侯加林，陳彥宇，李玉華，王 文，李廣華

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2. 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018；3. 山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司，青州 262500）

0 引 言

中國(guó)是世界上最大的大蔥生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，2018 年大蔥種植面積達(dá)60 萬(wàn)hm2，成為帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)作物[1]。大蔥收獲有人工收獲、分段收獲和聯(lián)合收獲3 種方式。目前，中國(guó)的大蔥收獲仍以人工為主，分段收獲技術(shù)基本成熟并在部分地區(qū)得到推廣應(yīng)用，但分段收獲僅對(duì)大蔥進(jìn)行簡(jiǎn)單松土挖掘，后期仍需人工拔取抖土、分堆打捆，作業(yè)工序復(fù)雜，勞動(dòng)量大，制約了大蔥產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研發(fā)一種性能可靠、通用性強(qiáng)的大蔥聯(lián)合收獲裝置具有重要意義[2-3]。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的大蔥聯(lián)合收獲機(jī)主要針對(duì)韭蔥收獲，不適于國(guó)內(nèi)的大蔥收獲[4-6]，日本針對(duì)中小地塊研發(fā)的HG 型大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，配套動(dòng)力小，作業(yè)效率低，國(guó)內(nèi)難以大面積推廣應(yīng)用[7]。近幾年，隨著大蔥種植面積的增長(zhǎng)以及規(guī)模化生產(chǎn)的發(fā)展，科研院校和企業(yè)分別研發(fā)了大蔥聯(lián)合收獲設(shè)備，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的雙行自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)[8]，不能有效完成雙行匯集作業(yè)，傷蔥率較高，無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。青島理工大學(xué)研發(fā)的雙行自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)僅進(jìn)行了理論分析和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，尚未進(jìn)行樣機(jī)試制[9]。山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司與青島農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的4CL-1 型大蔥聯(lián)合收獲機(jī)[10]，與日本HG 型大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)原理相同，主要針對(duì)中小地塊，作業(yè)效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分堆鋪放，不適合大面積作業(yè)。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)根莖類(lèi)收獲機(jī)械的研究較多[11-18]，葉莖類(lèi)收獲機(jī)械的研究相對(duì)較少，本文參考已有的大蔥收獲裝備，并結(jié)合國(guó)內(nèi)大蔥種植模式和農(nóng)藝制度，設(shè)計(jì)了一種自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，能夠一次完成大蔥的挖掘、抖土、喂入、夾持輸送、二次去土清雜、收集、成堆鋪放等作業(yè)。加工樣機(jī)并進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)，并確定了樣機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)。該機(jī)的研發(fā)將為自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)完善和作業(yè)性能優(yōu)化提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.1 大蔥種植模式和農(nóng)藝制度

通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)大蔥種植品種多樣，其中“日本鋼蔥”的種植范圍最廣，本文重點(diǎn)針對(duì)“日本鋼蔥”的收獲展開(kāi)研究?！叭毡句撌[”有人工栽植和機(jī)械栽植方式，隨著蔬菜移栽機(jī)械的發(fā)展，大蔥機(jī)械栽植逐漸取代了人工栽植[19-22]。機(jī)械栽植時(shí)，大蔥的行距為900～1 000 mm，溝頂寬為250～350 mm，溝底寬為120～150 mm，溝深為200～300 mm[23]。在大蔥蔥白形成期需要進(jìn)行3～4 次培土作業(yè)，以軟化蔥白，防止大蔥倒伏[24]。到收獲期，大蔥植株的總長(zhǎng)度約為900～1 200 mm，其中地下部分長(zhǎng)度約為240～270 mm，蔥白直徑約為15～25 mm，蔥白長(zhǎng)度約為170～270 mm，蔥壟的壟頂寬度約為260～280 mm，壟低寬度約為380～400 mm，壟距約為900～950 mm，如圖1 所示。

圖1 收獲期大蔥生長(zhǎng)模式 Fig.1 Growth model of green onion in harvest period

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)“日本鋼蔥”的種植模式和農(nóng)藝制度，設(shè)計(jì)的自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)主要由操作臺(tái)、動(dòng)力底盤(pán)、散熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、限深裝置、挖掘抖土裝置、柔性?shī)A持輸送裝置、夾持角度調(diào)節(jié)裝置、收集卸料裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structural schematic of quantitatively-laying and self-propelled green onion combine harvester

作業(yè)時(shí)，挖掘抖土裝置實(shí)現(xiàn)大蔥的挖掘、抖土作業(yè)；疏土裝置及時(shí)疏導(dǎo)土壤，避免壅土，同時(shí)耕整蔥地，為后期大蔥鋪放創(chuàng)造條件；完成一次抖土作業(yè)后的大蔥進(jìn)入夾持輸送裝置依序向后輸送；經(jīng)二次去土清雜處理后依次進(jìn)入收集卸料裝置，成堆的大蔥定時(shí)定量鋪放到耕整后的土壤上，進(jìn)而完成大蔥收獲作業(yè)。收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)參數(shù) Table 1 Technical parameters of quantitatively-laying and self-propelled green onion combine harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘抖土裝置

挖掘抖土裝置主要由機(jī)架、挖掘鏟、抖土篩、疏土裝置和液壓馬達(dá)等組成，如圖3 所示，作業(yè)時(shí)，挖掘鏟和抖土篩聯(lián)合作業(yè)，完成大蔥挖掘和一次去土清雜。

圖3 挖掘抖土裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 Structural schematic of digging and shaking device

2.1.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

挖掘鏟采用三角平面鏟的設(shè)計(jì)原理，針對(duì)挖掘鏟和掘起物進(jìn)行受力分析，如圖4 所示。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，為了保證挖掘鏟在行走過(guò)程中能夠自動(dòng)清理鏟刃泥土，鏟刃斜角γ 與土壤對(duì)挖掘鏟的摩擦角φ 的關(guān)系需滿(mǎn)足：

鏟刃斜角γ 越小，挖掘鏟的入土性能越好，但鏟長(zhǎng)增加，鏟尖變銳，易斷鏟和傷蔥；鏟刃斜角γ 越大，挖掘鏟的入土性能越差，功耗增加。考慮鋼與土壤的摩擦系數(shù)（0.4～0.7）[25]，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)鏟刃斜角γ=60°。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和大蔥生長(zhǎng)特點(diǎn)，為了保證挖掘鏟低阻高效地挖起大蔥，避免壅土，挖掘鏟鏟寬應(yīng)不小于蔥壟壟頂寬度，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)情況，挖掘鏟鏟寬W 應(yīng)滿(mǎn)足：

式中s 為蔥壟壟頂寬度，mm，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果取s=270 mm；c 為機(jī)器的挖掘偏差，mm，取c=50 mm。因此，設(shè)計(jì)挖掘鏟鏟寬為320 mm。

圖4 挖掘鏟結(jié)構(gòu)及受力分析 Fig.4 Structure of digging shovel and force analysis

挖掘鏟水平傾角α 的大小直接影響挖掘鏟的作業(yè)性能和大蔥收獲質(zhì)量[26-27]。為了保證大蔥的順利挖掘和輸送，挖掘鏟掘起物的受力方程應(yīng)滿(mǎn)足：

由式（3）～（4）得出挖掘鏟水平傾角α 為

挖掘鏟的總長(zhǎng)度為

分析式（3）～（6）可知，挖掘鏟水平傾角α 越小，挖掘鏟的入土性能越好，作業(yè)阻力越小，但挖掘深度不足，容易出現(xiàn)鏟斷大蔥和壅土現(xiàn)象；反之，挖掘鏟水平傾角α 越大，挖掘深度越大，鏟斷大蔥的可能性降低，但挖掘鏟的入土性能變差，作業(yè)阻力變大，能耗增加[28]。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[29]，參考馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟參數(shù)，結(jié)合大蔥和馬鈴薯種植農(nóng)藝制度的差異，設(shè)計(jì)大蔥收獲機(jī)挖掘鏟水平傾角α 的調(diào)節(jié)范圍為30°～40°，鏟長(zhǎng)為200 mm。

2.1.2 抖土篩的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

大蔥在夾持輸送過(guò)程中完成抖土作業(yè)，抖土篩往復(fù)擺動(dòng)，既完成了抖土作業(yè)，又通過(guò)篩面抖動(dòng)細(xì)碎土壤，避免壅土，抖土篩采用方形篩孔，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 抖土篩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 Fig.5 Diagram of shaking screen motion

根據(jù)圖5，設(shè)抖土篩左擺的最遠(yuǎn)點(diǎn)為B1，右擺的最遠(yuǎn)點(diǎn)為B2，由于抖土篩擺動(dòng)幅度小，擺動(dòng)周期短，故B 點(diǎn)的周期擺動(dòng)可近似為在X 軸上的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)圖5 可得B 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移xB為

進(jìn)一步得出B 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度為

B 點(diǎn)的近似速度和加速度為

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》并結(jié)合大蔥種植農(nóng)藝，設(shè)計(jì)曲柄長(zhǎng)30 mm，連桿AB 長(zhǎng)110 mm，篩柄CD 長(zhǎng)850 mm，篩面DF 長(zhǎng)400 mm。利用MATLAB 軟件并結(jié)合液壓馬達(dá)實(shí)際功率，求解得到曲柄OA 的角速度3～5 rad/s，B 點(diǎn)在X 軸上周期擺動(dòng)幅度為80～140 mm，速度范圍為 0 ～200 mm/s，加速度范圍為 0.3 ～0.8 rad/s2。

2.2 柔性?shī)A持輸送裝置的設(shè)計(jì)

柔性?shī)A持輸送裝置主要由動(dòng)力輸入裝置、支撐架、張緊裝置、定位調(diào)節(jié)裝置、扶持喂入裝置、二次去土清雜裝置和柔性?shī)A持輸送帶等組成，如圖6 所示。挖掘后前傾的大蔥經(jīng)扶持喂入裝置向后調(diào)節(jié)一定角度后喂入柔性?shī)A持輸送帶，輸送帶拔取大蔥的同時(shí)抖土篩完成抖土作業(yè)，二次去土清雜裝置清除大蔥根部的土壤、雜草、死皮等，完成二次清雜作業(yè)后的大蔥依序輸送到收集卸料裝置。

圖6 柔性?shī)A持輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.6 Structural schematic of flexible clamping and conveying device

2.2.1 扶持喂入裝置

扶持喂入裝置主要作用于大蔥葉身部位，調(diào)整大蔥的姿態(tài)。如圖7 所示，根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)測(cè)量，蔥白充實(shí)期的大蔥葉身最大幅寬為400 mm，最小幅寬為320 mm。根據(jù)物料彈性變形特性[30-31]及試驗(yàn)測(cè)試，左右扶持喂入裝置分別安裝在支撐架前端的左右兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)輥安裝距離為240 mm，扶持喂入裝置開(kāi)口角度η 為120°，左右扶持帶的運(yùn)動(dòng)速度vv與輸送帶同速，保證大蔥既不會(huì)大面積損傷，又能順利喂入輸送帶。

2.2.2 柔性?shī)A持輸送帶

柔性?shī)A持輸送帶由內(nèi)側(cè)的橡膠帶和固接于橡膠帶外側(cè)由帆布包裹的柔性海綿縫合制成，考慮大蔥長(zhǎng)度，夾持輸送帶寬度設(shè)計(jì)為280 mm。張緊裝置安裝在支撐架上，可根據(jù)蔥白直徑調(diào)節(jié)2 個(gè)柔性?shī)A持輸送帶的間距，確保夾持輸送的可靠性和連續(xù)性。由于扶持喂入裝置的調(diào)節(jié)作用，柔性?shī)A持輸送裝置拔取大蔥時(shí)，大蔥已向后傾斜約5°～15°，夾持拔取示意圖如圖8 所示，根據(jù)圖8 幾何關(guān)系可知：

聯(lián)立式（12）～（13）得

結(jié)合式（14）以及實(shí)際田間作業(yè)情況，整機(jī)前進(jìn)速度對(duì)大蔥夾持輸送裝置的輸送速度影響較大。研究分析整機(jī)前進(jìn)速度對(duì)大蔥收獲質(zhì)量的影響，可為柔性?shī)A持輸送裝置的完善設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供相應(yīng)的理論參考[32]。

圖7 扶持喂入裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.7 Structural schematic of support feeding device

圖8 大蔥拔取過(guò)程示意圖 Fig.8 Schematic diagram of the green onion extraction process

2.2.3 去土清雜裝置

去土清雜裝置采用梳刷結(jié)構(gòu)，由橡膠制成的左右2個(gè)鋸齒輥相對(duì)旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)梳刷附著在大蔥假莖和蔥根上的土壤顆粒和死皮等雜質(zhì)[33-34]，其工作原理如圖9 所示。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，鋸齒輥的半徑和轉(zhuǎn)速對(duì)大蔥含雜率和損傷率影響較大，鋸齒輥的半徑過(guò)小，轉(zhuǎn)速過(guò)低，梳刷能力差，鋸齒輥半徑過(guò)大，轉(zhuǎn)速過(guò)大，能耗和大蔥損傷增加，根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試初步設(shè)計(jì)鋸齒輥半徑r 為75 mm，轉(zhuǎn)速vq為240 r/min。為了保證良好的去土清雜效果和降低損傷率，左右鋸齒輥的安裝間距應(yīng)滿(mǎn)足：

式中m 為左右鋸齒輥安裝間距，mm； dcb為蔥白直徑， dcb=25 mm； Δ 為大蔥左右擺動(dòng)距離，mm，試驗(yàn)測(cè)試Δ=15 mm。因此，左右鋸齒輥的安裝間距m 為205 mm。

圖9 去土清雜工作原理圖 Fig.9 Working principle diagram of soil removing and cleaning

2.3 收集卸料裝置設(shè)計(jì)

收集卸料裝置主要由導(dǎo)蔥裝置、載蔥臺(tái)、接蔥裝置、阻蔥裝置、鋪放裝置、氣缸等組成，如圖10 所示。載蔥臺(tái)和阻蔥裝置為收集部件，接蔥裝置為卸料部件，載蔥臺(tái)收集后的大蔥依次落入接蔥裝置，經(jīng)鋪放裝置成堆鋪放到蔥地上，依序循環(huán)，實(shí)現(xiàn)大蔥有序鋪放。氣缸伸縮周期可調(diào)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研確定有序鋪放后每堆大蔥的質(zhì)量為5～7 kg，滿(mǎn)足目前的市場(chǎng)需求[35]。

圖10 收集卸料裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.10 Schematic diagram of collecting and unloading device

2.3.1 載蔥臺(tái)

載蔥臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖11 所示，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)傳送帶收集大蔥，為了確保氣缸伸縮時(shí)下落的大蔥質(zhì)量滿(mǎn)足作業(yè)要求，同時(shí)盡量減少大蔥損傷，結(jié)合大蔥生長(zhǎng)高度和試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，載蔥臺(tái)傳送帶的速度vcs初步設(shè)計(jì)為0.5 m/s，傳送帶寬度dcs設(shè)計(jì)為1 200 mm，驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸的安裝間距l(xiāng)cs設(shè)計(jì)為500 mm。

圖11 載蔥臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.11 Schematic diagram of green onion loading platform

2.3.2 接蔥和卸蔥作業(yè)

如圖12 所示，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)阻蔥裝置和接蔥裝置的有序開(kāi)合，為了保證大蔥能夠及時(shí)有序地鋪放，避免堵塞，根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試，阻蔥裝置的開(kāi)合角度τzc初步設(shè)計(jì)為60°，接蔥裝置的開(kāi)合角度τjc初步設(shè)計(jì)為30°，載蔥臺(tái)和擋板安裝角度τzd初步設(shè)計(jì)為120°。

圖12 接蔥和卸蔥作業(yè)過(guò)程示意圖 Fig.12 Schematic diagram of green onion catching and unloading operations

機(jī)器平穩(wěn)作業(yè)時(shí)，通過(guò)氣缸的周期性伸縮實(shí)現(xiàn)接蔥和卸蔥作業(yè)，氣缸縮回，阻蔥裝置打開(kāi)，接蔥裝置閉合，載蔥臺(tái)上的大蔥全部落入接蔥裝置，完成接蔥作業(yè)；氣缸伸出，阻蔥裝置閉合，載蔥臺(tái)繼續(xù)收集大蔥，接蔥裝置打開(kāi)，大蔥經(jīng)鋪放裝置成堆鋪放到地面，完成卸蔥作業(yè)。氣缸伸縮周期直接影響每堆大蔥的鋪放質(zhì)量，進(jìn)而影響大蔥收獲質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，氣缸伸縮周期與每堆大蔥鋪放質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 氣缸伸縮周期與大蔥鋪放質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系 Table 2 Corresponding relationship between the cylinder expansion cycle and the quality of green onion laying

3 大蔥收獲試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的工作性能和設(shè)計(jì)參數(shù)的可靠性，2019 年7 月在安丘市大蔥試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)基地土壤類(lèi)型為沙壤土，土壤含水率22.34%，大蔥品種為日本鋼蔥，大蔥植株總長(zhǎng)度約1 000～1 200 mm，蔥白直徑約15～22 mm，蔥白長(zhǎng)度約200～280 mm，株距48 mm，壟高370 mm，壟距900 mm，壟頂寬度270 mm，壟底寬度380 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)配套動(dòng)力42 kW。

試驗(yàn)儀器與設(shè)備包括自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)、電子稱(chēng)、水分測(cè)定儀、卷尺、游標(biāo)卡尺、鋼尺等，田間試驗(yàn)如圖13 所示。

圖13 田間試驗(yàn) Fig.13 Field test

3.2 試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)

目前，中國(guó)還沒(méi)有針對(duì)大蔥收獲裝備制定詳細(xì)的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)發(fā)布的《自走式大蔥收獲機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法[36-38]，采用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。收獲機(jī)對(duì)行作業(yè)很少發(fā)生漏挖、漏拔和夾持掉落現(xiàn)象，對(duì)大蔥收獲損失率進(jìn)行考察意義不大，故以大蔥含雜率、損傷率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)整機(jī)前進(jìn)速度、挖掘鏟水平傾角、抖土頻率、氣缸伸縮周期進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)研究，根據(jù)前期調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果，確定各試驗(yàn)因素和水平如表3 所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平 Table 3 Factors and levels of response surface test

機(jī)器每次行走距離為50 m（準(zhǔn)備區(qū)15 m，測(cè)試區(qū)20 m，調(diào)整區(qū)15 m），每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次，對(duì)測(cè)試區(qū)內(nèi)收獲大蔥的含雜率、損傷率進(jìn)行計(jì)算。

1）大蔥雜質(zhì)是指大蔥收獲后含有的泥土、死皮及石粒等，將測(cè)試區(qū)內(nèi)收獲的大蔥進(jìn)行收集，測(cè)得大蔥總質(zhì)量為W （kg），去除雜質(zhì)測(cè)得干凈大蔥的質(zhì)量為Wj（kg），大蔥含雜率Tzz（%）計(jì)算公式為

2）大蔥損傷是指大蔥收獲作業(yè)過(guò)程中，蔥根鏟斷、蔥葉破損、蔥白揉搓等損傷，將測(cè)試區(qū)內(nèi)損傷的大蔥進(jìn)行收集，測(cè)得損傷大蔥總質(zhì)量為Wss（kg），大蔥損傷率Tss（%）計(jì)算公式為

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)四因素三水平分析試驗(yàn)，試驗(yàn)方案采用29 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括24 個(gè)分析因子，5 個(gè)0 點(diǎn)估計(jì)誤差[39]，試驗(yàn)方案及響應(yīng)值如表4所示。

3.3.1 回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表4 的試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果，利用Design- Export8.0.6.1 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)[40-41]，建立大蔥含雜率Y1、損傷率Y2對(duì)整機(jī)前進(jìn)速度X1、挖掘鏟水平傾角X2、抖土頻率X3、氣缸伸縮周期X4的二次多項(xiàng)式回歸模型，如式（18）～（19）所示，方差分析如表5 所示。

由表5 可知，大蔥含雜率Y1、損傷率Y2模型的P 值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項(xiàng)P 值均大于0.05，表明回歸模型擬合度高；決定系數(shù)R2分別為0.950和0.944，表明回歸模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)解釋程度高達(dá)94%以上，回歸模型可用來(lái)預(yù)測(cè)和分析收獲大蔥的含雜率和損傷率。因素X1、X2、X3、X4、X12、X22、X32對(duì)大蔥含質(zhì)率Y1影響極顯著，其他因素影響不顯著，各因素對(duì)大蔥含雜率影響顯著性的大小順序?yàn)閄1＞X3＞X2＞X4；因素X2、X3、X4、X12、X22、X32對(duì)大蔥損傷率Y2影響極顯著，其他因素影響不顯著，各因素對(duì)大蔥損傷率影響顯著性的大小順序?yàn)閄2＞X3＞X4＞X1。

表4 試驗(yàn)方案及響應(yīng)值結(jié)果 Table 4 Experiment design and response values

3.3.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)大蔥含雜率和損傷率回歸模型，將試驗(yàn)因素X1、X2、X3、X4中的2 個(gè)因素置于0 水平，分析其他因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，繪制相應(yīng)的響應(yīng)面圖，如圖14、圖15所示。

1）大蔥含雜率響應(yīng)面分析

圖14a 為抖土頻率和氣缸伸縮周期位于中心水平（X3=0，X4=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和挖掘鏟水平傾角之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)挖掘鏟水平傾角固定在某一水平時(shí)，隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在32°～36°有最優(yōu)值。

圖14b 為挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期位于中心水平（X2=0，X4=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和抖土頻率之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)抖土頻率固定在某一水平時(shí)，隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，大蔥含雜率隨著抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加而后降低的趨勢(shì)，在4.0～5.0 Hz 有最優(yōu)值。

圖14c 為挖掘鏟水平傾角和抖土頻率位于中心水平（X2=0，X3=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和氣缸伸縮周期的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著氣缸伸縮作業(yè)周期的增加，每堆大蔥質(zhì)量增加，大蔥間夾雜的雜質(zhì)增加，含雜率增加。

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

圖14d 為整機(jī)前進(jìn)速度和氣缸伸縮周期位于中心水平（X1=0，X4=0）時(shí)，抖土頻率和挖掘鏟水平傾角之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)抖土頻率固定在某一水平時(shí)，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在32°～36°有最優(yōu)值；挖掘鏟水平傾角一定時(shí)，大蔥含雜率隨抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加而后降低的趨勢(shì)，在4.0～5.0 Hz 有最優(yōu)值。

圖14e 為整機(jī)前進(jìn)速度和抖土頻率位于中心水平（X1=0，X3=0）時(shí)，挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在32°～36°有最優(yōu)值；挖掘鏟水平傾角一定時(shí)，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥的質(zhì)量增加，大蔥間夾雜的雜質(zhì)增加，含雜率增加。

圖14f 為整機(jī)前進(jìn)速度和挖掘鏟水平傾角位于水平（X1=0，X2=0）時(shí)，氣缸伸縮周期和抖土頻率之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，大蔥含雜率隨著抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加而后降低的趨勢(shì)，在4.0～5.0 Hz 有最優(yōu)值；抖土頻率一定時(shí)，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥的質(zhì)量增加，大蔥間夾雜的雜質(zhì)增加，含雜率增加。

2）大蔥損傷率響應(yīng)面分析

圖15a 為抖土頻率和氣缸伸縮周期位于中心水平（X3=0，X4=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和挖掘鏟水平傾角之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)挖掘鏟水平傾角固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)先緩慢降低后緩慢增加的趨勢(shì)，在0.6～0.9 m/s 有最優(yōu)值；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先降低而后增加的趨勢(shì)，在34°～38°有最優(yōu)值。

圖14 各因素對(duì)大蔥含雜率的響應(yīng)曲面 Fig.14 Response surface of various factors to the impurities rate of green onion

圖15 b 為挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期位于中心水平（X2=0，X4=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和抖土頻率之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)抖土頻率固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)先緩慢降低后緩慢增加的趨勢(shì)，在0.6 m/s～0.9 m/s 有最優(yōu)值；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，大蔥損傷率隨著抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在3.0～4.5 Hz 有最優(yōu)值。

圖15c 為挖掘鏟水平傾角和抖土頻率位于中心水平（X2=0，X3=0）時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度和氣缸伸縮周期的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著整機(jī)前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)先緩慢降低后增加的趨勢(shì)，在0.5～1.0 m/s 有最優(yōu)值；整機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質(zhì)量增加，大蔥間擠壓作用增強(qiáng)，損傷率增加。

圖15d 為整機(jī)前進(jìn)速度和氣缸伸縮周期位于中心水平（X1=0，X4=0）時(shí)，抖土頻率和挖掘鏟水平傾角之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)抖土頻率固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先降低而后增加的趨勢(shì)，在34°～38°有最優(yōu)值；挖掘鏟水平傾角一定時(shí)，大蔥損傷率隨時(shí)抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在3.0～4.5 Hz 有最優(yōu)值。

圖15e 為整機(jī)前進(jìn)速度和抖土頻率位于中心水平（X1=0，X3=0）時(shí)，挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現(xiàn)先降低而后增加的趨勢(shì)，在34°～38°有最優(yōu)值；挖掘鏟水平傾角一定時(shí)，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質(zhì)量增加，大蔥間擠壓作用增強(qiáng)，損傷率增加。

圖15f 為整機(jī)前進(jìn)速度和挖掘鏟水平傾角位于水平（X1=0，X2=0）時(shí)，氣缸伸縮周期和抖土頻率之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)氣缸伸縮周期固定在某一水平時(shí)，大蔥損傷率隨著抖土頻率的增加呈現(xiàn)先緩慢降低而后增加的趨勢(shì)，在3.0～4.5 Hz 有最優(yōu)值；抖土頻率一定時(shí)，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質(zhì)量增加，大蔥間擠壓作用增強(qiáng)，損傷率增加。

圖15 各因素對(duì)大蔥損傷率的響應(yīng)曲面 Fig.15 Response surface of various factors to the damage rate of green onion

3.3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方差分析和響應(yīng)面分析結(jié)果，在滿(mǎn)足大蔥收獲要求的前提下，利用Design-Export8.0.6.1 軟件對(duì)上述大蔥含雜率Y1和大蔥損傷率Y2的回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，剔除不顯著項(xiàng)，結(jié)果如式（19）～（20）

根據(jù)田間試驗(yàn)情況及中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)發(fā)布《自走式大蔥收獲機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)理論依據(jù)選擇確定優(yōu)化約束條件[42]，如式（21）所示。

求解目標(biāo)函數(shù)，得到各影響因素最優(yōu)值：整機(jī)前進(jìn)速度0.69 m/s，挖掘鏟水平傾角35.21°，抖土頻率4.28 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，此時(shí)模型預(yù)測(cè)的大蔥含雜率為3.00%，損傷率為1.66%。對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)圓整：整機(jī)前進(jìn)速度0.7 m/s，挖掘鏟水平傾角35°，抖土頻率4.3 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，根據(jù)取整優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5 次，結(jié)果如表6 所示，田間作業(yè)效果如圖16 所示。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Table 6 Verification testing results

圖16 田間作業(yè)效果 Fig.16 Field working effects

試驗(yàn)結(jié)果表明，大蔥含雜率和損傷率的試驗(yàn)平均值和模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于5%，說(shuō)明模型參數(shù)優(yōu)化是具有參考價(jià)值的，采用上述最優(yōu)工作參數(shù)組合能夠有效降低大蔥含雜率和損傷率。

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)能夠一次實(shí)現(xiàn)大蔥的挖掘、抖土、夾持輸送、二次清雜、收集、成堆鋪放作業(yè)。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)確定了挖掘抖土裝置、柔性?shī)A持輸送裝置、收集卸料裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，解決了大蔥聯(lián)合收獲的難題。

2）采用Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)方案建立了以大蔥含雜率和損傷率為評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)面回歸模型，通過(guò)方差分析和響應(yīng)面分析，得出了整機(jī)前進(jìn)速度、挖掘鏟水平傾角、抖土頻率、每堆大蔥質(zhì)量對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響變化規(guī)律。

3）應(yīng)用Design-Export8.0.6.1 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行優(yōu)化求解，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。最優(yōu)工作參數(shù)組合為：整機(jī)前進(jìn)速度0.7 m/s，挖掘鏟水平傾角35°，抖土頻率4.3 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，此時(shí)大蔥含雜率為3.14%，損傷率為1.74%，完全能夠滿(mǎn)足大蔥收獲標(biāo)準(zhǔn)。