玉米秸稈粉碎拋撒裝置工作參數優化及試驗

陳 勇，周福君,2，孫永利，李天宇

(1.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省普通高等學校北方寒地現代農業裝備技術重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引言

玉米秸稈中含有大量有機質，還田作業能夠改善土壤結構和理化性狀，提高土壤保水、保肥能力，優化農田生態環境，是一項重要的生物養地培肥地力的措施[1]，國內學者針對秸稈還田技術進行了眾多研究探討。目前，市場上秸稈粉碎還田主要分為兩種：①配套拖拉機使用的秸稈粉碎還田機[2]；②配套聯合收獲機使用的秸稈粉碎還田裝置，是國內研發熱點之一[3]。

黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的4YZ-8型玉米籽粒聯合收獲機，在玉米收獲時期可以直接實現玉米籽粒收獲與秸稈粉碎還田聯合作業，減少了機具投入，為免耕播種創造作業條件，實現了對土壤的保護[4]。國內現有與聯合收獲機配套使用的秸稈粉碎裝置，多數通過與聯合收獲機排草口相連接，從而對收獲機排草口排出的秸稈進行粉碎拋撒，但存在易堵塞、粉碎效果差、功率消耗較高及拋撒不均勻等問題[5-6]。

本文以提高粉碎效果、拋撒均勻度、減少功率消耗為目標，設計了玉米秸稈粉碎拋撒裝置，并對該裝置進行了參數優化與田間試驗，得出較優參數組合，以期提高裝置工作用性能。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置組成

玉米秸稈粉碎拋撒裝置主要工作部件按機組縱向對稱線左右布置分布，主要由皮帶輪、刀輥轉子、直線型動刀、U型動刀、調心軸承、定刀組、定刀調節把手、物料擋板、分流板、擋板懸掛臂、電動推桿、連接滑道及外殼體等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

該裝置通過連接滑道與玉米籽粒聯合收獲機尾部連接(見圖2)，輸入皮帶輪外側裝有電磁離合器，電磁離合器與粉碎裝置輸入軸通過鍵連接，皮帶輪與輸入軸可以相對轉動。工作時，電動推桿退回工作位置，使粉碎裝置入料口與收獲機排草口相接合，啟動電磁離合器來吸附皮帶輪，使得皮帶輪與動力輸入軸間接形成鍵連接，收獲機輸出軸通過帶傳動方式將動力傳給粉碎裝置輸入軸，從而驅動刀輥轉動。工作室底端安裝定刀片，與動刀片交錯布置。工作中，秸稈及其雜余物從排草口進入粉碎室，經動刀砍切作用與動定刀交錯剪切作用實現粉碎，在動刀高速旋轉形成的氣流作用下，經由排料口排出，通過分流板分流作用均勻拋撒至田間。當無需粉碎拋撒情況下，通過電動推桿將裝置推起，使得皮帶松弛，關閉電磁離合器，皮帶輪與動力輸入軸重新具有相對轉動，粉碎裝置停止工作。

(a) 玉米秸稈粉碎拋撒裝置側視圖

(b) 玉米秸稈粉碎拋撒裝置主視圖

圖2 玉米秸稈粉碎拋撒機構實物圖

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為當年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經過人工處理成500mm左右的長度，平均含水率為27%。

2.2 試驗臺和儀器

試驗臺結構主要由裝置安裝架、電機安裝架、輸送帶及測試裝置組成，如圖3所示。調速電機與測試裝置安裝在電機安裝架上，通過帶傳動方式驅動刀輥轉子運行；動刀線速度通過控制電機轉速來實現；輸送帶用來實現秸稈的喂入過程。

1.輸送帶 2.電機安裝架 3.轉速扭矩傳感器 4.變頻調速電機 5.裝置安裝架 6.玉米秸稈粉碎拋撒裝置

主要測試儀器和設備有：HX-901-200Nm型轉速扭矩傳感器(測量精度0.1級)、三項顯示儀表、M400實時數據采集管理軟件、YP-50-11-4型變頻調速電機、E-800-11-4型變頻器、電子秤(測量精度0.01級)及鋼板尺。

2.3 試驗方法

玉米秸稈粉碎拋撒裝置以實際工作角度安裝到裝置安裝架后，稱取8kg玉米秸稈均勻撒布于輸送帶上，通過控制輸送帶速度使喂入量保持在2kg/s，待粉碎轉子轉速恒定后，啟動輸送帶將秸稈喂入裝置中進行粉碎拋撒試驗[7]，如圖4所示。

2.3.1 試驗設計

為了提高玉米秸稈粉碎拋撒裝置的秸稈粉碎合格率、減少功率消耗，根據現階段國內外秸稈粉碎還田機工作參數，選取因素水平范圍[8-11]。以粉碎長度合格率與功率作為評價指標，以動刀線速度、動刀片厚度、動定刀重疊量作為影響因素。采用中心復合表面組合試驗[12]，各因素水平編碼值和實際值的關系如表1所示，每組試驗重復3次取平均值，在P=0.1水平進行F檢驗。

圖4 玉米秸稈粉碎拋撒試驗

水平因素動刀線速度/m·s-1刀片厚度/mm動定刀重疊量/mm156630046.5520-137410

2.3.2 秸稈粉碎長度合格率與功率的測定

對于玉米、高粱等作物秸稈粉碎合格長度不大于100mm視為合格[13]。粉碎長度合格率計算公式為

(1)

其中，Fh為粉碎長度合格率(%)；Mz為粉碎秸稈總質量(g)；Mb為不合格秸稈質量(g)。

功率消耗由HX-901-200Nm型轉速扭矩傳感器直接測出，并由三項顯示儀表與數字變送器采集，通過電腦進行存儲顯示。

2.3.3 數據處理

試驗數據采用Design-expert8.0.6數據分析軟件進行回歸分析和利用響應面分析法對兩因素間交互效應進行分析。

3 試驗結果與分析

試驗方案與結果如表2所示。

3.1 回歸模型的建立與檢驗

3.1.1 粉碎長度合格率回歸方程

(2)

表2 試驗方案及結果

續表2

表3 粉碎長度合格率回歸模型方差分析

*較顯著(0.05

3.1.2 粉碎長度合格率回歸方程

方差分析結果如表4所示。由表4可知：在此模型中，X1、X2、X12對方程影響極顯著，X1X2影響顯著，X3影響較顯著。經過顯著性檢驗，該模型的F值為1 100.8，p<0.01，說明該模型極顯著。而失擬項的F檢驗結果不顯著(p=0.403 1>0.1)，說明方程在選擇的參數范圍內，擬合度較好。將不顯著項剔除后得到回歸方程為

(3)

表4 功率消耗回歸模型方差分析

3.2 各因素對性能指標影響規律分析

3.2.1 交互因素對粉碎長度合格率的影響

由圖5(a)可知：在同一動定刀重疊量水平下、在動刀線速度水平范圍內，動刀線速度與粉碎長度合格率關系為隨著動刀線速度增加，粉碎長度合格率先增加后平穩且具有下降趨勢。出現這種現象可能原因：由于動刀線速度小于一定值時，動刀偏轉角隨著動刀線速增加而減小，粉碎長度合格率相應增加[14]；當動刀線速度過快時，動刀偏轉角不是主要影響因素，刀輥高速旋轉產生氣流過大，機具運行不穩定，少量輕質秸稈沒有受到動定刀充分剪切作用，僅由動刀單獨沖擊即被排出，導致粉碎長度合格率變化平穩且具有下降趨勢；在刀片厚度水平范圍內，粉碎長度合格率隨著刀片厚度增加大體呈增加趨勢，主要由于刀片質量增加，動刀偏轉角減小且刀輥運轉時動量增大，使得粉碎過程沖擊力變大，對秸稈粉碎具有一定提升效果。動刀線速度在46.5m/s左右、刀片厚度在6mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：動刀線速度對粉碎長度合格率作用的F值為1 349.13，刀片厚度對粉碎長度合格率作用的F值為3.87，因此動刀線速度對粉碎長度合格率的影響大于刀片厚度對粉碎長度合格率的影響。

由圖5(b)可知：在同一刀片厚度水平下，在動刀線速度水平范圍內，動刀線速度與粉碎長度合格率關系為隨著動刀線速度增加，粉碎長度合格率先增加后平穩且具有下降趨勢；在動定刀重疊量水平范圍內，粉碎長度合格率隨著動定刀重疊量增加顯著增加，主要由于動定刀重疊量越大，位于動定刀間的秸稈就越多，秸稈被粉碎的幾率也就越大。動刀速度46.5m/s左右，動定刀重疊量在30mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：動刀線速度對粉碎長度合格率作用的F值為1 349.13，動定刀重疊量對粉碎長度合格率作用的F值為365.02，因此動刀線速度對粉碎長度合格率的影響大于動定刀重疊量對粉碎長度合格率的影響。

由圖5(c)可知：在同一動刀線速度水平下，在刀片厚度水平范圍內，刀片厚度與粉碎長度合格率大致呈正相關關系；在動定刀重疊量水平范圍內，動定刀重疊量與粉碎長度合格率呈正相關關系；動定刀重疊量在30mm，刀片厚度在6mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：刀片厚度對粉碎長度合格率作用的F值為3.87，動定刀重疊量對粉碎長度合格率作用的F值為365.02，因此刀片厚度對粉碎長度合格率的影響小于動定刀重疊量對粉碎長度合格率的影響。

3.2.2 交互因素對功率消耗的影響

由圖6(a)可知：在同一動定刀重疊量水平下，在動刀線速度水平范圍內，功率消耗隨著動刀線速度增大顯著增加且增加速率逐漸提高。這主要是由于刀輥運行平穩性隨著動刀線速度增加開始變差，轉矩急劇變大，因而功率消耗增加速率變大。在刀片厚度水平范圍內，功率消耗隨著刀片厚度增加而增加，主要由于刀片質量增加，刀輥運行負載相應加大，進而功率消耗增加。由表4可知：動刀線速度對功率消耗作用的F值為9 727.92，刀片厚度對功率消耗作用的F值為55.77，因此動刀線速度對功率消耗的影響大于刀片厚度對功率消耗的影響。

由圖6(b)可知：在同一刀片厚度水平下，在動刀線速度水平范圍內，動刀線速度增大功率消耗顯著增大；在動定刀重疊量水平范圍內，動定刀重疊量增加，功率消耗具有增大趨勢。這主要是由于提高秸稈粉碎質量的同時也使得秸稈在粉碎室里的運行阻力增大，運行平穩性降低，刀輥運行轉矩加大，功率消耗增加。由表4可知：動刀線速度對功率消耗作用的F值為9 727.92，動定刀重疊量對功率消耗作用的F值為3.25，因此動刀線速度對功率消耗的影響大于動定刀重疊量對功率消耗的影響。

由圖6(c)可知：在同一動刀線速度水平下，在刀片厚度水平范圍內，刀片厚度與功率消耗呈正相關關系；在動定刀重疊量水平范圍內，動定刀重疊量增加功率消耗具有增大趨勢。由表4可知：刀片厚度對功率消耗作用的F值為55.77，動定刀重疊量對功率消耗作用的F值為3.25，因此刀片厚度對功率消耗的影響大于動定刀重疊量對功率消耗的影響。

動定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

動刀線速度為46.5m/s

動定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

3.3 優化分析

非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ能很好地解決多目標優化問題[15]，而玉米秸稈粉碎拋撒機構工作參數優化屬于多目標優化問題。為此，借助非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ完成機構工作參數的優化，確定試驗水平范圍，以動刀線速、刀片厚度、動定刀重疊量為設計變量，以粉碎長度合格率、功率消耗為目標函數，進行多目標優化。優化的結果為一組Pareto最優解。該研究的多目標優化的目的是得到一組粉碎長度合格率高且大于85%(國家規定合格標準)、功率消耗低的玉米秸稈粉碎拋撒機構的解。

同時，多目標優化算法的理論基礎是求解最小值，取粉碎長度合格率回歸方程的倒數進行求解，即

(4)

其中，Y1為粉碎長度合格率回歸方程倒數(1/%)；Y2為功率消耗回歸方程(kW)。

根據編碼水平確定各因素的上下限,有

(5)

優化結果為29個Pareto最優解，如圖7所示。

3.4 試驗驗證

采用較優參數組合(動刀線速度47.61m/s、刀片厚度5.8mm，動定刀重疊量30mm，進行3次重復試驗，結果表明：平均粉碎長度合格率為86.55%，功率消耗為6.4kW，與優化結果的相對誤差分別為1.35%、2.97%，表明優化結果可信。

Y1.粉碎長度合格率回歸方程的倒數(1/%)

4 田間試驗

4.1 試驗條件

由于試驗臺試驗的局限性，無法測試玉米秸稈粉碎拋撒裝置工作時的拋撒不均勻度，為進一步測試該裝置的工作性能，選取較優工作參數組合后，于2016年11月13日在黑龍江省綏化市蘭西縣對樣機進行了田間試驗(見圖8)，試驗對象為當年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經測定秸稈含水率約為26%，4YZ-8型玉米籽粒收獲機前進速度為8km/h。

圖8 田間測試

4.2 指標測試方法

粉碎長度合格率與拋撒不均勻度是秸稈粉碎還田機械工作質量的重要評定指標，測定過程中，每個行程在測定區域長度方向上等間距測定3點，每點隨機測定1m2面積，撿拾所有秸稈稱重；從中挑出粉碎長度不合格的秸稈稱重，共測定兩個行程。計算每點秸稈粉碎長度合格率和工況平均值[13]，計算公式為

(6)

其中，Fh為粉碎長度合格率(%)；Mzi為每個測試點秸稈質量(g)；Mbi為每個測試點中粉碎長度不符合規定要求的秸稈質量(g)。

秸稈拋撒不均勻度的測定與秸稈粉碎長度合格率同時進行[13]，秸稈拋撒不均勻度計算公式為

(7)

其中，M為測定區內各點秸稈平均質量(g)；Fb為秸稈拋撒不均勻度(%)。

4.3 測定結果

經過田間試驗計算得出粉碎長度合格率為85.39%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，均符合國家標準。粉碎長度合格率田間測定值與優化結果相對誤差為2.73%。

5 結論

1)設計了4YZ-8型玉米籽粒聯合收獲機秸稈粉碎拋撒裝置，經過工作參數優化后具有符合國家要求的秸稈粉碎與拋撒效果，降低了功率消耗。

2)采用中心復合表面組合設計方法對粉碎拋撒裝置進行了試驗分析，并對試驗結果進行方差分析與響應曲面分析，各因素影響粉碎長度合格率的主次順序為：動刀線速度、動定刀重疊量、刀片厚度；各因素影響功率消耗的主次主次順序為：動刀線速度、刀片厚度、動定刀重疊量。

3)利用遺傳算法NSGA-Ⅱ進行數據優化處理，以粉碎長度合格率、功率消耗為評價指標，得出玉米秸稈粉碎拋撒機構的最優工作參數：動刀線速度為47.61m/s、刀片厚度為5.8mm、動定刀重疊量30mm，該組合對應的粉碎長度合格率為87.72%，功率消耗為6.21kW。

4)對玉米秸稈粉碎拋撒機構最優工作參數驗證，結果表明：平均粉碎長度合格率為86.55%，平均功率消耗為6.4kW，與優化結果的相對誤差為1.4%、3.0%，優化結果可信。

5)通過田間生產試驗，測定粉碎長度合格率為85.39%，與優化結果相對誤差為2.73%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，符合國家規定指標。

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