于家川，李明軍，李偉，廖培旺，李明升，張愛(ài)民

(濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東濱州，256600)

0 引言

棉花膜上膜播種揭膜后出苗孔的封孔，棉花膜上側(cè)封土、播種苗期地膜出苗孔的封土，這些先進(jìn)的耕作模式難以推廣主要原因是作物出苗封孔的時(shí)間短，勞動(dòng)強(qiáng)度大，密集度高，人工成本超高，并且人工作業(yè)的工效質(zhì)量難以保證。而及時(shí)封土可以起到消除板結(jié)，淡化鹽堿，培根護(hù)莖，提高地溫，促苗轉(zhuǎn)化，穩(wěn)健勻發(fā)的效果。旋耕式棉花封土機(jī)工作效率可以達(dá)到約0.5 hm2/h，可以及時(shí)完成封土。因此，實(shí)現(xiàn)棉花封土機(jī)械化有助于推廣先進(jìn)的耕作模式，保證棉花的生長(zhǎng)質(zhì)量[1]。

到目前為止，已經(jīng)有很多種封土機(jī)具，其中，帶有旋耕刀的棉花封土機(jī)具，效果較好。另外，總結(jié)起來(lái)其存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：(1)轉(zhuǎn)速高，能耗高，效率低；(2)上土量過(guò)多；(3)取土溝最終的情況不合理。對(duì)以上問(wèn)題究其原因，可知是由于沒(méi)有合理的參數(shù)組合導(dǎo)致。

由于有關(guān)棉花封土機(jī)的論文很少，而且對(duì)于旋耕式棉花封土機(jī)參數(shù)的組合還未做過(guò)試驗(yàn)和研究。所以，本研究擬以自行研制的方便拆卸組合的旋耕式棉花封土機(jī)為研究對(duì)象，以封土帶的橫截面尺寸為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用 Box-Benhnken 試驗(yàn)方法對(duì)影響封土帶的尺寸的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究[2-4]，尋求其最優(yōu)組合并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可為棉花封土機(jī)的設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究起到參考作用。

1 旋耕式棉花封土機(jī)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的旋耕式棉花封土機(jī)主要由機(jī)架、限深輪、變速箱、刀軸、刀盤(pán)組件、導(dǎo)土裝置、回土裝置、護(hù)罩等組成，如圖1所示。

圖1 旋耕式棉花封土機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

旋耕式棉花封土機(jī)選用速比為14/26的變速箱；選用刀具為IT245左右彎刀，將刀庫(kù)焊接到刀盤(pán)上，進(jìn)而固定彎刀，每個(gè)刀盤(pán)上設(shè)計(jì)有8把均勻分布的彎刀，且同為左彎刀或者右彎刀；收集土壤裝置為導(dǎo)土板，用平板將取到的土壤集中到一起，形成封土帶，便于測(cè)量；通過(guò)測(cè)量封土帶的尺寸來(lái)找出最優(yōu)的參數(shù)組合；刀軸的轉(zhuǎn)向與行進(jìn)方向相反[4-14]。

圖2 刀盤(pán)組件結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

旋耕式棉花封土機(jī)以三點(diǎn)懸掛方式掛接于拖拉機(jī)后端，變速箱輸入軸通過(guò)萬(wàn)向軸與拖拉機(jī)后輸出連接。拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由后輸出傳遞到變速箱，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與變速箱輸出軸連接的刀軸，刀軸帶動(dòng)刀盤(pán)組件運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在刀盤(pán)上的刀具快速旋轉(zhuǎn)，并入土一定深度，從而實(shí)現(xiàn)土壤的破碎和拋送，導(dǎo)土裝置將旋耕刀組拋送的土壤集中起來(lái)，形成封土帶。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

試驗(yàn)條件：2020年5月23日至6月5日，在山東省濱州市沾化縣國(guó)家科技園區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地總面積30 hm2，地勢(shì)平坦，坡度<5°。土壤類(lèi)型為輕黏土，年降水量454～653 mm。試驗(yàn)前土壤絕對(duì)含水率約為15.2 %，土壤堅(jiān)實(shí)度約為23.78 kg/cm2，土壤容重約為1.75 g/cm3[15]。

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)用拖拉機(jī)1臺(tái)，牽引機(jī)械為東方紅26 kW，2輪驅(qū)動(dòng)的拖拉機(jī)；旋耕式棉花封土機(jī)，濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所研制；標(biāo)桿、鋼板尺、卷尺、直角尺等。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用封土帶橫截面尺寸為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在棉花封土作業(yè)過(guò)程中，存在著多個(gè)影響封土效果的因素，如機(jī)具的行進(jìn)速度、田間作業(yè)狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉(zhuǎn)速等，通過(guò)前期研究及設(shè)計(jì)確定機(jī)具的行進(jìn)速度、田間作業(yè)狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)具的工作效果影響顯著。在機(jī)具的試驗(yàn)中，通過(guò)改變拖拉機(jī)的前進(jìn)速度改變機(jī)具的行進(jìn)速度；通過(guò)限深輪來(lái)調(diào)整旋耕刀入土深度；通過(guò)調(diào)整拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)整后輸出軸的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)刀軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整。封土帶的截面尺寸可用直角尺、鋼板尺量取。通過(guò)行進(jìn)速度、每次試驗(yàn)都選取單程30 m的地塊，均勻取封土帶的5個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，去平均值為最終值，并且每個(gè)參數(shù)組合重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該組試驗(yàn)的最終值。

2.3 旋耕式棉花封土機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)有的封土機(jī)的工作狀況，本試驗(yàn)選取作業(yè)速度X1、刀軸轉(zhuǎn)速X2、旋耕刀入土深度X3、單個(gè)刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量X4作為封土試驗(yàn)的試驗(yàn)因素。

(1)作業(yè)速度：封土機(jī)的作業(yè)速度，沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)地的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，作業(yè)低于0.5 m/s時(shí)效率太低，高于1 m/s 時(shí)機(jī)具震動(dòng)厲害，且封土帶不集中，不便于測(cè)量。在綜合考慮后，選取作業(yè)速度的范圍為0.5～1 m/s。(2)刀軸轉(zhuǎn)速：刀軸轉(zhuǎn)速?zèng)]有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀軸轉(zhuǎn)速低于150 r/min時(shí)，上土量很少；高于230 r/min時(shí)，機(jī)具震動(dòng)厲害，耗能高，因此，選取刀軸轉(zhuǎn)速的范圍為150～230 r/min。(3)旋耕刀入土深度：旋耕刀入土深度小于60 mm時(shí)，上土量很少，大于120 mm時(shí)，機(jī)具震動(dòng)劇烈，耗能高，且土量過(guò)多，取土溝過(guò)深，因此，選取旋耕刀入土深度的范圍為60～120 mm。(4)單個(gè)刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量：?jiǎn)蝹€(gè)刀盤(pán)上旋耕刀的數(shù)量小于4把時(shí)，幾乎不上土，大于8把時(shí)，上土效果足夠了，因此，選取單個(gè)刀盤(pán)上旋耕刀的數(shù)量范圍為4～8把。

根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以封土帶的截面面積為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以X1～X4為試驗(yàn)因素，開(kāi)展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表1。

表1 旋耕式棉花封土機(jī)試驗(yàn)因素和水平

2.4 旋耕式棉花封土機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù) Box-Benhnken 試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)了四因素三水平的試驗(yàn)，以X1、X2、X3和X4分別表示作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量，Y表示土帶截面面積試驗(yàn)方案包括了29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案以及試驗(yàn)響應(yīng)值結(jié)果見(jiàn)2。

2.5 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

針對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析。采用二次多項(xiàng)式逐步回歸法對(duì)封土帶截面面積Y進(jìn)行回歸擬合，剔除不顯著因素但保留對(duì)交互項(xiàng)、高次項(xiàng)有影響的因素，得到封土帶截面面積Y的編碼值回歸模型，如式(1)所示。

表2 旋耕式封土機(jī)試驗(yàn)方案及結(jié)果

Y=9 651.22+1 948.42X3+

3 170.75X4-1 242.5X1X4-

3 609.56X42-1 384X2X32-

1 543.25X32X4-3 510.47X12X32-

2 270.22X22X32

(1)

式中：X1——作業(yè)速度的編碼值；

X2——刀軸轉(zhuǎn)速的編碼值；

X3——旋耕刀入土深度的編碼值；

X4——單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量的編碼值；

Y——封土帶截面面積。

由表3分析可知，封土帶截面面積Y振的模型P<0.0001，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)P>0.05(0.362 1)，表明回歸模型擬合度高。

表3 封土帶截面面積方差分析

各參數(shù)對(duì)回歸模型的影響可以通過(guò)P值的大小反應(yīng)，P<0.01表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，0.010.05表明參數(shù)對(duì)模型影響不顯著。封土帶截面面積Y模型中，X3、X4、X42、X12X32、X22X32影響極顯著；X1X4、X2X32、X32X4影響顯著。

分析式(1)還可得到響應(yīng)面擬合回歸模型的擬合度量值R2(決定系數(shù))及Ra2(調(diào)整決定系數(shù))，如表4所示。從表4可以看出，決定系數(shù)和調(diào)整決定系數(shù)的差小于0.2，進(jìn)一步驗(yàn)證了旋耕式封土機(jī)作業(yè)參數(shù)可以用該模型進(jìn)行優(yōu)化。

表4 擬合度量值

2.6 交互因素影響效應(yīng)分析

由表3可知，交互因素X12X32、X22X32對(duì)封土帶截面面積影響極顯著，X1X4、X2X32、X32X4對(duì)封土帶截面面積影響顯著。為了更加直觀地分析研究雙因素交互作用對(duì)旋耕式棉花封土機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，利用Design Expert軟件繪制交互因素X12X32和X22X32對(duì)封土帶截面面積影響的響應(yīng)面(見(jiàn)圖3)，根據(jù)響應(yīng)面圖考察各交互因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

行進(jìn)速度與旋耕刀入土深度交互因素對(duì)封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(a)所示，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，在低、高作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度的增大先增大后減小，在中作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度的增大而增大；當(dāng)旋耕刀入土深度一定時(shí)，在低、高旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶隨作業(yè)速度的增大先增大后減小，在高旋耕刀0.5～0.9 m/s，旋耕刀入土深度90～120 mm入土深度區(qū)域呈相同規(guī)律。當(dāng)作業(yè)速度在范圍，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

刀軸轉(zhuǎn)速與旋耕刀入土深度交互因素對(duì)封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(b)所示，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時(shí)，在低、中刀軸轉(zhuǎn)速區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大而增大，在高刀軸轉(zhuǎn)速區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大先增大后減小；當(dāng)旋耕刀入土深度一定時(shí)，在高、中旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速增大而增大，在低旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速增大先增大后減小。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速160～210 r/min，旋耕刀入土深度在90～120 mm范圍時(shí)，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

作業(yè)速度與單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量交互因素對(duì)封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(c)所示，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，在低、中、高作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量一定時(shí)，在低、中單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨作業(yè)速度增大而增大。當(dāng)作業(yè)速度在0.5～0.9 m/s，單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量在6～8把范圍時(shí)，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

(a)旋耕刀入土深度與作業(yè)速度的交互作用

刀軸轉(zhuǎn)速與單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量交互因素對(duì)封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(d)所示，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時(shí)，在低、中、高區(qū)域封土帶截面面積隨單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量一定時(shí)，在低、中單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸的增大而增大，在高單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速在170～230 r/min，單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量在6～8把范圍時(shí)，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

3 參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

為獲得封土帶截面面積較大(8 000～10 000 mm2)的作業(yè)參數(shù)范圍，將封土帶截面面積較大的要求作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化研究。運(yùn)用Design Expert軟件對(duì)旋耕式封土機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行最優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)為：maxY；為實(shí)現(xiàn)高速高效作業(yè)，同時(shí)盡可能的保證土量(封土帶截面面積8 000～10 000 mm2)，選取變量區(qū)間為：0≤Xi≤1，其中i=1，3，4；-1

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，2020年6月20日至6月21日在山東省濱州市濱城區(qū)楊柳雪鎮(zhèn)試驗(yàn)基地，采用上述參數(shù)范圍組合進(jìn)行驗(yàn)證，參數(shù)范圍選為：作業(yè)速度0.5～0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速160～210 r/min、旋耕刀入土深度90～120 mm，單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量6～8把，重復(fù)三次試驗(yàn)，結(jié)果平均值為9 315.23 mm2,優(yōu)化值范圍為8 000～10 000 mm2；最優(yōu)組合：作業(yè)速度0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速170 r/min、旋耕刀入土深度90 mm、單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量8把，重復(fù)三次試驗(yàn)，結(jié)果平均值為9 844.39 mm2。相對(duì)誤差分別為1.54%、1.39%，試驗(yàn)值與模型優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差均小于5%，由此可得，參數(shù)優(yōu)化的模型可靠。

4 結(jié)論

1)采用Box-Benhnken 試驗(yàn)方法對(duì)作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量，對(duì)封土帶截面面積的影響趨勢(shì)進(jìn)行了分析并建立了回歸模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差均小于5%，表明采用響應(yīng)曲面法能夠直觀預(yù)測(cè)、改善和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

2)旋耕式棉花封土機(jī)的工作轉(zhuǎn)速在160～210 r/min就可以實(shí)現(xiàn)封土帶截面面積在8 000～10 000 mm2范圍內(nèi)，此土量滿足封土需求，無(wú)需采用高工作轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證得出，旋耕式棉花封土機(jī)作業(yè)參數(shù)組合范圍為作業(yè)速度0.5～0.9 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速160～210 r/min，旋耕刀入土深度90～120 mm，單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量6～8把時(shí)，能夠保證封土帶截面面積在8 000～10 000 mm2范圍內(nèi)，其中最優(yōu)解組合為：作業(yè)速度0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速170 r/min、旋耕刀入土深度90 mm，單刀盤(pán)旋耕刀數(shù)量8把。