摘要：針對(duì)寒地黑土區(qū)水稻秸稈還田機(jī)消耗功率大、秸稈腐解速度慢的問題，設(shè)計(jì)具有腐解劑精量噴施功能的秸稈還田機(jī)，并探究刀軸扭矩最小時(shí)的耕作參數(shù)組合。對(duì)還田機(jī)的自動(dòng)升降平地裝置、菌劑噴灑裝置、秸稈量識(shí)別系統(tǒng)和還田彎刀進(jìn)行設(shè)計(jì)：菌劑噴灑裝置采用由PLC驅(qū)動(dòng)的電磁閥控制噴施量；秸稈量識(shí)別系統(tǒng)可分別對(duì)粉碎堆積秸稈和留茬秸稈進(jìn)行數(shù)量評(píng)估并將數(shù)據(jù)信息傳遞至菌劑噴灑裝置；還田彎刀設(shè)計(jì)采用Workbench 2022 R1軟件進(jìn)行仿真分析，得到彎刀最佳參數(shù)結(jié)果：彎刀刃長(zhǎng)240 mm、刃寬80 mm、彎折角115°；采用三因素三水平旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，建立刀軸扭矩與試驗(yàn)因素的關(guān)系。采用Design-Expert軟件進(jìn)行方差分析處理，結(jié)果表明，因素對(duì)指標(biāo)影響的順序關(guān)系為：耕深gt;旋轉(zhuǎn)速度gt;單位面積秸稈量gt;耕深的二次項(xiàng)gt;耕深與旋轉(zhuǎn)速度的交互作用gt;旋轉(zhuǎn)速度與單位面積秸稈量的交互作用，并得到交互作用的響應(yīng)曲面圖以及最優(yōu)參數(shù)組合為耕深20 cm、旋轉(zhuǎn)速度為240 r/min、單位面積秸稈量為3.5 kg/m2。進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到扭矩平均值為24.32 N ? m，與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.7%，預(yù)測(cè)模型可靠，且秸稈翻埋率達(dá)96.8%。

關(guān)鍵詞：寒地黑土區(qū)；秸稈還田機(jī)；靜力學(xué)仿真；精量噴藥；最優(yōu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S232.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0001?08

Design of rice straw returning machine and test of optimal tillage parameters

in cold black soil area

Ge Yiyuan1， 2， Sun Xiuhan1， Liu Hengjia1， Ma Liuxuan1， 2， Liang Qiuyan1， 2， Yang Chuanhua1， 2

（1. School of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China；

2. Heilongjiang Key Laboratory of Field Agricultural Equipment Engineering Technology， Jiamusi， 154007， China）

Abstract： Aiming at the problems of high?power consumption and slow straw decomposition speed of rice straw returner in the cold black soil area， a straw returner with the function of fine spraying of decomposers was designed， and the combination of ploughing parameters with the minimum torque of the knife shaft" was explored. The automatic lifting?and?levelling device， the fungicide spraying device， the straw quantity identification system and the curved cutter of the field returning machine were designed. The fungicide spraying device adopted the PLC-driven solenoid valve to control the spraying quantity. The straw quantity identification system could evaluate the quantities of crushed?and?piled?up straw and stubble straw respectively and transfer the data information to the fungicide spraying device. Workbench 2022 R1 software was used to simulate and analyze the design of field return cutter， and the optimum parameters of the cutter were 240 mm blade length， 80 mm blade width and 115° bending angle. A three?factor?three?level rotary orthogonal test was used to establish the relationship between the cutter torque and the test factors. Design-Expert software was used for ANOVA processing， and the results showed that the relationships of the factors on the indexes were as follows： [Agt;Bgt;Cgt;A2gt;ABgt;BC] （[A] is the ploughing depth， [B] is the rotational speed， [C] is the amount of straw per unit area）." The response surface plot of the interaction was obtained and the optimal parameter combinations" was the ploughing depth of 20 cm， the rotational speed of 240 r/min， and the amount of straw per unit area of 3.5 kg/m2. A validation test was carried out， and the test results showed that the average torque was 24.32 N ? m， the relative error with the predicted value of the model was 0.7%， the prediction model was reliable and the straw burying rate reached 96.8%.

Keywords： cold black soil area; straw returning machine; hydrostatic simulation; precision spraying; optimal design

0 引言

三江平原地處東北平原黑土區(qū)，是我國(guó)核心商品糧基地，糧食產(chǎn)量和質(zhì)量均居全國(guó)前列，壓艙石地位不可動(dòng)搖。與此同時(shí)，秸稈處理問題一直是國(guó)家機(jī)關(guān)各級(jí)政府關(guān)注的重大問題之一，出臺(tái)了相關(guān)政策指導(dǎo)和促進(jìn)秸稈綜合化利用。秸稈還田不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)，還可以改善土壤的原有容重、容熱量、保濕能力、孔隙度等物理性狀；改善土壤中微生物的豐度等參數(shù)，成為秸稈處理的重要方法之一[1]。

近年來，國(guó)內(nèi)外都加大了還田設(shè)備的研發(fā)。國(guó)外廣泛使用美國(guó)研制的John Deere-HX型秸稈粉碎還田機(jī)、John Deere C440型稻麥聯(lián)合收獲機(jī)配套粉碎還田裝置、John Deere-Y215型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)、意大利研制的DRACULA聯(lián)合整地機(jī)、TORNADO秸稈粉碎還田機(jī)、VELOCE滅茬缺口圓盤耙等，日本學(xué)者對(duì)歐美秸稈還田裝置進(jìn)行了改進(jìn)，研制出符合自己國(guó)情的還田裝置，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)[2， 3]。

為了降低功耗、提高作業(yè)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)不同地域，研究彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、機(jī)具作業(yè)參數(shù)對(duì)旋耕刀三向工作阻力、深旋節(jié)能和作業(yè)性能的影響。王后升[4]設(shè)計(jì)了一種旋耕刀—埋指組合式秸稈還田機(jī)，建立土壤—秸稈—根茬—機(jī)具離散元仿真模型并進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定了機(jī)具最佳結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)；劉熙明等[5]采用尼龍網(wǎng)袋法探究覆蓋和翻壓兩種還田方式對(duì)秸稈腐解率的影響，得出翻壓處理可大幅促進(jìn)秸稈腐解的結(jié)論；但針對(duì)秋收后氣溫較低的黑龍江省等寒區(qū)，翻埋后秸稈不易腐解的問題并未得到解決。

本文設(shè)計(jì)具有腐解劑精量噴施功能的新型秸稈還田機(jī)，通過機(jī)器視覺采集秸稈量數(shù)據(jù)信息，并利用PLC與上位機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)建通信，調(diào)節(jié)菌劑噴量，解決秸稈腐解慢的問題。針對(duì)寒地黑土水稻秸稈還田區(qū)域，進(jìn)行耕作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，選取最優(yōu)彎刀作業(yè)參數(shù)和最優(yōu)秸稈還田量，達(dá)到降低還田機(jī)功率消耗的效果，為寒地黑土區(qū)秸稈還田技術(shù)模式的建立提供參考。

1 還田機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

秸稈還田機(jī)由三點(diǎn)懸掛裝置、變速箱、機(jī)架、中心犁、菌劑噴灑裝置、還田刀輥、平地裝置、傳動(dòng)裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

秸稈還田機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，傳動(dòng)系統(tǒng)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)由變速箱及側(cè)邊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到刀輥。刀輥前方置有生物菌劑噴灑裝置，噴灑裝置一端與藥箱相連，另一端采用電磁閥控制噴嘴開閉，可將耕作前的土壤與秸稈混合一定量的秸稈腐熟劑，以達(dá)到秸稈快速腐熟的目的。機(jī)具采用正轉(zhuǎn)作業(yè)的方式，一部分秸稈隨著彎刀埋入土中，另一部分秸稈與土壤隨著彎刀向后上方拋出。由于秸稈質(zhì)量小，被拋起高度低，在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，土壤被彎刀拋起的高度相對(duì)較高，受空氣阻力等因素影響，在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。因此，秸稈與土壤落入被切出的溝底存在時(shí)間差，秸稈先于土壤落入溝底，被隨后落下的土壤覆蓋，從而完成秸稈還田作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 自動(dòng)升降平地裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)升降平地裝置位于整機(jī)行走方向后部下方，由壓輥、推桿、撥輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。位于整機(jī)作業(yè)方向后側(cè)，其中桿1固定在機(jī)架兩側(cè)，升降裝置位于機(jī)架內(nèi)，桿2與撥輪的一個(gè)齒固定，卡塊通過卡住不同位置的齒來調(diào)節(jié)壓輥高度。壓輥起到減少土壤孔隙作用，減少水分蒸發(fā)，適當(dāng)提高地溫，促進(jìn)秸稈腐解[6]。

自動(dòng)升降平地裝置分為鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[7]，二者通過連桿相連?？紤]到連桿只在壓輥重力[G]、拉力[N]、壓力[F]作用下平衡[8]，受力分析圖簡(jiǎn)化如圖3所示。

由圖3可知，[Ft=Fcosβ]；[Fn=Fsinβ]；[Nn=Nsinα]；[Nt=Ncosα]，得出升降裝置受力分析如式（1）所示。

[Ncosα-Fcosβ-Fμ=0G-Nsinα-Fsinβ=0] （1）

式中： F——壓輥所受桿2壓力，N；

N——壓輥所受桿1的拉力，N；

Ft——壓輥所受桿2切向壓力，N；

Fn——壓輥所受桿2法向壓力，N；

Nn——壓輥所受桿1法向拉力，N；

Nt——壓輥所受桿1切向拉力，N；

Fμ——工作時(shí)壓輥所受的土壤阻力，N；

α——拉力N與x軸夾角，（°）；

β——壓力F與x軸夾角，（°）。

秸稈還田機(jī)耕作時(shí)，自動(dòng)升降平地裝置受力主要集中在拉桿上，通過校核得出，桿1的橫截面積最小為14.4 cm2，桿2的橫截面積最小為8.3 cm2。

2.2 菌劑噴灑裝置設(shè)計(jì)

菌劑噴灑裝置由進(jìn)出油口、藥箱、電磁閥、噴藥嘴組成[9]，如圖4所示；菌劑噴灑原理如圖5所示，由電氣控制，通過一個(gè)直流電壓源串接保護(hù)電阻、SPST開關(guān)和電磁閥構(gòu)成，SPST開關(guān)的通斷由上位的視覺識(shí)別系統(tǒng)控制。

通過控制電磁閥的通斷來改變腐解劑噴量，機(jī)具行駛到秸稈上方時(shí)打開電磁閥，進(jìn)行噴藥；駛離秸稈時(shí)則關(guān)閉電磁閥[10]。控制系統(tǒng)可根據(jù)秸稈還田機(jī)的行駛速度對(duì)腐解劑噴量做出調(diào)整，保證單位面積噴灑量相對(duì)穩(wěn)定，噴量與機(jī)具作業(yè)速度的關(guān)系如式（2）所示。

[Q=600qsnBvm] （2）

式中： [Q]——噴量，L/hm2；

[qs]——單個(gè)噴頭噴量，L/min；

[n]——噴藥嘴個(gè)數(shù)，個(gè)；

[B]——噴幅，m；

[vm]——機(jī)具作業(yè)速度，km/h。

菌劑噴灑裝置由前方拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，每公頃使用秸稈腐解劑15～30 kg并稀釋10～100倍放入藥箱中，采用PLC調(diào)控電磁閥通斷時(shí)間，進(jìn)而控制腐解劑噴量；為確保菌劑施放均勻，還可在噴藥嘴加裝超聲波打散器對(duì)菌劑做霧化處理。

2.3 基于機(jī)器視覺的秸稈量識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為更合理地進(jìn)行菌劑釋放，確保在秸稈量較少處減少菌劑噴量，在秸稈量較多處保證足夠的菌劑釋放量，在菌劑噴灑裝置前級(jí)增設(shè)基于機(jī)器視覺的秸稈量識(shí)別系統(tǒng)[11， 12]。在對(duì)秸稈量的識(shí)別中，針對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的不同可分別采用基于OpenMV的色域識(shí)別和基于搭載YOLOv5的樹莓派深度學(xué)習(xí)識(shí)別，秸稈根據(jù)形態(tài)及鋪放方式特征分類如圖6所示[13， 14]，秸稈根據(jù)種類進(jìn)行識(shí)別的原理如圖7所示。

在對(duì)粉碎堆積秸稈量進(jìn)行識(shí)別時(shí)，采用基于OpenMV的色域識(shí)別[15]。首先將QVGA攝像頭安裝于機(jī)體前部或刀輥前部，該攝像頭分辨率320像素×240像素，即每幀圖像為204 800個(gè)像素點(diǎn)，易知攝像頭拍攝畫面實(shí)際為攝像頭前方梯形畫面，計(jì)算攝像頭畫面內(nèi)圖像在實(shí)際土地上的占地面積S；因?yàn)檫€田機(jī)行駛較慢，通常速度為4～6 km/h，設(shè)定攝像頭延遲時(shí)間1 s，即每秒記錄一幀畫面并作圖像處理；而后測(cè)定土壤的RGB值域（因秸稈顏色相較土壤更不統(tǒng)一），在還田機(jī)運(yùn)行時(shí)，攝像頭即時(shí)拍攝機(jī)體前部或刀輥前部視頻畫面，對(duì)畫面進(jìn)行顏色識(shí)別并作圖像二值化處理：將落入RGB值域的顏色轉(zhuǎn)化為白色（即土壤），不落入RGB值域的顏色轉(zhuǎn)化為黑色（即秸稈），對(duì)二值化顏色反轉(zhuǎn)，使白色區(qū)域?yàn)榻斩?，黑色區(qū)域?yàn)橥寥?，由串口輸出白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)[a]，設(shè)定單位面積內(nèi)對(duì)秸稈需釋放的菌劑量為[c]，即

[V=a204 800×Shc] （3）

式中： [V]——單位時(shí)間內(nèi)對(duì)堆積秸稈的菌劑總噴量（檢測(cè)周期為1 s，即1 s內(nèi)的噴量），mL；

[h]——平均堆積高度，m。

在對(duì)留茬秸稈進(jìn)行識(shí)別時(shí)，首先通過YOLOv5對(duì)留茬秸稈圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)[16]，將至少160張含留茬秸稈的照片錄入YOLOv5并標(biāo)注留茬秸稈，存儲(chǔ)為訓(xùn)練集；將至少40張不含留茬秸稈但含石頭、樹、水渠的圖片錄入YOLOv5，存儲(chǔ)為測(cè)試集（YOLOv5要求訓(xùn)練集不低于100份樣本且訓(xùn)練集與測(cè)試集之比為4∶1）并進(jìn)行學(xué)習(xí)；將系統(tǒng)脫機(jī)運(yùn)行于還田機(jī)上，選用與OpenMV相同的QVGA攝像頭并安裝于機(jī)體前部或刀輥前部，同理設(shè)定延遲時(shí)間為1 s；視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)每幀畫面內(nèi)的留茬秸稈進(jìn)行錨定和框選，并每秒由串口輸出錨定框數(shù)量[b]，設(shè)定每株留茬秸稈需釋放的菌劑量為[vl]，即

[V'=vl×b] （4）

式中： [V']——單位時(shí)間內(nèi)對(duì)留茬秸稈的菌劑總噴量，mL。

對(duì)粉碎堆積秸稈和留茬秸稈進(jìn)行識(shí)別的兩種視覺識(shí)別系統(tǒng)分別連接一套菌劑噴灑裝置，均獨(dú)立工作。

2.4 還田彎刀仿真優(yōu)化

采用Workbench 2022 R1對(duì)現(xiàn)有的彎刀進(jìn)行優(yōu)化，彎刀因素水平表如表1所示，其中，刃長(zhǎng)指刀刃側(cè)兩端點(diǎn)間的直線距離。

首先采用三維制圖軟件SolidWorks2020進(jìn)行彎刀建模[17]，保存為x_t格式文件，將其導(dǎo)入Workbench 2022 R1中對(duì)還田彎刀進(jìn)行材料定義，如表2所示。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和作用力。

在Workbench 2022 R1前處理中分別對(duì)還田彎刀不同因素水平進(jìn)行高質(zhì)量三角形自主網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行人為修正。劃分網(wǎng)格后的還田彎刀如圖8所示，邊界條件如圖9所示。

對(duì)不同還田彎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，將刀柄中的螺孔設(shè)定為邊界約束條件。由實(shí)際耕作情況可知，彎刀正切刃和側(cè)切刃處先接觸土壤，隨后對(duì)土壤進(jìn)行切削，在切削過程中其與碎茬、碎石、土壤相互接觸，受力大小方向隨彎刀位置而變化，為便于靜力學(xué)仿真，將彎刀所受的力進(jìn)行簡(jiǎn)化。查詢資料可知，刀刃切入土壤時(shí)所受壓強(qiáng)主要受土壤類型及密實(shí)程度有關(guān)，通常來說切削軟土壓強(qiáng)較低，約為0.1～1 MPa，中等硬度的土壤壓強(qiáng)約為1～5 MPa，而對(duì)于堅(jiān)硬的土壤，在切削時(shí)的壓強(qiáng)可達(dá)10 MPa以上；經(jīng)試驗(yàn)在黑龍江省佳木斯市樺南縣曙光農(nóng)場(chǎng)水稻田地的土壤切削壓強(qiáng)約為5 MPa，故在刀刃表面施加5 MPa的均布載荷，壓強(qiáng)施加方案如圖10所示。

2.5 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與刀身較近的刀柄安裝孔處應(yīng)力較大，同時(shí)在側(cè)切面彎曲中心線附近，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)不同刃長(zhǎng)還田彎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如圖11所示，固定刃寬為70 mm，彎折角度為115°，選擇刃長(zhǎng)為240 mm、270 mm、300 mm，應(yīng)力集中處均為側(cè)切面中心線中部及下位螺孔處，應(yīng)力隨著刃長(zhǎng)增長(zhǎng)而變大，當(dāng)刃長(zhǎng)為240 mm時(shí)，彎刀所受應(yīng)力相對(duì)均勻，且最大應(yīng)力最小，為399.79 MPa。

固定刃長(zhǎng)為240 mm，彎折角度為115°，對(duì)不同寬度還田彎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析，其計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

取不同寬度70 mm、75 mm、80 mm時(shí)，應(yīng)力分別為399.79 MPa、349.15 MPa、215.29 MPa，可知隨刃寬加厚，刀片所受應(yīng)力減?。磺业镀龊竦?0 mm時(shí)應(yīng)力減小較多，故刃寬選用80 mm。

對(duì)不同折彎角度還田彎刀進(jìn)行靜力學(xué)分析，其計(jì)算結(jié)果如圖13所示。固定刃長(zhǎng)240 mm，刃寬70 mm，當(dāng)彎折角度為115°時(shí)，最大應(yīng)力為399.79 MPa，小于彎折角度為125°、130°的最大應(yīng)力430.42 MPa、449.97 MPa，由于彎刀斷裂都是由最大壓強(qiáng)導(dǎo)致，因此選用彎折角為115°的彎刀[18]。

3 耕作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)2.5節(jié)分析結(jié)果，選定彎刀彎折角為115°、刃寬為80 mm、刃長(zhǎng)為240 mm，進(jìn)行耕作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)材料與方法

本文試驗(yàn)選用水稻秸稈長(zhǎng)度為8～15 cm，經(jīng)測(cè)定秸稈剪切模量平均值為1 MPa，秸稈密度平均值為301 kg/m3。試驗(yàn)土壤來自三江平原典型黑土區(qū)，含水率為30%左右、堅(jiān)實(shí)度為700 kPa，符合旱田試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)臺(tái)為自行研制，結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[19]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由集流環(huán)、SDY210動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、示波器、應(yīng)變片、橋盒、計(jì)算機(jī)、變頻器、天平、開關(guān)電源、導(dǎo)線、鋼尺、記號(hào)筆等組成。刀軸扭矩測(cè)量采用全橋貼法，集流環(huán)安裝位置如圖14所示。

設(shè)[εMn]和[εM]分別代表扭矩應(yīng)變與彎曲應(yīng)變，則扭矩所產(chǎn)生的應(yīng)變[εMn=εM/4]。測(cè)量系統(tǒng)連接步驟如下：首先將應(yīng)變片與橋盒相連，隨后對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行調(diào)平，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)通過示波器顯示并進(jìn)行存儲(chǔ)。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試應(yīng)變[εMn]用示波器讀數(shù)，刀軸扭矩計(jì)算如式（5）所示。

[T=Wpτmax=πD316·E1+μ·εMn] （5）

式中： [T]——扭矩，N ? m；

[E]——材料的彈性模量，MPa；

[μ]——材料的泊松比；

[D]——軸徑，mm；

[τmax]——最大剪切應(yīng)力；

[Wp]——截面系數(shù)。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得[E=2.06×105 ] MPa，泊松比μ=0.3，軸徑為23 mm。

根據(jù)前期的試驗(yàn)研究，選取彎刀旋耕深度、旋轉(zhuǎn)速度以及單位面積秸稈量為試驗(yàn)因素，采用三因素三水平旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，考察刀軸所受扭矩的大小[20， 21]。因素水平編碼表如表3所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)來探究各因素之間的相互作用關(guān)系，試驗(yàn)方案如表4所示。z1、z2、z3為各因素編碼值。通過旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，方差分析如表5所示。由表5可知，模型項(xiàng)[P≤0.05]，說明y與z1、z2、z3之間關(guān)系為顯著，而[P≤0.1]時(shí)為較顯著，其中A、B、C、A2、AB為顯著，BC為較顯著，且因素對(duì)該指標(biāo)影響的順序?yàn)椋篬Agt;Bgt;Cgt;A2gt;ABgt;BC]，其余因素均不顯著。采用Design-Expert軟件進(jìn)行處理，得到各因素與指標(biāo)的響應(yīng)方程如式（6）所示。

AB交互作用對(duì)扭矩影響的回歸方程如式（7）所示。AB交互作用的響應(yīng)曲面如圖15所示。

[y=22.92+3.85A+1.13B+0.50AB+0.30A2] （7）

由圖15可知，當(dāng)耕深較小時(shí)，隨著彎刀旋轉(zhuǎn)速度增大時(shí)，刀輥扭矩基本不變；當(dāng)耕深較大時(shí)，隨著彎刀旋轉(zhuǎn)速度增大時(shí)，刀輥扭矩先緩慢增大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)240 r/min時(shí)，刀輥扭矩開始逐漸趨于穩(wěn)定。而當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，隨著耕深增加，扭矩也逐漸變大；當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，隨著耕深增加扭矩也隨之增加。

BC交互作用對(duì)扭矩影響的回歸方程如式（8）所示。BC交互作用的響應(yīng)曲面如圖16所示。

[y=22.92+1.13B+1.07C+0.45BC-0.22B2+0.05C2] （8）

由圖16可知，當(dāng)秸稈量較小時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度增加，刀輥扭矩基本保持不變；當(dāng)秸稈量較大時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度增加，刀輥扭矩先增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí)，隨著秸稈量的增加扭矩保持不變，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，隨著秸稈量增加扭矩也隨之增加。

綜上所述，為了保證耕作深度、減少功率消耗和避免刀輥扭矩過大，機(jī)具作業(yè)時(shí)應(yīng)在轉(zhuǎn)速適中的位置。由于在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)若秸稈量過大，會(huì)導(dǎo)致刀輥纏草嚴(yán)重，因此應(yīng)選擇適中的秸稈量。

3.3 耕作參數(shù)模型優(yōu)化

以三個(gè)因素為變量，因素的水平范圍為約束條件，以扭矩回歸方程為響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化，如式（9）所示。

[y=22.92+3.85z1+1.13z2+1.07z3+0.50z1z2-0.23z1z3-0.45z2z3+0.30z12-0.22z22+0.05z32] （9）

應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，得出最優(yōu)參數(shù)，經(jīng)過換算后得出實(shí)際平均扭矩值為24.14 N ? m，即最優(yōu)參數(shù)組合為耕深20 cm、旋轉(zhuǎn)速度為240 r/min、單位面積秸稈量為3.5 kg。在使用本設(shè)計(jì)提出的旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，若單位秸稈量過多，可使用摟草機(jī)等進(jìn)行預(yù)處理以優(yōu)化旋耕效果；若單位面積秸稈量小于給出參數(shù)對(duì)旋耕效果無明顯影響。

3.4 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)田地為黑龍江省佳木斯市樺南縣曙光農(nóng)場(chǎng)水稻田地。土壤類型為黑土，水稻秸稈在田間的狀態(tài)為留茬秸稈和粉碎堆積秸稈覆蓋交替，留茬秸稈高度15 cm左右，粉碎堆積秸稈高度18 cm左右。

數(shù)據(jù)采集裝置由扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集軟件組成，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器一側(cè)連接拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸，一側(cè)連接萬向節(jié)，萬向節(jié)另一側(cè)連接還田機(jī)的變速箱。在每個(gè)行程中隨機(jī)取一點(diǎn)，測(cè)量1 m×1 m面積內(nèi)所有未被掩埋的秸稈質(zhì)量，秸稈掩埋率

[F=Mt-MsMt×100%] （10）

式中： [F]——秸稈翻埋率，%；

[Mt]——耕前單位面積秸稈質(zhì)量，g；

[Ms]——耕后單位面積未被翻埋秸稈質(zhì)量，g。

為測(cè)試優(yōu)化后的還田機(jī)工作性能，選取最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值為24.32 N ? m，與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.7%，表明優(yōu)化模型預(yù)測(cè)可靠。經(jīng)計(jì)算，秸稈翻埋率達(dá)96.8%，秸稈翻埋效果良好。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)自動(dòng)升降平地裝置與菌劑自動(dòng)精量噴灑裝置，并采用Workbench 2022 R1對(duì)彎刀進(jìn)行尺寸優(yōu)化。當(dāng)刃長(zhǎng)為240 mm、刃寬為80 mm、折彎角度為115°時(shí)，彎刀應(yīng)力最小，彎刀切割效果良好。

2） 選取彎刀旋耕深度A、旋轉(zhuǎn)速度B以及單位面積秸稈量C為最優(yōu)耕作參數(shù)試驗(yàn)的因素，以刀軸所受扭矩為指標(biāo)，進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)優(yōu)化耕作參數(shù)，得出因素對(duì)指標(biāo)影響的順序：[Agt;Bgt;Cgt;A2gt;ABgt;BC]，并得到交互作用的響應(yīng)曲面圖以及最優(yōu)參數(shù)組合為耕深20 cm、旋轉(zhuǎn)速度為240 r/min、單位面積秸稈量為3.5 kg。

3） 依據(jù)優(yōu)化耕作參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到扭矩平均值為24.32 N ? m，與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.7%，模型可行，且秸稈翻埋率達(dá)96.8%。

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