侯守印 陳海濤 鄒 震 史乃煜

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)采用秸稈側(cè)向拋出的方式，一次進(jìn)地可有效完成原茬地種床整備、精量播種、側(cè)深施肥、覆土鎮(zhèn)壓、化控防除和秸稈均勻覆蓋等作業(yè)環(huán)節(jié)。播種作業(yè)時(shí)，原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)側(cè)向清秸裝置的主要作用是種床整備和秸稈均勻覆蓋，在其工作過程中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋分布刀齒交變沖擊，對(duì)秸稈、根茬及土垡進(jìn)行切削、輸送和拋扔等作業(yè)[1]。側(cè)向滑切清秸刀齒是側(cè)向清秸裝置關(guān)鍵零部件，由于刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及交變沖擊載荷作用，導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)過程中存在刀軸秸稈纏繞、整機(jī)振動(dòng)加劇和功率消耗大等問題，影響機(jī)具的舒適性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，制約了作業(yè)質(zhì)量與效率的進(jìn)一步提高。

頓國強(qiáng)等[2]針對(duì)刀齒排布旋向，對(duì)清秸覆秸裝置作業(yè)性能進(jìn)行了理論分析與參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究。陳海濤等[3]對(duì)2BMFJ系列免耕精量播種機(jī)清秸覆秸裝置刀齒排布和刀齒數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，得到影響工作性能的最優(yōu)參數(shù)組合。吳廣偉等[4]應(yīng)用正交試驗(yàn)方法，以刀齒入土深度和機(jī)具作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，對(duì)2BMFJ-3型免耕覆秸精量播種機(jī)功耗與油耗特性進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。王漢羊等[5]以刀齒排布、刀軸角速度、機(jī)具作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，對(duì)2BMFJ-3型麥茬地免耕防堵裝置土壤擾動(dòng)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究。分析可知，目前研究主要集中于工藝參數(shù)組合試驗(yàn)，原側(cè)向清秸刀齒為直齒與直徑200 mm圓弧齒組合，其對(duì)秸稈、根茬及土壤為打擊式接觸，容易造成刀軸秸稈纏繞、整機(jī)振動(dòng)加劇和功率消耗增大，導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)質(zhì)量降低，甚至無法正常工作。需設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)滑切連帶功能的側(cè)向滑切清秸刀齒，以實(shí)現(xiàn)秸稈的側(cè)向移位和均勻拋撒，同時(shí)防止秸稈纏繞及降低機(jī)具振動(dòng)和功率消耗。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文通過理論分析對(duì)刀齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定影響機(jī)具作業(yè)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定側(cè)向滑切清秸刀齒結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最優(yōu)組合。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 側(cè)向清秸裝置結(jié)構(gòu)

裝置主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、刀軸、擋秸板、地輪等主要部件構(gòu)成，如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)為：作業(yè)幅寬1 300 mm，刀軸間距650 mm，刀齒間距90 mm，刀齒入土深度50 mm。

圖1 側(cè)向清秸裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of side-direction straw-cleaning device1.傳動(dòng)系統(tǒng) 2.機(jī)架 3.刀軸 4.擋秸板 5.地輪 6.刀齒

1.2 工作原理

圖2 側(cè)向清秸裝置作業(yè)原理圖Fig.2 Operating principle of side-direction straw-cleaning device

應(yīng)用SolidWorks軟件Motion模塊對(duì)裝置工作原理進(jìn)行仿真，如圖2所示。側(cè)向清秸裝置通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)縱向浮動(dòng)連接，機(jī)組作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)提供前進(jìn)牽引力和刀軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。刀軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由動(dòng)力輸出軸經(jīng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后獲得，同時(shí)，刀軸旋轉(zhuǎn)面與機(jī)組前進(jìn)方向垂直，刀軸上固裝的側(cè)向滑切清秸刀齒與刀軸回轉(zhuǎn)面呈15°夾角，回轉(zhuǎn)刀齒對(duì)播種帶內(nèi)的作物殘茬進(jìn)行切削、輸送、拋扔等作業(yè)，擋秸板對(duì)刀軸拋扔的秸稈、殘茬進(jìn)行梳理后均勻覆蓋在已耕地表面，完成清秸覆秸作業(yè)。

2 刀齒設(shè)計(jì)

2.1 刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀齒結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括刀軸、刀座、刀齒和鎖緊螺栓等部件。

圖3 刀齒結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)Fig.3 Side-direction straw-cleaning blade structure and key design dimensions1.刀軸 2.刀座 3.刀齒 4.刀刃 5.鎖緊螺栓

刀齒旋轉(zhuǎn)過程中與秸稈、根茬和土壤交變接觸，為了保證秸稈及根茬被側(cè)向清除并不出現(xiàn)堵塞，對(duì)秸稈拋出條件進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 秸稈受力及運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Analysis of straw force and movement

選取XOY坐標(biāo)系為定坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于刀軸中心，不隨刀軸旋轉(zhuǎn)，xOy動(dòng)坐標(biāo)系設(shè)置于刀齒側(cè)面，坐標(biāo)原點(diǎn)與刀軸中心重合，隨刀軸一起運(yùn)動(dòng)。秸稈相對(duì)刀齒滑切面運(yùn)動(dòng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀軸旋轉(zhuǎn)為牽連運(yùn)動(dòng)，通過秸稈受力分析可知，其被拋出的條件為在刀齒曲面切線方向分力大于秸稈與齒面之間摩擦力。秸稈拋出條件為

(1)

式中α——離心力與垂直方向夾角，rad

m——秸稈質(zhì)量，kg

δ——離心力與刀齒曲面切線夾角，rad

F——離心力，N

N——正壓力，N

f——摩擦力，N

ρ——滑切半徑，mm

ω——刀軸角速度，rad/s

μ——摩擦因數(shù)

其中，秸稈離心力隨著回轉(zhuǎn)半徑和刀齒脫離土壤后角速度增加而增大，離心力與滑切面切線夾角隨回轉(zhuǎn)半徑增大而減小，回轉(zhuǎn)半徑與x軸夾角、滑切面工作曲線形式及材料屬性有關(guān)，由式(1)可得秸稈被拋出的極限條件為

(2)

由圖4可知，秸稈被拋出后處于均勻重力場中運(yùn)動(dòng)，在不考慮風(fēng)阻的條件下可得其拋扔運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(3)

式中x0——秸稈拋出時(shí)水平距離，mm

t——秸稈拋出后在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

y0——秸稈拋出時(shí)垂直距離，mm

由運(yùn)動(dòng)軌跡方程可得秸稈水平拋出距離為

(4)

由式(2)和式(4)可知，秸稈拋出條件與拋撒距離與刀軸角速度、滑切半徑、夾角α等因素相關(guān)，根據(jù)秸稈拋扔極限設(shè)計(jì)距離要求，代入式(2)和式(4)得秸稈拋出時(shí)滑切半徑大于200 mm，由于滑切半徑越小，秸稈與刀齒滑切面接觸概率越高，可有效防止刀軸秸稈纏繞，故初步設(shè)計(jì)刀齒具有滑切性能初始半徑為200 mm，根據(jù)秸稈留茬高度及秸稈覆蓋量，設(shè)計(jì)刀齒旋轉(zhuǎn)半徑R為370 mm。

側(cè)向滑切清秸刀齒起到剖切玉米根茬、松土作用，為后續(xù)清茬刀齒挖茬創(chuàng)造條件。對(duì)玉米根茬切茬的效果可用垂直于機(jī)具前進(jìn)方向平面內(nèi)刀齒切茬節(jié)距和切土橫截面積表示。刀齒回轉(zhuǎn)半徑速度在機(jī)具前進(jìn)方向和刀軸旋轉(zhuǎn)方向分速度為

(5)

式中R——刀齒回轉(zhuǎn)半徑，mm

β——刀軸與回轉(zhuǎn)平面前進(jìn)方向夾角，rad

vm——機(jī)具作業(yè)速度，m/s

由式(5)可得回轉(zhuǎn)半徑線速度與機(jī)具作業(yè)速度方向夾角為

(6)

由式(6)可得刀軸上圓周均布4排刀齒時(shí)單排刀齒切茬節(jié)距為

(7)

由式(7)可知，刀齒切茬節(jié)距與機(jī)具作業(yè)速度、刀軸角速度、回轉(zhuǎn)半徑、刀軸與回轉(zhuǎn)平面前進(jìn)方向夾角有關(guān)。刀軸縱向布置3排刀齒，通過前期試驗(yàn)可知機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)清秸功能，機(jī)具不堵塞時(shí)極限作業(yè)速度為7.2 km/h，將已知條件代入式(7)中，可得切茬節(jié)距為9.5 mm，小于玉米根茬莖稈平均直徑12 mm，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)根茬剖切。

刀齒回轉(zhuǎn)切土斷面在作業(yè)方向投影為一橢圓形，其面積為

(8)

式中H——刀齒入土深度，mm

由式(8)可知，刀齒回轉(zhuǎn)切土面積與回轉(zhuǎn)半徑、刀齒入土深度、刀軸與回轉(zhuǎn)平面前進(jìn)方向夾角等因素有關(guān)，根據(jù)玉米根茬平均深度，設(shè)定刀齒入土深度為50 mm，將已知條件代入式(8)中得切土面積為4 701 mm2，滿足對(duì)根茬實(shí)現(xiàn)橫向剖切要求。

刀齒入土?xí)r在機(jī)具作業(yè)方向受力，出現(xiàn)彎曲變形，為了減小刀齒變形量，保證機(jī)具正常作業(yè)，需滿足梁剛度條件

(9)

式中ymax——撓度極限值，mm

θmax——傾角極限值，rad

p——土壤堅(jiān)實(shí)度，Pa

B——刀齒側(cè)向觸土長度，mm

h——刀座高度，mm

E——刀齒彈性模量，GPa

I0——刀齒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

在不影響刀齒正常作業(yè)條件下，通過增加刀齒固定座長度和刀齒厚度可以有效提高刀齒結(jié)構(gòu)剛度。根據(jù)秸稈覆蓋量統(tǒng)計(jì)及刀齒入土深度可得刀齒結(jié)構(gòu)固定座高度為150 mm，刀齒厚度b為10 mm。同時(shí)，刀齒分為E區(qū)和F區(qū)兩部分，調(diào)質(zhì)處理為HRC43～48和HRC49～59，通過熱處理工藝進(jìn)一步強(qiáng)化刀齒剛度和表面硬度。將設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(9)可得最大撓度為9.2 mm，最大傾角為0.08 rad，變形量滿足工作要求。

對(duì)刀齒進(jìn)行強(qiáng)度校核，刀齒采用65Mn材料調(diào)質(zhì)處理，許用強(qiáng)度極限[σ]=570 MPa，將已知條件代入

(10)

計(jì)算得刀齒彎曲受力最大強(qiáng)度σmax為510 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖3可知，側(cè)向滑切清秸刀齒楔角過大，刀齒與土壤接觸面積較大，入土阻力與沖擊載荷增加，不利于機(jī)具正常作業(yè)。通過分析，作用于刀齒曲面的正壓力和刀齒側(cè)向摩擦力合力為

(11)

式中FN——旋轉(zhuǎn)方向刀齒受力，N

γ——楔角，rad

由式(11)可知土壤堅(jiān)實(shí)度、刀齒厚度、接觸面積和摩擦因數(shù)均為定值，所以刀齒在旋轉(zhuǎn)方向上的受力與楔角大小有關(guān)，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算得最佳楔角為0.8 rad。

刀軸旋轉(zhuǎn)過程中由于機(jī)收后秸稈松散置于田間，刀軸與接觸秸稈之間摩擦力會(huì)引起秸稈纏繞于刀軸上，秸稈纏繞會(huì)導(dǎo)致機(jī)具工作質(zhì)量及可靠性降低[6]?？梢酝ㄟ^增大刀軸直徑和減小摩擦因數(shù)來降低刀軸秸稈纏繞，設(shè)計(jì)刀軸間距為500～700 mm可調(diào)，適應(yīng)不同壟作行距要求，由于側(cè)向滑切清秸刀齒設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)半徑為370 mm，為避免刀齒與刀軸干涉，如圖1和圖2所示，以刀軸最小間距500 mm為極限設(shè)計(jì)尺寸，刀齒與刀軸保證30 mm安全距離，可得刀軸直徑D最大為200 mm，并應(yīng)用特氟龍噴涂表面，降低摩擦因數(shù)。

2.2 滑切面工作曲線設(shè)計(jì)

通過分析，在實(shí)現(xiàn)秸稈側(cè)向輸送功能前提下，滑切能有效解決防止秸稈纏繞，降低整機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度，減少機(jī)組作業(yè)功率消耗等問題。刀齒滑切面工作曲線合理形狀應(yīng)滿足[7-9]：刀齒滑切工作曲線繞刀軸回轉(zhuǎn)中心由近及遠(yuǎn)與物料接觸；切削過程中滑切工作曲線各點(diǎn)滑切角度逐漸增大，并且絕對(duì)值小于刀齒與秸稈的摩擦角；刀齒接觸土垡時(shí)刀齒進(jìn)給量波動(dòng)較小。

為便于分析，做如下假設(shè)：由于刀齒高速旋轉(zhuǎn)過程與秸稈接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量損失，應(yīng)用拉格朗日方程將受力轉(zhuǎn)化為能量關(guān)系，可假設(shè)秸稈與刀齒工作面之間做非彈性碰撞；由于刀齒厚度為10 mm并有0.8 rad楔角，忽略空氣流動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生影響，只對(duì)刀齒工作曲線進(jìn)行抽象研究；將研究的秸稈假設(shè)為一個(gè)質(zhì)量為m微小粒子。秸稈運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，選取滑切半徑ρ和相對(duì)轉(zhuǎn)角φ為廣義坐標(biāo)系，刀齒接觸物料處為勢能零點(diǎn)，勢能和動(dòng)能廣義坐標(biāo)表達(dá)式為

(12)

(13)

其中

式中Ep——系統(tǒng)廣義坐標(biāo)勢能，J

φ——相對(duì)轉(zhuǎn)角，rad

φ0——初始相對(duì)轉(zhuǎn)角

ρ0——初始半徑，mm

Ek——系統(tǒng)廣義坐標(biāo)動(dòng)能，J

v——絕對(duì)速度，m/s

vn——徑向速度，m/s

vτ——切向速度，m/s

ωj——秸稈轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

r——秸稈半徑，mm

I——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

拉格朗日函數(shù)L表征秸稈隨著刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中約束、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用。選用廣義坐標(biāo)、廣義速度后，L被完全確定為勢力系的運(yùn)動(dòng)?；邪霃溅押拖鄬?duì)轉(zhuǎn)角φ作為廣義坐標(biāo)系中建立2自由度的拉格朗日函數(shù)。

由式(12)、(13)可得拉格朗日函數(shù)為

(14)

其中

(15)

對(duì)式(14)進(jìn)行拉格朗日廣義動(dòng)量微分

(16)

(17)

將式(16)、(17)整理得拉格朗日方程組

(18)

當(dāng)t=0時(shí)，對(duì)式(18)分別積分得

(19)

對(duì)式(19)合并求解得

(20)

對(duì)式(20)積分整理得

ρ=κφ+C

(21)

其中

(22)

式(21)說明滑切面曲線為一段阿基米德螺旋線。對(duì)其求導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)刀齒徑向進(jìn)給速度為定值，并且大于零，這樣可以減小刀齒切土過程沖擊載荷對(duì)機(jī)具振動(dòng)影響，并保證秸稈物料能夠沿刀齒曲面向外滑出，避免了其向刀齒轉(zhuǎn)軸處移動(dòng)導(dǎo)致秸稈纏繞。

圖5 刀齒滑切面設(shè)計(jì)曲線Fig.5 Design curves of sliding cutting surface of blade

由式(22)可知，不同κ和C值組合會(huì)得到不同的滑切面曲線，為了秸稈能夠沿著滑切曲面向外運(yùn)動(dòng)，還必須保證滑切曲線上任意一點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的徑矢方向與秸稈質(zhì)點(diǎn)相對(duì)滑切面切線方向夾角(即滑切角)，大于秸稈與刀齒的摩擦角[10]。圖5所示為κ等于6、初始半徑為200 mm、起始滑切角為30°的刀齒滑切面曲線。通過上述分析，選取初始半徑、起始滑切角、刀軸角速度和機(jī)具作業(yè)速度為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2018年10月1—22日在哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)基地實(shí)施，試驗(yàn)地塊為機(jī)收后玉米原茬地，如圖6所示。土壤平均硬度20.3 kg/cm2，土壤平均濕度30.7%，秸稈平均覆蓋量1.28 kg/m2，秸稈平均留茬高度273 mm，主根系平均深度65 mm，清秸刀齒入土深度50 mm。

圖6 田間試驗(yàn)環(huán)境Fig.6 Field test

3.2 儀器與設(shè)備

圖7 試驗(yàn)裝置與儀器設(shè)備連接示意圖Fig.7 Schematic of test device and instrument interface1.應(yīng)變式拉力傳感器裝置 2.齒輪式傳感器 3.應(yīng)變式扭矩傳感器 4.JM5937A型數(shù)據(jù)采集儀 5.上位機(jī)

試驗(yàn)裝置及儀器設(shè)備連接如圖7所示。儀器設(shè)備包括：紐荷蘭1104型拖拉機(jī)、2BMFJ-BL5型側(cè)向清秸裝置、JM5937A型動(dòng)態(tài)信號(hào)測試系統(tǒng)、JNNT-0型應(yīng)變式扭矩傳感器、SFZ001型應(yīng)變式拉力傳感器、YN12-2P型齒輪傳感器、A005型壓電晶體加速度傳感器、JM3823型適調(diào)器、SZ-3型土壤硬度計(jì)、SU-LB 型土壤水分測定儀、艾德堡數(shù)字電子數(shù)顯推拉力計(jì)、數(shù)碼攝像機(jī)、米尺等。

3.3 試驗(yàn)方案

采用四因素三水平正交試驗(yàn)方法，應(yīng)用L27(313)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以初始半徑ρ0、起始滑切角τ0、作業(yè)速度vm、刀軸角速度ω為試驗(yàn)因素，秸稈纏繞度y1、機(jī)具振動(dòng)強(qiáng)度y2、當(dāng)量功耗y3、覆秸均勻度y4為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，共實(shí)施27組試驗(yàn)，應(yīng)用Design-Expert 6.0.10軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析[11]。試驗(yàn)刀齒如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)刀齒Fig.8 Test blade

試驗(yàn)因素水平如表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Experimental factors and levels

各評(píng)價(jià)指標(biāo)測量方法如下：

(1)秸稈纏繞度

作業(yè)過程中刀齒對(duì)秸稈進(jìn)行側(cè)向移位同時(shí)秸稈沿著刀齒表面向刀軸處移動(dòng)，造成秸稈纏繞刀軸，秸稈纏繞嚴(yán)重將導(dǎo)致刀軸損壞和功耗增加。所以，本文設(shè)定秸稈不纏繞刀軸或纏繞刀軸但不影響機(jī)具正常作業(yè)定性為秸稈不纏繞，取值為0；若秸稈纏繞影響機(jī)具正常作業(yè)(包括：可靠性降低、部件結(jié)構(gòu)破壞、油耗增加等)定性為秸稈纏繞，取值為1。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Experiment layout and results

(2)振動(dòng)強(qiáng)度

如圖7所示，在側(cè)向清秸裝置機(jī)架后主梁與地輪連接位置下方軸承處分別測定機(jī)具工作過程中垂直方向加速度，測定結(jié)果取平均值[12-17]。

(3)當(dāng)量功耗

通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄每個(gè)處理實(shí)施時(shí)動(dòng)力輸出軸平均扭矩、上下牽引點(diǎn)行進(jìn)方向平均拉力[18-22]，當(dāng)量功耗計(jì)算式為

(23)

(4)覆秸均勻度

側(cè)向清秸裝置能夠在機(jī)具回程過程中完成對(duì)已播地秸稈覆蓋功能，若秸稈覆蓋不均勻，秸稈覆蓋量較大將導(dǎo)致出苗難，出弱苗。秸稈覆蓋量較小不利于蓄水保墑，難以防止風(fēng)蝕水蝕。所以，本文采用秸稈覆蓋質(zhì)量方差評(píng)價(jià)機(jī)具作業(yè)后地表秸稈覆蓋均勻度。機(jī)具作業(yè)后，在秸稈覆蓋范圍內(nèi)選取有代表性的10個(gè)點(diǎn)，測量每點(diǎn)單位面積覆蓋秸稈的質(zhì)量mi(不包括根茬質(zhì)量，后續(xù)在清茬刀齒研究中重點(diǎn)闡述)，可得覆秸均勻度計(jì)算式為

(24)

其中

式中λ——覆秸均勻度

規(guī)定覆秸均勻度小于0.1為合格。

3.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，方差分析如表4所示。

圖9 試驗(yàn)過程及效果Fig.9 Test process and effect

評(píng)價(jià)指標(biāo)變異來源平方和自由度均方FP顯著性模型3.56120.303.730.0108?ρ00.6720.334.200.0373?τ00.8920.445.600.0163?秸稈纏繞度vm0.6720.334.200.0373?ω0.2220.111.400.2791τ0vm1.1140.283.500.0352?誤差1.11140.08總和4.6726模型65133.8588141.736.590.0005??ρ03096.0721548.041.250.3095τ017971.6328985.817.270.0048??振動(dòng)強(qiáng)度 vm30098.96215049.4812.180.0005??ω13967.1926983.595.650.0125?誤差22246.44181235.91總和87380.326模型27.3583.424.450.0041??ρ01.9820.991.290.3000τ010.3325.176.720.0066??當(dāng)量功耗 vm12.5526.278.160.0030??ω2.4921.251.620.2251誤差13.83180.77總和41.1926模型5.52×10-386.91×10-4173.15<0.0001??ρ07.63×10-623.82×10-60.960.4029τ03.94×10-521.97×10-54.940.0195?覆秸均勻度vm4.82×10-322.41×10-3603.68<0.0001??ω6.62×10-423.31×10-483.04<0.0001??誤差7.18×10-5183.99×10-6總和5.60×10-326

注：** 表示極顯著(P<0.01)，*表示顯著(0.01≤P≤0.05)。

由表4可知，對(duì)于秸稈纏繞度，因素初始半徑、起始滑切角和作業(yè)速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，交互作用τ0vm對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，影響順序由大到小為：起始滑切角、初始半徑、作業(yè)速度、刀軸角速度；對(duì)于振動(dòng)強(qiáng)度，因素起始滑切角和作業(yè)速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著影響，因素刀軸角速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、起始滑切角、刀軸角速度、初始半徑；對(duì)于當(dāng)量功耗，因素起始滑切角和作業(yè)速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著影響，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、起始滑切角、刀軸角速度、初始半徑。對(duì)于覆秸均勻度，因素作業(yè)速度和刀軸角速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著影響，起始滑切角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、刀軸角速度、起始滑切角、初始半徑。

3.4.1各因素對(duì)秸稈纏繞影響分析

為探究各影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，以提高機(jī)具作業(yè)效率和降低功率的消耗為原則，應(yīng)用Design-Expert軟件中Taguchi OA正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析各主要顯著性因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

圖10 因素對(duì)性能指標(biāo)影響Fig.10 Effects of factors on performance indexes

由圖10a可知，當(dāng)初始半徑由150 mm增加到200 mm時(shí)，秸稈纏繞度降低，這主要是由于較小的初始半徑提高了滑切面與秸稈接觸概率，實(shí)現(xiàn)了較好滑切功能，但降低了拋扔效果，阻止秸稈有效側(cè)向移出，導(dǎo)致秸稈纏繞度升高。起始滑切角與作業(yè)速度交互作用對(duì)秸稈是否纏繞具有顯著影響，機(jī)具在中、高速作業(yè)時(shí)隨著起始滑切角的增加秸稈纏繞度降低，主要是由于滑切角越大滑切性能越好，有效防止秸稈纏繞，在低速作業(yè)時(shí)隨著起始滑切角增加秸稈纏繞度先升高后降低。隨著刀軸角速度升高，出現(xiàn)秸稈纏繞，但刀軸角速度增大到一定程度秸稈纏繞現(xiàn)象消失，主要是由于秸稈被側(cè)向移出的時(shí)間遠(yuǎn)小于秸稈滑移至刀軸的纏繞時(shí)間，高速旋轉(zhuǎn)可以在一定程度上防止秸稈纏繞。

3.4.2各因素對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度影響分析

由圖10b可知，當(dāng)起始滑切角增大時(shí)，根據(jù)刀齒滑切面工作曲線的導(dǎo)數(shù)可知，刀齒的進(jìn)給量是定值減小，入土比較均勻，降低刀齒單位時(shí)間切土量不等導(dǎo)致的整機(jī)振動(dòng)，并且起始滑切角的增大刀齒單位時(shí)間切土進(jìn)給量減小，沖擊減小，振動(dòng)強(qiáng)度降低。當(dāng)作業(yè)速度和刀軸角速度增加時(shí)，裝置振動(dòng)強(qiáng)度顯著增大。這是因?yàn)殡S著刀軸角速度增加，刀齒對(duì)土壤沖擊載荷增大，振動(dòng)強(qiáng)度升高，同時(shí)，當(dāng)作業(yè)速度加快時(shí)，刀齒在機(jī)具前進(jìn)方向接觸土壤的時(shí)間增加，加大了刀齒的縱向變形量，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度升高。

3.4.3各因素對(duì)當(dāng)量功耗影響分析

由圖10c可知，當(dāng)起始滑切角增大時(shí)，刀齒對(duì)土壤及根茬的滑切效果增加，沖擊載荷降低，功率消耗降低。當(dāng)作業(yè)速度增大時(shí)，刀齒與土壤在作業(yè)方向接觸距離增加，對(duì)裝置縱向阻力升高，牽引功耗增加。刀軸角速度提高，單位時(shí)間內(nèi)做功次數(shù)增加，功耗升高。

3.4.4各因素對(duì)覆秸均勻度影響分析

本次試驗(yàn)研究將擋秸板角度設(shè)置為原有刀齒機(jī)型覆秸均勻度最優(yōu)值60°，由圖10d可知，覆秸均勻度均在允許范圍內(nèi)，隨著機(jī)具作業(yè)速度和刀軸角速度增加覆秸均勻度先減小后增大，這主要是由于機(jī)具以5.4 km/h作業(yè)速度工作時(shí)，刀軸與回轉(zhuǎn)平面前進(jìn)方向夾角導(dǎo)致刀軸拋撒秸稈的初始速度大致與機(jī)具前進(jìn)方向垂直，提高了拋撒效果。

3.5 優(yōu)化結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果分析，在保證機(jī)組不發(fā)生堵塞的前提下，以提高作業(yè)效率、防止秸稈纏繞、降低振動(dòng)強(qiáng)度和功耗為原則，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件進(jìn)行優(yōu)化，得出側(cè)向清秸裝置刀齒結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最優(yōu)組合結(jié)果如表5所示。

3.6 結(jié)果驗(yàn)證

按照最佳參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值，結(jié)果如表6所示。由表6可知，最優(yōu)參數(shù)組合下，各指標(biāo)值與優(yōu)化結(jié)果相吻合，優(yōu)化結(jié)果可信。

表5 優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Optimization result

表6 驗(yàn)證結(jié)果Tab.6 Results of verification experiment

3.7 對(duì)比試驗(yàn)

將優(yōu)化后刀齒與側(cè)向清秸裝置上直刀齒與圓弧刀齒組合進(jìn)行工作性能對(duì)比試驗(yàn)，如圖11所示。

圖11 對(duì)比試驗(yàn)Fig.11 Contrast test

由圖11可知，現(xiàn)有直刀齒和圓弧刀齒組合在高速作業(yè)條件下刀軸根部秸稈纏繞嚴(yán)重，直刀齒處刀軸抱死，并且對(duì)清秸效果造成影響。測量振動(dòng)強(qiáng)度與當(dāng)量功耗，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，3種組合覆秸均勻度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的兩種結(jié)構(gòu)刀齒較現(xiàn)有刀齒組合振動(dòng)強(qiáng)度降低46.5%和41.8%，功耗分別降低29.7%和35.9%，并且整個(gè)作業(yè)過程中未出現(xiàn)秸稈纏繞，刀齒設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果滿足作業(yè)要求。

表7 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Contrast test results

由于側(cè)向清秸裝置與播種裝置固裝同時(shí)作業(yè)，振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)排種性能影響較大，為了提高播種粒距均勻性，選取優(yōu)化組合1，即初始半徑為200 mm、起始滑切角30°、作業(yè)速度7.2 km/h和刀軸角速度42 rad/s作為側(cè)向滑切清秸刀齒結(jié)構(gòu)與工作性能最優(yōu)參數(shù)組合。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種原茬地免耕播種機(jī)種床整備裝置用側(cè)向滑切清秸刀齒，并確定了影響其工作性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)對(duì)于秸稈纏繞度，影響順序由大到小為：起始滑切角、初始半徑、作業(yè)速度、刀軸角速度；對(duì)于振動(dòng)強(qiáng)度，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、起始滑切角、刀軸角速度、初始半徑；對(duì)于當(dāng)量功耗，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、起始滑切角、刀軸角速度、初始半徑；對(duì)于覆秸均勻度，影響順序由大到小為：作業(yè)速度、刀軸角速度、起始滑切角、初始半徑。

(3)在刀齒初始半徑200 mm、起始滑切角30°、刀軸角速度42 rad/s、機(jī)具作業(yè)速度7.2 km/h條件下，無秸稈纏繞，振動(dòng)強(qiáng)度為159 m/s，當(dāng)量功耗為4.9 kW，覆秸均勻度為0.075。對(duì)比試驗(yàn)表明，優(yōu)化后刀齒組合振動(dòng)強(qiáng)度降低了46.5%，當(dāng)量功耗降低了29.7%，并且工作過程中未出現(xiàn)機(jī)具堵塞現(xiàn)象。