劉 鵬 何 進(jìn) 婁尚易 王英博 張振國(guó),2 林 涵

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.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

東北黑土區(qū)是中國(guó)主要糧食生產(chǎn)區(qū)，由于長(zhǎng)期不合理的利用，如秸稈焚燒，導(dǎo)致東北黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量下降幅度明顯[1-2]，極大影響了我國(guó)糧食安全。玉米秸稈還田技術(shù)作為東北黑土區(qū)保護(hù)的一項(xiàng)技術(shù)措施，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤容重，提升微生物群落活性，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，從而為作物增產(chǎn)創(chuàng)造良好生產(chǎn)環(huán)境[3-6]。但由于東北黑土區(qū)地溫較低，導(dǎo)致玉米秸稈不易腐爛，因此需要保證秸稈還田質(zhì)量和粉碎長(zhǎng)度。

為提高秸稈粉碎質(zhì)量、降低秸稈粉碎長(zhǎng)度，研究學(xué)者對(duì)V-L型[7]、三節(jié)甩鞭型[8]、鋸齒十字型[9]、扇葉型[10]、齒盤(pán)型[11]等多種形式粉碎還田刀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步研究了粉碎室內(nèi)流場(chǎng)對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度的影響，分析了不同動(dòng)定刀間隙、定刀結(jié)構(gòu)、粉碎刀轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度對(duì)秸稈粉碎質(zhì)量的影響規(guī)律[12-16]，同時(shí)針對(duì)香蕉、棉花、稻麥、玉米等不同作物秸稈物理力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的秸稈粉碎還田機(jī)[17-20]，有效提升了作物秸稈粉碎還田質(zhì)量，但秸稈粉碎過(guò)程玉米秸稈力學(xué)和能耗變化規(guī)律依然不清晰，極大限制了秸稈還田技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置，通過(guò)理論分析明確影響秸稈粉碎過(guò)程中秸稈力學(xué)和能耗變化的關(guān)鍵參數(shù)，并確定其參數(shù)范圍；利用有限元方法開(kāi)展三因素三水平正交試驗(yàn)，分析秸稈粉碎過(guò)程中秸稈力學(xué)和能量變化規(guī)律，進(jìn)而確定秸稈粉碎裝置的較優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為玉米秸稈粉碎還田機(jī)的研究提供參考。

1 玉米秸稈粉碎裝置總體結(jié)構(gòu)

異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置主要由懸掛傳動(dòng)裝置、撿拾粉碎裝置、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)粉碎裝置和機(jī)殼組成(圖1)。其中，懸掛傳動(dòng)裝置主要用于將粉碎裝置掛接在拖拉機(jī)后方，同時(shí)為粉碎裝置提供動(dòng)力；撿拾裝置主要利用高速旋轉(zhuǎn)的撿拾粉碎刀將地表秸稈進(jìn)行充分撿拾和輸送；對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)粉碎裝置主要利用旋轉(zhuǎn)的對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀與撿拾粉碎刀形成玉米秸稈異速動(dòng)態(tài)支撐切割，以提高玉米秸稈粉碎質(zhì)量。

2 秸稈粉碎全過(guò)程力學(xué)分析

根據(jù)玉米秸稈受力狀態(tài)，將玉米秸稈粉碎全過(guò)程分為秸稈撿拾階段、秸稈升舉輸送階段和入侵粉碎階段。

在秸稈撿拾階段，在高速旋轉(zhuǎn)撿拾粉碎刀的作用下，地表玉米秸稈隨撿拾粉碎刀做加速運(yùn)動(dòng)。以點(diǎn)O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立xO1y坐標(biāo)系，如圖2a所示，此階段秸稈受力方程為

(1)

其中

(2)

式中FG——地表對(duì)秸稈的支持力，N

Fc——撿拾粉碎刀對(duì)秸稈的推力，N

Fa——?dú)饬鲗?duì)秸稈的推力，N

fc——撿拾粉碎刀對(duì)秸稈的摩擦力，N

fg——地表對(duì)秸稈的摩擦力，N

Fs——其他秸稈的壓力，N

α——?dú)饬鲗?duì)秸稈的推力與x軸的夾角，(°)

β——其他秸稈的壓力與x軸的夾角，(°)

γ——地表對(duì)秸稈的摩擦力與x軸的夾角，(°)

μc——秸稈與撿拾粉碎刀的摩擦因數(shù)

μg——秸稈與地面的摩擦因數(shù)

g——重力加速度，m/s2

m——秸稈質(zhì)量，kg

ax1——撿拾階段秸稈x軸方向加速度，m/s2

ay1——撿拾階段秸稈y軸方向加速度，m/s2

Ic——撿拾粉碎刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

S1——撿拾粉碎刀撿拾玉米秸稈時(shí)運(yùn)動(dòng)距離，m

ωY——撿拾粉碎刀角速度，rad/s

在秸稈升舉輸送階段，在向心力和秸稈自身重力的作用下，玉米秸稈在撿拾粉碎刀上以順序排布，并隨撿拾粉碎刀做圓周運(yùn)動(dòng)。以點(diǎn)O2為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立xO2y坐標(biāo)系，如圖2b所示，此階段秸稈受力方程為

(3)

(4)

式中ε——?dú)饬鲗?duì)秸稈的推力與x軸的夾角，(°)

δ——玉米秸稈自身重力與y軸的夾角，(°)

ax2——升舉輸送階段秸稈x軸方向加速度，m/s2

ay2——升舉輸送階段秸稈y軸方向加速度，m/s2

S2——撿拾粉碎刀輸送玉米秸稈時(shí)運(yùn)動(dòng)距離，m

在入侵粉碎階段，撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺旋支撐圓盤(pán)刀侵入玉米秸稈內(nèi)部，最后導(dǎo)致玉米秸稈發(fā)生斷裂。以O(shè)3點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立xO3y坐標(biāo)系，如圖2c所示，此階段秸稈受力方程為

(5)

其中

(6)

式中FD——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀對(duì)秸稈的推力，N

fD——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀對(duì)秸稈的摩擦力，N

fDr——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀切割玉米秸稈表皮產(chǎn)生的摩擦力，N

fDp——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀切割玉米秸稈內(nèi)穰產(chǎn)生的摩擦力，N

fcr——撿拾粉碎刀切割玉米秸稈表皮產(chǎn)生的摩擦力，N

fcp——撿拾粉碎刀切割玉米秸稈內(nèi)穰產(chǎn)生的摩擦力，N

ρ——?dú)饬鲗?duì)秸稈的推力(Fa)與y軸的夾角，(°)

μD——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀與秸稈的摩擦因數(shù)

η——撿拾粉碎刀對(duì)秸稈的推力(Fc)與x軸的夾角，(°)

ψ——玉米秸稈自身重力(mg)與y軸的夾角，(°)

τ——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角，(°)

ax3——入侵粉碎階段秸稈x軸方向加速度，m/s2

ay3——入侵粉碎階段秸稈y軸方向加速度，m/s2

ID——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

S3——撿拾粉碎刀侵入玉米秸稈時(shí)運(yùn)動(dòng)距離，m

S4——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀侵入玉米秸稈時(shí)運(yùn)動(dòng)距離，m

ωD——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀角速度，rad/s

由式(1)～(6)可知，撿拾粉碎角速度、對(duì)數(shù)圓盤(pán)刀角速度和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角與不同階段的玉米秸稈加速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此適度增大撿拾粉碎刀角速度、對(duì)數(shù)圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角有利于提高異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置的秸稈撿拾和粉碎質(zhì)量。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

3.1 撿拾粉碎刀設(shè)計(jì)

玉米秸稈粉碎過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的撿拾粉碎刀將地表秸稈進(jìn)行撿拾、輸送和粉碎，其結(jié)構(gòu)直接影響著異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置的作業(yè)質(zhì)量。撿拾粉碎刀主要由2把L形甩刀和1把直刀組成，其厚度均為5 mm，且兩端開(kāi)口刃口，材料均采用65Mn，刃口采用淬火處理，以提高刀具的耐磨特性和使用壽命。根據(jù)前期研究[15]，粉碎刀刃角設(shè)定為20°，刃口寬度設(shè)定為3 mm，L形甩刀折彎角設(shè)定為40°，L形甩刀刃口長(zhǎng)度設(shè)定為45 mm，撿拾粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑設(shè)定為250 mm。根據(jù)上文理論分析以及粉碎裝置實(shí)際作業(yè)工況[9-10,13,15,21]，撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速在1 800～2 200 r/min時(shí)可以取得較好的秸稈撿拾和粉碎效果。

3.2 對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀設(shè)計(jì)

玉米秸稈粉碎過(guò)程中，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀與撿拾粉碎刀對(duì)玉米秸稈形成動(dòng)態(tài)雙支撐，從而更有利于玉米秸稈的切斷與粉碎，因此對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響玉米秸稈粉碎質(zhì)量。為有效降低玉米秸稈粉碎過(guò)程中的功耗，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀刃口曲線采用對(duì)數(shù)螺線方程[22]，其極坐標(biāo)方程為

R=reθcotτ

(7)

式中R——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀半徑，mm

r——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀初始半徑，mm

θ——對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀極角，(°)

根據(jù)測(cè)量，玉米秸稈與鋼板的摩擦角為22°～32°，同時(shí)為防止玉米秸稈纏繞對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀，取30°≤δ≤50°。為減少膠帶滑移對(duì)秸稈粉碎質(zhì)量的影響，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀刃口曲線個(gè)數(shù)設(shè)定為12個(gè)，其厚度設(shè)定為5 mm。為保證對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀與撿拾粉碎刀的相對(duì)速度，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的最大和最小旋轉(zhuǎn)半徑分別設(shè)定為250 mm和210 mm，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。為保證撿拾粉碎刀與對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀實(shí)時(shí)形成動(dòng)態(tài)雙支撐狀態(tài)、秸稈粉碎后具有向后的動(dòng)能，設(shè)定對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速為撿拾粉碎刀的0.25倍、0.50倍和0.75倍，即撿拾粉碎刀與對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀間的傳動(dòng)比(以下簡(jiǎn)稱傳動(dòng)比)為0.25、0.50和0.75。

3.3 撿拾粉碎刀與對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀排布

撿拾粉碎刀采用對(duì)稱雙螺旋線排布方式，以使得撿拾粉碎刀刀軸受力均勻，降低機(jī)具振動(dòng)，提高作業(yè)壽命[23]，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀對(duì)稱安裝在撿拾粉碎刀兩側(cè)。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中粉碎刀排列密度要求以及異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置作業(yè)幅寬，撿拾粉碎刀數(shù)量設(shè)定為10組，因此撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀數(shù)量分別為20把和11把，粉碎單元共有10組，其排列展開(kāi)圖如圖4所示。紅色圓點(diǎn)為撿拾粉碎刀安裝位置，藍(lán)色線條為對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀安裝位置。軸向2把撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的距離均為100 mm(圖5)。為保證撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀對(duì)玉米秸稈形成充分的動(dòng)態(tài)雙支撐切割，撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀徑向重合距離設(shè)定為40 mm，如圖5所示。為防止高速旋轉(zhuǎn)的撿拾粉碎刀因入土對(duì)粉碎刀軸產(chǎn)生沖擊，撿拾粉碎刀最小離地間隙設(shè)定為30 mm。

4 玉米秸稈粉碎過(guò)程分析

由于撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺旋支撐圓盤(pán)粉碎刀均為高速旋轉(zhuǎn)部件，通過(guò)實(shí)際田間試驗(yàn)無(wú)法獲取玉米秸稈粉碎過(guò)程中的變化規(guī)律，因此本文基于有限元方法采用LS-DYNA軟件分析玉米秸稈在粉碎過(guò)程中的受力和切割能耗的變化規(guī)律。

4.1 仿真模型簡(jiǎn)化

為提高仿真效率，在保證仿真準(zhǔn)確性的前提下，對(duì)本文有限元仿真模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①忽略玉米葉對(duì)玉米秸稈粉碎過(guò)程中力學(xué)和能耗變化的影響。②玉米秸稈變形后，靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)不發(fā)生改變。③忽略玉米表皮和玉米內(nèi)穰的粘附力對(duì)玉米秸稈粉碎過(guò)程中力學(xué)和能耗變化的影響。④將玉米秸稈簡(jiǎn)化為圓形桿件。⑤忽略粉碎過(guò)程中撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的磨損。⑥忽略撿拾粉碎刀軸和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀軸上刀座、銷(xiāo)子等。⑦只使用對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀1個(gè)刃口曲線，以提高仿真效率。

在仿真模型中，玉米秸稈長(zhǎng)度和直徑分別設(shè)為500 mm和20 mm，玉米秸稈表皮厚度設(shè)定為1 mm。在Creo 4.0中將簡(jiǎn)化后的三維仿真模型保存為.STP格式導(dǎo)入Hypermesh 14.0中繪制網(wǎng)格，如圖6所示，其中撿拾粉碎刀、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀、玉米表皮和玉米內(nèi)穰的網(wǎng)格數(shù)量分別為7.54×104、2.99×104、1.04×104和1.6×105。

4.2 仿真模型參數(shù)設(shè)置

玉米秸稈為各向異性材料，在仿真計(jì)算過(guò)程中可將玉米秸稈簡(jiǎn)化為各向同性的管狀材料[24-25]。根據(jù)文獻(xiàn)[24-27]，玉米秸稈表皮和內(nèi)穰的力學(xué)參數(shù)如表1所示。撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的剛度遠(yuǎn)大于玉米秸稈表皮和內(nèi)穰的剛度，因此定義玉米秸稈表皮和內(nèi)穰的材料模型均為MAT_PLASTIC_KINEMATIC，定義撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的材料模型均為MAT_ELASTIC。由于撿拾粉碎刀軸和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀軸在秸稈粉碎過(guò)程中受力較小，因此定義為剛性材料模型(MAT_RIGID)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。在仿真模型中，將玉米秸稈表皮和內(nèi)穰視為從面，撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀視為主面。接觸模型采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。玉米秸稈與撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀的動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.1和0.4。

表1 材料參數(shù)模型Tab.1 Material properties

4.3 仿真試驗(yàn)

選取撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速(A)、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角(B)和傳動(dòng)比(C)為試驗(yàn)因素，選取秸稈最大破碎力(Y1)、滑切切割功耗(Y2)和滑切沖量(Y3)為試驗(yàn)指標(biāo)，采取Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，研究撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角和傳動(dòng)比對(duì)玉米秸稈粉碎過(guò)程中秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量的影響規(guī)律。為保證秸稈充分粉碎以及降低作業(yè)功耗，根據(jù)上文理論分析，設(shè)置試驗(yàn)因素編碼如表2所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Experimental factors codes

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental scheme and results

4.4 結(jié)果分析與回歸模型建立

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量為試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并分別檢驗(yàn)其顯著性。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和擬合，試驗(yàn)指標(biāo)秸稈最大破碎力Y1、滑切切割功耗Y2和滑切沖量Y3的方差分析如表4所示。各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(Y1、Y2、Y3)的影響由大到小依次為傳動(dòng)比、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角、撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)比在[0.25,0.75]之間，秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量均呈上升趨勢(shì)，但試驗(yàn)指標(biāo)(Y1、Y2、Y3)在[0.25,0.5]的增長(zhǎng)率小于[0.5,0.75]的增長(zhǎng)率；對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角在[30°,50°]之間，秸稈最大破碎力呈逐漸下降趨勢(shì)，但滑切切割功耗在[30°,40°]的下降速度小于[40°,50°]的下降速度，滑切沖量在[30°,40°]的下降速度大于[40°,50°]的下降速度；撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速在[1 800 r/min,2 200 r/min]之間，秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量均呈上升趨勢(shì)，但秸稈最大破碎力和滑切沖量在[1 800 r/min,2 000 r/min]的增長(zhǎng)率大于在[2 000 r/min,2 200 r/min]的增長(zhǎng)率，滑切切割功耗在[1 800 r/min,2 000 r/min]的增長(zhǎng)率小于在[2 000 r/min,2 200 r/min]的增長(zhǎng)率。撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角、傳動(dòng)比、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角和傳動(dòng)比的交互項(xiàng)對(duì)秸稈最大破碎力存在極其顯著影響(P<0.01)，撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速的平方項(xiàng)對(duì)秸稈最大破碎力存在顯著影響(P<0.1)；傳動(dòng)比和傳動(dòng)比的平方項(xiàng)對(duì)滑切切割功耗存在極其顯著影響(P<0.01)，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角和傳動(dòng)比的交互項(xiàng)對(duì)滑切切割功耗存在非常顯著影響(0.01

(8)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表4所示，其中P均大于0.1，證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素存在，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果準(zhǔn)確合理。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

4.5 試驗(yàn)指標(biāo)雙因素交互作用分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角和傳動(dòng)比的交互項(xiàng)對(duì)秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量的影響，如圖7所示。

對(duì)于秸稈最大破碎力，當(dāng)撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，傳動(dòng)比和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角的交互作用影響如圖7a所示。當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí)，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角與秸稈最大破碎力呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角為32°～46°；當(dāng)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角一定時(shí)，傳動(dòng)比與秸稈最大破碎力呈正相關(guān)，其最優(yōu)的傳動(dòng)比為0.3～0.7。對(duì)于滑切切割功耗，當(dāng)撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，傳動(dòng)比和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角的交互作用影響如圖7b所示。當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí)，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角與滑切切割功耗呈正相關(guān)，其最優(yōu)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角為32°～45°；當(dāng)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角一定時(shí)，傳動(dòng)比與秸稈最大破碎力呈正相關(guān)，其增長(zhǎng)速率對(duì)傳動(dòng)比增大而增大，其最優(yōu)傳動(dòng)比為0.28～0.65。對(duì)于滑切沖量(Y3)，當(dāng)撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，傳動(dòng)比和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角的交互作用影響如圖7c所示。當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí)，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角與滑切沖量呈負(fù)相關(guān)，下降速率隨滑切角增大而減小，其最優(yōu)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角為35°～48°；當(dāng)對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角一定時(shí)，傳動(dòng)比與滑切沖量呈正相關(guān)，其增長(zhǎng)速率對(duì)傳動(dòng)比增大而增大，其最優(yōu)傳動(dòng)比為0.3～0.6。

通過(guò)對(duì)秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量雙因素交互作用分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量的回歸方程進(jìn)行求解，根據(jù)異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置的實(shí)際作業(yè)條件、作業(yè)要求以及上述理論分析，對(duì)優(yōu)化的約束條件進(jìn)行選擇。

目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行優(yōu)化求解，可以得到其最優(yōu)解為：撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速1 950 r/min、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角40°和傳動(dòng)比0.5時(shí)，秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量分別為101.71 N、1 049.42 W和0.032 N·s。

4.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

2020年10月在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣天義鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，如圖8所示。玉米品種為紀(jì)元128，玉米秸稈量為1.27 kg/m2，秸稈直徑分布在10.32～22.17 mm之間，秸稈平均含水率為 35.9%，玉米秸稈平均高度為2 039 mm，0～20 cm土層土壤平均含水率13.93%。主要儀器設(shè)備有：鐵牛754型拖拉機(jī)、異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置、威衡帶鉤電子秤(精度：5 g)、ZH-1000型扭矩傳感器(精度：0.5% F·S)、1 m2方框等。

根據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》進(jìn)行田間試驗(yàn)。拖拉機(jī)前進(jìn)速度保持在1 km/h，通過(guò)控制油門(mén)將撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速控制在1 950 r/min，每次測(cè)試行程為50 m。在每一個(gè)試驗(yàn)行程中，隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)(1 m×1 m)進(jìn)行測(cè)試(圖9)，計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率，計(jì)算式為

(10)

式中LP——秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率，%

mp——測(cè)試點(diǎn)中長(zhǎng)度大于10 cm玉米秸稈的質(zhì)量，g

mt——測(cè)試點(diǎn)內(nèi)玉米秸稈總質(zhì)量，g

根據(jù)扭矩傳感器測(cè)量的拖拉機(jī)后輸出軸扭矩，計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中單組粉碎裝置的功耗，計(jì)算式為

(11)

式中P——試驗(yàn)時(shí)單個(gè)粉碎單元功率，W

T——試驗(yàn)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸平均扭矩，N·m

n——試驗(yàn)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸平均轉(zhuǎn)速，r/min

h——粉碎單元組數(shù)

當(dāng)撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速1 950 r/min，對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角40°和傳動(dòng)比0.5時(shí)，滑切切割功耗為1 150.43 W，與模型預(yù)測(cè)值誤差為9.63%，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為93.34%。存在誤差的主要原因?yàn)椋孩俚乇砥秸容^差，降低了機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性。②地表秸稈和根茬分布不均。③能量傳遞過(guò)程中存在能量損失。④地表存在雜草，增加了秸稈粉碎功耗。⑤田間驗(yàn)證試驗(yàn)中，拖拉機(jī)速度在0.95～1.12 km/h之間浮動(dòng)，無(wú)法精確控制在1 km/h，其變化影響了秸稈粉碎作業(yè)功耗?？傮w而言，試驗(yàn)結(jié)果證明了回歸模型的準(zhǔn)確性，相關(guān)優(yōu)化組合合理，按照優(yōu)化參數(shù)條件后的秸稈粉碎還田機(jī)的秸稈粉碎質(zhì)量滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種異速圓盤(pán)動(dòng)態(tài)支撐式玉米秸稈粉碎裝置，對(duì)關(guān)鍵部件撿拾粉碎刀和對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谟衩捉斩挿鬯檠b置和玉米秸稈受力狀態(tài)，將玉米秸稈粉碎全過(guò)程分為秸稈撿拾階段、秸稈升舉輸送階段和入侵粉碎階段，建立了各階段秸稈受力數(shù)學(xué)模型，確定了其關(guān)鍵影響參數(shù)及范圍。

(2)基于構(gòu)建的玉米粉碎單元有限元模型，研究了玉米秸稈粉碎過(guò)程中秸稈力學(xué)和能耗變化規(guī)律，結(jié)果表明各因素試驗(yàn)指標(biāo)秸稈最大破碎力、滑切切割功耗和滑切沖量的影響由大到小依次為傳動(dòng)比、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角、撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速。

(3)建立了撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角的二次多項(xiàng)式回歸模型，以秸稈最大破碎力最大、滑切切割功耗和滑切沖量最小為優(yōu)化目標(biāo)，得到了玉米秸稈粉碎裝置的較優(yōu)工作參數(shù)組合：撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速1 950 r/min、對(duì)數(shù)螺線支撐圓盤(pán)刀滑切角40°和傳動(dòng)比0.5。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，滑切切割功耗為1 150.43 W，與模型預(yù)測(cè)值誤差為9.63%，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為93.34%，證明了回歸模型的準(zhǔn)確性，優(yōu)化后的秸稈粉碎質(zhì)量滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。