陳海濤 鄒 震 王 星 史乃煜 韓廣新 侯守印

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

秸稈覆蓋還田技術(shù)是保護(hù)性耕作的重要組成部分，具有蓄水保墑、培肥地力、提高作物產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。其中，秸稈覆蓋量作為秸稈覆蓋還田技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤微生物活性等均具有顯著影響[5-7]。現(xiàn)有研究表明[8-11]，統(tǒng)一采用秸稈全量還田并非最佳方式，根據(jù)不同耕地的土質(zhì)和積溫等情況將秸稈以適宜的比例進(jìn)行覆蓋還田，有利于作物增產(chǎn)、耕地有機(jī)狀況改善。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量秸稈回收技術(shù)相關(guān)研究[12-15]，而關(guān)于秸稈比例回收相關(guān)技術(shù)未見報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)免耕播種秸稈覆蓋還田同步回收多余秸稈，陳海濤團(tuán)隊(duì)[16-17]建立了秸稈側(cè)拋動(dòng)力學(xué)模型，為秸稈同步回收裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)，探明了調(diào)控?fù)醢鍏?shù)對(duì)秸稈還田比例的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了秸稈覆蓋還田比例的調(diào)控。已有研究集中于秸稈還田比例調(diào)控上，對(duì)秸稈同步回收技術(shù)仍需進(jìn)一步深化研究。

本文在前期研究的原茬地免耕精量播種機(jī)[18-19]和秸稈調(diào)比還田裝置[17]的基礎(chǔ)上，為滿足秸稈還田量和綜合利用的技術(shù)要求，利用秸稈被側(cè)向拋撒具有的機(jī)械能進(jìn)行多余秸稈的高效清潔回收，設(shè)計(jì)一種秸稈比例回收裝置。通過理論分析確定關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)及其取值范圍，同時(shí)應(yīng)用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化，以期為免耕播種秸稈覆蓋還田同步比例回收復(fù)式作業(yè)機(jī)具的研制提供理論和技術(shù)支持。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

原茬地免耕精量播種機(jī)(以下簡(jiǎn)稱免耕播種機(jī))增設(shè)秸稈比例回收裝置(以下簡(jiǎn)稱回收裝置)總體方案如圖1a所示，主要由擠壓裝置、清秸裝置、回收裝置、調(diào)控?fù)醢濉⑾奚畹剌?部分組成。

免耕播種機(jī)側(cè)向清秸覆秸原理如圖1b所示，免耕播種時(shí)清秸裝置將作業(yè)幅寬地表秸稈側(cè)向清除并拋撒至相鄰作業(yè)幅寬待播地表，實(shí)現(xiàn)播前秸稈清理構(gòu)建優(yōu)質(zhì)種床，回程時(shí)將前程作業(yè)側(cè)向拋撒的秸稈拋送回前程已播作業(yè)幅寬地表，同時(shí)實(shí)現(xiàn)本作業(yè)幅寬播前側(cè)向清秸和前程作業(yè)幅寬的播后覆秸。本文基于免耕播種機(jī)側(cè)向清秸覆秸原理，利用調(diào)控?fù)醢逶O(shè)置回收口的方式將清秸裝置側(cè)向拋撒秸稈分流為還田秸稈和多余秸稈兩部分，還田秸稈與調(diào)控?fù)醢灏l(fā)生碰撞后均勻覆蓋于相鄰作業(yè)幅寬已播地表，多余秸稈借助其被清秸刀側(cè)向拋撒的機(jī)械能經(jīng)回收裝置輸送至擠壓裝置。從而，實(shí)現(xiàn)秸稈比例覆蓋還田和多余秸稈同步回收。

圖1 原茬地免耕播種覆秸同步秸稈比例回收作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of synchronous straw recovery machine for no-tillage seeding in stubble field1.擠壓裝置 2.清秸裝置 3.限深地輪 4.調(diào)控?fù)醢?5.回收裝置

1.2 秸稈比例回收裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

回收裝置結(jié)構(gòu)如圖2a，主要由導(dǎo)流板、彈齒、輸送機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部件等組成。工作原理如圖2b所示，多余秸稈經(jīng)調(diào)控?fù)醢寤厥湛谶M(jìn)入回收裝置，利用清秸刀將秸稈側(cè)向拋撒的機(jī)械能沿導(dǎo)流板滑移，清秸裝置僅將秸稈進(jìn)行側(cè)向等幅寬拋撒[18]，致使秸稈擁有的機(jī)械能無法使其沿導(dǎo)流板滑移進(jìn)入擠壓裝置，在圖示位置形成秸稈堆積。設(shè)置輸送機(jī)構(gòu)，采用彈齒濾除秸稈中混有的雜質(zhì)并“順勢(shì)”將堆積的秸稈輸送至擠壓裝置。

圖2 回收裝置結(jié)構(gòu)及工作原理圖Fig.2 Recycling device structure and working principle diagrams1.彈齒 2.輸送機(jī)構(gòu) 3.傳動(dòng)部件 4.導(dǎo)流板

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

2.1.1安裝傾角分析

秸稈以導(dǎo)流板切線方向速度進(jìn)入回收裝置，可減小秸稈與導(dǎo)流板碰撞次數(shù)，充分利用秸稈被側(cè)向拋撒的機(jī)械能。如圖3所示，建立以清秸刀回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系對(duì)秸稈側(cè)向拋撒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。并做出如下假設(shè)：秸稈為等密度物體，秸稈與清秸刀接觸時(shí)初始速度為零，忽略清秸刀攜運(yùn)秸稈過程空氣阻力對(duì)其的影響[16]。

圖3 秸稈側(cè)拋運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.3 Straw side casting force diagram1.清秸刀 2.導(dǎo)流板 3.調(diào)控?fù)醢?4.回收口

秸稈的速度方程為

(1)

式中vr——秸稈沿刀刃相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s

ve——秸稈與清秸刀牽連速度，m/s

α0——初相位角，(°)

δ0——清秸刀傾角，(°)

φ——當(dāng)量摩擦角，(°)

n——清秸刀轉(zhuǎn)速，r/min

μ1——清秸刀與秸稈摩擦因數(shù)

R——清秸刀回轉(zhuǎn)半徑，m

l0——秸稈初始位移，m

t——秸稈沿清秸刀滑移時(shí)間，s

秸稈脫離清秸刀絕對(duì)速度方程為

(2)

式中va——秸稈脫離清秸刀絕對(duì)速度，m/s

秸稈脫離清秸刀時(shí)速度與x方向夾角θ為

(3)

其中

式中ζ——秸稈拋出角，(°)

t0——秸稈與清秸刀接觸至拋出時(shí)間，s

清秸刀將秸稈斜向拋出進(jìn)入回收裝置過程中受重力和空氣阻力影響。因清秸刀厚度為6 mm，忽略清秸刀旋轉(zhuǎn)對(duì)空氣流動(dòng)影響。秸稈脫離清秸刀后在空中速度方程[16,20]為

(4)

其中

式中vx0——斜拋運(yùn)動(dòng)起始x方向速度分量，m/s

vy0——斜拋運(yùn)動(dòng)起始y方向速度分量，m/s

kx——秸稈x方向加速度修正因數(shù)

C——阻力因數(shù)

m——秸稈質(zhì)量，kg

as——秸稈平均特征面積，m2

ky——秸稈y方向加速度修正系數(shù)

P——空氣密度，kg/m3

t1——秸稈脫離清秸刀后空中運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，s

秸稈在進(jìn)入回收裝置時(shí)與x方向夾角γ為

(5)

由式(5)可知，在作業(yè)環(huán)境風(fēng)阻因數(shù)、清秸刀結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)確定后，秸稈進(jìn)入回收裝置速度方向與其脫離清秸刀速度相關(guān)。根據(jù)式(1)知在清秸刀結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)確定后，秸稈脫離清秸刀速度與脫離初相位角、當(dāng)量摩擦角、秸稈初始位移相關(guān)。如圖4所示，采用高速攝像進(jìn)行未知參數(shù)標(biāo)定。

圖4 秸稈運(yùn)動(dòng)高速攝像圖Fig.4 High-speed camera of straw movement

試驗(yàn)工況為：玉米秸稈平均長(zhǎng)度386.3 mm，含水率30.1%，清秸刀回轉(zhuǎn)半徑370 mm、清秸刀傾角13°、刀軸轉(zhuǎn)速480 r/min。對(duì)秸稈質(zhì)心進(jìn)行標(biāo)定獲取了秸稈脫離初相位角為23°～34°、秸稈初始位移為220～280 mm、當(dāng)量摩擦角為18°～21°。將上述數(shù)據(jù)代入式(5)可知秸稈進(jìn)入回收裝置速度與x方向夾角為28.5°～40.4°。

導(dǎo)流板與調(diào)控?fù)醢逖b配關(guān)系如圖5所示，根據(jù)文獻(xiàn)[17]確定調(diào)控?fù)醢迮c重力方向夾角α為45°，導(dǎo)流板起始位置切線與水平方向夾角β為35°。

圖5 導(dǎo)流板與調(diào)控?fù)醢逖b配圖Fig.5 Assembly drawing of guide plate and control baffle1.調(diào)控?fù)醢?2.導(dǎo)流板

2.1.2結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

為減小秸稈沿導(dǎo)流板滑移對(duì)其機(jī)械能的消耗，依據(jù)最速降線分簇性[21]對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，即秸稈剛進(jìn)入回收裝置時(shí)速度較大，此時(shí)導(dǎo)流板軌跡較為平直，減小摩擦力做功，后階段秸稈速率較小、曲率較大，減小摩擦力做功。將導(dǎo)流板曲線設(shè)計(jì)為傾斜直引線、最速降線和二者光滑過渡線。其中，傾斜直引線較短，作用是將秸稈引送至最速降線段。

最速降線應(yīng)用于工程領(lǐng)域時(shí)需考慮摩擦阻力和離心力的作用[22-23]。如圖6所示，秸稈質(zhì)點(diǎn)受力方程為

圖6 最速降線圖Fig.6 Diagram of the most rapid drop

(6)

其中

式中σ——秸稈瞬時(shí)速度與水平線夾角，(°)

μ——秸稈與導(dǎo)流板間摩擦因數(shù)

FN——導(dǎo)流板對(duì)秸稈支持力，N

v——秸稈滑移瞬時(shí)速度，m/s

ω——秸稈角速度，rad/s

r——最速降線曲率半徑，m

由式(6)得

(7)

根據(jù)歐拉-拉格朗日方程得

(8)

最速曲線解析方程為

(9)

式中 (X，Y)——導(dǎo)流板任意點(diǎn)F坐標(biāo)

τ——導(dǎo)流板點(diǎn)F切線與水平線夾角，(°)

聯(lián)立式(8)、(9)得

(10)

根據(jù)免耕播種機(jī)和擠壓裝置空間結(jié)構(gòu)，確定最速降線終點(diǎn)位置后求解σ和ω。考慮秸稈沿導(dǎo)流板滑移耗能隨秸稈與導(dǎo)流板摩擦因數(shù)增大而增大，確定導(dǎo)流板材料為不銹鋼[24]。將上述參數(shù)代入式(10)，利用Matlab軟件擬合曲線確定導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)。

2.2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1彈齒角度調(diào)控機(jī)構(gòu)

為順勢(shì)無回帶輸送秸稈，設(shè)計(jì)一種多連桿彈齒角度調(diào)控機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7a所示，O為偏心圓環(huán)圓心，O1為滾筒圓心，M-M′為彈齒軸，其上固裝彈齒MK，滾筒在點(diǎn)M與彈齒軸M-M′鉸接，在彈齒軸M-M′的一端伸出曲柄MA，偏心圓環(huán)與曲柄MA在點(diǎn)A鉸接。

圖7 輸送機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematics of throwing mechanism1.彈齒 2.彈齒軸 3.偏心圓環(huán) 4.滾筒 5.曲柄

如圖7b所示，滾筒半徑和偏心圓環(huán)半徑相等，偏心距l(xiāng)OO1和曲柄AM長(zhǎng)度相等，輸送機(jī)構(gòu)由3組平行四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，偏心圓環(huán)可繞O1轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)改變偏心圓環(huán)位置，即改變OO1與O1M的相對(duì)位置，曲柄AM和其上固裝的彈齒軸M-M′、彈齒MK也隨之改變其空間角度，調(diào)整彈齒角度后固定偏心圓環(huán)(固定偏心距l(xiāng)OO1)，滾筒旋轉(zhuǎn)過程中AM與OO1始終平行，彈齒角度保持調(diào)整好的偏角，即運(yùn)動(dòng)過程中彈齒偏角α1恒定不變。

任選一組四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖8所示。

圖8 角度調(diào)控機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.8 Motion analysis diagram of angle control mechanism1.滾筒 2.曲柄 3.機(jī)架 4.偏心圓環(huán) 5.彈齒

彈齒位移方程為

(11)

式中l(wèi)1——滾筒半徑，m

θ1——滾筒半徑與圓心間連線夾角，(°)

l2——曲柄長(zhǎng)度，m

θ2——曲柄與水平方向夾角，(°)

l3——偏心圓環(huán)半徑，m

θ3——偏心圓環(huán)與X軸正方向夾角，(°)

lp——滾筒與偏心圓環(huán)圓心連線長(zhǎng)度，m

對(duì)式(11)求解可得

(12)

則彈齒末端K軌跡方程為

(13)

式中 (xk，yk)——彈齒末端點(diǎn)K坐標(biāo)，m

l4——彈齒長(zhǎng)度，m

彈齒末端點(diǎn)K的速度方程為

(14)

式中vkx——彈齒末端點(diǎn)K水平速度，m/s

vky——彈齒末端點(diǎn)K豎直速度，m/s

ω2——曲柄角速度，rad/s

ω3——偏心圓環(huán)角速度，rad/s

由式(14)可知彈齒末端速度與滾筒半徑、彈齒長(zhǎng)度、滾筒轉(zhuǎn)速相關(guān)，考慮無回帶順勢(shì)輸送秸稈的設(shè)計(jì)要求，使?jié)L筒半徑和偏心圓環(huán)半徑相等。

2.2.2彈齒設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)秸稈回收比例調(diào)節(jié)范圍為30%～70%，為保證秸稈70%回收的性能，參照現(xiàn)有秸稈撿拾彈齒確定秸稈長(zhǎng)度為175 mm[15,25]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，彈齒端部向旋轉(zhuǎn)方向折彎可避免秸稈滑動(dòng)脫落，對(duì)彈齒運(yùn)移秸稈進(jìn)行受力分析。因彈齒運(yùn)移的秸稈其姿態(tài)多為橫向放置，且考慮玉米秸稈直徑相對(duì)于彈齒回轉(zhuǎn)半徑較小，將其簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，玉米秸稈被撿拾時(shí)其受力情況如圖9所示。

圖9 秸稈受力分析圖Fig.9 Straw stress analysis diagram

為保證秸稈在經(jīng)彈齒運(yùn)移過程中不脫落，秸稈與彈齒間摩擦力需大于重力和離心力在彈齒端部分力之和。對(duì)秸稈受力分析得

Ff+mgsin(180°-α2)≥Frcos(180°+δ-α2)

(15)

其中

式中Ff——彈齒與秸稈間摩擦力，N

n1——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

μ2——秸稈與彈齒摩擦因數(shù)

ρ——秸稈運(yùn)移回轉(zhuǎn)半徑，m

α2——彈齒折彎角，(°)

Fr——秸稈運(yùn)移離心力，N

δ——彈齒偏角，(°)

依據(jù)對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡分析，彈齒與水平方向夾角為45°時(shí)與秸稈分離輸送，可在相同滾筒轉(zhuǎn)速下獲得最大輸送距離，對(duì)式(15)求解得

(16)

由式(16)可知彈齒折彎角與滾筒轉(zhuǎn)速、秸稈與彈齒間摩擦因數(shù)相關(guān)。

2.2.3滾筒轉(zhuǎn)速

彈齒末端線速度隨滾筒直徑增大而增大，雖增大秸稈輸送效率，但大幅增加裝置能耗，造成裝置整體尺寸過大、機(jī)體臃腫；滾筒直徑過小易造成秸稈纏繞、堵塞而降低輸送效率，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞裝置[26-27]。為滿足彈齒從滾筒內(nèi)部通過的設(shè)計(jì)要求，參照彈齒長(zhǎng)度確定滾筒直徑為200 mm。

對(duì)彈齒輸送秸稈過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖10所示，秸稈脫離彈齒分離瞬時(shí)速度為

圖10 秸稈輸送過程分析圖Fig.10 Analysis diagram of straw scattering process1.擠壓裝置 2.彈齒 3.滾筒 4.曲柄

(17)

式中vsx——秸稈脫離彈齒水平速度，m/s

vsy——秸稈脫離彈齒豎直速度，m/s

空氣阻力對(duì)秸稈輸送過程的額外加速度為

(18)

式中vs——秸稈輸送起始點(diǎn)絕對(duì)速度，m/s

則秸稈上升和下降過程所用時(shí)長(zhǎng)為

(19)

式中t2——秸稈上升階段時(shí)長(zhǎng)，s

t3——秸稈下降階段時(shí)長(zhǎng)，s

d1——秸稈輸送起始點(diǎn)與擠壓裝置水平距離，m

秸稈進(jìn)入擠壓裝置時(shí)與秸稈輸送起始位置縱向距離為

(20)

聯(lián)立式(17)～(20)得

(21)

秸稈進(jìn)入擠壓裝置的條件為

(22)

式中h2——輸送機(jī)構(gòu)與擠壓裝置上端距離，m

h3——輸送機(jī)構(gòu)與擠壓裝置下端距離，m

由式(21)可知，秸稈進(jìn)入擠壓裝置與起始縱向距離h1與彈齒偏角δ、彈齒長(zhǎng)度l4、秸稈阻力因數(shù)C、秸稈平均特征面積as、秸稈質(zhì)量m、空氣密度P、秸稈輸送起點(diǎn)與擠壓裝置水平距離d1、輸送裝置與擠壓裝置上端距離h2、輸送裝置與擠壓裝置下端距離h3、滾筒轉(zhuǎn)速n1相關(guān)。前文已知彈齒偏角δ為45°、彈齒長(zhǎng)度l4為175 mm，參考相關(guān)文獻(xiàn)確定秸稈阻力因數(shù)C為0.130 8、平均特征面積as為1.6×10-3m2、質(zhì)量m為0.030 3 kg、空氣密度P為1.293 kg/m3[16,20]，結(jié)合前期秸稈沿導(dǎo)流板滑移試驗(yàn)和擠壓裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定d1為950 mm、h2為240 mm、h3為510 mm。

在確定上述參數(shù)后可知，秸稈進(jìn)入擠壓裝置時(shí)與起始位置縱向距離h1僅與滾筒轉(zhuǎn)速n1相關(guān)。結(jié)合秸稈進(jìn)入擠壓裝置的條件，利用Maple 18求解得滾筒轉(zhuǎn)速范圍為79.6～160.3 r/min。根據(jù)轉(zhuǎn)速理論中心處計(jì)算彈齒折彎角α2應(yīng)小于171°，秸稈回帶量隨折彎角減小而增大，選定折彎角為171°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與儀器設(shè)備

試驗(yàn)于2020年10月26—30日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地實(shí)施，試驗(yàn)地為壟距65 cm機(jī)收秸稈未粉碎玉米原茬地。土壤類型為黑黏土，0～8 cm土層平均土壤硬度28.6 kg/cm2，含水率23.1%；秸稈含水率30.1%，覆蓋量1.2 kg/m2，平均直徑21.7 mm，平均長(zhǎng)度386.3 mm，留茬高度110 mm。如圖11所示。

圖11 田間試驗(yàn)與作業(yè)效果圖Fig.11 Field trial and operation renderings

試驗(yàn)裝置和儀器：奔野324型拖拉機(jī)、2BMFJ-BL2型免耕精量播種機(jī)清秸裝置、秸稈比例回收裝置、便攜式高速攝像機(jī)、土壤硬度測(cè)試儀、土壤含水率測(cè)試儀、彈簧秤、5 m卷尺和取樣袋若干。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法[28]。選取作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和彈齒偏角為試驗(yàn)因素，秸稈回收比率和含雜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。共實(shí)施23組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，采用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

參照2BMFJ-BL2型免耕精量播種機(jī)作業(yè)速度技術(shù)參數(shù)[29]，選取作業(yè)速度試驗(yàn)區(qū)間為5.4～7.2 km/h；通過前文理論分析和試驗(yàn)要求確定滾筒轉(zhuǎn)速試驗(yàn)區(qū)間為80～160 r/min；彈齒偏角在45°時(shí)可在同等轉(zhuǎn)速下獲得最大輸送距離，選取彈齒偏角試驗(yàn)區(qū)間為30°～60°，彈齒與彈齒軸固定裝配，試驗(yàn)過程通過定位螺釘調(diào)整彈齒軸與曲柄安裝角進(jìn)行彈齒偏角的調(diào)節(jié)。為保證清秸裝置構(gòu)建的種床質(zhì)量，參照原茬地免耕精量播種機(jī)技術(shù)參數(shù)確定清秸刀入土深度為55 mm[30]。確定各試驗(yàn)因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors and codes of test

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test design and results

參照GB/T 34390—2017《自走式秸稈收獲方捆壓捆機(jī)》和秸稈綜合利用企業(yè)收儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)制定評(píng)價(jià)指標(biāo)為秸稈回收比率Y1和含雜率Y2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.3.2模型建立與顯著性分析

方差分析結(jié)果如表3所示。各試驗(yàn)因素對(duì)秸稈回收比率影響主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、彈齒偏角、滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì)含雜率影響主次順序?yàn)閺楜X偏角、作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速。在置信度為0.05條件下進(jìn)行F檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后得到回歸模型為

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

(23)

3.3.3因素對(duì)性能指標(biāo)影響分析

如圖12a所示，當(dāng)彈齒偏角處于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)(45°)時(shí)，秸稈回收比率隨作業(yè)速度增大呈減小趨勢(shì)，且減小趨勢(shì)逐漸明顯，這是由于隨作業(yè)速度增大，單位時(shí)間進(jìn)入回收裝置秸稈量增大造成秸稈損失增多；秸稈回收比率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于在滾筒轉(zhuǎn)速80～120 r/min區(qū)間內(nèi)，隨滾筒轉(zhuǎn)速增大，彈齒回收秸稈頻率增多導(dǎo)致秸稈回收比率增大，隨滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，彈齒回帶秸稈量增大造成秸稈回收比率減小。

如圖12b所示，當(dāng)作業(yè)速度處于中心點(diǎn)(6.3 km/h)時(shí)，秸稈回收比率隨彈齒偏角的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于彈齒偏角處于45°時(shí)可在同滾筒轉(zhuǎn)速下獲得最大的輸送距離，彈齒偏角增大或減小造成秸稈輸送距離減小，使部分秸稈無法進(jìn)入擠壓裝置造成秸稈回收比率減小。秸稈回收比率隨滾筒轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)增大后緩慢減小的趨勢(shì)，這是由于在滾筒轉(zhuǎn)速80～120 r/min區(qū)間內(nèi)隨滾筒轉(zhuǎn)速增大，彈齒回收秸稈頻率增大導(dǎo)致秸稈回收比率增大，而隨滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，彈齒回帶秸稈增多造成秸稈回收比率下降。

圖12 因素交互作用對(duì)秸稈回收比率影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of factors interaction influence on straw recovery ratio

如圖13a所示，當(dāng)彈齒偏角處于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)(45°)時(shí)，含雜率隨作業(yè)速度增大呈增大趨勢(shì)，這是由于隨作業(yè)速度增大單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入回收裝置土壤等雜質(zhì)增多造成含雜率增大；含雜率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大呈增大趨勢(shì)，這是由于隨滾筒轉(zhuǎn)速增大，秸稈與雜質(zhì)未能有效分離便被彈齒輸送至擠壓裝置，造成含雜率增大。

如圖13b所示，當(dāng)作業(yè)速度處于中心點(diǎn)(6.3 km/h)時(shí)，在彈齒偏角較小時(shí)，含雜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大呈減小趨勢(shì)，而當(dāng)彈齒偏角較大時(shí)，含雜率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而減小的趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)換為隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，這是由于在彈齒偏角較小時(shí)，隨滾筒轉(zhuǎn)速增大，雜質(zhì)相較于秸稈密度大、風(fēng)阻小而與回收裝置發(fā)生碰撞彈射，未能進(jìn)入擠壓裝置造成含雜率下降，當(dāng)彈齒偏角較大，滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，雜質(zhì)因無法獲得足夠初速度進(jìn)入擠壓裝置，而隨滾筒轉(zhuǎn)速增大獲得足夠的速度進(jìn)入擠壓裝置，含雜率呈增大趨勢(shì)；含雜率在滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)隨彈齒偏角增大呈減小趨勢(shì)，這主要是由于在滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨彈齒偏角的增大雜質(zhì)脫離彈齒瞬時(shí)豎直速度分量逐漸減小，雜質(zhì)無法進(jìn)入擠壓裝置造成含雜率下降。

圖13 因素交互作用對(duì)含雜率影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of factors interaction influence on impurity rate

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

3.4.1參數(shù)優(yōu)化

按照高秸稈回收比率、低含雜率的優(yōu)化原則，兼顧回收裝置與免耕播種機(jī)的作業(yè)速度匹配，以各因素水平區(qū)間為約束條件，利用Design-Expert 8.0.6軟件Optimization模塊的多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化算法進(jìn)行求解。由前文因素對(duì)性能指標(biāo)影響分析可知：作業(yè)速度與彈齒偏角、滾筒轉(zhuǎn)速均無顯著交互作用，且秸稈回收比率隨作業(yè)速度增大而減小、含雜率隨作業(yè)速度增大而增大，因此選取作業(yè)速度在7.2 km/h時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果如圖14所示，圖中黃色區(qū)域?yàn)樽罴压ぷ鲄^(qū)域，考慮滾筒轉(zhuǎn)速增大會(huì)加劇振動(dòng)、增加能耗，選取滾筒轉(zhuǎn)速為95 r/min。增大彈齒偏角可減小攜運(yùn)秸稈時(shí)長(zhǎng)，提高彈齒使用壽命，選取彈齒偏角為49°。

圖14 優(yōu)化結(jié)果Fig.14 Optimization result

3.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，在滾筒轉(zhuǎn)速95 r/min、彈齒偏角49°，作業(yè)速度5.4、6.3、7.2 km/h條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，秸稈回收比率大于94%、含雜率小于5%。各試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值吻合，相對(duì)誤差小于等于3.7%，優(yōu)化結(jié)果真實(shí)可信。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Validation test results %

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種免耕播種機(jī)側(cè)向清秸覆秸秸稈比例回收裝置，實(shí)現(xiàn)了免耕播種秸稈覆蓋還田同步比例回收復(fù)式作業(yè)。闡述了裝置的整體結(jié)構(gòu)與工作原理；對(duì)裝置接收、輸送秸稈過程進(jìn)行了理論分析，明確了影響裝置工作性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)及其取值范圍。

(2)各因素對(duì)秸稈回收比率影響的主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、彈齒偏角、滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì)含雜率影響主次順序?yàn)閺楜X偏角、作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速。

(3)在土壤硬度28.6 kg/cm2、含水率23.1%，秸稈含水率30.1%、覆蓋量1.2 kg/m2的玉米原茬地上，當(dāng)作業(yè)速度5.4～7.2 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速95 r/min、彈齒偏角49°時(shí)，秸稈回收比率大于94%、含雜率小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求。