步行式甘薯碎蔓還田機的設(shè)計與試驗

吳 騰，胡良龍，王公仆，胡志超，嚴 偉，王 冰（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

步行式甘薯碎蔓還田機的設(shè)計與試驗

吳 騰，胡良龍※，王公仆，胡志超，嚴 偉，王 冰
（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

為緩解中國丘陵坡地小田塊甘薯碎蔓機械短缺問題，研究設(shè)計了步行式甘薯碎蔓還田機。該文在分析整機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上具體闡述了甘薯碎蔓還田機工作原理，闡明了碎蔓裝置、刀座防磨損設(shè)計、導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)和傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計。甘薯秧蔓粉碎合格率、留茬高度和傷薯率是評價甘薯碎蔓還田機的主要指標，該文在單因素試驗基礎(chǔ)上運用Box-Benhnken的中心組合試驗方法對甘薯碎蔓還田機的工作參數(shù)進行試驗研究，以刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距進行三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計。建立了響應面數(shù)學模型，分析了各因素對作業(yè)質(zhì)量的影響，同時，對影響因素進行了綜合優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：粉碎合格率影響顯著順序為刀輥轉(zhuǎn)速＞離地間隙＞刀片間距；留茬高度影響顯著順序為離地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；傷薯率影響顯著順序為離地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；田間試驗結(jié)果表明：最優(yōu)工作參數(shù)組合為刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間隙為40 mm，此時秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為

47.08 mm、傷薯率為0.23%，與理論優(yōu)化值對比誤差小于5%。研究結(jié)果可為步行式甘薯碎蔓還田機的結(jié)構(gòu)完善和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；優(yōu)化；設(shè)計；甘薯碎蔓還田機；響應曲面

0 引 言

甘薯又名紅薯、地瓜、紅苕和山芋等，是具有抗癌保健作用的綠色食品[1-6]。甘薯在中國已有400多年種植歷史，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年中國甘薯收獲總產(chǎn)量達7 154.0萬t，種植面積達338.3萬hm2，總產(chǎn)量占世界的67.1%，種植面積占40.5%，總產(chǎn)量和種植面積均居世界第一[7]。

甘薯是種植過程所需勞動力較大的土下作物，其種植過程主要包括：排種、育苗、起壟、剪苗、移栽、澆水、中耕、植保、去蔓收獲等，其中，去蔓和挖掘收獲環(huán)節(jié)占整個生產(chǎn)過程用工成本的45%[8-9]。中國甘薯主要種植在丘陵地區(qū)和平原壩區(qū)，其中約有50% 種植在丘陵地區(qū)，且近年來種植面積不斷增加，故丘陵地區(qū)的甘薯生產(chǎn)機械化問題得到廣泛關(guān)注[10-11]。

甘薯采用高壟種植，壟高一般在25～33 cm左右，其秧蔓匍匐生長、交錯纏繞，且產(chǎn)量大，一般在30 t/hm2以上[12]。目前，甘薯收獲時秧蔓多采用人工割除，其勞動強度大、效率低、成本高，嚴重影響甘薯種植的經(jīng)濟效益，因此市場對去蔓機械需求迫切。

國外甘薯秧蔓處理機械研究起步較早，技術(shù)成熟，美、加、英等國的甘薯割蔓機械主要有2種，一類是大型多行薯蔓粉碎還田機，配套200馬力左右拖拉機；一種是大型聯(lián)合收獲機，可一次完成挖掘、輸送、薯蔓分離、清理、集薯、拋蔓還田作業(yè)，該機所需動力大、農(nóng)機農(nóng)藝融合緊密、品種薯蔓較短，目前中國還無法采用該模式，如英國STANDEN公司的TSP1900大型牽引式甘薯聯(lián)合收獲裝備、美國LOCKWOOD公司674型直收式聯(lián)合收獲機；日本因其土壤疏松、田塊面積不大，其甘薯收獲前基本都采用薯蔓直接粉碎還田這種模式，且其作業(yè)機械多為單行的小型機，其小型碎蔓技術(shù)對中國具有一定的借鑒意義；目前在日本鹿兒島地區(qū)有一種薯蔓采收粉碎飼化處理一體機，但因其存在作業(yè)經(jīng)濟性差、適應性不高等問題，無法推廣。中國甘薯秧蔓粉碎技術(shù)發(fā)展較為滯后，近些年所研發(fā)的甘薯秧蔓處理機械多是在馬鈴薯打秧機和秸稈粉碎還田機的基礎(chǔ)上改裝而來的。主要有：鄭州山河開發(fā)的4UJH型甘薯碎蔓機；連云港元天研發(fā)的大壟雙行碎蔓機；南京農(nóng)機化所研發(fā)的4JHSM-900型甘薯碎蔓機等，一般掛接在拖拉機后作業(yè)，適合在平原壩區(qū)和緩坡地規(guī)?；N植地區(qū)作業(yè)。

本文針對目前中國甘薯種植規(guī)模不同、種植模式多樣特點，結(jié)合甘薯秧蔓的生物學特性，研制出適應于丘陵坡地小田塊作業(yè)的一種步行式甘薯碎蔓還田機。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

步行式甘薯碎蔓還田機主要由碎蔓罩殼、仿形切蔓刀輥及甩刀、導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)、導向輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、變速箱、操縱桿、機架、行走輪等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 步行式甘薯碎蔓還田機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of walking sweet potato vines crushing machine

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

步行式甘薯碎蔓還田機在工作前，應根據(jù)種植壟寬和壟高調(diào)節(jié)甩刀尖距壟面高度，過高易造成留茬長、作業(yè)效果差，過低則易傷薯且增加動力消耗。作業(yè)時，雙手扶操縱桿，調(diào)整導向輪角度，使機器沿著壟溝行走，發(fā)動機動力經(jīng)變速箱傳遞給底盤行走系統(tǒng)驅(qū)動機器前行，同時，動力經(jīng)皮帶傳動機構(gòu)傳遞給粉碎裝置，驅(qū)動刀輥軸高速旋轉(zhuǎn)，帶動其上的自由態(tài)甩刀高速旋轉(zhuǎn)，甩刀端部產(chǎn)生較大的線速度和打擊力，將匍匐地面的薯蔓切斷后挑起在罩殼形成的粉碎室內(nèi)多次打擊切碎，并撒向地面，實現(xiàn)碎蔓作業(yè)。當一壟作業(yè)結(jié)束后，按壓操縱桿，抬起前端支撐導向輪從而實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，具有轉(zhuǎn)彎半徑小，操作方便，特別適合丘陵小地塊、育種小區(qū)等使用。該機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)如表1所示。

表1 步行式甘薯碎蔓還田機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of walking sweet potato vines crushing machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與計算

2.1 粉碎裝置的設(shè)計

粉碎裝置是甘薯碎蔓還田機的關(guān)鍵部件，其作用是打擊、切碎甘薯秧蔓，使其粉碎的長度不大于150 mm。如圖2所示，粉碎裝置主要由刀輥軸、刀座、甩刀組成。為降低整機的質(zhì)量、減小動力消耗將刀輥軸設(shè)計成空心軸，兩端焊接軸頭用于傳動連接和支撐[13-14]。

圖2 粉碎裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of vines crushing device

甩刀是甘薯碎蔓還田機的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式直接影響整機的作業(yè)效果。目前，甩刀的形狀主要有以下3種類型：一是直刀型，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作部位開刃，功率消耗較小。二是Y型或者L型，加工較復雜，但粉碎效果好，比直刀型撿拾效果好，高速旋轉(zhuǎn)時將秸稈切斷并帶入粉碎腔體內(nèi)進一步粉碎[15]。三是錘爪型，體積較大，對高粱、棉花等較硬的作物秸稈有較好的粉碎效果，但功率消耗較大?？紤]甘薯秧蔓的物理特性和甘薯的種植農(nóng)藝，采用仿壟形切蔓方式，所用甩刀采用直刀型，加工簡單且能滿足作業(yè)需要[16]。作業(yè)時甩刀不可避免的會打土產(chǎn)生反沖擊力，需要較好的強度和韌性，因此選用65 Mn材料，經(jīng)過熱處理之后達到HRC48-54，作業(yè)部分開刃。

甩刀如何排布對碎蔓還田機的作業(yè)性能影響很大，它直接關(guān)系碎蔓機的功耗、作業(yè)效果和刀輥軸的平衡性。根據(jù)甘薯種植農(nóng)藝，一般采用高壟種植，因此采用仿壟形設(shè)計，甩刀中間短，兩端長，仿照壟型長短刀配合，且軸向左右對稱分布。甩刀通常采用對稱排布、螺旋線排列和交錯平衡排列，綜合比較采用雙螺旋交錯對稱排列，刀軸在轉(zhuǎn)動時能夠受力均勻，機器振動較小、平衡性好。刀的排列密度要合適，并非甩刀越多，碎蔓的效果就越好，排列密度過大，功率消耗大，排列密度太小，粉碎效果差，不能滿足設(shè)計要求[17]。刀座排布如圖3所示。

圖3 刀座排布示意圖Fig.3 Arrangement diagram of knife block

刀的排布密度計算公式為：

式中N為甩刀數(shù)量，片；L作業(yè)幅寬，mm；C為刀片的排列密度，片/mm。本機主要針對丘陵地區(qū)小地塊單壟作業(yè)，為了減少碎蔓機整機質(zhì)量和作業(yè)功耗，將其作業(yè)幅寬設(shè)計為600 mm，其后續(xù)配套的挖掘收獲機作業(yè)幅寬小于600 mm，而地下薯塊的分布寬度一般小于300 mm，完全滿足收獲需求，所以只要粉碎壟面上的秧蔓，壟溝殘留的少量秧蔓不影響后續(xù)挖掘作業(yè)。刀片的排列密度一般取0.02～0.07片/mm，故刀片數(shù)量為12～42片[18]。

粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速是粉碎裝置設(shè)計中的主要參數(shù)之一，為提高機器粉碎效果，刀軸反轉(zhuǎn)設(shè)計（即甩刀的旋轉(zhuǎn)方向與前進方向相反），該機作業(yè)時，為避免機具作業(yè)時出現(xiàn)推蔓現(xiàn)象，需要甩刀的運動軌跡為余擺線[19]。對甩刀的運動軌跡進行分析，建立以刀輥軸軸心為坐標原點，機具前進方向為x軸正方向，垂直向下為y軸正方向的坐標系，如圖4所示。取甩刀刀尖的任意一點P(x,y)，則P點的運動軌跡為：

式中v為機具前進速度，m/s；t為刀輥運動時間，t；R為甩刀的回轉(zhuǎn)半徑，m；ω為刀輥轉(zhuǎn)動角速度，rad/s，ωt為刀輥一定時間內(nèi)刀輥轉(zhuǎn)過角度，（°）。

對式（2）中時間t進行求導得：

式中vx為水平分速度，m·s–1；vy為垂直分速度，m·s–1。

圖4 甩刀運動軌跡Fig.4 Trajectory of flail knife

碎蔓機的作業(yè)質(zhì)量受甩刀的水平速度vx大小影響。為了確保作業(yè)質(zhì)量的絕對速度不能低于切蔓所需速度[20]，即：|vx|≤v

將以上所有公式代入得：

式中n為刀軸轉(zhuǎn)速，r/min；vc為切蔓所需速度，m/s。

穩(wěn)定工作狀態(tài)下，機具前進速度v=0.78 m/s，切蔓所需速度vc=25 m/s，田間實際留茬高度h=0.15 m，甩刀最大回轉(zhuǎn)半徑R′=0.29 m。將以上數(shù)據(jù)代入計算得甘薯碎蔓刀輥的轉(zhuǎn)速不應小于1 653 r/min。

2.2 刀座防磨損設(shè)計

傳統(tǒng)方式一般將甩刀直接鉸接在刀座上，甩刀與銷軸之間的磨損較大，容易使銷軸表面磨合區(qū)域出現(xiàn)深淺不一的磨痕，且甩刀連接孔容易磨損變形，高速作業(yè)時甩刀易斷裂甩出，存在安全隱患。本設(shè)計改變傳統(tǒng)模式，如圖5所示，將固定套筒焊接在甩刀的底端，然后在甩刀底端的套筒上套上內(nèi)隔套，再將內(nèi)隔套套在銷軸上，最后將銷軸鉸接在刀座上，裝配后確保甩刀能夠繞銷軸自由轉(zhuǎn)動。同時確保固定套筒的加工尺寸精度，防止由于尺寸誤差累計造成相鄰甩刀之間的干涉。本設(shè)計將傳統(tǒng)的線接觸轉(zhuǎn)換為隔套與銷軸之間的面接觸，有效增加了接觸面積，降低了單位面積的接觸力，從而降低了高速旋轉(zhuǎn)時銷軸的磨損狀況，另一方面作業(yè)時可以通過改變固定套筒的長度，能夠調(diào)節(jié)刀片間的間距。甩刀是主要作業(yè)部件，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與甘薯秧蔓、田間土壤和雜物接觸，有時甚至會打到硬土塊和石頭，產(chǎn)生很大的沖擊力，此設(shè)計能夠有效降低銷軸的磨損和斷裂，顯著提高銷軸的可靠性和安全性[21]。

圖5 甩刀連接方式Fig.5 Flail knife connection style

2.3 導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)

步行式甘薯碎蔓還田機導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由導向輪支架、滾動絲桿、固定支撐柱、手搖桿、導向輪等組成，如圖6所示。導向輪支架兩側(cè)通過螺栓固定在機架罩殼上，同時可以繞螺栓轉(zhuǎn)動。通過轉(zhuǎn)動手搖桿使?jié)L動螺桿前進或者后退調(diào)節(jié)刀輥離壟面的高度，可以實現(xiàn)刀輥離壟面在0～150 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)可以根據(jù)田間實際情況調(diào)整高度，如果壟較大較寬，出現(xiàn)切土或者切薯的時候應該適當提升高度，減少刀片切土和切薯；如果甩刀離甘薯秧蔓距離較大，作業(yè)效果較差可以適當降低高度，提高作業(yè)質(zhì)量。另一方面導向輪支架可以降低機器作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動，同時作業(yè)過程中導向輪在壟溝里行走具有導向和支撐作用[22]。

圖6 導向輪調(diào)節(jié)機構(gòu)Fig.6 Guide wheel mechanism

2.4 動力選配和傳動系統(tǒng)設(shè)計

步行式甘薯秧蔓粉碎還田機動力的配置由機具作業(yè)幅寬、刀輥的轉(zhuǎn)速、整機質(zhì)量等決定。另一方面由于本機適用于丘陵山地，因此考慮以下因素：1）良好的通過性（指機器跨越障礙和壟溝的能力）；2）具有良好的操作性（田間轉(zhuǎn)彎半徑小）；3）結(jié)構(gòu)緊湊，整機質(zhì)量小，整機成本低（丘陵地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平有限，農(nóng)民的購買力較低）。此外，考慮到甘薯一般采用壟作種植，收獲期甘薯壟高一般200 mm左右，壟底寬一般在650 mm左右，壟距一般在900 mm左右，故選用的輪距要符合以上要求，過窄過寬都會容易傷壟和壓壟。根據(jù)以上要求結(jié)合目前市場情況，選用重慶華世丹1WG6.3-135FC-DL-X型機器底盤、發(fā)動機、變速器和操作桿，將啟動方式設(shè)計為電啟動。該機器共有7個檔位，前進擋5個，后退檔2個，其主要參數(shù)如表2所示，傳動系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

表2 步行式甘薯碎蔓還田機動力參數(shù)Table 2 Power parameters of walking sweet potato vines crushing machine

圖7 步行式甘薯碎蔓還田機傳動系統(tǒng)示意圖Fig.7 Transmission schematic of walking sweet potato vines crushing machine

步行式甘薯碎蔓機采用兩段V帶傳動，刀輥軸的傳動系統(tǒng)：動力經(jīng)發(fā)動機輸出，經(jīng)過兩段帶輪增速傳遞到刀輥軸。如圖7所示。根據(jù)傳動比計算公式：

式中i為刀輥軸裝置的總傳動比。

所選發(fā)動機的輸出軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min, 且刀輥軸轉(zhuǎn)速n≥1653 r/min，同時綜合考慮甘薯秧蔓粉碎和機器功率消耗等因素，選取帶輪的直徑代入式（6）中計算刀輥軸轉(zhuǎn)速。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗條件

試驗地點為農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所白馬試驗基地，試驗田無障礙物，土質(zhì)較黏重，土壤含水率為22.8%。試驗甘薯地品種為江蘇省農(nóng)科院培育出的“寧紫2號”，試驗地長100 m，寬40 m，面積0.4 hm2。收獲期時，試驗地甘薯種植株距為22.4 cm，壟距為90.3 cm，壟高為13.9 cm，壟頂寬27.9 cm，壟底寬65.4 cm。甘薯藤蔓平均直徑6.20 mm，平均長度122.6 mm，含水率79.9%。

3.2 試驗設(shè)備與儀器

試驗儀器設(shè)備主要有步行式甘薯碎蔓還田機、水分測定儀、電子天平、皮尺、卷尺、轉(zhuǎn)速表、剪刀、工具包等。機具田間試驗情況如圖8所示。

圖8 甘薯碎蔓還田機試驗情況Fig.8 Experiment situation of sweet potato vines crushing machine

3.3 試驗參數(shù)與方法

試驗分別測定步行式甘薯粉碎還田機不同工作參數(shù)下秧蔓粉碎合格率Y1、壟頂留茬高度Y2、傷薯率Y3等參數(shù)作為碎蔓還田機的評價指標。影響甘薯碎蔓還田機評價指標的因素很多，如田間狀況、刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距、機具前進速度、刀片形狀等。在前期試驗基礎(chǔ)上確定刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距對作業(yè)指標的影響較大，刀輥轉(zhuǎn)速太小粉碎合格率低，太大增大動力消耗，根據(jù)刀輥設(shè)計計算取轉(zhuǎn)速1 700～2 100 r/min；離地間隙小作業(yè)效果好，但容易切薯、切土，離地間隙太大作業(yè)效果差，故離地間隙調(diào)節(jié)范圍10～40 mm；刀片間距應適宜，太小容易造成壅土，太大作業(yè)效果差，故刀片間距范圍30～50 mm。本試驗采用三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計方案[23-24]，對機器刀輥轉(zhuǎn)速X1、最短甩刀刀尖離地間隙X2、刀片間距X3開展響應面試驗研究。試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平Table 3 Factors and levels of test

目前中國還沒有針對甘薯碎蔓裝備的技術(shù)標準，因此，依據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準《秸稈粉碎還田機》（JB/T6678-2001）和河南省地方標準《甘薯機械化起壟收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)程》（DB41/T 1010-2015）。壟面甘薯秧蔓粉碎長度合格率測定：作業(yè)前在測區(qū)等距離測定三個區(qū)域，每區(qū)域以壟頂為中心，長度100 mm，寬度600 mm，從薯塊頂部處留100 mm長莖管茬外，將測區(qū)所有的蔓、莖、葉收集、測量其質(zhì)量（只計算有效作業(yè)幅寬內(nèi)壟面上秧蔓），平均值作為總質(zhì)量M1；作業(yè)后重新劃定3個區(qū)域，分別從中挑出粉碎長度大于150 mm的不合格秧蔓，取其平均值M2作為不合格秧蔓的質(zhì)量。計算秧蔓粉碎合格率公式為：

式中Y1為秧蔓粉碎合格率，%；M1為作業(yè)前秧蔓總質(zhì)量平均值；M2為作業(yè)后不合格秧蔓總質(zhì)量平均值。壟頂留茬高度測定：作業(yè)后在測區(qū)隨機測定10個留茬的長度，取平均值作為壟頂留茬長度Y2。壟頂留茬平均高度計算公式：

式中Y2為壟頂留茬平均高度，mm；LN為測定株樹留茬長度總和，mm；N為測定的株樹。傷薯率Y3的測定：碎蔓機作業(yè)后選定測區(qū)長度20 m，挖出測區(qū)內(nèi)的總薯質(zhì)量為W0，碎蔓傷薯質(zhì)量為W1，傷薯率計算公式為：

式中Y3為傷薯率，%；W1為作業(yè)傷薯的質(zhì)量；W0為測區(qū)薯的總質(zhì)量。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計三因素三水平分析試驗[25-26]，試驗方案包括17個試驗點，其中包括12個分析因子，5個零點估計誤差，試驗方案與響應值見表4。

3.4.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert8.0.6.1軟件進行多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)，建立粉碎合格率Y1、留茬高度Y2、傷薯率Y3對刀輥轉(zhuǎn)速X1、離地間隙X2、刀片間距X33個自變量的二次多項式響應面回歸模型，如式（10）～式（12）所示，并對回歸方程進行方差分析，結(jié)果如表5所示。

表4 試驗設(shè)計方案及響應值Table 4 Experiment design and response values

式中X1為刀輥轉(zhuǎn)速；X2為離地間隙；X3為刀片間距。

由表5可知，響應面模型中的粉碎合格率Y1、留茬高度Y2、傷薯率Y3的響應面模型的P值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項均大于0.05，表明回歸方程擬合度高；其決定系數(shù)R2值分別為0.979 5、0.959 4、0.983 2，表明這3個模型可以解釋95%以上的評價指標[27]。因此，該模型可以優(yōu)化分析甘薯碎蔓還田機的參數(shù)。

粉碎合格率Y1模型中X1、X2、X12、X23四個回歸項對模型影響極顯著（P<0.01），X1X2對模型影響顯著（P<0.05）；留茬高度Y2模型中X1、X2、X22、X32四個回歸項對模型影響極顯著（P<0.01），X12對模型影響顯著（P<0.05）；傷薯率Y3模型中X1、X2、X3三個回歸項對模型影響極顯著（P<0.01），X1X2、X2X3、X12、X22四個回歸項對模型影響顯著（P<0.05）。在保證P<0.01、失擬項P>0.05的基礎(chǔ)上，剔除模型不顯著回歸項，對模型Y1、Y2、Y3進行優(yōu)化[28]，如式（13）～式（15）所示。

表5 回歸方程方差分析Table 5 Variance analysis of regression equation

3.4.3 各因素對性能影響效應分析

各因素對模型的影響大小可通過貢獻率K值的大小來體現(xiàn)[29]，各因素對秧蔓粉碎合格率為：刀輥轉(zhuǎn)速X1>離地間隙X2>刀片間距X3；各因素對留茬高度貢獻率大小順序為：離地間隙X2>刀輥轉(zhuǎn)速X1>刀片間距X3；各因素對傷薯率貢獻率大小順序為：離地間隙X2>刀輥轉(zhuǎn)速X1>刀片間距X3。分析結(jié)果如表6所示。

表6 各因素貢獻率分析Table 6 Analysis of contribution rate for each factor

3.4.4 交互因素對性能影響規(guī)律分析

根據(jù)上述回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6.1繪制響應面圖，根據(jù)響應面圖分析刀輥轉(zhuǎn)速離地間隙刀片間距交互因素對響應值的影響。

1）交互因素對秧蔓粉碎合格率的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對粉碎合格率影響的響應面曲線圖見圖9a～9c。圖9a為刀片間距于中心水平（40 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對秧蔓粉碎合格率交互作用的響應面圖，從圖9a可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙有助于提高秧蔓粉碎合格率；圖9b為離地間隙位于中心水平（25 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對秧蔓粉碎合格率交互作用的響應面圖，從圖9b可以看出，在同一刀輥轉(zhuǎn)速下秧蔓粉碎合格率隨著刀片間距的增大先增大后減小，同一刀片間距下秧蔓粉碎合格率隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而增大；圖9c為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r·min–1）時，離地間隙與刀片間距對秧蔓粉碎合格率交互作用的響應面圖，從圖9c可以看出，在同一刀片間距下秧蔓粉碎合格率隨著離地間隙的減小而增大，在同一離地間隙下秧蔓粉碎合格率隨著刀片間距先增大后減小。

此外從各因素對粉碎合格率影響的響應圖中（圖9a～9c）可以得知，響應面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（13）一致，總體影響趨勢為刀輥轉(zhuǎn)速越高、離地間隙越小、刀片間距適中，則秧蔓粉碎合格率越高。其主要原因為：當?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大，甩刀線速度增大、單位時間內(nèi)秧蔓被打擊的次數(shù)增多，秧蔓粉碎合格率增大；當離地間隙減小時，秧蔓被打擊面積增大，粉碎合格率增大；刀片間距應適中，太小容易造成刀輥壅堵，太大秧蔓粉碎長度太長。

2）交互因素對留茬高度的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對留薦渡影響的響應面曲線圖見圖9d～9f。圖9d為刀片間距位于中心水平（40 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對留茬高度交互作用的響應面圖，從圖9d可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙有助于降低留茬高度；圖9e為離地間隙位于中心水平（25 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對留茬高度交互作用的響應面圖，從圖9e可以看出，在同一刀輥轉(zhuǎn)速下留茬高度隨著刀片間距的增大先減小后增大，同一刀片間距下留茬高度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而減??；圖9f為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r·min–1）時，離地間隙與刀片間距對留茬高度交互作用的響應面圖，從圖9f可以看出，在同一刀片間距下留茬高度隨著離地間隙的減小而減小，在同一離地間隙下留茬高度隨著刀片間距先減小后增大。

此外從各因素對留薦渡影響的響應圖中（圖9d～9f）可以得知，響應面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（14）一致，總體影響趨勢為刀輥轉(zhuǎn)速越高、離地間隙越小、刀片間距適中，則留茬高度越小。其主要原因為：當?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大，甩刀線速度增大所切秧蔓的長度越小；當離地間隙越小，秧蔓打擊面積越大，留茬高度越?。坏镀g距應適中，太小容易造成刀輥壅堵，容易漏切，太大則留茬長度長。

3）交互因素對傷薯率的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對傷薯率影響的響應面曲線圖見圖9g～9i。圖9g為刀片間距位于中心水平（40 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對傷薯率交互作用的響應面圖，從圖9g可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙傷薯率增大；圖9h為離地間隙位于中心水平（25 mm）時，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對傷薯率交互作用的響應面圖，從圖9h可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和減小刀片間距傷薯率增大；圖9i為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r/min）時，離地間隙與刀片間距對傷薯率交互作用的響應面圖，從圖9i可以看出，減小離地間隙和刀片間距傷薯率增大。

圖9 交互因素對粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響Fig.9 Effects of interactive factors on vines breaking qualified rate, stubble height and sweet potato damage rate

此外，從各因素對傷薯率影響的響應圖中（圖9g～9i）可以得知，響應面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（15）一致，總體影響趨勢為刀輥轉(zhuǎn)速越低、離地間隙越大、刀片間距大，則傷薯率小。其主要原因為：當?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大、離地間隙小和刀片間距減小時，甩刀線速度增大切土可能性增大，傷薯率增大。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使甘薯碎蔓機的作業(yè)性能達到最佳，因此必須要求秧蔓粉碎合格率高、留茬高度小、傷薯率低，根據(jù)交互因素對秧蔓粉碎合格率、留茬高度、傷薯率影響效應分析可知：要獲得較高的秧蔓粉碎合格率，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速大、離地間隙小、刀片間距適中；要獲得留茬高度小，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速大、離地間隙小、刀片間距適中；要想獲得較低的傷薯率，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速小、離地間隙大、刀片間距大。為了尋求最佳參數(shù)組合，考慮各因素對響應值的影響不盡相同，因此，必須進行多目標優(yōu)化。

本研究針對甘薯碎蔓還田機工作參數(shù)優(yōu)化，要求滿足秧蔓粉碎合格率高、留茬高度小、傷薯率低的作業(yè)要求。根據(jù)甘薯碎蔓還田機的實際工作條件、作業(yè)性能要求和上述相關(guān)模型分析結(jié)果[30]，選擇優(yōu)化約束條件為：

為了得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)，采用Design-Expert軟件對各參數(shù)進行優(yōu)化求解。當?shù)遁佫D(zhuǎn)速為1 956.46 r/min、離地間隙為25.70 mm、刀片間距為42.74 mm時，此時秧蔓粉碎合格率為93.85%、留茬高度為45.44 mm、傷薯率為0.24%。

4.2 試驗驗證

為了驗證模型預測的準確性，采用上述參數(shù)在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所白馬試驗基地甘薯地進行3次重復試驗?？紤]機械結(jié)構(gòu)的合理性和測量的便利性，對理論值進行圓整，將刀輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm，在此優(yōu)化方案下進行試驗，結(jié)果見表7。

表7 優(yōu)化條件下各評價指標實測值Table 7 Measured value of evaluation indicesat optimal condition

通過分析表7結(jié)果可知，各響應值試驗值與理論優(yōu)化值均比較吻合，試驗值與理論優(yōu)化值相對誤差均小于5%，因此，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。在碎蔓作業(yè)時，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm，此時秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為47.08 mm、傷薯率為0.23%，機具田間作業(yè)效果如圖10所示。

圖10 作業(yè)前后秧蔓粉碎效果對比Fig.10 Comparison of vines crushing effect before and after operation

5 討 論

1）該試驗對甘薯碎蔓還田機的工作參數(shù)開展多因素分析，研究各因素對粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響。由于本試驗僅考慮了刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙和刀片間距等參數(shù)，對土壤含水率、機器前進速度、刀片結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)未開展全面試驗，因此后續(xù)研究中綜合考慮以上因素；

2）步行式甘薯碎蔓還田機雖然作業(yè)效果較好，作業(yè)后粉碎合格率、留茬高度、傷薯率等指標較為理想，但是作業(yè)效率和作業(yè)幅寬等指標較低，后續(xù)機具研發(fā)中建議提升作業(yè)效率。

6 結(jié) 論

1）采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙和刀片間距對秧蔓粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響趨勢并建立優(yōu)化模型，通過試驗驗證了模型和優(yōu)化結(jié)果的準確性，實測值與優(yōu)化值相對誤差均小于5%，表明模型可靠性較高。

2）各因素對粉碎合格率影響顯著順序為刀輥轉(zhuǎn)速＞離地間隙＞刀片間距；各因素對留茬高度影響顯著順序為離地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；各因素對傷薯率影響顯著順序為離地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距。

3）步行式甘薯碎蔓還田機最優(yōu)工作參數(shù)組合刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm時，此時秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為47.08 mm、傷薯率為0.23%。

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Design and test of walking sweet potato (Ipomoea batatas) vines crushing and returning machine

Wu Teng, Hu Lianglong※, Wang Gongpu, Hu Zhichao, Yan Wei, Wang Bing
(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Sweet potato is an important food crop and can also be used as raw material for foodstuffs, animal feed and raw materials for renewable energy. Furthermore, research shows that it has anti-cancer effects. As sweet potato vines are long and difficult to be separated. The vines cleaned up before sweet potatoes harvest has a great role in promoting to improve the quality of sweet potato and the sweet potato harvest efficiency. In order to alleviate the shortage of sweet potato vines crushing machine in the hilly areas of China, the walking sweet potato vines crushing machine was designed in this paper. Based on the analysis of the whole structure, we expatiated on the working principle of the sweet potato crushing machine, and analyzed the structure of key components such as crushed parts, anti-wear technology, ground lifting mechanism and transmission mechanism. Before the machine started to work, the ground clearance needed to be adjusted based on the width and height of the ridge. The high ground clearance leaded to the long stubble height and poor operating effect, but the low ground clearance leaded to damage the sweet potato and increase power consumption. Sweet potato vines breaking qualified rate, stubble height and damaging rate were the main indicators of evaluating sweet potato vines crushing machine. The Box-Benhnken central composite experimental design principle was used on the basis of single factor experiment to study the working parameters of walking sweet potato vines crushing machine. The cutter roller speed, the ground clearance and the distance between blades were taken as three factors which influenced the working quality, and a three-factor and three-level response surface experiment was conducted. The mathematical model of the response surface was established, and the influence of each factor on the machine quality of the operation was analyzed and optimized. The result showed that when the roller rotation speed was high, the ground clearance was small and there was a moderate distance between blades. As such, the overall impact trend of the vines breaking quality rate was high and the stubble heights was low. When the roller rotation speed was small, the ground clearance was high and there was a moderate distance between blades, and the overall impact trend of the rate of the damage was small. The experiment results also showed that the order of the factors affecting of the vines breaking quality rate was: roller rotation speed >ground clearance >distance between blades The order of the main factors affecting of the stubble heights was: ground clearance >roller rotation speed >distance between blades The order of the main factors affecting of the rate of the damage was: ground clearance >roller rotation speed >distance between blades. In 2016, a three-time repeated test for verifying the exactness of the model was conducted on the Nanjing Research Institute for Agricultural Me chanization Ministry of Agriculture of Baima testing site. The field test showed that the optimum parameters were: 1950 r/minfor the rotation speed, 25 mm for the ground clearance and 40 mm for the distance between blades, 94.88% for the rate of vines breaking qualified rate, 47.08 mm for the stubble heights, and 0.23% for the rate of damage. By comparing the mathematical model and the experimental result, the error was less than 5%, which meant that the model established was reliable and could be used for optimization. The results can provide a reference for the structural design and optimization of the operating parameters of the walking sweet potato vines crushing machine.

agricultural machinery; optimization; design; sweet potato vines crushing machine; response surface methodology

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1002-6819(2017)-16-0008-10

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.002 http://www.tcsae.org

Wu Teng, Hu Lianglong, Wang Gongpu, Hu Zhichao, Yan Wei, Wang Bing. Design and test of walking sweet potato (Ipomoea batatas) vines crushing and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 8-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.002 http://www.tcsae.org

2017-04-13

2017-07-22

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CSRS-11-B-16）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0701604）

吳 騰，男（漢），安徽桐城人，主要從事農(nóng)機化裝備研發(fā)。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，210014。Email：308773661@qq.com

※通信作者：胡良龍，男（漢），安徽貴池人，研究員，主要從事土下果實生產(chǎn)機械化技術(shù)與裝備研究。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，210014。Email：hurxbb@163.com