀輥轉(zhuǎn)速或降低作業(yè)速度，從而導(dǎo)致功耗的增大或作業(yè)效率的降低，本設(shè)計(jì)旋耕速比初始選為4～7。

圖4 不同旋耕速比時(shí)Δτ隨H變化曲線Fig.4 Relationship curves between Δτ and H at different rotational speed ratios

圖4為二次切刀刃口起始處在不同旋耕速比時(shí)Δτ隨耕深H的變化關(guān)系。由圖可得，隨著旋耕速比λ的增加，Δτ逐漸減小，即滑切角變化減小，有利于刀片的滑切。不同旋耕速比下，Δτ隨耕深H的增大而增大，但變化幅度較小。當(dāng)λ=4時(shí)，Δτ值較大，均大于18°，不利于刀片刃口滑切，所以本設(shè)計(jì)旋耕速比范圍縮減為5～7。

2.2 刀片排列方式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)刀輥中左刀輥和右刀輥呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩者使用的刀片及刀片排列方式完全相同，僅刃口方向相反，因此下面以左刀輥為對(duì)象進(jìn)行分析。

旋耕刀排列基本原則：刀片按多頭螺旋線方式排列；同一條螺旋線上相鄰兩把刀片正切刃方向相反；避免同一刀輥上同向刀片相繼入土，以減少機(jī)具振動(dòng)和軸向力。二次切刀排列基本原則：刀片按多頭螺旋線方式排列，螺旋線頭數(shù)是旋耕刀排列螺旋線頭數(shù)的一半；每把刀片在正切刃同向的相鄰兩把旋耕刀之間，并相差一個(gè)相位角。

圖5 刀片排列示意圖Fig.5 Schematics of blades arrangement

圖5為刀輥?zhàn)蠖酥饕晥D及其左視圖。如圖5a所示，軸向方向上，同一螺旋線上正切刃相向的兩把相鄰旋耕刀在刀軸旋轉(zhuǎn)作用下形成類似圓柱體狀，相鄰兩把旋耕刀刀座內(nèi)側(cè)間距m不能過(guò)大；若m過(guò)小，則容易夾土。依據(jù)國(guó)標(biāo)旋耕刀II245作業(yè)寬度，m取值100 mm。二次切刀位于兩旋耕刀中間位置，刀座厚度為22 mm，因此旋耕刀刀座與相鄰二次切刀刀座內(nèi)側(cè)間距b取值39 mm，相鄰兩把二次切刀刀座內(nèi)側(cè)間距h取值100 mm?？砂惭b刀座的刀軸長(zhǎng)度為1 100 mm，則

100(x-1)+22x≤1 100

(8)

式中x——每條螺旋線上軸向刀座數(shù)量，把

由式(8)可得x≤9.8，取整數(shù)得x=9。

如圖5b所示，由于同一條螺旋線上左、右旋向旋耕刀交替入土，所以在圓周方向上正切刃相向排列的組數(shù)為

(9)

式中z——同一切割小區(qū)內(nèi)圓周方向上正切刃相向排列刀片組數(shù)

y——同一切割小區(qū)內(nèi)圓周方向上旋耕刀數(shù)量，把

為保證刀輥受力均衡且作業(yè)平穩(wěn)，z取值需為偶數(shù)，即y為4,8,12，…。但是，當(dāng)y≥8時(shí)，刀輥尺寸過(guò)大，且功耗急劇增加，因此取y=4，則同一切割小區(qū)內(nèi)二次切刀數(shù)量為2。

為了使正切刃相向排列的相鄰兩把旋耕刀在刀輥旋轉(zhuǎn)作用下形成類似圓柱體狀，正切刃相向安裝的相鄰兩把旋耕刀正切刃間隙e(圖5)不能太大；同時(shí)為了保證未切斷秸稈能順利從空隙中滑出，e需大于莖稈最大直徑。本次設(shè)計(jì)取e=15 mm。由于A值較小，可近似得到

(10)

式中A——相鄰兩把旋耕刀相位角,(°)

p——旋耕刀刀尖處刀寬近似值，實(shí)際測(cè)量為50 mm

R1——旋耕刀最大旋轉(zhuǎn)半徑，mm

將各值代入式(10)求得A≈15°。

圖6所示為切土垡片示意圖。圖中，A′為與刀片3在同一切土小區(qū)且正切刃方向相同的刀片刀尖入土點(diǎn)，B′為刀片1刀尖入土點(diǎn)，C′為刀片3刀尖入土點(diǎn)，K為切土垡片寬度，P為刀片3所受切向力。切削土壤時(shí)，刀片3所受切削阻力為

F=F1+F2+F3+F4

(11)

式中F——刀片3切削阻力，N

F1——刀柄切削阻力，N

F2——刀翼切削阻力，N

F3——垡片撕裂土壤時(shí)的阻力，N

F4——刀片與土壤間的摩擦阻力，N

圖6 切土垡片示意圖Fig.6 Schematic of cutting soil slice

無(wú)二次切刀時(shí)，垡片撕裂土壤面積為SA′C′D，二次切刀作用后，垡片撕裂土壤面積為SB′C′E，即二次切刀減小刀片3切削阻力主要體現(xiàn)在SA′B′ED面積的大小上。其面積越大，撕裂土壤阻力越??；其面積越小，撕裂土壤阻力越大。公式表示為

(12)

式中σ——二次切刀減阻程度，%

圖7為刀片運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，其運(yùn)動(dòng)方程分別為

(13)

(14)

(15)

式中T——刀輥旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間，s

B——二次切刀與下一刻入土旋耕刀之間的相位角，(°)

圖7 刀片運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.7 Schematic of blade movement track

圖7中陰影部分面積占垡片橫截面積比例可表示為二次切刀減阻程度。B越大，減阻程度越大，但不利于秸稈的二次切割；B越小，減阻程度越小，且易夾土。前期預(yù)試驗(yàn)得出，當(dāng)B=50°時(shí)秸稈粉碎效果較好，且不易夾土，因此取B=50°。此時(shí)，二次切刀減阻程度為σ≈58.6%。

由以上設(shè)計(jì)可得刀輥中刀片排列展開(kāi)圖，如圖8所示。由圖8可得

(16)

式中γ——螺旋升角，(°)

D——刀軸直徑，取80 mm

x′——刀輥一條螺旋線上旋耕刀數(shù)量，把

(17)

式中H0——旋耕刀排列螺旋線導(dǎo)程，mm

將各值代入解得：γ≈5°,H0≈2 871 mm。

2.3 作業(yè)參數(shù)選取

2.3.1切土節(jié)距

切土節(jié)距對(duì)碎土率和秸稈粉碎率有重要影響，其由整機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，滿足

(18)

圖8 刀片在刀輥上排列展開(kāi)圖Fig.8 Blades arranged on knife roller

式中S——切土節(jié)距，mm

n0——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min

Z——同一切土小區(qū)內(nèi)正切刃方向相同刀片數(shù)量，把

根據(jù)長(zhǎng)江中下游土壤特點(diǎn)，為滿足碎土質(zhì)量[29]，S取值范圍為40～60 mm。將各值代入式(18)，結(jié)合GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》可得n0取值范圍為250～350 r/min。

2.3.2作業(yè)耕深

如圖3所示，旋耕刀刃口上任一點(diǎn)M沿X軸方向運(yùn)動(dòng)方程為

x0=ut+R′cos(ωt)

(19)

式中x0——點(diǎn)M沿X軸方向位移，mm

R′——點(diǎn)M旋轉(zhuǎn)半徑，mm

則M點(diǎn)沿X軸方向速度為

vx=u-R′ωsin(ωt)

(20)

式中vx——點(diǎn)M沿X軸方向速度，m/s

當(dāng)vx<0時(shí)，刀片才能起到碎茬作用。聯(lián)立式(5)和式(20)可得

(21)

將各值代入可得H<196 mm。

2.3.3溝底凸起高度

旋耕作業(yè)后耕層底部有凸起存在，該凸起部分是機(jī)具作業(yè)時(shí)未耕到的土壤，其高度對(duì)播種和插秧均有影響，各參數(shù)間相互關(guān)系應(yīng)滿足

(22)

式中h——溝底凸起高度，mm

根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)要求[28]，溝底凸起高度不超過(guò)耕深的20%，即h≤0.2H。將各值代入式(22)可得λ≥3.9，因此2.1節(jié)求得的λ取5～7，滿足該要求。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

圖9 刀輥實(shí)物圖Fig.9 Physical photo of knife roller

試驗(yàn)于2018年5月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)地為小麥茬地，土壤類型為壤土。0～10 cm土壤干基含水率為20.8%，10 cm深處土壤堅(jiān)實(shí)度為2 208.0 kPa；10～20 cm土壤干基含水率25.0%，20 cm深處土壤堅(jiān)實(shí)度4 081.9 kPa。收獲后小麥秸稈平均高度為312 mm，秸稈覆蓋量為408 g/m2。刀輥實(shí)物如圖9所示，試驗(yàn)設(shè)備包括東方紅LX954型輪式拖拉機(jī)、專用功率測(cè)試裝置(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制)、秒表、米尺、鋼尺、水平尺和電子天平等。

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)課題組前期研究[20-21]，本試驗(yàn)取耕深、作業(yè)速度和刀輥轉(zhuǎn)速為主要影響因素。根據(jù)小麥播種、油菜和水稻直播深度要求[25,30-31]，結(jié)合2.3節(jié)對(duì)作業(yè)參數(shù)范圍的分析，取耕深范圍為10～18 cm；拖拉機(jī)作業(yè)擋位選用慢Ⅰ、慢Ⅱ和慢Ⅲ，作業(yè)速度范圍0.5～1.1 m/s；取刀輥轉(zhuǎn)速范圍250～320 r/min。試驗(yàn)采用Design-Expert軟件中的Box-Behnken方案進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，其因素編碼如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Test factors codes

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 5668—2008 《旋耕機(jī)》要求，結(jié)合保護(hù)性耕作技術(shù)，選取試驗(yàn)指標(biāo)為秸稈掩埋率、秸稈粉碎率、碎土率和功耗。由于上述標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有關(guān)于秸稈粉碎率的測(cè)量方法，因此其測(cè)量方法按照GB/T 24675.6—2009 《保護(hù)性耕作機(jī)械秸稈粉碎還田機(jī)》要求進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)區(qū)總長(zhǎng)為30 m，取中間20 m為穩(wěn)定測(cè)量區(qū)。同一工況重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

3.3.1秸稈掩埋率

在每個(gè)行程測(cè)量區(qū)中隨機(jī)選取一點(diǎn)，測(cè)量1 m×1 m面積內(nèi)所有未被掩埋的秸稈質(zhì)量，秸稈掩埋率計(jì)算公式為

(23)

式中Y1——秸稈掩埋率，%

Mq——耕前單位面積秸稈質(zhì)量，g/m2

Mh——耕后單位面積未掩埋秸稈質(zhì)量，g/m2

3.3.2秸稈粉碎率

在每個(gè)行程測(cè)量區(qū)等間距選取3個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量每個(gè)點(diǎn)1 m×1 m面積內(nèi)全耕層所有秸稈質(zhì)量和長(zhǎng)度大于10 mm秸稈質(zhì)量，秸稈粉碎率計(jì)算公式為

(24)

式中Y2——秸稈粉碎率，%

Ms——1 m×1 m面積內(nèi)全耕層所有秸稈質(zhì)量，g

Mk——1 m×1 m面積內(nèi)全耕層長(zhǎng)度大于10 mm的秸稈質(zhì)量，g

計(jì)算每個(gè)取樣點(diǎn)秸稈粉碎率，取平均值為該行程秸稈粉碎率。

3.3.3碎土率

在每個(gè)行程測(cè)量區(qū)中隨機(jī)選取一點(diǎn)，分別測(cè)量0.5 m×0.5 m面積內(nèi)全耕層所有土塊質(zhì)量和直徑大于4 cm土塊質(zhì)量，碎土率計(jì)算公式為

(25)

式中Y3——碎土率，%

M0——0.5 m×0.5 m面積內(nèi)全耕層所有土塊質(zhì)量，g

M1——0.5 m×0.5 m面積內(nèi)全耕層直徑大于4 cm土塊質(zhì)量，g

3.3.4功耗

采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，應(yīng)用扭矩輸出軸轉(zhuǎn)速一體傳感器、無(wú)線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器和黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的專用功率測(cè)試裝置進(jìn)行功耗測(cè)量，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在專用軟件面板上，并以.csv格式保存于終端計(jì)算機(jī)中。

3.4 結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken方案共進(jìn)行13組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表中，A、B、C分別為耕深、作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速因素編碼值。

對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得秸稈掩埋率、秸稈粉碎率、碎土率、功耗的方差分析結(jié)果分別如表5、6所示。由表5可以得出，對(duì)于秸稈掩埋率，A2、A和B影響顯著；對(duì)于秸稈粉碎率，C和A2影響顯著。各因素對(duì)秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響顯著性由大到小分別為耕深、作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深。由表6分析結(jié)果可知，對(duì)于碎土率，C影響顯著；對(duì)于功耗，A和C影響極顯著。各因素對(duì)碎土率和功耗的影響顯著性由大到小分別為刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深和刀輥轉(zhuǎn)速、耕深、作業(yè)速度。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Test scheme and results

表5 秸稈掩埋率和秸稈粉碎率方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis result of rate of straw burial and rate of straw crushing

表6 碎土率和功耗方差分析結(jié)果Tab.6 Variance analysis result of rate of soil pulverization and power

表5和表6分析結(jié)果顯示，各因素交互作用對(duì)秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響較碎土率和功耗大，因此對(duì)秸稈掩埋率和秸稈粉碎率進(jìn)行響應(yīng)面分析，分別如圖10和圖11所示。由圖10a可知，秸稈掩埋率隨著耕深和作業(yè)速度的增大均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在耕深為14.7 cm、作業(yè)速度為0.71 m/s時(shí)達(dá)到最大值；由圖10b和圖10c可知，秸稈掩埋率隨刀輥轉(zhuǎn)速的增加呈增大趨勢(shì)；由于刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)功耗影響極顯著且隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增加功耗呈增大趨勢(shì)，因此，在滿足秸稈掩埋率的前提下應(yīng)盡量降低刀輥轉(zhuǎn)速。由圖11a可以得出，隨著耕深和作業(yè)速度的增加，秸稈粉碎率均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在耕深為14.2 cm、作業(yè)速度為0.74 m/s時(shí)達(dá)到最大值；由圖11b和圖11c可以得出，秸稈粉碎率隨刀輥轉(zhuǎn)速增加呈增大趨勢(shì)。

圖10 因素對(duì)秸稈掩埋率的影響Fig.10 Influence of factors on rate of straw burial

由表4試驗(yàn)結(jié)果可以得出，碎土率均隨刀輥轉(zhuǎn)速的增加呈增大趨勢(shì)，隨耕深和作業(yè)速度的增加呈減小趨勢(shì)，因素間無(wú)交互作用。功耗隨耕深、作業(yè)速度和刀輥轉(zhuǎn)速的增加均呈增大趨勢(shì)，因素間無(wú)交互作用。因此，在滿足作業(yè)質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量選擇較小刀輥轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用軟件中的Optimization功能，以降低功耗為首要目的，其次為秸稈掩埋率，最后分別為秸稈粉碎率和碎土率，進(jìn)行優(yōu)化分析，得最優(yōu)參數(shù)組合為：耕深12.7 cm，作業(yè)速度0.7 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速273 r/min。此時(shí)的預(yù)測(cè)效果為：功耗30.4 kW，秸稈掩埋率94.4%，秸稈粉碎率89.2%，碎土率80.3%。

4 試驗(yàn)

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)用響應(yīng)面法分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果為：功耗31.9 kW，秸稈掩埋率93.1%，秸稈粉碎率87.5%，碎土率78.3%。與軟件預(yù)測(cè)值誤差分別為4.7%、1.4%、1.9%和2.6%，軟件預(yù)測(cè)誤差較小。

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field test

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

課題組前期研制的水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)作業(yè)效果較傳統(tǒng)秸稈還田耕整機(jī)作業(yè)效果好[20]，但旱耕作業(yè)功耗較大，因此將這兩種秸稈還田耕整機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在保證作業(yè)質(zhì)量滿足要求的基礎(chǔ)上降低功耗。在兩種秸稈還田耕整機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合[20-21]下分別進(jìn)行試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果如表7所示。由表7可得，水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)秸稈掩埋率與功耗較六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)高2.3%和8.8%，但秸稈粉碎率和碎土率分別較后者低3.0%和6.1%，分析其原因主要是：水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)中使用的是螺旋橫刀，其主要作用是壓草和拋土，因此秸稈掩埋效果較六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)好，但同時(shí)也增大了作業(yè)阻力，尤其在旱地作業(yè)時(shí)，功耗增加明顯[22-23]；六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)取消了螺旋橫刀，增添了等滑切角二次切刀的使用，所以秸稈粉碎率和碎土率較水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)高，同時(shí)也降低了功耗。

表7 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Comparison test results

5 結(jié)論

(1)基于莖稈力學(xué)特性和滑切原理，設(shè)計(jì)了等滑切角二次切刀，取消了螺旋橫刀的使用，設(shè)計(jì)了六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明作業(yè)質(zhì)量均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)通過(guò)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析，得出各因素對(duì)功耗、秸稈掩埋率、秸稈粉碎率和碎土率的影響顯著性由大到小分別為：刀輥轉(zhuǎn)速、耕深、作業(yè)速度；耕深、作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速；刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深；刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深。并得到最優(yōu)參數(shù)組合為耕深12.7 cm，作業(yè)速度0.7 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速273 r/min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，功耗、秸稈掩埋率、秸稈粉碎率和碎土率的實(shí)際測(cè)量值和預(yù)測(cè)值誤差分別為4.7%、1.4%、1.9%和2.6%。

(3)與課題組前期研制的水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)田間對(duì)比試驗(yàn)得出，六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)秸稈掩埋率和功耗分別低2.3%和8.8%，秸稈粉碎率和碎土率分別提高3.0%和6.1%。