蔡佳麟 張佳喜 葉爾波拉提·鐵木爾 郜周明 芮照鈺 劉 雄

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著棉花種植面積的逐年增加，棉稈機(jī)械化整稈起拔收獲越來越受到重視。2018年，我國棉花種植面積為33.54萬hm2，年產(chǎn)秸稈1 400萬噸以上[1]。棉稈根茬與根部遺留在大田難以腐爛，影響了下茬耕整地和播種以及棉花作物的生長，同時(shí)可能導(dǎo)致當(dāng)年病蟲害的再次爆發(fā)[2]。為了提高棉稈資源的有效利用率，降低殘留根茬對(duì)殘膜回收的影響，推動(dòng)棉花產(chǎn)業(yè)向精耕細(xì)作生產(chǎn)模式發(fā)展，提升棉稈的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，迫切需要研發(fā)起拔效果良好的棉稈收獲機(jī)[3]。

國外棉稈整稈起拔收獲機(jī)械多數(shù)以對(duì)輥式起拔機(jī)械為主，其代表性機(jī)具有澳大利亞的MUTI收獲機(jī)和美國的AMADAS收獲機(jī)，拔稈部件以對(duì)輥運(yùn)動(dòng)的輪胎或膠輥為主，適用于大單行種植模式，較難適應(yīng)機(jī)采棉作業(yè)行距。國內(nèi)主要有對(duì)輥式、鏈夾式和齒盤式收獲機(jī)3種，如4MC-6型對(duì)輥起拔收獲機(jī)，該機(jī)具利用圓錐對(duì)輥起拔棉稈，因存在螺紋間隙，故容易導(dǎo)致漏拔[2,4]；江蘇東臺(tái)弶港農(nóng)機(jī)廠制造的鏈夾式拔取收獲機(jī)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的齒盤式棉稈收獲機(jī)[5]，拔取部件采用剛性材料，秸稈容易被碾斷或打斷，使拔斷率增大。

本文提出一種整稈起拔收獲方式，使用雙柔性帶裹夾曲線式連續(xù)拉拔秸稈，設(shè)計(jì)并進(jìn)行正交試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)，以期在現(xiàn)有棉稈起拔收獲方式基礎(chǔ)上，探索新的收獲方式。

1 機(jī)具結(jié)構(gòu)與收獲原理

1.1 機(jī)具結(jié)構(gòu)

夾持帶式棉稈收獲機(jī)主要包括液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、分禾器、夾持帶式拉拔裝置、張緊裝置和后置式三點(diǎn)懸掛裝置，作業(yè)行數(shù)為兩壟4行，機(jī)具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾持帶式棉稈收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of belt cotton straw harvester1.張緊輪 2.液壓馬達(dá) 3.鏈條 4.帶輪4 5.帶輪1 6.柔性傳動(dòng)帶 7.帶輪3 8.帶輪2 9.分禾器 10.伸縮調(diào)節(jié)器 11.齒輪泵 12.動(dòng)力輸入軸軸頭 13.液壓油箱

1.2 收獲原理

夾持帶式棉稈收獲機(jī)通過三點(diǎn)懸掛于拖拉機(jī)后方，依靠拖拉機(jī)帶動(dòng)前進(jìn)工作。拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸、萬向節(jié)與機(jī)具動(dòng)力輸入軸軸頭連接，通過鏈條帶動(dòng)齒輪泵工作；在齒輪泵作用下，液壓馬達(dá)帶動(dòng)帶輪1旋轉(zhuǎn)[6]；主傳動(dòng)帶隨著帶輪1運(yùn)動(dòng)，在摩擦力作用下帶動(dòng)帶輪3上的副傳動(dòng)帶進(jìn)行反方向運(yùn)動(dòng)。柔性夾持帶轉(zhuǎn)速由液壓系統(tǒng)中的節(jié)流閥和溢流閥調(diào)節(jié)。棉稈經(jīng)分禾器集禾后，在雙柔性帶夾持力和機(jī)具前進(jìn)動(dòng)力作用下被拉拔出地表并拋送至機(jī)具后方地面。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

棉稈收獲機(jī)關(guān)鍵部件是夾持帶式拔稈部件，通過對(duì)拔稈部件工作過程與秸稈受力分析，獲得拔稈部件關(guān)鍵工作參數(shù)。

2.1 拔稈部件工作過程

夾持帶式拔稈部件是拉拔部件，通過帶輪的交叉放置，實(shí)現(xiàn)柔性帶夾持棉稈并完成曲線式連續(xù)收獲。將帶夾部件的工作區(qū)間分為3段，分界點(diǎn)分別是帶輪2與帶輪3、帶輪3與主傳動(dòng)帶、副傳動(dòng)帶與帶輪1的公法線與夾持帶運(yùn)動(dòng)軌跡的交點(diǎn)OB、OC和OD，在這3個(gè)點(diǎn)上，柔性帶對(duì)棉稈的壓力最大。如圖1和圖2所示，拔稈部件主要由兩組夾持帶組成，每一組都由主柔性帶、副柔性帶、液壓馬達(dá)、帶輪1、帶輪2、帶輪3、帶輪4和分禾器等構(gòu)成，安裝在機(jī)架下方，4個(gè)帶輪交錯(cuò)放置，柔性帶呈“S”形拔送棉稈。帶輪1帶動(dòng)主傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)，副傳動(dòng)帶在主傳動(dòng)帶摩擦力作用下進(jìn)行反方向運(yùn)動(dòng)。拔稈部件通過分禾器分開、收集和扶起棉稈[7]，在拖拉機(jī)的前進(jìn)帶動(dòng)下，棉稈送入雙柔性帶。在帶輪2和帶輪3相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，棉稈被柔性帶夾持進(jìn)行連續(xù)拉拔，最終被整株拔起，離開地表，拋送至機(jī)具前進(jìn)方向的側(cè)后方地面上，完成收獲作業(yè)。

圖2 秸稈運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.2 Schematic of straw movement process1.帶輪4 2.傳動(dòng)帶 3.帶輪1 4.帶輪3 5.副傳動(dòng)帶 6.帶輪2

2.2 漏拔分析

根據(jù)田間試驗(yàn)，主要有兩方面原因?qū)е旅薅捖┌危翰擅迿C(jī)采摘過后，秸稈散亂，分禾器較難收集秸稈，導(dǎo)致漏拔；拔稈機(jī)構(gòu)拉拔時(shí)，力不足或打滑，導(dǎo)致漏拔[8]。為避免因拔稈機(jī)構(gòu)問題導(dǎo)致的漏拔，設(shè)計(jì)了夾持帶式拔稈機(jī)構(gòu)來分析其拔稈過程。

建立夾持帶在第1、2、3個(gè)拉拔點(diǎn)的靜止參考系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2和O3X3Y3Z3。靜止參考系O1X1Y1Z1中通過主、副傳動(dòng)帶在第一段拉拔的切點(diǎn)O1與帶輪2運(yùn)動(dòng)方向平行的平面X1O1Y1稱之為基面1；與主、副傳動(dòng)帶在第一段拉拔的法線相切且垂直于基面的平面X1O1Z1稱之為帶夾平面1；與主、副傳動(dòng)帶在第一段拉拔的切線相切且垂直于基面的平面Y1O1Z1稱之為正交平面1；靜止參考系O2X2Y2Z2和O3X3Y3Z3與此同理，如圖3所示[9-10]。

圖3 夾持帶靜止參考坐標(biāo)系Fig.3 Static reference frame of stalk pulling parts

由于棉稈的主要受力集中于正交平面，為簡化運(yùn)動(dòng)分析過程，在正交平面內(nèi)分析夾持帶的運(yùn)動(dòng)過程，并將其分為5個(gè)工作區(qū)間：帶夾區(qū)間、一次拉拔區(qū)間(區(qū)間1)、二次拉拔區(qū)間(區(qū)間2)、三次拉拔區(qū)間(區(qū)間3)和空行程區(qū)間，如圖2和圖4所示。因棉稈自身重力對(duì)拉拔區(qū)間的運(yùn)動(dòng)無太大影響，故在此區(qū)間的分析不計(jì)入重力。

圖4 收獲過程示意圖Fig.4 Diagram of harvesting process

點(diǎn)OA到點(diǎn)OB為帶夾區(qū)間，拖拉機(jī)帶動(dòng)夾持帶前進(jìn)工作，在分禾器作用下，棉稈在點(diǎn)OB被柔性帶夾持。

一次拉拔區(qū)間：點(diǎn)OB為第一次拉拔區(qū)間的著力點(diǎn)，拖拉機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在水平面上給予了棉稈一定的加速度a1；并受到雙柔性帶對(duì)棉稈的摩擦合力F2和土壤粘結(jié)對(duì)棉稈的拉力F；F的大小由土壤粘結(jié)力決定，土壤粘結(jié)力大，會(huì)導(dǎo)致起拔時(shí)間長和難度大[11-12]。

此時(shí)的拉拔運(yùn)動(dòng)是由部件的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和雙柔性帶的夾持運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。此區(qū)間分兩種情況討論：前進(jìn)速度大于夾持帶水平分速度，則棉稈會(huì)因?yàn)楸粖A持而有被往前拉拔的趨勢(shì)；前進(jìn)速度小于夾持帶水平分速度，則棉稈會(huì)因?yàn)楸粖A持而有被往后拉拔的趨勢(shì)。

帶輪1轉(zhuǎn)速n1為250～350 r/min、拉拔角γ為30°～60°，因此由公式

(1)

式中v——夾持帶運(yùn)動(dòng)速度，km/h

vs——夾持帶水平分速度，km/h

r1——主傳輸帶在點(diǎn)OD的運(yùn)動(dòng)半徑，mm

求得夾持帶水平分速度vs區(qū)間為6.41～15.59 km/h。由于前進(jìn)速度為2.5～4.5 km/h，可知夾持帶水平分速度最小值大于前進(jìn)速度最大值，第2種情況成立，棉稈將被夾持而有被往后拉拔的趨勢(shì)。

二次拉拔區(qū)間：點(diǎn)OC為二次拉拔區(qū)間的著力點(diǎn)，用于避免一次拉拔區(qū)間夾持帶打滑導(dǎo)致漏拔和輸送棉稈到三次拉拔區(qū)間OD。

此區(qū)間分兩種情況考慮：一次拉拔區(qū)間未能拔出棉稈，此時(shí)二次拉拔區(qū)間雙柔性帶作用在秸稈上的摩擦合力F′2存在。因有了一次拉拔區(qū)間拔稈部件的拉拔，部分棉根已被拔出，所以此時(shí)土壤粘結(jié)對(duì)秸稈拉力F′小于F，二次拉拔區(qū)間的棉稈將比較容易被拉拔出地表。第2種情況是一次拉拔區(qū)間已拔出棉稈，此時(shí)力F消失。

三次拉拔區(qū)間：點(diǎn)OD為三次拉拔區(qū)間的著力點(diǎn)，用于避免二次拉拔區(qū)間夾持帶打滑和拋送棉稈。

通過拔稈部件的曲線式連續(xù)拉拔，能夠較好地避免拉拔過程中拉拔力不足或打滑，同時(shí)增加拉拔力的持續(xù)時(shí)間，提高拉拔效果。

2.3 拔斷分析

經(jīng)過觀察與試驗(yàn)，棉稈斷裂形式主要有折、軋、扯、碾、切和搓斷等，原因是秸稈在剛性部件作用下形變量過大。為盡可能讓棉稈不被拉斷，拔稈部件通過柔性帶夾持作業(yè)收獲，減小秸稈的形變量，以此來降低拔斷率。并通過一次拉拔區(qū)間基面上的受力情況分析秸稈形變情況。

圖5所示為3個(gè)拉拔區(qū)間棉稈受力情況。棉稈在3個(gè)拉拔區(qū)間均發(fā)生相應(yīng)形變。在一次拉拔區(qū)間，棉稈點(diǎn)B、B1受力F4、F3作用；在二次拉拔區(qū)間，棉稈點(diǎn)B2、B3受力F6、F5作用；在三次拉拔區(qū)間，棉稈點(diǎn)B4、B5受力F8、F7作用。

圖5 棉稈受力分析示意圖Fig.5 Schematic of cotton straw stress analysis

圖6 棉稈局部受力示意圖Fig.6 Schematic of local stress on cotton stalks

以圖5b中的面ABC做形變分析[13-14]。由圖5、6可知，點(diǎn)A和點(diǎn)C作用力F9、F10為

(2)

由平衡方程可求點(diǎn)B的反作用力

(3)

故棉稈彎矩為

(4)

棉稈兩邊彎矩相同，對(duì)其中一段進(jìn)行積分

(5)

可求撓曲線方程

(6)

由于x=L1=L2，故棉稈基面截面在被夾持后的變形撓度Δy為

(7)

式中E——彈性模量

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

L——AC長度，mm

L1——AB長度，mm

L2——BC長度，mm

若棉稈的變形撓度Δy過大，容易碾斷秸稈纖維層，導(dǎo)致拔斷率過高。公式(7)中，棉稈的變形撓度Δy由彈性模量決定，由于棉稈的彈性模量一定，為了減小棉稈的變形撓度，使用彈性系數(shù)較小的夾持帶，將棉稈的一部分形變轉(zhuǎn)移到了夾持帶上。由于夾持帶的彈性系數(shù)較小，在夾持過程中，柔性帶自身也有了一定形變。由于有了夾持帶的變形緩沖，棉稈在面ABC和A1B1C1上的形變長度L有了一定量的減小，變形撓度也隨之減小，對(duì)棉稈起到了一定的防斷作用。

2.4 拔稈機(jī)理分析

棉稈拉拔作業(yè)最終只有3個(gè)結(jié)果：拔出、漏拔和拔斷，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)與試驗(yàn)得知棉稈收獲傾角β與拉拔力是影響收獲作業(yè)效果的關(guān)鍵因素。收獲傾角β影響棉稈的拉拔抗力，即棉稈的收獲難易程度與拔斷率；拉拔力影響棉稈漏拔率。

為獲得較優(yōu)的棉稈收獲傾角β與拉拔力，作以下分析。在靜止參考系正交平面上可以看出，隨著棉稈被夾入，收獲傾角β減小，被夾部分稈長ΔL逐漸增大，拉拔力也隨著增加。由圖7可知，拉拔作業(yè)時(shí)，收獲傾角使機(jī)具拉拔力主要集中于前進(jìn)方向一側(cè)的棉稈根系上，隨著拉拔力的增大，受拉一方的根系先出地表，最后整株秸稈被拔起[15]。收獲傾角β小于90°時(shí)，根系被分段拔出，棉稈拉拔抗力小，棉花莖稈不易被拔斷；β等于90°時(shí)，根系被一次性拔出，拉拔抗力大，容易扯斷莖稈。即當(dāng)收獲傾角小時(shí)，所需拉拔力隨之減小，但當(dāng)收獲傾角過小時(shí)，水平方向上的阻力增加。由于收獲傾角是動(dòng)態(tài)變化的，為獲得較好的收獲傾角β，需設(shè)置好前進(jìn)速度、拉拔角和帶夾速度3個(gè)因素[16]。

圖7 拔稈受力分析示意圖Fig.7 Schematic of stalk pulling force analysis

2.4.1帶夾速度與前進(jìn)速度

為實(shí)現(xiàn)柔性帶抓取棉稈，現(xiàn)進(jìn)行以下分析，確定帶輪直徑、帶夾速度與前進(jìn)速度。

如圖8a所示，當(dāng)棉稈與夾持帶接觸時(shí)，單夾持帶對(duì)棉稈端部產(chǎn)生支反力N和抓取力T，夾持帶能抓取到棉稈的條件是

圖8 夾持帶工作分析示意圖Fig.8 Schematic of clamping work analysis

Tx>Nx

(8)

即

Tcosα>Nsinα

(9)

因

T=μN(yùn)

(10)

代入得

μ>tanα

(11)

式中μ——摩擦因數(shù)

α——對(duì)棉稈的起始抓取角，(°)

即抓取角的正切值應(yīng)小于摩擦因數(shù)。按照夾持帶能抓取棉稈的要求確定帶輪直徑。由圖8b可以得到

(12)

式中D——帶輪2的直徑，mm

d——棉稈直徑，mm

由公式(12)可以看出，當(dāng)直徑D增大時(shí)，棉稈起始抓取角變小，棉稈抓取力提高。因

(13)

由公式(11)有

(14)

由公式(14)可知，拔稈機(jī)構(gòu)對(duì)帶輪直徑有一定要求。為滿足夾持帶能夠抓取棉稈和被帶輪張緊，將帶輪2和帶輪3的直徑設(shè)置為140 mm和330 mm。并為降低棉稈拉拔抗力，獲取最佳收獲傾角，對(duì)拔稈機(jī)構(gòu)的帶夾速度和前進(jìn)速度進(jìn)行分析。

當(dāng)棉稈進(jìn)入一次拉拔區(qū)間后，秸稈受到主、副柔性帶的單向壓力F3、F4。

如圖8c所示，在一次拉拔區(qū)間的基面上，棉稈受到的向心合力Fx使其繞帶輪3的圓心做曲線運(yùn)動(dòng)，把秸稈當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)，則有

(15)

式中r3——帶輪3半徑，mm

拔稈部件依靠夾持帶對(duì)棉稈的摩擦力進(jìn)行拉拔作業(yè)，分兩種情況討論：拉拔過程中夾持帶與秸稈接觸面打滑，此時(shí)秸稈受到動(dòng)摩擦力；夾持帶能夠順利拔出秸稈，即不打滑，此時(shí)秸稈受到靜摩擦力。由于靜摩擦力F2大小是變化的，由土壤粘結(jié)對(duì)棉稈拉力F的分力f決定，故本文探討秸稈受到的最大靜摩擦力fmax。若拉分力f大于最大靜摩擦力，則會(huì)出現(xiàn)第1種情況，打滑；為使得秸稈能夠順利拔出，需保證最大靜摩擦力大于拉分力f。由最大靜摩擦力公式可求得

fmax=μF3+μF4=μ(F3+F4)

(16)

化簡公式(15)并代入式(16)可得

(17)

由公式(17)可以看出，柔性帶的帶夾速度v一方面影響著最大靜摩擦力，一方面影響著拉拔效果。較大的帶夾速度v可以提高最大靜摩擦力，從而提高機(jī)具拉拔力；但帶夾速度過大，拉拔時(shí)間短，容易拔斷棉稈；過小的帶夾速度使最大靜摩擦力相應(yīng)降低，容易出現(xiàn)打滑，從而漏拔[17]。

設(shè)棉稈經(jīng)歷點(diǎn)OB到點(diǎn)OE的工作路程所需時(shí)間為T1；拔稈部件走完一個(gè)棉稈株距所需時(shí)間為t，棉稈被拔出地表所需時(shí)間為t1。此時(shí)分兩種情況討論：

T1

T1≥t1：此時(shí)繼續(xù)細(xì)分為兩種情況討論，若時(shí)間t≥t1，即拔稈部件拔出一根棉稈后再拔第2根，此時(shí)的最大靜摩擦力fmax只需大于拉分力f即可，可確定帶夾速度v的下限值；若時(shí)間t

2.4.2拉拔角

為得到合適的收獲傾角β，還需要考慮第3個(gè)因素：拉拔角γ。本文通過正交平面上點(diǎn)OB的前進(jìn)速度與帶夾速度的夾角關(guān)系分析拉拔角，如圖9所示。

圖9 速度夾角關(guān)系示意圖Fig.9 Schematic of speed angle relationship

由余弦定理可求得

(18)

由正弦定理可知，對(duì)于三角形△HOBJ，有

vsin(β-γ)=U

(19)

對(duì)于三角形△GHJ，有

v0sinβ=U

(20)

由公式(19)、(20)可得

(21)

式中k——比例系數(shù)

v——帶夾速度，km/h

vh——夾持帶速度和前進(jìn)速度合速度，km/h

分析可知，當(dāng)合速度夾角，即棉稈收獲傾角β大于90°時(shí)，即機(jī)具前進(jìn)速度v0大于帶夾速度v，夾持帶較難完成拉拔作業(yè)，故本文設(shè)置的合速度夾角β小于90°。根據(jù)自制拉拔力試驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果，合速度夾角β在45°左右，作業(yè)效果較好。由式(21)可知，夾持帶拉拔速度與水平面夾角，即拉拔角γ與合速度夾角β呈一定比例關(guān)系。

由于夾持帶運(yùn)動(dòng)速度較難測(cè)算，使用帶輪1的轉(zhuǎn)速n1作為試驗(yàn)因素，即

(22)

式中r1——帶輪1半徑，mm

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)品種：新陸早45號(hào)。試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市尉犁縣達(dá)西村三隊(duì)，試驗(yàn)時(shí)間為2019年10月24日。

試驗(yàn)田土壤緊實(shí)度：入土深度100 mm，緊實(shí)度均值3 MPa；入土深度150 mm，緊實(shí)度均值3.8 MPa；入土深度200 mm，緊實(shí)度均值4.5 MPa。試驗(yàn)田土壤含水率：入土深度50 mm，含水率為15%～20%。棉稈高度和根部長度均值分別為750 mm和200 mm，帶夾部位橫截面直徑均值為15 mm，前后株距均值為100 mm，左右行距均值為(660+100) mm，種植密度均值為34株/m2。

試驗(yàn)儀器設(shè)備有：夾持帶式棉稈收獲機(jī)、常發(fā)CFD604A型拖拉機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率44.2 kW，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速540、760 r/min)、TJSD-750-Ⅱ型數(shù)顯式土壤緊實(shí)度測(cè)定儀、QS-WT型土壤水分溫度測(cè)定儀、轉(zhuǎn)速儀、皮尺和工具套裝等。夾持帶式棉稈收獲機(jī)田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

3.2 試驗(yàn)方法

在帶夾棉稈運(yùn)動(dòng)過程和拔稈機(jī)理分析基礎(chǔ)上，通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步確定機(jī)具前進(jìn)速度、拉拔角度和帶輪1轉(zhuǎn)速對(duì)拔稈效果影響的最佳水平組合。

本文參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。田間試驗(yàn)步驟為：調(diào)整機(jī)具作業(yè)幅寬以適應(yīng)棉稈的株距，調(diào)整各試驗(yàn)參數(shù)；在正式進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域前，預(yù)留15 m的距離用于穩(wěn)定拖拉機(jī)和拔稈部件的工作狀態(tài)，以減小誤差；試驗(yàn)區(qū)域長度定為45 m，每15 m為1小組試驗(yàn)并記錄棉稈漏拔和拔斷數(shù)目，共3小組；變換工作參數(shù)，繼續(xù)重復(fù)前面的步驟并記錄數(shù)據(jù)[20]。

以前進(jìn)速度、拉拔角和帶輪1轉(zhuǎn)速為影響因素，漏拔率和拔斷率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)開展多因素試驗(yàn)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以棉稈漏拔率S1和拔斷率S2作為評(píng)價(jià)機(jī)具收獲效果的主要指標(biāo)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均為多次試驗(yàn)的均值。

(23)

式中Z1——單位區(qū)域內(nèi)棉稈漏拔數(shù)

Z2——單位區(qū)域內(nèi)棉稈拔斷數(shù)

Z——單位區(qū)域內(nèi)棉稈總數(shù)

按本文拔稈分析結(jié)果，最終選取機(jī)具前進(jìn)速度、拉拔角和帶輪1轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素，棉稈漏拔率S1和拔斷率S2作為響應(yīng)值進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of response surface test

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Response surface analysis plan and test results

3.4.2回歸模型建立與顯著性分析

對(duì)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸和二項(xiàng)式擬合，得到漏拔率S1和拔斷率S2的多元二次回歸響應(yīng)面模型。

圖11 交互因素對(duì)拔稈效果影響的響應(yīng)面Fig.11 Three-dimensional space diagram of influence of interactive factors on pulling effect

由表3分析可知，響應(yīng)面模型中的棉稈漏拔率S1和拔斷率S2的P值分別為0.039 1和0.041 4，均小于0.05，說明回歸方程在0.05的水平顯著，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equations

根據(jù)方差分析可知，因素對(duì)棉稈漏拔率影響的顯著性主次順序?yàn)椋簷C(jī)具前進(jìn)速度A、帶輪1轉(zhuǎn)速C、拉拔角B；對(duì)棉稈拔斷率影響的顯著性主次順序?yàn)椋簬л?轉(zhuǎn)速C、拉拔角B、機(jī)具前進(jìn)速度A。

通過響應(yīng)值對(duì)應(yīng)因素A、B、C構(gòu)成的可視化三維空間圖和二維平面上的等高線圖，分析前進(jìn)速度、拉拔角和帶輪1轉(zhuǎn)速對(duì)S1和S2的影響。圖11a為機(jī)具前進(jìn)速度位于中心水平(3.5 km/h)時(shí)，拉拔角B和帶輪1轉(zhuǎn)速C對(duì)棉稈漏拔率交互作用的響應(yīng)面圖，與B比較，C響應(yīng)面曲線較陡，C等高線密度高于沿B移動(dòng)的密度，說明此時(shí)B對(duì)棉稈漏拔率的影響較C更為顯著。

圖11b為帶輪1轉(zhuǎn)速位于中心水平時(shí)(300 r/min)，前進(jìn)速度A和拉拔角B對(duì)棉稈拔斷率交互作用的響應(yīng)面圖，與A比較，B響應(yīng)面曲線較陡，B等高線密度高于沿A移動(dòng)的密度，說明此時(shí)B對(duì)棉稈拔斷率的影響較A更為顯著。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了使夾持帶式棉稈收獲機(jī)發(fā)揮較好的收獲性能，本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert軟件的數(shù)值優(yōu)化功能模塊對(duì)試驗(yàn)因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在Optimization模塊中選擇Numerical Criteria，將響應(yīng)值S1和S2設(shè)置為minimize模式，并調(diào)大Lower和Upper的區(qū)間，給予響應(yīng)值較大的自由度。軟件優(yōu)化結(jié)果分別是機(jī)具前進(jìn)速度2.5 km/h、拉拔角38.65°、帶輪1轉(zhuǎn)速272.3 r/min，在此參數(shù)下，棉稈漏拔率為1.85%，棉稈拔斷率為7.72%。

響應(yīng)面分析得到的優(yōu)化結(jié)果是一個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果，需要做試驗(yàn)加以驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)品種：新陸早45號(hào)；地點(diǎn)：庫爾勒市尉犁縣達(dá)西村三隊(duì)；時(shí)間：2019年10月30日。試驗(yàn)參數(shù)分別定為前進(jìn)速度2.5 km/h、拉拔角40°和帶輪1轉(zhuǎn)速270 r/min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test data %

分析表4的驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，棉稈漏拔率和拔斷率預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致，相對(duì)誤差均不超過5%，說明本文選擇的試驗(yàn)因素和水平是合理的，進(jìn)行的響應(yīng)面優(yōu)化分析是成功的。驗(yàn)證試驗(yàn)效果如圖12所示。

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)效果圖Fig.12 Verification test effect diagram

3.6 討論

本文機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度優(yōu)化后為2.5 km/h，速度較慢。主要原因有：

(1)該機(jī)需要嚴(yán)格對(duì)行作業(yè)，對(duì)駕駛員要求高，作業(yè)速度若過快，容易導(dǎo)致漏拔率的增加。

(2)由于該機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的油路采取并聯(lián)方式連接，只要一組夾持帶發(fā)生堵塞，該組的帶夾速度會(huì)降低，另一組帶夾速度增大。這時(shí)，機(jī)具需要一定的緩沖時(shí)間，兩組部件的帶夾速度才能回到初始狀態(tài)，故作業(yè)速度不宜過快。

(3)機(jī)采棉后，棉稈呈四方散開狀態(tài)，較難收集，加大了收獲難度，作業(yè)速度無法提高。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行棉稈拉拔作業(yè)時(shí)，棉稈因折斷、軋斷、扯斷、碾斷、切斷和搓斷而導(dǎo)致拔斷率高的問題，設(shè)計(jì)了夾持帶式棉稈收獲機(jī)，使用雙柔性帶包裹、夾持棉稈，降低了拔斷率；采用夾持帶式拉拔機(jī)構(gòu)，曲線式連續(xù)拉拔，降低了漏拔率。

(2)通過響應(yīng)面試驗(yàn)分析了機(jī)具各因素對(duì)棉稈收獲效果的影響，建立了以漏拔率和拔斷率為響應(yīng)值的多元二次回歸模型。得出對(duì)棉稈漏拔率影響顯著性主次順序?yàn)椋簷C(jī)具前進(jìn)速度、帶輪1轉(zhuǎn)速、拉拔角；對(duì)棉稈拔斷率影響顯著性主次順序?yàn)椋簬л?轉(zhuǎn)速、拉拔角、機(jī)具前進(jìn)速度。

(3)采用響應(yīng)面組合試驗(yàn)法對(duì)夾持帶式棉稈收獲機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)前進(jìn)速度2.5 km/h、拉拔角38.65°、帶輪1轉(zhuǎn)速272.3 r/min時(shí)，模型得到的棉稈漏拔率為1.85%、拔斷率為7.72%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在前進(jìn)速度2.5 km/h、拉拔角40°和帶輪1轉(zhuǎn)速270 r/min時(shí)，棉稈漏拔率為6.84%、拔斷率為9.98%，與預(yù)測(cè)值相近，說明所建模型合理。