稻秸稈對行拋撒裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

李小聰，吳明亮,3*，邱進(jìn)，謝偉,3

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；4.益陽高級技工學(xué)校機電系，湖南 益陽 413000)

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稻秸稈對行拋撒裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

李小聰1,2，吳明亮1,2,3*，邱進(jìn)4，謝偉1,2,3

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；4.益陽高級技工學(xué)校機電系，湖南 益陽 413000)

針對南方土壤黏重板結(jié)、前作留茬高、易造成油菜機播前作業(yè)纏草和壅泥的難題，研制了一款多功能油菜覆草直播機，可實現(xiàn)將稻秸稈收集切碎繞過土壤作業(yè)部件后條鋪于油菜種植行間。為該播種機設(shè)計了一種攪龍雙向輸送稻秸稈對行拋撒裝置，主要由雙向輸送攪龍、攪龍槽組成。以稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)為評價指標(biāo)，對影響拋撒均勻性的因素(攪龍軸轉(zhuǎn)速、秸稈喂入量、可調(diào)拋撒口寬度)進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析和響應(yīng)曲面分析。結(jié)果表明：攪龍軸轉(zhuǎn)速、秸稈喂入量、可調(diào)拋撒口寬度3個因素對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響顯著；當(dāng)攪龍軸轉(zhuǎn)速為218 r/min、秸稈喂入量為1.55 kg/s、可調(diào)拋撒口寬度為146 mm時，稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)為10.4 %。

稻秸稈；對行拋撒裝置；攪龍軸轉(zhuǎn)速；秸稈喂入量；可調(diào)拋撒口寬度

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針對稻秸稈還田機械，張秀梅等[1]研制了一種雙刀輥的寬幅水田秸稈還田耕整機，可實現(xiàn)稻秸稈整稈埋茬還田；吳然然等[2]研制了4LL–2.0D型聯(lián)合收割機內(nèi)置式秸稈粉碎拋撒裝置，可提高秸稈粉碎率及拋撒均勻度；張奮飛等[3]研制了“同軸異速”內(nèi)置式秸稈粉碎拋撒裝置。這些機具對于秸稈的處理效果較好，但仍存在埋茬較淺，稻茬腐爛周期長，影響后續(xù)種植以及秸稈纏繞耕作部件而導(dǎo)致耕作阻力增大的問題。南方油菜種植區(qū)大多采取稻油多熟輪作的種植模式，若前茬作物秸稈(稻秸稈)全田覆蓋土表，直播的油菜籽難以與土壤接觸而造成不出苗或出苗慢，影響田間基本苗數(shù)；另外南方土壤黏重板結(jié)，耕作機具易纏草、壅泥，影響土壤耕作效率。為實現(xiàn)將稻秸稈收集切碎后繞過耕作部件直接均勻條鋪于油菜種植行間的目的，課題組研制了一款多功能油菜覆草直播機[4]，筆者以實現(xiàn)切碎的稻秸稈均勻條鋪于田間油菜播種行行間為目標(biāo)，設(shè)計了一種攪龍雙向輸送的稻秸稈對行拋撒裝置，并進(jìn)行了臺架試驗，獲取了稻秸稈對行拋撒裝置的最優(yōu)參數(shù)，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1　對行拋撒裝置的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

稻秸稈對行拋撒裝置主要由傳動系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、拋撒系統(tǒng)組成，如圖1所示。拋撒系統(tǒng)主要由雙向輸送攪龍、攪龍槽、可調(diào)拋撒口組成，雙向輸送攪龍由攪龍軸和2段旋向相反等長攪龍葉片組成，置于攪龍槽內(nèi)，攪龍軸通過鏈條與電機相連；攪龍槽下端沿軸向開有5個寬度可調(diào)拋撒口，集料斗與輔助喂料裝置相連位于機架中部正上方。

圖1　稻秸稈對行拋撒裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the row-controlled throwing mechanism for rice straw

1.2工作原理

工作時，輔助送料裝置將切碎的稻秸稈連續(xù)均勻喂入集料斗，經(jīng)集料斗出口落入攪龍軸2個旋向相反的攪龍葉片的接口處，電機通過鏈輪帶動攪龍軸轉(zhuǎn)動，稻秸稈在攪龍葉片的推送下，從攪龍軸中間分別向兩端螺旋運動，經(jīng)過拋撒口時，受重力和攪龍葉片共同作用，均勻連續(xù)拋撒稻秸稈至指定位置。

2　主要部件的設(shè)計

2.1雙向輸送攪龍

雙向輸送攪龍由攪龍軸和攪龍葉片組成。攪龍葉片為厚2 mm鋼板制作的2段旋向相反的螺旋板，并在攪龍軸中部按法線對接與攪龍軸焊接而成。如圖2所示。

圖2　雙向輸送攪龍的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of two-way auger

2.1.1攪龍葉片螺旋角的確定

攪龍葉片螺旋角(簡稱螺旋角)大小直接影響物料輸送效果，螺旋角小，生產(chǎn)率低，但工作省力；螺旋角大，生產(chǎn)率高，但工作費力，過大時無法工作。攪龍葉片上各點螺旋角α是不等的，半徑最小處α最大，半徑最大處α最小。據(jù)文獻(xiàn)[5]，設(shè)計時應(yīng)保證靠攪龍軸處的螺旋角α1(最大螺旋角)和平均半徑處螺旋角α0分別滿足式(1)和(2)的關(guān)系。

經(jīng)試驗測定，稻秸稈對攪龍葉片的摩擦角θ為22°，故螺旋角α1不大于68°，平均半徑處螺旋角取值α0為34°。

2.1.2攪龍截面尺寸的確定

對于稻秸稈輸送攪龍，攪龍的內(nèi)徑就是軸的直徑，工作時負(fù)荷較小，強度條件基本能滿足，但由于攪龍軸細(xì)長，作業(yè)時容易出現(xiàn)剛度不夠而變形。據(jù)文獻(xiàn)[6]，按D1=(0.02~0.03)L計算軸徑。式中：D1為攪龍軸內(nèi)徑(mm)；L為攪龍工作長度(mm)。

根據(jù)油菜播種農(nóng)藝要求，油菜條播種植行間距300 mm，秸稈條鋪行數(shù)為5行，因此，設(shè)計攪龍工作長度L=1 500 mm，攪龍軸內(nèi)徑D1=40 mm，攪龍外徑D2=200 mm。

2.1.3攪龍螺距的確定

攪龍螺距的選取與輸送物料相關(guān)，據(jù)文獻(xiàn)[6]，對于秸稈類物料，攪龍螺距S按S/D2=0.7~1選取，D2為攪龍外徑(mm)，S取值150 mm。

2.1.4攪龍轉(zhuǎn)速的確定

攪龍轉(zhuǎn)速直接決定雙向輸送攪龍的生產(chǎn)率。

式中：Q為生產(chǎn)率(kg/s)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；φ為充滿系數(shù)，據(jù)文獻(xiàn)[6]，秸稈類物料取0.4；γ為物料容重(kg/m3)。

由式(3)可知，攪龍的生產(chǎn)率與螺距S、螺旋外徑D2成正比。

因拋撒裝置配合油菜直播機工作，機具行走速度范圍為0.5~1.0 m/s[7]，幅寬2 m，田間秸稈產(chǎn)量約為1.02 kg/m2[8]，因而稻秸稈進(jìn)入攪龍箱內(nèi)的喂入量為1.02~2.04 kg/s，由于攪龍箱內(nèi)秸稈為雙向輸送，故攪龍實際生產(chǎn)率為喂入量的一半，即0.51~1.02 kg/s。試驗測定稻秸稈密度為124.8 kg/m3，因此工作時攪龍軸轉(zhuǎn)速約為130~260 r/min，兼顧生產(chǎn)率的儲備及試驗數(shù)據(jù)的處理，取攪龍軸轉(zhuǎn)速130~300 r/min。

2.2攪龍槽的設(shè)計

攪龍槽位于雙向輸送攪龍正下方，其截面設(shè)計成底部為半圓形、兩側(cè)為豎直平面的“U”形截面。為保證稻秸稈不發(fā)生堵塞，攪龍槽與攪龍葉片間需有一定間隙，其半圓形半徑大小取決于與攪龍外徑間的間隙值。依據(jù)文獻(xiàn)[5–6]及經(jīng)驗取值，取攪龍葉片與“U”形截面半圓形底部間隙值為20 mm，故底部半圓形半徑為120 mm，側(cè)邊高為400 mm。同時在攪龍槽底部半圓形弧面上開設(shè)5個可調(diào)拋撒口，分別沿母線長度方向距離為200 mm，每個可調(diào)拋撒口側(cè)面均安裝排料口擋板，由2個蝶形螺母固定，左右寬度可調(diào)范圍為100~200 mm，中心間距為300 mm。

3　臺架試驗

3.1材料

按GB/T 24675.6—2009[9]的規(guī)定，小麥、水稻秸稈切碎合格長度應(yīng)小于150 mm，且切碎長度合格率高于90%。為提高試驗的可靠性，通過鍘刀將稻秸稈切碎，長度均不大于150 mm。

3.2方法

試驗裝置如圖3所示。通過電磁調(diào)速器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)輔助送料裝置的喂入量和雙向輸送攪龍的轉(zhuǎn)速，借助顯示屏幕讀取數(shù)據(jù)；通過調(diào)節(jié)有刻度的擋板改變可調(diào)拋撒口的寬度，在稻秸稈對行拋撒裝置的5個可調(diào)拋撒口正下方各放置1個塑料桶，使其能完全接住落下的稻秸稈。由于各出口拋撒稻秸稈的開始時間不一致，因此，在5個塑料桶上先蓋一塊木板，待5個可調(diào)拋撒口均連續(xù)穩(wěn)定拋撒稻秸稈時，迅速撤走木板，每次試驗時間為12 s。稱量每個塑料桶中稻秸稈的質(zhì)量并記錄，重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

圖3　試驗裝置Fig.3 The experimental device

采用Excel 2003及Design–Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

稱量落入至各個塑料桶的稻秸稈質(zhì)量mi，計算各拋撒口的拋撒總質(zhì)量的均勻度變異系數(shù)Cv。 試驗裝置的對行拋撒均勻度變異系數(shù)越小，橫向幅寬上拋撒均勻性越好，反之拋撒均勻性越差[10]。

式中： j為塑料桶的數(shù)量；mi為第i個塑料桶中所收集的稻秸稈質(zhì)量(g)。

3.2.1多因素試驗設(shè)計與結(jié)果

考慮3個影響因素，即稻秸稈喂入量x1、攪龍軸轉(zhuǎn)速x2、可調(diào)拋撒口寬度x3，根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的設(shè)計方法，以稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)y為評價指標(biāo)，利用Design–Expert設(shè)計3因素4水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗[11–14]，試驗因素及水平如表1所示。

表1　試驗因素及水平Table 1 Factors and level of the parameters

多因素試驗結(jié)果列于表2。

表2　多因素試驗結(jié)果Table 2 The results of multi-factor tests

根據(jù)表2，利用Design–Expert軟件建立稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的回歸模型，對回歸模型進(jìn)行方差分析和F檢驗，經(jīng)軟件處理后得到稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的方差分析結(jié)果列于表3。

表3　多因素試驗結(jié)果的方差分析Table 3 Variance analysis of the test results

為直觀表達(dá)表3中各項回歸系數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系，去除不顯著項后進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)y對編碼自變量的簡化二次多元回歸方程。

由表3可知，模型顯著性P<0.000 1，遠(yuǎn)小于0.05，說明該模型擬合程度高，試驗誤差較小。目標(biāo)函數(shù)y的模型失擬項P=0.236 8，故不存在失擬項因數(shù)，模型回歸方程可用于代替試驗真實點對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

試驗因子x1、x2、x1x3、x2x3、x12、x22、x32項P值均小于0.05，影響極顯著[13]。分析可知，各因子對變異系數(shù)的影響大小依次為攪龍軸轉(zhuǎn)速、秸稈喂入量、可調(diào)拋撒口寬度。

為了更直觀地反映各試驗因素與稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)之間的關(guān)系，運用Design–Expert中的Model Graphs功能，分析各因素的主要交互項對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的顯著性影響，即固定其中1個因子為零水平，考察其他2個因子對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響[15–19]。

1) 固定可調(diào)拋撒口寬度為150 mm，秸稈喂入量和攪龍軸轉(zhuǎn)速對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響，得到響應(yīng)曲面，如圖4所示。

圖4　秸稈喂入量和攪龍軸轉(zhuǎn)速對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.4 The response surface of coefficient of variation for uniformity of throwing rice straw dependent on the feeding rate of rice straw and the speed of auger shaft on

由圖4可知，攪龍軸轉(zhuǎn)速對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的顯著性大于秸稈喂入量的；稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨攪龍軸轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，變化十分明顯；稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨秸稈喂入量的增加先減小后增大，變化亦十分明顯；攪龍軸轉(zhuǎn)速和秸稈喂入量不同水平間的交互作用曲線明顯相交，因此2個因子對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響存在交互作用。

2) 固定攪龍軸轉(zhuǎn)速為215 r/min，秸稈喂入量和可調(diào)拋撒口寬度對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響，得到響應(yīng)曲面，如圖5所示。

由圖5可知，秸稈喂入量對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的顯著性大于可調(diào)拋撒口寬度；稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨秸稈喂入量的增加先減小后增大，變化趨勢平緩，稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨可調(diào)拋撒口寬度的增加先減小后增大，變化趨勢平緩；可調(diào)拋撒口寬度和秸稈喂入量不同水平間的交互作用曲線相交不明顯，2個因子對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響無交互作用。

圖5　秸稈喂入量和可調(diào)拋撒口寬度對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.5 The response surface of coefficient of variation for uniformity of throwing rice straw dependent on the feeding rate of rice straw and the width of adjustable throwing on

3) 固定秸稈喂入量為1.53 kg/s，攪龍軸轉(zhuǎn)速和可調(diào)拋撒口寬度對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響，得到響應(yīng)曲面，如圖6所示。

由圖6可知，攪龍軸轉(zhuǎn)速對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的顯著性大于可調(diào)拋撒口寬度；稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨攪龍軸轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，變化趨勢平緩；稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)隨可調(diào)拋撒口寬度的增加先減小后增大，變化趨勢平緩；攪龍軸轉(zhuǎn)速和可調(diào)拋撒口寬度不同水平間的交互作用曲線相交不明顯，2個因子對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)的影響無交互作用。

圖6　攪龍軸轉(zhuǎn)速和可調(diào)拋撒口寬度對稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.6 The response surface of coefficient of variation for uniformity of throwing rice straw dependent on the speed of auger shaft and the width of adjustable throwing

3.2.2驗證試驗

利用響應(yīng)面模型參數(shù)優(yōu)化法，以稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，各因子變量取值范圍按照表1進(jìn)行，通過Design–Expert軟件對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得裝置的最佳參數(shù)為秸稈喂入量1.55 kg/s、攪龍軸轉(zhuǎn)速218 r/min、可調(diào)拋撒口寬度146 mm，此時稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)為9.7%。為驗證模型的準(zhǔn)確性，以上述參數(shù)進(jìn)行驗證試驗。為提高試驗結(jié)果的精確度，每組試驗重復(fù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。結(jié)果表明，稻秸稈對行拋撒均勻度變異系數(shù)為10.4%，與軟件分析值(9.8%)比較，誤差為6.1%。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design and experiment of row-controlled throwing mechanism for rice straw

Li Xiaocong1,2, Wu Mingliang1,2,3*, Qiu Jin4, Xie Wei1,2,3
(1.College of Engineering，Hunan Agricultural University, Changsha 410128,China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410128, China; 3.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128,China; 4.Department of Electromechanic, Yiyang Senior Technical School, Yiyang, Hunan 413000,China)

In order to solve the problems of winding grass and blocking mud before sowingdue to long stubble remained in farmland after harvesting as well as the heavy clay soil in south of China, a multifunctional rape-planting and grass-covering machine was used to collect and cut the rice stubbles, and then row-controlled throw the chopped rice stubbles. Based on this machine, a row-controlled throwing mechanism for rice straw was designed with an two-way auger and the auger groove. The variation on uniformity of throwing rice straw was investigated by using the experiment device dependent on the speed of auger shaft, feeding rate of rice straw, width of adjustable throwing exit by multi-factor and multi-level orthogonal test. The results show that the speed of auger shaft had the significant effect as well as the gaps between feeding rate of rice straw and the width of adjustable throwing exit. The lowest variation on uniformity of throwing rice straw with 10.4% was obtained under the speed of auger shaft of 218 r/min, feeding rate of rice straw of 1.55 kg/s, the width of adjustable throwing exit of 146 mm.

rice straw; row-controlled throwing; the speed of auger shaft; the feeding rate of rice straw; the width of adjustable throwing

李小聰(1990—)，男， 湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與創(chuàng)新研究，709157065@qq.com；*通信作者，吳明亮，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計創(chuàng)新研究，mlwu@hunau.edu.cn

S223.2+4

A

1007-1032(2016)04-0455-06

2016–03–01 修回日期：2016–05–08

湖南省政府重大專項(湘府閱[2014]35號)；湖南省科學(xué)技術(shù)廳平臺建設(shè)項目(湘財教指[2014]10號)