水稻收獲打捆一體機打捆試驗研究

劉春香，段寶成，衣淑娟，張澤璞，劉財勇

(1.黑龍江工程學院，哈爾濱 150008；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國四大商品糧之一[1]，種植面積大、產(chǎn)量高，也是我國居民的主要食用商品糧。水稻稻稈結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)軟、密度小、運輸不方便[2]。由于我國在打捆方面發(fā)展較晚，配套機械還存在不足，打捆機械設(shè)計多參照國外機械且理論不健全[3-6]。雖然國外機械較為健全，工作性能穩(wěn)定，但是其高昂的價格當前還不能被農(nóng)戶所接受[7-9]。由于常規(guī)的打捆需在水稻收獲后二次進地撿拾作業(yè)，造成了壓地破壞土壤[10]及水稻秸稈的露天焚燒，污染環(huán)境，浪費能源[11-12]。為了從根本上解決水稻秸稈回收的難題，研制出了水稻收獲打捆一體機，同時進行籽粒收獲與秸稈打捆作業(yè)，解決了秸稈回收的難題。

為了研究一體機打捆裝置工作的性能，對打捆裝置進行試驗研究，探究各因素對打捆性能指標的影響關(guān)系。采用打捆裝置試驗臺進行試驗，應用采集系統(tǒng)對試驗結(jié)果進行收集，為水稻收獲打捆一體機的動力選擇及工作參數(shù)選擇奠定基礎(chǔ)。

1 打捆試驗臺組成及工作原理

水稻收獲打捆一體機打捆裝置試驗臺由打捆裝置、動力裝置、輸送裝置、檢測系統(tǒng)與控制裝置等組成，如圖1所示。打捆裝置動力采用45kW電動機為動力源，帶動打捆裝置進行壓捆工作。其主要工作流程為：電動機通過控制裝置進行轉(zhuǎn)動，帶動輸送裝置與打捆裝置工作；輸送裝置將秸稈輸送到打捆室內(nèi)，壓縮活塞往復運動壓縮，將秸稈壓縮成高密度的草捆；壓縮后的草捆在活塞推動下不斷地移動，壓縮后草捆帶動棘輪轉(zhuǎn)動控制打結(jié)器進行打結(jié)，后草捆滑出打捆室完成打捆工作。

1.打捆裝置 2.輸送裝置 3.動力裝置圖1 打捆試驗臺Fig.1 The baling test rig

2 試驗研究

為了探究一體機打捆裝置的打捆工作性能，在打捆試驗臺上進行試驗，并依據(jù)方草捆打捆機 《GB/T 25423-2010》標準進行。選用收獲后的水稻秸稈進行試驗。試驗儀器包括含水率測定儀、自用手推車、電子尺及防護用具等。

2.1 試驗設(shè)計

打捆試驗因素為草捆長度、喂入量及飛輪轉(zhuǎn)速，因素水平編碼表如表1所示[13]。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Experimental factors and levels

2.2 試驗方案與結(jié)果

試驗方案選擇三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法[14-15]，選取草捆密度、功耗、壓縮力為試驗指標，進行23組試驗、每組重復5次。試驗結(jié)果取平均值。試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案與結(jié)果Table 2 Test scheme and results

續(xù)表2

應用Design-Expert8.0軟件對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，草捆密度方差分析結(jié)果如表3所示，功率消耗方差分析結(jié)果如表4所示，壓縮力方差分析結(jié)果如表5所示。

表3 草捆密度方差分析Table 3 Variance analysis of density bales

由表3中的分析結(jié)果可知：F1F0.01(5，8)顯著，方程有意義。獲得自變量對草捆密度y1回歸方程為

y1=-659.71+0.89X1+102X2+10.97X3-

0.00061X12-24.42X22-0.075X32

表4 功耗方差分析Table 4 Variance analysis of power consumption

由表4中的分析結(jié)果可知：F1F0.01(5，8)顯著，方程有意義。獲得自變量對功耗y2回歸方程為

y2=272.56-0.139X1-29.36X2-4.916X3+

0.00011X12+2.722X22+0.02962X32+0.2704X2X3

表5 壓縮力方差分析Table 5 Variance analysis of press

續(xù)表5

由表5中的分析結(jié)果可知：F1F0.01(5，8)顯著，方程有意義。獲得自變量對功耗y3回歸方程為

其中，X1為草捆長度(mm)；X2為喂入量(kg/s)；X3為飛輪轉(zhuǎn)速(r/min)。

應用貢獻率法判斷各因素對目標草捆密度y1、功耗y2、壓縮力y3的影響，對二次回歸方程方程可求得回歸系數(shù)的方差比，應用方差比結(jié)果可求得回歸方程各因素對評價指標的貢獻率值的大小[16-17]。

求得草捆密度回歸方程各因素的貢獻率為Δ1=2.372，Δ2=2.198，Δ3=2.291。貢獻率Δ的值大小關(guān)系為：Δ1>Δ3>Δ2；各因素對草捆密度指標影響關(guān)系為草捆長度>飛輪轉(zhuǎn)速>喂入量。

求得功耗回歸方程各個因素的貢獻率為Δ1=2.264，Δ2=2.404，Δ3=2.639；貢獻率Δ值大小關(guān)系為Δ3>Δ2>Δ1；各因素對功耗指標影響關(guān)系為飛輪轉(zhuǎn)速>喂入量>草捆長度。

求得壓縮力回歸方程各個因素的貢獻率為Δ1=2.595，Δ2=2.298，Δ3=2.115。貢獻率Δ值大小關(guān)系為Δ1>Δ2>Δ3，各因素對壓縮力指標影響關(guān)系為草捆長度>喂入量>飛輪轉(zhuǎn)速。

3 響應曲面分析

應用Design-Expert軟件對回歸方程進行分析后，固定一個因素為0水平，考察其中兩個因素對草捆密度的影響，分別獲得雙因素對性能指標的響應曲面圖[18-20]，考察其它兩個因素對指標的交互作用影響。

3.1 草捆密度響應曲面分析

在草捆長度與喂入量兩個因素對草捆密度y1的交互作用影響時，將飛輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為75r/min。獲得草捆長度與喂入量響應曲面圖，如圖2所示。

在草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速兩個因素對草捆密度的交互作用影響時，將喂入量設(shè)置為2kg/s，獲得草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速響應曲面圖，如圖3所示。

圖2 草捆長度與喂入量對草捆密度響應曲面圖Fig.2 The response surface diagram of Baling length and feeding volume to baling density

圖3 草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速對草捆密度響應曲面圖Fig.3 The response surface diagram of Baling length and flywheel speed to baling density

在喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速兩個因素對草捆密度的交互作用影響時，將草捆長度設(shè)置為700mm，獲得喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速響應曲面圖，如圖4所示。

由圖2可知：在飛輪轉(zhuǎn)速為75r/min、喂入量一定時，草捆密度隨著草捆長度增大呈現(xiàn)出先快速增長隨后緩慢降低；當草捆長度一定時，草捆密度隨著喂入量增加呈現(xiàn)出先逐步增長后快速下降的趨勢；當草捆長度為720mm、喂入量為2.1kg/s時，草捆密度有最大值，為170.76kg/m3。

由圖3可知：在喂入量為2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，草捆密度隨著草捆長度增大呈現(xiàn)先急劇增大后逐步減小趨勢；當喂入量一定時，草捆密度隨著飛輪轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)出先增大后逐步減小趨勢；當草捆長度為720mm、飛輪轉(zhuǎn)速為78r/min時草捆密度有最大值為169.4kg/m3。

圖4 喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速對草捆密度響應曲面圖Fig.4 The response surface diagram of feeding volume and flywheel speed to baling density

由圖4可知：在草捆長度為700mm、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，草捆密度隨著喂入量增大呈現(xiàn)先快速增大后變化較為緩慢趨勢；當喂入量一定時，草捆密度隨著飛輪轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)先增大后減小；當喂入量為2.2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速為78r/min時，草捆密度有最大值170.8kg/m3，二者交互影響關(guān)系較明顯。

3.2 功耗響應曲面分析

在草捆長度與喂入量兩個因素對功耗的指標交互作用影響時，將飛輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為75r/min，獲得草捆長度與喂入量響應曲面，如圖5所示。

圖5 草捆長度與喂入量對功耗響應曲面Fig.5 The influence of the length and feeding amount of the bales on the power consumption

在草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速兩個因素對功耗指標的交互作用影響時，將喂入量設(shè)置為2kg/s，獲得草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速的響應曲面，如圖6所示。

圖6 草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速對功耗響應曲面Fig.6 The influence of the length of the bales and the speed of the flywheel on the power consumption

在喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速兩個因素對功耗指標的交互作用影響時，將草捆長度設(shè)置為700mm，獲得喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速的響應曲面圖，如圖7所示。

由圖5可知：在飛輪轉(zhuǎn)速為75r/min、喂入量一定時，功耗隨著草捆長度增加呈現(xiàn)出先較為平穩(wěn)后緩慢增加；當草捆長度一定時，功耗隨著喂入量增加呈現(xiàn)先緩慢降低后較為平穩(wěn)；當草捆長度為700mm、喂入量為2.1kg/s時，功耗有最小值，為17.606kW。

由圖6可知：當喂入量為2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，功耗隨著草捆長度增加呈現(xiàn)出先較為平穩(wěn)后緩慢增大；當草捆長度一定時，功耗隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出緩慢降低后增長趨勢；當草捆長度為680mm、飛輪轉(zhuǎn)速為76r/min時，功耗有最小值為17.596kW。

由圖7可知：在草捆長度為700mm、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，功耗隨著喂入量增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，降低趨勢較為平緩；當喂入量一定時，功耗隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增加功呈現(xiàn)先緩慢降低隨后快速增大；當喂入量為2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速為76r/min時，功耗有最小值，為17.44KW。

3.3 壓縮力響應曲面分析

在草捆長與喂入量兩個因素對壓縮力指標的交互作用影響時，將飛輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為75r/min，獲得草捆長度與喂入量的響應曲面圖，如圖8所示。

圖8 草捆長度與喂入量對單位面積壓縮力響應曲面Fig.8 The influence of the length and feeding amount of the bales on the pressure

在草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速兩個因素對壓縮力指標的交互作用影響時，將喂入量設(shè)置為2kg/s，獲得草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速的響應曲面圖，如圖9所示。

在喂入量與飛輪轉(zhuǎn)兩個因素對壓縮力指標的交互作用影響時，將草捆長度設(shè)置為700mm，獲得喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速響應曲面圖，如圖10所示。

由圖8可知：當飛輪轉(zhuǎn)速為75r/min、喂入量一定時，壓縮力隨著草捆長度增大呈現(xiàn)先緩慢增大后快速降低；當草捆長度一定時，壓縮力隨著喂入量的增大呈現(xiàn)出先逐步增大后較為平緩；當草捆長度為720mm、喂入量為2.2kg/s時，壓縮力有最大值，為121.068kPa。

由圖9可知：在喂入量為2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，壓縮力隨著草捆長度的增加呈現(xiàn)出先逐步增加后變化較為平緩；當草捆長度一定時，壓縮力隨著飛輪轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)出先緩慢增加后變化平緩；當草捆長度為710mm、飛輪轉(zhuǎn)速為78r/min時，單位面積壓縮力有最大值，為121.157kPa。

圖9 草捆長度與飛輪轉(zhuǎn)速對壓縮力響應曲面Fig.9 The influence of the length of the bales and the speed of the flywheel on the pressure

圖10 喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速對壓縮力響應曲面Fig.10 The Influence of feed volume and flywheel speed on pressure

由圖10可知：在草捆長度為700mm、飛輪轉(zhuǎn)速一定時，壓縮力隨著喂入量增大呈現(xiàn)出先逐步增長后較為平緩；當喂入量一定時，壓縮力隨著飛輪轉(zhuǎn)速增加先增加而后有降低的趨勢；當喂入量為2.1kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速為78r/min時，單位面積壓縮力有最大值，為121.78kPa。

3.4 試驗方案優(yōu)化

通過對打捆裝置多因素試驗研究，獲得了兩兩因素對性能指標草捆密度、功耗、壓縮力的交互作用影響規(guī)律，為了得到打捆作業(yè)的最佳參數(shù)組合，利用Design-Expert軟件，對草捆密度、功耗、壓縮力回歸方程進行優(yōu)化分析，采用綜合目標函數(shù)法對各個回歸方程優(yōu)化求解，建立數(shù)學模型，綜合各個指標考慮試驗因素的條件及范圍，得到非線性規(guī)劃求解數(shù)學模型為

應用Design-Expert8.0軟件對二次回歸方程進行綜合目標函數(shù)求解，當草捆密度最大、功耗最小、壓縮力最大且各個因素水平在-1～+1水平之間時，得到綜合目標函數(shù)下的最佳參數(shù)方案為：草捆長度為720mm、喂入量為2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速為78r/min，獲得最佳參數(shù)下性能指標為草捆密度169.8kg/m3、功耗為17.59kW、壓縮力為121.46kPa。

3.5 試驗驗證

根據(jù)對二次回歸方程的最佳參數(shù)組合，進行驗證試驗。驗證試驗使用秸稈為同一時間收獲后的水稻秸稈，含水率為30%～40%，其它條件一定。草捆長度取720mm、喂入量圓整取2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速圓整取80r/min，試驗重復5次，試驗結(jié)果取平均值。獲得最優(yōu)參數(shù)下驗證試驗性能指標結(jié)果為：草捆密度為165.8kg/m3，功耗為18.35kW、壓縮力為118.57kPa。驗證試驗結(jié)果與軟件優(yōu)化結(jié)果相近，誤差均在5%以內(nèi)，試驗結(jié)果滿足方草捆作業(yè)質(zhì)量標準，滿足作業(yè)質(zhì)量要求與能源消耗要求。

4 結(jié)論

1) 選取草捆長度、喂入量、飛輪轉(zhuǎn)速3個因素進行多因素試驗，依據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法建立試驗因素對性能指標的回歸方程，并進行了分析說明。

2) 應用主貢獻率法獲得各因素對性能指標影響主次順序。影響草捆密度主次順序為草捆長度>飛輪轉(zhuǎn)速>喂入量，影響功耗的主次順序為飛輪轉(zhuǎn)速>喂入量>草捆長度，草捆長度>喂入量>飛輪轉(zhuǎn)速。

3) 采用綜合目標函數(shù)法，利用獲得回歸方程，應用Design-Expert軟件進行優(yōu)化求解，綜合評定后得到最優(yōu)參數(shù)為：草捆長度為720mm，喂入量為2kg/s，飛輪轉(zhuǎn)速80r/min。通過驗證試驗得到較優(yōu)工藝參數(shù)條件下草捆密度165.8kg/m3，功耗18.35kW、壓縮力118.57kPa。