玉米根茬挖切裝置功耗影響因素試驗(yàn)研究

陳美舟，李其昀，程修沛，賈曉東

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049)

?

玉米根茬挖切裝置功耗影響因素試驗(yàn)研究

陳美舟，李其昀，程修沛，賈曉東

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：針對(duì)秸稈還田機(jī)對(duì)根茬處理效果較差、功率損耗較大等問(wèn)題，提出了一種安裝在玉米秸稈還田機(jī)上的玉米根茬挖切裝置。以刀軸轉(zhuǎn)速、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度、挖茬深度為因素，挖茬功耗為指標(biāo)，運(yùn)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法安排試驗(yàn)，建立了挖茬功耗與各影響因素之間的回歸數(shù)學(xué)模型。通過(guò)Design-Expert 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定刀軸轉(zhuǎn)速640r/min，臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s，挖茬深度31mm為最佳參數(shù)組合，此時(shí)玉米根茬挖切裝置的挖茬功耗為615W，表明該組合下試驗(yàn)誤差較小。同時(shí)，對(duì)刀軸轉(zhuǎn)速做了單因素試驗(yàn)，用Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并繪圖，計(jì)算顯示：固定挖茬深度為31mm、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度為1.2m/s條件下，完成根茬挖切作業(yè)的最低刀軸轉(zhuǎn)速為626r/min。

關(guān)鍵詞：玉米根茬挖切裝置；挖茬功耗；正交試驗(yàn)；影響因素

0引言

近年來(lái)，保護(hù)性耕作技術(shù)及理念在我國(guó)一年兩熟種植區(qū)得到了大力推廣，秸稈還田機(jī)得到了較好的應(yīng)用，技術(shù)趨于成熟，結(jié)構(gòu)很完善，秸稈還田的效果也得到了認(rèn)可。國(guó)外的秸稈還田機(jī)技術(shù)起步較早，對(duì)秸稈還田機(jī)通常進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同作物的粉碎需求，并可以通過(guò)更換部件實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。大多數(shù)地區(qū)采用的保護(hù)性耕作方案是秸稈回收利用或還田之后留茬免耕播種[1]。作業(yè)時(shí)，秸稈還田機(jī)通常被安裝在玉米聯(lián)合收獲機(jī)或拖拉機(jī)上使用。目前，對(duì)在秸稈還田機(jī)上安裝玉米根茬挖切裝置的研究較少，主要應(yīng)用的是立式切茬裝置。這種裝置作業(yè)時(shí)會(huì)留下較深的溝壑，影響下茬作物的播種深度，從而影響下茬作物的出芽率；另外，由于入土較深等問(wèn)題導(dǎo)致功耗很大?，F(xiàn)在的秸稈還田機(jī)不能將倒伏的玉米莖稈進(jìn)行撿拾和打碎，不能對(duì)根茬進(jìn)行處理，殘留的秸稈和根茬也不易腐爛，進(jìn)行免耕播種時(shí)，極易引發(fā)秸稈纏、堵等現(xiàn)象導(dǎo)致無(wú)法正常作業(yè)；同時(shí)，秸稈還田機(jī)作業(yè)時(shí)的打土現(xiàn)象也增加了刀具的磨損及較大的功耗，增加了農(nóng)民的作業(yè)成本[2-4]。為此，本文提出在秸稈還田機(jī)上增加一套臥式玉米根茬挖切裝置，并在室內(nèi)土槽進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋找合理的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，以期提高莖稈及根茬的還田率，降低能量消耗。

1玉米根茬挖切裝置工作原理

玉米根茬挖切裝置由挖茬刀、螺桿、間隔套、回轉(zhuǎn)刀軸、固定板及軸頭等組成，如圖1所示。

圖1　玉米根茬挖切裝置配套還田機(jī)

每組挖茬刀通過(guò)螺桿兩端對(duì)稱的安裝在螺桿上，挖茬刀用硬度較強(qiáng)的薄螺母固定，每個(gè)回轉(zhuǎn)刀軸上垂直交錯(cuò)安裝6組挖茬刀。玉米根茬挖切裝置工作時(shí)通過(guò)側(cè)板懸掛在還田機(jī)的前側(cè)，通過(guò)鏈輪進(jìn)行傳動(dòng)。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，將玉米根茬挖切裝置安裝在機(jī)架上，挖茬刀軸由電機(jī)帶動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖2)由臺(tái)車(chē)牽引，刀軸向后旋轉(zhuǎn)切斷根茬，并將根茬向后拋向還田機(jī)，同時(shí)撿拾倒伏的玉米秸稈，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。玉米根茬挖切裝置的設(shè)計(jì)通過(guò)間隔套與螺栓固定刀片，可以增加刀片的旋轉(zhuǎn)半徑，同時(shí)減少刀片切土?xí)r的阻力[5-7]。

2試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了更好地模擬玉米根茬在田間的實(shí)際情況，在山東理工大學(xué)試驗(yàn)田統(tǒng)計(jì)玉米相關(guān)參數(shù)[8]。收獲玉米后，用鐵鍬將玉米根茬連同土壤一起挖出，取回后按田間實(shí)際植株間距將根茬埋入土槽的土壤中。土槽的土壤是從試驗(yàn)田取回的黃壤土，經(jīng)過(guò)處理后接近實(shí)際指標(biāo)。利用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的 TJSD-750型數(shù)字式土壤緊實(shí)度儀對(duì)玉米試驗(yàn)田的土壤堅(jiān)實(shí)度及含水率進(jìn)行直接測(cè)量。準(zhǔn)備過(guò)程中，整平壓實(shí)土壤，定期灑水，使玉米根茬與土槽內(nèi)的土壤成為一體，待水分散發(fā)后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試[9]。

1.機(jī)架　2.玉米根茬挖切裝置　3.擋土板　4. 傳動(dòng)系統(tǒng)

3試驗(yàn)方法及設(shè)備

3.1　試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)是挖茬合格率Y和消耗功率W，每個(gè)行程測(cè)1點(diǎn)，每點(diǎn)取1個(gè)工作幅寬乘1m的面積，測(cè)定地底的挖茬深度范圍內(nèi)的所有根茬。根據(jù)玉米根茬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[10]，將平均深3～5 cm的根上節(jié)切開(kāi)，就可以將玉米根茬打散，利于根茬的腐爛。測(cè)定總的根茬數(shù)量B和合格的根茬數(shù)量b，計(jì)算公式為

Y=(b/B)×100%

(1)

消耗功率W的采集主要使用GDW3001三相電參數(shù)測(cè)量?jī)x，通過(guò)三相三線接法，電功率通過(guò)GDW3001三相電參數(shù)測(cè)量?jī)x傳輸?shù)秸{(diào)速電機(jī)，同時(shí)數(shù)據(jù)線與電腦連接，實(shí)時(shí)把采集到的功率數(shù)據(jù)傳送到電腦上并顯示記錄下來(lái)。

3.2　挖茬刀參數(shù)

挖茬刀參數(shù)如表1所示。

表1　挖茬刀參數(shù)

3.3　試驗(yàn)設(shè)備

玉米根茬挖切裝置試驗(yàn)臺(tái)；土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)；Y系列減速電機(jī)；TJSD-750型數(shù)字式土壤緊實(shí)度儀；電子天平，精度為0.001 g; 游標(biāo)卡尺；卷尺；三星 HMX-F90型號(hào)數(shù)碼攝像機(jī)；GDW3001三相電參數(shù)測(cè)量?jī)x及顯示記錄系統(tǒng)(筆記本)。

3.4　響應(yīng)面分析優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件

3.4.1試驗(yàn)因素及水平選取

對(duì)玉米根茬挖切裝置挖茬功耗進(jìn)行分析，選擇刀軸轉(zhuǎn)速n、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度v及挖茬深度h為試驗(yàn)因素[11-12]，各因素及水平編碼值[13]如表2所示。

表2　因素水平編碼

3.4.2試驗(yàn)安排及結(jié)果

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的分析，建立挖茬試驗(yàn)的模型[14-15]。為了盡可能全面的分析各因素的影響，又能夠減少試驗(yàn)的次數(shù)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果做出比較準(zhǔn)確的分析，選用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，安排30組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，以平均值作為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)安排及結(jié)果如表3所示。

表3　試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

4結(jié)果與討論

4.1　挖茬功耗模型建立

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果建立挖茬功耗的回歸方程，并對(duì)該模型進(jìn)行方差分析和矢擬檢驗(yàn)，如表4所示。從結(jié)果來(lái)看，p<0.000 1，說(shuō)明回歸方程的關(guān)系極其顯著；模型的失擬p=0.172 1>0.05,不顯著，說(shuō)明該方程可對(duì)真實(shí)的試驗(yàn)效果進(jìn)行擬合。

表4　回歸方程方差分析

續(xù)表4

從方差分析可以看出：刀軸轉(zhuǎn)速和挖茬深度是影響試驗(yàn)裝置挖茬功耗的顯著因素，而臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度對(duì)挖茬功耗的影響相對(duì)較小。挖茬功耗與各因素編碼之間的回歸方程為

(2)

4.2　各因素交互作用分析

為了更加直觀、明了地反映各因素對(duì)挖茬功耗的影響，利用Design-Expert 7 軟件，依據(jù)回歸方程式，繪出二次回歸方程的響應(yīng)面及等高線圖，如圖3所示。

由圖3(a)可以看出：挖茬功耗受挖茬深度的影響較大，受刀軸轉(zhuǎn)速的影響較小。這是因?yàn)橥诓缟疃戎苯油诓绲蹲枇Φ拇笮。诓缭缴?，切削刃受力越大，消耗的功率越多。由圖3(b)、(c)均可以看出：臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度對(duì)挖茬功耗的影響最小。這是因?yàn)橛衩赘缤谇醒b置切茬時(shí)，主要靠刀軸帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)切削入土，形成剪切作用，臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度對(duì)切削刃的入土作用影響很小。同時(shí)，土壤硬度、土壤含水率等因素都會(huì)對(duì)挖茬過(guò)程中切削刃的作用產(chǎn)生影響[16]，作為次要因素后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行研究。

對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)，得到挖茬功耗最小值時(shí)各參數(shù)的最優(yōu)組合：刀軸轉(zhuǎn)速640r/min，挖茬深度31mm，臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s。在此最佳參數(shù)組合下玉米根茬挖切裝置試驗(yàn)的挖茬功率為615W。

圖3　各因素交互作用響應(yīng)面

4.3　驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)回歸方程的優(yōu)化結(jié)果對(duì)最佳參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果及與理論值的誤差如表5所示。

表5　試驗(yàn)結(jié)果及誤差

續(xù)表5

挖茬功耗平均值為612W，相對(duì)誤差平均值為2.49%。試驗(yàn)結(jié)果接近參數(shù)優(yōu)化區(qū)域，所以優(yōu)化結(jié)果可以作為玉米秸稈還田機(jī)挖茬還田裝置的最佳參數(shù)組合。

4.4　單因素試驗(yàn)

由二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)可以看出：刀軸轉(zhuǎn)速和挖茬深度對(duì)挖茬功耗與挖茬合格率都有顯著影響，設(shè)計(jì)希望玉米根茬挖切裝置刀刃以較低的旋轉(zhuǎn)速度切挖根茬，在功耗盡可能小的情況下獲得較好的挖茬效果。同時(shí)，試驗(yàn)在保證挖茬合格率100%的條件下，盡可能降低挖茬深度。由二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)得到的挖茬功耗最小值時(shí)的參數(shù)組合中，挖茬深度相對(duì)比較符合預(yù)期。保持其他因素處于優(yōu)水平前提下尋找能完成挖切玉米根茬主根的最低刀軸轉(zhuǎn)速，為此對(duì)影響挖茬合格率比較顯著的刀軸轉(zhuǎn)速做單因素試驗(yàn)。其中，固定挖茬深度為31mm，臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及Origin擬合如表6和圖4所示。擬合之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，刀軸轉(zhuǎn)速為660r/min時(shí)，3組y值均為100%, 此組數(shù)據(jù)是根茬完全被挖掉的情況，對(duì)應(yīng)的挖茬合格率應(yīng)超過(guò)100%。由于無(wú)法具體表示只能用100%表示，故不應(yīng)將其加入擬合數(shù)據(jù)行列，將其作mask處理[17](mask處理即Orign軟件中的功能，可以屏蔽某些不希望參與分析與擬合的數(shù)據(jù))，擬合時(shí)不將其考慮在內(nèi)。將所有數(shù)據(jù)用Origin進(jìn)行擬合，選擇的函數(shù)的模型為三次函數(shù)。擬合的三次函數(shù)的曲線為

y=1576.38-8.6x-9.73x3

(3)

由Origin分析后可知：當(dāng)y在100%附近時(shí)，對(duì)應(yīng)的x值為626。由于R2=0.9813>0.9025，擬合效果良好，可以相信Origin擬合及預(yù)測(cè)的結(jié)果。即在固定挖茬深度為31mm、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s條件下，完成根茬挖切作業(yè)的最低刀軸轉(zhuǎn)速為626r/min。

表6　刀軸轉(zhuǎn)速x對(duì)挖茬合格率y的單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4　單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖及擬合圖

5挖茬試驗(yàn)分析

根據(jù)玉米根茬的特點(diǎn)，將玉米根茬的主根破開(kāi)，既利于根茬的腐爛，不影響下季作物的播種與生長(zhǎng)，又不破壞根系與土壤的復(fù)合特性，保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作。隨著入土深度的增加，切碎主根的同時(shí)也增加刀具入土?xí)r消耗的動(dòng)力，因此需要通過(guò)試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析，得到玉米根茬挖切裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的最優(yōu)組合，以期降低農(nóng)民作業(yè)的成本。試驗(yàn)獲得的挖茬的玉米根茬形態(tài)符合預(yù)期要求。

6結(jié)論

1)根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用Design-Expert 7軟件建立了影響因素與玉米根茬挖切裝置挖茬功耗之間的數(shù)學(xué)回歸模型，并通過(guò)交互作用分析了各因素對(duì)挖茬功耗的影響。

2)通過(guò)對(duì)挖茬功耗回歸方程的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最佳參數(shù)組合：刀軸轉(zhuǎn)速640r/min、挖茬深度31mm、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s，此時(shí)玉米根茬挖切裝置的挖茬功耗具有最小值615W。

3)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：挖茬功耗平均值為612W，其結(jié)果接近裝置的挖茬功耗理論值(615W)，表明優(yōu)化參數(shù)組合可以作為玉米秸稈還田機(jī)根茬挖切裝置的最佳依據(jù)。

4)利用Origin 8.0進(jìn)行擬合，刀軸轉(zhuǎn)速x對(duì)挖茬合格率y的單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示固定挖茬深度為31 mm、臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度1.2m/s下，擬合的三次函數(shù)的曲線為y=1 576.38-8.6x-9.73x3，完成根茬挖切作業(yè)的最低刀軸轉(zhuǎn)速為626r/min。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝光輝,王曉玉,任蘭天.中國(guó)作物秸稈資源評(píng)估研究現(xiàn)狀[J].生物工程學(xué)報(bào)，2010，26(7):855-863．

[2]高煥文,李洪文,李問(wèn)盈.保護(hù)性耕作的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(9):43-48．

[3]李其昀，賈曉東．保護(hù)性耕作技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(11):224-224．

[4]孫星，劉勤，王德建，等.長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)剖面土壤肥力質(zhì)量的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，16(3):587-592．

[5]侯杰．玉米秸稈力學(xué)特性與理化指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)性[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[6]汲文峰,賈洪雷,佟金.旋耕-碎茬仿生刀片田間作業(yè)性能的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(12):24-30．

[7]王俊發(fā),馬瀏軒,邵東偉,等.玉米根茬收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(6):68-72．

[8]尹成海，李其昀，魯善文,等.基于立式切莖裝置的玉米莖稈拋撒規(guī)律研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2014，36(9):160-163．

[9]武濤，馬旭，齊龍，等.玉米根茬根土分離裝置[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(6):133-139．

[10]宮濤，李其昀，李亞娉，等．玉米切茬還田裝置切斷根茬影響因素試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013(S2):37-40．

[11]李潤(rùn)明，吳曉明．圖解Origin 8.0科學(xué)繪圖及數(shù)據(jù)分析[M].北京：人民郵電出版社，2009．

[12]蔣金琳.玉米免耕播種機(jī)切茬挖茬裝置研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2004．

[13]龔麗農(nóng)，高煥文，蔣金琳.免耕播種機(jī)玉米根茬處理裝置作業(yè)功耗試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(7):124-127．

[14]徐向宏，何明珠．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2010．

[15]Wei Yuanzhen,Li Qiyun,Cao Shuhong,et al. Experiment on motion law of being cutted maize stalk[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012,43( Z1):116-119, 145.

[16]張亮亮，李其昀，于磊．立式玉米莖稈切碎裝置研究[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011(3):52-55．

[17]肖信．Origin 8. 0 實(shí)用教程-科技作圖與數(shù)據(jù)分析[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2009:68-82．

Experiment of Influencing Factors of Power Consumption on the Digging and Cutting Corn Rootstalks in Soil-bin

Chen Meizhou, Li Qiyun, Cheng Xiupei， Jia Xiaodong

(School of Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract：Based on the problem of poor effect for corn rootstalk and the large loss of power, a new device for digging corn rootstalk was proposed by corn straw returning machine.The two times orthogonal rotational regressive tests were designed in the experiment. The rotating speed of the blade shaft, the forward speed and the digging depth were defined as input parameters, the power consumption of digging and the percent of pass of digging corn root stalk were defined as output parameters. The regression mathematics models between output parameters and input parameters were established and then parameters were optimized through Design-Expert 8.0.The analysis indicated that the regression equation can fit the test effect of real situation better. In order to react the influence of various factors for the power consumption of digging more intuitively and clearly, the response surface and contour map of the quadratic regression equation were plotted with Design-Expert 8.0. According to response surface plots of each factor, the digging depth of blades has greater influence than the rotating speed of the blade shaft of the digging mechanism, and the forward speed had least influence on the power consumption. The resistance of the blades when graving was the main reason of influencing the power consumption. The optimal combination was that the rotating speed of 640r/min, the forward speed of 1.2m/s, and the digging depth of 31 mm, at that time the power consumption of 615W. Confirmatory tests showed that the inaccuracy was little, so the optimization results can be used as the optimal parameter combination. The digging depth of 31 mm was in line with expectations relatively. So in this time under the condition of 100% percent of pass of digging, single factor experiment was conducted on rotating speed under fixed forward speed of 1.2 m/s and digging depth of 31 mm.The drawing was plotted and the data was fitted by Origin software. The computation indicated the lowest value of rotating speed for finishing rootstalk digging work was 626 r/min under fixed forward speed of 1.2m/s and digging depth of 31 mm. The broken corn rootstalk can not only be conducive to rot but protect soil structure.

Key words：digging device; power consumption; orthogonal experiments; influencing factors

中圖分類號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0139-06

作者簡(jiǎn)介：陳美舟(1989-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail)chenfeng2830@163.com。通訊作者：李其昀(1957-)，男，山東淄博人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)liqiyun@sdut.edu.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903059-0402)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010GNC10965)；山東省自然科學(xué)基金專項(xiàng)(ZR2009DL012)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010 ZRE04018)；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2014)

收稿日期：2015-09-22