段建，陳樹人，張?bào)w強(qiáng)

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127；2.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

黃花苜蓿是一種綠色葉菜類蔬菜，尤其是在長(zhǎng)三角地區(qū)分布廣泛，深受人們喜愛(ài)[1-2]。由于牽引式收獲機(jī)械難以在空間小的大棚內(nèi)作業(yè)，且汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)葉菜有污染，黃花苜蓿收割主要依靠人工，成本高、效率低、難度大，這已成為制約黃花苜蓿推廣種植的重要因素[3]。因此，研發(fā)一種手扶電動(dòng)式黃花苜蓿收獲機(jī)，不僅能夠解決黃花苜蓿收獲無(wú)法利用大型機(jī)械、人工費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，且成本低廉、操作簡(jiǎn)單，不僅能收割黃花苜蓿，還能進(jìn)一步推廣到收割雞毛菜、韭菜、莧菜等其他葉菜類蔬菜。

針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者從黃花苜蓿切割力學(xué)特性[4]、黃花苜蓿吹送裝置氣流速度分析[5]、部件設(shè)計(jì)與虛擬仿真[6]和黃花苜蓿收獲機(jī)整機(jī)開發(fā)[7-8]等方面做了相關(guān)研究，但對(duì)于黃花苜蓿收獲機(jī)關(guān)鍵部件參數(shù)化設(shè)計(jì)，尤其是收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化還有所欠缺。

本文結(jié)合黃花苜蓿種植模式和收割要求，研制出了一種集切割與收集于一體的手扶電動(dòng)式黃花苜蓿收獲機(jī)，并進(jìn)行了田間樣機(jī)收獲試驗(yàn)，基于Design-Expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)樣機(jī)的性能參數(shù)和最佳作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 種植模式和收割要求

黃花苜蓿一般在7月中旬至8月初在大棚內(nèi)以平畦方式整壟撒種播下。播下3個(gè)月后便可收割第一茬，總共可采收6～8次[9]。收割時(shí)主要是切割位于黃花苜蓿頂端的嫩莖葉，其形態(tài)較小，含水率大，收割時(shí)容易受到損傷；黃花苜蓿分枝性強(qiáng)，長(zhǎng)勢(shì)密；由于要多次收割，收割時(shí)不能破壞其整體根莖，防止其不再生長(zhǎng)。因此，黃花苜蓿具有如下收割要求：第一次收割要掌握“低”和“平”的原則(留茬高度以50 mm為宜)，所以要求收獲機(jī)的割臺(tái)一定要低和平；由于每次的留茬高度不同，要求割臺(tái)的高度要可調(diào)；由于黃花苜蓿輕小、多汁，割刀不宜為鋸齒，以防止堵塞，同時(shí)要求割刀的運(yùn)動(dòng)速度要高，能迅速將頂端嫩葉割下；由于黃花苜蓿受到機(jī)械損傷容易腐爛，因此要求黃花苜蓿的輸送不能有機(jī)械的擠壓，同時(shí)由于收獲機(jī)在黃花苜蓿畦上行進(jìn)，為避免壓踏傷害，收獲機(jī)重量要輕，并能夠跨壟；由于黃花苜蓿為食用類蔬菜，與收割后黃花苜蓿接觸的部件要保持干凈。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該黃花苜蓿收獲機(jī)采用電動(dòng)自走式，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以24 V鋰電池作為電源，采用前輪驅(qū)動(dòng)的三輪式自走裝置，通過(guò)電機(jī)和皮帶驅(qū)動(dòng)車輪。整體結(jié)構(gòu)主要由切割裝置、收割高度調(diào)節(jié)裝置、風(fēng)機(jī)吹送裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、收集裝置、車架、扶手等組成。根據(jù)黃花苜蓿種植模式和收割要求，整機(jī)主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 黃花苜蓿收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural drawing of Medicago falcata L.harvester1.后行走萬(wàn)向輪 2.萬(wàn)向輪支架 3.扶手 4.收集裝置 5.前行走輪 6.托架 7.鋰電池 8.傳動(dòng)裝置 9.支風(fēng)管 10.主風(fēng)管 11.切割裝置 12.割茬高度調(diào)節(jié)裝置 13.機(jī)架

表1 黃花苜蓿收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of Medicago falcata L.harvester

2.2 工作原理

黃花苜蓿收獲機(jī)工作原理：開機(jī)工作前，先要根據(jù)收獲時(shí)期黃花苜蓿高度，通過(guò)控制箱來(lái)控制電動(dòng)推桿，調(diào)整收割高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)到指定高度。然后在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下驅(qū)動(dòng)輪開始行走，工作時(shí)，由人推著控制前進(jìn)的方向在壟里行進(jìn)。再開啟驅(qū)動(dòng)吹送切割的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一方面帶動(dòng)收割裝置切割黃花苜蓿，另一方面帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力經(jīng)風(fēng)管輸送到切割裝置前方，將已切割的黃花苜蓿吹送進(jìn)鋪放在車架上的收集箱中，從而完成收獲作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

3.1 切割器類型及功耗

切割器是收獲機(jī)械的重要部件之一，其主要作用是切斷收獲對(duì)象，其工作效率和作業(yè)質(zhì)量直接影響整機(jī)性能，該機(jī)選用雙動(dòng)往復(fù)式切割器[10-11]。

本機(jī)所采用的雙動(dòng)往復(fù)式切割器的雙動(dòng)刀在切割莖稈的瞬間可看作是單支撐切割，增加了莖稈的抗彎反力，可以大大降低切割速度。動(dòng)刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：切割角α、刃部高度h、刀片的寬度c和d，如圖2所示。切割角α是動(dòng)刀片的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，它的大小對(duì)切割性能有著重要的影響，既影響切割阻力的大小，又決定能否鉗住莖桿保證可靠的切割[10]。

圖2 動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of moving blade

切割角α增大，切割阻力減小。但切割角α過(guò)大時(shí)將引起莖稈切割時(shí)沿刃線向外滑動(dòng)，甚至鉗不住莖稈，不能保證可靠切割。切割瞬時(shí)，鉗住莖稈的條件為：兩刃口作用于莖稈的合力R1、R2必須在同一條直線上[12]，如圖3所示。

圖3 刀片鉗住莖稈的條件Fig.3 Conditions of blade clamping stalk

F1≤N1tanφ1，F(xiàn)2≤N2tanφ2，F(xiàn)1=F2，φ1=φ2

(1)

式中：φ1、φ2——刀片切割黃花苜蓿莖稈的摩擦角；

F1、F2——刀刃口作用于莖稈的法向力；

N1、N2——刀刃口作用于莖稈的切向力。

得到鉗住莖稈的條件為：2α≤φ1+φ2。參照刀片對(duì)莖稈的摩擦角之和φ1+φ2=52°～54°[13]，考慮到高速條件下刀片能更可靠的鉗住莖稈，取刀片的切割角α為20°，其他三個(gè)參數(shù)分別為d=5 mm，c=32 mm，h=37 mm。

驅(qū)動(dòng)雙動(dòng)刀的機(jī)構(gòu)為一同軸雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖4所示。該機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)偏心滾柱(凸臺(tái))和方框槽組成。其中一個(gè)偏心滾柱帶動(dòng)上動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)偏心滾柱帶動(dòng)下動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)。2個(gè)偏心滾柱偏心方向?yàn)?80°，用來(lái)保證它們所帶動(dòng)的兩動(dòng)刀在任一時(shí)刻，其運(yùn)動(dòng)方向正好相反。兩動(dòng)刀片的間隙通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘來(lái)完成，保持間隙δ≤0.5 mm。

圖4 切割裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.4 Transmission mechanism of cutting device1.傳動(dòng)軸 2.偏心滾柱 3.方框槽 4.傳動(dòng)基座 5.下刀片 6.上動(dòng)刀片 7.螺釘

由于所選刀片的節(jié)距為D=34 mm，故單個(gè)動(dòng)刀的行程S=17 mm。如圖5所示，偏心滾柱每轉(zhuǎn)一圈，割刀往復(fù)一次，有如下關(guān)系式：2R-F=S，F(xiàn)=R+r，變形得到R-r=S，取F=42 mm，得到R=29.5 mm，r=12.5 mm。

圖5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系圖Fig.5 Size of transmission mechanism of cutting device

3.2 切割功耗

切割器工作消耗的功率Pw包括切割黃花苜蓿莖稈的功率Pg和空轉(zhuǎn)功率Pk兩部分[14]。

Pw=Pg+Pk

Pg=VmBW0

(2)

式中：Vm——收獲機(jī)前進(jìn)速度，m/s；

B——收獲機(jī)割幅，設(shè)計(jì)為1.1 m；

W0——切割每平方米面積的黃花苜蓿莖稈所需功率，J/m2。

收獲機(jī)前進(jìn)速度即人推著收獲機(jī)行走的速度，一般人的平均步行速度約為1.22 m/s，老年人的平均步行速度約為0.91 m/s，考慮到推行，取最大速度為1 m/s；切割牧草W0=200～300 J/m2，考慮到黃花苜蓿與一般的牧草同屬，物理機(jī)械特性相近，而切割黃花苜蓿主要是切割其嫩莖稈，故W0取250 J/m2。

代入以上數(shù)據(jù)，得到Pg=0.275 kW；空轉(zhuǎn)功率Pk的大小與切割器的安裝調(diào)整技術(shù)有關(guān)，一般每米割幅所需空轉(zhuǎn)功率為0.6～1.1 kW，取中間值0.9 kW。得到Pw為1.175 kW。

3.3 收集裝置

收割的黃花苜蓿莖葉鮮嫩，單重較小，采用傳統(tǒng)方式(螺旋、夾持、鏈?zhǔn)降?收集易造成損傷和漏收，影響其作為商品菜的品質(zhì)和收集效率，不適合黃花苜蓿的收集，經(jīng)驗(yàn)表明用氣力收集是可行的[14]。常用的風(fēng)扇(風(fēng)機(jī))有軸流式和離心式兩種，農(nóng)業(yè)機(jī)械上多用離心風(fēng)機(jī)來(lái)輸送物料，本機(jī)亦采用離心風(fēng)機(jī)[15-16]?？紤]到黃花苜蓿收割的吹送情況，初步確定為中壓的后向葉輪風(fēng)機(jī)，以下是風(fēng)機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算。

3.3.1 氣流速度

氣流速度(風(fēng)速)vf根據(jù)物料懸浮速度的大小來(lái)確定。從理論上說(shuō)，氣流速度大于物料的懸浮速度即可。但是在實(shí)際裝置中，由于存在物料彼此的互相作用、氣流分布不均等情況，所需氣流速度比懸浮速度大很多。參考文獻(xiàn)[17]，水平氣流速度可取懸浮速度的2.2倍，在此基礎(chǔ)上實(shí)際的氣流速度可增加30%～50%[18]。試驗(yàn)測(cè)定表明，黃花苜蓿收割物的懸浮速度在0.890～4.238 m/s，取4.238 m/s，增加值取40%，通過(guò)計(jì)算得到所需氣流速度vf為13.05 m/s。

3.3.2 風(fēng)量計(jì)算

收割物輸送量[19]

G=3.6pBmVm

(3)

式中：G——輸送量，kg/h；

p——單位面積切割黃花苜蓿莖稈的枝數(shù)，取300×3=900枝/m2；

m——單枝黃花苜蓿收割物的質(zhì)量，試驗(yàn)測(cè)得為0.11～1.34 g，取最大值1.34 g。

所需風(fēng)量[19]

Q=G/ρu

(4)

式中：Q——風(fēng)量，m3/h；

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3；

u——濃度比，取10；

得到所需風(fēng)量為Q=370.21 m3/h。

3.3.3 風(fēng)機(jī)消耗的功率

風(fēng)機(jī)消耗的功率N(風(fēng)機(jī)軸功率)

(5)

式中：H——全壓，kg/m2；

ηc——傳動(dòng)效率，與電機(jī)輸出軸直連，故ηc=1；

ηk——空氣效率，取0.8。

H=kρw2，w=2πnRf/60

(6)

式中：k——全壓系數(shù)，后向葉片k≤0.4，取0.4；

w——預(yù)算的風(fēng)扇圓周速度，m/s；

Rf——風(fēng)扇的半徑，取0.12 m；

n——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，取3 000 r/min。

得到全壓H為732.61 kg/m2，風(fēng)機(jī)消耗的功率N=0.094 2 kW，漏風(fēng)系數(shù)和安全系數(shù)分別取值為1.2和1.1，得到實(shí)際的功率消耗為0.124 3 kW。

根據(jù)以上計(jì)算，最終選擇的風(fēng)機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)5-40，主風(fēng)管尺寸為30～50 mm，支分管為15～25 mm。設(shè)計(jì)的收集裝置包括風(fēng)機(jī)、主風(fēng)管、支風(fēng)管三部分，如圖6所示。

圖6 收集裝置Fig.6 Gathering device1.風(fēng)機(jī) 2.主風(fēng)管 3.支風(fēng)管

風(fēng)機(jī)中的風(fēng)經(jīng)主風(fēng)管進(jìn)入位于割刀前上方的支風(fēng)管，然后吹進(jìn)鋪在支架上的收集箱中，完成收集過(guò)程。

3.4 傳動(dòng)裝置

整機(jī)傳動(dòng)裝置如圖7所示。以電池作為動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇與聯(lián)軸器(其一端裝有帶輪)相連，聯(lián)軸器上的帶輪通過(guò)皮帶與同主動(dòng)齒輪相連的從動(dòng)帶輪組成皮帶傳動(dòng)(A型V帶)，其傳動(dòng)靠一張緊輪來(lái)控制，張緊輪張緊，從動(dòng)皮帶輪就轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然[20]。從動(dòng)帶輪帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)與從動(dòng)齒輪嚙合(傳動(dòng)比i=2)帶動(dòng)切割器傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)雙動(dòng)切割刀片做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電池為切割和收集(風(fēng)扇吹送)提供風(fēng)力，電池選用鋰電池。鋰電池為切割和收集(風(fēng)扇吹送)提供風(fēng)力，由前面的計(jì)算可知其消耗功率之和為1.299 3 kW(1.175 kW+0.124 3 kW)，電機(jī)的功率為2.2 kW，滿足要求。

圖7 整機(jī)傳動(dòng)裝置Fig.7 Transmission device of the whole machine1.切割器傳動(dòng)軸 2.齒輪座 3.被動(dòng)齒輪 4.主動(dòng)齒輪 5.帶輪 6.鋰電池 7.風(fēng)扇 8.聯(lián)軸器 9.張緊輪 10.皮帶 11.張緊輪支撐板

4 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

手扶電動(dòng)式黃花苜蓿收獲機(jī)樣機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)在鎮(zhèn)江句容市黃花苜蓿種植合作社進(jìn)行，大棚內(nèi)黃花苜蓿高度為200～500 mm，如圖8所示。試驗(yàn)主要是在不同工作參數(shù)下，對(duì)樣機(jī)的兩項(xiàng)核心指標(biāo)工作效率、漏割率進(jìn)行測(cè)定。

圖8 黃花苜蓿收獲機(jī)田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment of Medicago falcata L.harvester

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以作業(yè)速度、切割速度、吹送速度是影響收獲機(jī)工作效率和漏割率的關(guān)鍵參數(shù)，其中作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s，切割速度為0～1.1 m/s，吹送速度為1～1.5 m/s。采用三因素三水平正交試驗(yàn)方法，應(yīng)用L9(34)為正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以作業(yè)速度X1、切割速度X2、吹送速度X3為影響因子，工作效率和漏割率為評(píng)價(jià)指標(biāo)[21-22]。試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平Tab.2 Test factors and levels

4.3 結(jié)果與分析

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)2因素間交互效應(yīng)進(jìn)行分析。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Experiment design and results

4.3.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

1)工作效率回歸方程。工作效率回歸方程方差分析結(jié)果見(jiàn)表4所示，R2修正值為0.970 2(大于0.800 0)[23]，體現(xiàn)出回歸方程與試驗(yàn)值整體上符合程度較高。F=51.69，P<0.000 2，表明自變量和因變量間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，擬合水平良好，說(shuō)明模型可用于黃花苜蓿收獲機(jī)的工作效率的預(yù)測(cè)。工作效率與各因素編碼值的回歸方程為式(7)所示。

表4 工作效率回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation for work efficiency

Y1=0.1-3.075×10-3X1-5.812×10-3X2+

9.113×10-3X3+1.450×10-3X1X2-

7.150×10-3X1X3-2.425×10-3X2X3-

0.021X12-0.014X22-0.014X32

(7)

2)漏割率回歸方程。漏割率回歸方程方差分析結(jié)果見(jiàn)表5所示，R2修正值為0.931 4(大于0.800 0)，體現(xiàn)出回歸方程與試驗(yàn)值整體上符合程度較高。F=22.12，P<0.001 6，表明自變量和因變量間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，擬合水平良好，說(shuō)明模型可用于黃花苜蓿收獲機(jī)的漏割率的預(yù)測(cè)。對(duì)偏回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析，因回歸方程中X3、X1X3、X2X3系數(shù)的t檢驗(yàn)不顯著，故可以省略[24]。漏割率與各因素編碼值的回歸方程為式(8)所示。

表5 漏割率回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation for missing cutting rate

Y2=1.28-0.3X1+0.45X2-0.28X1X2+

0.37X12+0.16X22+0.16X32

(8)

4.3.2 各因素對(duì)性能指標(biāo)影響主次分析

各因素對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率主次結(jié)果如表6所示，各因素對(duì)黃花苜蓿收獲機(jī)的工作效率貢獻(xiàn)率大小依次是吹送速度、切割速度、作業(yè)速度。各因素對(duì)黃花苜蓿收獲機(jī)的漏割率貢獻(xiàn)率大小依次為切割速度、作業(yè)速度、吹送速度。

表6 各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Tab.6 Importance of the effects of factors on response functions

4.3.3 因素交互作用對(duì)性能指標(biāo)影響

作業(yè)速度和切割速度對(duì)工作效率的影響如圖9(a)所示，隨著作業(yè)速度和切割速度的增大，工作效率先增大后減小。當(dāng)作業(yè)速度在0水平(即作業(yè)速度為0.7 m/s)時(shí)，此時(shí)收獲機(jī)作業(yè)穩(wěn)定，能夠保持較高的工作效率，說(shuō)明可根據(jù)黃花苜蓿高度和密度來(lái)調(diào)整作業(yè)速度，但總體應(yīng)保持適中。當(dāng)切割速度在-0.5～0水平(即切割速度在0.35～0.6 m/s范圍內(nèi))時(shí)，收獲機(jī)工作效率較高，這主要是由于該機(jī)采用雙動(dòng)割刀，切割速度比單動(dòng)的小，即同等的切割速度，雙動(dòng)往復(fù)式切割器的作業(yè)速度更快，即便在低速時(shí)也可以保證較高的工作效率。

作業(yè)速度和吹送速度對(duì)工作效率的影響如圖9(b)所示，當(dāng)作業(yè)速度在0水平(即作業(yè)速度為0.7 m/s)，吹送速度在0～1水平(即吹送速度在1.25～1.5 m/s范圍內(nèi))時(shí)，收獲機(jī)工作效率比較高。這說(shuō)明在一定的作業(yè)速度，高效對(duì)已切割的黃花苜蓿進(jìn)行吹送，均能夠提高收獲機(jī)的作業(yè)效率。這是因?yàn)樵谑斋@過(guò)程中，割刀將黃花苜?？焖偾懈?，在風(fēng)管的作用下將收獲的黃花苜蓿吹送到收集箱內(nèi)，如果不能及時(shí)的吹送，收獲的黃花苜蓿將堆積在風(fēng)管出風(fēng)口，導(dǎo)致新收獲的黃花苜蓿不能夠及時(shí)收集，直接影響收獲機(jī)的工作效率[5]。

吹送速度和切割速度對(duì)工作效率的影響如圖9(c)所示，當(dāng)切割速度在0水平(即切割速度為0.6 m/s)時(shí)，隨著吹送速度的增大，能明顯提高收獲機(jī)的工作效率，可見(jiàn)在作業(yè)時(shí)應(yīng)保持較高的吹送速度，確保作業(yè)的流暢性。平穩(wěn)偏低的切割速度應(yīng)對(duì)提高收獲機(jī)工作效率是有益的，但不管切割速度大小，從響應(yīng)面圖可以看出，隨著吹送速度增大，工作效率都在提高。

作業(yè)速度和切割速度對(duì)漏割率的影響如圖10所示，隨著作業(yè)速度的增大，尤其是當(dāng)作業(yè)速度在0～1水平(即作業(yè)速度在0.7～0.8 m/s范圍內(nèi))時(shí)，漏割率與作業(yè)速度表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，即隨著作業(yè)速度的增大漏割率明顯在提升，說(shuō)明盲目追求工作效率會(huì)導(dǎo)致漏割的增加。這是因?yàn)槭斋@機(jī)前進(jìn)的速度過(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些黃花苜蓿莖稈還未徹底割到或者割斷就結(jié)束了。

(a)切割速度與作業(yè)速度對(duì)工作效率的影響

圖10 切割速度與作業(yè)速度對(duì)漏割率的影響Fig.10 Influence of cutting speed and operation speed on missing cutting rate

隨著切割速度的增大，漏割率將持續(xù)提升，尤其是當(dāng)切割速度在0～1水平(即切割速度在0.6～1.1 m/s范圍內(nèi))時(shí)，漏割率提高更為明顯。這是由于該機(jī)采用的是雙動(dòng)刀切割，哪怕偏低的速度仍然能保持較高的切割效率，而切割速度快高時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致一些黃花苜蓿沒(méi)來(lái)得及鉗住和切斷就收割下一茬，導(dǎo)致漏割現(xiàn)象的出現(xiàn)。這也驗(yàn)證了為何當(dāng)切割速度偏高時(shí)，收獲機(jī)工作效率反而開始降低。總體來(lái)說(shuō)收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中要兼顧作業(yè)效率同時(shí)也要提升切割的順暢性，避免過(guò)高的漏割現(xiàn)象。

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用Design-Expert8.0.6對(duì)黃花苜蓿收獲機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在試驗(yàn)結(jié)果討論及模型擬合的基礎(chǔ)上，按照盡可能高的工作效率和盡可能低的漏割率的優(yōu)化原則，在作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s，切割速度為0.1～1.1 m/s，吹送速度為1～1.5 m/s的約束條件下，設(shè)定和調(diào)節(jié)目標(biāo)函數(shù)滿足設(shè)前期設(shè)計(jì)要求即工作效率大于0.09 hm2/h，漏割率小于2 %，工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s，此時(shí)收獲機(jī)工作效率為0.091 2 hm2/h，漏割率為1.75 %。

為了驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的正確性，在相同條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。選取優(yōu)化后的作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到實(shí)際數(shù)值與優(yōu)化值對(duì)比結(jié)果如表7所示。表7說(shuō)明：黃花苜蓿收獲機(jī)的工作效率和漏割率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差分別為3.750%和3.886%。說(shuō)明兩者的回歸方程預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值很接近。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Experiment data for test validation

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種手扶電動(dòng)式黃花苜蓿收獲機(jī)，對(duì)關(guān)鍵部件切割裝置、收集裝置、傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了影響其工作性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，設(shè)計(jì)刀片節(jié)距為34 mm，單個(gè)動(dòng)刀的行程為17 mm，切割功耗為1.175 kW，風(fēng)機(jī)功率消耗為0.124 3 kW，主風(fēng)管尺寸為30～50 mm，支分管為15～25 mm，選用電機(jī)功率為2.2 kW。

2)優(yōu)化組合的各因素參數(shù)為作業(yè)速度0.72 m/s，切割速度0.78 m/s，吹送速度1.29 m/s。在此工藝條件下，此時(shí)收獲機(jī)工作效率大于0.091 2 hm2/h，漏割率小于1.75%。均滿足黃花苜蓿收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3)各因素對(duì)工作效率的因子貢獻(xiàn)率為：吹送速度>切割速度>作業(yè)速度；各因素對(duì)漏割率的因子貢獻(xiàn)率為：切割速度>作業(yè)速度>吹送速度。

4)吹送速度對(duì)收獲機(jī)作業(yè)效率影響大，后續(xù)可增設(shè)輸送帶，通過(guò)輸送帶將在風(fēng)管作用下的黃花苜蓿輸送到收集箱內(nèi)。