玉米秸稈田間粉碎性能試驗(yàn)研究

張超凡,張群威,耿令新,湯志軍

(1.河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 漯河 462000;2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

玉米是我國(guó)重要的糧食作物,種植面積僅次于小麥和水稻。我國(guó)大多地區(qū)玉米收獲后,秸稈采取直接粉碎還田,通過(guò)機(jī)械方式粉碎還田后,不僅可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)保水、保肥能力和改良土壤,且是保護(hù)環(huán)境、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、實(shí)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑[1]。近年來(lái),由于國(guó)家對(duì)秸稈還田綜合利用的重視,農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)單位相繼推出適應(yīng)于我國(guó)實(shí)際國(guó)情的與中小型拖拉機(jī)配套使用的秸稈還田機(jī)具[2]。但是,由于缺乏對(duì)玉米秸稈田間粉碎性能的試驗(yàn)研究,上述秸稈還田機(jī)具在推廣過(guò)程中還是存在機(jī)車前進(jìn)速度和粉碎效果不匹配等問(wèn)題。為了弄清玉米秸稈田間粉碎時(shí)機(jī)車前進(jìn)速度、粉碎刀具轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈粉碎功耗和粉碎合格率的影響,以新型玉米秸稈粉碎機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī),以粉碎合格率和粉碎功耗作為試驗(yàn)指標(biāo),在田間進(jìn)行玉米秸稈粉碎性能試驗(yàn),弄清玉米秸稈粉碎機(jī)具運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)粉碎合格率和粉碎功耗的影響規(guī)律,并通過(guò)參數(shù)優(yōu)化獲得其最佳工作指標(biāo),為秸稈粉碎機(jī)具的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。

1 田間試驗(yàn)

1.1 田間玉米生長(zhǎng)狀況

試驗(yàn)選擇玉米人工收獲秸稈長(zhǎng)勢(shì)均勻的地塊,同時(shí)取樣,在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得玉米秸稈含水率。田間玉米秸稈生長(zhǎng)物理參數(shù)如表1所示。

表1 田間玉米秸稈生長(zhǎng)物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米秸稈田間粉碎作業(yè)對(duì)象選取當(dāng)年自然生長(zhǎng)的玉米秸稈,一次作業(yè)兩行,每次試驗(yàn)測(cè)量長(zhǎng)度為15m。由于莖稈的粉碎轉(zhuǎn)速和機(jī)車的前進(jìn)速度從莖稈粉碎開(kāi)始到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),需要有一段緩沖的時(shí)間,因此測(cè)量時(shí),在試驗(yàn)長(zhǎng)度內(nèi)第5m和10m處各做標(biāo)記。當(dāng)機(jī)車行進(jìn)到5m處標(biāo)記時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù),當(dāng)機(jī)車行進(jìn)到10m處標(biāo)記時(shí),拖拉機(jī)開(kāi)始減速停車,停止采集數(shù)據(jù)。每段試驗(yàn)長(zhǎng)度做完后,把6～9m處作為試驗(yàn)樣品取樣階段,即撿取該測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)超長(zhǎng)的莖稈,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)出它的質(zhì)量并計(jì)算出該次粉碎試驗(yàn)合格率。

田間粉碎試驗(yàn)以粉碎合格率和粉碎功耗為試驗(yàn)指標(biāo),通過(guò)采用回歸正交的試驗(yàn)方法,找出機(jī)車前進(jìn)速度和粉碎刀具轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合,從而獲得玉米秸稈粉碎機(jī)具田間作業(yè)時(shí)的最佳參數(shù)。田間試驗(yàn)中的機(jī)車前進(jìn)速度主要靠拖拉機(jī)的檔位來(lái)調(diào)節(jié),粉碎刀輥轉(zhuǎn)速主要通過(guò)更換圖1中的皮帶輪和鏈輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了能使動(dòng)力輸出軸保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速,試驗(yàn)時(shí),拖拉機(jī)的油門固定在某一特定位置。試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)量如下:

1.帶輪 2.鏈條 3.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 4.信號(hào)傳輸線 5.無(wú)線數(shù)據(jù)采集與測(cè)試系統(tǒng) 6.機(jī)車 7.玉米秸稈 8.秸稈粉碎機(jī)

1)粉碎功耗。粉碎刀具空轉(zhuǎn)不切割玉米秸稈時(shí)測(cè)得的功耗定義為空轉(zhuǎn)功耗P空,粉碎刀具田間工作時(shí)測(cè)得的功耗為實(shí)際功耗P實(shí),則秸稈粉碎功耗P=P實(shí)-P空。

2)粉碎合格率。實(shí)驗(yàn)室測(cè)出試驗(yàn)范圍內(nèi)玉米秸稈的總質(zhì)量W總;再測(cè)出超長(zhǎng)的秸稈質(zhì)量W超長(zhǎng),按照文獻(xiàn)要求粉碎后莖稈長(zhǎng)度小于100mm為合格[2],則合格莖稈質(zhì)量與粉碎莖稈的總質(zhì)量之比為粉碎合格率,即

1.3 田間功耗測(cè)量

田間粉碎功耗測(cè)量裝置采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要由機(jī)載傳感器系統(tǒng)、機(jī)載移動(dòng)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、機(jī)載無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng),以及基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和處理基站系統(tǒng)等4部分構(gòu)成。無(wú)線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是采用12V電池供電,可以方便用于移動(dòng)機(jī)械的功率測(cè)試中。測(cè)試時(shí),機(jī)載無(wú)線數(shù)據(jù)采集與測(cè)試系統(tǒng)與地面處理基站系統(tǒng)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線AP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換,最大傳輸距離可以達(dá)到210m。粉碎刀具的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩功率測(cè)量原理已經(jīng)在文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)描述。田間測(cè)試時(shí),機(jī)載傳感器配置方案如圖1所示。

由于玉米秸稈粉碎機(jī)為后置全懸掛式,由機(jī)架、齒輪傳動(dòng)箱、皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)及刀輥等組成,刀輥位于整臺(tái)機(jī)器的下方。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,如果把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接與秸稈粉碎刀輥軸相連,則外伸尺寸太大且傳動(dòng)困難。本研究將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器軸和粉碎刀輥軸平行配置,機(jī)車輸入動(dòng)力經(jīng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器驅(qū)動(dòng)粉碎刀輥軸旋轉(zhuǎn),這樣通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器軸上負(fù)載功率來(lái)間接獲得其秸稈粉碎消耗功率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)因素

根據(jù)田間試驗(yàn)的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)兩因素水平的二次回歸正交試驗(yàn)。回歸正交試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是:一方面利用正交試驗(yàn)法的正交性,即利用均衡搭配和綜合可比性兩條基本原理,可以有計(jì)劃、合理地在正交表上安排較少的試驗(yàn)次數(shù);另一方面利用回歸分析法中最小二乘原理,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立起回歸方程,然后把兩者的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),構(gòu)成了回歸正交試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)選取兩個(gè)試驗(yàn)因素,即機(jī)器的前進(jìn)速度和粉碎刀具的轉(zhuǎn)速。其中,機(jī)車前進(jìn)速度用x1表示,刀具轉(zhuǎn)速用x2表示。零水平重復(fù)5次試驗(yàn)[4],同時(shí)確定出星號(hào)臂[4]γ=1.27。田間試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)安排如表2所示;田間粉碎試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 田間試驗(yàn)因素水平安排表

表3 田間粉碎試驗(yàn)結(jié)果

2.2 粉碎功耗試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2的田間粉碎功耗測(cè)試結(jié)果可得回歸方程為

參考文獻(xiàn)資料[4],粉碎功耗回歸方程方差分析如表4所示。

表4 粉碎功耗回歸方程的方差分析

F檢驗(yàn)為

由于F=13.6>F0.1(5,8)=2.73,說(shuō)明粉碎功耗方程在α=0.1水平回歸效果顯著[4]。

2.3 粉碎合格率試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3田間粉碎試驗(yàn)結(jié)果可得粉碎合格率回歸方程為

粉碎合格率回歸方程的方差分析如表5所示。

表5 粉碎合格率回歸方程的方差分析

F檢驗(yàn)為

由于F=3.23>F0.1(5,8)=2.73,說(shuō)明粉碎合格率方程在α=0.1水平上回歸效果顯著[4]。

2.4 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

粉碎機(jī)具田間作業(yè)時(shí),在滿足粉碎合格率的情況下,為了適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境,給機(jī)車預(yù)留足夠的功率儲(chǔ)備,要求粉碎功率消耗越小越好。所以,處理數(shù)據(jù)時(shí)以粉碎功耗y1為目標(biāo)函數(shù),粉碎合格率y2為約束函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,其數(shù)學(xué)模型建模如下:

目標(biāo)函數(shù)為F(X)=-y1;性能約束函數(shù)為G(X)=y2≥90;最優(yōu)邊界約束條件為-1.27≤Xj≤1.27,j=1,2;田間作業(yè)參數(shù):1≤X1≤1.27,0≤X2≤1.27。

數(shù)學(xué)模型中Xj是兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù)在引子編碼空間的取值。

根據(jù)上述條件,可以得到最終優(yōu)化結(jié)果:X1=1,X2=0.73,即機(jī)車前進(jìn)速度為2.9km/h,粉碎刀具轉(zhuǎn)速597r/min。最佳粉碎性能指標(biāo):秸稈粉碎功耗y1=2.98kW,秸稈粉碎合格率y2=90.02%。

2.5 動(dòng)力參數(shù)對(duì)秸稈粉碎性能的影響

為了能夠直觀地分析各運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)粉碎功耗和粉碎合格率的影響規(guī)律,把回歸方程在最優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行降維處理,使試驗(yàn)指標(biāo)依某一參數(shù)變化,降維分析繪制出機(jī)器前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線,如圖2所示。機(jī)車前進(jìn)速度與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖2 刀輥轉(zhuǎn)速與粉碎功耗和粉碎合格率的關(guān)系曲線

圖3 機(jī)車前進(jìn)速度與粉碎功耗和粉碎合格率關(guān)系曲線

由圖2可知:在田間試驗(yàn)范圍內(nèi),粉碎刀輥轉(zhuǎn)速?gòu)?40r/min逐漸增大到630r/min時(shí),可以發(fā)現(xiàn)粉碎合格率和粉碎功耗都隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。原因在于隨著粉碎刀具轉(zhuǎn)速提高,刀具動(dòng)能增加,即在單位時(shí)間內(nèi)的做功增加,從而粉碎功耗也隨著升高。在機(jī)車前進(jìn)速度保持不變的情況下,提高轉(zhuǎn)速,等于減小了秸稈粉碎節(jié)距,秸稈超長(zhǎng)相對(duì)減少,因此粉碎合格率隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。

由圖3可知:機(jī)車前進(jìn)速度從2.9km/h逐漸上升到3.16km/h時(shí),可以發(fā)現(xiàn)粉碎功耗隨著機(jī)車前進(jìn)速度的增加而升高,粉碎合格率則隨著前進(jìn)速度的增加而減小。原因在于隨著機(jī)車前進(jìn)速度的增加,等于增加了單位時(shí)間內(nèi)秸稈的喂入量,即增加了單位時(shí)間內(nèi)玉米莖稈的粉碎數(shù)量,秸稈粉碎功耗因此就隨著增加。在粉碎刀輥轉(zhuǎn)速保持不變的情況下,增大前進(jìn)速度,實(shí)際上等于增大了莖稈粉碎節(jié)距,秸稈超長(zhǎng)相對(duì)減少,因此粉碎合格率呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1)當(dāng)機(jī)車前進(jìn)速度為2.9km/h、刀輥轉(zhuǎn)速597r/min時(shí),最優(yōu)粉碎性能指標(biāo)為粉碎功耗y1=2.98kW,粉碎合格率y2=90.02%。

2)在田間試驗(yàn)范圍內(nèi),即刀輥轉(zhuǎn)速?gòu)?40r/min增大到630r/min時(shí),粉碎合格率和粉碎功耗都隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。

3)在田間試驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)機(jī)車前進(jìn)速度從2.9km/h升到3.16km/h時(shí),粉碎功耗隨著前進(jìn)速度的增加而升高,粉碎合格率則隨著前進(jìn)速度的增加而減小。