喂入角對玉米莖稈切碎效果的試驗分析

魏元振，李其昀，尹成海，劉慶國，孫雪峰，曹樹紅

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南　250100；2.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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喂入角對玉米莖稈切碎效果的試驗分析

魏元振1，李其昀2，尹成海2，劉慶國1，孫雪峰2，曹樹紅2

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南250100；2.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博255049)

摘要：搭建了喂入角可調式玉米摘穗切莖試驗臺，對影響玉米植株切碎合格率的主要因素進行了正交試驗，較優組合為喂入角90°、行進速度0.7m/s、摘穗輥轉速1 000r/min、動刀軸轉速1 980r/min、喂入角對其有顯著影響：喂入角0°時，玉米植株運動發生90°轉向，出現嚴重喂入不暢，切碎合格率約為72.8%；喂入角30°時，在喂入過程中，依然有喂入不暢通，產生間歇性，影響了莖稈切碎效果，切碎合格率約為87.6%；喂入角90°時，摘穗輥旋轉有助于玉米植株的喂入及切碎，切碎合格率約為97.6%。同時，通過分析玉米植株受切運動，推導出數學模型，并運用高速攝像技術對運動軌跡進行同步捕捉追蹤，經MatLab擬合處理，找到了喂入角對切碎效果影響的關鍵因素。

關鍵詞：玉米植株；喂入角；切碎合格率

0引言

隨著國家加大推廣力度，玉米收獲的機械化進程已提速[1]。為提高機器收獲效率、降低生產成本、提高農民收入、增加收益，集成、聯合已經成為主要創新模式，玉米摘穗與植株還田于一體的割臺結構方式也正在成為主流[2-3]，這也十分有利于秸稈還田[4-5]技術的實施，還田后覆蓋對土壤質量和糧食增產也具有積極影響[6-7]。摘穗關鍵部件摘穗輥有很多結構形式，如三段式、螺旋表面結構式等[8-12]。橫臥輥式玉米摘穗方式的出現豐富了摘穗形式，但這種與傳統摘穗方式有較大區別，采用0°轉90°喂入，而且不與切碎還田裝置配合使用。或者說，通過改變摘穗輥的角度實現玉米植株喂入角的改變來影響切碎合格率的研究尚未發現。

本試驗搭建了喂入角可調式玉米摘穗切莖試驗臺，對不同喂入角度情況下，完成正常摘穗的同時，影響植株切碎合格率的主要因素進行研究；借助高速攝像技術，對玉米收獲過程中的植株運動軌跡進行捕捉和追蹤，采集試驗數據，得出玉米植株在該試驗臺中的運動規律，并分析其不同角度下的切碎效果；通過試驗確定玉米植株最優喂入角，為優化設計該類玉米收獲還田機型奠定基礎。

1組成結構及工作原理

喂入角可調式玉米摘穗切莖試驗臺主要由變向喂入摘穗裝置、臥式片刀切碎裝置、傳動系統、監控系統和機架組成，如圖1所示。其中，內、外圓套筒嵌套形成一對旋轉副(見圖2)，以此改變喂入角。玉米收獲過程中，高速攝像機記錄不同喂入角下玉米植株的運動軌跡，并進一步分析喂入角對切碎合格率的影響。

1.機架　2.摘穗輥　3.U型螺栓　4.內套筒　5.外套筒

圖2　試驗臺喂入角示意圖

2建立數學模型

為分析玉米植株在不同喂入角下受切運動規律，尋找對切碎合格率影響的關鍵因素，建立了數學模型。同時，假設玉米植株為剛性體，其切碎過程為動刀片與植株接觸瞬間到植株被切斷階段。

設以刀盤旋轉中心為坐標系原點，機器水平前進方向定義為x軸負向，y軸正向垂直向下(見圖3)，建立平面直角坐標系，動刀片旋轉平面即為坐標系所在平面。開始時，動刀片端點位于刀盤正前方水平位置，并且使其與x軸正向重合；一對相對旋轉的摘穗輥及其表面的螺旋筋使瞬間質點1向后下方運動，質點2在切碎動刀片及機器前進的作用下運動軌跡為余擺線，通過矢量運算建立質點1的位移關于時間的函數[13-15]。下面分別以質點為研究對象，單獨建立函數，最后再進行疊加。

圖3　試驗地處理方案

2.1建立函數

質點1受到摘穗輥向后和向下的力，產生相應方向的位移，則有

(1)

玉米植株切碎裝置置于摘穗裝置的下方，切碎和摘穗同時進行。摘穗輥直徑D=60mm，臥式摘穗輥的頂圓線速度為3.3～3.8m/s，取3.3m/s，則摘穗輥轉速n′=1 050r/min。在相對旋轉的摘穗輥作用下，玉米植株被向下拉伸，則植株相對于摘穗輥的徑向速度計算公式為

(2)

質點1沿摘穗輥軸向方向的位移為

(3)

質點1垂直摘穗輥徑向向下的位移為

s2=v′t

(4)

玉米植株相對機器的位移為

x2=-vmt

(5)

同理，質點2受到動刀片作用力情況下的位移為

(6)

函數矢量運算合成為

(7)

整理得到玉米植株運動位移時間函數為

(8)

t∈[0,0.014]

式中n′—摘穗輥轉速；

ε′—莖稈沿徑向移動的打滑率；

s′—摘穗輥螺距；

α—摘穗輥軸線與水平面之間的銳角；

R—動刀片端點轉動半徑；

ω—刀盤旋轉角速度；

vm—機器行進速度；

t—動刀軸(指切碎裝置，下同)旋轉150°所需的時間。

2.2一次坐標變換

喂入角γ的改變導致需要再次進行坐標系的轉換，得到x″oy″直角坐標系下的函數為

t∈[0,0.014]

2.3二次坐標變換

試驗過程中，將高速攝像機以β=45°放置，即高速攝像機和y軸所在平面與xoy平面所成銳角β=45°，拍攝圖像如圖4所示。進行坐標系轉換，得到直角坐標系xoy下的函數為

t∈[0,0.014]

(11)

t∈[0,0.014]

圖4　高速攝像機拍攝切碎過程圖像

3正交及單因素試驗

以黃淮海地區普遍種植的魯單818為試驗材料，將試驗田劃分為24等份，隨機抽取10片區域，每片區域分別隨機抽取30株玉米進行試驗。

試驗方案：首先根據試驗要求進行正交試驗，喂入角水平選為0°、45°、90°，然后將正交試驗的較優組合作為前提，確定行進速度、摘穗輥轉速和動刀軸轉速3個因素的水平值不變，對喂入角進行單因素試驗，喂入角水平選為0°～90°，研究喂入角對玉米植株切碎效果的影響，并確定最優喂入角。

3.1正交試驗

試驗因素：喂入角、行進速度、摘穗輥轉速和動刀軸轉速。各試驗因素水平分別為：喂入角0°(1)、45°(2)、90°(3)；行進速度0.5(1)、0.7(2)、1(3)m/s；摘穗輥轉速1 000(1)、1 050(2)、1 100(3)r/min；動刀軸轉速1 580(1)、1 780(2)、1 980(3)r/min。

試驗指標為

正交試驗結果如表1所示。由表1分析可見：影響切碎合格率的因素按極差由大到小排列依次為喂入角、摘穗輥轉速、動刀軸轉速、行進速度；喂入角度的極差值Rj為15.67遠大于其他3個因素的值，由此喂入角度的變化對玉米植株的切碎合格率影響顯著，隨著喂入角的增加，平均切碎合格率整體呈上升趨勢。本試驗只有第5、7、8組數據達到國家秸稈切碎合格率標準的要求，這說明此三組試驗中各因素有效配合度較高。影響切碎合格率各因素的較優水平為喂入角90°、行進速度0.7m/s、摘穗輥轉速1 000r/min、動刀軸轉速1 980r/min。

3.2單因素試驗

在正交試驗基礎上，分析得出喂入角度對切碎合格率的影響顯著，固定其他3個因素水平：行進速度0.7m/s、摘穗輥轉速1 000r/min、動刀軸轉速1 980r/min；對不同喂入角(0°～90°)進行單因素試驗，分析喂入角對切碎合格率的影響；重復試驗5次(剔除同一試驗水平下的數據幅度變化較大者)取平均值。

由圖5可知：切碎合格率大體上隨著喂入角的增加而增大。喂入角0°時，玉米植株運動發生90°轉向，產生動力沖擊，切碎合格率約為72.8%；0°～40°時，切碎合格率并未達到行業規定的相關指標，因為玉米植株橫向輸送距離較長，在很短的時間內，定刀與動刀的相切將玉米植株卡住現象較為嚴重，阻礙了摘穗輥對莖稈的橫向輸送，整個輸送過程是間歇、不連續的；45°～75°時，切碎合格率變化甚微，約為92.1%；90°時，不存在玉米植株的橫向輸送，切碎合格率約為97.6%。

表1　正交試驗安排與結果

圖5　喂入角對切碎合格率的影響

4玉米植株受切運動規律分析

通過數學模型和試驗數據驗證，取喂入角度為30°和90°，對玉米植株的受切運動規律進行分析，結果分別如圖6和圖7所示。

4.1喂入角為30°

將喂入角γ=30°代入式(11)，得到函數

(12)

t∈[0,0.014]

如圖6可見：玉米植株在摘穗和切碎的綜合作用下，喂入角為30°時，經MatLab試驗數據處理得x-y位移三次擬合方程為y=97.67x3+13.88x2-0.22x-0.032，擬合度為R2=0.783。

圖6　喂入角30°運動軌跡(x- y)

4.2喂入角為90°

將喂入角γ=90°代入式(11)，得

(13)

如圖7可見：擬合曲線是五次多項式擬合，擬合方程為y=4.7742x5+0.6501x4+0.0469x3-0.0015x2-0.0002x，擬合度R2=0.835。理論曲線和實測擬合曲線變化規律基本相同，值得注意的是大約在x坐標(-0.05,0.03)上，實測擬合曲線出現了較大波動。經多次試驗觀察發現：這一階段正是摘穗輥摘穗的時間，也就是說波動來源于摘穗輥摘穗。在摘穗過程中，玉米植株受到摘穗輥的力是先增大后減小，摘穗時由于要把果穗摘下，摘穗輥加大對植株的向下的拉力，此時植株在運動過程中有瞬間的停頓；摘穗后，受慣性及摘穗輥力的作用，玉米植株向下運動速度加大，所以運動曲線在此時波動較大，對切碎效果也產生了一定負面影響。

圖7　喂入角90°運動軌跡(x-y)

由圖6、圖7可見：理論曲線和實測擬合曲線變化規律基本相同，運動位移分布形態類似。相同時間段內t=[0,0.014]，喂入角90°時，x軸位移幅度較大，即行進方向玉米植株輸送速度較快，摘穗輥輸送順暢，有效保證了切碎效果。

5結論

目前，關于玉米植株在臥式固定割臺中運動規律的相關研究相繼出現[16-17]，而本研究是在切碎裝置采用臥式片刀切碎裝置的一種情況下進行的。建議對與甩刀式及立式切碎裝置等形式進行相應對照試驗，以期確認其影響。本次研究結論如下：

1)切碎合格率與喂入角成正相關，切碎合格率隨著喂入角的增加而增大。喂入角為0°時，切碎合格率并未達到行業規定的相關指標。其原因：一方面是由于橫向切碎時，玉米植株在喂入通道上，因定刀與動刀瞬間、間斷性形成重合而封閉空間，導致輸送過程具有間歇性，影響了切碎效果；另一方面0°喂入角是否適合配置本試驗臺中的切碎裝置，尚屬未知，對于配置甩刀式或者立式切碎裝置對切碎效果的影響也有待進一步研究。喂入角為 90°可以得到最高切碎合格率，可達到97.3%。

2)經3次坐標變換推出玉米收獲過程植株運動公式，結合試驗數據并分析可知：在玉米植株喂入角為90°時，摘穗輥相對旋轉對玉米植株的作用力有助于將玉米植株喂入切碎裝置，并得出最優切碎效果。

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Experimental Analysis of Corn Stalks Chopped Effect Based on Different Snapping Rollers Feed Angles

Wei Yuanzhen1, Li Qiyun2, Yin Chenghai2, Liu Qingguo1, Sun Xuefeng2, Cao Shuhong2

(1.Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China; 2.School of Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract：Designed structures and setting up a cut stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable. In order to find out the best level of every factor and the primary and secondary factors in four factors by range analysis of orthogonal test. The results of orthogonal test showed that the optimal of cutting effect of corn on variable feeding angle cutting corn stalks device operation combination was: ear-snapping roll angle 90°, advance speed 0.7m/s, snapping roller rotate speed 1000r/min and knife shaft rotate speed 1980r/min in a given level. Feeding angles have a significant impact to the cutting effect of corn plants on variable feeding angle cutting corn stalks device. The study reaches that when feeding angle is 0°, the chopped pass rate is about 72.8%, because the maize plants movement happened 90 ° steering, producing dynamic impact. And when feeding angle is 30°, the chopped pass rate is about 87.6%. This result is caused by as follows this reason that the transmission process on feeding channel is intermittent caused that the feeding of maize plants is not unimpeded and affects the chopped pass rate. And when feeding angle is 90°, the chopped pass rate is approximately 97.6% because snapping rolls rotation is conducive to maize plants feeding and being chopped. The corn plant function relation between the shear movements is established by analyzing the movement of maize plants in the cutting stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable. The final motion mathematical model between the shear movements is deduced through the two angular adjustments. The motion trajectory of maize plants on the cut stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable was clearly captured and tracked by the high speed photography technology during the experiments. Finally, the drawing was plotted and the test data was fitted by MATLAB software to reveal the essence of chopped effects on the feed angle.

Key words：corn stalks; feed angles; chopped percent of pass

文章編號：1003-188X(2016)06-0194-06

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：魏元振(1985-)，男，濟南人，助理工程師，碩士，(E-mail) w.y.z.321136@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：國家“948計劃”項目(2004-Q1)；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項目(ZR2009DL012，ZR2010CM021)

收稿日期：2015-05-27