基于二次通用旋轉回歸試驗的振動深松鏟參數優化

李霞 湯明軍 王維新 張思遠

摘要：為確定受迫振動深松鏟的關鍵參數，以前進速度、振動頻率、振動角作為試驗因素，以牽引阻力作為相應指標，首先采用單因素試驗設計進行室內土槽試驗，確定在牽引阻力最小的情況下，振動頻率為8.3～9.2 Hz，振動角度約為0°，前進速度為3 km/h；然后采用二次通用旋轉回歸試驗設計對試驗參數進行優化，通過DPSv7.05軟件對試驗數據進行處理，建立相應指標與影響因素之間的回歸數學模型。通過響應面分析，得到前進速度、振動頻率與牽引阻力的關系圖、等高線圖。得出前進速度、振動頻率、振動角對牽引阻力的最優參數組合：振動頻率為8.35 Hz、前進速度為3 km/h、振動角為0°，為振動深松機的優化設計提供了參考。

關鍵詞：二次通用旋轉；回歸試驗；農業機械；優化；振動深松鏟

中圖分類號：S222.19 文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0403-04

土壤深松可以替代長期淺層旋耕、翻耕作業，已有研究表明，深松可以打破犁底層，增加土壤耕層容量，降低土壤容重、堅實度，增強蓄水保墑能力，有利于作物根系生長，可有效避免作物倒伏，最終增加作物產量[1-4]。

我國從20世紀60年代開始展開進行深松技術的研究和推廣，并取得了良好的效果。振動深松鏟是受迫振動深松機的關鍵部件，其結構參數和工作性能直接影響受迫振動深松機的作業質量。國內很多高校和研究院所也對深松鏟的設計和性能做了大量研究工作[5-9]。國內深松機的深松鏟可分為箭式、鑿式、翼鏟式和仿形深松鏟等[10-11]，但深松鏟所受牽引阻力較大，動力消耗較高，目前研究表明，采用振動原理能有效降低牽引阻力，深松振動減阻方法可分為自激振動、受迫振動[12-14]。Shahgoli等設計了雙齒受迫振動深松機，研究振動深松系統動態響應與拖拉機人員工作座位振動之間的關系[15]。李艷龍等設計了受迫振動式深松鏟，試驗證明該振動深松機能使牽引阻力有效降低13%～18%[16]。蔣建東等針對茶園振動深松機功率不足的問題，采用ALE算法通過試驗分析了深耕鏟-土壤的動力學模型，結果表明：振動頻率 25 Hz、振幅14 mm時，振動切削阻力最小，且降幅約為22%[17]。周桂霞等通過多因素多水平二次正交旋轉回歸試驗，對鑿尖加小雙翼形深松鏟的研究表明：翼張角31.87°、刃角20.78°、翼傾角21.44°時，深松鏟所受牽引阻力最小[18]。

針對現有深松機械阻力大、能耗高的問題，結合振動減阻的優點，本研究利用自制受迫振動深松機進行試驗，建立牽引阻力與機器行進速度、振動頻率、振動角的數學模型，并對試驗參數進行優化分析，確定前進速度、振動頻率、振動角的最優參數組合，以期為后續受迫振動深松鏟的設計優化提供參考。

1材料與方法

1.1試驗裝置

如圖1所示，本試驗通過偏心軸實現受迫振動深松減阻，其中振動機構主要由偏心軸、十字連接器、深松鏟等組成。工作時，拖拉機動力輸出軸輸出動力，驅動偏心軸轉動，通過十字連接器將偏心軸的轉動轉變為振動機構的上下振動，最后帶動深松鏟振動，完成土壤深松作業。

1.2試驗方法

1.2.1單因素試驗

利用智能土槽試驗臺進行室內土槽試驗，試驗中土壤物理特性盡量保持一致：土壤含水率控制在14%～18%，土壤堅實度控制在1.6～2.0 MPa，土壤容重控制在1.50～1.75 g/cm3。為了保證試驗的準確性，每次試驗要嚴格控制土壤的物理條件，盡量縮小試驗的組間差異。

以前進速度v、振動頻率f、振動角β為試驗因素，以牽引阻力F為指標進行單因素試驗。

1.2.2二次回歸通用旋轉試驗在單因素試驗的基礎上，選取前進速度v、振動頻率f、振動角β為控制因素，以牽引阻力F為指標進行二次回歸通用旋轉組合試驗[19-20]，建立各因素與牽引阻力間的定量關系，對試驗參數進行進一步優化。其中，振動頻率通過改變拖拉機的檔位，即動力輸出軸轉速實現；振動角度通過改變振動深松鏟的安裝位置調整。本試驗中確定5個不同位置的深松鏟安裝圓孔，圖2顯示3種不同振動角的振動深松鏟的安裝位置。

根據二次通用旋轉回歸試驗設計方案，試驗因子數p=3，選取m0=6，查二次回歸旋轉設計表得γ=1.682，由方程（1）得出試驗次數N=20次，相應公式：

2結果與分析

2.1前進速度對牽引阻力的影響

將前進速度分別設為1.0、1.5、2.0、2.5、30 km/h，以不振動試驗作為對照試驗組，分別測定牽引阻力的大小，試驗結果分別見圖3、圖4。2.3振動角對牽引阻力的影響

從圖6可以看出，振動角對牽引阻力具有一定影響，牽引力隨振動角的變化先減小后增大再減小；當振動角為0°時，牽引阻力最小。

2.4二次回歸通用旋轉試驗結果

按照二次回歸通用旋轉設計的基本原理與主要程式，編制試驗方案。得到以牽引阻力F為響應指標、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型，并進行相應的回歸模型分析[21-22]，試驗方案與結果見表3。

2.5回歸分析

利用DPS v7.05軟件對表1試驗數據進行二次通用旋轉回歸分析，牽引力F回歸方程模型：

y=1 249.2+119x1-81.3x2-159.3x3+2x12-100x22+300x32-7.3x1x2-56.8x1x3-76.7x2x3。

式中：x1、x2、x3分別為前進速度、振動頻率、振動角的水平編碼。

為檢驗回歸方程的顯著性，對回歸方程進行F檢驗和t檢驗，基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗結果見表4。

由表4可知，F1=12.59>F0.1（5，5）=3.45，顯然說明回歸方程是失擬的；但在試驗中心處，方程在試驗中心擬合得很好，由于F2=5.14>F0.1（9，10）=2.35，表明牽引力回歸方程在α=0.1水平下顯著。

回歸系數在回歸方程中，每個因素的1次項、2次項以及因素間的交互項對試驗指標的效應是否顯著，用t檢驗表明，被檢驗的回歸項在α=0.1水平下顯著，通過DPS v7.05分析軟件得出各個系數的顯著性見表5。

以下是α=0.1顯著水平剔除不顯著項后，簡化后的回歸方程：

3結論

根據二次回歸通用旋轉試驗設計方法，建立影響因素與牽引阻力之間的數學回歸模型，并研究前進速度、振動頻率、振動角度對牽引阻力的影響。在單因素試驗中確定各因素對指標影響的水平范圍，為二次回歸通用旋轉試驗的因素水平的確定提供了依據。綜合單因素、二次回歸通用旋轉試驗結果可得：當前進速度為3 km/h、振動頻率為8.35 Hz、振動角為0°時，牽引阻力處于最佳范圍。由于土壤情況差異較大，通過驗證性試驗，優化組合參數可以作為受迫振動深松機設計的依據。

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[FK（H0265。54ZQ]〖HTH〗更正：《江蘇農業科學》2016年第44卷第7期116-120頁所刊論文《大蒜根系水提液對不同品種紅小豆幼苗生長及生理特性的影響》，第一作者簡介中的“山西運城人”應該為“山西晉城人”，特此更正。