陳 勇，周福君,2，孫永利，李天宇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省普通高等學校北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引言

玉米秸稈中含有大量有機質(zhì)，還田作業(yè)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，提高土壤保水、保肥能力，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，是一項重要的生物養(yǎng)地培肥地力的措施[1]，國內(nèi)學者針對秸稈還田技術(shù)進行了眾多研究探討。目前，市場上秸稈粉碎還田主要分為兩種：①配套拖拉機使用的秸稈粉碎還田機[2]；②配套聯(lián)合收獲機使用的秸稈粉碎還田裝置，是國內(nèi)研發(fā)熱點之一[3]。

黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制的4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機，在玉米收獲時期可以直接實現(xiàn)玉米籽粒收獲與秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)，減少了機具投入，為免耕播種創(chuàng)造作業(yè)條件，實現(xiàn)了對土壤的保護[4]。國內(nèi)現(xiàn)有與聯(lián)合收獲機配套使用的秸稈粉碎裝置，多數(shù)通過與聯(lián)合收獲機排草口相連接，從而對收獲機排草口排出的秸稈進行粉碎拋撒，但存在易堵塞、粉碎效果差、功率消耗較高及拋撒不均勻等問題[5-6]。

本文以提高粉碎效果、拋撒均勻度、減少功率消耗為目標，設計了玉米秸稈粉碎拋撒裝置，并對該裝置進行了參數(shù)優(yōu)化與田間試驗，得出較優(yōu)參數(shù)組合，以期提高裝置工作用性能。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置組成

玉米秸稈粉碎拋撒裝置主要工作部件按機組縱向?qū)ΨQ線左右布置分布，主要由皮帶輪、刀輥轉(zhuǎn)子、直線型動刀、U型動刀、調(diào)心軸承、定刀組、定刀調(diào)節(jié)把手、物料擋板、分流板、擋板懸掛臂、電動推桿、連接滑道及外殼體等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

該裝置通過連接滑道與玉米籽粒聯(lián)合收獲機尾部連接(見圖2)，輸入皮帶輪外側(cè)裝有電磁離合器，電磁離合器與粉碎裝置輸入軸通過鍵連接，皮帶輪與輸入軸可以相對轉(zhuǎn)動。工作時，電動推桿退回工作位置，使粉碎裝置入料口與收獲機排草口相接合，啟動電磁離合器來吸附皮帶輪，使得皮帶輪與動力輸入軸間接形成鍵連接，收獲機輸出軸通過帶傳動方式將動力傳給粉碎裝置輸入軸，從而驅(qū)動刀輥轉(zhuǎn)動。工作室底端安裝定刀片，與動刀片交錯布置。工作中，秸稈及其雜余物從排草口進入粉碎室，經(jīng)動刀砍切作用與動定刀交錯剪切作用實現(xiàn)粉碎，在動刀高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流作用下，經(jīng)由排料口排出，通過分流板分流作用均勻拋撒至田間。當無需粉碎拋撒情況下，通過電動推桿將裝置推起，使得皮帶松弛，關(guān)閉電磁離合器，皮帶輪與動力輸入軸重新具有相對轉(zhuǎn)動，粉碎裝置停止工作。

(a) 玉米秸稈粉碎拋撒裝置側(cè)視圖

(b) 玉米秸稈粉碎拋撒裝置主視圖

圖2 玉米秸稈粉碎拋撒機構(gòu)實物圖

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為當年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經(jīng)過人工處理成500mm左右的長度，平均含水率為27%。

2.2 試驗臺和儀器

試驗臺結(jié)構(gòu)主要由裝置安裝架、電機安裝架、輸送帶及測試裝置組成，如圖3所示。調(diào)速電機與測試裝置安裝在電機安裝架上，通過帶傳動方式驅(qū)動刀輥轉(zhuǎn)子運行；動刀線速度通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)；輸送帶用來實現(xiàn)秸稈的喂入過程。

1.輸送帶 2.電機安裝架 3.轉(zhuǎn)速扭矩傳感器 4.變頻調(diào)速電機 5.裝置安裝架 6.玉米秸稈粉碎拋撒裝置

主要測試儀器和設備有：HX-901-200Nm型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器(測量精度0.1級)、三項顯示儀表、M400實時數(shù)據(jù)采集管理軟件、YP-50-11-4型變頻調(diào)速電機、E-800-11-4型變頻器、電子秤(測量精度0.01級)及鋼板尺。

2.3 試驗方法

玉米秸稈粉碎拋撒裝置以實際工作角度安裝到裝置安裝架后，稱取8kg玉米秸稈均勻撒布于輸送帶上，通過控制輸送帶速度使喂入量保持在2kg/s，待粉碎轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定后，啟動輸送帶將秸稈喂入裝置中進行粉碎拋撒試驗[7]，如圖4所示。

2.3.1 試驗設計

為了提高玉米秸稈粉碎拋撒裝置的秸稈粉碎合格率、減少功率消耗，根據(jù)現(xiàn)階段國內(nèi)外秸稈粉碎還田機工作參數(shù)，選取因素水平范圍[8-11]。以粉碎長度合格率與功率作為評價指標，以動刀線速度、動刀片厚度、動定刀重疊量作為影響因素。采用中心復合表面組合試驗[12]，各因素水平編碼值和實際值的關(guān)系如表1所示，每組試驗重復3次取平均值，在P=0.1水平進行F檢驗。

圖4 玉米秸稈粉碎拋撒試驗

水平因素動刀線速度/m·s-1刀片厚度/mm動定刀重疊量/mm156630046.5520-137410

2.3.2 秸稈粉碎長度合格率與功率的測定

對于玉米、高粱等作物秸稈粉碎合格長度不大于100mm視為合格[13]。粉碎長度合格率計算公式為

(1)

其中，F(xiàn)h為粉碎長度合格率(%)；Mz為粉碎秸稈總質(zhì)量(g)；Mb為不合格秸稈質(zhì)量(g)。

功率消耗由HX-901-200Nm型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器直接測出，并由三項顯示儀表與數(shù)字變送器采集，通過電腦進行存儲顯示。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Design-expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸分析和利用響應面分析法對兩因素間交互效應進行分析。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表2所示。

3.1 回歸模型的建立與檢驗

3.1.1 粉碎長度合格率回歸方程

(2)

表2 試驗方案及結(jié)果

續(xù)表2

表3 粉碎長度合格率回歸模型方差分析

*較顯著(0.05

3.1.2 粉碎長度合格率回歸方程

方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知：在此模型中，X1、X2、X12對方程影響極顯著，X1X2影響顯著，X3影響較顯著。經(jīng)過顯著性檢驗，該模型的F值為1 100.8，p<0.01，說明該模型極顯著。而失擬項的F檢驗結(jié)果不顯著(p=0.403 1>0.1)，說明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，擬合度較好。將不顯著項剔除后得到回歸方程為

(3)

表4 功率消耗回歸模型方差分析

3.2 各因素對性能指標影響規(guī)律分析

3.2.1 交互因素對粉碎長度合格率的影響

由圖5(a)可知：在同一動定刀重疊量水平下、在動刀線速度水平范圍內(nèi)，動刀線速度與粉碎長度合格率關(guān)系為隨著動刀線速度增加，粉碎長度合格率先增加后平穩(wěn)且具有下降趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能原因：由于動刀線速度小于一定值時，動刀偏轉(zhuǎn)角隨著動刀線速增加而減小，粉碎長度合格率相應增加[14]；當動刀線速度過快時，動刀偏轉(zhuǎn)角不是主要影響因素，刀輥高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流過大，機具運行不穩(wěn)定，少量輕質(zhì)秸稈沒有受到動定刀充分剪切作用，僅由動刀單獨沖擊即被排出，導致粉碎長度合格率變化平穩(wěn)且具有下降趨勢；在刀片厚度水平范圍內(nèi)，粉碎長度合格率隨著刀片厚度增加大體呈增加趨勢，主要由于刀片質(zhì)量增加，動刀偏轉(zhuǎn)角減小且刀輥運轉(zhuǎn)時動量增大，使得粉碎過程沖擊力變大，對秸稈粉碎具有一定提升效果。動刀線速度在46.5m/s左右、刀片厚度在6mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：動刀線速度對粉碎長度合格率作用的F值為1 349.13，刀片厚度對粉碎長度合格率作用的F值為3.87，因此動刀線速度對粉碎長度合格率的影響大于刀片厚度對粉碎長度合格率的影響。

由圖5(b)可知：在同一刀片厚度水平下，在動刀線速度水平范圍內(nèi)，動刀線速度與粉碎長度合格率關(guān)系為隨著動刀線速度增加，粉碎長度合格率先增加后平穩(wěn)且具有下降趨勢；在動定刀重疊量水平范圍內(nèi)，粉碎長度合格率隨著動定刀重疊量增加顯著增加，主要由于動定刀重疊量越大，位于動定刀間的秸稈就越多，秸稈被粉碎的幾率也就越大。動刀速度46.5m/s左右，動定刀重疊量在30mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：動刀線速度對粉碎長度合格率作用的F值為1 349.13，動定刀重疊量對粉碎長度合格率作用的F值為365.02，因此動刀線速度對粉碎長度合格率的影響大于動定刀重疊量對粉碎長度合格率的影響。

由圖5(c)可知：在同一動刀線速度水平下，在刀片厚度水平范圍內(nèi)，刀片厚度與粉碎長度合格率大致呈正相關(guān)關(guān)系；在動定刀重疊量水平范圍內(nèi)，動定刀重疊量與粉碎長度合格率呈正相關(guān)關(guān)系；動定刀重疊量在30mm，刀片厚度在6mm時，粉碎長度合格率存在最大值。由表3可知：刀片厚度對粉碎長度合格率作用的F值為3.87，動定刀重疊量對粉碎長度合格率作用的F值為365.02，因此刀片厚度對粉碎長度合格率的影響小于動定刀重疊量對粉碎長度合格率的影響。

3.2.2 交互因素對功率消耗的影響

由圖6(a)可知：在同一動定刀重疊量水平下，在動刀線速度水平范圍內(nèi)，功率消耗隨著動刀線速度增大顯著增加且增加速率逐漸提高。這主要是由于刀輥運行平穩(wěn)性隨著動刀線速度增加開始變差，轉(zhuǎn)矩急劇變大，因而功率消耗增加速率變大。在刀片厚度水平范圍內(nèi)，功率消耗隨著刀片厚度增加而增加，主要由于刀片質(zhì)量增加，刀輥運行負載相應加大，進而功率消耗增加。由表4可知：動刀線速度對功率消耗作用的F值為9 727.92，刀片厚度對功率消耗作用的F值為55.77，因此動刀線速度對功率消耗的影響大于刀片厚度對功率消耗的影響。

由圖6(b)可知：在同一刀片厚度水平下，在動刀線速度水平范圍內(nèi)，動刀線速度增大功率消耗顯著增大；在動定刀重疊量水平范圍內(nèi)，動定刀重疊量增加，功率消耗具有增大趨勢。這主要是由于提高秸稈粉碎質(zhì)量的同時也使得秸稈在粉碎室里的運行阻力增大，運行平穩(wěn)性降低，刀輥運行轉(zhuǎn)矩加大，功率消耗增加。由表4可知：動刀線速度對功率消耗作用的F值為9 727.92，動定刀重疊量對功率消耗作用的F值為3.25，因此動刀線速度對功率消耗的影響大于動定刀重疊量對功率消耗的影響。

由圖6(c)可知：在同一動刀線速度水平下，在刀片厚度水平范圍內(nèi)，刀片厚度與功率消耗呈正相關(guān)關(guān)系；在動定刀重疊量水平范圍內(nèi)，動定刀重疊量增加功率消耗具有增大趨勢。由表4可知：刀片厚度對功率消耗作用的F值為55.77，動定刀重疊量對功率消耗作用的F值為3.25，因此刀片厚度對功率消耗的影響大于動定刀重疊量對功率消耗的影響。

動定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

動刀線速度為46.5m/s

動定刀重疊量為20mm

刀片厚度為5mm

3.3 優(yōu)化分析

非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ能很好地解決多目標優(yōu)化問題[15]，而玉米秸稈粉碎拋撒機構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化屬于多目標優(yōu)化問題。為此，借助非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ完成機構(gòu)工作參數(shù)的優(yōu)化，確定試驗水平范圍，以動刀線速、刀片厚度、動定刀重疊量為設計變量，以粉碎長度合格率、功率消耗為目標函數(shù)，進行多目標優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果為一組Pareto最優(yōu)解。該研究的多目標優(yōu)化的目的是得到一組粉碎長度合格率高且大于85%(國家規(guī)定合格標準)、功率消耗低的玉米秸稈粉碎拋撒機構(gòu)的解。

同時，多目標優(yōu)化算法的理論基礎是求解最小值，取粉碎長度合格率回歸方程的倒數(shù)進行求解，即

(4)

其中，Y1為粉碎長度合格率回歸方程倒數(shù)(1/%)；Y2為功率消耗回歸方程(kW)。

根據(jù)編碼水平確定各因素的上下限,有

(5)

優(yōu)化結(jié)果為29個Pareto最優(yōu)解，如圖7所示。

3.4 試驗驗證

采用較優(yōu)參數(shù)組合(動刀線速度47.61m/s、刀片厚度5.8mm，動定刀重疊量30mm，進行3次重復試驗，結(jié)果表明：平均粉碎長度合格率為86.55%，功率消耗為6.4kW，與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差分別為1.35%、2.97%，表明優(yōu)化結(jié)果可信。

Y1.粉碎長度合格率回歸方程的倒數(shù)(1/%)

4 田間試驗

4.1 試驗條件

由于試驗臺試驗的局限性，無法測試玉米秸稈粉碎拋撒裝置工作時的拋撒不均勻度，為進一步測試該裝置的工作性能，選取較優(yōu)工作參數(shù)組合后，于2016年11月13日在黑龍江省綏化市蘭西縣對樣機進行了田間試驗(見圖8)，試驗對象為當年自然成熟的玉米秸稈，玉米品種為龍玉919，經(jīng)測定秸稈含水率約為26%，4YZ-8型玉米籽粒收獲機前進速度為8km/h。

圖8 田間測試

4.2 指標測試方法

粉碎長度合格率與拋撒不均勻度是秸稈粉碎還田機械工作質(zhì)量的重要評定指標，測定過程中，每個行程在測定區(qū)域長度方向上等間距測定3點，每點隨機測定1m2面積，撿拾所有秸稈稱重；從中挑出粉碎長度不合格的秸稈稱重，共測定兩個行程。計算每點秸稈粉碎長度合格率和工況平均值[13]，計算公式為

(6)

其中，F(xiàn)h為粉碎長度合格率(%)；Mzi為每個測試點秸稈質(zhì)量(g)；Mbi為每個測試點中粉碎長度不符合規(guī)定要求的秸稈質(zhì)量(g)。

秸稈拋撒不均勻度的測定與秸稈粉碎長度合格率同時進行[13]，秸稈拋撒不均勻度計算公式為

(7)

其中，M為測定區(qū)內(nèi)各點秸稈平均質(zhì)量(g)；Fb為秸稈拋撒不均勻度(%)。

4.3 測定結(jié)果

經(jīng)過田間試驗計算得出粉碎長度合格率為85.39%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，均符合國家標準。粉碎長度合格率田間測定值與優(yōu)化結(jié)果相對誤差為2.73%。

5 結(jié)論

1)設計了4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機秸稈粉碎拋撒裝置，經(jīng)過工作參數(shù)優(yōu)化后具有符合國家要求的秸稈粉碎與拋撒效果，降低了功率消耗。

2)采用中心復合表面組合設計方法對粉碎拋撒裝置進行了試驗分析，并對試驗結(jié)果進行方差分析與響應曲面分析，各因素影響粉碎長度合格率的主次順序為：動刀線速度、動定刀重疊量、刀片厚度；各因素影響功率消耗的主次主次順序為：動刀線速度、刀片厚度、動定刀重疊量。

3)利用遺傳算法NSGA-Ⅱ進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，以粉碎長度合格率、功率消耗為評價指標，得出玉米秸稈粉碎拋撒機構(gòu)的最優(yōu)工作參數(shù)：動刀線速度為47.61m/s、刀片厚度為5.8mm、動定刀重疊量30mm，該組合對應的粉碎長度合格率為87.72%，功率消耗為6.21kW。

4)對玉米秸稈粉碎拋撒機構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)驗證，結(jié)果表明：平均粉碎長度合格率為86.55%，平均功率消耗為6.4kW，與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差為1.4%、3.0%，優(yōu)化結(jié)果可信。

5)通過田間生產(chǎn)試驗，測定粉碎長度合格率為85.39%，與優(yōu)化結(jié)果相對誤差為2.73%，秸稈拋撒不均勻度為16.30%，符合國家規(guī)定指標。

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