吳 騰，胡良龍，王公仆，胡志超，嚴(yán) 偉，王 冰（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

步行式甘薯碎蔓還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳 騰，胡良龍※，王公仆，胡志超，嚴(yán) 偉，王 冰
（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

為緩解中國(guó)丘陵坡地小田塊甘薯碎蔓機(jī)械短缺問題，研究設(shè)計(jì)了步行式甘薯碎蔓還田機(jī)。該文在分析整機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上具體闡述了甘薯碎蔓還田機(jī)工作原理，闡明了碎蔓裝置、刀座防磨損設(shè)計(jì)、導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。甘薯秧蔓粉碎合格率、留茬高度和傷薯率是評(píng)價(jià)甘薯碎蔓還田機(jī)的主要指標(biāo)，該文在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)方法對(duì)甘薯碎蔓還田機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。建立了響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，同時(shí)，對(duì)影響因素進(jìn)行了綜合優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉碎合格率影響顯著順序?yàn)榈遁佫D(zhuǎn)速＞離地間隙＞刀片間距；留茬高度影響顯著順序?yàn)殡x地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；傷薯率影響顯著順序?yàn)殡x地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；田間試驗(yàn)結(jié)果表明：最優(yōu)工作參數(shù)組合為刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間隙為40 mm，此時(shí)秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為

47.08 mm、傷薯率為0.23%，與理論優(yōu)化值對(duì)比誤差小于5%。研究結(jié)果可為步行式甘薯碎蔓還田機(jī)的結(jié)構(gòu)完善和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；甘薯碎蔓還田機(jī)；響應(yīng)曲面

0 引 言

甘薯又名紅薯、地瓜、紅苕和山芋等，是具有抗癌保健作用的綠色食品[1-6]。甘薯在中國(guó)已有400多年種植歷史，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年中國(guó)甘薯收獲總產(chǎn)量達(dá)7 154.0萬t，種植面積達(dá)338.3萬hm2，總產(chǎn)量占世界的67.1%，種植面積占40.5%，總產(chǎn)量和種植面積均居世界第一[7]。

甘薯是種植過程所需勞動(dòng)力較大的土下作物，其種植過程主要包括：排種、育苗、起壟、剪苗、移栽、澆水、中耕、植保、去蔓收獲等，其中，去蔓和挖掘收獲環(huán)節(jié)占整個(gè)生產(chǎn)過程用工成本的45%[8-9]。中國(guó)甘薯主要種植在丘陵地區(qū)和平原壩區(qū)，其中約有50% 種植在丘陵地區(qū)，且近年來種植面積不斷增加，故丘陵地區(qū)的甘薯生產(chǎn)機(jī)械化問題得到廣泛關(guān)注[10-11]。

甘薯采用高壟種植，壟高一般在25～33 cm左右，其秧蔓匍匐生長(zhǎng)、交錯(cuò)纏繞，且產(chǎn)量大，一般在30 t/hm2以上[12]。目前，甘薯收獲時(shí)秧蔓多采用人工割除，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高，嚴(yán)重影響甘薯種植的經(jīng)濟(jì)效益，因此市場(chǎng)對(duì)去蔓機(jī)械需求迫切。

國(guó)外甘薯秧蔓處理機(jī)械研究起步較早，技術(shù)成熟，美、加、英等國(guó)的甘薯割蔓機(jī)械主要有2種，一類是大型多行薯蔓粉碎還田機(jī)，配套200馬力左右拖拉機(jī)；一種是大型聯(lián)合收獲機(jī)，可一次完成挖掘、輸送、薯蔓分離、清理、集薯、拋蔓還田作業(yè)，該機(jī)所需動(dòng)力大、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合緊密、品種薯蔓較短，目前中國(guó)還無法采用該模式，如英國(guó)STANDEN公司的TSP1900大型牽引式甘薯聯(lián)合收獲裝備、美國(guó)LOCKWOOD公司674型直收式聯(lián)合收獲機(jī)；日本因其土壤疏松、田塊面積不大，其甘薯收獲前基本都采用薯蔓直接粉碎還田這種模式，且其作業(yè)機(jī)械多為單行的小型機(jī)，其小型碎蔓技術(shù)對(duì)中國(guó)具有一定的借鑒意義；目前在日本鹿兒島地區(qū)有一種薯蔓采收粉碎飼化處理一體機(jī)，但因其存在作業(yè)經(jīng)濟(jì)性差、適應(yīng)性不高等問題，無法推廣。中國(guó)甘薯秧蔓粉碎技術(shù)發(fā)展較為滯后，近些年所研發(fā)的甘薯秧蔓處理機(jī)械多是在馬鈴薯打秧機(jī)和秸稈粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而來的。主要有：鄭州山河開發(fā)的4UJH型甘薯碎蔓機(jī)；連云港元天研發(fā)的大壟雙行碎蔓機(jī)；南京農(nóng)機(jī)化所研發(fā)的4JHSM-900型甘薯碎蔓機(jī)等，一般掛接在拖拉機(jī)后作業(yè)，適合在平原壩區(qū)和緩坡地規(guī)?；N植地區(qū)作業(yè)。

本文針對(duì)目前中國(guó)甘薯種植規(guī)模不同、種植模式多樣特點(diǎn)，結(jié)合甘薯秧蔓的生物學(xué)特性，研制出適應(yīng)于丘陵坡地小田塊作業(yè)的一種步行式甘薯碎蔓還田機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

步行式甘薯碎蔓還田機(jī)主要由碎蔓罩殼、仿形切蔓刀輥及甩刀、導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、操縱桿、機(jī)架、行走輪等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 步行式甘薯碎蔓還田機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of walking sweet potato vines crushing machine

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

步行式甘薯碎蔓還田機(jī)在工作前，應(yīng)根據(jù)種植壟寬和壟高調(diào)節(jié)甩刀尖距壟面高度，過高易造成留茬長(zhǎng)、作業(yè)效果差，過低則易傷薯且增加動(dòng)力消耗。作業(yè)時(shí)，雙手扶操縱桿，調(diào)整導(dǎo)向輪角度，使機(jī)器沿著壟溝行走，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)變速箱傳遞給底盤行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器前行，同時(shí)，動(dòng)力經(jīng)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給粉碎裝置，驅(qū)動(dòng)刀輥軸高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其上的自由態(tài)甩刀高速旋轉(zhuǎn)，甩刀端部產(chǎn)生較大的線速度和打擊力，將匍匐地面的薯蔓切斷后挑起在罩殼形成的粉碎室內(nèi)多次打擊切碎，并撒向地面，實(shí)現(xiàn)碎蔓作業(yè)。當(dāng)一壟作業(yè)結(jié)束后，按壓操縱桿，抬起前端支撐導(dǎo)向輪從而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，具有轉(zhuǎn)彎半徑小，操作方便，特別適合丘陵小地塊、育種小區(qū)等使用。該機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)如表1所示。

表1 步行式甘薯碎蔓還田機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of walking sweet potato vines crushing machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 粉碎裝置的設(shè)計(jì)

粉碎裝置是甘薯碎蔓還田機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是打擊、切碎甘薯秧蔓，使其粉碎的長(zhǎng)度不大于150 mm。如圖2所示，粉碎裝置主要由刀輥軸、刀座、甩刀組成。為降低整機(jī)的質(zhì)量、減小動(dòng)力消耗將刀輥軸設(shè)計(jì)成空心軸，兩端焊接軸頭用于傳動(dòng)連接和支撐[13-14]。

圖2 粉碎裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structural diagram of vines crushing device

甩刀是甘薯碎蔓還田機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式直接影響整機(jī)的作業(yè)效果。目前，甩刀的形狀主要有以下3種類型：一是直刀型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作部位開刃，功率消耗較小。二是Y型或者L型，加工較復(fù)雜，但粉碎效果好，比直刀型撿拾效果好，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將秸稈切斷并帶入粉碎腔體內(nèi)進(jìn)一步粉碎[15]。三是錘爪型，體積較大，對(duì)高粱、棉花等較硬的作物秸稈有較好的粉碎效果，但功率消耗較大。考慮甘薯秧蔓的物理特性和甘薯的種植農(nóng)藝，采用仿壟形切蔓方式，所用甩刀采用直刀型，加工簡(jiǎn)單且能滿足作業(yè)需要[16]。作業(yè)時(shí)甩刀不可避免的會(huì)打土產(chǎn)生反沖擊力，需要較好的強(qiáng)度和韌性，因此選用65 Mn材料，經(jīng)過熱處理之后達(dá)到HRC48-54，作業(yè)部分開刃。

甩刀如何排布對(duì)碎蔓還田機(jī)的作業(yè)性能影響很大，它直接關(guān)系碎蔓機(jī)的功耗、作業(yè)效果和刀輥軸的平衡性。根據(jù)甘薯種植農(nóng)藝，一般采用高壟種植，因此采用仿壟形設(shè)計(jì)，甩刀中間短，兩端長(zhǎng)，仿照壟型長(zhǎng)短刀配合，且軸向左右對(duì)稱分布。甩刀通常采用對(duì)稱排布、螺旋線排列和交錯(cuò)平衡排列，綜合比較采用雙螺旋交錯(cuò)對(duì)稱排列，刀軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠受力均勻，機(jī)器振動(dòng)較小、平衡性好。刀的排列密度要合適，并非甩刀越多，碎蔓的效果就越好，排列密度過大，功率消耗大，排列密度太小，粉碎效果差，不能滿足設(shè)計(jì)要求[17]。刀座排布如圖3所示。

圖3 刀座排布示意圖Fig.3 Arrangement diagram of knife block

刀的排布密度計(jì)算公式為：

式中N為甩刀數(shù)量，片；L作業(yè)幅寬，mm；C為刀片的排列密度，片/mm。本機(jī)主要針對(duì)丘陵地區(qū)小地塊單壟作業(yè)，為了減少碎蔓機(jī)整機(jī)質(zhì)量和作業(yè)功耗，將其作業(yè)幅寬設(shè)計(jì)為600 mm，其后續(xù)配套的挖掘收獲機(jī)作業(yè)幅寬小于600 mm，而地下薯塊的分布寬度一般小于300 mm，完全滿足收獲需求，所以只要粉碎壟面上的秧蔓，壟溝殘留的少量秧蔓不影響后續(xù)挖掘作業(yè)。刀片的排列密度一般取0.02～0.07片/mm，故刀片數(shù)量為12～42片[18]。

粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速是粉碎裝置設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一，為提高機(jī)器粉碎效果，刀軸反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)（即甩刀的旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向相反），該機(jī)作業(yè)時(shí)，為避免機(jī)具作業(yè)時(shí)出現(xiàn)推蔓現(xiàn)象，需要甩刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線[19]。對(duì)甩刀的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，建立以刀輥軸軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，垂直向下為y軸正方向的坐標(biāo)系，如圖4所示。取甩刀刀尖的任意一點(diǎn)P(x,y)，則P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

式中v為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；t為刀輥運(yùn)動(dòng)時(shí)間，t；R為甩刀的回轉(zhuǎn)半徑，m；ω為刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s，ωt為刀輥一定時(shí)間內(nèi)刀輥轉(zhuǎn)過角度，（°）。

對(duì)式（2）中時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)得：

式中vx為水平分速度，m·s–1；vy為垂直分速度，m·s–1。

圖4 甩刀運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Trajectory of flail knife

碎蔓機(jī)的作業(yè)質(zhì)量受甩刀的水平速度vx大小影響。為了確保作業(yè)質(zhì)量的絕對(duì)速度不能低于切蔓所需速度[20]，即：|vx|≤v

將以上所有公式代入得：

式中n為刀軸轉(zhuǎn)速，r/min；vc為切蔓所需速度，m/s。

穩(wěn)定工作狀態(tài)下，機(jī)具前進(jìn)速度v=0.78 m/s，切蔓所需速度vc=25 m/s，田間實(shí)際留茬高度h=0.15 m，甩刀最大回轉(zhuǎn)半徑R′=0.29 m。將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算得甘薯碎蔓刀輥的轉(zhuǎn)速不應(yīng)小于1 653 r/min。

2.2 刀座防磨損設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)方式一般將甩刀直接鉸接在刀座上，甩刀與銷軸之間的磨損較大，容易使銷軸表面磨合區(qū)域出現(xiàn)深淺不一的磨痕，且甩刀連接孔容易磨損變形，高速作業(yè)時(shí)甩刀易斷裂甩出，存在安全隱患。本設(shè)計(jì)改變傳統(tǒng)模式，如圖5所示，將固定套筒焊接在甩刀的底端，然后在甩刀底端的套筒上套上內(nèi)隔套，再將內(nèi)隔套套在銷軸上，最后將銷軸鉸接在刀座上，裝配后確保甩刀能夠繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)確保固定套筒的加工尺寸精度，防止由于尺寸誤差累計(jì)造成相鄰甩刀之間的干涉。本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的線接觸轉(zhuǎn)換為隔套與銷軸之間的面接觸，有效增加了接觸面積，降低了單位面積的接觸力，從而降低了高速旋轉(zhuǎn)時(shí)銷軸的磨損狀況，另一方面作業(yè)時(shí)可以通過改變固定套筒的長(zhǎng)度，能夠調(diào)節(jié)刀片間的間距。甩刀是主要作業(yè)部件，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與甘薯秧蔓、田間土壤和雜物接觸，有時(shí)甚至?xí)虻接餐翂K和石頭，產(chǎn)生很大的沖擊力，此設(shè)計(jì)能夠有效降低銷軸的磨損和斷裂，顯著提高銷軸的可靠性和安全性[21]。

圖5 甩刀連接方式Fig.5 Flail knife connection style

2.3 導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

步行式甘薯碎蔓還田機(jī)導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向輪支架、滾動(dòng)絲桿、固定支撐柱、手搖桿、導(dǎo)向輪等組成，如圖6所示。導(dǎo)向輪支架兩側(cè)通過螺栓固定在機(jī)架罩殼上，同時(shí)可以繞螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)手搖桿使?jié)L動(dòng)螺桿前進(jìn)或者后退調(diào)節(jié)刀輥離壟面的高度，可以實(shí)現(xiàn)刀輥離壟面在0～150 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)田間實(shí)際情況調(diào)整高度，如果壟較大較寬，出現(xiàn)切土或者切薯的時(shí)候應(yīng)該適當(dāng)提升高度，減少刀片切土和切薯；如果甩刀離甘薯秧蔓距離較大，作業(yè)效果較差可以適當(dāng)降低高度，提高作業(yè)質(zhì)量。另一方面導(dǎo)向輪支架可以降低機(jī)器作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)作業(yè)過程中導(dǎo)向輪在壟溝里行走具有導(dǎo)向和支撐作用[22]。

圖6 導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.6 Guide wheel mechanism

2.4 動(dòng)力選配和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步行式甘薯秧蔓粉碎還田機(jī)動(dòng)力的配置由機(jī)具作業(yè)幅寬、刀輥的轉(zhuǎn)速、整機(jī)質(zhì)量等決定。另一方面由于本機(jī)適用于丘陵山地，因此考慮以下因素：1）良好的通過性（指機(jī)器跨越障礙和壟溝的能力）；2）具有良好的操作性（田間轉(zhuǎn)彎半徑?。?；3）結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)質(zhì)量小，整機(jī)成本低（丘陵地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有限，農(nóng)民的購(gòu)買力較低）。此外，考慮到甘薯一般采用壟作種植，收獲期甘薯壟高一般200 mm左右，壟底寬一般在650 mm左右，壟距一般在900 mm左右，故選用的輪距要符合以上要求，過窄過寬都會(huì)容易傷壟和壓壟。根據(jù)以上要求結(jié)合目前市場(chǎng)情況，選用重慶華世丹1WG6.3-135FC-DL-X型機(jī)器底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和操作桿，將啟動(dòng)方式設(shè)計(jì)為電啟動(dòng)。該機(jī)器共有7個(gè)檔位，前進(jìn)擋5個(gè)，后退檔2個(gè)，其主要參數(shù)如表2所示，傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

表2 步行式甘薯碎蔓還田機(jī)動(dòng)力參數(shù)Table 2 Power parameters of walking sweet potato vines crushing machine

圖7 步行式甘薯碎蔓還田機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Transmission schematic of walking sweet potato vines crushing machine

步行式甘薯碎蔓機(jī)采用兩段V帶傳動(dòng)，刀輥軸的傳動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)力經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，經(jīng)過兩段帶輪增速傳遞到刀輥軸。如圖7所示。根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算公式：

式中i為刀輥軸裝置的總傳動(dòng)比。

所選發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min, 且刀輥軸轉(zhuǎn)速n≥1653 r/min，同時(shí)綜合考慮甘薯秧蔓粉碎和機(jī)器功率消耗等因素，選取帶輪的直徑代入式（6）中計(jì)算刀輥軸轉(zhuǎn)速。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所白馬試驗(yàn)基地，試驗(yàn)田無障礙物，土質(zhì)較黏重，土壤含水率為22.8%。試驗(yàn)甘薯地品種為江蘇省農(nóng)科院培育出的“寧紫2號(hào)”，試驗(yàn)地長(zhǎng)100 m，寬40 m，面積0.4 hm2。收獲期時(shí)，試驗(yàn)地甘薯種植株距為22.4 cm，壟距為90.3 cm，壟高為13.9 cm，壟頂寬27.9 cm，壟底寬65.4 cm。甘薯藤蔓平均直徑6.20 mm，平均長(zhǎng)度122.6 mm，含水率79.9%。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有步行式甘薯碎蔓還田機(jī)、水分測(cè)定儀、電子天平、皮尺、卷尺、轉(zhuǎn)速表、剪刀、工具包等。機(jī)具田間試驗(yàn)情況如圖8所示。

圖8 甘薯碎蔓還田機(jī)試驗(yàn)情況Fig.8 Experiment situation of sweet potato vines crushing machine

3.3 試驗(yàn)參數(shù)與方法

試驗(yàn)分別測(cè)定步行式甘薯粉碎還田機(jī)不同工作參數(shù)下秧蔓粉碎合格率Y1、壟頂留茬高度Y2、傷薯率Y3等參數(shù)作為碎蔓還田機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響甘薯碎蔓還田機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素很多，如田間狀況、刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距、機(jī)具前進(jìn)速度、刀片形狀等。在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距對(duì)作業(yè)指標(biāo)的影響較大，刀輥轉(zhuǎn)速太小粉碎合格率低，太大增大動(dòng)力消耗，根據(jù)刀輥設(shè)計(jì)計(jì)算取轉(zhuǎn)速1 700～2 100 r/min；離地間隙小作業(yè)效果好，但容易切薯、切土，離地間隙太大作業(yè)效果差，故離地間隙調(diào)節(jié)范圍10～40 mm；刀片間距應(yīng)適宜，太小容易造成壅土，太大作業(yè)效果差，故刀片間距范圍30～50 mm。本試驗(yàn)采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案[23-24]，對(duì)機(jī)器刀輥轉(zhuǎn)速X1、最短甩刀刀尖離地間隙X2、刀片間距X3開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素和水平Table 3 Factors and levels of test

目前中國(guó)還沒有針對(duì)甘薯碎蔓裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，依據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《秸稈粉碎還田機(jī)》（JB/T6678-2001）和河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《甘薯機(jī)械化起壟收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)程》（DB41/T 1010-2015）。壟面甘薯秧蔓粉碎長(zhǎng)度合格率測(cè)定：作業(yè)前在測(cè)區(qū)等距離測(cè)定三個(gè)區(qū)域，每區(qū)域以壟頂為中心，長(zhǎng)度100 mm，寬度600 mm，從薯塊頂部處留100 mm長(zhǎng)莖管茬外，將測(cè)區(qū)所有的蔓、莖、葉收集、測(cè)量其質(zhì)量（只計(jì)算有效作業(yè)幅寬內(nèi)壟面上秧蔓），平均值作為總質(zhì)量M1；作業(yè)后重新劃定3個(gè)區(qū)域，分別從中挑出粉碎長(zhǎng)度大于150 mm的不合格秧蔓，取其平均值M2作為不合格秧蔓的質(zhì)量。計(jì)算秧蔓粉碎合格率公式為：

式中Y1為秧蔓粉碎合格率，%；M1為作業(yè)前秧蔓總質(zhì)量平均值；M2為作業(yè)后不合格秧蔓總質(zhì)量平均值。壟頂留茬高度測(cè)定：作業(yè)后在測(cè)區(qū)隨機(jī)測(cè)定10個(gè)留茬的長(zhǎng)度，取平均值作為壟頂留茬長(zhǎng)度Y2。壟頂留茬平均高度計(jì)算公式：

式中Y2為壟頂留茬平均高度，mm；LN為測(cè)定株樹留茬長(zhǎng)度總和，mm；N為測(cè)定的株樹。傷薯率Y3的測(cè)定：碎蔓機(jī)作業(yè)后選定測(cè)區(qū)長(zhǎng)度20 m，挖出測(cè)區(qū)內(nèi)的總薯質(zhì)量為W0，碎蔓傷薯質(zhì)量為W1，傷薯率計(jì)算公式為：

式中Y3為傷薯率，%；W1為作業(yè)傷薯的質(zhì)量；W0為測(cè)區(qū)薯的總質(zhì)量。

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)三因素三水平分析試驗(yàn)[25-26]，試驗(yàn)方案包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括12個(gè)分析因子，5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，試驗(yàn)方案與響應(yīng)值見表4。

3.4.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert8.0.6.1軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)，建立粉碎合格率Y1、留茬高度Y2、傷薯率Y3對(duì)刀輥轉(zhuǎn)速X1、離地間隙X2、刀片間距X33個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（10）～式（12）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Table 4 Experiment design and response values

式中X1為刀輥轉(zhuǎn)速；X2為離地間隙；X3為刀片間距。

由表5可知，響應(yīng)面模型中的粉碎合格率Y1、留茬高度Y2、傷薯率Y3的響應(yīng)面模型的P值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項(xiàng)均大于0.05，表明回歸方程擬合度高；其決定系數(shù)R2值分別為0.979 5、0.959 4、0.983 2，表明這3個(gè)模型可以解釋95%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)[27]。因此，該模型可以優(yōu)化分析甘薯碎蔓還田機(jī)的參數(shù)。

粉碎合格率Y1模型中X1、X2、X12、X23四個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P<0.01），X1X2對(duì)模型影響顯著（P<0.05）；留茬高度Y2模型中X1、X2、X22、X32四個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P<0.01），X12對(duì)模型影響顯著（P<0.05）；傷薯率Y3模型中X1、X2、X3三個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P<0.01），X1X2、X2X3、X12、X22四個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響顯著（P<0.05）。在保證P<0.01、失擬項(xiàng)P>0.05的基礎(chǔ)上，剔除模型不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)模型Y1、Y2、Y3進(jìn)行優(yōu)化[28]，如式（13）～式（15）所示。

表5 回歸方程方差分析Table 5 Variance analysis of regression equation

3.4.3 各因素對(duì)性能影響效應(yīng)分析

各因素對(duì)模型的影響大小可通過貢獻(xiàn)率K值的大小來體現(xiàn)[29]，各因素對(duì)秧蔓粉碎合格率為：刀輥轉(zhuǎn)速X1>離地間隙X2>刀片間距X3；各因素對(duì)留茬高度貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋弘x地間隙X2>刀輥轉(zhuǎn)速X1>刀片間距X3；各因素對(duì)傷薯率貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋弘x地間隙X2>刀輥轉(zhuǎn)速X1>刀片間距X3。分析結(jié)果如表6所示。

表6 各因素貢獻(xiàn)率分析Table 6 Analysis of contribution rate for each factor

3.4.4 交互因素對(duì)性能影響規(guī)律分析

根據(jù)上述回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6.1繪制響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析刀輥轉(zhuǎn)速離地間隙刀片間距交互因素對(duì)響應(yīng)值的影響。

1）交互因素對(duì)秧蔓粉碎合格率的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對(duì)粉碎合格率影響的響應(yīng)面曲線圖見圖9a～9c。圖9a為刀片間距于中心水平（40 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對(duì)秧蔓粉碎合格率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9a可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙有助于提高秧蔓粉碎合格率；圖9b為離地間隙位于中心水平（25 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對(duì)秧蔓粉碎合格率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9b可以看出，在同一刀輥轉(zhuǎn)速下秧蔓粉碎合格率隨著刀片間距的增大先增大后減小，同一刀片間距下秧蔓粉碎合格率隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而增大；圖9c為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r·min–1）時(shí)，離地間隙與刀片間距對(duì)秧蔓粉碎合格率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9c可以看出，在同一刀片間距下秧蔓粉碎合格率隨著離地間隙的減小而增大，在同一離地間隙下秧蔓粉碎合格率隨著刀片間距先增大后減小。

此外從各因素對(duì)粉碎合格率影響的響應(yīng)圖中（圖9a～9c）可以得知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（13）一致，總體影響趨勢(shì)為刀輥轉(zhuǎn)速越高、離地間隙越小、刀片間距適中，則秧蔓粉碎合格率越高。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大，甩刀線速度增大、單位時(shí)間內(nèi)秧蔓被打擊的次數(shù)增多，秧蔓粉碎合格率增大；當(dāng)離地間隙減小時(shí)，秧蔓被打擊面積增大，粉碎合格率增大；刀片間距應(yīng)適中，太小容易造成刀輥壅堵，太大秧蔓粉碎長(zhǎng)度太長(zhǎng)。

2）交互因素對(duì)留茬高度的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對(duì)留薦渡影響的響應(yīng)面曲線圖見圖9d～9f。圖9d為刀片間距位于中心水平（40 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對(duì)留茬高度交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9d可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙有助于降低留茬高度；圖9e為離地間隙位于中心水平（25 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對(duì)留茬高度交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9e可以看出，在同一刀輥轉(zhuǎn)速下留茬高度隨著刀片間距的增大先減小后增大，同一刀片間距下留茬高度隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大而減?。粓D9f為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r·min–1）時(shí)，離地間隙與刀片間距對(duì)留茬高度交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9f可以看出，在同一刀片間距下留茬高度隨著離地間隙的減小而減小，在同一離地間隙下留茬高度隨著刀片間距先減小后增大。

此外從各因素對(duì)留薦渡影響的響應(yīng)圖中（圖9d～9f）可以得知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（14）一致，總體影響趨勢(shì)為刀輥轉(zhuǎn)速越高、離地間隙越小、刀片間距適中，則留茬高度越小。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大，甩刀線速度增大所切秧蔓的長(zhǎng)度越??；當(dāng)離地間隙越小，秧蔓打擊面積越大，留茬高度越小；刀片間距應(yīng)適中，太小容易造成刀輥壅堵，容易漏切，太大則留茬長(zhǎng)度長(zhǎng)。

3）交互因素對(duì)傷薯率的影響規(guī)律分析

刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、刀片間距交互因素對(duì)傷薯率影響的響應(yīng)面曲線圖見圖9g～9i。圖9g為刀片間距位于中心水平（40 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與離地間隙對(duì)傷薯率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9g可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和降低離地間隙傷薯率增大；圖9h為離地間隙位于中心水平（25 mm）時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速與刀片間距對(duì)傷薯率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9h可以看出，增大刀輥轉(zhuǎn)速和減小刀片間距傷薯率增大；圖9i為刀輥轉(zhuǎn)速位于中心水平（1 900 r/min）時(shí)，離地間隙與刀片間距對(duì)傷薯率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖9i可以看出，減小離地間隙和刀片間距傷薯率增大。

圖9 交互因素對(duì)粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響Fig.9 Effects of interactive factors on vines breaking qualified rate, stubble height and sweet potato damage rate

此外，從各因素對(duì)傷薯率影響的響應(yīng)圖中（圖9g～9i）可以得知，響應(yīng)面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結(jié)果（表5）及模型（15）一致，總體影響趨勢(shì)為刀輥轉(zhuǎn)速越低、離地間隙越大、刀片間距大，則傷薯率小。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速增大、離地間隙小和刀片間距減小時(shí)，甩刀線速度增大切土可能性增大，傷薯率增大。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使甘薯碎蔓機(jī)的作業(yè)性能達(dá)到最佳，因此必須要求秧蔓粉碎合格率高、留茬高度小、傷薯率低，根據(jù)交互因素對(duì)秧蔓粉碎合格率、留茬高度、傷薯率影響效應(yīng)分析可知：要獲得較高的秧蔓粉碎合格率，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速大、離地間隙小、刀片間距適中；要獲得留茬高度小，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速大、離地間隙小、刀片間距適中；要想獲得較低的傷薯率，就必須要求刀輥轉(zhuǎn)速小、離地間隙大、刀片間距大。為了尋求最佳參數(shù)組合，考慮各因素對(duì)響應(yīng)值的影響不盡相同，因此，必須進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

本研究針對(duì)甘薯碎蔓還田機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化，要求滿足秧蔓粉碎合格率高、留茬高度小、傷薯率低的作業(yè)要求。根據(jù)甘薯碎蔓還田機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)性能要求和上述相關(guān)模型分析結(jié)果[30]，選擇優(yōu)化約束條件為：

為了得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)，采用Design-Expert軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為1 956.46 r/min、離地間隙為25.70 mm、刀片間距為42.74 mm時(shí)，此時(shí)秧蔓粉碎合格率為93.85%、留茬高度為45.44 mm、傷薯率為0.24%。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所白馬試驗(yàn)基地甘薯地進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性和測(cè)量的便利性，對(duì)理論值進(jìn)行圓整，將刀輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 優(yōu)化條件下各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值Table 7 Measured value of evaluation indicesat optimal condition

通過分析表7結(jié)果可知，各響應(yīng)值試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值均比較吻合，試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值相對(duì)誤差均小于5%，因此，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。在碎蔓作業(yè)時(shí)，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm，此時(shí)秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為47.08 mm、傷薯率為0.23%，機(jī)具田間作業(yè)效果如圖10所示。

圖10 作業(yè)前后秧蔓粉碎效果對(duì)比Fig.10 Comparison of vines crushing effect before and after operation

5 討 論

1）該試驗(yàn)對(duì)甘薯碎蔓還田機(jī)的工作參數(shù)開展多因素分析，研究各因素對(duì)粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響。由于本試驗(yàn)僅考慮了刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙和刀片間距等參數(shù)，對(duì)土壤含水率、機(jī)器前進(jìn)速度、刀片結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)未開展全面試驗(yàn)，因此后續(xù)研究中綜合考慮以上因素；

2）步行式甘薯碎蔓還田機(jī)雖然作業(yè)效果較好，作業(yè)后粉碎合格率、留茬高度、傷薯率等指標(biāo)較為理想，但是作業(yè)效率和作業(yè)幅寬等指標(biāo)較低，后續(xù)機(jī)具研發(fā)中建議提升作業(yè)效率。

6 結(jié) 論

1）采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法對(duì)刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙和刀片間距對(duì)秧蔓粉碎合格率、留茬高度和傷薯率的影響趨勢(shì)并建立優(yōu)化模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型和優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差均小于5%，表明模型可靠性較高。

2）各因素對(duì)粉碎合格率影響顯著順序?yàn)榈遁佫D(zhuǎn)速＞離地間隙＞刀片間距；各因素對(duì)留茬高度影響顯著順序?yàn)殡x地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距；各因素對(duì)傷薯率影響顯著順序?yàn)殡x地間隙＞刀輥轉(zhuǎn)速＞刀片間距。

3）步行式甘薯碎蔓還田機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合刀輥轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、離地間隙為25 mm、刀片間距為40 mm時(shí)，此時(shí)秧蔓粉碎合格率為94.88%、留茬高度為47.08 mm、傷薯率為0.23%。

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Design and test of walking sweet potato (Ipomoea batatas) vines crushing and returning machine

Wu Teng, Hu Lianglong※, Wang Gongpu, Hu Zhichao, Yan Wei, Wang Bing
(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Sweet potato is an important food crop and can also be used as raw material for foodstuffs, animal feed and raw materials for renewable energy. Furthermore, research shows that it has anti-cancer effects. As sweet potato vines are long and difficult to be separated. The vines cleaned up before sweet potatoes harvest has a great role in promoting to improve the quality of sweet potato and the sweet potato harvest efficiency. In order to alleviate the shortage of sweet potato vines crushing machine in the hilly areas of China, the walking sweet potato vines crushing machine was designed in this paper. Based on the analysis of the whole structure, we expatiated on the working principle of the sweet potato crushing machine, and analyzed the structure of key components such as crushed parts, anti-wear technology, ground lifting mechanism and transmission mechanism. Before the machine started to work, the ground clearance needed to be adjusted based on the width and height of the ridge. The high ground clearance leaded to the long stubble height and poor operating effect, but the low ground clearance leaded to damage the sweet potato and increase power consumption. Sweet potato vines breaking qualified rate, stubble height and damaging rate were the main indicators of evaluating sweet potato vines crushing machine. The Box-Benhnken central composite experimental design principle was used on the basis of single factor experiment to study the working parameters of walking sweet potato vines crushing machine. The cutter roller speed, the ground clearance and the distance between blades were taken as three factors which influenced the working quality, and a three-factor and three-level response surface experiment was conducted. The mathematical model of the response surface was established, and the influence of each factor on the machine quality of the operation was analyzed and optimized. The result showed that when the roller rotation speed was high, the ground clearance was small and there was a moderate distance between blades. As such, the overall impact trend of the vines breaking quality rate was high and the stubble heights was low. When the roller rotation speed was small, the ground clearance was high and there was a moderate distance between blades, and the overall impact trend of the rate of the damage was small. The experiment results also showed that the order of the factors affecting of the vines breaking quality rate was: roller rotation speed >ground clearance >distance between blades The order of the main factors affecting of the stubble heights was: ground clearance >roller rotation speed >distance between blades The order of the main factors affecting of the rate of the damage was: ground clearance >roller rotation speed >distance between blades. In 2016, a three-time repeated test for verifying the exactness of the model was conducted on the Nanjing Research Institute for Agricultural Me chanization Ministry of Agriculture of Baima testing site. The field test showed that the optimum parameters were: 1950 r/minfor the rotation speed, 25 mm for the ground clearance and 40 mm for the distance between blades, 94.88% for the rate of vines breaking qualified rate, 47.08 mm for the stubble heights, and 0.23% for the rate of damage. By comparing the mathematical model and the experimental result, the error was less than 5%, which meant that the model established was reliable and could be used for optimization. The results can provide a reference for the structural design and optimization of the operating parameters of the walking sweet potato vines crushing machine.

agricultural machinery; optimization; design; sweet potato vines crushing machine; response surface methodology

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.002

S225

A

1002-6819(2017)-16-0008-10

吳 騰，胡良龍，王公仆，胡志超，嚴(yán) 偉，王 冰. 步行式甘薯碎蔓還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：8-17.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.002 http://www.tcsae.org

Wu Teng, Hu Lianglong, Wang Gongpu, Hu Zhichao, Yan Wei, Wang Bing. Design and test of walking sweet potato (Ipomoea batatas) vines crushing and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 8-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.002 http://www.tcsae.org

2017-04-13

2017-07-22

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CSRS-11-B-16）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0701604）

吳 騰，男（漢），安徽桐城人，主要從事農(nóng)機(jī)化裝備研發(fā)。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，210014。Email：308773661@qq.com

※通信作者：胡良龍，男（漢），安徽貴池人，研究員，主要從事土下果實(shí)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，210014。Email：hurxbb@163.com