高文英 林 靜 李寶筏 馬 鐵

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 沈陽 110866)

0 引言

通過秸稈深埋還田，減少了秸稈焚燒所造成的環(huán)境污染，同時還能改良土壤結(jié)構(gòu)，培肥地力[1-6]。國內(nèi)外秸稈還田機(jī)種類繁多，但是多數(shù)機(jī)具只能夠?qū)崿F(xiàn)地表直接還田或者淺層還田，玉米秸稈不易腐爛；地表還田春季易跑墑，影響作物出苗率。東北棕壤土旱地長期進(jìn)行這種模式的秸稈還田，造成犁底層加厚并上移、土壤耕作層變淺，不利于玉米根系的生長，制約了玉米產(chǎn)量的提高。為此農(nóng)學(xué)專家提出秸稈深埋還田，打破犁底層，構(gòu)造合理耕層結(jié)構(gòu)，以此來增強(qiáng)土壤肥力；同時，夏季雨水易在地下秸稈深層形成蓄水、納水的“水庫”而起到防澇的效果。

目前秸稈深埋還田機(jī)具尚處于研發(fā)階段，相關(guān)的研究工作[7-14]也逐漸增多。秸稈深埋還田功能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于開溝裝置，目前開溝深度大于25 cm的開溝器種類繁多，包括鏵式開溝器、圓盤式開溝器、鏈?zhǔn)介_溝器和螺旋式開溝器等。鏵式開溝器開溝過程中，土壤沿犁曲面向上翻，容易板結(jié)成大土塊；圓盤式開溝器的開溝寬度和深度較難達(dá)到理想的目標(biāo)；鏈?zhǔn)介_溝器體積大、功耗高，多用于挖窄深溝；螺旋式開溝裝置集立銑、升運和拋撒于一體，功效高、深度大、能耗低，并且尺寸較小，傳動布局簡單，開溝過程中不會形成較大土塊，起到深松土壤作用。螺旋式開溝裝置在園林、果園及農(nóng)田開溝等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[15-19]，林靜等[20]研制的1JHL-2型秸稈深埋還田機(jī)，首次將螺旋式開溝裝置應(yīng)用于秸稈深埋還田，達(dá)到了秸稈深埋還田技術(shù)要求，改良了土壤結(jié)構(gòu)。

為了減小1JHL-2型秸稈深埋還田機(jī)的開溝阻力及解決螺旋葉片易粘土堵塞等問題，本研究對其關(guān)鍵部件螺旋開溝裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)深埋秸稈的同時提高其減粘降阻性能，通過優(yōu)化求解獲得螺旋開溝器的最佳參數(shù)組合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與螺旋開溝裝置方案設(shè)計

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

螺旋式秸稈深埋還田機(jī)由機(jī)架、傳動裝置、秸稈粉碎裝置、輸送裝置、螺旋開溝裝置、落料裝置和覆土鎮(zhèn)壓裝置等組成，如圖1所示。傳動裝置的布局如圖2所示，拖拉機(jī)后置動力輸出軸通過萬向節(jié)將動力傳至前置傳動箱，前置傳動箱改變傳動方向，通過機(jī)具側(cè)面帶傳動將動力傳至秸稈粉碎刀軸，秸稈粉碎刀軸另一端通過鏈傳動將動力傳至后置傳動箱。后置傳動箱將粉碎刀軸傳遞過來的動力分別傳至螺旋開溝器和上輸送帶軸，帶動輸送帶運動，上輸送帶軸另一側(cè)通過帶傳動將動力傳至螺旋覆土裝置。

圖1 螺旋式秸稈深埋還田機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure diagram of spiral type straw deep bury and returning machine1.機(jī)架 2.輸送裝置 3.落料裝置 4.鎮(zhèn)壓裝置 5.覆土裝置 6.螺旋開溝器 7.后置傳動箱 8.秸稈粉碎裝置 9.前置傳動箱 10.懸掛裝置

圖2 傳動系統(tǒng)布局Fig.2 Layout of transmission system1.萬向傳動軸 2.秸稈粉碎軸 3.輸送裝置下輥 4.螺旋開溝軸 5.后置傳動箱動力輸入軸 6.螺旋覆土軸 7.輸送裝置上輥 8.后置傳動箱 9.前置傳動箱動力輸出軸 10.前置傳動箱

機(jī)具進(jìn)行深埋作業(yè)時，秸稈粉碎軸進(jìn)行反轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，將秸稈打碎的同時將其向后拋起到輸送帶上，并輸送至落料裝置；與此同時，螺旋式開溝器開出深溝，落料裝置內(nèi)被打碎的秸稈落到溝內(nèi)，最后通過螺旋覆土器將土壤向中間輸送，填回溝內(nèi)將秸稈覆蓋，最后由鎮(zhèn)壓器將松土壓實，達(dá)到耕層結(jié)構(gòu)合理。

1.2 螺旋開溝裝置設(shè)計方案

原1JHL-2型秸稈深埋還田機(jī)螺旋開溝裝置的設(shè)計方案為單軸螺旋開溝，如圖3a所示。田間試驗時發(fā)現(xiàn)開溝器葉片堵塞嚴(yán)重，開溝阻力大，機(jī)具前進(jìn)直線性差。文獻(xiàn)[21]設(shè)計方案改用雙軸螺旋開溝，以傳動箱中間為基準(zhǔn)對稱布置，通過花鍵盤和傳動箱鏈接，如圖3b所示。雙軸螺旋開溝解決了機(jī)具行走直線性差的問題[22]，但是機(jī)具整體結(jié)構(gòu)較大，消耗功率升高。

圖3 螺旋開溝裝置設(shè)計方案Fig.3 Designing scheme of spiral type opener device1.傳動箱 2.花鍵盤 3.螺旋葉片 4.刀軸 5.刀頭

優(yōu)化的設(shè)計方案仍采用單軸螺旋開溝，從而保證功耗低，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；通過表面改形及仿生設(shè)計提高螺旋開溝器的減粘降阻特性；加大螺旋導(dǎo)程，從而增大輸送空間，防止土壤堵塞葉片；并采用雙螺旋葉片對稱布置，解決開溝器受力不均問題，同時機(jī)具行進(jìn)直線性差的問題也得到了解決；增強(qiáng)螺旋葉片及軸心的強(qiáng)度，葉片邊緣增加切土刀片，防止開溝時受力較大，葉片產(chǎn)生變形。

2 螺旋開溝裝置仿生表面設(shè)計

開溝裝置在工作過程中，容易發(fā)生螺旋葉片表面粘土現(xiàn)象，導(dǎo)致溝形不齊、秸稈掩埋深度不夠，甚至產(chǎn)生土壤堵塞葉片等現(xiàn)象。研究表明[23-29]，自然界生物與生俱來的非光滑表面具有良好的降阻和脫附作用。各種非光滑表面的共同點是，均由一系列一定形狀的結(jié)構(gòu)單元體按照一定規(guī)律或者隨機(jī)的分布在體表而成。為了研究非光滑表面的脫附作用，取粘附在螺旋葉片的土壤進(jìn)行分析，如圖4所示。AB面為螺旋葉片與土壤的接觸面，O點為土壤粘附區(qū)一點。當(dāng)AB由平面變成曲面1，再由曲面1變至球面4的過程中，半徑逐漸變小，曲面的曲率逐漸變大，導(dǎo)致粘附的面積逐漸變小，土壤最終脫落。由此可以看出，球面比平面和曲面更易導(dǎo)致土壤脫附。

圖4 土壤粘附仿生機(jī)理Fig.4 Bionic mechanism of soil adhesion

蜣螂頭部表面由一系列凸包分布而成，以其為仿生原型，在螺旋葉片的表面焊接一系列球冠狀的凸起。在螺旋葉片的輸土過程中，土壤的粘附力主要體現(xiàn)在切向粘附和法向粘附。在切向方向，由于土壤不容易與凸起的表面相接觸，從而在凸起的表面處形成較大的應(yīng)力。當(dāng)其切向分量大于粘附的摩擦力時，土壤即可產(chǎn)生運動，隨即脫離螺旋葉片表面。在法向方向，由于凸起變形產(chǎn)生的變形能消耗，導(dǎo)致土壤與葉片表面的粘附力降低，當(dāng)土壤內(nèi)部的粘聚力大于土壤與葉片的粘附力時，即能使土壤產(chǎn)生脫附。另外，凸起亦能破壞光滑表面與土壤接觸時產(chǎn)生的水膜的連續(xù)性，以減少粘附力，從而提高減粘降阻特性。

將螺旋葉片表面的凸起設(shè)計成球冠形，其外形尺寸設(shè)計為直徑15 mm，采用不銹鋼焊條堆焊而成，外側(cè)凸起中心距葉片邊緣40 mm，均勻布置24個；內(nèi)側(cè)凸起中心與其交錯布置，與外側(cè)凸起中心徑向偏移35 mm。據(jù)此，設(shè)計的仿生螺旋開溝裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 仿生螺旋開溝裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Bionic structure diagram of spiral type opener device1.傳動箱 2.花鍵盤 3.螺旋葉片 4.切土刀片 5.刀頭

3 螺旋開溝裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

3.1 運動學(xué)分析

螺旋開溝裝置通過螺旋葉片高速旋轉(zhuǎn)，切削土壤產(chǎn)生慣性力進(jìn)行上升輸送。為了簡化被切下土壤的運動過程，將土壤看成單個顆粒，在葉片離心力作用下將其拋向坑壁；由于土壤顆粒與坑壁之間摩擦力的存在，使土粒的旋轉(zhuǎn)角速度小于旋轉(zhuǎn)刀軸的角速度；與此同時，由于螺旋葉片的傾斜上升形態(tài)，土壤顆粒在摩擦力及法向壓力的作用下沿著螺旋葉片向上滑動上升,直至被拋出坑外[30-31]。

圖6 螺旋開溝裝置工作表面土壤顆粒速度分析Fig.6 Velocity analysis of soil particle on working surface of spiral type opener device

如圖6所示，螺旋面外緣半徑r處，在摩擦力作用下，土壤顆粒M以速度vr相對于葉片表面滑動，以絕對速度va的垂直分量vz向上運動。絕對速度va可分解為牽連速度ve和相對速度vr，牽連速度ve又可以分解為螺旋葉片圓周速度v和進(jìn)給速度vs。由圖中的矢量關(guān)系可以得出

vacosβ=rω-(vz+vs)cotα

(1)

其中

vacosβ=ωar

將公式(1)進(jìn)行簡化，得到開溝器向下挖坑時的角速度為

(2)

式中α——螺旋面半徑r處的螺旋升角，(°)

β——土壤顆粒絕對速度與水平面夾角，(°)

ξ——牽連速度與水平面的夾角，(°)

ωa——土壤顆粒絕對角速度，rad/s

當(dāng)開溝器下降到指定的最低深度時，開溝器停止下降，隨即向前進(jìn)行直線開溝作業(yè)。這時只有水平前進(jìn)的速度，即vs=0，ξ=0°，代入公式(2)，從而得到穩(wěn)定工作狀態(tài)下開溝裝置的角速度為

(3)

3.2 力學(xué)分析

在螺旋開溝裝置開溝作業(yè)時,土壤沿著螺旋葉片邊緣形成環(huán)狀土流，根據(jù)土流在螺旋葉片位置的變化，半徑越小所受的離心慣性力也逐漸減小，螺旋升角卻增大。從而得知，從螺旋開溝器的外緣到內(nèi)緣，主動力減小，阻力增加。隨著半徑的繼續(xù)減小，絕對角速度ωa增加，垂直上升速度vz減小直至為零，土壤沿著螺旋面下滑，不能繼續(xù)上升。

為了得到土壤能移動上升的條件，取A點為螺旋葉片上的土流單元，AC為螺旋面構(gòu)成線，AB為螺旋面的一條切線，A為切點，ABC平面為螺旋面上A點處的切面，面BCE為面ABC垂直方向的投影，AD為過A點的螺旋面的法線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 螺旋開溝裝置工作表面土流單元受力分析Fig.7 Force analysis of soil flow on working surface of spiral type opener device

將重力mg和離心力Fc分別向切向AC和法向AD方向進(jìn)行分解。在法向方向，土流單元所受作用力的合力為

FN=mgcosβ+Fcsinβ

(4)

式中Fc——土流單元體所受的離心力，N

FN——法線方向土流單元受力合力，N

在切向方向上，土流單元所受摩擦力為

F=(mgcosβ+Fcsinβ)f1

(5)

式中f1——土壤與螺旋面的摩擦因數(shù)

為了保證土流單元能夠上升運動，必須保證重力mg和離心力Fc在切向方向的合力大于摩擦力F，即得到土流單元體能夠移動上升的條件為

(6)

3.3 螺旋葉片直徑、小切土刀片及刀軸

螺旋開溝裝置行駛于壟溝，機(jī)具收集兩壟秸稈，實現(xiàn)壟溝隔行交替深埋。依據(jù)東北旱地棕壤土區(qū)玉米田的壟距及壟寬要求，確定開溝寬度不小于350 mm。螺旋葉片直徑D為

D=(0.92～0.98)D0

(7)

式中D0——開溝寬度，mm

選取葉片的直徑D=350 mm，螺旋式開溝裝置的最大開溝深度應(yīng)達(dá)到300 mm，故設(shè)計螺旋葉片的高度為250 mm。刀尖可采用分叉形刀頭，高度設(shè)計為100 mm。分叉形刀頭適合于中型機(jī)器作業(yè)，確保入土阻力小，在機(jī)組前進(jìn)切削工作時，亦能保證工作可靠。

通過強(qiáng)度校核計算，刀具的軸心采用直徑為100 mm、壁厚為10 mm的鋼管制成。同時，螺旋開溝裝置不同于挖坑機(jī)，其在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，主要依靠螺旋葉片對土壤進(jìn)行切削而完成直線開溝作業(yè)，因此對螺旋葉片的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求更高。螺旋葉片采用8 mm厚65Mn材料加工制作，并且進(jìn)行熱處理，焊接在主軸上，以此提高其強(qiáng)度。

為了減小螺旋開溝阻力，葉片邊緣必須焊接小切土刀片，以完成對土壤的切削作用。切土刀片的數(shù)量過多會產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起葉片變形，數(shù)量過少則導(dǎo)致切削不連續(xù)，工作效率低且功耗增大。切土刀片均勻布置20個，兩個刀片間的外螺旋線距離為100 mm；為了減少刀片磨損，取刀片刃角為30°。為了保證初始狀態(tài)下軸向的鉆削挖坑作業(yè)，在最底端螺旋葉片起點對稱安裝一對端面切土刀片，保證入土性能好，阻力小。

3.4 變螺距螺旋線方程的建立

為了防止土壤堵塞，螺旋葉片可以采取倒錐形螺柱式或變螺距圓柱式兩種方式。倒錐形螺柱從下向上變寬，輸土空間逐漸增大，開溝截面為梯形，因此不會產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象；變螺距圓柱式螺旋開溝器，從下向上螺距增大，輸土空間逐漸增大，開溝截面為矩形，結(jié)構(gòu)相對簡單，因此本機(jī)采取圓柱式變螺距螺旋開溝器。螺旋開溝裝置通過螺旋葉片對土壤進(jìn)行切削作業(yè)，為了防止作業(yè)時切削力矩作用不平衡，采取雙頭螺旋左右旋對稱布置。

螺旋葉片是螺旋開溝裝置的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計直接影響著開溝效果。雙頭螺旋變螺距螺旋面可以看作是由兩條變螺距螺旋線的無數(shù)切線所構(gòu)成，變螺距螺旋線的形成原理如圖8。母線上的一點A隨著母線繞Z軸轉(zhuǎn)動的同時，向上做等加速運動，動點A的軌跡A0、A1、A2、…、Ak在ZOY面展開，隨即形成一條拋物線。變螺距螺旋線的方程為

(8)

式中k1——母線轉(zhuǎn)動圈數(shù)

a——二次項系數(shù)b——一次項系數(shù)

圖8 變螺距螺旋線的形成原理Fig.8 Formation principle of variable pitch spiral

對此拋物線方程z進(jìn)行求導(dǎo)，可得到任意一點的切線斜率為

tanαk=2a(2πrk1)+b

(9)

當(dāng)螺旋在初始位置時，αk=α0，k1=0，b=tanα0，則可得到二次項系數(shù)為

(10)

式中hk——螺旋線上任一點的上升高度，mm

螺旋線展開線上任一點Ai上升k1圈的螺旋線升角為

αk=arctan(4aπrk1+tanα0)

(11)

為了減小切削功率，并防止堵塞，螺旋線一般采取較小的起始螺旋升角；為了防止土壤堵塞，盡量加大螺旋導(dǎo)程，本文取螺旋上升圈數(shù)為1圈。

3.5 螺旋開溝裝置工作參數(shù)

為了滿足土壤能夠上升的條件，順利完成對土壤的切削與提升，必須對螺旋開溝器螺旋葉片的螺旋角α、土壤顆粒絕對速度與水平面夾角β、螺旋葉片螺距P的變化范圍及螺旋葉片的工作轉(zhuǎn)速n進(jìn)行分析。

螺旋葉片的螺旋角α隨著葉片半徑的增大而減小，此處所指為螺旋葉片外半徑處的螺旋角，螺旋角α的選取直接影響升土的效果。為了降低切削功率，一般可選取較小的螺旋角[32]。針對初始樣機(jī)產(chǎn)生粘土及易堵塞輸送空間的問題，將原方案初始螺旋角α0由9°改為6°。

螺旋角的計算公式為

(12)

將P=250 mm，D=350 mm代入公式(12)，則計算得到最大螺旋角為α=12.94°，相應(yīng)地可計算得到對應(yīng)的螺距P變化范圍為115～250 mm。

隨著螺旋角減少到12.94°，螺旋開溝器向兩側(cè)拋土的距離也隨之減小，開溝效率亦有所增加，這樣更有利于開溝后覆土。

螺旋葉片的工作轉(zhuǎn)速為

(13)

式中Fr——無因次相似準(zhǔn)數(shù)，為2.5～4.5

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊得

(14)

式中φ1——土壤與螺旋葉片的摩擦角，15°～40°

f2——土壤的內(nèi)摩擦因數(shù)，0.8～1.1

由公式(14)可知，土壤顆粒絕對速度與水平面夾角β是Fr取值的關(guān)鍵因素。β不是獨立變量，它受螺旋角、轉(zhuǎn)速及葉片半徑的影響；當(dāng)β取值較大時，螺旋葉片有更好的效率，從而使土壤更能順利排出坑外。本裝置的β角從下至上逐漸增大，取螺旋葉片底端β的最小值為20°，ξ=1°，φ1=30°，f2=1時，代入公式(14)求得Fr=3.7，以此選取螺旋葉片的轉(zhuǎn)速。

將Fr=3.7代入公式(13)，計算求得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n為265 r/min。

螺旋葉片半徑r處邊緣一點的線速度計算公式為

(15)

當(dāng)螺旋葉片外緣任一點的線速度在接近10 m/s時，切削力隨線速度急劇下降。據(jù)此，將n=265 r/min代入公式(15)，計算求得螺旋葉片半徑r處的線速度為4.84 m/s，從而保證了開溝器有較大的切削力。

土壤顆粒的絕對速度與水平面夾角β隨著變螺距螺旋葉片的上升而增大。根據(jù)公式(6)對土壤能否上升進(jìn)行校核。此時取f1=0.54，r=0.175 m，v=4.84 m/s，由此驗證在葉片最底端和最頂端兩個極值時的土壤的升土性能。

在螺旋葉片最底端時取βmin=20°，代入式(6)進(jìn)行驗證，求得切向方向的合力為122.5 N，摩擦力為29.7 N，能夠滿足升土條件。

在螺旋葉片最頂端時取βmax=45°，代入式(6)進(jìn)行驗證，求得切向方向的合力為87.7 N，摩擦力為54.9 N，能夠滿足升土條件。

4 田間試驗

4.1 田間試驗條件與設(shè)備

2017年10月25日在鐵嶺市鐵嶺縣蔡牛鎮(zhèn)張莊合作社玉米試驗田內(nèi)進(jìn)行田間試驗，該地區(qū)為棕壤土，經(jīng)過長期耕作后，犁底層較為緊實，透水性較差。試驗田玉米留茬高度平均為18 cm，行距55 cm，平均株距35 cm，秸稈粉碎處理后均勻鋪撒。測得秸稈的直徑為12～25 mm，平均長度為10 cm，平均秸稈覆蓋量為0.8 kg/m2。

使用SM-2 型高精度土壤水分測量儀測定土壤含水率，5 cm深處平均值為22.8%，10 cm深處平均值為23.8%，15 cm深處平均值為25.6%，20 cm深處平均值為27.3%，25 cm深處平均值為28.9%。用SC900 型土壤緊實度測量儀測量土壤堅實度，5 cm深處平均值為223.2 kPa，10 cm深處平均值為248.0 kPa，15 cm深處平均值為953.1 kPa，20 cm深處平均值為1 092.2 kPa，25 cm深處平均值為1 277.8 kPa。測試設(shè)備包括AKC-205B型扭矩傳感器和DT2236B型轉(zhuǎn)速測試儀、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理終端等 。螺旋開溝器安裝在1JHL-2型秸稈深埋還田機(jī)上，配套動力采用Deere1354型拖拉機(jī)，機(jī)具的田間試驗情況如圖9所示。

4.2 試驗影響因素和評價指標(biāo)

4.2.1試驗影響因素

根據(jù)目前的研究可知，秸稈深埋還田機(jī)的作業(yè)效果主要受前進(jìn)速度、開溝深度、開溝器轉(zhuǎn)速、田間秸稈覆蓋量、土壤含水率和堅實度等因素影響。在土壤含水率和堅實度相對穩(wěn)定的條件下，確定前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速和開溝深度為田間試驗的影響因素。

圖9 機(jī)具田間試驗Fig.9 Machine field test

4.2.2試驗指標(biāo)

該機(jī)具研制的主要目的是在提高秸稈深埋率的同時，解決初始樣機(jī)開溝阻力大、行駛直線性差的問題，因此將秸稈深埋率、開溝功耗和機(jī)組直線行駛最大偏移量作為試驗指標(biāo)。

秸稈深埋率的計算式為

(16)

式中Y1——秸稈深埋率，%

m1——取樣點作業(yè)前單位面積秸稈質(zhì)量，kg

m2——取樣點作業(yè)后單位面積秸稈質(zhì)量，kg

每組試驗機(jī)具前進(jìn)50 m，隨機(jī)在其工作區(qū)域選取10個120 cm×60 cm的矩形區(qū)域，稱量統(tǒng)計后取平均值，進(jìn)行秸稈深埋率計算。取機(jī)具前進(jìn)中間20 m區(qū)域為功耗數(shù)據(jù)采集區(qū)，每隔2 m選取一個測試點進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，求出10個測試點的平均值，作為每次試驗功耗測試數(shù)據(jù)。在機(jī)具前進(jìn)50 m行程兩端中心點處拉線，保證其直線度，作為直線偏移量的測量基準(zhǔn)。等間距選取10個測量點，用鋼卷尺測量沿行程垂直方向溝壁邊緣與基準(zhǔn)線的距離，計算出最大偏移量。

4.3 試驗方案及結(jié)果分析

4.3.1試驗方案

試驗以前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速、開溝深度作為影響因素，分別設(shè)置3個因素水平，試驗因素的編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

田間試驗的目的是確定不同的影響因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律，尋找一組最佳的因素參數(shù)組合從而使試驗指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值。首先通過Design-Expert對回歸方程進(jìn)行檢驗，判斷回歸方程的類型，通過極差和方差分析確定試驗因素對指標(biāo)的影響并排序，最后通過對回歸方程求最優(yōu)解，求出最佳組合[33]。試驗共進(jìn)行23次，其中零水平組合重復(fù)4次，每組試驗機(jī)具前進(jìn)50 m，試驗方案與結(jié)果如表2所示，其中X1、X2、X3分別為x1、x2、x3的編碼值。

表2 試驗方案及結(jié)果Tab.2 Experimental project and results

4.3.2試驗結(jié)果分析

針對試驗結(jié)果，應(yīng)用Design-Expert軟件對其進(jìn)行回歸分析，以確定試驗指標(biāo)在不同試驗因素影響下的變化規(guī)律，深埋率的回歸方程的顯著性分析結(jié)果如表3所示。

由方差分析結(jié)果可知，前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速和開溝深度均對秸稈深埋率的影響極顯著，因素兩兩之間存在交互作用?；貧w模型極顯著，失擬項P>0.05，說明回歸方程和試驗數(shù)據(jù)的擬合程度良好。通過對回歸方程系數(shù)的檢驗，確定試驗因素對試驗指標(biāo)的影響大小順序為X1、X2、X3。深埋率的因素編碼回歸方程為

表3 正交試驗方差分析(深埋率)Tab.3 Variance analysis result of orthogonal test

注：** 表示極顯著，*表示顯著。

(17)

運用同樣的方法，剔除不顯著項，得到功耗的因素編碼回歸方程為

(18)

通過對回歸方程系數(shù)的檢驗，確定試驗因素對開溝功耗的影響大小順序為X3、X1、X2。

通過對功耗方差分析可知，3個因素對功耗的影響均顯著，并且前進(jìn)速度和開溝深度、開溝器轉(zhuǎn)速和開溝深度之間存在交互作用。

對于機(jī)組直線行駛的最大偏移量，剔除不顯著項，得到最大偏移量因素編碼的回歸方程為

(19)

通過對機(jī)組直線行駛的最大偏移量方差分析可知，3個因素對其影響均顯著，并且前進(jìn)速度和開溝深度之間存在交互作用。

圖10 試驗因素對指標(biāo)的影響Fig.10 Influence of test factors on indexes

4.3.3試驗因素對試驗指標(biāo)的影響分析

通過Design-Expert中的3D Surface model graphs能夠直觀展示各個試驗因素對試驗指標(biāo)的影響，如圖10所示。由圖10a、10b、10c可知，深埋率隨著前進(jìn)速度的提高先增后降，在0水平附近取得最大值；隨著開溝器轉(zhuǎn)速的提高先增大后小幅度減??；隨著開溝深度的增大先增后降，在0水平附近取得最大值。由圖10d、10e、10f可知，開溝功耗隨著前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速及開溝深度的提高而增大。由圖10g、10h、10i可知，機(jī)組直線行駛最大偏移量隨著前進(jìn)速度、開溝深度的提高而增大，隨著開溝器轉(zhuǎn)速的提高呈現(xiàn)減小趨勢。

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為尋找因素區(qū)間內(nèi)的最優(yōu)因素水平組合，結(jié)合試驗因素的約束條件，對得到的回歸方程求最優(yōu)解。

根據(jù)試驗得到的初步結(jié)果，以最大秸稈深埋率為評價指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型

(20)

針對回歸方程，應(yīng)用Design-Expert對其進(jìn)行優(yōu)化求解，優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為：前進(jìn)速度1.04 m/s，開溝器轉(zhuǎn)速275 r/min，開溝深度28.5 cm時，深埋率為92.14%，開溝功耗為17.9 kW，直線行駛最大偏移量為68 mm。

4.5 驗證試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了田間驗證試驗。驗證試驗在同一試驗田隔天進(jìn)行，土壤含水率和土壤堅實度基本維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。試驗時，按照最優(yōu)參數(shù)組合確定機(jī)具的前進(jìn)速度為1 m/s、開溝器轉(zhuǎn)速為275 r/min、開溝深度為28.5 cm。驗證試驗在試驗田中隨機(jī)選取7個地塊，在每個地塊分別進(jìn)行一次驗證試驗，機(jī)具前進(jìn)的距離不小于50 m，驗證試驗的結(jié)果取7次試驗的平均值，如表4所示?？梢钥闯觯诶碚撚嬎惴治鏊x擇的參數(shù)下，優(yōu)化結(jié)果與田間驗證結(jié)果基本相符。

表4 田間驗證試驗結(jié)果Tab.4 Result of field validation test

5 結(jié)論

(1)依據(jù)東北平原中南部棕壤土區(qū)合理耕層構(gòu)建的秸稈深埋還田技術(shù)要求，結(jié)合運動學(xué)計算分析，對螺旋開溝裝置進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。螺旋開溝裝置采取圓柱式雙頭螺旋變螺距設(shè)計，螺旋葉片邊緣增加小切土刀片，并對螺旋葉片表面焊球冠狀仿生凸起，滿足了開溝深度、寬度及秸稈深埋率等要求，并解決了葉片粘土易堵塞等問題。

(2)建立了秸稈深埋率、開溝功耗、直線行駛最大偏移量與前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速、開溝深度3個試驗因素的回歸數(shù)學(xué)模型，得到了3個因素對秸稈深埋率的影響規(guī)律，確定試驗因素對試驗指標(biāo)的影響順序為前進(jìn)速度、開溝器轉(zhuǎn)速、開溝深度；同時也確定了3個因素對開溝功耗和直線行駛最大偏移量的影響規(guī)律和交互關(guān)系。

(3)在平均秸稈覆蓋量為0.8 kg/m2、秸稈平均長度為10 cm的玉米秸稈茬地，當(dāng)參數(shù)優(yōu)化組合為：機(jī)具前進(jìn)速度1.04 m/s、開溝器轉(zhuǎn)速275 r/min、開溝深度28.5 cm，此時秸稈深埋率為92.14%，開溝功耗為17.9 kW，直線行駛最大偏移量為68 mm。

(4)田間驗證試驗表明，在最佳參數(shù)組合下，秸稈深埋率的平均值為92.03%，開溝功耗平均值為17.7 kW，直線行駛最大偏移量為74 mm，達(dá)到了秸稈深埋還田技術(shù)要求，可為秸稈深埋還田機(jī)開溝裝置的設(shè)計和改制提供一定的理論參考。