玉米根茬挖切裝置功耗影響因素試驗研究

陳美舟，李其昀，程修沛，賈曉東

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博　255049)

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玉米根茬挖切裝置功耗影響因素試驗研究

陳美舟，李其昀，程修沛，賈曉東

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博255049)

摘要：針對秸稈還田機對根茬處理效果較差、功率損耗較大等問題，提出了一種安裝在玉米秸稈還田機上的玉米根茬挖切裝置。以刀軸轉速、臺車前進速度、挖茬深度為因素，挖茬功耗為指標，運用二次回歸正交旋轉試驗方法安排試驗，建立了挖茬功耗與各影響因素之間的回歸數學模型。通過Design-Expert 8.0軟件對試驗參數進行優化，確定刀軸轉速640r/min，臺車前進速度1.2m/s，挖茬深度31mm為最佳參數組合，此時玉米根茬挖切裝置的挖茬功耗為615W，表明該組合下試驗誤差較小。同時，對刀軸轉速做了單因素試驗，用Origin 8.0進行數據擬合并繪圖，計算顯示：固定挖茬深度為31mm、臺車前進速度為1.2m/s條件下，完成根茬挖切作業的最低刀軸轉速為626r/min。

關鍵詞：玉米根茬挖切裝置；挖茬功耗；正交試驗；影響因素

0引言

近年來，保護性耕作技術及理念在我國一年兩熟種植區得到了大力推廣，秸稈還田機得到了較好的應用，技術趨于成熟，結構很完善，秸稈還田的效果也得到了認可。國外的秸稈還田機技術起步較早，對秸稈還田機通常進行專門的設計，以適應不同作物的粉碎需求，并可以通過更換部件實現一機多用。大多數地區采用的保護性耕作方案是秸稈回收利用或還田之后留茬免耕播種[1]。作業時，秸稈還田機通常被安裝在玉米聯合收獲機或拖拉機上使用。目前，對在秸稈還田機上安裝玉米根茬挖切裝置的研究較少，主要應用的是立式切茬裝置。這種裝置作業時會留下較深的溝壑，影響下茬作物的播種深度，從而影響下茬作物的出芽率；另外，由于入土較深等問題導致功耗很大。現在的秸稈還田機不能將倒伏的玉米莖稈進行撿拾和打碎，不能對根茬進行處理，殘留的秸稈和根茬也不易腐爛，進行免耕播種時，極易引發秸稈纏、堵等現象導致無法正常作業；同時，秸稈還田機作業時的打土現象也增加了刀具的磨損及較大的功耗，增加了農民的作業成本[2-4]。為此，本文提出在秸稈還田機上增加一套臥式玉米根茬挖切裝置，并在室內土槽進行試驗研究，尋找合理的結構及工作參數，以期提高莖稈及根茬的還田率，降低能量消耗。

1玉米根茬挖切裝置工作原理

玉米根茬挖切裝置由挖茬刀、螺桿、間隔套、回轉刀軸、固定板及軸頭等組成，如圖1所示。

圖1　玉米根茬挖切裝置配套還田機

每組挖茬刀通過螺桿兩端對稱的安裝在螺桿上，挖茬刀用硬度較強的薄螺母固定，每個回轉刀軸上垂直交錯安裝6組挖茬刀。玉米根茬挖切裝置工作時通過側板懸掛在還田機的前側，通過鏈輪進行傳動。室內試驗時，將玉米根茬挖切裝置安裝在機架上，挖茬刀軸由電機帶動，試驗臺(見圖2)由臺車牽引，刀軸向后旋轉切斷根茬，并將根茬向后拋向還田機，同時撿拾倒伏的玉米秸稈，達到設計目的。玉米根茬挖切裝置的設計通過間隔套與螺栓固定刀片，可以增加刀片的旋轉半徑，同時減少刀片切土時的阻力[5-7]。

2試驗準備

為了更好地模擬玉米根茬在田間的實際情況，在山東理工大學試驗田統計玉米相關參數[8]。收獲玉米后，用鐵鍬將玉米根茬連同土壤一起挖出，取回后按田間實際植株間距將根茬埋入土槽的土壤中。土槽的土壤是從試驗田取回的黃壤土，經過處理后接近實際指標。利用浙江托普儀器有限公司生產的 TJSD-750型數字式土壤緊實度儀對玉米試驗田的土壤堅實度及含水率進行直接測量。準備過程中，整平壓實土壤，定期灑水，使玉米根茬與土槽內的土壤成為一體，待水分散發后開始進行測試[9]。

1.機架　2.玉米根茬挖切裝置　3.擋土板　4. 傳動系統

3試驗方法及設備

3.1　試驗指標

試驗指標是挖茬合格率Y和消耗功率W，每個行程測1點，每點取1個工作幅寬乘1m的面積，測定地底的挖茬深度范圍內的所有根茬。根據玉米根茬的結構特點[10]，將平均深3～5 cm的根上節切開，就可以將玉米根茬打散，利于根茬的腐爛。測定總的根茬數量B和合格的根茬數量b，計算公式為

Y=(b/B)×100%

(1)

消耗功率W的采集主要使用GDW3001三相電參數測量儀，通過三相三線接法，電功率通過GDW3001三相電參數測量儀傳輸到調速電機，同時數據線與電腦連接，實時把采集到的功率數據傳送到電腦上并顯示記錄下來。

3.2　挖茬刀參數

挖茬刀參數如表1所示。

表1　挖茬刀參數

3.3　試驗設備

玉米根茬挖切裝置試驗臺；土槽試驗臺車；Y系列減速電機；TJSD-750型數字式土壤緊實度儀；電子天平，精度為0.001 g; 游標卡尺；卷尺；三星 HMX-F90型號數碼攝像機；GDW3001三相電參數測量儀及顯示記錄系統(筆記本)。

3.4　響應面分析優化設計試驗條件

3.4.1試驗因素及水平選取

對玉米根茬挖切裝置挖茬功耗進行分析，選擇刀軸轉速n、臺車前進速度v及挖茬深度h為試驗因素[11-12]，各因素及水平編碼值[13]如表2所示。

表2　因素水平編碼

3.4.2試驗安排及結果

根據對試驗指標的分析，建立挖茬試驗的模型[14-15]。為了盡可能全面的分析各因素的影響，又能夠減少試驗的次數，同時對試驗的結果做出比較準確的分析，選用二次回歸正交旋轉組合試驗的設計方案，安排30組試驗，每組試驗重復3次，以平均值作為試驗指標。試驗安排及結果如表3所示。

表3　試驗安排及試驗結果

續表3

4結果與討論

4.1　挖茬功耗模型建立

根據試驗的結果建立挖茬功耗的回歸方程，并對該模型進行方差分析和矢擬檢驗，如表4所示。從結果來看，p<0.000 1，說明回歸方程的關系極其顯著；模型的失擬p=0.172 1>0.05,不顯著，說明該方程可對真實的試驗效果進行擬合。

表4　回歸方程方差分析

續表4

從方差分析可以看出：刀軸轉速和挖茬深度是影響試驗裝置挖茬功耗的顯著因素，而臺車前進速度對挖茬功耗的影響相對較小。挖茬功耗與各因素編碼之間的回歸方程為

(2)

4.2　各因素交互作用分析

為了更加直觀、明了地反映各因素對挖茬功耗的影響，利用Design-Expert 7 軟件，依據回歸方程式，繪出二次回歸方程的響應面及等高線圖，如圖3所示。

由圖3(a)可以看出：挖茬功耗受挖茬深度的影響較大，受刀軸轉速的影響較小。這是因為挖茬深度直接挖茬刀阻力的大小，挖茬越深，切削刃受力越大，消耗的功率越多。由圖3(b)、(c)均可以看出：臺車前進速度對挖茬功耗的影響最小。這是因為玉米根茬挖切裝置切茬時，主要靠刀軸帶動刀片旋轉切削入土，形成剪切作用，臺車前進速度對切削刃的入土作用影響很小。同時，土壤硬度、土壤含水率等因素都會對挖茬過程中切削刃的作用產生影響[16]，作為次要因素后續將繼續進行研究。

對回歸方程求一階偏導，得到挖茬功耗最小值時各參數的最優組合：刀軸轉速640r/min，挖茬深度31mm，臺車前進速度1.2m/s。在此最佳參數組合下玉米根茬挖切裝置試驗的挖茬功率為615W。

圖3　各因素交互作用響應面

4.3　驗證試驗

根據回歸方程的優化結果對最佳參數組合進行試驗驗證，試驗結果及與理論值的誤差如表5所示。

表5　試驗結果及誤差

續表5

挖茬功耗平均值為612W，相對誤差平均值為2.49%。試驗結果接近參數優化區域，所以優化結果可以作為玉米秸稈還田機挖茬還田裝置的最佳參數組合。

4.4　單因素試驗

由二次回歸正交旋轉組合試驗可以看出：刀軸轉速和挖茬深度對挖茬功耗與挖茬合格率都有顯著影響，設計希望玉米根茬挖切裝置刀刃以較低的旋轉速度切挖根茬，在功耗盡可能小的情況下獲得較好的挖茬效果。同時，試驗在保證挖茬合格率100%的條件下，盡可能降低挖茬深度。由二次回歸正交旋轉組合試驗得到的挖茬功耗最小值時的參數組合中，挖茬深度相對比較符合預期。保持其他因素處于優水平前提下尋找能完成挖切玉米根茬主根的最低刀軸轉速，為此對影響挖茬合格率比較顯著的刀軸轉速做單因素試驗。其中，固定挖茬深度為31mm，臺車前進速度1.2m/s。

試驗數據及Origin擬合如表6和圖4所示。擬合之前對數據進行預處理，刀軸轉速為660r/min時，3組y值均為100%, 此組數據是根茬完全被挖掉的情況，對應的挖茬合格率應超過100%。由于無法具體表示只能用100%表示，故不應將其加入擬合數據行列，將其作mask處理[17](mask處理即Orign軟件中的功能，可以屏蔽某些不希望參與分析與擬合的數據)，擬合時不將其考慮在內。將所有數據用Origin進行擬合，選擇的函數的模型為三次函數。擬合的三次函數的曲線為

y=1576.38-8.6x-9.73x3

(3)

由Origin分析后可知：當y在100%附近時，對應的x值為626。由于R2=0.9813>0.9025，擬合效果良好，可以相信Origin擬合及預測的結果。即在固定挖茬深度為31mm、臺車前進速度1.2m/s條件下，完成根茬挖切作業的最低刀軸轉速為626r/min。

表6　刀軸轉速x對挖茬合格率y的單因素試驗數據

圖4　單因素試驗數據散點圖及擬合圖

5挖茬試驗分析

根據玉米根茬的特點，將玉米根茬的主根破開，既利于根茬的腐爛，不影響下季作物的播種與生長，又不破壞根系與土壤的復合特性，保護土壤結構，實現保護性耕作。隨著入土深度的增加，切碎主根的同時也增加刀具入土時消耗的動力，因此需要通過試驗研究及數據分析，得到玉米根茬挖切裝置的結構及工作參數的最優組合，以期降低農民作業的成本。試驗獲得的挖茬的玉米根茬形態符合預期要求。

6結論

1)根據二次正交旋轉回歸試驗設計方法，利用Design-Expert 7軟件建立了影響因素與玉米根茬挖切裝置挖茬功耗之間的數學回歸模型，并通過交互作用分析了各因素對挖茬功耗的影響。

2)通過對挖茬功耗回歸方程的優化設計得到最佳參數組合：刀軸轉速640r/min、挖茬深度31mm、臺車前進速度1.2m/s，此時玉米根茬挖切裝置的挖茬功耗具有最小值615W。

3)驗證試驗表明：挖茬功耗平均值為612W，其結果接近裝置的挖茬功耗理論值(615W)，表明優化參數組合可以作為玉米秸稈還田機根茬挖切裝置的最佳依據。

4)利用Origin 8.0進行擬合，刀軸轉速x對挖茬合格率y的單因素試驗數據顯示固定挖茬深度為31 mm、臺車前進速度1.2m/s下，擬合的三次函數的曲線為y=1 576.38-8.6x-9.73x3，完成根茬挖切作業的最低刀軸轉速為626r/min。

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Experiment of Influencing Factors of Power Consumption on the Digging and Cutting Corn Rootstalks in Soil-bin

Chen Meizhou, Li Qiyun, Cheng Xiupei， Jia Xiaodong

(School of Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract：Based on the problem of poor effect for corn rootstalk and the large loss of power, a new device for digging corn rootstalk was proposed by corn straw returning machine.The two times orthogonal rotational regressive tests were designed in the experiment. The rotating speed of the blade shaft, the forward speed and the digging depth were defined as input parameters, the power consumption of digging and the percent of pass of digging corn root stalk were defined as output parameters. The regression mathematics models between output parameters and input parameters were established and then parameters were optimized through Design-Expert 8.0.The analysis indicated that the regression equation can fit the test effect of real situation better. In order to react the influence of various factors for the power consumption of digging more intuitively and clearly, the response surface and contour map of the quadratic regression equation were plotted with Design-Expert 8.0. According to response surface plots of each factor, the digging depth of blades has greater influence than the rotating speed of the blade shaft of the digging mechanism, and the forward speed had least influence on the power consumption. The resistance of the blades when graving was the main reason of influencing the power consumption. The optimal combination was that the rotating speed of 640r/min, the forward speed of 1.2m/s, and the digging depth of 31 mm, at that time the power consumption of 615W. Confirmatory tests showed that the inaccuracy was little, so the optimization results can be used as the optimal parameter combination. The digging depth of 31 mm was in line with expectations relatively. So in this time under the condition of 100% percent of pass of digging, single factor experiment was conducted on rotating speed under fixed forward speed of 1.2 m/s and digging depth of 31 mm.The drawing was plotted and the data was fitted by Origin software. The computation indicated the lowest value of rotating speed for finishing rootstalk digging work was 626 r/min under fixed forward speed of 1.2m/s and digging depth of 31 mm. The broken corn rootstalk can not only be conducive to rot but protect soil structure.

Key words：digging device; power consumption; orthogonal experiments; influencing factors

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0139-06

作者簡介：陳美舟(1989-)，女，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail)chenfeng2830@163.com。通訊作者：李其昀(1957-)，男，山東淄博人，教授，碩士生導師，(E-mail)liqiyun@sdut.edu.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(200903059-0402)；山東省科技發展計劃項目(2010GNC10965)；山東省自然科學基金專項(ZR2009DL012)；山東省自然科學基金項目(2010 ZRE04018)；農業科技成果轉化資金項目(2014)

收稿日期：2015-09-22