齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

張佳喜，汪珽玨，陳明江，趙維松，王振偉，劉凱凱，葉爾波拉提·鐵木爾，王毅超，劉 雄，劉阿朋

齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

張佳喜1，汪珽玨1，陳明江2，趙維松2，王振偉2，劉凱凱3，葉爾波拉提·鐵木爾1，王毅超1，劉 雄1，劉阿朋1

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)機(jī)化研究所，南京 210014；3. 濱州市農(nóng)機(jī)化科學(xué)研究所，濱州 256601）

為提高棉花秸稈機(jī)械化回收水平，研究不同參數(shù)對(duì)棉稈機(jī)械化回收的影響，解決棉稈收獲機(jī)漏拔、拔斷率高等突出問(wèn)題，該文研究設(shè)計(jì)了一種齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)。齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)由懸掛裝置、限深輪、拔稈裝置、排稈裝置、液壓系統(tǒng)組成。該機(jī)關(guān)鍵部件為齒盤(pán)式拔稈裝置，作業(yè)時(shí)通過(guò)齒盤(pán)將棉稈起出，隨后通過(guò)排稈裝置將棉稈排至地表。棉稈的漏拔率、拔斷率是評(píng)價(jià)齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)作業(yè)性能的主要指標(biāo)，通過(guò)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)方法對(duì)齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，以齒盤(pán)的直徑、齒盤(pán)速比、起拔高度為影響因素，建立響應(yīng)面三維模型。分析得出各因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，同時(shí)對(duì)影響因素進(jìn)行綜合優(yōu)化。結(jié)果表明：起拔高度、齒盤(pán)速比對(duì)棉稈拔斷率影響顯著（＜0.01），起拔高度、齒盤(pán)直徑及齒盤(pán)速比對(duì)棉稈漏拔率影響顯著（＜0.01），優(yōu)化后的最優(yōu)工作參數(shù)組合為起拔高度66.2 mm、齒盤(pán)直徑627.59 mm、齒盤(pán)速比0.57。大田試驗(yàn)結(jié)果表明，在工作參數(shù)為起拔高度70 mm、齒盤(pán)直徑630 mm、齒盤(pán)速比0.57作業(yè)條件下，棉稈拔斷率達(dá)到1.5%，棉稈漏拔率3.0%，與理論推導(dǎo)值對(duì)比誤差均小于4%。研究結(jié)果可為齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)完善設(shè)計(jì)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；棉花拔稈；齒盤(pán)式；響應(yīng)面

0 引 言

棉花的種植在中國(guó)已有2 800 a的歷史，人工種植的區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江流域、黃河流域，以及西北內(nèi)陸地區(qū)[1]。棉花產(chǎn)業(yè)有很多副產(chǎn)品，棉稈是棉花的主要副產(chǎn)品。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2017年棉花產(chǎn)量的公告顯示，中國(guó)2017年棉花播種面積322.96 萬(wàn)hm2，按照單產(chǎn)秸稈300 kg/667 m2計(jì)算，全國(guó)每年棉稈產(chǎn)量約為1 453萬(wàn)t[2]。這些資源如果實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3-7]。

根據(jù)已知文獻(xiàn)記載，國(guó)內(nèi)最早的棉柴收獲機(jī)為中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所設(shè)計(jì)研制的，兩行懸掛式“MCS-1.2”棉柴收獲機(jī)[8]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)的棉花秸稈收獲機(jī)械從類(lèi)型上可分為切割式、根切式、提拔式等[9]。新疆研究的棉稈收獲機(jī)側(cè)重于除膜功能，如新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所研制的4MC-4型棉柴收獲機(jī)[10]；新疆昌吉州農(nóng)牧機(jī)械化推廣站研制生產(chǎn)的4MBXQ-1.5型棉花拔稈清膜旋耕機(jī)[11]。內(nèi)地研究的棉稈收獲機(jī)側(cè)重于撿拾收集功能，如德州華北農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備公司生產(chǎn)的4MG-120棉稈撿拾收獲機(jī)，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所生產(chǎn)的的4MG-160棉花秸稈聯(lián)合收獲機(jī)[12]。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所研制的4MG-275自走式棉稈聯(lián)合收獲機(jī)等[13-15]。國(guó)外棉稈的收獲機(jī)械從類(lèi)型上可分為鏟切式、刨挖式、拔取式等[16]。鏟切式機(jī)型主要包括澳大利亞的KV-3.6A型和KV-4A型2種機(jī)型；刨挖式棉稈收獲機(jī)代表機(jī)型有美國(guó)的Dave Koening和Orthman 2種；拔取式棉稈收獲機(jī)主要機(jī)型為澳大利亞的Muti棉稈收獲機(jī)和美國(guó)的ADAMAS拔取式棉稈收獲機(jī)[17]。

棉稈的物理力學(xué)參數(shù)的不同，對(duì)起拔部件有很大的影響[18]，由于各種起拔因素對(duì)起拔力的影響，棉稈的整株拔取困難，拔稈問(wèn)題一直沒(méi)有很好的解決[19]。

根據(jù)棉稈收獲機(jī)的技術(shù)要求，本文提出將齒盤(pán)夾持起拔的原理應(yīng)用于棉稈起拔工作，設(shè)計(jì)齒盤(pán)式拔稈裝置，旨在解決棉稈的整株拔取問(wèn)題，并以棉稈的拔斷率，漏拔率為主控目標(biāo)，對(duì)機(jī)具的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，建立響應(yīng)面模型，分析各參數(shù)對(duì)機(jī)具工作性能的影響，找出最優(yōu)工作參數(shù)，為棉稈收獲機(jī)的研制提供參考[20]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)由懸掛裝置、液壓控制系統(tǒng)、拔稈齒盤(pán)、排稈裝置、限深輪等主要部件組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.懸掛裝置 2.限深輪 3.拔稈齒盤(pán) 4.排稈裝置 5.液壓馬達(dá) 6.液壓管道 7.液壓控制箱

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

如圖1所示，齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)工作時(shí)，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸為液壓提供動(dòng)力。拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)通過(guò)懸掛裝置帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)，液壓系統(tǒng)改變拖拉機(jī)與齒盤(pán)的傳動(dòng)比調(diào)節(jié)齒盤(pán)轉(zhuǎn)速。棉稈須對(duì)行進(jìn)入到齒盤(pán)收獲區(qū)，受到齒盤(pán)和拖拉機(jī)向前的拉力作用下被拔出地表。受到排稈裝置的作用，棉稈從齒盤(pán)中推出落入地表[21]。機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 排稈裝置

如圖2所示扇形區(qū)域的弧線為排稈裝置的行程，棉稈在光滑排稈裝置弧線段被推出齒盤(pán)。取弧所在的半徑1為190 mm，跨度5個(gè)齒。退稈機(jī)構(gòu)可以防止棉稈不能及時(shí)退稈，而造成機(jī)具擁堵；同時(shí)也可使棉稈有序的排放在機(jī)具一側(cè)。

注：EF段為排稈裝置的行程；R1為弧EF段的半徑，mm；G為弧EF段的圓心。

2.2 拔棉稈裝置

設(shè)計(jì)的拔棉桿裝置作為一種提拔機(jī)構(gòu)，它的主要功能是夾持棉稈莖部將棉稈從根部整株拔取。如圖1所示，齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)主要工作部件有齒盤(pán)、排稈裝置、懸掛裝置等部件組成。在機(jī)架的下端設(shè)置拔稈齒盤(pán)，所示拔稈齒盤(pán)內(nèi)側(cè)后部的機(jī)架上，固定設(shè)置流線型排稈裝置。作業(yè)時(shí)，棉稈進(jìn)入齒盤(pán)，在齒盤(pán)的V型齒槽夾持作用下棉稈被拔出地表，拔出的棉稈通過(guò)排稈裝置的作用排到地表。

2.2.1 工作過(guò)程分析

棉稈收獲機(jī)動(dòng)主要分為4個(gè)運(yùn)動(dòng)階段包括：夾持階段、起拔階段、輸送階段、退稈階段如圖3所示。

注：A、B、C、D分別為棉稈收獲機(jī)夾持階段、起拔階段、輸送階段、退稈階段齒盤(pán)與棉稈的初始接觸點(diǎn)。F1為機(jī)具直線運(yùn)動(dòng)對(duì)棉稈產(chǎn)生的向前的推力，N；F2為齒盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)棉稈產(chǎn)生的推力，N；F3為齒槽對(duì)棉稈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，N；FA為齒盤(pán)對(duì)棉稈的拉拔力，N；F3’為齒槽對(duì)棉稈的靜摩擦力，N；G為棉稈自身的重力，N；F4為排稈裝置對(duì)棉稈產(chǎn)生的推力，N。

夾持階段：機(jī)具前進(jìn)時(shí)，棉稈在點(diǎn)進(jìn)入齒槽，此時(shí)主要受到機(jī)具向前的推力1，在點(diǎn)棉稈被夾緊開(kāi)始進(jìn)入起拔階段。

起拔階段：點(diǎn)到點(diǎn)的過(guò)程為起拔階段，齒槽夾持點(diǎn)的牽連運(yùn)動(dòng)是由機(jī)具的直線運(yùn)動(dòng)與齒盤(pán)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)合成，相對(duì)運(yùn)動(dòng)是沿著棉稈滑移的曲線運(yùn)動(dòng)。機(jī)具的直線運(yùn)動(dòng)對(duì)棉稈產(chǎn)生了向前的推力1，齒盤(pán)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)棉稈產(chǎn)生了與速度方向相同的推力2，齒槽對(duì)棉稈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦力3。1、2、3的合力F為齒盤(pán)對(duì)棉稈的拉拔力。為土壤對(duì)棉稈的粘結(jié)力，粘結(jié)力過(guò)大起拔時(shí)間增加，起拔階段時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)F<時(shí)，棉稈不能被拔出；開(kāi)始起拔階段棉稈受到夾持力作用被拔出土壤，此時(shí)F>，F->0棉稈由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)棉稈的速度和齒盤(pán)相同時(shí)，此時(shí)F=。2為齒盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)齒盤(pán)對(duì)棉稈產(chǎn)生的推力，2的速度方向?yàn)殡S著棉稈的位置改變發(fā)生變化，F呈動(dòng)態(tài)變化。

輸送階段：點(diǎn)到點(diǎn)過(guò)程為輸送階段，棉稈已經(jīng)起拔完成，沒(méi)有土壤的約束，棉稈不會(huì)與齒盤(pán)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力3變小變成靜摩擦力3′，棉稈受到1、2和3′的作用。棉稈所受合力F變小，棉稈在慣性作用下脫離齒盤(pán)。

退稈階段：棉稈在輸送階段未通過(guò)慣性作用脫離齒盤(pán)，在點(diǎn)開(kāi)始受到齒盤(pán)推力2以及排稈裝置的推力4的作用下完成退稈作業(yè)。

由主要運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知棉稈的起拔過(guò)程主要集中在點(diǎn)到點(diǎn)之間，對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)的過(guò)程進(jìn)行分析。棉稈收獲機(jī)工作時(shí)，一方面以一定速度向前運(yùn)動(dòng)，另一方面齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)具有角速度。此時(shí)以點(diǎn)齒盤(pán)圓心所在點(diǎn)為原點(diǎn)，機(jī)具運(yùn)動(dòng)所在的直線為軸，向上為正方向，垂直位置為軸，向右為正方向，建立直角坐標(biāo)系，如圖4所示，棉稈收獲機(jī)進(jìn)行拔稈作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中為齒盤(pán)夾持點(diǎn)沿軸方向的位移，m；為齒盤(pán)夾持點(diǎn)沿軸方向的位移，m；為齒盤(pán)半徑，mm；為齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；V為機(jī)具前進(jìn)的速度，m/s；V為機(jī)具沿著軸的絕對(duì)速度，m/s；V為機(jī)具沿著軸的絕對(duì)速度，m/s；V為齒盤(pán)夾持點(diǎn)圓周的線速度，m/s；齒盤(pán)速比[22]。

,的坐標(biāo)如圖4所示，其中點(diǎn)和點(diǎn)都與齒盤(pán)接觸故設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)為（sin，VT0+cos），為齒盤(pán)在點(diǎn)時(shí)與軸之間的夾角，點(diǎn)的坐標(biāo)為（sin，VT1+cos），為齒盤(pán)在點(diǎn)時(shí)與軸之間的夾角，其中0為棉稈開(kāi)始起拔的時(shí)間，s；1為棉稈完成起拔時(shí)間，s。圖5中點(diǎn)為秸稈與地表的接觸點(diǎn)；為秸稈起拔點(diǎn)與地表的高度，mm；為起拔角度，(°)。為棉稈開(kāi)始夾持時(shí)夾持位置到棉稈與地表接觸點(diǎn)的長(zhǎng)度

為棉稈起拔點(diǎn)與拔出點(diǎn)的平面位移，長(zhǎng)度為

注：R為齒盤(pán)的半徑，mm；Vn為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；ω為齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad·s-1；α為齒盤(pán)在B點(diǎn)時(shí)與Y軸之間的夾角，(°)；β為齒盤(pán)在C點(diǎn)時(shí)與Y軸之間的夾角，(°)。

注：H為齒盤(pán)起拔高度，mm；g為棉稈起拔角度，(°)。O點(diǎn)為棉稈與地表的接觸點(diǎn)。

為棉稈拔出地表時(shí)的秸稈的長(zhǎng)度，由余弦定理可知

此處棉稈的起拔位移為?

由工作過(guò)程分析可知：1）齒盤(pán)的半徑?jīng)Q定機(jī)器的工作寬幅，以及拔稈過(guò)程的長(zhǎng)短。2）齒形夾角決定著夾持過(guò)程中夾持力的大小，過(guò)大容易漏拔，過(guò)小容易將棉稈拔斷。3）起拔高度的選取要合適。起拔高度偏高容易出現(xiàn)漏拔現(xiàn)象，起拔高度如果過(guò)低容易出現(xiàn)拔斷現(xiàn)象。4）齒盤(pán)的傳動(dòng)比l選擇要合適，l偏小棉花秸稈齒盤(pán)前堆積越長(zhǎng)影響棉稈收獲機(jī)工作性能，l偏大時(shí)齒盤(pán)夾持長(zhǎng)度偏短，不易拔凈。

2.2.2 齒形夾角

齒形設(shè)計(jì)為三角形齒形，因?yàn)槿切锡X形對(duì)棉稈直徑粗細(xì)適應(yīng)性強(qiáng)，拔稈效果好。如果設(shè)計(jì)為弧形齒形，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)會(huì)造成棉稈進(jìn)稈不暢。齒形夾角過(guò)大不利于棉稈的拔出，容易漏拔，夾角過(guò)小容易將棉柴拔斷[22]。棉稈根部的直徑通常在12～15 mm之間，根據(jù)圖6，確定齒形夾角的幾何關(guān)系。齒槽應(yīng)該滿足如下幾何關(guān)系

式中l為齒寬，mm；l為齒深，mm；max為棉稈最大直徑，mm。此處max取25 mm。為齒形夾角，(°)。根據(jù)式（13）～（15）綜合考慮棉稈的摩擦角以及齒的幾何尺寸，取齒形夾角為35°，計(jì)算得出l的長(zhǎng)度約為35 mm。

注：δ為齒形夾角，(°)。

2.2.3 齒盤(pán)的材料與厚度

齒盤(pán)的材料用65Mn，為了防止齒盤(pán)在工作過(guò)程中發(fā)生變形，保持較高的安全系數(shù)，確定刀片的厚度為5 mm[23]，齒盤(pán)太薄強(qiáng)度不夠，太厚則會(huì)增加能耗和成本，同時(shí)對(duì)拔稈效果影響不大。對(duì)齒盤(pán)進(jìn)行淬火處理，確保其具有足夠的硬度和耐磨性[24]。

2.2.4 起拔高度

因棉稈的重力遠(yuǎn)小于棉稈的起拔力，所以拔稈過(guò)程實(shí)質(zhì)為齒盤(pán)對(duì)棉稈的拉拔力F克服土壤對(duì)棉稈根部對(duì)棉稈做功的過(guò)程。根據(jù)過(guò)程分析中可知：夾持階段決定棉稈起拔過(guò)程中起拔力的大小，起拔階段的時(shí)間決定棉稈起拔的效果，起拔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)棉稈不能被拔出便被排稈裝置排出齒盤(pán)，起拔時(shí)間過(guò)短棉稈的速度不能達(dá)到齒盤(pán)的速度，達(dá)不到起拔效果。故棉稈能被拔出的必要條件為：齒盤(pán)對(duì)棉稈所做功的大小不小于土壤對(duì)棉稈阻力在主根系上向上產(chǎn)生的位移，該距離大于等于主根系距離地表的深度。即

式中為棉稈起拔所需要的功，J；D為棉稈起拔完成后，主根系向上產(chǎn)生的位移，mm；0為棉稈開(kāi)始起拔的時(shí)間，s；1為棉稈完成起拔時(shí)間，s。

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)用地棉稈的測(cè)量可知棉稈的根茬長(zhǎng)度約為100～300 mm，半徑約為8～20 mm，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[25]，最佳起拔角度取30°～45°，代入式（9）～（12）得出機(jī)具的起拔高度≤120 mm。

3 大田試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地情況

本次試驗(yàn)點(diǎn)在黃河三角洲（濱州）國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，土壤屬鹽堿地；氣候夏熱多雨，冬寒季長(zhǎng)，春季多風(fēng)干燥[26]；數(shù)據(jù)采集區(qū)采用一膜雙行的膜下直播種植模式，棉花品種中棉所60（CCRI60），棉稈種植行距760 mm、株距200 mm，株高900～1 200 mm。試驗(yàn)時(shí)間為2018年11月14－16日，土壤拉拔阻力300～700 N，平均500 N，土壤硬度5～8 kg/cm2，棉稈含水率58%～60%，根部直徑約為13 mm。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)、轉(zhuǎn)速儀、電子天平、皮尺、卷尺、活動(dòng)扳手等。機(jī)具田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 棉稈收獲機(jī)性能田間測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3.3 試驗(yàn)參數(shù)與方法

試驗(yàn)分別測(cè)定齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)不同工作參數(shù)下棉稈漏拔率1、棉稈拔斷率2作為齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.3.1 漏拔率

測(cè)量單位面積試驗(yàn)地內(nèi)棉稈漏拔的數(shù)量1。計(jì)算棉稈漏拔率公式為

式中1為棉稈漏拔率，%；1為單位面積內(nèi)漏拔棉稈的數(shù)量；為單位面積內(nèi)棉稈的總數(shù)量。

3.3.2 拔斷率

測(cè)量單位面積試驗(yàn)田內(nèi)棉稈拔斷的數(shù)量2。計(jì)算拔斷率公式為

式中2為棉稈拔斷率，%；2為單位面積內(nèi)拔斷棉稈數(shù)量。

影響齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響因素很多，如田間狀況、機(jī)具前進(jìn)速度、齒盤(pán)直徑、齒盤(pán)轉(zhuǎn)速、齒盤(pán)速比等。在前期的研究基礎(chǔ)上確定齒盤(pán)速比、齒盤(pán)直徑、起拔高度對(duì)機(jī)具工作效果影響較大。試驗(yàn)中，若齒盤(pán)直徑過(guò)小，棉稈收獲機(jī)的對(duì)行難度增加，棉稈的起拔距離減小，漏拔率增加；齒盤(pán)的直徑過(guò)大，大大增加機(jī)器的能耗。起拔高度過(guò)低，因?yàn)榈乇聿黄秸瑱C(jī)具行進(jìn)阻力大，機(jī)器壅土嚴(yán)重；齒盤(pán)的高度過(guò)高，不易卡住棉稈，容易產(chǎn)生漏拔。齒盤(pán)速比過(guò)高，齒盤(pán)轉(zhuǎn)速變大，易將棉稈拔斷；齒盤(pán)速比過(guò)低，齒盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)低，易漏拔。綜合考慮機(jī)具工作的穩(wěn)定性、能耗及工作效率，參考前人的試驗(yàn)研究取齒盤(pán)的直徑500～700 mm；起拔高度40～120 mm；齒盤(pán)速比0.4～0.8[27-30]。根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)理論，將漏拔率1和拔斷率2作為響應(yīng)值，選定起拔高度1、齒盤(pán)直徑2、齒盤(pán)速比3為影響因子開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。對(duì)影響響應(yīng)值采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，對(duì)起拔高度1、齒盤(pán)直徑2、齒盤(pán)速比3展開(kāi)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)，包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中5個(gè)為零點(diǎn)估計(jì)誤差，另12個(gè)為分析因子，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值

3.4.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合，并對(duì)其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4方差分析結(jié)果可知，方程評(píng)價(jià)指標(biāo)棉稈拔斷率1、棉稈漏拔率2的值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著，其絕對(duì)系數(shù)2值分別為0.90、0.97，表明這2個(gè)模型可以擬合91%以上的試驗(yàn)結(jié)果。因此，該模型可以優(yōu)化齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的工作參數(shù)。

試驗(yàn)因素對(duì)棉稈拔斷率的影響顯著順序?yàn)椋糊X盤(pán)速比>起拔高度>齒盤(pán)直徑；試驗(yàn)因素對(duì)漏拔率的影響順序?yàn)椋浩鸢胃叨?齒盤(pán)速比>齒盤(pán)直徑。

表4 回歸方程方差分析

3.4.3 交互因素對(duì)機(jī)具性能影響分析

通過(guò)Design-Expert軟件生成響應(yīng)面曲線圖，根據(jù)響應(yīng)面分析起拔高度、齒盤(pán)直徑、齒盤(pán)速比的交互因素對(duì)響應(yīng)值1、2的影響。

圖8a為起拔高度位于中心水平（80 mm）時(shí)，齒盤(pán)直徑2與齒盤(pán)速比3對(duì)棉稈拔斷率交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖8a可知：當(dāng)齒盤(pán)速比逐漸增加時(shí)候，棉稈的拔斷率先減后增，變動(dòng)幅度逐漸增大；而齒盤(pán)直徑增加時(shí)，棉稈的拔斷率逐漸降低，且變動(dòng)幅度較為平緩，響應(yīng)面曲線沿齒盤(pán)速比變化比沿著齒盤(pán)直徑方向變化更快，在零水平下齒盤(pán)速比對(duì)棉稈拔斷率的影響比齒盤(pán)直徑的影響更為顯著。

從圖8b為齒盤(pán)速比位于中心水平（0.6）時(shí)，起拔高度1與齒盤(pán)直徑2對(duì)棉稈漏拔率交互作用的響應(yīng)面曲線。從圖8b可知：隨著起拔高度增加，棉稈的漏拔率隨著起拔高度的增加而逐漸增加，隨齒盤(pán)直徑的增加先減后增。響應(yīng)面曲線沿起拔高度變化比沿齒盤(pán)直徑方向變化更快，在零水平下起拔高度比齒盤(pán)直徑的影響更為顯著。

圖8 交互因素對(duì)棉稈拔斷率、棉稈漏拔率的影響

3.5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了使齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的作業(yè)性能達(dá)到最佳，需要對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)中的影響因子進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的田間工作條件、性能要求和上述相關(guān)模型分析結(jié)果，利用Design-Expert中的optimization優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果3個(gè)因素水平分別為：起拔高度為66.2 mm，齒盤(pán)直徑為627.59 mm，齒盤(pán)速比為0.57時(shí)，模型曲面綜合響應(yīng)值最小，棉稈拔斷率達(dá)到2.41%、棉稈漏拔率達(dá)到2.46%。

為了驗(yàn)證軟件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，于2018年11月19-20日黃河三角洲（濱州）國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)采用上述參數(shù)進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)。由于田間實(shí)際情況，將機(jī)具工作參數(shù)設(shè)置為起拔高度為70 mm，齒盤(pán)直徑為630 mm，齒盤(pán)速比為0.57，在此方案下展開(kāi)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化值與試驗(yàn)驗(yàn)證值

通過(guò)表5的試驗(yàn)結(jié)果可知，棉稈拔斷率大田試驗(yàn)值于理論預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于1%，基本達(dá)到預(yù)期目的，參數(shù)優(yōu)化模型合理。即在齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，采用離地高度70 mm，齒盤(pán)直徑630 mm，齒盤(pán)速比0.57的參數(shù)組合，此時(shí)棉稈的拔斷率1.5%，棉稈漏拔率為3%，試驗(yàn)值于預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于4%，機(jī)具試驗(yàn)地作業(yè)如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)地作業(yè)前后效果對(duì)比

4 結(jié) 論

1）本文針對(duì)齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)拔斷率大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)，確定齒盤(pán)的齒形夾角為35°，齒盤(pán)厚度為5 mm，齒盤(pán)的工作效果符合要求。

2）開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)研究，分析了起拔高度、齒盤(pán)直徑、齒盤(pán)速比對(duì)棉稈拔斷率、漏拔率的影響趨勢(shì)，建立了棉稈拔斷率、漏拔率對(duì)3個(gè)因素水平的二次多項(xiàng)影響模型：各試驗(yàn)因素對(duì)棉稈拔斷率影響顯著順序?yàn)辇X盤(pán)速比>起拔高度>齒盤(pán)直徑；各因素對(duì)棉稈漏拔率的影響顯著順序?yàn)槠鸢胃叨?齒盤(pán)速比>齒盤(pán)直徑。

3）利用Box-Behnken組合試驗(yàn)法優(yōu)化分析齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)工作參數(shù)最優(yōu)組合為：起拔高度66.2 mm、齒盤(pán)直徑627.59 mm、齒盤(pán)速比0.57；此時(shí)軟件分析預(yù)測(cè)棉稈拔斷率達(dá)到2.41%，棉稈漏拔率2.46%。田間試驗(yàn)在起拔高度70 mm、齒盤(pán)直徑630 mm、齒盤(pán)速比0.57因素水平下，棉稈拔斷率為1.5%，漏拔率為3%，與預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差小于4%，模型可靠，滿足齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)作業(yè)要求。

[1] 汪麗霞. 黃岡棉花生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[D]. 武漢：華中師范大學(xué)，2013.

Wang Lixia. Status and Development Strategy of Cotton Production in Huanggang[D]. Wuhan: Central China Normal University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[2] 汪珽玨，楊程，張佳喜. 基于專利分析的我國(guó)棉稈收獲技術(shù)的態(tài)勢(shì)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38(9)：19－25.

Wang Tingjue, Yang Cheng, Zhang Jiaxi. Research on the situation of cotton harvesting technology in China based on patent analysis[J]. Chinese Journal of Agricultural Mechanization, 2017, 38(9): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[3] 張晶晶. 棉花秸稈收獲打捆機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2014.

Zhang Jingjing. Digital Design of Cotton Stalk Harvesting Baler[D]. Shijiazhuang: Hebei University of Science and Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[4] 王保乾. 循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及實(shí)現(xiàn)途徑的理論研究綜述[J]. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2011，21(增刊2)：1－4.

Wang Baoqian. A review of theoretical studies on the development model and approaches of circular economy[J]. China Population, Resources and Environment, 2011, 21(Supp.2): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[5] 段海燕. 我國(guó)礦產(chǎn)資源循環(huán)利用研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

Duan Haiyan. Research on the Recycling of Mineral Resources in China[D]. Changchun: Jilin University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉之壇. 循環(huán)經(jīng)濟(jì)與企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

Liu Zhitan. Research on the Relationship Between Circular Economy and Enterprise Technology Innovation[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2008. (in Chinese with English abstract)

[7] 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)——發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀暨環(huán)境保護(hù)與振興東北老工業(yè)基地交流研討會(huì)專家建議（征求意見(jiàn)稿）[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì). 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀——中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)：中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2004：11.

[8] 張芷容. 簡(jiǎn)易棉柴收獲機(jī)的試驗(yàn)研究情況[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1965(1)：89－91.

Zhang Zhirong. Experimental research on simple cotton harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 1965(1): 89－91. (in Chinese with English abstract)

[9] 王桂盛，貢獻(xiàn)，陳勝達(dá)，等. 4MC-4型棉柴收獲機(jī)的研制[J]. 糧油加工與食品機(jī)械，1999(6)：23－25.

Wang Guisheng, Gong Xian, Chen Shengda, et al. Development of 4MC-4 type cotton harvester[J]. Grain and Oil Processing and Food Machinery, 1999(6): 23－25. (in Chinese with English abstract)

[10] 趙東波，馬占新，袁世仁，等. 一種棉花拔稈清膜旋耕機(jī)：CN1633832[P].2005-07-06.

[11] 崔相全，馬繼春，薦世春，等. 我國(guó)棉花棉稈收獲機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2011(11)：4－6.

Cui Xiangquan, Ma Jichun, Jian Shichun, et al. Current status and development trend of cotton cotton stalk harvesting machinery in China[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, 2011(11): 4－6. (in Chinese with English abstract)

[12] 張愛(ài)民，王振偉，劉凱凱，等. 棉稈聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37(5)：8－13.

Zhang Aimin, Wang Zhenwei, Liu Kaikai, et al. Design and experiment of key components of cotton stalk combine harvester[J]. Chinese Journal of Agricultural Mechanization, 2016, 37(5): 8－13. (in Chinese with English abstract)

[13] 張佳喜，葉菲. 我國(guó)棉花秸稈收獲裝備現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(8)：241－244.

Zhang Jiaxi, Ye Fei. Analysis of the status quo of cotton stalk harvesting equipment in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(8): 241－244. (in Chinese with English abstract)

[14] 孫玉峰，燕曉輝，王鋒德，等. 4MG-275型自走式棉稈聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)成本分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(2)：27－29.

Sun Yufeng, Yan Xiaohui, Wang Fengde, et al. Analysis of operation cost of 4MG-275 self-propelled cotton stalk combine harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(2): 27－29. (in Chinese with English abstract)

[15] 李怡，張國(guó)忠，周勇，等. 棉稈田間起拔力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(18)：43－50.

Li Yi, Zhang Guozhong, Zhou Yong, et al. Design and experiment of cotton stalk field pull-out force measurement system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 43－50. (in Chinese with English abstract)

[16] 張佳喜，楊程，郭俊先，等. 滾刀式青貯玉米起茬及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(6)：25－34.

Zhang Jiaxi, Yang Cheng, Guo Junxian, et al. Design and experiment of combined work machine for hob type silage corn crepe and residual film recovery[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 25－34. (in Chinese with English abstract)

[17] 孫建義. 棉柴收獲機(jī)：CN2468264[P]. 2002-01-02.

[18] 李華. 山地烤煙煙稈棉稈收獲機(jī)的研制及其試驗(yàn)研究[D]. 貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2016.

Li Hua. Development and Experimental Study of Rodent Rod Tobacco Rod Drawing Machine[D]. Guiyang: Guizhou University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[19] 張國(guó)強(qiáng)，林茂. 小型整稈式甘蔗收割機(jī)直立鋪放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(7)：77－80.

Zhang Guoqiang, Lin Mao. Kinematics analysis of the vertical placement mechanism of small-scale full-cane sugarcane harvester[J]. Machinery Design & Manufacture, 2016(7): 77－80. (in Chinese with English abstract)

[20] 馬少輝，趙寶新，楊海. 4MC-1500型棉稈收獲機(jī)的設(shè)計(jì)[J].塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(1)：25－27.

Ma Shaohui, Zhao Baoxin, Yang Hai. Design of 4MC-1500 type cotton plucking machine[J]. Journal of Tarim University, 2010, 22(1): 25－27. (in Chinese with English abstract)

[21] 李增芬，李志杰. 4MB-500型拔棉柴機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 河北農(nóng)機(jī)，2006(1)：17.

Li Zengfen, Li Zhijie. Design of 4MB-500 type cotton boring machine[J]. Hebei Agricultural Machinery, 2006(1): 17. (in Chinese with English abstract)

[22] 陳明江，趙維松，王振偉，等. 齒盤(pán)式多行拔棉稈裝置拔稈過(guò)程分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（3）：109－120.

Chen Mingjiang, Zhao Weisong, Wang Zhenwei, et al. Analysis and parameter optimization of plucking process of multi-row cotton stalk device with toothed disc[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 109－120. (in Chinese with English abstract)

[23] 賈洪雷，姜鑫銘，郭明卓，等. V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(1)：28－33.

Jia Honglei, Jiang Xinming, Guo Mingzhuo, et al. Design and experiment of V-L stalk smashing and returning blade[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 28－33. (in Chinese with English abstract)

[24] 高殿奎，孫洪勝，喬海軍，等. W6Mo5Cr4V2刀片刃口太陽(yáng)能加熱強(qiáng)韌化處理[J]. 金屬熱處理，2008(6)：107－108.

Gao Diankui, Sun Hongsheng, Qiao Haijun, et al. Solving and toughening treatment of W6Mo5Cr4V2 blade edge solar heating[J]. Heat Treatment of Metals, 2008(6): 107－108. (in Chinese with English abstract)

[25] 李怡. 棉稈起拔機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

Li Yi. Design and Experimental Study on Key Components of Cotton Stalk Drawing Machine[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[26] 王卓然. 黃河三角洲典型地區(qū)土壤水鹽動(dòng)態(tài)規(guī)律、影響因素與預(yù)測(cè)模型[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Wang Zhuoran. Soil Water and Salt Dynamics, Influencing Factors and Prediction Models in Typical Areas of the Yellow River Delta[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[27] 賈健. 拔棉柴機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005(3)：268－269，274.

Jia Jian. Design and research of cotton picking machine[J]. Journal of Shanxi Agricultural University, 2005(3): 268－269, 274. (in Chinese with English abstract)

[28] 王振偉. 不對(duì)行棉稈收獲臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 淄博：山東理工大學(xué)，2014.

Wang Zhenwei. Research and Design of the Cotton Stalk Harvesting Station[D]. Zibo: Shandong University of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[29] 唐遵峰，韓增德，甘幫興，等. 不對(duì)行棉稈拔取收獲臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10)：80－85.

Tang Zunfeng, Han Zengde, Gan Bangxing, et al. Design and experiment of harvesting harvesting platform for cotton stalks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 80－85. (in Chinese with English abstract)

[30] 馬繼春，薦世春，周海鵬. 齒盤(pán)式棉花秸稈整株拔取收獲機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2010(8)：3－5，12.

Ma Jichun, Jian Shichun, Zhou Haipeng. Research and design of toothed cotton stalk whole plant harvesting machine[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, 2010(8): 3－5, 12.

Design of toothed disc cotton stalk harvester

Zhang Jiaxi1, Wang Tingjue1, Chen Mingjiang2, Zhao Weisong2, Wang Zhenwei2, Liu Kaikai3, YeErBoLati·Tie Muer1, Wang Yichao1, Liu Xiong1, Liu Apeng1

(1.,,830052,; 2.,,210014,; 3.,256601,)

Cotton stalk is an important renewable resource. China is rich in cotton stalk, if such a large amount of resources are recycled, it will produce huge economic benefits. But most of them are not recycled at present. In order to improve the mechanized recovery level of cotton stalk, study the influence of different parameters on the mechanized recovery of cotton stalk, and solve the outstanding problems such as high cotton stalk plucking rate and high cotton stalk leakage rate, this paper studied and designed a toothed disc cotton stalk harvester. The machine was consisted of suspension device, limit wheel, pull-out tooth plate, stalk discharge device, hydraulic motor, hydraulic pipeline and hydraulic control box. The key component of the machine was a toothed disc type stalk pulling device. During operation, the cotton stalk was lifted out through the toothed disc, and then the cotton stalk was discharged to the surface through the stalk discharge device. Leakage rate and plucking rate of cotton stalk were the main parameters to evaluate the performance of toothed disc cotton stalk harvester. In this paper, Box-benhnken central combination test method was used to study the working parameters of toothed disc cotton stalk harvester. Three-factor and three-level quadratic regression orthogonal test was designed. The three-dimensional model of response surface was established with the diameter of the toothed disc, the toothed disc speed ratio and the lifting height as the influencing factors. The influence of each factor on the quality of work was analyzed, and the influencing factors were optimized synthetically. The results showed that the lifting height and the toothed disc speed ratio had significant effects on the cotton stalk plucking rate (< 0.01), while the lifting height, the diameter of the toothed disc and the toothed disc speed ratio had significant effects on the rate of cotton stalk leakage rate (<0.01). The working parameters of the machine were deduced from the regression model optimization as follows: the lifting height was 66.2 mm, the diameter of the toothed disc was 627.59 mm, and the toothed disc speed ratio was 0.57.In November 2018, field test was carried out in the Yellow River Delta (Binzhou) National Agricultural Science and Technology Park. Test area was divided into 17 test plots, leakage rate and plucking rate of cotton stalk at each test plot were calculated. The results of the Daejeon experiment showed that when the lifting height was 70 mm, diameter of the toothed disc was 630 mm and the toothed disc speed ratio was 0.57,the cotton stalk plucking rate could reach 1.5% and the cotton stalk leakage rate was low to 3.0%.The test results showed that the theoretical results were coincident with the measuring results, and the error between them was less than 4%. The research results can provide references for the structure improvement design and operation parameters optimization of toothed disc cotton stalk harvester.

agricultural machinery; optimization; design; pulling cotton stalks; toothed disc; response surface

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.001

S225.91+2

A

1002-6819(2019)-15-0001-08

2019-03-25

2019-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51865058）；自治區(qū)基金（2019D01A45）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（Y2017PT23）；新疆科技支疆項(xiàng)目（2018E02082）

張佳喜，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備研究。Email：13899961137@163.com。

張佳喜，汪珽玨，陳明江，趙維松，王振偉，劉凱凱，葉爾波拉提·鐵木爾，王毅超，劉 雄，劉阿朋. 齒盤(pán)式棉稈收獲機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(15)：1－8. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.001 http://www.tcsae.org

Zhang Jiaxi, Wang Tingjue, Chen Mingjiang, Zhao Weisong, Wang Zhenwei, Liu Kaikai, YeErBoLati·Tie Muer, Wang Yichao, Liu Xiong, Liu Apeng. Design of toothed disc cotton stalk harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.001 http://www.tcsae.org