基于二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗的振動深松鏟參數(shù)優(yōu)化

李霞 湯明軍 王維新 張思遠

摘要：為確定受迫振動深松鏟的關(guān)鍵參數(shù)，以前進速度、振動頻率、振動角作為試驗因素，以牽引阻力作為相應(yīng)指標，首先采用單因素試驗設(shè)計進行室內(nèi)土槽試驗，確定在牽引阻力最小的情況下，振動頻率為8.3～9.2 Hz，振動角度約為0°，前進速度為3 km/h；然后采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗設(shè)計對試驗參數(shù)進行優(yōu)化，通過DPSv7.05軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，建立相應(yīng)指標與影響因素之間的回歸數(shù)學(xué)模型。通過響應(yīng)面分析，得到前進速度、振動頻率與牽引阻力的關(guān)系圖、等高線圖。得出前進速度、振動頻率、振動角對牽引阻力的最優(yōu)參數(shù)組合：振動頻率為8.35 Hz、前進速度為3 km/h、振動角為0°，為振動深松機的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：二次通用旋轉(zhuǎn)；回歸試驗；農(nóng)業(yè)機械；優(yōu)化；振動深松鏟

中圖分類號：S222.19 文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0403-04

土壤深松可以替代長期淺層旋耕、翻耕作業(yè)，已有研究表明，深松可以打破犁底層，增加土壤耕層容量，降低土壤容重、堅實度，增強蓄水保墑能力，有利于作物根系生長，可有效避免作物倒伏，最終增加作物產(chǎn)量[1-4]。

我國從20世紀60年代開始展開進行深松技術(shù)的研究和推廣，并取得了良好的效果。振動深松鏟是受迫振動深松機的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作性能直接影響受迫振動深松機的作業(yè)質(zhì)量。國內(nèi)很多高校和研究院所也對深松鏟的設(shè)計和性能做了大量研究工作[5-9]。國內(nèi)深松機的深松鏟可分為箭式、鑿式、翼鏟式和仿形深松鏟等[10-11]，但深松鏟所受牽引阻力較大，動力消耗較高，目前研究表明，采用振動原理能有效降低牽引阻力，深松振動減阻方法可分為自激振動、受迫振動[12-14]。Shahgoli等設(shè)計了雙齒受迫振動深松機，研究振動深松系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)與拖拉機人員工作座位振動之間的關(guān)系[15]。李艷龍等設(shè)計了受迫振動式深松鏟，試驗證明該振動深松機能使牽引阻力有效降低13%～18%[16]。蔣建東等針對茶園振動深松機功率不足的問題，采用ALE算法通過試驗分析了深耕鏟-土壤的動力學(xué)模型，結(jié)果表明：振動頻率 25 Hz、振幅14 mm時，振動切削阻力最小，且降幅約為22%[17]。周桂霞等通過多因素多水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗，對鑿尖加小雙翼形深松鏟的研究表明：翼張角31.87°、刃角20.78°、翼傾角21.44°時，深松鏟所受牽引阻力最小[18]。

針對現(xiàn)有深松機械阻力大、能耗高的問題，結(jié)合振動減阻的優(yōu)點，本研究利用自制受迫振動深松機進行試驗，建立牽引阻力與機器行進速度、振動頻率、振動角的數(shù)學(xué)模型，并對試驗參數(shù)進行優(yōu)化分析，確定前進速度、振動頻率、振動角的最優(yōu)參數(shù)組合，以期為后續(xù)受迫振動深松鏟的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1材料與方法

1.1試驗裝置

如圖1所示，本試驗通過偏心軸實現(xiàn)受迫振動深松減阻，其中振動機構(gòu)主要由偏心軸、十字連接器、深松鏟等組成。工作時，拖拉機動力輸出軸輸出動力，驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動，通過十字連接器將偏心軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝訖C構(gòu)的上下振動，最后帶動深松鏟振動，完成土壤深松作業(yè)。

1.2試驗方法

1.2.1單因素試驗

利用智能土槽試驗臺進行室內(nèi)土槽試驗，試驗中土壤物理特性盡量保持一致：土壤含水率控制在14%～18%，土壤堅實度控制在1.6～2.0 MPa，土壤容重控制在1.50～1.75 g/cm3。為了保證試驗的準確性，每次試驗要嚴格控制土壤的物理條件，盡量縮小試驗的組間差異。

以前進速度v、振動頻率f、振動角β為試驗因素，以牽引阻力F為指標進行單因素試驗。

1.2.2二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取前進速度v、振動頻率f、振動角β為控制因素，以牽引阻力F為指標進行二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗[19-20]，建立各因素與牽引阻力間的定量關(guān)系，對試驗參數(shù)進行進一步優(yōu)化。其中，振動頻率通過改變拖拉機的檔位，即動力輸出軸轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；振動角度通過改變振動深松鏟的安裝位置調(diào)整。本試驗中確定5個不同位置的深松鏟安裝圓孔，圖2顯示3種不同振動角的振動深松鏟的安裝位置。

根據(jù)二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗設(shè)計方案，試驗因子數(shù)p=3，選取m0=6，查二次回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計表得γ=1.682，由方程（1）得出試驗次數(shù)N=20次，相應(yīng)公式：

2結(jié)果與分析

2.1前進速度對牽引阻力的影響

將前進速度分別設(shè)為1.0、1.5、2.0、2.5、30 km/h，以不振動試驗作為對照試驗組，分別測定牽引阻力的大小，試驗結(jié)果分別見圖3、圖4。2.3振動角對牽引阻力的影響

從圖6可以看出，振動角對牽引阻力具有一定影響，牽引力隨振動角的變化先減小后增大再減??；當振動角為0°時，牽引阻力最小。

2.4二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

按照二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計的基本原理與主要程式，編制試驗方案。得到以牽引阻力F為響應(yīng)指標、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型，并進行相應(yīng)的回歸模型分析[21-22]，試驗方案與結(jié)果見表3。

2.5回歸分析

利用DPS v7.05軟件對表1試驗數(shù)據(jù)進行二次通用旋轉(zhuǎn)回歸分析，牽引力F回歸方程模型：

y=1 249.2+119x1-81.3x2-159.3x3+2x12-100x22+300x32-7.3x1x2-56.8x1x3-76.7x2x3。

式中：x1、x2、x3分別為前進速度、振動頻率、振動角的水平編碼。

為檢驗回歸方程的顯著性，對回歸方程進行F檢驗和t檢驗，基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗結(jié)果見表4。

由表4可知，F(xiàn)1=12.59>F0.1（5，5）=3.45，顯然說明回歸方程是失擬的；但在試驗中心處，方程在試驗中心擬合得很好，由于F2=5.14>F0.1（9，10）=2.35，表明牽引力回歸方程在α=0.1水平下顯著。

回歸系數(shù)在回歸方程中，每個因素的1次項、2次項以及因素間的交互項對試驗指標的效應(yīng)是否顯著，用t檢驗表明，被檢驗的回歸項在α=0.1水平下顯著，通過DPS v7.05分析軟件得出各個系數(shù)的顯著性見表5。

以下是α=0.1顯著水平剔除不顯著項后，簡化后的回歸方程：

3結(jié)論

根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗設(shè)計方法，建立影響因素與牽引阻力之間的數(shù)學(xué)回歸模型，并研究前進速度、振動頻率、振動角度對牽引阻力的影響。在單因素試驗中確定各因素對指標影響的水平范圍，為二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗的因素水平的確定提供了依據(jù)。綜合單因素、二次回歸通用旋轉(zhuǎn)試驗結(jié)果可得：當前進速度為3 km/h、振動頻率為8.35 Hz、振動角為0°時，牽引阻力處于最佳范圍。由于土壤情況差異較大，通過驗證性試驗，優(yōu)化組合參數(shù)可以作為受迫振動深松機設(shè)計的依據(jù)。

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[FK（H0265。54ZQ]〖HTH〗更正：《江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)》2016年第44卷第7期116-120頁所刊論文《大蒜根系水提液對不同品種紅小豆幼苗生長及生理特性的影響》，第一作者簡介中的“山西運城人”應(yīng)該為“山西晉城人”，特此更正。