玉米秸稈田間粉碎性能試驗研究

張超凡,張群威,耿令新,湯志軍

(1.河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院 機電工程系,河南 漯河 462000;2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物,種植面積僅次于小麥和水稻。我國大多地區(qū)玉米收獲后,秸稈采取直接粉碎還田,通過機械方式粉碎還田后,不僅可以增加土壤有機質(zhì)、培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強保水、保肥能力和改良土壤,且是保護(hù)環(huán)境、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、實現(xiàn)有機農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑[1]。近年來,由于國家對秸稈還田綜合利用的重視,農(nóng)業(yè)機械研發(fā)單位相繼推出適應(yīng)于我國實際國情的與中小型拖拉機配套使用的秸稈還田機具[2]。但是,由于缺乏對玉米秸稈田間粉碎性能的試驗研究,上述秸稈還田機具在推廣過程中還是存在機車前進(jìn)速度和粉碎效果不匹配等問題。為了弄清玉米秸稈田間粉碎時機車前進(jìn)速度、粉碎刀具轉(zhuǎn)速對秸稈粉碎功耗和粉碎合格率的影響,以新型玉米秸稈粉碎機作為試驗樣機,以粉碎合格率和粉碎功耗作為試驗指標(biāo),在田間進(jìn)行玉米秸稈粉碎性能試驗,弄清玉米秸稈粉碎機具運動參數(shù)對粉碎合格率和粉碎功耗的影響規(guī)律,并通過參數(shù)優(yōu)化獲得其最佳工作指標(biāo),為秸稈粉碎機具的改進(jìn)設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)。

1 田間試驗

1.1 田間玉米生長狀況

試驗選擇玉米人工收獲秸稈長勢均勻的地塊,同時取樣,在實驗室測得玉米秸稈含水率。田間玉米秸稈生長物理參數(shù)如表1所示。

表1 田間玉米秸稈生長物理參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

玉米秸稈田間粉碎作業(yè)對象選取當(dāng)年自然生長的玉米秸稈,一次作業(yè)兩行,每次試驗測量長度為15m。由于莖稈的粉碎轉(zhuǎn)速和機車的前進(jìn)速度從莖稈粉碎開始到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),需要有一段緩沖的時間,因此測量時,在試驗長度內(nèi)第5m和10m處各做標(biāo)記。當(dāng)機車行進(jìn)到5m處標(biāo)記時開始采集數(shù)據(jù),當(dāng)機車行進(jìn)到10m處標(biāo)記時,拖拉機開始減速停車,停止采集數(shù)據(jù)。每段試驗長度做完后,把6～9m處作為試驗樣品取樣階段,即撿取該測量長度內(nèi)超長的莖稈,實驗室內(nèi)測出它的質(zhì)量并計算出該次粉碎試驗合格率。

田間粉碎試驗以粉碎合格率和粉碎功耗為試驗指標(biāo),通過采用回歸正交的試驗方法,找出機車前進(jìn)速度和粉碎刀具轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合,從而獲得玉米秸稈粉碎機具田間作業(yè)時的最佳參數(shù)。田間試驗中的機車前進(jìn)速度主要靠拖拉機的檔位來調(diào)節(jié),粉碎刀輥轉(zhuǎn)速主要通過更換圖1中的皮帶輪和鏈輪來實現(xiàn)。為了能使動力輸出軸保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速,試驗時,拖拉機的油門固定在某一特定位置。試驗指標(biāo)測量如下:

1.帶輪 2.鏈條 3.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 4.信號傳輸線 5.無線數(shù)據(jù)采集與測試系統(tǒng) 6.機車 7.玉米秸稈 8.秸稈粉碎機

1)粉碎功耗。粉碎刀具空轉(zhuǎn)不切割玉米秸稈時測得的功耗定義為空轉(zhuǎn)功耗P空,粉碎刀具田間工作時測得的功耗為實際功耗P實,則秸稈粉碎功耗P=P實-P空。

2)粉碎合格率。實驗室測出試驗范圍內(nèi)玉米秸稈的總質(zhì)量W總;再測出超長的秸稈質(zhì)量W超長,按照文獻(xiàn)要求粉碎后莖稈長度小于100mm為合格[2],則合格莖稈質(zhì)量與粉碎莖稈的總質(zhì)量之比為粉碎合格率,即

1.3 田間功耗測量

田間粉碎功耗測量裝置采用無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要由機載傳感器系統(tǒng)、機載移動信號調(diào)理系統(tǒng)、機載無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng),以及基于點對點網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和處理基站系統(tǒng)等4部分構(gòu)成。無線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)最大的優(yōu)點是采用12V電池供電,可以方便用于移動機械的功率測試中。測試時,機載無線數(shù)據(jù)采集與測試系統(tǒng)與地面處理基站系統(tǒng)通過點對點無線AP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換,最大傳輸距離可以達(dá)到210m。粉碎刀具的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩功率測量原理已經(jīng)在文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)描述。田間測試時,機載傳感器配置方案如圖1所示。

由于玉米秸稈粉碎機為后置全懸掛式,由機架、齒輪傳動箱、皮帶傳動系統(tǒng)及刀輥等組成,刀輥位于整臺機器的下方。其結(jié)構(gòu)簡單緊湊,如果把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接與秸稈粉碎刀輥軸相連,則外伸尺寸太大且傳動困難。本研究將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器軸和粉碎刀輥軸平行配置,機車輸入動力經(jīng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器驅(qū)動粉碎刀輥軸旋轉(zhuǎn),這樣通過測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器軸上負(fù)載功率來間接獲得其秸稈粉碎消耗功率。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗因素

根據(jù)田間試驗的實際情況,設(shè)計兩因素水平的二次回歸正交試驗?；貧w正交試驗方法的特點是:一方面利用正交試驗法的正交性,即利用均衡搭配和綜合可比性兩條基本原理,可以有計劃、合理地在正交表上安排較少的試驗次數(shù);另一方面利用回歸分析法中最小二乘原理,通過試驗數(shù)據(jù),建立起回歸方程,然后把兩者的特點有機地結(jié)合起來,構(gòu)成了回歸正交試驗方法。試驗時選取兩個試驗因素,即機器的前進(jìn)速度和粉碎刀具的轉(zhuǎn)速。其中,機車前進(jìn)速度用x1表示,刀具轉(zhuǎn)速用x2表示。零水平重復(fù)5次試驗[4],同時確定出星號臂[4]γ=1.27。田間試驗因素水平設(shè)計安排如表2所示;田間粉碎試驗結(jié)果如表3所示。

表2 田間試驗因素水平安排表

表3 田間粉碎試驗結(jié)果

2.2 粉碎功耗試驗結(jié)果分析

由表2的田間粉碎功耗測試結(jié)果可得回歸方程為

參考文獻(xiàn)資料[4],粉碎功耗回歸方程方差分析如表4所示。

表4 粉碎功耗回歸方程的方差分析

F檢驗為

由于F=13.6>F0.1(5,8)=2.73,說明粉碎功耗方程在α=0.1水平回歸效果顯著[4]。

2.3 粉碎合格率試驗結(jié)果分析

由表3田間粉碎試驗結(jié)果可得粉碎合格率回歸方程為

粉碎合格率回歸方程的方差分析如表5所示。

表5 粉碎合格率回歸方程的方差分析

F檢驗為

由于F=3.23>F0.1(5,8)=2.73,說明粉碎合格率方程在α=0.1水平上回歸效果顯著[4]。

2.4 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

粉碎機具田間作業(yè)時,在滿足粉碎合格率的情況下,為了適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境,給機車預(yù)留足夠的功率儲備,要求粉碎功率消耗越小越好。所以,處理數(shù)據(jù)時以粉碎功耗y1為目標(biāo)函數(shù),粉碎合格率y2為約束函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,其數(shù)學(xué)模型建模如下:

目標(biāo)函數(shù)為F(X)=-y1;性能約束函數(shù)為G(X)=y2≥90;最優(yōu)邊界約束條件為-1.27≤Xj≤1.27,j=1,2;田間作業(yè)參數(shù):1≤X1≤1.27,0≤X2≤1.27。

數(shù)學(xué)模型中Xj是兩個試驗參數(shù)在引子編碼空間的取值。

根據(jù)上述條件,可以得到最終優(yōu)化結(jié)果:X1=1,X2=0.73,即機車前進(jìn)速度為2.9km/h,粉碎刀具轉(zhuǎn)速597r/min。最佳粉碎性能指標(biāo):秸稈粉碎功耗y1=2.98kW,秸稈粉碎合格率y2=90.02%。

2.5 動力參數(shù)對秸稈粉碎性能的影響

為了能夠直觀地分析各運動參數(shù)對粉碎功耗和粉碎合格率的影響規(guī)律,把回歸方程在最優(yōu)點進(jìn)行降維處理,使試驗指標(biāo)依某一參數(shù)變化,降維分析繪制出機器前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線,如圖2所示。機車前進(jìn)速度與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖2 刀輥轉(zhuǎn)速與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線

圖3 機車前進(jìn)速度與粉碎功耗和粉碎合格率關(guān)系曲線

由圖2可知:在田間試驗范圍內(nèi),粉碎刀輥轉(zhuǎn)速從540r/min逐漸增大到630r/min時,可以發(fā)現(xiàn)粉碎合格率和粉碎功耗都隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。原因在于隨著粉碎刀具轉(zhuǎn)速提高,刀具動能增加,即在單位時間內(nèi)的做功增加,從而粉碎功耗也隨著升高。在機車前進(jìn)速度保持不變的情況下,提高轉(zhuǎn)速,等于減小了秸稈粉碎節(jié)距,秸稈超長相對減少,因此粉碎合格率隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。

由圖3可知:機車前進(jìn)速度從2.9km/h逐漸上升到3.16km/h時,可以發(fā)現(xiàn)粉碎功耗隨著機車前進(jìn)速度的增加而升高,粉碎合格率則隨著前進(jìn)速度的增加而減小。原因在于隨著機車前進(jìn)速度的增加,等于增加了單位時間內(nèi)秸稈的喂入量,即增加了單位時間內(nèi)玉米莖稈的粉碎數(shù)量,秸稈粉碎功耗因此就隨著增加。在粉碎刀輥轉(zhuǎn)速保持不變的情況下,增大前進(jìn)速度,實際上等于增大了莖稈粉碎節(jié)距,秸稈超長相對減少,因此粉碎合格率呈下降趨勢。

3 結(jié)論

1)當(dāng)機車前進(jìn)速度為2.9km/h、刀輥轉(zhuǎn)速597r/min時,最優(yōu)粉碎性能指標(biāo)為粉碎功耗y1=2.98kW,粉碎合格率y2=90.02%。

2)在田間試驗范圍內(nèi),即刀輥轉(zhuǎn)速從540r/min增大到630r/min時,粉碎合格率和粉碎功耗都隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。

3)在田間試驗范圍內(nèi),當(dāng)機車前進(jìn)速度從2.9km/h升到3.16km/h時,粉碎功耗隨著前進(jìn)速度的增加而升高,粉碎合格率則隨著前進(jìn)速度的增加而減小。