獨立圓盤耙單體排列參數對秸稈堵塞影響研究*

王瑩，李光，張沖，王華澤，劉鴻雁

(吉林省農業機械研究院，長春市，130021)

0 引言

秸稈覆蓋混埋還田技術作為黑土地保護重要措施之一，具有秸稈腐爛快，地溫提升快，防風蝕水蝕，培肥地力，保護農業生態環境等優點[1-3]。

國內相對應配套的機具類型較單一，部分雨養農業地區主要利用旋耕機作為配套機具進行秸稈覆蓋混埋作業，這種作業方式效率低，耕層淺，粉碎秸稈集中在播種層，將影響播種質量和作物生長[4]。

歐美農業發達國家則采用大功率寬幅圓盤耙聯合整地機進行作業，效率高，耕層深(可達到18 cm)，作業后地表保留30%以上的秸稈覆蓋率，對土壤團粒結構破壞小，能為播種提供良好的種床環境[5]。

國內對圓盤耙聯合整地機的研發屬于初期階段，而東北玉米秸稈莖粗量多，秋季機收后秸稈分布不均，利用機具作業時經常發生堵塞現象[6-9]。

本文通過對獨立連接圓盤耙單體排列方式的試驗性研究，探索對機具堵塞問題的影響規律，為圓盤耙聯合整地機的開發與設計提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 機具設計與試驗條件

為了對圓盤耙單體進行堵塞試驗研究，課題組前期已設計了具有三向調節功能的圓盤耙試驗樣機如圖1所示[10]。

試驗樣機具有三向調節功能，分別是機具橫梁上下高度調節功能、前梁前后間距調節功能和后梁左右錯位調節功能。

圓盤耙試驗樣機配套動力為美國凱斯2104型拖拉機，試驗作業機具如圖2所示。試驗時間為2020年10月20日，地點為吉林省農安縣開安鎮初家爐村，秸稈情況為玉米秸稈全量還田，粉碎秸稈長度小于10 cm 占65.8%，秸稈覆蓋量1.08 kg/m2，秸稈覆蓋率92.6%，如圖3所示。參照行業標準JB/T 6279—2007，地塊尺寸為120 m×50 m，土壤測定條件如表1所示[11-12]。樣機的具體參數如表2所示。

(a)主視圖

圖2 試驗樣機Fig.2 Experimental prototype

圖3 試驗田Fig.3 Experimental field

表1 土壤檢測指標Tab.1 Soil detection index

表2 試驗樣機參數Tab.2 Experimental prototype parameters

1.2 試驗方法

為將堵塞程度量化，試驗中機具堵塞程度參照標準GB/T 24675.4—2009[13]，通過給機具堵塞程度對應的通過性評分來實現，如表3所示。試驗機具每次作業長度50 m，作業速度8 km/h，在機具的前后三個不同位置安裝了Gopro進行視頻拍攝，現場5個人進行打分，判斷過程依靠人工視覺結合作業視頻回放完成，取平均分。當機具通過性評分達到3分時機具能保持正常工作狀態，所以把評分3分作為單個影響因素取臨界值的對應分值。

表3 評分對照表Tab.3 Score comparison table

1.3 試驗方案

圓盤耙排列試驗方案如下。

1)通過單因素試驗確定該機具每個耙片的排列參數臨界值。在進行單因素秸稈堵塞試驗時，將其他因素調整到所選范圍的最大值后再進行試驗，減小其他影響因素對試驗結果的干擾。單因素試驗分為三組試驗：分別選取225 mm、250 mm、275 mm、300 mm、325 mm為第一組進行耙片間距單因素試驗；選取800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm為第二組進行橫梁間距單因素試驗；選取0 mm、6 mm、12 mm、18 mm、25 mm為第三組進行錯位間距單因素試驗。

2)在臨界值的基礎上每個試驗因素選取三個水平值，以機具的通過性為指標值進行正交試驗。試驗采用3因素3水平的正交試驗方法，主要考察機具排列參數：耙片間距、橫梁間距和錯位間距對機具通過性的影響。根據單因素試驗結果確定正交試驗設計的因素與水平如表4所示。試驗方案選擇適用的L9(34)表。

表4 試驗因素與水平Tab.4 Test factors and levels

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

由耙片排列參數單因素試驗結果如圖4所示。

(a)耙片間距B單因素試驗

隨著耙片間距、橫梁間距的增加機具堵塞程度逐漸減弱，而隨著錯位間距的增加機具堵塞程度有增強的趨勢。分析產生的原因：第一，當耙片間距逐漸增大時，耙片之間的空間增大，提升了通過性，秸稈纏繞開始減少，造成的局部堵塞和拖堆能自行解除，殘茬和土垡被正常翻拋，機具作業變得越加流暢。第二，橫梁間距較小時，前排耙片向后方翻拋的土垡和殘茬沒有直接落到地表上，而是大部分落到后排耙片組上，單位時間內又不能自行解除，造成了堵塞和拖堆。當橫梁間距逐漸增大后，前排耙片向后方翻拋的土垡和殘茬大部分落到地表上，后排耙片組能對其進行二次切割和翻拋，秸稈纏繞和堵塞現象逐漸減少。第三，選取的五個錯位間距數值對堵塞試驗結果的影響沒有明顯差別，都能保證機具正常通過性。根據圖4確定B=275 mm，L=900 mm為機具在秸稈全量還田的條件下正常工作的臨界值，S所選取的五個值均能保證機具正常通過性。

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 試驗結果

表5為機具通過性影響的試驗結果，從表5中可以得出9組試驗：耙片間距為325 mm，橫梁間距為1 100 mm，錯位間距為0 mm時機具通過性得分4.9，優于其他試驗組。

表5 正交試驗結果Tab.5 Orthogonal experimental results

2.2.2 極差分析

表6為機具通過性試驗的極差分析結果。

由表6中極差大小可知試驗因素對機具通過性影響大小順序依次為：耙片間距B，橫梁間距L，錯位間距S。機具通過性的較優組合為B3L3S1，即耙片間距為325 mm，橫梁間距為1 100 mm，錯位間距為0 mm時機具通過性為4.9分。由表中誤差項與其他因素極差值比較可以得出：三個試驗因素之間交互作用對試驗結果影響較小。

表6 試驗結果極差分析Tab.6 Rangle analysis of test results

2.2.3 方差分析

通過使用SPSS分析軟件對試驗結果進行方差分析，如表7所示。根據試驗方差分析結果可知：機具排列參數耙片間距和橫梁間距對機具通過性影響顯著，錯位間距對機具通過性影響不顯著。

表7 試驗結果方差分析Tab.7 Analysis of variance of test results

2.2.4 回歸分析

通過使用SPSS分析軟件對機具通過性的正交試驗結果進行回歸分析，回歸分析結果如表8～表10所示。如表8所示，關于參數B、L和S線性相關性系數R=0.874(調整后)，表示回歸方程的擬合度較高；如表9所示，模型的F檢測值為19.556，對應F值的顯著性概率P<0.05，表明因變量T和自變量B、L和S之間存在線性相關；如表10所示，三個系數的t檢測值分別為5.923、4.738和-1.066，對應的檢驗顯著性概率分別為：0.002(P<0.05)、0.005(P<0.05)和0.335(P>0.05)，表明機具通過性主要由耙片間距和橫梁間距決定，成正向相關，與錯位間距成反比。當P>0.05時，該自變量在本模型中沒有統計學意義，去除相應變量，得到機具通過性回歸方程：T=0.833B+0.667L。

表8 模型摘要Tab.8 Model summary

表9 回歸方差分析Tab.9 Regression variance analysis

表10 回歸系數Tab.10 Regression coefficient

3 結論

1)單因素試驗確定了機具不堵塞的耙片單體排列參數臨界值：耙片間距為275 mm，橫梁間距為900 mm，錯位間距全部取值在臨界值之上。

2)正交試驗極差分析結果表明，耙片排列參數對機具堵塞影響主次順序為：耙片間距B，橫梁間距L，錯位間距S；機具通過性的較優組合為B3L3S1,其試驗機具通過性得分為4.9分。

3)正交試驗方差分析結果表明，機具排列參數耙片間距和橫梁間距對機具堵塞影響顯著，錯位間距對機具堵塞影響不顯著。

4)正交試驗線性回歸分析結果得到擬合度較高的機具通過性回歸方程：T=0.833B+0.667L，通過這個數學模型可以對給出的排列參數進行實際作業堵塞情況的預測。