陳 勇，周福君,2，孫永利，李天宇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省普通高等學(xué)校北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

0 引言

玉米秸稈中含有大量有機(jī)質(zhì)，還田作業(yè)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，提高土壤保水、保肥能力，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，是一項(xiàng)重要的生物養(yǎng)地培肥地力的措施[1]，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)秸稈還田技術(shù)進(jìn)行了眾多研究探討。目前，市場(chǎng)上秸稈粉碎還田主要分為兩種：①配套拖拉機(jī)使用的秸稈粉碎還田機(jī)[2]；②配套聯(lián)合收獲機(jī)使用的秸稈粉碎還田裝置，是國(guó)內(nèi)研發(fā)熱點(diǎn)之一[3]。

黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)，在玉米收獲時(shí)期可以直接實(shí)現(xiàn)玉米籽粒收獲與秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)，減少了機(jī)具投入，為免耕播種創(chuàng)造作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤的保護(hù)[4]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有與聯(lián)合收獲機(jī)配套使用的秸稈粉碎裝置，多數(shù)通過(guò)與聯(lián)合收獲機(jī)排草口相連接，從而對(duì)收獲機(jī)排草口排出的秸稈進(jìn)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(wèn)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(biāo)，設(shè)計(jì)了玉米秸稈粉碎拋撒裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化與田間試驗(yàn)，得出較優(yōu)參數(shù)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(jī)組縱向?qū)ΨQ線左右布置分布，主要由皮帶輪、刀輥轉(zhuǎn)子、直線型動(dòng)刀、U型動(dòng)刀、調(diào)心軸承、定刀組、定刀調(diào)節(jié)把手、物料擋板、分流板、擋板懸掛臂、電動(dòng)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(guò)連接滑道與玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)尾部連接(見(jiàn)圖2)，輸入皮帶輪外側(cè)裝有電磁離合器，電磁離合器與粉碎裝置輸入軸通過(guò)鍵連接，皮帶輪與輸入軸可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，電動(dòng)推桿退回工作位置，使粉碎裝置入料口與收獲機(jī)排草口相接合，啟動(dòng)電磁離合器來(lái)吸附皮帶輪，使得皮帶輪與動(dòng)力輸入軸間接形成鍵連接，收獲機(jī)輸出軸通過(guò)帶傳動(dòng)方式將動(dòng)力傳給粉碎裝置輸入軸，從而驅(qū)動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)。工作室底端安裝定刀片，與動(dòng)刀片交錯(cuò)布置。工作中，秸稈及其雜余物從排草口進(jìn)入粉碎室，經(jīng)動(dòng)刀砍切作用與動(dòng)定刀交錯(cuò)剪切作用實(shí)現(xiàn)粉碎，在動(dòng)刀高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流作用下，經(jīng)由排料口排出，通過(guò)分流板分流作用均勻拋撒至田間。當(dāng)無(wú)需粉碎拋撒情況下，通過(guò)電動(dòng)推桿將裝置推起，使得皮帶松弛，關(guān)閉電磁離合器，皮帶輪與動(dòng)力輸入軸重新具有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，粉碎裝置停止工作。

(a) 玉米秸稈粉碎拋撒裝置側(cè)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(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為當(dāng)年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經(jīng)過(guò)人工處理成500mm左右的長(zhǎng)度，平均含水率為27%。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)和儀器

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由裝置安裝架、電機(jī)安裝架、輸送帶及測(cè)試裝置組成，如圖3所示。調(diào)速電機(jī)與測(cè)試裝置安裝在電機(jī)安裝架上，通過(guò)帶傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)子運(yùn)行；動(dòng)刀線速度通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)；輸送帶用來(lái)實(shí)現(xiàn)秸稈的喂入過(guò)程。

1.輸送帶 2.電機(jī)安裝架 3.轉(zhuǎn)速扭矩傳感器 4.變頻調(diào)速電機(jī) 5.裝置安裝架 6.玉米秸稈粉碎拋撒裝置

主要測(cè)試儀器和設(shè)備有：HX-901-200Nm型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器(測(cè)量精度0.1級(jí))、三項(xiàng)顯示儀表、M400實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集管理軟件、YP-50-11-4型變頻調(diào)速電機(jī)、E-800-11-4型變頻器、電子秤(測(cè)量精度0.01級(jí))及鋼板尺。

2.3 試驗(yàn)方法

玉米秸稈粉碎拋撒裝置以實(shí)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(guò)控制輸送帶速度使喂入量保持在2kg/s，待粉碎轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定后，啟動(dòng)輸送帶將秸稈喂入裝置中進(jìn)行粉碎拋撒試驗(yàn)[7]，如圖4所示。

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外秸稈粉碎還田機(jī)工作參數(shù)，選取因素水平范圍[8-11]。以粉碎長(zhǎng)度合格率與功率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以動(dòng)刀線速度、動(dòng)刀片厚度、動(dòng)定刀重疊量作為影響因素。采用中心復(fù)合表面組合試驗(yàn)[12]，各因素水平編碼值和實(shí)際值的關(guān)系如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，在P=0.1水平進(jìn)行F檢驗(yàn)。

圖4 玉米秸稈粉碎拋撒試驗(yàn)

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

2.3.2 秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率與功率的測(cè)定

對(duì)于玉米、高粱等作物秸稈粉碎合格長(zhǎng)度不大于100mm視為合格[13]。粉碎長(zhǎng)度合格率計(jì)算公式為

(1)

其中，F(xiàn)h為粉碎長(zhǎng)度合格率(%)；Mz為粉碎秸稈總質(zhì)量(g)；Mb為不合格秸稈質(zhì)量(g)。

功率消耗由HX-901-200Nm型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器直接測(cè)出，并由三項(xiàng)顯示儀表與數(shù)字變送器采集，通過(guò)電腦進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行回歸分析和利用響應(yīng)面分析法對(duì)兩因素間交互效應(yīng)進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

3.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

3.1.1 粉碎長(zhǎng)度合格率回歸方程

(2)

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

表3 粉碎長(zhǎng)度合格率回歸模型方差分析

*較顯著(0.05

3.1.2 粉碎長(zhǎng)度合格率回歸方程

方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知：在此模型中，X1、X2、X12對(duì)方程影響極顯著，X1X2影響顯著，X3影響較顯著。經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn)，該模型的F值為1 100.8，p<0.01，說(shuō)明該模型極顯著。而失擬項(xiàng)的F檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(p=0.403 1>0.1)，說(shuō)明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，擬合度較好。將不顯著項(xiàng)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(duì)性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

3.2.1 交互因素對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率的影響

由圖5(a)可知：在同一動(dòng)定刀重疊量水平下、在動(dòng)刀線速度水平范圍內(nèi)，動(dòng)刀線速度與粉碎長(zhǎng)度合格率關(guān)系為隨著動(dòng)刀線速度增加，粉碎長(zhǎng)度合格率先增加后平穩(wěn)且具有下降趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能原因：由于動(dòng)刀線速度小于一定值時(shí)，動(dòng)刀偏轉(zhuǎn)角隨著動(dòng)刀線速增加而減小，粉碎長(zhǎng)度合格率相應(yīng)增加[14]；當(dāng)動(dòng)刀線速度過(guò)快時(shí)，動(dòng)刀偏轉(zhuǎn)角不是主要影響因素，刀輥高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流過(guò)大，機(jī)具運(yùn)行不穩(wěn)定，少量輕質(zhì)秸稈沒(méi)有受到動(dòng)定刀充分剪切作用，僅由動(dòng)刀單獨(dú)沖擊即被排出，導(dǎo)致粉碎長(zhǎng)度合格率變化平穩(wěn)且具有下降趨勢(shì)；在刀片厚度水平范圍內(nèi)，粉碎長(zhǎng)度合格率隨著刀片厚度增加大體呈增加趨勢(shì)，主要由于刀片質(zhì)量增加，動(dòng)刀偏轉(zhuǎn)角減小且刀輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)量增大，使得粉碎過(guò)程沖擊力變大，對(duì)秸稈粉碎具有一定提升效果。動(dòng)刀線速度在46.5m/s左右、刀片厚度在6mm時(shí)，粉碎長(zhǎng)度合格率存在最大值。由表3可知：動(dòng)刀線速度對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率作用的F值為1 349.13，刀片厚度對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率作用的F值為3.87，因此動(dòng)刀線速度對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率的影響大于刀片厚度對(duì)粉碎長(zhǎng)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(dòng)刀線速度水平范圍內(nèi)，動(dòng)刀線速度與粉碎長(zhǎng)度合格率關(guān)系為隨著動(dòng)刀線速度增加，粉碎長(zhǎng)度合格率先增加后平穩(wěn)且具有下降趨勢(shì)；在動(dòng)定刀重疊量水平范圍內(nèi)，粉碎長(zhǎng)度合格率隨著動(dòng)定刀重疊量增加顯著增加，主要由于動(dòng)定刀重疊量越大，位于動(dòng)定刀間的秸稈就越多，秸稈被粉碎的幾率也就越大。動(dòng)刀速度46.5m/s左右，動(dòng)定刀重疊量在30mm時(shí)，粉碎長(zhǎng)度合格率存在最大值。由表3可知：動(dòng)刀線速度對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率作用的F值為1 349.13，動(dòng)定刀重疊量對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率作用的F值為365.02，因此動(dòng)刀線速度對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率的影響大于動(dòng)定刀重疊量對(duì)粉碎長(zhǎng)度合格率的影響。

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

3.2.2 交互因素對(duì)功率消耗的影響

由圖6(a)可知：在同一動(dòng)定刀重疊量水平下，在動(dòng)刀線速度水平范圍內(nèi)，功率消耗隨著動(dòng)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(yùn)行平穩(wěn)性隨著動(dòng)刀線速度增加開(kāi)始變差，轉(zhuǎn)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(nèi)，功率消耗隨著刀片厚度增加而增加，主要由于刀片質(zhì)量增加，刀輥運(yùn)行負(fù)載相應(yīng)加大，進(jìn)而功率消耗增加。由表4可知：動(dòng)刀線速度對(duì)功率消耗作用的F值為9 727.92，刀片厚度對(duì)功率消耗作用的F值為55.77，因此動(dòng)刀線速度對(duì)功率消耗的影響大于刀片厚度對(duì)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(dòng)刀線速度水平范圍內(nèi)，動(dòng)刀線速度增大功率消耗顯著增大；在動(dòng)定刀重疊量水平范圍內(nèi)，動(dòng)定刀重疊量增加，功率消耗具有增大趨勢(shì)。這主要是由于提高秸稈粉碎質(zhì)量的同時(shí)也使得秸稈在粉碎室里的運(yùn)行阻力增大，運(yùn)行平穩(wěn)性降低，刀輥運(yùn)行轉(zhuǎn)矩加大，功率消耗增加。由表4可知：動(dòng)刀線速度對(duì)功率消耗作用的F值為9 727.92，動(dòng)定刀重疊量對(duì)功率消耗作用的F值為3.25，因此動(dòng)刀線速度對(duì)功率消耗的影響大于動(dòng)定刀重疊量對(duì)功率消耗的影響。

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

動(dòng)定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

動(dòng)刀線速度為46.5m/s

動(dòng)定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

3.3 優(yōu)化分析

非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ能很好地解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題[15]，而玉米秸稈粉碎拋撒機(jī)構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。為此，借助非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ完成機(jī)構(gòu)工作參數(shù)的優(yōu)化，確定試驗(yàn)水平范圍，以動(dòng)刀線速、刀片厚度、動(dòng)定刀重疊量為設(shè)計(jì)變量，以粉碎長(zhǎng)度合格率、功率消耗為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果為一組Pareto最優(yōu)解。該研究的多目標(biāo)優(yōu)化的目的是得到一組粉碎長(zhǎng)度合格率高且大于85%(國(guó)家規(guī)定合格標(biāo)準(zhǔn))、功率消耗低的玉米秸稈粉碎拋撒機(jī)構(gòu)的解。

同時(shí)，多目標(biāo)優(yōu)化算法的理論基礎(chǔ)是求解最小值，取粉碎長(zhǎng)度合格率回歸方程的倒數(shù)進(jìn)行求解，即

(4)

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

根據(jù)編碼水平確定各因素的上下限,有

(5)

優(yōu)化結(jié)果為29個(gè)Pareto最優(yōu)解，如圖7所示。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用較優(yōu)參數(shù)組合(動(dòng)刀線速度47.61m/s、刀片厚度5.8mm，動(dòng)定刀重疊量30mm，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：平均粉碎長(zhǎng)度合格率為86.55%，功率消耗為6.4kW，與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為1.35%、2.97%，表明優(yōu)化結(jié)果可信。

Y1.粉碎長(zhǎng)度合格率回歸方程的倒數(shù)(1/%)

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

由于試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的局限性，無(wú)法測(cè)試玉米秸稈粉碎拋撒裝置工作時(shí)的拋撒不均勻度，為進(jìn)一步測(cè)試該裝置的工作性能，選取較優(yōu)工作參數(shù)組合后，于2016年11月13日在黑龍江省綏化市蘭西縣對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)，試驗(yàn)對(duì)象為當(dāng)年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經(jīng)測(cè)定秸稈含水率約為26%，4YZ-8型玉米籽粒收獲機(jī)前進(jìn)速度為8km/h。

圖8 田間測(cè)試

4.2 指標(biāo)測(cè)試方法

粉碎長(zhǎng)度合格率與拋撒不均勻度是秸稈粉碎還田機(jī)械工作質(zhì)量的重要評(píng)定指標(biāo)，測(cè)定過(guò)程中，每個(gè)行程在測(cè)定區(qū)域長(zhǎng)度方向上等間距測(cè)定3點(diǎn)，每點(diǎn)隨機(jī)測(cè)定1m2面積，撿拾所有秸稈稱重；從中挑出粉碎長(zhǎng)度不合格的秸稈稱重，共測(cè)定兩個(gè)行程。計(jì)算每點(diǎn)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率和工況平均值[13]，計(jì)算公式為

(6)

其中，F(xiàn)h為粉碎長(zhǎng)度合格率(%)；Mzi為每個(gè)測(cè)試點(diǎn)秸稈質(zhì)量(g)；Mbi為每個(gè)測(cè)試點(diǎn)中粉碎長(zhǎng)度不符合規(guī)定要求的秸稈質(zhì)量(g)。

秸稈拋撒不均勻度的測(cè)定與秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率同時(shí)進(jìn)行[13]，秸稈拋撒不均勻度計(jì)算公式為

(7)

其中，M為測(cè)定區(qū)內(nèi)各點(diǎn)秸稈平均質(zhì)量(g)；Fb為秸稈拋撒不均勻度(%)。

4.3 測(cè)定結(jié)果

經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)計(jì)算得出粉碎長(zhǎng)度合格率為85.39%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。粉碎長(zhǎng)度合格率田間測(cè)定值與優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差為2.73%。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)秸稈粉碎拋撒裝置，經(jīng)過(guò)工作參數(shù)優(yōu)化后具有符合國(guó)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(fù)合表面組合設(shè)計(jì)方法對(duì)粉碎拋撒裝置進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析與響應(yīng)曲面分析，各因素影響粉碎長(zhǎng)度合格率的主次順序?yàn)椋簞?dòng)刀線速度、動(dòng)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?yàn)椋簞?dòng)刀線速度、刀片厚度、動(dòng)定刀重疊量。

3)利用遺傳算法NSGA-Ⅱ進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，以粉碎長(zhǎng)度合格率、功率消耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出玉米秸稈粉碎拋撒機(jī)構(gòu)的最優(yōu)工作參數(shù)：動(dòng)刀線速度為47.61m/s、刀片厚度為5.8mm、動(dòng)定刀重疊量30mm，該組合對(duì)應(yīng)的粉碎長(zhǎng)度合格率為87.72%，功率消耗為6.21kW。

4)對(duì)玉米秸稈粉碎拋撒機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)驗(yàn)證，結(jié)果表明：平均粉碎長(zhǎng)度合格率為86.55%，平均功率消耗為6.4kW，與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差為1.4%、3.0%，優(yōu)化結(jié)果可信。

5)通過(guò)田間生產(chǎn)試驗(yàn)，測(cè)定粉碎長(zhǎng)度合格率為85.39%，與優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差為2.73%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，符合國(guó)家規(guī)定指標(biāo)。

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