王瑩，李光，張沖，王華澤，劉鴻雁

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，長春市，130021)

0 引言

秸稈覆蓋混埋還田技術(shù)作為黑土地保護(hù)重要措施之一，具有秸稈腐爛快，地溫提升快，防風(fēng)蝕水蝕，培肥地力，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

國內(nèi)相對應(yīng)配套的機(jī)具類型較單一，部分雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)主要利用旋耕機(jī)作為配套機(jī)具進(jìn)行秸稈覆蓋混埋作業(yè)，這種作業(yè)方式效率低，耕層淺，粉碎秸稈集中在播種層，將影響播種質(zhì)量和作物生長[4]。

歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家則采用大功率寬幅圓盤耙聯(lián)合整地機(jī)進(jìn)行作業(yè)，效率高，耕層深(可達(dá)到18 cm)，作業(yè)后地表保留30%以上的秸稈覆蓋率，對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞小，能為播種提供良好的種床環(huán)境[5]。

國內(nèi)對圓盤耙聯(lián)合整地機(jī)的研發(fā)屬于初期階段，而東北玉米秸稈莖粗量多，秋季機(jī)收后秸稈分布不均，利用機(jī)具作業(yè)時(shí)經(jīng)常發(fā)生堵塞現(xiàn)象[6-9]。

本文通過對獨(dú)立連接圓盤耙單體排列方式的試驗(yàn)性研究，探索對機(jī)具堵塞問題的影響規(guī)律，為圓盤耙聯(lián)合整地機(jī)的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 機(jī)具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件

為了對圓盤耙單體進(jìn)行堵塞試驗(yàn)研究，課題組前期已設(shè)計(jì)了具有三向調(diào)節(jié)功能的圓盤耙試驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示[10]。

試驗(yàn)樣機(jī)具有三向調(diào)節(jié)功能，分別是機(jī)具橫梁上下高度調(diào)節(jié)功能、前梁前后間距調(diào)節(jié)功能和后梁左右錯(cuò)位調(diào)節(jié)功能。

圓盤耙試驗(yàn)樣機(jī)配套動(dòng)力為美國凱斯2104型拖拉機(jī)，試驗(yàn)作業(yè)機(jī)具如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)間為2020年10月20日，地點(diǎn)為吉林省農(nóng)安縣開安鎮(zhèn)初家爐村，秸稈情況為玉米秸稈全量還田，粉碎秸稈長度小于10 cm 占65.8%，秸稈覆蓋量1.08 kg/m2，秸稈覆蓋率92.6%，如圖3所示。參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6279—2007，地塊尺寸為120 m×50 m，土壤測定條件如表1所示[11-12]。樣機(jī)的具體參數(shù)如表2所示。

(a)主視圖

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.2 Experimental prototype

圖3 試驗(yàn)田Fig.3 Experimental field

表1 土壤檢測指標(biāo)Tab.1 Soil detection index

表2 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab.2 Experimental prototype parameters

1.2 試驗(yàn)方法

為將堵塞程度量化，試驗(yàn)中機(jī)具堵塞程度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24675.4—2009[13]，通過給機(jī)具堵塞程度對應(yīng)的通過性評(píng)分來實(shí)現(xiàn)，如表3所示。試驗(yàn)機(jī)具每次作業(yè)長度50 m，作業(yè)速度8 km/h，在機(jī)具的前后三個(gè)不同位置安裝了Gopro進(jìn)行視頻拍攝，現(xiàn)場5個(gè)人進(jìn)行打分，判斷過程依靠人工視覺結(jié)合作業(yè)視頻回放完成，取平均分。當(dāng)機(jī)具通過性評(píng)分達(dá)到3分時(shí)機(jī)具能保持正常工作狀態(tài)，所以把評(píng)分3分作為單個(gè)影響因素取臨界值的對應(yīng)分值。

表3 評(píng)分對照表Tab.3 Score comparison table

1.3 試驗(yàn)方案

圓盤耙排列試驗(yàn)方案如下。

1)通過單因素試驗(yàn)確定該機(jī)具每個(gè)耙片的排列參數(shù)臨界值。在進(jìn)行單因素秸稈堵塞試驗(yàn)時(shí)，將其他因素調(diào)整到所選范圍的最大值后再進(jìn)行試驗(yàn)，減小其他影響因素對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。單因素試驗(yàn)分為三組試驗(yàn)：分別選取225 mm、250 mm、275 mm、300 mm、325 mm為第一組進(jìn)行耙片間距單因素試驗(yàn)；選取800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm為第二組進(jìn)行橫梁間距單因素試驗(yàn)；選取0 mm、6 mm、12 mm、18 mm、25 mm為第三組進(jìn)行錯(cuò)位間距單因素試驗(yàn)。

2)在臨界值的基礎(chǔ)上每個(gè)試驗(yàn)因素選取三個(gè)水平值，以機(jī)具的通過性為指標(biāo)值進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)采用3因素3水平的正交試驗(yàn)方法，主要考察機(jī)具排列參數(shù)：耙片間距、橫梁間距和錯(cuò)位間距對機(jī)具通過性的影響。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平如表4所示。試驗(yàn)方案選擇適用的L9(34)表。

表4 試驗(yàn)因素與水平Tab.4 Test factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

由耙片排列參數(shù)單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(a)耙片間距B單因素試驗(yàn)

隨著耙片間距、橫梁間距的增加機(jī)具堵塞程度逐漸減弱，而隨著錯(cuò)位間距的增加機(jī)具堵塞程度有增強(qiáng)的趨勢。分析產(chǎn)生的原因：第一，當(dāng)耙片間距逐漸增大時(shí)，耙片之間的空間增大，提升了通過性，秸稈纏繞開始減少，造成的局部堵塞和拖堆能自行解除，殘茬和土垡被正常翻拋，機(jī)具作業(yè)變得越加流暢。第二，橫梁間距較小時(shí)，前排耙片向后方翻拋的土垡和殘茬沒有直接落到地表上，而是大部分落到后排耙片組上，單位時(shí)間內(nèi)又不能自行解除，造成了堵塞和拖堆。當(dāng)橫梁間距逐漸增大后，前排耙片向后方翻拋的土垡和殘茬大部分落到地表上，后排耙片組能對其進(jìn)行二次切割和翻拋，秸稈纏繞和堵塞現(xiàn)象逐漸減少。第三，選取的五個(gè)錯(cuò)位間距數(shù)值對堵塞試驗(yàn)結(jié)果的影響沒有明顯差別，都能保證機(jī)具正常通過性。根據(jù)圖4確定B=275 mm，L=900 mm為機(jī)具在秸稈全量還田的條件下正常工作的臨界值，S所選取的五個(gè)值均能保證機(jī)具正常通過性。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表5為機(jī)具通過性影響的試驗(yàn)結(jié)果，從表5中可以得出9組試驗(yàn)：耙片間距為325 mm，橫梁間距為1 100 mm，錯(cuò)位間距為0 mm時(shí)機(jī)具通過性得分4.9，優(yōu)于其他試驗(yàn)組。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Orthogonal experimental results

2.2.2 極差分析

表6為機(jī)具通過性試驗(yàn)的極差分析結(jié)果。

由表6中極差大小可知試驗(yàn)因素對機(jī)具通過性影響大小順序依次為：耙片間距B，橫梁間距L，錯(cuò)位間距S。機(jī)具通過性的較優(yōu)組合為B3L3S1，即耙片間距為325 mm，橫梁間距為1 100 mm，錯(cuò)位間距為0 mm時(shí)機(jī)具通過性為4.9分。由表中誤差項(xiàng)與其他因素極差值比較可以得出：三個(gè)試驗(yàn)因素之間交互作用對試驗(yàn)結(jié)果影響較小。

表6 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.6 Rangle analysis of test results

2.2.3 方差分析

通過使用SPSS分析軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表7所示。根據(jù)試驗(yàn)方差分析結(jié)果可知：機(jī)具排列參數(shù)耙片間距和橫梁間距對機(jī)具通過性影響顯著，錯(cuò)位間距對機(jī)具通過性影響不顯著。

表7 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.7 Analysis of variance of test results

2.2.4 回歸分析

通過使用SPSS分析軟件對機(jī)具通過性的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表8～表10所示。如表8所示，關(guān)于參數(shù)B、L和S線性相關(guān)性系數(shù)R=0.874(調(diào)整后)，表示回歸方程的擬合度較高；如表9所示，模型的F檢測值為19.556，對應(yīng)F值的顯著性概率P<0.05，表明因變量T和自變量B、L和S之間存在線性相關(guān)；如表10所示，三個(gè)系數(shù)的t檢測值分別為5.923、4.738和-1.066，對應(yīng)的檢驗(yàn)顯著性概率分別為：0.002(P<0.05)、0.005(P<0.05)和0.335(P>0.05)，表明機(jī)具通過性主要由耙片間距和橫梁間距決定，成正向相關(guān)，與錯(cuò)位間距成反比。當(dāng)P>0.05時(shí)，該自變量在本模型中沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，去除相應(yīng)變量，得到機(jī)具通過性回歸方程：T=0.833B+0.667L。

表8 模型摘要Tab.8 Model summary

表9 回歸方差分析Tab.9 Regression variance analysis

表10 回歸系數(shù)Tab.10 Regression coefficient

3 結(jié)論

1)單因素試驗(yàn)確定了機(jī)具不堵塞的耙片單體排列參數(shù)臨界值：耙片間距為275 mm，橫梁間距為900 mm，錯(cuò)位間距全部取值在臨界值之上。

2)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果表明，耙片排列參數(shù)對機(jī)具堵塞影響主次順序?yàn)椋喊移g距B，橫梁間距L，錯(cuò)位間距S；機(jī)具通過性的較優(yōu)組合為B3L3S1,其試驗(yàn)機(jī)具通過性得分為4.9分。

3)正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明，機(jī)具排列參數(shù)耙片間距和橫梁間距對機(jī)具堵塞影響顯著，錯(cuò)位間距對機(jī)具堵塞影響不顯著。

4)正交試驗(yàn)線性回歸分析結(jié)果得到擬合度較高的機(jī)具通過性回歸方程：T=0.833B+0.667L，通過這個(gè)數(shù)學(xué)模型可以對給出的排列參數(shù)進(jìn)行實(shí)際作業(yè)堵塞情況的預(yù)測。