傾斜輸送式油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量分析與試驗(yàn)

關(guān)卓懷，江 濤，李海同，吳崇友，張 敏，王 剛，沐森林

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

油菜是重要的油料作物，國內(nèi)常年種植約6.6×106hm2，85%集中在長江流域稻油輪作區(qū)[1-3]。油菜收獲包括聯(lián)合收獲和分段收獲2種方式[4-5]。聯(lián)合收獲便捷高效、靈活性好，但損失率較高，受油菜成熟度差異性影響大，適收期短；分段收獲損失率低，對油菜品種、收獲狀態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，適收期長，菜籽品質(zhì)優(yōu)，可避免大風(fēng)、冰雹等極端天氣帶來的收獲風(fēng)險。數(shù)據(jù)表明，油菜分段收獲比聯(lián)合收獲的損失率低25%，破碎率低40%，作業(yè)效率增加25%[6-12]。近年來，隨著人們對食用油品質(zhì)的關(guān)注和國家對作物收獲環(huán)節(jié)浪費(fèi)損失的進(jìn)一步重視，油菜分段收獲的優(yōu)勢凸顯[13-15]。但油菜分段收獲裝備尤其是油菜割曬機(jī)缺乏，現(xiàn)有裝備不能解決小田塊高大油菜的割曬難題，是制約油菜分段收獲技術(shù)發(fā)展與大面積推廣的重要因素。

根據(jù)割曬臺工作原理，油菜割曬機(jī)可分為立式割曬機(jī)和臥式割曬機(jī)，根據(jù)作物輸送鋪放形式，可分為側(cè)鋪放割曬機(jī)和中央鋪放割曬機(jī)[16]。李平等[17-18]提出了一種橫向和縱向輸送組合牽引式中央鋪放型臥式油菜割曬機(jī)，油菜莖稈上層鋪放角小于5°，下層鋪放角小于2°，角度差小于5°，根差小于0.1 m。廖宜濤等[19]設(shè)計了中間分禾、雙側(cè)鋪放的手扶式割曬機(jī)，油菜莖稈鋪放角小于45°的概率為75.8%，集中在20°～45°間的概率為66.9%，角度差小于60°。李海同等[20]構(gòu)建了割曬機(jī)-油菜植株剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?yōu)化了手扶立式割曬機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，鋪放角為115.8°，角度差為9.6°，根差為0.14 m，割曬損失率為1.5%。Muhammad等[21]分析了作業(yè)速度、作物含水率對割曬機(jī)損失率的影響。李金鳳等[22]將TRIZ理論應(yīng)用于割曬過程分析，豐富了割曬機(jī)的設(shè)計方法。蔣亞軍等[23]為降低割曬機(jī)結(jié)構(gòu)振動對鋪放均勻性的影響增加了機(jī)架拱門結(jié)構(gòu)，使各向振幅降低70%以上。王修善等[24]設(shè)計了與履帶底盤配套的立式側(cè)鋪放油菜割曬機(jī)，鋪放角達(dá)98.2°，鋪放角度差10.5°。楊文敏等[25]設(shè)計了與履帶底盤配套的臥式側(cè)鋪放油菜割曬機(jī)，平均鋪放寬度為798 mm，平均鋪放厚度256 mm，平均鋪放角度48.4°。課題組前期針對與通用履帶底盤配套的側(cè)鋪放割曬機(jī)開展研究，初步構(gòu)建了油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量數(shù)學(xué)模型，分析了鋪放質(zhì)量與機(jī)器前進(jìn)速度以及輸送裝置、排禾口部分參數(shù)之間的關(guān)系；設(shè)計了撥指輸送鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)，單帶式輸送機(jī)構(gòu)和切割傳動機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵裝置，研制了4SY-2型油菜割曬機(jī)，得到一定的推廣應(yīng)用[26-28]。

中小型履帶底盤配套的割曬機(jī)可適應(yīng)中國南方稻油輪作區(qū)田塊分散、單地塊面積小、土壤黏濕和承載能力弱的生產(chǎn)條件，但由于割幅受限、割幅內(nèi)鋪放空間小，常規(guī)臥式油菜割曬機(jī)收割高大、分枝多的油菜時存在輸送和排禾不暢、鋪放質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。本文提出了適應(yīng)植株高大、分枝牽扯油菜的傾斜輸送原理，設(shè)計了與通用履帶底盤掛接的傾斜輸送割幅內(nèi)側(cè)鋪放式油菜割曬機(jī)。通過分析撥禾切割、輸送、排禾等過程中油菜莖稈順暢遷移的幾何條件和運(yùn)動學(xué)條件，確定傾斜輸送式油菜割曬機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，探究割曬機(jī)鋪放質(zhì)量影響要素，尋求割曬機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證油菜割曬機(jī)鋪放效果和油菜田間晾曬效果，為油菜割曬機(jī)的設(shè)計和改進(jìn)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

傾斜輸送式油菜割曬機(jī)主要包括大傾角割曬臺和履帶式聯(lián)合收獲機(jī)動力底盤。大傾角割曬臺主要由鋪放口、機(jī)架組合、橫割刀、撥禾輪、傾斜輸送裝置、掛接支撐、傳動系、分禾器、豎割刀等組成，具體如圖1所示。大傾角割曬臺通過掛接裝置與履帶聯(lián)合收獲機(jī)輸送槽連接，傾斜輸送裝置一側(cè)與橫割刀機(jī)架鉸接，另一側(cè)懸掛于機(jī)架內(nèi)側(cè)壁，其傾斜角度可根據(jù)作物狀態(tài)調(diào)整。

傾斜輸送式油菜割曬機(jī)作業(yè)時，在撥禾輪和機(jī)器前進(jìn)推力的共同作用下，油菜莖稈向割臺內(nèi)傾斜的過程中與傾斜輸送裝置形成持續(xù)接觸，油菜莖稈在非強(qiáng)制約束半直立狀態(tài)下隨輸送帶運(yùn)移。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傾斜輸送式油菜割曬機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of inclination transportation rape windrower

2 鋪放過程分析

傾斜輸送式油菜割曬機(jī)作業(yè)過程包括撥禾、切割、輸送和排禾，為分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對鋪放過程的影響，建立割曬機(jī)主要工作部件位置關(guān)系模型，如圖2所示。

2.1 扶禾切割過程分析

撥禾輪的主要作用是扶持油菜莖稈并使其向輸送裝置傾斜，便于橫割刀切割，并將切斷的油菜莖稈推向輸送裝置，提升物料流動性。為引導(dǎo)油菜莖稈向輸送裝置傾斜，避免撥禾輪回帶，撥禾輪與油菜的接觸點(diǎn)應(yīng)高于切割后油菜莖稈重心，所以撥禾輪半徑r應(yīng)滿足：

撥禾輪外緣與輸送裝置的垂直距離H4應(yīng)大于油菜堆積厚度以避免回帶，即

根據(jù)圖2幾何關(guān)系有：

撥禾輪與油菜植株接觸時應(yīng)具有相對割曬機(jī)前進(jìn)方向向后的絕對速度，將油菜莖稈推向傾斜輸送裝置。撥禾輪上任一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡曲線為

式（4）對時間t求導(dǎo)，得出撥禾輪絕對速度為

式中vwx為撥禾輪線速度水平分量，m/s；vwy為撥禾輪線速度垂直分量，m/s。

撥禾輪應(yīng)具有相對割曬機(jī)前進(jìn)方向向后的水平分速度，即vwx＜0，所以有：

設(shè)λw為撥禾輪線速度速與割曬機(jī)前進(jìn)速度的比值

則撥禾輪轉(zhuǎn)速為

式中nw為撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)油菜一般植株高度和留茬要求，設(shè)計撥禾輪半徑r=0.5 m，撥禾輪支撐油缸最大行程17 cm，點(diǎn)O與點(diǎn)C的水平距離f為-9～20 cm（負(fù)號表示點(diǎn)O在點(diǎn)C后方）。根據(jù)通用型履帶底盤的行走速度，設(shè)計傾斜輸送式油菜收獲機(jī)作業(yè)速度vm為0.8～1.5 m/s。根據(jù)取收獲機(jī)撥禾輪速比λw的一般取值范圍1.2～1.8[29]，計算得撥禾輪轉(zhuǎn)速范圍為18.3～51.6 r/min。

油菜莖稈被切斷后在撥禾輪推動下具有初速度vw，在重力的作用下向輸送裝置傾倒。該過程包括莖稈繞C點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和油菜莖稈底端隨輸送裝置的水平平動。其中莖稈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動角速度為

油菜莖稈在重力作用下旋轉(zhuǎn)的角加速度為

式中Mr為油菜莖稈重力對C點(diǎn)的力矩，N·m；J為油菜莖稈繞旋轉(zhuǎn)中心C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；G1為油菜莖稈重力，N；βr為油菜莖稈繞心C點(diǎn)的角加速度，rad/s2。設(shè)油菜植株被切斷的瞬間與地面垂直，與輸送裝置的夾角為（π/2-α），莖稈被切斷至倒放在輸送裝置上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時間t2為

在時間t2內(nèi)，油菜莖稈底端隨輸送裝置運(yùn)動的距離為

式中l(wèi)C為油菜莖稈被切斷至鋪放在輸送裝置過程中莖稈底端隨輸送裝置的運(yùn)動距離，m。

綜合分析式（9）～（12），撥禾輪推動油菜莖稈旋轉(zhuǎn)的角速度ωr越大、輸送裝置傾角α越大，莖稈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時間t2就越短，輸送裝置速度vd越小，植株底端隨輸送裝置的運(yùn)動距離lC越小，油菜植株與機(jī)器前進(jìn)方向的夾角（鋪放角）就越小。

2.2 輸送過程分析

高大、分枝多的油菜莖稈在輸送裝置上的堆積是導(dǎo)致輸送鋪放不暢的主要原因。建立油菜莖稈輸送過程堆積模型如圖3所示，輸送裝置中輸送帶由A向B運(yùn)動，鋪放口在B點(diǎn)。

在A點(diǎn)被割倒的油菜莖稈隨輸送帶運(yùn)動，運(yùn)動距離x與割曬機(jī)行進(jìn)距離y的關(guān)系為

式中vd為輸送帶運(yùn)動速度，m/s；λd為輸送帶線速度速與割曬機(jī)前進(jìn)速度速比。

設(shè)油菜莖稈是均勻連續(xù)的，輸送帶上x點(diǎn)處堆積的油菜莖稈包括當(dāng)前位置被割倒的油菜莖稈和（0，x）范圍內(nèi)被輸送至x點(diǎn)處的油菜莖稈，莖稈堆積量與機(jī)器前進(jìn)速度和輸送帶運(yùn)動速度的關(guān)系為

式中qx為輸送帶上x點(diǎn)處堆積的油菜莖稈質(zhì)量，kg；ρ1為田間單位面積內(nèi)油菜莖稈質(zhì)量，kg/m2。

當(dāng)ρ1和λd一定時，輸送帶上油菜莖稈的堆積量與輸送距離x的平方成正比，x點(diǎn)處油菜莖稈堆積高度為

式中ρ2為輸送帶上單位體積內(nèi)油菜莖稈質(zhì)量，kg/m3。鋪放口處油菜的堆積量為

式中ql為鋪放口處油菜的堆積量，kg。鋪放口處油菜的堆積高度為

式中dl為鋪放口處輸送帶上油菜的堆積高度，m。

式（14）～（17）表明，傾斜輸送式油菜割曬機(jī)物料堆積量與輸送裝置長度l1的平方成正比，與輸送帶線速度速與割曬機(jī)前進(jìn)速度速比λd呈正比；堆積高度與輸送裝置長度l1成正比，與輸送帶線速度速與割曬機(jī)前進(jìn)速度速比λd呈正比，與割臺寬度b1成反比。所以減小輸送距離、提高輸送帶運(yùn)動速度和增加割臺寬度可以減少油菜在輸送帶上的堆積量，減小功耗，減小排禾空間需求量。輸送帶寬度b1應(yīng)大于割倒后油菜植株莖稈高度hp，避免油菜架空導(dǎo)致輸送不暢，即

式中hz為油菜植株高度，m。

根據(jù)式（18），增加割曬機(jī)輸送帶寬度可以提高割曬機(jī)對不同品種油菜的適應(yīng)性，但輸送帶寬度過大也會影響油菜割曬機(jī)田間轉(zhuǎn)向靈活性，結(jié)合割臺0～800 mm的高度范圍和油菜的一般株高，本文設(shè)計傾斜輸送裝置寬度b1=1 140 mm。

2.3 排禾過程分析

鋪放口尺寸影響排禾量，為保證鋪放后油菜不與割曬機(jī)干涉，油菜堆積高度應(yīng)小于鋪放口的離地高度，即

將式（17）帶入式（19）可得：

根據(jù)式（11）和式（20），增大α可以減小鋪放角，提高最大排禾量，有助于提高割曬機(jī)對高大密植油菜的適應(yīng)性。

鋪放口排禾量qt為

式中Sw為鋪放口橫截面積，m2；ρ3為油菜莖稈條鋪的單位面積質(zhì)量，kg/m2；l2為鋪放口長度，m。

鋪放口排禾量應(yīng)大于輸送帶上油菜堆積量，即

式（16）帶入式（22）可得：

為避免履帶碾壓鋪放的油菜，要求輸送裝置長度l1大于兩側(cè)履帶外緣距1 750 mm，并根據(jù)式（16）～（23）和割臺總寬度，設(shè)計l1=2 000 mm，l2=1 000 mm。綜合分析式（12）、式（17）和式（23），輸送帶線速度過小會導(dǎo)致油菜莖稈堆積，過大則影響鋪放角度，根據(jù)l1與l2的設(shè)計值，初步設(shè)定λd為1.2～1.7，根據(jù)設(shè)計作業(yè)速度vm計算得到輸送帶線速度vd為0.96～2.55 m/s。

綜合扶禾切割、輸送和排禾過程分析可知，輸送裝置與水平面的夾角α是影響油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量的關(guān)鍵因素，增大α可以提升輸送裝置對油菜植株的輸送能力、增大鋪放空間，但α需小于油菜莖稈在輸送裝置的上的摩擦角，本文設(shè)計傾斜輸送裝置的最大傾角為30°，可根據(jù)實(shí)際作物生長情況進(jìn)行調(diào)整。

3 鋪放質(zhì)量影響因素試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)前文分析，與傾斜輸送式油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量相關(guān)的主要參數(shù)包括割曬機(jī)前進(jìn)速度、割臺高度、撥禾輪位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度、輸送裝置傾角和前進(jìn)速度等，需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究各因素及其交互關(guān)系對鋪放質(zhì)量的影響。但由影響因素較多，難以直接以所有因素為變量開展試驗(yàn)。實(shí)際作業(yè)過程中速度、割臺高度和撥禾輪位置往往由駕駛員根據(jù)作物實(shí)際情況實(shí)時動態(tài)調(diào)整。所以本文在開展試驗(yàn)研究時固定作業(yè)速度、割臺高度和撥禾輪位置，以鋪放角度、上下層鋪放角度差、鋪放寬度變異系數(shù)和鋪放高度變異系數(shù)為鋪放質(zhì)量評價指標(biāo)，研究撥禾輪轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度、輸送裝置傾角對鋪放質(zhì)量的影響。

鋪放質(zhì)量影響因素試驗(yàn)于2020年4月26日在成都市陳稻松合作社油菜田開展，油菜品種為蓉油18，油菜平均株高1.98 m，重心高度1.19 m，底莢高度1.09 m，主莖稈直徑17 mm，田間種植密度3.27株/m2。傾斜輸送式油菜割曬機(jī)以1.1 m/s的前進(jìn)速度開展試驗(yàn)，割臺高度、撥禾輪支撐油缸行程分別保持50 cm 和15 cm，試驗(yàn)測區(qū)長度為25 m。試驗(yàn)結(jié)束后在測區(qū)內(nèi)每隔1 m選定一個測點(diǎn)，共25個。用皮尺測量各測點(diǎn)鋪放寬度li，用鋼卷尺測量各測點(diǎn)鋪放高度hi。從測點(diǎn)處上、下鋪層中各選一株油菜，用角度尺測量上層鋪放角θiu和下層鋪放角θid。

鋪放角計算方法為

式中θ為鋪放角，（°）。

上下層鋪放角度差計算方法為

式中Δθ為上下層鋪放角度差，（°）；為上層莖稈平均鋪放角，（°）；為下層莖稈平均鋪放角，（°）。

通過計算各工作參數(shù)組合下鋪放寬度變異系數(shù)評價鋪放寬度一致性

式中CVl為鋪放寬度變異系數(shù)，%；為鋪放寬度平均值，cm。

通過計算各參數(shù)組合下鋪放高度變異系數(shù)評價鋪放高度一致性：

式中CVh為鋪放高度變異系數(shù)，%；為鋪放寬度平均值，cm。

以撥禾輪轉(zhuǎn)速X1、輸送帶線速度X2、輸送裝置傾角X3為試驗(yàn)因素，以鋪放角度Y1、上下層鋪放角度差Y2、鋪放寬度變異系數(shù)Y3和鋪放高度變異系數(shù)Y4為評價指標(biāo)，開展三因素二次回歸正交組合試驗(yàn)，根據(jù)撥禾輪速比λw、輸送帶速比λd和vm=1.1 m/s，確定X1范圍為26～38 r/min，X2范圍為1.4～1.8 m/s，X3范圍為10°～30°，試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Table 2 Coding of experimental factors表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計方法，選取5個中心點(diǎn)，共開展17組試驗(yàn)。通過貢獻(xiàn)率K量化分析各因素對鋪放質(zhì)量的影響，K值越大因素對模型的影響越大，貢獻(xiàn)率K的計算公式為[30]

式中F為回歸方程中各回歸項(xiàng)的F值；δ為回歸項(xiàng)對F值的考核值；Kj為各影響因素貢獻(xiàn)率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

傾斜輸送式油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量影響因素試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對鋪放角度Y1、上下層鋪放角度差Y2、鋪放寬度變異系數(shù)Y3和鋪放高度變異系數(shù)Y4與試驗(yàn)因素X1、X2、X3間的關(guān)系進(jìn)行二次多元擬合，并對回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Schemes and results of experiment

根據(jù)鋪放角度Y1二次多元擬合回歸方差分析結(jié)果，回歸模型P值0.011＜0.05顯著，失擬P值0.134 9＞0.05不顯著，說明模型能正確反映Y1與X1、X2、X3之間的關(guān)系并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中因素X2、X2X3對Y1影響極顯著，X3、X1X2、X32對Y1影響顯著，試驗(yàn)因素之間的交互作用對Y1的影響顯著，剔除不顯著因素后，鋪放角度Y1的二次回歸模型為

表2 試驗(yàn)因素編碼Table 2 Coding of experimental factors表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

注：**表示極顯著（P＜ 0.01），*表示顯著（0.01≤P＜ 0.05）； Adj R2為回歸方程調(diào)整決定系數(shù)。Note: ** means highly significant (P＜ 0.01), * means significant (0.01≤P＜0.05); Adj R2 is regression equation adjusted determination coefficient.

根據(jù)式（28）和式（29），各因素對Y1影響的貢獻(xiàn)率分別為KY1X1=0.68，KY1X2=1.82，KY1X3=2.48，影響大小排序?yàn)閄3、X2、X1。根據(jù)圖4，當(dāng)X3處于0水平（20°）時，X1增大Y1減小，X2增大Y1減小，響應(yīng)面曲線沿X2方向的變化更快，在X3中心水平下，輸送帶線速度X2對鋪放角Y1的影響比撥禾輪轉(zhuǎn)速X1顯著。當(dāng)X1處于0水平（32 r/min）時，X2增大Y1減小，X3增大Y1先減小后增大，存在某一X3值使Y1最小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送裝置傾角X3對鋪放角度Y1的影響比輸送帶線速度X2顯著。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是輸送裝置傾角決定了油菜從切斷至鋪倒在輸送帶上的時間，與輸送帶線速度共同決定油菜莖稈低端與隨輸送帶的運(yùn)動距離，也就是油菜莖稈鋪放在輸送帶上的角度，輸送裝置傾角越大，該過程時間越短，鋪放角越小，輸送帶線速度越大，油菜底端的運(yùn)動距離越遠(yuǎn)，鋪放角越大。

根據(jù)上下層鋪放角度差Y2二次多元擬合回歸方差分析結(jié)果，回歸模型P值0.002 4＜0.01極顯著，失擬P值0.217 5＞0.05不顯著，說明模型能正確反映Y2與X1、X2、X3之間的關(guān)系并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中因素X1、X3對Y2影響極顯著，X1X2、X2X3、X1X3、X32對Y2影響顯著，試驗(yàn)因素之間的交互作用對Y2的影響顯著，剔除不顯著因素后，上下層鋪放角度差Y2的二次回歸模型為

根據(jù)式（28）和式（29），各因素對Y2影響的貢獻(xiàn)率分別為KY2X1=2.14，KY2X2=1.45，KY2X3=2.61，影響大小排序?yàn)閄3、X1、X2。根據(jù)圖5，當(dāng)X3處于0水平（20°）時，X1增大Y2減小，X2增大Y2減小，響應(yīng)面曲線沿X1方向的變化更快，撥禾輪轉(zhuǎn)速X1對上下層鋪放角度差Y2的影響比輸送帶線速度X2對上下層鋪放角度差Y2的影響顯著。當(dāng)X2處于0水平（1.6 m/s）時，X1增大Y2減小，X3增大Y2先增大后減小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送裝置傾角X3對上下層鋪放角度差Y2的影響比撥禾輪轉(zhuǎn)速X1顯著。當(dāng)X1處于0水平（1.6 m/s）時，X2增大Y2減小，X3增大Y2先增大后減小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送裝置傾角X3對上下層鋪放角度差Y2的影響比輸送帶線速度X1顯著。造成產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是撥禾輪轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和角度共同影響油菜物料流的運(yùn)移過程。

根據(jù)鋪放寬度變異系數(shù)Y3二次多元擬合回歸方差分析結(jié)果，回歸模型P值0.001 2＜0.05顯著，失擬P值0.106 7＞0.05不顯著，說明模型能正確反映Y3與X1、X2、X3之間的關(guān)系并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中因素X3、X2、X32對Y3影響極顯著，X2對Y3影響顯著，采用多元回歸擬合的方式對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，剔除不顯著因素后，鋪放寬度變異系數(shù)Y3的二次回歸模型為

根據(jù)式（28）和式（29），各因素對Y3影響的貢獻(xiàn)率分別為KY3X1=0.82，KY3X2=1.47，KY3X3=2.40，影響大小排序?yàn)閄3、X2、X1。根據(jù)圖6，當(dāng)X1處于0水平（32 r/min）時，X2增大Y3減小，X3增大Y3先減小后增大，存在某一X3值使Y3最小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送帶線速度X3對鋪放寬度變異系數(shù)Y3的影響比輸送裝置傾角X2更顯著。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是輸送裝置傾角影響油菜自輸送帶至地面的排禾過程，傾角大自由非約束時間長，傾角小纏結(jié)油菜未達(dá)到自然條鋪狀態(tài)時即被有限的鋪放空間所限制，所以過大或過小都不利于鋪放寬度一致性。

根據(jù)鋪放高度變異系數(shù)Y4二次多元擬合回歸方差分析結(jié)果，回歸模型P值＜0.01極顯著，失擬P值0.441 6＞0.05不顯著，說明模型所能正確反映Y4與X1、X2、X3之間的關(guān)系并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中因素X3、X2X3、X12、X22對Y4影響極顯著，X1X3對Y4影響顯著，采用多元回歸擬合的方式對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，剔除不顯著因素后，鋪放高度變異系數(shù)Y4的二次回歸模型為

根據(jù)式（28）和式（29），各因素對Y4影響的貢獻(xiàn)率分別為KY4X1=2.17，KY4X2=1.46，KY4X3=2.71，影響大小排序?yàn)閄3、X1、X2，根據(jù)圖7，當(dāng)X2處于0水平（1.6 m/s）時，X1增大Y4先增大后減小，X3增大Y4減小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送帶線速度X3對鋪放高度變異系數(shù)Y4的影響比撥禾輪轉(zhuǎn)速X1更顯著。當(dāng)X1處于0水平（32 r/min）時，X2增大Y4先減小后增大，存在某一X2值使Y4最小，X3增大Y4減小，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快，輸送帶角度X3對鋪放高度變異系數(shù)Y4的影響比輸送帶線速度X2更顯著。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是輸送裝置傾角直接影響鋪放空間，輸送裝置傾角越大，鋪放空間就越大，有利于提升高大分枝多生物量大油菜植株條鋪一致性，鋪放高度變異系數(shù)越小。

3.3 參數(shù)組合優(yōu)化

油菜割曬要求鋪放角度不能過大，上下層鋪放角度差小，鋪放寬度和鋪放高度一致性好便于后續(xù)撿拾作業(yè)[31]。根據(jù)上述要求，建立作業(yè)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型

得優(yōu)化參數(shù)組合為X1=35.88 r/min，X2=1.486 m/s，X3=27.5°。綜合考慮割曬機(jī)工作要求和實(shí)際加工制造水平，確定撥禾輪轉(zhuǎn)速35 r/min，輸送帶線速度1.5 m/s，輸送裝置傾角27°。該工作參數(shù)組合下割曬油菜的理論鋪放角度為26.8°，上下層鋪放角度差為4.8°，鋪放寬度變異系數(shù)8.3%，鋪放高度變異系數(shù)7.7%。

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證傾斜輸送式油菜割曬機(jī)較優(yōu)參數(shù)組合與割曬鋪放效果，委托江蘇沿海農(nóng)業(yè)機(jī)械檢測有限公司于2020年5月26日在江蘇大豐東方綠洲農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園開展作業(yè)質(zhì)量檢測試驗(yàn)，機(jī)具為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的4SY-3.0型化傾斜輸送式油菜割曬機(jī)。

試驗(yàn)油菜品種為浙油51，種植方式為機(jī)械直播，田間種植密度5.64×105株/hm2，植株平均高度1.70 m，底莢高度1.17 m，主莖稈直徑14.3 mm，理論產(chǎn)量3.23×103kg/hm2，草谷比0.072（割茬35 cm），莖稈含水率73.8%，籽粒含水率37.9%，千粒質(zhì)量3.92 g。作業(yè)參數(shù)為撥禾輪轉(zhuǎn)速35 r/min，輸送帶線速度1.5 m/s，輸送裝置傾角27°。

參照標(biāo)準(zhǔn) JB/T 7733—2007《割曬機(jī) 技術(shù)條件》和GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》開展割曬機(jī)作業(yè)質(zhì)量綜合評價田間試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)由準(zhǔn)備區(qū)、測定區(qū)和停車區(qū)連續(xù)的3部分組成，準(zhǔn)備區(qū)長度10 m，測定區(qū)長度30 m，停車區(qū)長度10 m，不臨地邊，試驗(yàn)重復(fù)3次。

為綜合評價油菜的鋪放效果、割曬損失率和割曬機(jī)作業(yè)效率，按照前文所述方法檢測計算油菜鋪放角、鋪放角度差、鋪放寬度和鋪放高度變異系數(shù)，并通過測量割幅計算純作業(yè)生產(chǎn)率：

式中P為純工作生產(chǎn)率，hm2/h；B為平均實(shí)際割幅，m。為檢測割曬損失，試驗(yàn)前先收集1 m2內(nèi)落在地上的籽粒及落穗上的籽粒，脫粒清選干凈后稱量籽粒質(zhì)量，共選5點(diǎn)計算平均值，記為單位面積自然落粒量Wg0。割曬試驗(yàn)結(jié)束后，人工將實(shí)際割幅寬度、長度為1 m面積內(nèi)割倒鋪放的油菜搬運(yùn)走，揀起落粒、掉穗和漏割穗，脫粒清選干凈后稱量籽粒質(zhì)量，換算為單位面積損失籽粒質(zhì)量Wg1。割曬機(jī)單位面積實(shí)際損失量Wg=Wg1-Wg0。按下式計算損失率：

式中Wgs1為單位面積實(shí)際損失量，g/m2；L為測試區(qū)長度，m；W為測定區(qū)內(nèi)接取籽?？傎|(zhì)量，g。

田間試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5可知，油菜鋪放角平均值為28.3°，與預(yù)測值的相對誤差為5.6%；平均鋪放角度差為5.4°，與預(yù)測值的相對誤差為12.5%；鋪放寬度變異系數(shù)為9.6%，與預(yù)測值的相對誤差為15.6%，鋪放高度變異系數(shù)為8.6%，與預(yù)測值的相對誤差為11.7%，鋪放損失率為0.73%，純作業(yè)生產(chǎn)率為1.11 hm2/h，所構(gòu)建的鋪放質(zhì)量預(yù)測模型較為準(zhǔn)確，油菜鋪放角度小于對照標(biāo)準(zhǔn)，鋪放角度差、鋪放寬度變異系數(shù)、鋪放高度變異系數(shù)較小，損失率低，滿足油菜分段收獲割曬作業(yè)的需求。晾曬4 d后，莖稈含水率和籽粒含水率分別由73.8%和37.9%降低至47.9%和9.7%，相較晾曬前分別降低了35.1%和74.4%，有利于后續(xù)撿拾脫粒清選。

為檢驗(yàn)傾斜式油菜割曬機(jī)對各區(qū)域油菜的適應(yīng)性，分別于2020年5月7日、5月18日、5月26日和9月16日在四川成都、安徽巢湖、江蘇大豐和甘肅張掖開展應(yīng)用效果試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)具對長江上中下游冬油菜和北方春油菜的適應(yīng)性，如圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，傾斜輸送式油菜割曬機(jī)在面對多種類型的油菜時均可順暢輸送并整齊側(cè)邊鋪放，滿足長江流域冬油菜和北方春油菜等廣泛種植區(qū)域油菜分段收獲割曬需要。

5 結(jié) 論

1）針對高大分枝多生物量大的油菜切割輸送鋪放過程中分枝牽扯、架空導(dǎo)致側(cè)向輸送難、割幅內(nèi)鋪放空間小的問題，提出了適應(yīng)高大多分枝油菜的傾斜輸送原理，設(shè)計了傾斜輸送式油菜割曬機(jī)，通過大傾角割曬臺提升油菜的橫向輸送能力和鋪放空間。

2）分析了油菜莖稈順暢輸送鋪放的幾何條件，明確了傾斜輸送式油菜割曬機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，探明了影響傾斜輸送式油菜割曬機(jī)鋪放質(zhì)量的關(guān)鍵因素及其參數(shù)范圍：撥禾輪轉(zhuǎn)速26～38 r/min，輸送帶線速度1.4～1.8 m/s和輸送裝置傾角10°～30°。

3）以鋪放角度、上下層鋪放角度差、鋪放寬度變異系數(shù)和鋪放高度變異系數(shù)為評價指標(biāo)，開展了鋪放質(zhì)量二次回歸正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果方差分析表明，輸送裝置傾角對鋪放角度、鋪放角度差、鋪放寬度變異系數(shù)和鋪放高度變異系數(shù)的影響均最為顯著，較優(yōu)參數(shù)組合為撥禾輪轉(zhuǎn)速35 r/min，輸送帶線速度1.5 m/s，輸送裝置傾角27°。

4）傾斜輸送式油菜割曬機(jī)作業(yè)質(zhì)量田間試驗(yàn)表明，較優(yōu)參數(shù)組合條件下割曬油菜的平均鋪放角為28.3°，與預(yù)測值的相對誤差為5.6%；上下層平均鋪放角度差為5.4°，與預(yù)測值的相對誤差為12.5%；鋪放寬度變異系數(shù)為9.6%，與預(yù)測值的相對誤差為15.6%，鋪放高度變異系數(shù)為8.6%，與預(yù)測值的相對誤差為11.7%，鋪放損失率為0.73%，純作業(yè)生產(chǎn)率為1.11 hm2/h，滿足多熟制油菜分段收獲需要。