鄭文秀，呂釗欽,2，張萬枝，劉正鐸，鹿 瑤，李玉道

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單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計與試驗

鄭文秀1，呂釗欽1,2※，張萬枝1，劉正鐸1，鹿 瑤1，李玉道1

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點實驗室，泰安 271018）

針對目前國內(nèi)甘薯秧蔓粉碎還田不能回收飼用或人工收割秧蔓勞動強(qiáng)度大的難題，該文設(shè)計了一種單行甘薯秧蔓回收作業(yè)機(jī)，可一次完成秧蔓喂入、切割粉碎、輸送及集箱回收作業(yè)。應(yīng)用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，以刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、刀片離地間隙為試驗因素，以秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率為試驗指標(biāo)，對甘薯秧蔓回收機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行試驗研究，建立了試驗指標(biāo)與試驗因素之間的回歸模型，分析了各因素對試驗指標(biāo)的影響，并對試驗因素進(jìn)行了綜合優(yōu)化。最優(yōu)工作參數(shù)組合為：刀輥轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度2.5 km/h、離地間隙15 mm，秧蔓回收率為93.16%、留茬長度為33.8 mm、傷薯率為0.26%。研究結(jié)果可為甘薯秧蔓機(jī)械化回收飼用提供參考，對甘薯產(chǎn)業(yè)的輕簡化生產(chǎn)、節(jié)本增效具有重要意義。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗；甘薯秧蔓；回收

0 引 言

中國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，常年甘薯種植面積為300余萬hm2，約占全球甘薯種植面積的45%[1-2]。甘薯是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料、優(yōu)質(zhì)抗癌保健食品及新型的能源用料[3-4]。甘薯秧蔓中含有豐富的營養(yǎng)成分，是非常理想的飼料原料[5-6]。甘薯秧蔓產(chǎn)量一般在2×104kg/hm2以上[7]。國外甘薯秧蔓處理機(jī)械的研發(fā)起步較早[8-12]，如日本的自走式甘薯去蔓機(jī)、韓國小型甘薯去蔓機(jī)，由拖拉機(jī)驅(qū)動，使用旋轉(zhuǎn)輪式擊碎器擊碎秧蔓并運(yùn)出田外或撒在田間，使繁重的秧蔓清理工作變得相對簡單。但這種類型的甘薯去蔓機(jī)不能滿足秧蔓收集和回收的要求，擊碎器在擊碎秧蔓時有可能傷及薯塊，影響作業(yè)質(zhì)量。美國研究了一種機(jī)械卷蔓機(jī)，利用大型拖拉機(jī)將甘薯秧蔓卷在支架上帶出田外，收獲后仍需要進(jìn)行粉碎收集，不適應(yīng)中國種植生產(chǎn)模式。日本研制了一款具有秧蔓粉碎功能的履帶式甘薯秧蔓處理收獲機(jī)，可一次完成秧蔓收集、輸送、粉碎及集箱過程，但機(jī)器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，并不適合中國普通農(nóng)戶的應(yīng)用。國內(nèi)甘薯秧蔓處理機(jī)械的研發(fā)正處于起步階段，主要采用秧蔓直接粉碎還田技術(shù)，何玉靜等[13]開發(fā)的4UJH型甘薯切蔓機(jī)具，其與18.4～22.1 kW輪式拖拉機(jī)配套使用，可一次完成秧蔓粉碎、還田等作業(yè)。吳騰等[14]研制出一款步行式甘薯碎蔓還田機(jī)；申屠留芳等[15]設(shè)計了一種單壟紅薯薯藤切碎還田機(jī)。目前，甘薯秧蔓處理機(jī)械存在的主要問題是將秧蔓粉碎后拋撒在大田里，不能實現(xiàn)秧蔓收集作為飼料使用，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時容易加重病蟲害傳播[16-17]。魏樂樂等[18]進(jìn)行了一種鏈條式薯秧粉碎回收機(jī)仿真設(shè)計，工作原理是由往復(fù)式割刀切斷秧蔓主莖，輸送鏈條夾持秧蔓輸送到機(jī)器后部的粉碎裝置進(jìn)行粉碎收集裝袋，存在薯秧纏繞堵塞問題，收秧效果及其影響因素參數(shù)優(yōu)化等工作還需要進(jìn)一步研究。國內(nèi)尚未有其他相關(guān)甘薯秧蔓回收機(jī)械的報道。本文設(shè)計了一種滾刀式單行甘薯秧蔓回收機(jī)，采用滾刀切割粉碎回收原理較好地解決了薯秧纏繞回收難題，對甘薯產(chǎn)業(yè)的輕簡化生產(chǎn)技術(shù)、節(jié)本增效具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 甘薯秧蔓生長特性

甘薯采用壟作種植，壟高20～30 cm左右，其秧蔓生長茂盛、交錯纏繞，可將田間壟溝全部覆蓋[19-21]，甘薯秧蔓長1.5～2.5 m，有些品種甚至達(dá)到4 m，甘薯秧蔓具有較高的韌性[22-23]，這些生長特性均給機(jī)械回收秧蔓工作帶來很大難度。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

單行甘薯秧蔓回收機(jī)主要由挑秧鏟、喂入滾筒、刀輥、絞龍、輸送帶、集秧箱、升降油缸、機(jī)架等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.挑秧鏟 2.喂入滾筒 3.刀輥 4.機(jī)架 5.絞龍 6.升降油缸 7.輸送帶 8.集秧箱

1.3 工作原理

工作時，隨著機(jī)具的前進(jìn)挑秧鏟將壟底的秧蔓挑起，喂入滾筒轉(zhuǎn)動把秧蔓喂入到切割粉碎裝置。秧蔓由高速旋轉(zhuǎn)的刀輥切割粉碎并拋送至絞龍，粉碎后的秧蔓由絞龍和輸送帶輸送到集秧箱收集。

拖拉機(jī)的動力由發(fā)動機(jī)帶輪輸出，一路經(jīng)皮帶傳動機(jī)構(gòu)傳遞給秧蔓輸送機(jī)構(gòu)，再通過鏈傳動傳遞給喂入滾筒和絞龍；另一路經(jīng)過兩級帶傳動驅(qū)動刀輥軸高速旋轉(zhuǎn)。動力傳動路線如圖2所示。

1.發(fā)動機(jī) 2.帶傳動 3.輸送帶 4.鏈傳動 5.絞龍 6.刀輥 7.喂入滾筒

1.4 技術(shù)參數(shù)

單行甘薯秧蔓回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 單行甘薯秧蔓回收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 單行甘薯秧蔓回收機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 挑秧裝置的設(shè)計

挑秧裝置由挑秧齒、挑秧面、限深板、彈簧組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。工作時，挑秧裝置前端緊貼地面前移把壟溝里的秧蔓挑起向后上方移動，并輸送到喂入裝置。

注：為挑秧鏟傾角，（°）。

Note:is the inclination angle of vine picking shovel, (°).

1.挑秧齒 2.挑秧面 3.限深板 4.彈簧

1. Vine picking tooth 2.Vine picking surface 3. Depth limited plate 4. Spring

圖3 挑秧裝置結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.3 Structure diagram of vine picking device

挑秧裝置采用立體楔形結(jié)構(gòu)。挑秧鏟傾角存在一臨界值0，0時，秧蔓不能沿上斜面向后上方滑動使秧蔓在挑秧鏟處形成堆積；只有當(dāng)0時才能順利挑起秧蔓，但角也不能過小，否則會使挑秧鏟過長。

通過秧蔓在鏟面上的受力分析可以確定傾角的大小。當(dāng)秧蔓在鏟面上處于滑動的臨界狀態(tài)時，受力分析如圖4所示。由圖4可知

式中為秧蔓受到的支持力，N；為秧蔓重力，N；為秧蔓受到的摩擦力，N；0為傾角臨界值，（°）；為秧蔓在鏟面上的摩擦系數(shù)，取值為0.55[24]。

由公式（1）得0=28.8°，根據(jù)田間作業(yè)情況，傾角選取25°。甘薯種植壟高約為0.25 m。設(shè)挑秧鏟長度為，當(dāng)秧蔓從挑秧齒運(yùn)動到挑秧鏟頂部時，為了使秧蔓能夠順利挑過壟頂并能被推送到切割裝置中，挑起的秧蔓要高出壟頂0.05～0.1 m（挑秧鏟與喂入滾筒的最大間隙0.1 m），則應(yīng)滿足下列條件

0.25+0.05

由公式（2）得0.65 m<<0.76 m，根據(jù)田間作業(yè)情況確定挑秧鏟長度為0.7 m。

注：N為秧蔓受到的支持力，N；G為秧蔓重力，N；f為秧蔓受到的摩擦力，N；β0為傾角臨界值，（°）。

2.2 浮動式喂入裝置的設(shè)計

喂入裝置主要由喂入滾筒、擺臂等組成，喂入滾筒與機(jī)架采用擺臂浮動聯(lián)接，喂入滾筒在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時可繞擺臂上下浮動，其截面設(shè)計為8邊形，根據(jù)作業(yè)幅寬設(shè)計喂入滾筒總長為900 mm，如圖5所示。當(dāng)喂入量增大時，喂入滾筒與挑秧鏟間隙增大，反之，喂入滾筒與挑秧鏟間隙減小。

1.擺臂 2.撥齒 3.連接板 4.輻條

喂入滾筒繞滾筒軸做圓周運(yùn)動時的線速度稱為圓周速度1，滾筒圓周速度1與機(jī)具前進(jìn)速度v的速比為1：

根據(jù)收獲機(jī)生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗確定1的范圍為1.2～2.0[25]，因為甘薯秧蔓生長茂盛且產(chǎn)量高，1過大，切割質(zhì)量不穩(wěn)定，1過小則秧蔓容易在挑秧面上發(fā)生堆積與堵塞，故取1的值為1.5，依據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度v求出滾筒轉(zhuǎn)速1。

式中1為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；為滾筒回轉(zhuǎn)半徑，m。

機(jī)具前進(jìn)速度太快會使作業(yè)質(zhì)量下降，太慢則工作效率降低，根據(jù)實際作業(yè)需要選取機(jī)具前進(jìn)速度v為0.6～1.1 m/s；喂入滾筒回轉(zhuǎn)半徑依據(jù)設(shè)計值取0.15 m。由公式（4）求得喂入滾筒的轉(zhuǎn)速范圍為57 r/min≤1≤105 r/min。

2.3 秧蔓切割刀輥設(shè)計

秧蔓切割刀輥主要由縱切刀、橫切刀、刀軸等組成，如圖6所示?？v切刀為直刃型刀片，3把縱切刀沿刀軸圓周方向120°均勻排列，縱切刀長為700 mm。橫切刀分為3組，每組6個，每2個橫切刀片的距離為140 mm。軸向每組6個橫切刀片與縱切刀焊接為一體?？v切刀通過螺栓與刀軸連接，縱切刀片的安裝孔在其縱向設(shè)計成長孔，通過長孔可對縱切刀片的離地間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。切割刀輥繞刀軸作圓周運(yùn)動時的線速度稱為圓周速度2，切割刀輥圓周速度2與機(jī)具前進(jìn)速度v的速比為λ2：

式中為刀輥角速度，rad/s；為刀輥回轉(zhuǎn)半徑，m；2為刀輥圓周速度，m/s。

1.橫切刀 2.縱切刀 3.縱向長孔 4.刀軸

1.Transverse cutter 2.Longitudinal cutter 3.Longitudinal long hole 4.Cutter shaft

圖6 切割刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6 Assembly structure diagram of cutter roller

設(shè)縱切刀刀刃運(yùn)動軌跡上任一點的坐標(biāo)為(，)，取刀軸中心為坐標(biāo)原點，機(jī)具前進(jìn)方向為軸正方向，垂直向下為軸正方向，如圖7所示。點(，)運(yùn)動軌跡方程為：

式中為刀輥運(yùn)動時間，s。

注：為刀輥運(yùn)動初始位置中心；′為經(jīng)過時間后軸心所在位置；點為縱切刀刃軌跡上任一點；vt為經(jīng)時間后刀輥前行距離，m；為縱切刀回轉(zhuǎn)半徑，m；為壟頂留茬長度，m；v為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；為刀輥角速度，rad·s-1。

Note:is axis of cutter roller for initial position;is location of the axis after time;is any point on the blade trajectory oflongitudinal cutter;vt is distance of cutter roller after time, m;is the gyration radius of longitudinal cutter, m;is the vine stubble height on ridge top, m;vis the machine forward speed, m·s-1;is angular speed of cutter roller, rad·s-1.

圖7 刀輥運(yùn)動示意圖

Fig.7 Schematic diagram of motion trajectory of cutter roller

對式（6）中時間求導(dǎo)，求得點(，)的速度為：

式中v為點在方向的分速度，m/s；v為點在方向的分速度，m/s。

為了確保作業(yè)質(zhì)量，切割刀的水平分速度絕對值不能低于切蔓切割所需速度v，即切割刀應(yīng)有足夠大的向前速度，即

根據(jù)圖7可知

式中為田間最大留茬長度，m。

綜合上述條件，有

根據(jù)機(jī)具的工作原理，當(dāng)2≤1時，縱切刀刀刃運(yùn)動軌跡曲線上的任何一點均不具有向后的水平分速度，不能向后拋送秧蔓。只有當(dāng)2＞1、縱切刀轉(zhuǎn)向刀輥的最高部位時，縱切刀絕對速度的水平分量與機(jī)具前進(jìn)速度方向相反，才能將秧蔓向后拋送至絞龍。機(jī)具前進(jìn)速度v取最低值0.6 m/s，切蔓切割所需速度v為25 m/s[26]，取田間實際最大留茬長度為0.06 m，縱切刀回轉(zhuǎn)半徑依據(jù)設(shè)計值取0.2 m。將以上數(shù)據(jù)代入公式（10），可得切割刀輥轉(zhuǎn)速2≥1 590 r/min。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為了驗證單行甘薯秧蔓回收機(jī)的工作性能和各參數(shù)設(shè)計的合理性，2017年10月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯試驗基地進(jìn)行單行甘薯秧蔓回收機(jī)的田間試驗，土質(zhì)為壤土，土壤含水率為22.5%，甘薯品種為商薯19，單壟單行種植，株距250 mm，壟高250 mm，壟距900 mm，甘薯秧蔓平均長度1.78 m，平均直徑7.6 mm，含水率78.8%。配套動力為泰山260型拖拉機(jī)，功率為20 kW。

試驗儀器與設(shè)備主要包括單行甘薯秧蔓回收機(jī)、電子天平、水分測定儀、卷尺、剪刀、工具包等。田間試驗如圖8所示。

圖8 單行甘薯秧蔓回收機(jī)田間試驗

3.2 試驗指標(biāo)與測試方法

采用Box-Behnken試驗設(shè)計方案，以秧蔓回收率、留茬長度和傷薯率作為評價指標(biāo)，對刀輥轉(zhuǎn)速（水平值1，編碼值1）、機(jī)具前進(jìn)速度（水平值2，編碼值2）刀片離地間隙（水平值3，編碼值3）開展響應(yīng)面試驗研究。刀輥轉(zhuǎn)速太大增加動力消耗和振動，太小影響作業(yè)效果，根據(jù)設(shè)計計算刀輥轉(zhuǎn)速取1 800～2 200 r/min；機(jī)具前進(jìn)速度太快會使作業(yè)質(zhì)量下降，太慢則工作效率降低，故選取機(jī)具前進(jìn)速度為2～4 km/h；離地間隙太小容易打土、傷薯，太大則會影響作業(yè)效果，因此離地間隙調(diào)節(jié)范圍為10～30 mm。試驗因素水平與編碼值如表2所示。

表2 試驗因素水平與編碼值

1）秧蔓回收率：將試驗田劃分為若小區(qū)，每小區(qū)長為10 m，即每10 m甘薯壟作為1個測區(qū)。試驗時，隨機(jī)選取某個測區(qū)進(jìn)行作業(yè)，重復(fù)3個測區(qū)取平均值。作業(yè)后，將測區(qū)內(nèi)回收的秧蔓中夾雜的土壤進(jìn)行人工清理，測得秧蔓總質(zhì)量為0，然后測量測區(qū)內(nèi)地表剩余的秧蔓總質(zhì)量1。秧蔓回收率的計算公式為:

式中1為秧蔓回收率，%；0為測區(qū)內(nèi)回收的秧蔓總質(zhì)量，kg；1為測區(qū)內(nèi)地表剩余秧蔓總質(zhì)量，kg。

2）壟頂留茬長度：作業(yè)后在測區(qū)內(nèi)隨機(jī)測量10株秧蔓留茬長度，取平均值作為留茬長度2。計算公式為：

式中2為壟頂留茬平均長度，mm；l為各株秧蔓留茬測量長度，mm。

3）傷薯率：傷薯是指在單行甘薯秧蔓回收機(jī)工作過程中，機(jī)械部件對甘薯切傷或碰傷的現(xiàn)象[27]。作業(yè)后挖出測區(qū)內(nèi)的總薯質(zhì)量為0，傷薯質(zhì)量為1，重復(fù)3個測區(qū)取平均值。計算公式為：

式中3為傷薯率，%；1為測區(qū)內(nèi)傷薯質(zhì)量，kg；0為測區(qū)內(nèi)甘薯總質(zhì)量，kg。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

依據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計試驗方案[28-29]，試驗方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案與結(jié)果

注：1、2、3為1、2、3對應(yīng)的編碼值，下同。

Note:1、2、3is the corresponding coded value of1、2、3, same as below.

4.2 回歸模型的建立與方差分析

利用Design-Expert8.0軟件建立刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前速度、離地間隙對秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率的響應(yīng)面回歸模型，并對回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率的模型顯著性值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著。失擬項值均大于0.05，說明無失擬因素存在，表明回歸方程擬合度高，可用該回歸模型替代真實試驗結(jié)果進(jìn)行分析。各因素對秧蔓回收率影響的顯著性順序從大到小依次為機(jī)具前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙；對留茬長度影響的顯著性順序從大到小依次為離地間隙、刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度；對傷薯率影響的顯著性順序從大到小依次為離地間隙、刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度。秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率的模型決定系數(shù)2分別為0.979 4、0.970 5、0.980 8，說明分別有2.06%、2.95%、1.92%的變異不能由該模型解釋，說明模型擬合程度好，可用來進(jìn)行試驗預(yù)測。

對于秧蔓回收率，回歸項12、3、23、12影響極顯著（<0.01）,22影響顯著（<0.05）；對于留茬長度，回歸項1312影響極顯著（<0.01），2、22影響顯著（<0.05）；對于傷薯率，回歸項13影響極顯著（<0.01），2、13、12影響顯著（<0.05）。

利用Design-Expert8.0軟件對表3的試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率受到各因素影響的編碼值二次回歸模型，如式（14）～（16）所示。

1=93.02+0.651-1.272-0.603+0.2212-0.02513

+1.0223-2.1712-0.4222-0.2732（14）

2=38.20-4.491+2.322+10.813-2.6512-0.1313

+0.5523+4.2112+2.9922+2.2632（15）

3=0.26+0.0421-0.0282-0.143+0.002 512+0.02713

-0.002 523+0.02912+0.01922+0.008 732（16）

表4 回歸模型的方差分析

注：*表示影響顯著，0.05；**表示影響極顯著，0.01。

Note: * means the influence is significant,0.05; ** means the influence is highly significant,0.01.

剔除模型不顯著項，對模型1、2、3進(jìn)行優(yōu)化，如式（17）~（19）所示。

1=93.02+0.651-1.272-0.603+1.0223-2.1712-0.4222（17）

2=38.20-4.491+2.322+10.813+4.2112+2.9922（18）

3=0.26+0.0421-0.0282-0.143+0.02713+0.02912（19）

4.3 雙因素交互效應(yīng)分析

在回歸方程（14）-（16）中，分別取任意1個因素水平為0，研究其余2個因素對秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率的影響，應(yīng)用Design-Expert8.0軟件分析得到交互因素影響的響應(yīng)曲面，如圖9所示。

從圖9a可以看出，在同一機(jī)具前進(jìn)速度下秧蔓回收率隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后緩慢增大的曲線變化,同一刀輥轉(zhuǎn)速下秧蔓回收率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大而減小；從圖9b可以看出，在同一離地間隙下秧蔓回收率隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后緩慢增大的曲線變化，同一刀輥轉(zhuǎn)速下秧蔓回收率隨著離地間隙增大而減小；從圖9c可以看出，在同一機(jī)具前進(jìn)速度下秧蔓回收率隨著離地間隙的增大而減小，在同一離地間隙下秧蔓回收率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大而減小。從圖9d可以看出，在同一機(jī)具前進(jìn)速度下留茬長度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后緩慢降低的曲線變化，同一刀輥轉(zhuǎn)速下留茬長度隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大而增大；從圖9e可以看出，在同一離地間隙下留茬長度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后緩慢降低的曲線變化，同一刀輥轉(zhuǎn)速下留茬長度隨著離地間隙增大而增大；從圖9f可以看出，降低機(jī)具前進(jìn)速度和離地間隙有助于降低留茬長度。從圖9g可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低機(jī)具前進(jìn)速度傷薯率增大；從圖9h可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和減小離地間隙傷薯率增大；從圖9i可以看出，減小機(jī)具前進(jìn)速度和離地間隙傷薯率增大。各因素對傷薯率總體影響趨勢為刀輥轉(zhuǎn)速降低、機(jī)具前進(jìn)速度越大、離地間隙越大，則傷薯率越小。

圖9 交互因素對試驗指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面

5 模型優(yōu)化與試驗驗證

5.1 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)單行甘薯秧蔓回收機(jī)的作業(yè)性能要求和實際工作條件，要求秧蔓回收率高、留茬長度小、傷薯率低。由于各因素對目標(biāo)值的影響不一致，需要進(jìn)行全局多目標(biāo)優(yōu)化[30-31]。以秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率為目標(biāo)函數(shù)，對刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、離地間隙3個試驗因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化約束條件為

為了尋求最佳參數(shù)組合，綜合考慮3個因素對秧蔓回收率、留茬長度、傷薯率的影響規(guī)律，應(yīng)用Design-Expert8.0軟件進(jìn)行優(yōu)化求解。得到最優(yōu)工作參數(shù)組合：刀輥轉(zhuǎn)速1 988.00 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度2.38 km/h、離地間隙16.60 mm，此時秧蔓回收率為94.14%、留茬長度為35.39 mm、傷薯率為0.25%。

5.2 驗證試驗

為了便于實際應(yīng)用，對優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)圓整，設(shè)置刀輥轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度為2.5 km/h、離地間隙為15 mm，進(jìn)行3次重復(fù)試驗取平均值，秧蔓回收率為93.16%，留茬長度33.8 mm，傷薯率為0.26%，預(yù)測值與實測試驗結(jié)果對比如表5所示。

表5 試驗指標(biāo)的預(yù)測值與實測結(jié)果對比

試驗結(jié)果表明，實測值與預(yù)測值的相對誤差均小于5%，實測值與預(yù)測值較為吻合，說明回歸模型可靠。田間作業(yè)效果如圖10所示。

圖10 田間作業(yè)效果

6 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種單行甘薯秧蔓回收機(jī)。該機(jī)能夠一次完成秧蔓喂入、切割粉碎、輸送及集箱回收作業(yè)，通過理論分析與試驗確定了挑秧裝置、喂入裝置、切割裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，解決了甘薯秧蔓回收難題。

2）采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法建立了以秧蔓回收率、留茬長度和傷薯率為響應(yīng)指標(biāo)的二次回歸模型，通過對模型交互作用及響應(yīng)曲面分析，得出了刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度和離地間隙對響應(yīng)指標(biāo)的影響變化規(guī)律。

3）應(yīng)用Design-Expert8.0優(yōu)化功能對所建立模型進(jìn)行優(yōu)化求解，并通過試驗驗證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。最優(yōu)工作參數(shù)組合為：刀輥轉(zhuǎn)速2 000 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度2.5 km/h、離地間隙15 mm，此時秧蔓回收率為93.16%、留茬長度為33.8mm、傷薯率為0.26%。

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Design and test of single row sweet potato vine recycling machine

ZhengWenxiu1, Lü Zhaoqin1,2※, Zhang Wanzhi1, Liu Zhengduo1, Lu Yao1, Li Yudao1

(1.,,271018,; 2.,271018,)

Sweet potato is an important raw material for food, feed, industrial, it also is a high quality anti-cancer health food and new energy material. It is widely cultivated in the world, and China is the largest producer of sweet potato in the world, the average perennial planting area of sweet potato is more than 3 million hm2, accounting for about 45% of the global planting area of sweet potato. The yield of sweet potato vine is generally more than 2×104kg/hm2, and the sweet potato vines is rich in nutrients and is an ideal feed material.The sweet potato vines grow vigorously along the ground surface, and the vines are intertwined between the ridges, it is difficult to collect the vines mechanically. Sweet potato harvest mainly includes cleaning the vines and breaking the ridge to harvest, the treatment of vines before harvest has great influence on its harvest efficiency, labor intensity and yield. At present, the collecting mechanization of sweet potato vine in China is almost blank, which seriously restricts the development of sweet potato industry. Cleaning up the vines by hand is a labor intensive and low work efficiency work , which seriously restricts the enthusiasm of farmers in production. At present, the main problem of sweet potato vine treatment machinery at home and abroad is that the vines are crushed and scattered in the field, so the sweet potato vines cannot be collected and used as feed or energy, thus causing greater economic losses and easily aggravating the spread of diseases and insect pests. Aiming at the difficulty that the sweet potato vines can only be harvested by hand, a kind of single row sweet potato vine recycling machine matched with a small four-wheeled tractor was designed. Through theoretical analysis and experiment, the structure and working principle of the recycling machine were analyzed, and key components such as cutting device, vine picking device and feeding device were design. Using Box-Behnken experimental design method, quadratic regression models with the vine collected rate, the vine stubble height, the sweet potato injury rate as the response indexes were established. Through the analysis of model interaction and response surface, the change laws of the influence of cutter roller speed, the forward speed of machine and the ground clearance on the response indexes were obtained. The regression model was optimized by Design-Expert8.0 software, and the accuracy of the predicted results was verified by experiments. The relative error between the measured value and the predicted value was less than 5%, indicating that the model was high reliability. The order of significance of each factor on the vine collected rate was the forward speed of machine, cutter roller speed and ground clearance, the order of significance of each factor on the vine stubble height was the ground clearance, cutter roller speed and forward speed of machine, the order of significance of each factor on the sweet potato injury rate was the ground clearance, cutter roller speed and forward speed of machine. The optimal working parameters were that the cutter roller speed was 2 000 r/min, the forward speed of machine was 2.5 km/h and the ground clearance was 15 mm. Under the condition of optimum working parametersthe vine collected rate was 93.16%, the vine stubble height was 33.8 mm, and the sweet potato injury rate was 0.26%, the working effect was better. The research results are of great significance in promoting the development of light and simplified production of sweet potato industry.

agricultural machinery; design; experiments; sweet potato vine; recycling

2018-09-18

2019-03-26

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0700705）；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目（2017YF002）；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系薯類創(chuàng)新團(tuán)隊農(nóng)業(yè)機(jī)械崗位專家資助項目（SDAIT-16-10）

鄭文秀，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備研究。 Email：wenxiu9013@163.com

呂釗欽，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)與農(nóng)機(jī)裝備研究。Email：lzqsdau2003@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.001

S233.4

A

1002-6819(2019)-06-0001-09

鄭文秀，呂釗欽，張萬枝，劉正鐸，鹿 瑤，李玉道. 單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(6)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.001 http://www.tcsae.org

Zheng Wenxiu, Lü Zhaoqin, Zhang Wanzhi, Liu Zhengduo, Lu Yao, Li Yudao. Design and test of single row sweet potato vine recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.001 http://www.tcsae.org