張佳喜 芮照鈺 蔡佳麟 王毅超 葉爾波拉提·鐵木爾 郜周明

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，新疆棉區(qū)產(chǎn)量達(dá)全國(guó)總產(chǎn)量的67.27%，且新疆棉區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)[1]。棉稈是棉花的主要副產(chǎn)品，木質(zhì)化程度高，是一種優(yōu)質(zhì)可再生生物質(zhì)資源[2-3]。我國(guó)棉稈年產(chǎn)量約3 150萬(wàn)t，棉稈整株拔取能防止病蟲(chóng)害傳播，消除對(duì)耕整地作業(yè)和作物播種的不良影響，針對(duì)新疆鋪膜種植，整株拔取棉稈方便殘膜回收，有利于土地的可持續(xù)發(fā)展[4]。研發(fā)適合新疆機(jī)采棉種植模式的棉稈收獲機(jī)械，對(duì)提高棉稈資源利用率，促進(jìn)棉花收獲全程機(jī)械化發(fā)展有積極的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在棉稈收獲技術(shù)和裝備方面已取得一定成果。國(guó)外棉稈收獲技術(shù)以對(duì)行收獲為主，如美國(guó)的AMADAS棉稈拔取切碎收獲機(jī)和澳大利亞的Multi拔棉稈機(jī)械，對(duì)種植行距標(biāo)準(zhǔn)要求高，不適用于新疆機(jī)采棉種植模式[5]。國(guó)內(nèi)研制的棉稈收獲機(jī)主要有鏈夾式、齒盤(pán)式、鏟切式和對(duì)輥式，鏈夾式和齒盤(pán)式收獲機(jī)的起拔部件為剛性材料，易夾斷棉稈影響收獲；鏟切式收獲機(jī)對(duì)種植行距適應(yīng)性強(qiáng)，但功率消耗大，存在棉稈與殘膜分離不完全的問(wèn)題，影響棉稈及殘膜的回收再利用；對(duì)輥式收獲機(jī)起拔效果較好，但僅適用于種植行距較寬的等行距種植模式[6-10]。

筆者提出雙柔性帶裹夾拉拔的收獲方式，設(shè)計(jì)的夾持帶式棉稈收獲機(jī)有效降低了棉稈拔斷率，但采用后懸掛會(huì)導(dǎo)致拖拉機(jī)破壞棉稈生長(zhǎng)狀態(tài)，影響作業(yè)，因此針對(duì)新疆機(jī)采棉種植模式，基于帶夾原理設(shè)計(jì)一種前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)，起拔機(jī)放置于拖拉機(jī)前可以防止拖拉機(jī)行駛對(duì)棉稈生長(zhǎng)狀態(tài)的破壞。對(duì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析并進(jìn)行正交試驗(yàn)與驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為棉稈整株起拔技術(shù)研究提供參考。

1 機(jī)具結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機(jī)具結(jié)構(gòu)

前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前懸掛架、液壓系統(tǒng)、起拔輸送機(jī)構(gòu)、分禾器等部件組成。

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

棉稈起拔機(jī)通過(guò)前懸掛與拖拉機(jī)前配重安裝架相連接，固定于拖拉機(jī)正前方，拖拉機(jī)前進(jìn)帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)。液壓工作站為液壓缸和液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，通過(guò)操縱手柄控制液壓缸升降以調(diào)節(jié)機(jī)具作業(yè)高度；液壓馬達(dá)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)皮帶隨主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在摩擦力作用下帶動(dòng)夾持皮帶1和夾持皮帶2運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速可通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)[11]。機(jī)組前進(jìn)時(shí)，棉稈經(jīng)分禾器進(jìn)入皮帶夾持區(qū)域，被皮帶夾持拔出土壤并向側(cè)邊輸送，最終有序鋪放在機(jī)具一側(cè)的地面上。

為實(shí)現(xiàn)棉稈鋪放有序，避免已拔起棉稈影響連續(xù)作業(yè)，機(jī)具采用單側(cè)輸送。右側(cè)夾持帶長(zhǎng)度由棉稈寬行行距決定，較長(zhǎng)可以保證右側(cè)棉稈完全拔出；在保證棉稈完成起拔基礎(chǔ)上，為盡快將棉稈排出，避免大量棉稈積聚堵塞，左側(cè)夾持帶設(shè)計(jì)較短。前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)工作幅寬為1 460 mm，整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 410 mm×1 620 mm×1 180 mm，作業(yè)行數(shù)為4行。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

起拔輸送機(jī)構(gòu)是機(jī)具的主要工作部件，如圖2所示，主要由機(jī)架、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、張緊裝置、外從動(dòng)輪、傳動(dòng)皮帶、夾持皮帶1和夾持皮帶2組成。在機(jī)具前端均布4個(gè)外從動(dòng)輪，通過(guò)U形架與機(jī)架連接，夾持皮帶1安裝在3個(gè)外從動(dòng)輪上，夾持皮帶2與外從動(dòng)輪及張緊輪配合。針對(duì)新疆機(jī)采棉種植模式，即100 mm+660 mm+100 mm[12]，為保證作業(yè)時(shí)對(duì)行準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)相鄰?fù)鈴膭?dòng)輪中心距a為250 mm(圖2b)。為防止皮帶在棉稈拉拽下脫落，皮帶輪設(shè)計(jì)為三槽帶輪，并設(shè)置雙螺桿結(jié)構(gòu)的張緊裝置，以提高作業(yè)穩(wěn)定性。皮帶寬度過(guò)小，安裝不穩(wěn)固易掉帶，夾持棉稈長(zhǎng)度過(guò)短導(dǎo)致起拔力不足，過(guò)大增加能耗和成本，參考現(xiàn)有設(shè)備[13]，設(shè)計(jì)皮帶寬度為80 mm。

2.1 拔稈過(guò)程分析

棉稈起拔機(jī)為對(duì)行起拔，棉稈在分禾器作用下分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的夾持區(qū)域，從棉稈進(jìn)入夾持區(qū)域接觸皮帶到脫離夾持完成收獲為一個(gè)拔稈周期，主要分為3個(gè)階段：夾持階段、起拔階段和輸送階段，如圖3所示。

夾持階段：棉稈在分禾器作用下進(jìn)入夾持區(qū)域，接觸皮帶且逐漸被皮帶夾緊。受機(jī)具前進(jìn)作用，此階段棉稈主要受推力N的作用，推力N方向與機(jī)具前進(jìn)方向一致，如圖4所示。

起拔階段：從棉稈被皮帶夾持受起拔力到棉稈主根系完全拔出地面屬于起拔階段，此階段棉稈在起拔力作用下克服土壤粘結(jié)力f和自身重力G做功，起拔力的實(shí)質(zhì)為皮帶對(duì)棉稈的摩擦力。在棉稈起拔過(guò)程中，起拔力F做正功，棉稈自身重力G和土壤粘結(jié)力f做負(fù)功，由于棉稈自身重力G相對(duì)土壤粘結(jié)力f可忽略不計(jì)，因此可以簡(jiǎn)化為起拔力克服土壤粘結(jié)力做功，如圖4所示。起拔過(guò)程中，起拔力要大于土壤粘結(jié)力，即F大于f，并且要保證一定的作用時(shí)間才能完成起拔。

輸送階段：棉稈脫離土壤約束后，推力N消失，棉稈僅受摩擦力f2和重力G作用，如圖4所示。棉稈在皮帶夾持下側(cè)向輸送，直至被夾持皮帶2運(yùn)輸?shù)綑C(jī)具最左側(cè)(圖2b)，最終脫離夾持，在慣性作用下鋪放至地表。

棉稈起拔過(guò)程中拔稈失敗會(huì)出現(xiàn)漏拔和拔斷兩種情況，下面分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析。

2.1.1漏拔分析

導(dǎo)致漏拔的原因主要有：因皮帶摩擦力不足，棉稈無(wú)法被夾持；起拔時(shí)皮帶夾持力不足，起拔力小于根系與土壤粘結(jié)力導(dǎo)致棉稈滑落。

首先對(duì)棉稈被夾持所需條件進(jìn)行分析。棉稈在機(jī)具前進(jìn)和分禾器作用下進(jìn)入夾持區(qū)域，在皮帶摩擦力作用下到達(dá)初始夾持點(diǎn)。棉稈在初始夾持點(diǎn)受力情況如圖5所示，傳動(dòng)皮帶對(duì)棉稈的支持力和摩擦力分別為N3、f3，夾持皮帶1對(duì)棉稈的支持力和摩擦力分別為N4、f4。有

(1)

式中μ——皮帶與棉稈摩擦因數(shù)

將夾持力和摩擦力沿進(jìn)入夾持方向和垂直進(jìn)入夾持方向分解，棉稈被皮帶夾緊所需條件為

N3sinθ+N4sinθ

(2)

式中θ——皮帶進(jìn)入夾持角，(°)

聯(lián)立式(1)、(2)可得

μ>tanθ

(3)

HI長(zhǎng)度為c，根據(jù)三角形相似，由圖5可知

(4)

(5)

(6)

代入式(3)可得外從動(dòng)輪半徑

(7)

式中r1——棉稈半徑，mm

r——外從動(dòng)輪半徑，mm

由圖2b可知，為保證對(duì)行準(zhǔn)確，需滿足關(guān)系式

2(a+r)<760 mm

(8)

由式(7)可知，外從動(dòng)輪半徑r需滿足一定條件，為防止皮帶脫離帶輪，保證皮帶張緊，皮帶輪半徑不能過(guò)??；將a=250 mm代入式(8)可知，外從動(dòng)輪半徑r應(yīng)小于130 mm，皮帶輪半徑過(guò)大會(huì)增加能耗，設(shè)計(jì)外從動(dòng)輪半徑r為90 mm。

在起拔輸送過(guò)程中棉稈夾持越緊，越不容易產(chǎn)生傾斜、脫落，有利于起拔輸送，但皮帶張緊度過(guò)大，容易導(dǎo)致棉稈難以進(jìn)入夾持和排出，還會(huì)使皮帶磨損加劇，降低皮帶壽命。為保證順利拔取棉稈，在起拔和輸送過(guò)程中需要保持穩(wěn)定的夾持力。如圖2a所示，設(shè)置多個(gè)外從動(dòng)輪和張緊輪，呈S形分布，使皮帶張緊均勻，保證皮帶夾持力的穩(wěn)定。如圖6a所示，張緊輪通過(guò)雙螺桿結(jié)構(gòu)安裝，皮帶張緊度可以通過(guò)改變張緊輪與機(jī)架的距離d來(lái)調(diào)整，距離d越大，皮帶張緊程度越大。

棉稈被皮帶夾持隨皮帶運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)O1、O4處棉稈受力如圖6b所示，根據(jù)受力平衡可知

(9)

(10)

式中N1——點(diǎn)O1外從動(dòng)輪對(duì)棉稈夾持力，N

N′5——點(diǎn)O4傳動(dòng)皮帶對(duì)棉稈夾持力，N

FD——傳動(dòng)皮帶張力，N

φ——皮帶夾持角，(°)

φ1——皮帶下夾持角，(°)

φ2——皮帶上夾持角，(°)

N5——點(diǎn)O4外從動(dòng)輪對(duì)棉稈夾持力，N

N′5——點(diǎn)O4傳動(dòng)皮帶對(duì)棉稈夾持力，N

由式(9)、(10)可知，夾持力與皮帶張力FD成正比，皮帶張力FD又隨皮帶張緊度增大而增加，因此可以通過(guò)改變皮帶張緊度來(lái)控制皮帶夾持力。

點(diǎn)O1至點(diǎn)O2棉稈被皮帶夾持區(qū)間屬于起拔階段，在此區(qū)間棉稈被皮帶夾持繞外從動(dòng)輪做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖6a所示。根據(jù)向心力計(jì)算公式有

(11)

皮帶對(duì)棉稈的最大靜摩擦力為

fmax=μ(N′1+N1)

(12)

將式(11)代入式(12)可得

(13)

式中m——棉稈質(zhì)量，g

v——皮帶線速度，m/s

皮帶對(duì)棉稈最大靜摩擦力若小于根系與土壤的粘結(jié)力會(huì)造成棉稈滑落，無(wú)法完成起拔。由式(13)可知，皮帶線速度在一定程度上影響了最大靜摩擦力。皮帶線速度增加可以提高最大靜摩擦力，但線速度過(guò)大，動(dòng)載荷過(guò)大，容易導(dǎo)致棉稈拔斷。皮帶線速度過(guò)小，最大靜摩擦力不足，棉稈易滑落而造成漏拔。

2.1.2拔斷分析

棉稈斷裂一般發(fā)生在起拔階段，當(dāng)棉稈強(qiáng)度小于棉稈根系與土壤的粘結(jié)力時(shí)導(dǎo)致拔斷，否則棉稈會(huì)被拔起。棉稈試樣制備如圖7所示，并在萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行棉稈拉伸試驗(yàn)，測(cè)定棉稈不同部位的拉伸破壞載荷，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

棉稈根系與土壤的粘結(jié)力最大約為850 N[14]，由表1可知，越接近棉稈底部棉稈的強(qiáng)度越大[15-17]，機(jī)具夾持起拔高度低于300 mm，棉稈底部300 mm的拉伸破壞載荷最小為1 304 N，遠(yuǎn)大于棉稈與土壤粘結(jié)力最大值，因此不會(huì)將棉稈拔斷。

表1 棉稈不同部位拉伸破壞載荷Tab.1 Failure tensile load of different parts of cotton-stalk N

棉稈拔斷的主要原因是被夾持部位變形量過(guò)大，木質(zhì)部纖維斷裂后，抗拉強(qiáng)度降低。為降低拔斷率，起拔輸送機(jī)構(gòu)采用柔性皮帶夾持，可以有效減小棉稈變形。

棉稈主干橫截面接近圓形，兩側(cè)受皮帶夾持力后呈近似橢圓形，對(duì)棉稈和皮帶變形進(jìn)行分析，如圖8所示。棉稈被皮帶包裹并夾持，產(chǎn)生變形有恢復(fù)原狀的趨勢(shì)，從而將棉稈部分變形轉(zhuǎn)移為皮帶變形，棉稈發(fā)生形變D1并產(chǎn)生變形抗力F1，皮帶發(fā)生形變D2并產(chǎn)生對(duì)棉稈的夾持力F2，棉稈與皮帶接觸面的荷載為Q，棉稈形變D1、皮帶形變D2均與接觸面荷載Q正相關(guān)，F(xiàn)1、F2大小相等方向相反，即

F1=F2

(14)

皮帶包裹棉稈橫截面圓周的弧長(zhǎng)為l，棉稈被夾持長(zhǎng)度b為80 mm，皮帶與棉稈接觸面積為

(15)

皮帶對(duì)棉稈夾持力

F2=QS

(16)

皮帶夾持相較于剛性部件夾持，與棉稈橫截面圓周的接觸弧長(zhǎng)l較大，棉稈被夾持長(zhǎng)度b也較大，所以皮帶與棉稈的接觸面積遠(yuǎn)大于剛性部件與棉稈的接觸面積。由公式(14)、(16)可知，在夾持力相同的情況下，剛性部件與棉稈接觸面的荷載Q遠(yuǎn)大于皮帶，皮帶夾持棉稈不易發(fā)生斷裂，從而降低了棉稈拔斷率。

2.2 拔稈機(jī)理分析

棉稈最終起拔結(jié)果有3種：漏拔、拔斷和拔出。在拔稈過(guò)程中，機(jī)具以一定速度前進(jìn)，同時(shí)皮帶夾持棉稈轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者構(gòu)成拔稈運(yùn)動(dòng)。以?shī)A持皮帶1和傳動(dòng)皮帶夾持棉稈起拔為例，對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

如圖9所示，點(diǎn)M為棉稈初始夾持點(diǎn)，夾持起拔過(guò)程中棉稈先隨外從動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)角α到達(dá)點(diǎn)M1，然后隨皮帶向機(jī)具左側(cè)水平移動(dòng)距離2a到達(dá)點(diǎn)M2，最終隨外從動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)角α到達(dá)點(diǎn)M′脫離夾持。拔稈過(guò)程中棉稈被夾持點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為PP1P3P4，其中PP1P2段軌跡為擺線，P1P3段軌跡為直線，P3P4段軌跡與P1P2段軌跡相同。

以右側(cè)外從動(dòng)輪中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，x軸為水平方向，y軸為機(jī)具前進(jìn)方向，則夾持皮帶1上各點(diǎn)的速度方程表達(dá)式為：

PP1段

(17)

P1P3段

(18)

P3P4段

(19)

(20)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度，km/h

ω——外從動(dòng)輪角速度，rad/s

vx——皮帶上各點(diǎn)絕對(duì)速度沿x軸方向分量，m/s

vy——皮帶上各點(diǎn)絕對(duì)速度沿y軸方向分量，m/s

t——點(diǎn)M開(kāi)始棉稈被夾持時(shí)間，s

由式(17)～(20)可知，當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速增大時(shí)，皮帶線速度v增大，則外從動(dòng)輪角速度ω變大，夾持皮帶1上一點(diǎn)絕對(duì)速度在x軸方向上的分速度vx隨之增大。vx增大則棉稈被側(cè)向輸送的速度變快，棉稈起拔時(shí)間縮短。若主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，起拔時(shí)間過(guò)短，皮帶動(dòng)載荷過(guò)大易拔斷棉稈；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)小，起拔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，側(cè)向輸送速度慢，工作效率低，棉稈累積易造成堵塞。

主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速影響棉稈被側(cè)向輸送的速度，機(jī)具前進(jìn)速度影響棉稈進(jìn)入夾持的速度。棉稈起拔作業(yè)時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度越快，因株距一定，所以棉稈進(jìn)入夾持的速度就越快。若機(jī)具前進(jìn)速度大于棉稈側(cè)向輸送速度，會(huì)由于棉稈輸送不及時(shí)使棉稈不斷集聚，最終導(dǎo)致堵塞皮帶，無(wú)法繼續(xù)作業(yè)；若機(jī)具前進(jìn)速度小于棉稈側(cè)向輸送速度，棉稈側(cè)向輸送及時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致堵塞，滿足工作要求。

皮帶線速度計(jì)算公式為

(21)

式中n——主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min

R——主動(dòng)輪半徑，mm

主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的取值范圍為200～300 r/min，代入式(21)得皮帶線速度的范圍為2.09～3.14 m/s，前進(jìn)速度范圍為1～3 km/h，即0.28～0.83 m/s，皮帶最低線速度遠(yuǎn)大于最高前進(jìn)速度，滿足工作要求。

作業(yè)時(shí)，固定機(jī)具后端2個(gè)張緊輪不動(dòng)，通過(guò)雙螺桿結(jié)構(gòu)改變前端5個(gè)張緊輪與機(jī)架的距離來(lái)控制皮帶的張緊程度，以滿足不同的作業(yè)需求。張緊輪與機(jī)架的距離d稱之為張緊量，綜合考慮皮帶結(jié)構(gòu)、帶輪中心距、帶輪直徑等因素，本樣機(jī)的張緊量確定為60～100 mm，如圖10所示，張緊量越大，皮帶的張緊度就越大。

3 機(jī)具田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣達(dá)西村三隊(duì)棉花地進(jìn)行，土壤屬于沙質(zhì)土壤，選用常發(fā)CFD554型拖拉機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率40.5 kW)。試驗(yàn)地采用一膜四行的種植模式，棉花品種為新陸早45號(hào)，窄行種植行距為100 mm，寬行種植行距為660 mm，株距50 mm，株高約750 mm。土壤含水率9%～21%，土壤堅(jiān)實(shí)度3.5～5.5 kg/cm2，棉稈含水率25%～35%，棉稈根部直徑約10 mm。

田間試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)、土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x、土壤水分測(cè)量?jī)x、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、電子天平、皮尺、卷尺、活動(dòng)扳手等。棉稈起拔機(jī)田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

試驗(yàn)參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。選定一塊地勢(shì)平坦、棉花長(zhǎng)勢(shì)良好的棉花地，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)好試驗(yàn)中各參數(shù)的不同水平，拔稈過(guò)程中機(jī)具保持勻速前進(jìn)。調(diào)整好參數(shù)后，機(jī)具每前進(jìn)20 m作為一組試驗(yàn)，前后5 m為過(guò)渡段，作業(yè)前，記錄將要作業(yè)的20 m區(qū)域內(nèi)中間10 m的棉稈個(gè)數(shù)，記為W。每組試驗(yàn)作業(yè)完畢后，記錄中間10 m的棉稈中拔斷的棉稈數(shù)W1和漏拔的棉稈數(shù)W2。

為測(cè)試棉稈起拔機(jī)的拔稈效果，選擇棉稈拔斷率和棉稈漏拔率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)拔稈機(jī)理分析結(jié)果，選取機(jī)具前進(jìn)速度、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和張緊量作為影響因素。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Benhnken響應(yīng)面分析方法，以前進(jìn)速度、張緊量和主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為影響因素，以棉稈拔斷率和棉稈漏拔率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Factors and codes of test

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Program and results of experiment

3.4 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立棉稈拔斷率和漏拔率的二次回歸模型，并進(jìn)行方差分析，如表4所示。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equations

由表4可知，棉稈拔斷率和漏拔率模型的P值均小于0.01，回歸模型均高度顯著，失擬項(xiàng)P值均大于0.05，兩模型擬合程度高；決定系數(shù)R2均大于0.95，模型均可解釋95%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)，表明兩模型可用于機(jī)具的參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)比兩模型中A、B和C的P值可知，各試驗(yàn)因素對(duì)棉稈拔斷率的影響顯著順序由大到小為：主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、張緊量、前進(jìn)速度；各試驗(yàn)因素對(duì)棉稈漏拔率的影響顯著順序由大到小為：張緊量、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。

圖12a是張緊量位于中心水平(80 mm)時(shí)，前進(jìn)速度和主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)棉稈拔斷率影響的響應(yīng)面圖，棉稈拔斷率隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速升高而先下降后上升，變動(dòng)較大，但在前進(jìn)速度升高時(shí)拔斷率緩慢上升，變動(dòng)較小，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)棉稈拔斷率的影響更為顯著。圖12b是主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速位于中心水平(250 r/min)時(shí)，張緊量和前進(jìn)速度的交互作用對(duì)棉稈漏拔率影響的響應(yīng)面圖。棉稈漏拔率隨著前進(jìn)速度升高而緩慢下降，但在張緊量增大時(shí)棉稈漏拔率上升較為迅速，張緊量對(duì)棉稈漏拔率的影響更為顯著。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Design-Expert軟件對(duì)建立的二次回歸正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(22)

軟件優(yōu)化得出最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度2.27 km/h、張緊量71.26 mm、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速244.98 r/min，此時(shí)棉稈拔斷率和棉稈漏拔率分別為3.53%、5.09%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用與上述參數(shù)接近的數(shù)值，于巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣達(dá)西村三隊(duì)棉花地進(jìn)行了3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果取均值?？紤]田間試驗(yàn)的可行性，將工作參數(shù)圓整為前進(jìn)速度2 km/h，張緊量70 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速250 r/min。此時(shí)棉稈拔斷率為3.67%，棉稈漏拔率為5.32%，試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差為3.97%和4.52%，均小于5%，滿足棉稈起拔作業(yè)要求。驗(yàn)證試驗(yàn)效果如圖13所示。

4 結(jié)論

(1)為解決棉稈起拔時(shí)拔斷率高、棉稈鋪放散亂的問(wèn)題，基于帶夾原理設(shè)計(jì)了一種前置式皮帶夾持輸送棉稈起拔機(jī)。

(2)分析棉稈起拔過(guò)程中產(chǎn)生漏拔及拔斷的原因，進(jìn)行了拔稈機(jī)理理論分析，通過(guò)正交試驗(yàn)分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)作業(yè)效果的影響，得出各因素對(duì)棉稈拔斷率影響大小順序?yàn)椋褐鲃?dòng)輪轉(zhuǎn)速、張緊量、前進(jìn)速度；對(duì)棉稈漏拔率影響大小順序?yàn)椋簭埦o量、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。

(3)通過(guò)Design-Expert軟件優(yōu)化得出的最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度2.27 km/h，張緊量71.26 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速244.98 r/min，此時(shí)棉稈拔斷率和棉稈漏拔率分別為3.53%、5.09%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：在前進(jìn)速度為2 km/h，張緊量為70 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，棉稈拔斷率為3.67%，棉稈漏拔率為5.32%，試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差均小于5%，表明樣機(jī)設(shè)計(jì)合理。