竹筱歆 呂伊寧 于 晶 李季成

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

0 引言

馬鈴薯是全球種植范圍最廣泛的作物之一，兼具“糧-菜-飼-工業(yè)原料”多元結(jié)構(gòu)屬性。中國(guó)自2015年開(kāi)始實(shí)施馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略以來(lái)，馬鈴薯產(chǎn)量逐步提升，2018年馬鈴薯種植面積超過(guò)4.810 9×106hm2，總產(chǎn)量高達(dá)9.025 92×107t，其種植面積和總產(chǎn)量躍居世界首位，但其單產(chǎn)水平與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在明顯差距[1-2]。在種植面積無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)大的國(guó)情條件下，提高馬鈴薯單產(chǎn)水平對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)增效具有重要的戰(zhàn)略意義。

有很多影響馬鈴薯單產(chǎn)因素，如種薯品質(zhì)、氣候環(huán)境、土壤條件、栽培技術(shù)及機(jī)械化程度等[3]。其中莖葉切碎作業(yè)是馬鈴薯機(jī)械化收獲的最薄弱環(huán)節(jié)，莖葉切碎技術(shù)具有加速薯秧塊莖分離、促進(jìn)馬鈴薯表皮硬化、減少病害傳播、降低挖掘時(shí)表皮破損和漏收等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低單位面積機(jī)械收獲損失率。莖葉切碎還田還能有效避免薯秧纏繞作業(yè)機(jī)械、降低收獲機(jī)工作負(fù)荷、提高機(jī)具可靠性、提升機(jī)具作業(yè)速度并增加土壤肥力[4-5]。

莖葉切碎刀輥是馬鈴薯莖葉切碎機(jī)的核心部件，其性能直接影響整機(jī)作業(yè)質(zhì)量、生產(chǎn)效率和作業(yè)成本。相關(guān)學(xué)者對(duì)莖稈切碎技術(shù)進(jìn)行了研究，章志強(qiáng)等[6]研制了一種玉米秸稈粉碎還田機(jī)，采用刀具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓流場(chǎng)輔助秸稈撿拾和拋撒；侯守印等[7]對(duì)側(cè)向清茬刀清茬、輸送、拋扔等作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了分析研究；SINGH等[8]設(shè)計(jì)了一種水稻秸稈粉碎還田機(jī)，采用動(dòng)定刀配置提高了秸稈粉碎效果。上述研究主要集中于作物收獲后已被切斷莖稈的二次粉碎和拋撒技術(shù)研究，不適用未被切斷、韌性較強(qiáng)的馬鈴薯莖稈切碎作業(yè)，同時(shí)，馬鈴薯莖葉切碎過(guò)程需實(shí)現(xiàn)全壟表面作業(yè)，不同位置刀具入土深度需要嚴(yán)格控制，應(yīng)用現(xiàn)有莖稈粉碎技術(shù)作業(yè)效果并不理想。目前，針對(duì)馬鈴薯莖葉切碎關(guān)鍵技術(shù)與部件研究較少，呂金慶等[9]設(shè)計(jì)了一種新型馬鈴薯殺秧機(jī)，針對(duì)甩刀排列方式對(duì)殺秧性能的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[10-11]對(duì)馬鈴薯殺秧機(jī)關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究及田間驗(yàn)證試驗(yàn)，但其均未對(duì)刀具工作過(guò)程進(jìn)行科學(xué)理論分析，導(dǎo)致優(yōu)化組合參數(shù)不合理。

針對(duì)現(xiàn)有馬鈴薯莖葉切碎機(jī)作業(yè)打碎長(zhǎng)度合格率低、帶薯率高、作業(yè)效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種全壟仿形式莖葉切碎刀輥，對(duì)刀具工作過(guò)程進(jìn)行分析，建立刀具運(yùn)動(dòng)、刀具-莖稈碰撞和莖稈撿拾數(shù)學(xué)模型，確定影響裝置工作性能主要參數(shù)，完成全壟仿形式莖葉切碎刀輥總體結(jié)構(gòu)與莖葉切碎刀具設(shè)計(jì)，并采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)原則

全壟仿形式莖葉切碎刀輥主要功能是實(shí)現(xiàn)壟頂、壟側(cè)、壟間和壟底的馬鈴薯莖葉切割、撿拾、切碎、拋撒及均勻覆蓋于地表。作業(yè)過(guò)程莖葉打切碎需適度，打碎長(zhǎng)度合格率過(guò)低影響馬鈴薯后續(xù)收獲質(zhì)量和工作效率，打碎長(zhǎng)度合格率過(guò)高導(dǎo)致功耗油耗增加。同時(shí)，在保證打碎長(zhǎng)度合格率前提下，需實(shí)現(xiàn)較低帶薯率和較高的作業(yè)速度，以提高馬鈴薯收獲質(zhì)量和莖葉切碎效率。在前期研究基礎(chǔ)上，參照文獻(xiàn)[12]，確定全壟仿形式莖葉切碎刀輥設(shè)計(jì)原則為：作業(yè)速度大于3 km/h；打碎長(zhǎng)度合格率大于90%；帶薯率小于0.3%。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

圖1 馬鈴薯莖葉切碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure composition of potato stem and leaf chopper1.限位行走輪 2.防護(hù)罩蝸殼 3.機(jī)架 4.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.中央傳動(dòng)箱 7.全壟仿形式莖葉切碎刀輥

馬鈴薯莖葉切碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由全壟仿形式莖葉切碎刀輥、機(jī)架、中央傳動(dòng)箱、萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、防護(hù)罩蝸殼和限位行走輪組成。全壟仿形式莖葉切碎刀輥通過(guò)軸承固連于馬鈴薯莖葉切碎機(jī)主機(jī)架上，通過(guò)中央變速箱經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)和帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與中央傳動(dòng)箱間設(shè)置離合器，起到過(guò)載保護(hù)作用。全壟仿形式莖葉切碎刀輥與防護(hù)罩蝸殼配合形成蝸殼與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可形成垂直氣流負(fù)壓場(chǎng)，有助于提高莖葉撿拾率與拋撒均勻度。

1.3 工作原理

馬鈴薯全壟仿形式莖葉切碎刀輥結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由滾筒、銷(xiāo)軸、刀具、軸承等零部件組成，4種刀具通過(guò)不同配合形成5種刀組均通過(guò)銷(xiāo)軸與滾筒上的刀座鉸接，刀組Ⅰ中的刀具Ⅰ-a與刀組Ⅱ中的刀具Ⅱ-a位于同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，同理，Ⅱ-b與Ⅲ-b、Ⅲ-c與Ⅳ-c、Ⅳ-d與Ⅴ-d位于同一平面內(nèi)，各刀具端部連接曲線與壟體輪廓擬合。機(jī)具工作時(shí)，拖拉機(jī)通過(guò)后懸掛裝置與馬鈴薯莖葉切碎機(jī)連接，帶動(dòng)其做直線運(yùn)動(dòng)，并由后動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)中央傳動(dòng)箱，經(jīng)中央傳動(dòng)箱換向后經(jīng)萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)全壟仿形式刀輥高速反旋。5種刀組根據(jù)壟體尺寸及各自功能要求以特定規(guī)律布置于滾筒上，當(dāng)滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下刀具沿滾筒徑向展開(kāi)，刀組端部與壟體(壟頂、壟側(cè)、壟間、壟底)擬合，并做直線旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)督M與壟體表面的馬鈴薯莖葉及雜草接觸時(shí)，刀具對(duì)其進(jìn)行沖擊切割、撿拾，并在刀組與防護(hù)罩間產(chǎn)生的高速垂直氣流輔助下通過(guò)導(dǎo)流板拋撒于機(jī)具后方地表。由于刀組根據(jù)壟體仿形布置，在保證撿拾效果條件下避免了由于壟體形狀不規(guī)則造成刀具與土壤過(guò)度接觸，導(dǎo)致帶薯率升高、功耗油耗增加、作業(yè)速度降低。

圖2 馬鈴薯全壟仿形式莖葉切碎刀輥結(jié)構(gòu)及工作原理圖Fig.2 Structure and working principle of potato full ridge imitation stem and leaf chopping knife roller1.刀具 2.銷(xiāo)軸 3.軸承 4.滾筒 5.地壟

2 刀具工作過(guò)程分析及參數(shù)確定

2.1 刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

刀具運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)具直線運(yùn)動(dòng)與繞滾筒軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，刀具的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡可以直觀反映刀具與馬鈴薯莖葉的接觸過(guò)程，而作業(yè)過(guò)程中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡又與其運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，所以，需根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)配置特點(diǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析[13-14]。以全壟仿形式莖葉切碎刀輥旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，莖葉切碎機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正向，豎直向下為y軸正向，建立xOy直角坐標(biāo)系，如圖3所示，全壟仿形式莖葉切碎刀輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可得刀具端部絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，點(diǎn)A和點(diǎn)C分別是刀具1切割莖葉時(shí)的最低點(diǎn)和終點(diǎn)，點(diǎn)B和點(diǎn)D分別是相鄰刀具2切割莖葉時(shí)最低點(diǎn)和終點(diǎn)。刀具1端部運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

式中ω——刀輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

vm——作業(yè)速度，m/s

r——刀具回轉(zhuǎn)半徑，mm

圖3 刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程及莖葉切碎原理示意圖Fig.3 Schematic of cutter movement process and principle of cauline leaf chopped

為了保證刀具切割的均勻性和滾筒高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡要求，同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)刀具周向需均勻布置[15]，由此可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)過(guò)相鄰刀具夾角時(shí)，機(jī)具前進(jìn)距離為

(2)

式中β——相鄰刀具夾角，rad

由式(1)可知相鄰刀具2工作運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)D縱坐標(biāo)可表示為

yd=rcos(ωtD-β)

(3)

式中tD——刀具2運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)D的時(shí)間，s

結(jié)合圖3全壟仿形式莖葉切碎刀輥工作尺寸，由式(3)可得刀具2運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)D時(shí)間表達(dá)式為

(4)

式中H——刀輥離地距離，mm

h——馬鈴薯莖稈高度，mm

對(duì)式(3)進(jìn)行三角函數(shù)變換，可得方程

(5)

由式(1)可知刀具2工作運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)D橫坐標(biāo)為

xd=1 000vmtD+rsin(ωtD-β)

(6)

將式(4)、(5)代入式(6)可得

(7)

同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)周向布置的所有刀具每轉(zhuǎn)動(dòng)一周就會(huì)切割一次莖葉，相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度直接影響刀具的工作效率[16]。刀具2切割莖葉時(shí)完整的切割軌跡為曲線BD，相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度可表示為

δ=xd-xb

(8)

將式(2)和式(7)代入(8)中，可得相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度為

(9)

在不改變機(jī)具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的情況下，增大相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度，刀具的有效切割率降低，工作效率降低。由式(9)可以看出，影響相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度主要因素有前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥離地距離、刀具回轉(zhuǎn)半徑和馬鈴薯莖稈高度等。其中回轉(zhuǎn)半徑可通過(guò)理論計(jì)算獲得，而馬鈴薯莖稈高度已確定，所以，前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥離地距離成為影響刀具工作性能關(guān)鍵因素。

2.2 刀具-莖稈碰撞過(guò)程分析

刀具高速旋轉(zhuǎn)與馬鈴薯莖稈碰撞，依靠瞬時(shí)產(chǎn)生的沖量對(duì)其進(jìn)行切割[17]。由于本文假設(shè)不考慮刀具與土壤互作關(guān)系，刀具與莖稈碰撞時(shí)能量損失可表示為

(10)

式中J——刀具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

m——莖稈質(zhì)量，kg

ρ0——莖稈初始回轉(zhuǎn)半徑，mm

ω0——刀具碰撞瞬間角速度，rad/s

碰撞后被切斷莖稈迅速?gòu)摩?加速到ω，隨刀具同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)獲得碰撞后沿刀具刃口方向的徑向滑移初速度，開(kāi)始沿刀具刃口徑向作滑移運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程能量損失可表示為

(11)

根據(jù)動(dòng)量矩定理可求得刀具碰撞瞬間角速度，結(jié)合式(10)和式(11)可得碰撞過(guò)程總能量損失為

(12)

由于刀具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)大于莖稈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)式(12)進(jìn)行化簡(jiǎn)，并根據(jù)能量守恒定律可得

(13)

式中va0——莖稈初始運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度，m/s

將莖稈絕對(duì)速度分解成隨刀具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的牽連速度和沿刀具刃口徑向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度，由式(13)可得莖稈沿刀具刃口初始滑移速度為

(14)

式中θ——莖稈離心力與刀具刃口夾角，rad

由式(14)可知，刀具-莖稈碰撞過(guò)程莖稈沿刀具刃口初始滑移速度與莖稈初始回轉(zhuǎn)半徑、刀輥旋轉(zhuǎn)角速度、秸稈離心力與刀具刃口夾角有關(guān)，并且各因素與莖稈沿刀具刃口初始滑移速度呈正相關(guān)，即隨著各因素?cái)?shù)值增大，莖稈沿刀具刃口初始滑移速度越快，莖稈在刀具刃口表面滑移時(shí)間縮短，有利于莖稈實(shí)現(xiàn)拋撒，但過(guò)高的初始速度也會(huì)導(dǎo)致莖稈過(guò)早脫離刀具，導(dǎo)致莖稈切斷后撿拾率降低，影響后續(xù)莖稈二次切碎[18]。

2.3 莖稈撿拾過(guò)程分析

被刀具切割后的莖稈隨刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)入防護(hù)罩蝸殼內(nèi)完成撿拾作業(yè)，撿拾過(guò)程莖稈在隨刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)具有沿刀具刃口表面滑移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。為了在莖稈撿拾結(jié)束后能夠?qū)崿F(xiàn)拋撒，需要保證莖稈實(shí)現(xiàn)沿刀具向外運(yùn)動(dòng)。對(duì)撿拾過(guò)程莖稈進(jìn)行受力分析，受力包括重力、離心力、科氏力、刀具對(duì)其正壓力和摩擦力，受力分析如圖4所示。莖稈相對(duì)刀具刃口表面運(yùn)動(dòng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具旋轉(zhuǎn)為牽連運(yùn)動(dòng)，由莖稈運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力分析可知，當(dāng)莖稈沿刀具刃口切線方向所受合力不小于零時(shí)，莖稈具有相對(duì)刀具向外或向內(nèi)滑移的趨勢(shì)[19-20]。為保證莖稈不會(huì)被回帶，順利進(jìn)入保護(hù)罩蝸殼內(nèi)進(jìn)行定向輸送，莖稈撿拾過(guò)程中受力應(yīng)滿足

(15)

其中

FL=mρω2f=μFN

γ=ωt+φ-θ

式中φ——刀具傾角，rad

l——莖稈位移，mm

FL——離心力，N

FN——正壓力，N

f——摩擦力，N

ρ——莖稈回轉(zhuǎn)半徑，mm

μ——莖稈與刀具間摩擦因數(shù)

γ——莖稈位置角，rad

整理式(15)可得

(16)

圖4 莖稈撿拾過(guò)程受力分析Fig.4 Stress analysis of stalk collecting process

通過(guò)對(duì)刀具-莖稈碰撞過(guò)程分析獲得莖稈沿刀具刃口初始滑切速度表達(dá)式為式(14)，為了實(shí)現(xiàn)莖稈沿刀具刃口有向外滑動(dòng)趨勢(shì)，莖稈被刀具切斷后隨刀具初始旋轉(zhuǎn)時(shí)即有向外運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，將式(14)代入式(16)整理可得

(17)

由式(17)可知，刀輥轉(zhuǎn)速、刀具傾角、秸稈與刀具間摩擦因數(shù)、莖稈初始回轉(zhuǎn)半徑之間需滿足一定關(guān)系條件才能保證莖稈沿刀具向外運(yùn)動(dòng)，其中莖稈初始回轉(zhuǎn)半徑、撿拾位置根據(jù)莖稈切割農(nóng)業(yè)要求可以確定，刀具傾角和摩擦因數(shù)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)量獲得，所以在特定條件下可獲得最小刀輥轉(zhuǎn)速。

3 全壟仿形式莖葉切碎刀輥設(shè)計(jì)

3.1 刀輥關(guān)鍵參數(shù)確定

為提高馬鈴薯莖葉切割、撿拾、切碎和拋撒效果，降低功耗，全壟仿形式莖葉切碎刀輥刀具均采用葉片形式，即刀具沿滾筒軸線方向尺寸與刀具厚度比較大，其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可形成負(fù)壓場(chǎng)，輔助刀具撿拾切割后的馬鈴薯莖葉，保證莖葉順利進(jìn)入防護(hù)罩蝸殼內(nèi)部完成切碎和拋撒，同時(shí)，使切碎后的馬鈴薯莖葉具有更高的初始速度，提高拋撒距離和覆蓋均勻度[21]。全壟仿形式莖葉切碎刀輥上刀具排列應(yīng)滿足同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)刀具對(duì)稱(chēng)布置；在滾筒軸向上，相鄰刀組橫向安裝距離要相等，在保證不漏切條件下盡可能選取較大值，刀組軸向等相位角排列，以避免纏草堵塞。通過(guò)上述分析，確定全壟仿形式莖葉切碎刀輥刀具排列方式為對(duì)稱(chēng)排列，如圖5所示。

圖5 滾筒結(jié)構(gòu)及刀具排列規(guī)律Fig.5 Drum structure and cutter arrangement rule

圖5b中y軸正向表示刀具縱向展開(kāi)角，x軸表示刀具橫向排列位置。為了達(dá)到仿壟形的目的，每3把刀具分為一組，對(duì)稱(chēng)安裝在滾筒刀座上的對(duì)應(yīng)位置。如圖5a所示，刀具共分為11組，同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)安裝兩把刀具，刀具間相位角為180°。在滾筒軸向上，相鄰刀組之間的相位角為90°或45°。軸向相鄰兩組刀具的安裝間距直接影響莖葉切碎機(jī)的作業(yè)效果，間距過(guò)小，容易引起雜草纏繞和粘土嚴(yán)重的問(wèn)題，需要頻繁清理，不僅增加了機(jī)具故障率還降低了機(jī)具作業(yè)效率；距離過(guò)大會(huì)導(dǎo)致打碎長(zhǎng)度合格率低、留茬高度不均等問(wèn)題，綜合考慮以上因素最終設(shè)計(jì)軸向相鄰刀組安裝座之間的間距為125 mm。

刀具回轉(zhuǎn)半徑對(duì)莖葉切碎質(zhì)量、拋撒效果、刀輥動(dòng)平衡及功耗均有重要影響。刀輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著刀具回轉(zhuǎn)半徑的增大，刀具線速度增大，馬鈴薯莖葉切碎效果較好，拋撒初速度增大，但全壟仿形式莖葉切碎刀輥振動(dòng)和功耗也隨之增加?，F(xiàn)有秸稈還田機(jī)動(dòng)刀回轉(zhuǎn)直徑范圍為480～800 mm[22-23]，由于本次設(shè)計(jì)4種刀具，刀具長(zhǎng)度尺寸不同，為了兼顧短尺寸刀具的工作線速度，綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)配置，選取刀具回轉(zhuǎn)半徑最大值為375 mm，根據(jù)壟體結(jié)構(gòu)尺寸和馬鈴薯留茬高度，確定刀具回轉(zhuǎn)半徑最小值為255 mm。

刀具端部線速度是影響馬鈴薯莖葉切碎效果的關(guān)鍵因素，而刀具端部線速度與刀輥轉(zhuǎn)速、刀具回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，參照文獻(xiàn)[24-26]，農(nóng)作物莖稈切碎線速度范圍設(shè)計(jì)為30～48 mm/s，刀輥轉(zhuǎn)速、刀具回轉(zhuǎn)半徑與刀具端部線速度關(guān)系可表示為

(18)

其中

式中n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

將已知條件代入式(18)可得，刀輥角速度為117.65～188.24 rad/s，轉(zhuǎn)速為1 124～1 798 r/min。

防護(hù)罩蝸殼莖稈入口與壟頂平面距離是影響馬鈴薯莖稈喂入量的重要因素，距離過(guò)大容易導(dǎo)致隨刀具運(yùn)動(dòng)的莖稈未到達(dá)防護(hù)罩蝸殼入口時(shí)就脫離刀具，造成秸稈撿拾失敗，同時(shí)，距離增大需要增大刀具回轉(zhuǎn)半徑，容易導(dǎo)致裝置振動(dòng)加劇，功耗增加；距離減小有利于刀具和氣流協(xié)同撿拾馬鈴薯莖葉，但過(guò)小的距離容易導(dǎo)致莖稈在防護(hù)罩蝸殼入口處堵塞。通過(guò)分析，防護(hù)罩蝸殼入口與壟頂平面距離需滿足條件

(19)

式中hmin——刀具端部與壟頂平面最小距離，mm

h0——防護(hù)罩蝸殼入口與壟頂平面距離，mm

為防止刀具與土壤接觸，刀具端部與壟頂平面最小距離設(shè)計(jì)為20 mm，將已知條件代入式(19)可得，防護(hù)罩蝸殼入口與壟頂平面之間距離范圍為127.5～227.5 mm?？紤]到機(jī)架底面與壟頂平面之間距離為220 mm，為便于安裝，防護(hù)罩蝸殼入口與壟頂平面之間距離設(shè)計(jì)為220 mm。

3.2 刀具設(shè)計(jì)

由于馬鈴薯采用壟上種植模式，壟體空間不同位置結(jié)構(gòu)尺寸差異較大，為提高馬鈴薯莖葉切碎質(zhì)量和工作效率的同時(shí)降低帶薯率、減少馬鈴薯?yè)p傷，本研究設(shè)計(jì)4種刀具，通過(guò)5種組合對(duì)壟體表面形態(tài)擬合，實(shí)現(xiàn)全壟仿形，根據(jù)北方馬鈴薯種植的壟體形狀特點(diǎn)及對(duì)留茬高度的要求，刀具形狀及主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

圖6 刀具形狀與結(jié)構(gòu)尺寸Fig.6 Cutter shape and structure size

根據(jù)刀具工作特點(diǎn)和作業(yè)條件，為了延長(zhǎng)刀具的使用壽命，需提高刀具的硬度和耐磨性，4種刀具端部工作部分均進(jìn)行淬火處理，表面硬度達(dá)到HRC55。壟頂?shù)毒呓Y(jié)構(gòu)如圖6a所示，主要實(shí)現(xiàn)壟頂馬鈴薯莖稈切割、撿拾、切碎和拋撒，后續(xù)馬鈴薯機(jī)械收獲過(guò)程主要在壟頂平面進(jìn)行，所以其必須具有較高的撿拾和切碎性能，因此在原有壟頂?shù)毒呋A(chǔ)上設(shè)計(jì)了折彎角145°，折彎方向與刀具旋轉(zhuǎn)方向相同，即壟頂?shù)毒吖ぷ鲿r(shí)具有前傾角。根據(jù)文獻(xiàn)[27]可知，前傾角可有效提高撿拾率，防止切斷后的莖稈短時(shí)間內(nèi)脫離刀具。壟側(cè)刀具結(jié)構(gòu)如圖6b所示，其主要完成壟側(cè)和壟頂平面相鄰過(guò)渡區(qū)域莖稈的切斷與撿拾。由于馬鈴薯莖稈形態(tài)復(fù)雜、韌性較強(qiáng)，壟頂?shù)毒邠焓暗那o稈延伸到壟側(cè)，不及時(shí)將其切斷很容易出現(xiàn)莖稈纏繞滾筒現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)具無(wú)法正常工作，因此，根據(jù)壟體尺寸，壟側(cè)刀具設(shè)計(jì)為豎直方向呈60°夾角的斜刃，可實(shí)現(xiàn)壟頂平面和壟側(cè)過(guò)渡區(qū)仿形，有效切斷此區(qū)域內(nèi)的馬鈴薯莖稈。由于壟頂和壟底高度差較大，壟頂?shù)毒吆蛪艂?cè)刀具的回轉(zhuǎn)半徑尺寸無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)壟底馬鈴薯莖稈的切割，需增大壟底刀具的長(zhǎng)度，但過(guò)長(zhǎng)的刀具設(shè)計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致功率消耗顯著增大，為了避免這一現(xiàn)象，將壟底刀具旋轉(zhuǎn)90°，如圖6c所示，即壟底刀具端部能夠?qū)崿F(xiàn)馬鈴薯莖稈切割，但不具有產(chǎn)生氣流場(chǎng)功能，因此，可實(shí)現(xiàn)在不影響工作性能條件下，降低機(jī)具作業(yè)功耗。為了提高馬鈴薯莖葉切碎效率，在馬鈴薯莖稈進(jìn)入防護(hù)罩蝸殼內(nèi)最大程度實(shí)現(xiàn)多段切碎，在壟頂與壟底間增設(shè)與壟底刀具結(jié)構(gòu)相同的壟間刀具，如圖6d所示。壟底刀具和壟間刀具均設(shè)置折彎角135°，折彎面與壟側(cè)貼合，可提高刀具切割與撿拾精度與效率。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

2021年9月12—15日在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行馬鈴薯全壟仿形式莖葉切碎刀輥參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)于馬鈴薯收獲前7 d進(jìn)行。試驗(yàn)地長(zhǎng)1 000 m，壟距800 mm，壟高230～250 mm。試驗(yàn)田地表馬鈴薯莖稈含水率為30%，土壤含水率為18.8%～21.2%，土壤容重為1.15 g/cm3,土壤孔隙度56.7%。試驗(yàn)馬鈴薯品種為東農(nóng)310，結(jié)薯深度為160～210 mm，莖葉高度為400 mm。田間試驗(yàn)過(guò)程及效果如圖7所示。

試驗(yàn)儀器與裝置：約翰迪爾904型拖拉機(jī)、配有全仿形式莖葉切碎刀輥的2行馬鈴薯莖葉切碎機(jī)、DHK-JYD型土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定計(jì)、JK-100F型土壤水分測(cè)定儀、YB502型電子天平、數(shù)碼攝像機(jī)和卷尺等。

圖7 田間參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)Fig.7 Field parameter combination optimization experiment

4.2 試驗(yàn)因素取值與評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥離地距離為試驗(yàn)因素，打碎長(zhǎng)度合格率、帶薯率為評(píng)價(jià)指標(biāo)[28-29]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有2行馬鈴薯莖葉切碎機(jī)作業(yè)速度大于5 km/h時(shí)，作業(yè)質(zhì)量無(wú)法滿足后續(xù)機(jī)械化收獲作業(yè)要求，為了提高機(jī)具作業(yè)效率，將5 km/h設(shè)置為中心水平；通過(guò)刀具作業(yè)過(guò)程分析和全仿形式莖葉切碎刀輥設(shè)計(jì)確定了刀輥轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)置刀輥轉(zhuǎn)速上下極限值分別為1 800、1 100 r/min；刀具回轉(zhuǎn)半徑和留茬高度一定時(shí)，刀輥離地間隙可以確定，刀具回轉(zhuǎn)半徑理論計(jì)算最小值為255 mm，即為壟頂?shù)毒呋剞D(zhuǎn)半徑，根據(jù)刀輥關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，刀具端部與壟頂平面最小距離確定為20 mm，所以刀輥離地距離的中心水平設(shè)置為275 mm。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of test factors

為了便于打碎長(zhǎng)度合格率指標(biāo)測(cè)量，當(dāng)馬鈴薯莖葉切碎機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，在其莖稈拋撒出口設(shè)置莖稈收集裝置，將測(cè)試區(qū)內(nèi)收集的切碎后莖稈隨機(jī)選取部分進(jìn)行稱(chēng)量，同時(shí)挑取打碎長(zhǎng)度不合格莖稈再進(jìn)行稱(chēng)量，馬鈴薯莖稈打碎長(zhǎng)度合格率計(jì)算公式為

(20)

式中Mj0——打碎長(zhǎng)度不合格莖稈質(zhì)量，g

Mj——測(cè)試莖稈樣本總質(zhì)量，g

帶薯率通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)試區(qū)間內(nèi)被刀具帶出地表的馬鈴薯質(zhì)量和馬鈴薯總質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，帶薯率計(jì)算公式為

(21)

式中Ms0——地表帶出馬鈴薯質(zhì)量，kg

Ms——馬鈴薯總質(zhì)量，kg

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)共實(shí)施23組處理，中心點(diǎn)試驗(yàn)9組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取測(cè)量數(shù)據(jù)平均值為最終值，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experimental design and results

4.4 方差分析與擬合度檢驗(yàn)

使用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析[30]，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行多元回歸擬合，得到打碎長(zhǎng)度合格率、帶薯率回歸方程，檢驗(yàn)各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響顯著性。

打碎長(zhǎng)度合格率方差分析如表3所示。對(duì)于打碎長(zhǎng)度合格率評(píng)價(jià)指標(biāo)，作業(yè)速度和刀輥離地距離具有顯著性影響，刀輥轉(zhuǎn)速具有極顯著性影響，同時(shí)，作業(yè)速度與刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速與刀輥離地距離交互作用均具有極顯著影響，各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響由大到小依次為刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、刀輥離地距離。打碎長(zhǎng)度合格率回歸方程為對(duì)打碎長(zhǎng)度合格率回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P=0.135 9，失擬檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，表明對(duì)打碎長(zhǎng)度合格率評(píng)價(jià)指標(biāo)有顯著影響的因素均已考慮，評(píng)價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)因素之間存在顯著的二次關(guān)系，回歸模型可以接受。

(22)

表3 打碎長(zhǎng)度合格率方差分析Tab.3 Analysis of variance of qualified rate of broken length

帶薯率方差分析如表4所示。對(duì)于帶薯率評(píng)價(jià)指標(biāo)作業(yè)速度具有顯著性影響，刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥離地距離均具有極顯著影響，同時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥離地距離交互作用具有極顯著影響，各因素對(duì)帶薯率評(píng)價(jià)指標(biāo)影響由大到小依次為刀輥離地距離、刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度。帶薯率回歸方程為

(23)

表4 帶薯率方差分析Tab.4 Analysis of variance of potato carrying rate

對(duì)回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P=0.173 0，失擬檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，證明對(duì)帶薯率評(píng)價(jià)指標(biāo)有顯著影響的因素均已考慮，評(píng)價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)因素之間存在顯著的二次關(guān)系，回歸模型可以接受。

4.5 各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律

4.5.1各因素對(duì)打碎長(zhǎng)度合格率的影響

如圖8a所示，當(dāng)?shù)遁侂x地距離為275 mm時(shí)，在刀輥轉(zhuǎn)速小于1 450 r/min條件下，隨著作業(yè)速度的增大，打碎長(zhǎng)度合格率呈降低趨勢(shì)，并且刀輥轉(zhuǎn)速越小打碎長(zhǎng)度合格率降低趨勢(shì)越顯著，這主要是由于隨著作業(yè)速度增大，相鄰刀具在機(jī)具前進(jìn)方向切割重合長(zhǎng)度增大，切割效率降低，導(dǎo)致打碎長(zhǎng)度合格率降低，這與前述理論分析相吻合。在刀輥轉(zhuǎn)速大于1 450 r/min條件下，隨著作業(yè)速度增大打碎長(zhǎng)度合格率呈先降低后升高趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著，可以近似認(rèn)為當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速較高時(shí)，在此設(shè)計(jì)作業(yè)速度范圍內(nèi)均能達(dá)到較高的打碎長(zhǎng)度合格率。在作業(yè)速度較小條件下，隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大打碎長(zhǎng)度合格率呈先增大后減小趨勢(shì)，作業(yè)速度大于4 km/h時(shí)，隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大打碎長(zhǎng)度合格率呈增大趨勢(shì)。這可能是由于當(dāng)作業(yè)速度較低時(shí)，機(jī)具的馬鈴薯莖葉喂入量降低，進(jìn)入防護(hù)罩蝸殼內(nèi)分布密度較低，對(duì)刀具產(chǎn)生的阻力減小，刀輥轉(zhuǎn)速增大到一定值時(shí)出現(xiàn)莖稈帶出而不破碎現(xiàn)象。

如圖8b所示，當(dāng)作業(yè)速度為5 km/h時(shí)，在刀輥轉(zhuǎn)速小于1 450 r/min條件下，隨著刀輥離地距離增大打碎長(zhǎng)度合格率呈降低趨勢(shì)，在刀輥轉(zhuǎn)速大于1 450 r/min條件下，打碎長(zhǎng)度合格率隨刀輥離地距離增大呈先減小后增大趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著。這主要是由于當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速較低時(shí)，馬鈴薯莖葉沿刀具滑移速度減小，隨著刀輥離地距離增大，刀具與防護(hù)罩蝸殼形成的負(fù)壓流場(chǎng)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致進(jìn)入防護(hù)罩蝸殼內(nèi)莖葉與刀具端部距離增大，切碎效果降低，打碎長(zhǎng)度合格率隨之降低。當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速較高時(shí)，莖葉主要處于刀具與防護(hù)罩蝸殼之間，集中破碎能力較強(qiáng)，破碎效果較好，此時(shí)，刀輥離地距離變化對(duì)打碎長(zhǎng)度合格率影響較小。

4.5.2各因素對(duì)帶薯率的影響

圖8 各因素影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surfaces of influence of various factors on evaluation indexes

如圖8c所示，當(dāng)作業(yè)速度5 km/h時(shí)，在刀輥轉(zhuǎn)速一定條件下，隨著刀輥離地距離增大帶薯率呈逐漸減小趨勢(shì)，并且這種趨勢(shì)隨著刀輥轉(zhuǎn)速增大顯著性逐漸降低。這主要是由于當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時(shí)，刀輥離地距離增大，刀具回轉(zhuǎn)半徑一定，其與馬鈴薯莖稈群體的作用有效接觸面積減小，作用力降低，馬鈴薯被刀具帶出地表能力降低，帶薯率減小。在刀輥離地距離小于250 mm條件下，隨刀輥轉(zhuǎn)速增大帶薯率呈減小趨勢(shì)，這主要是由于刀輥轉(zhuǎn)速增大，刀具對(duì)莖葉的沖量增大，可較順利切斷馬鈴薯莖稈，而不會(huì)將馬鈴薯帶出地表。在刀輥離地距離大于250 mm條件下，隨刀輥轉(zhuǎn)速增大帶薯率呈先增大后減小趨勢(shì)，但增大和減小趨勢(shì)均不顯著。

如圖8d所示，當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為1 450 r/min時(shí)，刀輥離地距離在任何條件下，隨著作業(yè)速度增大帶薯率呈減小趨勢(shì)，這主要是由于當(dāng)作業(yè)速度較大時(shí)，刀具對(duì)馬鈴薯莖稈作用力豎直方向分力減小，馬鈴薯被帶出的能力降低，帶薯率減小。

4.6 參數(shù)組合優(yōu)化

在提高作業(yè)效率的前提下，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)作業(yè)質(zhì)量為原則，以各因素水平區(qū)間為約束條件，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行參數(shù)組合多目標(biāo)優(yōu)化。考慮到實(shí)際工作過(guò)程中作業(yè)速度和刀輥離地距離為變量，而當(dāng)機(jī)具定型時(shí)刀輥轉(zhuǎn)速為定值，因此選取刀輥轉(zhuǎn)速為1 450 r/min進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。圖中黃色區(qū)域?yàn)樽罴压ぷ鲄^(qū)域，當(dāng)作業(yè)速度3.5～6.7 km/h、刀輥離地距離285～317 mm時(shí)，打碎長(zhǎng)度合格率大于90%，帶薯率小于等于0.3%，優(yōu)化結(jié)果滿足馬鈴薯莖葉切碎作業(yè)相關(guān)農(nóng)藝要求。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。在優(yōu)化區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取3組參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，打碎長(zhǎng)度合格率不小于94.2%，帶薯率不大于0.24%，全壟仿形式莖葉切碎刀輥評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果均在優(yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，優(yōu)化組合結(jié)果可信。

通過(guò)對(duì)圖9參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在刀輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)(1 450 r/min)，不同的刀輥離地距離均對(duì)應(yīng)特定作業(yè)速度范圍，在此作業(yè)速度范圍內(nèi)馬鈴薯莖葉切碎質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。由于機(jī)具實(shí)際作業(yè)過(guò)程中土壤條件、工作環(huán)境、操作技能等因素會(huì)引起作業(yè)速度在設(shè)定值的上下波動(dòng)，所以該優(yōu)化結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中工況時(shí)變化要求。

圖9 參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimization parameters combination results

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Validation test results

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種全壟仿形式莖葉切碎刀輥，對(duì)刀具工作過(guò)程進(jìn)行分析，建立了刀具運(yùn)動(dòng)、刀具-莖稈碰撞和莖稈撿拾數(shù)學(xué)模型，確定了影響裝置工作性能主要參數(shù)，完成了全壟仿形式莖葉切碎刀輥總體結(jié)構(gòu)和4種莖葉切碎刀具設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)于打碎長(zhǎng)度合格率評(píng)價(jià)指標(biāo)，作業(yè)速度和刀輥離地距離具有顯著性影響，刀輥轉(zhuǎn)速具有極顯著性影響，作業(yè)速度與刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速與刀輥離地距離交互作用均具有極顯著影響；對(duì)于帶薯率評(píng)價(jià)指標(biāo)，作業(yè)速度具有顯著性影響，刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥離地距離均具有極顯著影響，刀輥轉(zhuǎn)速與刀輥離地距離交互作用具有極顯著影響。

(3)當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速1 450 r/min，作業(yè)速度3.5～6.7 km/h、刀輥離地距離285～317 mm時(shí)，打碎長(zhǎng)度合格率大于90%，帶薯率小于等于0.3%。