摘要：為持續(xù)優(yōu)化立式香蕉秸稈粉碎還田機的秸稈粉碎效果，對還田機粉碎裝置關鍵部件進行優(yōu)化設計。利用Fluent軟件對優(yōu)化后的結構仿真模擬，得到3種不同粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下粉碎室內(nèi)截面壓力云圖和速度云圖。以機具前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速和刀片折彎角為自變量，以秸稈粉碎合格率為應變量進行三因素三水平的田間試驗，通過Design-Expert軟件對試驗結果進行數(shù)據(jù)分析，建立秸稈粉碎合格率的回歸數(shù)學模型并進行方差分析，結果表明，最優(yōu)參數(shù)組合機具前進速度為1.39 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，刀片折彎角為139.28°，此時秸稈粉碎合格率為98.50%。通過驗證試驗，得到秸稈粉碎合格率為96.89%，與軟件優(yōu)化結果誤差為1.61%。

關鍵詞：香蕉秸稈；立式秸稈粉碎還田機；粉碎裝置；響應曲面分析

中圖分類號：S224.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0131?09

Optimized design and test of key components of vertical banana straw crushing device

GaoYang1， Li Yue1， Wei Shiquan1， Huang Chun1， Wu Zihan1， Li Yuan2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， Haikou， 570228， China; 2. Institute of

Scientific and Technical Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571700， China）

Abstract： In order to continuously optimize the straw crushing effect of the vertical banana straw crushing and field returning machine， the key components of the crushing device of the field returning machine were optimized and designed. The optimized structure was simulated by Fluent software， and the pressure and velocity maps of the crushing chamber were obtained under three different speeds of the crushing knife shaft. A three?factor and three?level field experiment was conducted with the forward speed of the machine， the rotational speed of the knife shaft and the bending angle of the blade as independent variables， and the qualified rate of straw crushing as the dependent variable， and the data analysis of the experimental results was carried out through the Design-Expert software to establish the regression mathematical model of the qualified rate of straw crushing and carry out the analysis of variance." The results show that the optimal combination of the parameters of the machine forward speed is 1.39 m/s， the rotational speed of the knife shaft is 1 500 r/min， the bending angle of the blade is 139.28°， and the qualified rate of straw crushing at this time is 98.50%. Through the verification test， the qualified rate of straw crushing is 96.89%， and the error with the software optimization result is 1.61%.

Keywords： banana straw; vertical straw crushing and returning machine; crushing device; response surface analysis

0 引言

香蕉的種植具有地域性特點，多為熱帶或亞熱帶地區(qū)，土壤多為黏著性較高的磚紅壤，會對機具在田間作業(yè)時的正常行駛和粉碎裝置的高速運轉(zhuǎn)造成阻礙。相較傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈，香蕉秸稈纖維較長、含水率高，進行粉碎作業(yè)時容易纏繞機具[1]。合適的粉碎裝置決定還田機作業(yè)時的工作效率、整機功耗和粉碎質(zhì)量。

國外在20世紀60年代開始研究秸稈機械化還田技術，生產(chǎn)機具主要應用于大新農(nóng)場的小麥、玉米等作物[2]。而國內(nèi)香蕉秸稈粉碎還田機的研制最早由曹衛(wèi)東等[3]提出，基于臥式粉碎機理，對粉碎刀具、數(shù)量及排布方式、位置參數(shù)等進行設計，使還田機的粉碎刀輥在作業(yè)時最大程度地與香蕉秸稈接觸。臥式香蕉秸稈粉碎機的工作效果較好，但存在著機具體積大、重量重造成功耗較大、功率浪費的問題。甘聲豹等[4]設計的立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機，可以一次完成喂入、鏟斷、抓取、粉碎、鎮(zhèn)壓作業(yè)，試驗結果表明該機秸稈粉碎合格率達94.9%，覆蓋率達88.61%[5]。通過分析刀具的失效形式和機理，有學者對立式香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎刀具進行了優(yōu)化改進，有效提高了刀具的使用壽命。

由于香蕉秸稈獨特的生物特性，針對香蕉秸稈粉碎還田方面的研究還存在著很多不足。臥式香蕉秸稈粉碎機的技術已經(jīng)相對成熟[5]，而立式香蕉秸稈粉碎機還處于發(fā)展階段，雖然整機功耗降低，但基于立式秸稈粉碎機獨特的粉碎方式和苛刻的工作條件，所以對機具粉碎裝置的設計要求也逐漸提高，為使粉碎裝置達到高強度、低功耗、防纏繞和粉碎效果佳的工作要求，本研究在前代立式香蕉秸稈粉碎還田機的基礎上基于CFD理論進行粉碎裝置結構優(yōu)化設計，并通過田間試驗研究粉碎裝置對秸稈粉碎質(zhì)量、工作效率等工作性能的影響，進而確定相關技術參數(shù)，提高秸稈粉碎合格率。

1 工作原理與結構設計

秸稈粉碎裝置的變速箱輸入軸通過萬向節(jié)與拖拉機的輸出軸連接獲得動力，隨后經(jīng)過變速箱的錐齒輪組傳動，使得動力按齒輪傳動比增速變向地通過傳動軸向兩側(cè)分別傳遞給粉碎刀軸，粉碎刀軸進行異向轉(zhuǎn)動，粉碎刀片進行對切，傳動箱的錐齒輪組起到了換向的作用。粉碎刀軸高速轉(zhuǎn)動帶動粉碎刀盤繼而帶動粉碎刀片進行高速旋轉(zhuǎn)，粉碎刀片與機架兩側(cè)的定刀相互作用對香蕉秸稈進行粉碎，完成田間粉碎作業(yè)。粉碎裝置傳動系統(tǒng)如圖1所示，整機技術參數(shù)如表1所示。

1.1 秸稈粉碎刀片的優(yōu)化設計

1.1.1 秸稈粉碎刀片的類型

粉碎刀片的選取直接影響機具的可靠性和秸稈粉碎效果。目前，用于立式秸稈粉碎還田機上的粉碎刀片主要有立式L型Ⅰ代和L型Ⅱ代，這兩種刀片各具特色，可以滿足不同的應用需求。

1） 基于L型刀片，對彎刀進行改進設計了立式L型I代粉碎刀片。改進后的L型彎刀正切刃長350 mm，側(cè)切刃長50 mm，折彎角為127°，結構如圖2所示。高速旋轉(zhuǎn)下L型彎刀分別從水平方向和豎直方向，以打擊及切割兩種方式對香蕉秸稈進行砍切作業(yè)。但在實際情況中，L型彎刀容易出現(xiàn)端部脆性斷裂、刃口磨損等問題，影響機具的作業(yè)效率和可靠度。

2） 立式L型Ⅱ代刀片是在Ⅰ代基礎上進行改進，優(yōu)化設計后的粉碎刀片側(cè)切削刃長為300 mm，刀刃刃角為45°，厚度為9 mm，刀片折彎角為125°，結構如圖3所示。相較Ⅰ代刀片，Ⅱ代刀片能夠顯著降低切削阻力。然而，由于Ⅱ代刀片的刀身較長且較薄，在實際作業(yè)過程中不斷受到香蕉秸稈的沖擊影響，容易導致刀具彎折處出現(xiàn)明顯的扭曲變形，刀柄處出現(xiàn)斷裂的情況。

1.1.2 秸稈粉碎刀片的結構優(yōu)化

總結現(xiàn)有的立式香蕉秸稈粉碎刀片的設計，本研究基于L型刀片，優(yōu)化設計一種更加合理的立式香蕉秸稈粉碎刀片，以期提高粉碎刀片在田間作業(yè)中的正效應。香蕉種植園內(nèi)環(huán)境復雜，為了提高刀具的強度和硬度，選用具有高強度和耐磨性的65Mn彈簧鋼作為加工原材料，該材料具有良好的加工性能，能夠滿足粉碎刀片的應用需求[6]。粉碎刀片主要由刀柄、刀身、刀刃、連接孔和折彎角組成，刀刃在刀身兩側(cè)均勻分布，如圖4所示。粉碎刀片的主要結構參數(shù)：刀具厚度[t]、刀柄寬度[w]、刀柄長度[l1]、刀刃長度[l2]、折彎角[β]以及刀具的回轉(zhuǎn)半徑[R]，如圖5所示。

粉碎刀片的橫向部分為刀柄，現(xiàn)有粉碎刀的刀柄寬度通常在30～100 mm內(nèi)[7]。為了粉碎裝置的穩(wěn)定性，防止刀具出現(xiàn)因受到?jīng)_擊發(fā)生變形的情況，刀柄寬度[w]設為80 mm，刀柄長度[l1]為150 mm。粉碎刀片的厚度[t]過小，易導致刀具強度不夠，粉碎刀片的使用壽命降低；厚度t過大，會增加刀具自身的質(zhì)量，使機具功耗增高。為了增大刀片的轉(zhuǎn)動慣量，在保障加工成本的情況下，對粉碎刀片的厚度t進行適度增加，有效提高刀具的安全系數(shù)[8]。因此，粉碎刀片厚度t設為10 mm。

切削刀刃長度[l2]越長，機具的粉碎效率和粉碎質(zhì)量就越好，但同時也增加了粉碎刀片在作業(yè)過程中的阻力；若刀刃長度[l2]過短，會存在漏切香蕉秸稈的現(xiàn)象，粉碎效果變差，需要增加更多的粉碎刀片，從而導致機具的功耗和作業(yè)成本增加[9]。因此，綜合考慮粉碎效率和功耗要求，刀刃長度[l2]設計為180 mm。刀片兩側(cè)對稱開刃，而刀具刃角的大小影響著粉碎刀的切削力和工作性能，刀刃刃角θ越小，刀刃越薄和鋒利，但是在田間作業(yè)中容易受到切割阻力而出現(xiàn)磨損或缺口，抗磨性和耐久性隨之降低[10]；刀刃刃角θ越大，刀具的保持性和強度越好，但會導致切削力過大，容易造成刀具斷裂或加工表面質(zhì)量不佳。為了保證刀具的最佳性能，結合香蕉秸稈材料特點，本文設計的刃角θ度數(shù)為30°。

粉碎刀的折彎角β影響著刀片與香蕉秸稈的接觸面積，當折彎角β過大時，粉碎刀片與香蕉秸稈的接觸面積變小，粉碎效果得不到提升；若折彎角β過小，會導致香蕉秸稈纖維纏繞刀片，粉碎刀的切削阻力變大，降低粉碎刀的使用壽命。國內(nèi)香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎刀折彎角通常在120°～160°之間，本文設計的折彎角β為140°。國內(nèi)還田機粉碎刀片回轉(zhuǎn)半徑在200～300 mm范圍內(nèi)，考慮動平衡等因素，本文選取刀片的回轉(zhuǎn)半徑R為280 mm。粉碎刀片與粉碎刀盤通過螺栓連接[11]。

1.2 粉碎刀片扇葉的結構設計

通過在粉碎刀片上設計并安裝扇葉，可以在粉碎刀片高速旋轉(zhuǎn)時促進秸稈的流動，達到更好的粉碎效果[12]。扇葉主要由基準面和迎風面組成，扇葉的迎風面與粉碎刀片刀柄面垂直，扇葉的基準面與粉碎刀片通過螺栓螺母進行緊固連接。綜合考慮粉碎刀片與粉碎刀盤的安裝尺寸，避免粉碎刀片出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象，本文設計的扇葉結構如圖6所示，扇葉厚度為3 mm，迎風面寬度為34 mm，長度為60 mm，基準面寬度為80 mm，長度為140 mm。扇葉與粉碎刀片裝配效果如圖7所示。

1.3 粉碎刀盤的優(yōu)化設計

1.3.1 歷代粉碎刀盤的設計

針對立式香蕉秸稈粉碎還田機，所設計的粉碎刀盤主要分為兩種：雙刃式粉碎刀盤和三刃式粉碎刀盤。雙刃式粉碎刀盤上兩個刀座之間的夾角為180°，粉碎刀片對稱安裝在刀盤兩側(cè)，其結構設計如圖8所示，分別用來搭配L型粉碎彎刀和直刀型粉碎刀片使用。雙刃式粉碎刀盤設計簡單、結構緊湊、加工難度小、成本低廉，但對刀具和刀盤的工作強度要求較高。

三刃式粉碎刀盤的結構如圖9所示，刀盤上各個刀座之間的夾角為120°。相較于雙刃式，三刃式粉碎刀盤通過增加刀具數(shù)量來提高粉碎效果；但三刃式粉碎刀盤的刀座過長，粉碎刀片與刀盤的連接處較為薄弱，隨著粉碎作業(yè)時間的增加，易導致香蕉秸稈纖維纏繞在粉碎刀盤上，從而造成粉碎刀盤的斷裂和粉碎裝置的失效，影響機具的使用壽命。

1.3.2 粉碎刀盤的結構設計

基于前代粉碎刀盤的結構設計與優(yōu)缺點，結合粉碎刀片和扇葉的結構參數(shù)，以四等分圓形框架為基礎，對粉碎刀盤進行創(chuàng)新設計，以期減少秸稈纖維纏繞的現(xiàn)象，提升粉碎裝置的強度，刀盤結構如圖10所示。

粉碎刀盤的結構參數(shù)示意圖如圖11所示。粉碎刀盤中心到刀槽的距離R1為175 mm，到粉碎刀片螺栓孔的距離R2為135 mm，螺栓孔的直徑D1為25 mm。刀槽的長度l3為80 mm，深度為15 mm，粉碎刀片通過螺栓和刀槽與粉碎刀盤固定連接。粉碎刀盤與粉碎刀軸的連接處直徑D2為75 mm，刀盤通過花鍵與粉碎刀軸相連?；ㄦI的直徑為50 mm，底部設有螺栓孔對粉碎刀軸進行固定連接。粉碎刀盤的厚度S為25 mm，為了增強粉碎刀盤的穩(wěn)定性和使用壽命，增加一個半徑R3為50 mm的凸臺，并在四周加強筋以鞏固結構。

1.4 定刀與粉碎刀片的動力學分析

當粉碎刀片、香蕉秸稈和定刀發(fā)生接觸時，香蕉秸稈在粉碎刀片與定刀的相互作用下被切斷[13]。在香蕉秸稈受力的過程中，由于秸稈直徑相較于粉碎刀片和定刀的回轉(zhuǎn)半徑較小，因此在接觸香蕉秸稈表皮時粉碎刀片和定刀可視為平行位置[11]。香蕉秸稈粉碎過程的動定刀受力如圖12所示，主要包括香蕉秸稈自身的重力mg、粉碎刀片對香蕉秸稈的支持力N1、粉碎刀片與香蕉秸稈之間的摩擦力f1、定刀對香蕉秸稈的支持力N2、定刀與香蕉秸稈之間的摩擦力f2以及離心力Fce。d1為香蕉秸稈與粉碎刀片刀柄螺栓孔的垂直接觸距離，d2為香蕉秸稈與定刀的垂直接觸距離。

粉碎刀片上的香蕉秸稈接觸到定刀的瞬間會被立即切斷，受慣性作用的影響，秸稈保持原有的運動狀態(tài)，停留在粉碎刀片上。因此粉碎刀片與定刀對香蕉秸稈進行切斷的瞬間處于力矩平衡狀態(tài)，忽略氣流的影響，根據(jù)圖12中香蕉秸稈的受力情況，香蕉秸稈被切斷瞬間的動力學平衡如式（1）所示。

[Fce+N1sinβ+mgcos（π2-γ）=f1cosβ+f2N2+mgsin（π2-γ）=f1sinβ+N1cosβf1=μ1N1f2=μ2N2Fce=mωf2ρ] （1）

式中： [μ1]——粉碎刀片與香蕉秸稈之間的摩擦系數(shù)；

[μ2]——定刀與香蕉秸稈之間的摩擦系數(shù)；

[Fce]——離心力，N；

[m]——香蕉秸稈的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，為9.8 m/s2；

[ωf]——粉碎刀片角速度，rad/s；

[ρ]——香蕉秸稈的回轉(zhuǎn)半徑，mm；

[β]——粉碎刀片的折彎角，（°）；

[γ]——香蕉秸稈被粉碎時粉碎刀片與定刀相互作用力的夾角，（°）。

對式（1）求解可得

[N1=mgsinγ+mω2fρ+μ2mgcosγ（μ1+μ2）cosβ+（μ1μ2-1）sinβN2=（μ1sinβ+cosβ）（mgsinγ+mω2fρ+μ2mgcosγ）（μ1+μ2）cosβ+（μ1μ2-1）sinβ-mgcosγ] （2）

由式（2）可以看出，香蕉秸稈的受力[N1]、[N2]主要與[μ1]、[μ2]、[β]、[γ]和[ωf]相關。當粉碎刀具的材料確定后，摩擦系數(shù)[μ1]、[μ2]為定值。刀片折彎角[β]為粉碎刀片的一個主要結構設計參數(shù)；角度[γ]的大小和粉碎刀片與定刀的相對位置有關；粉碎刀片角速度[ωf]由粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速確定，當轉(zhuǎn)速增大時，秸稈所受的支持力也隨之增大。因此，[ωf]是影響香蕉秸稈粉碎效果的主要因素。在機具結構可承載范圍內(nèi)，香蕉秸稈所受的支持力越大，香蕉秸稈越易被粉碎，機具的秸稈粉碎率越高[14]。

2 基于CFD的粉碎室內(nèi)流場分析

2.1 實體模型的建立

粉碎室模型由機殼和粉碎刀盤、粉碎刀片、扇葉、粉碎刀軸以及防纏定刀組成，簡化后的模型如圖13所示。

2.2 邊界條件設置

在進行仿真計算前需要進行網(wǎng)格劃分和對邊界條件進行設置，來確保模擬結果有且唯一，采用多參考系（MRF）進行穩(wěn)態(tài)的仿真模擬。流體材料設置為空氣，不計重力的影響。定義入口inlet為壓力入口，出口outlet為壓力出口，壓力大小均設置為0 MPa。機殼表面定義為靜止壁面wall；粉碎刀軸的流域定義為旋轉(zhuǎn)流域，并對其轉(zhuǎn)速設置來進行分析不同轉(zhuǎn)速下的流場特性，從上往下看旋轉(zhuǎn)方向為逆時針旋轉(zhuǎn)；粉碎刀軸的壁面設置為旋轉(zhuǎn)壁面moving wall，轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的設置與粉碎刀軸流域保持一致；機殼內(nèi)其他流域均設置為靜止流域。旋轉(zhuǎn)流域與靜止流域的分界面分別定義為interface?inner和interface?outer，并在網(wǎng)格交界面選項卡中將其合并為interface，用于旋轉(zhuǎn)流域和靜止流域的數(shù)據(jù)傳遞[15]。求解方法選用COUPLED算法，最后利用后處理器CFD-Post輸出結果。為了便于分析，在粉碎室縱向方向的中間位置選取截面[16]，并與X-Z平面平行，且穿過四個粉碎刀片，如圖14所示。

2.3 數(shù)值模擬與結果分析

2.3.1 扇葉結構的影響

為了驗證粉碎裝置中扇葉的結構設計對粉碎室內(nèi)流場有效影響，對有扇葉型和無扇葉型粉碎裝置結構進行仿真分析，將粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速設置為1 500 r/min，其他參數(shù)保持不變，得到不同扇葉結構下粉碎室內(nèi)的截面速度云圖和壓力云圖。從圖15可知，有扇葉型粉碎刀尖處的氣流速度為67.9 m/s，無扇葉型粉碎刀尖處的氣流速度為69.93 m/s，二者差別不大。從圖16可知，有扇葉型負壓區(qū)的最大值為101.6 Pa，無扇葉型負壓區(qū)的最大值為47.62 Pa。

通過仿真對比可知，有扇葉型的負壓區(qū)最大值明顯增大，秸稈與粉碎刀片之間的相互作用力較大，更有助于秸稈進入粉碎室內(nèi)進行作業(yè)，顯著提升了秸稈在粉碎室內(nèi)的流動，進一步提高粉碎效率。因此，有扇葉型粉碎的結構設計合理。

2.3.2 粉碎刀軸轉(zhuǎn)速的影響

粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速直接影響著香蕉秸稈的粉碎效果。為了便于選取田間試驗因素水平和仿真計算，粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速分別設置為1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min，其他參數(shù)設置保持不變。

不同轉(zhuǎn)速下的粉碎室截面壓力云圖如圖17所示，香蕉秸稈粉碎還田機進行高速運轉(zhuǎn)時，負壓區(qū)主要集中在粉碎刀片末端的內(nèi)部，粉碎刀軸區(qū)域外各處壓力基本相同，壓力沿徑向分布比較均勻，粉碎刀片的刀尖處出現(xiàn)高壓區(qū)。不同的轉(zhuǎn)速會在粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)形成不同的負壓區(qū)，負壓區(qū)的面積越大，越有利于香蕉秸稈被卷入粉碎室內(nèi)進行粉碎作業(yè)。由圖17可知，3種粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下的負壓最大值分別為52.19 Pa（1 200 r/min）、101.60 Pa（1 500 r/min）和154.80 Pa（1 800 r/min），轉(zhuǎn)速每增大300 r/min時，負壓最大值約增大50 Pa左右。隨著粉碎刀軸轉(zhuǎn)速的提高，粉碎室內(nèi)負壓最大值不斷增大，香蕉秸稈與粉碎刀片之間的相互作用力不斷加強，繼而能提高機具的粉碎效果[17]。

不同轉(zhuǎn)速下的截面速度云圖如圖18所示，香蕉秸稈粉碎還田機進行高速運轉(zhuǎn)時，粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)氣流速度較大，其他區(qū)域氣流速度較小，這是因為粉碎刀軸進行高速旋轉(zhuǎn)時對周圍氣流做功，使得粉碎刀軸區(qū)域氣流速度增大[12]。從圖18可以看出，粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)中心處的氣流速度很小，粉碎刀片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的區(qū)域氣流速度明顯增大，且在粉碎刀片刀尖處氣流速度出現(xiàn)最大值。3種粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下的氣流速度最大值分別為56.86 m/s（1 200 r/min）、67.90 m/s（1 500 r/min）和82.06 m/s（1 800 r/min），粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速每增大300 r/min時，氣流速度約增大12.6 m/s左右。

當粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速過低時，香蕉秸稈所受的作用力較小，不能將香蕉秸稈充分粉碎，機具粉碎效果變差；當粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速過高時，粉碎刀片末端處的氣流速度過大，將未粉碎好的香蕉秸稈帶出，降低粉碎合格率，機具的功耗也會提升，不利于秸稈拋撒還田。因此，在進行田間試驗時，需結合粉碎室內(nèi)流場的負壓特性和速度特性，對粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速進行合理的選擇[18]。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證上述設計的合理性和實用性，2023年在海南大學儋州農(nóng)機試驗基地進行田間試驗，試驗田長度50 m，寬度50 m，土壤為海南常見的磚紅壤，地勢平坦。田間香蕉植株的平均高度在2 000～2 800 mm之間，平均直徑150 mm左右，含水率約為85%，整體長勢良好。田間試驗所用機具為自行設計的立式香蕉秸稈粉碎還田機，本研究優(yōu)化后的粉碎裝置安裝在還田機上。

選取香蕉秸稈粉碎合格率作為試驗指標，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》（農(nóng)業(yè)機械試驗條件，2008）的要求，在機具完成粉碎作業(yè)后，分別隨機測定往返行程中的5個測試區(qū)（1 m×1 m）的秸稈碎塊的總重量，記為[m1]，挑選出碎塊長度大于10 cm的秸稈并稱重，記為[m2]，計算每個試驗田的香蕉秸稈粉碎合格率，如式（3）所示；對5個試驗田的香蕉秸稈粉碎合格率取平均值即為最后的結果，如式（4）所示。

[Q=（m1-m2m1）×100%] （3）

[Q=i=15Qi5] （4）

式中： [m1]——試驗田內(nèi)粉碎的香蕉秸稈的總質(zhì)量，g;

[m2]——試驗田內(nèi)粉碎不合格的香蕉秸稈的質(zhì)量，g；

[Q] ——試驗田的香蕉秸稈粉碎合格率，%；

[Q] ——香蕉秸稈平均粉碎合格率，%。

3.2 試驗方案

各因素水平編碼如表2所示。

由雷沃M804拖拉機通過三點懸掛牽引立式香蕉秸稈粉碎還田機進行田間試驗。本試驗以影響秸稈粉碎合格率的主要參數(shù)：機具前進速度A、刀軸轉(zhuǎn)速B和刀片折彎角C作為試驗因素，以秸稈粉碎合格率Q作為試驗指標，根據(jù)Box-Behnken試驗方案，進行三因素三水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。

3.3 結果與分析

基于Design-Expert13軟件，根據(jù)Box-Behnken試驗設計方案，測試得到如表3所示的試驗結果?？紤]各因素之間的交互作用，建立試驗指標與各因素之間的數(shù)學模型，對其進行方差分析和響應曲面分析。

3.4 方差分析

測試結果由Design-Expert13軟件進行分析和處理，得到秸稈粉碎合格率Q對各因素參數(shù)的實際回歸方程為

[Q=-285.156 9+52.8A+0.060 8B+4.075C+0.047 1AB-0.171 9AC-0.000 35BC-35.812 5A2-0.000 018B2-0.011 887C2] （5）

由回歸方程一次項系數(shù)的絕對值大小可知，各因素對秸稈粉碎合格率影響的顯著性排序：[Bgt;Cgt;A]。

從方差分析結果表4可知各因素顯著水平，根據(jù)[Plt;0.01]為極顯著，[0.01≤Plt;0.05]為顯著，得到一次項B為極顯著，C為顯著。二次項AB、A2和C2均顯著。失擬項不顯著，表明回歸方程和數(shù)據(jù)分析結果可靠，模型決定系數(shù)[R2=0.981 3]，說明擬合程度良好，校正決定系數(shù)調(diào)整[R2=0.957 3]，說明預測值與實際值具有高度的相關性。由方差分析的F值大小得出各因素對秸稈粉碎合格率影響順序：[Bgt;Cgt;A]，與回歸方程分析一致。

3.5 響應曲面分析

圖19為各因素交互作用對秸稈粉碎合格率的響應曲面。由圖19可知，當一個因素為定值時，其他兩因素交互作用對響應值的響應曲面均為開口向下的凸面，秸稈粉碎合格率存在最大值[19?25]。

由圖19（a）和圖20可知，當?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，隨著機具前進速度的增加，秸稈粉碎合格率先增大后減小。這是因為隨著機具前進速度的增大，喂入機具內(nèi)的香蕉秸稈量也隨之增加，所以秸稈粉碎合格率升高。隨著機具前進速度的不斷增加，導致秸稈喂入量過多，機具無法對秸稈進行充分粉碎，秸稈粉碎合格率也隨之下降。由圖19（b）和圖20可知，當機具前進速度一定時，隨著刀片折彎角的增大，秸稈粉碎合格率先增大后減小。這是因為隨著刀片折彎角的增大，刀片旋轉(zhuǎn)時所掃過作業(yè)區(qū)的面積增大，秸稈粉碎合格率升高，隨著刀片折彎角的不斷增大，導致刀片不能充分接觸秸稈，秸稈粉碎合格率下降。由方差分析結果和圖19（c）可知，刀軸轉(zhuǎn)速和刀片折彎角的交互作用對秸稈粉碎合格率的影響不顯著。

如圖20所示，隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加秸稈粉碎合格率也隨之增大。考慮到秸稈粉碎效果、機身振動和整機功耗等因素，刀軸轉(zhuǎn)速設定為1 200～1 500 r/min。

3.6 試驗結果優(yōu)化

利用Design-Expert13軟件的Optimization功能，在機具前進速度為0.9～1.7 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為1 200～1 500 r/min，刀片折彎角為120°～160°的范圍內(nèi)，根據(jù)秸稈粉碎合格率的望大原則，得到各個因素的最優(yōu)參數(shù)組合：機具前進速度為1.39 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，刀片折彎角為139.28°，秸稈粉碎合格率為98.50%。

3.7 驗證試驗

為檢驗上述試驗優(yōu)化結果的實際應用效果，根據(jù)優(yōu)化參數(shù)組合進行田間試驗。固定機具前進速度為1.39 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，重新研制折彎角為139.28°的刀片，在試驗場地進行5次試驗并取平均值，得到試驗值秸稈粉碎合格率為96.89%，與軟件優(yōu)化值之間的誤差為1.61%，優(yōu)化值（98.50%）與試驗值接近，表明軟件優(yōu)化結論可靠。

4 結論

1） 對粉碎裝置進行結構設計，包括粉碎刀片、扇葉和粉碎刀盤。通過分析前代兩種L型粉碎刀片的特點，基于L型刀對粉碎刀片進行結構改進，在粉碎刀片裝配扇葉來促進秸稈在粉碎室內(nèi)的流動。對香蕉秸稈的粉碎過程進行受力分析，研究粉碎裝置的可行性。

2） 基于CFD數(shù)值模擬方法，利用Fluent軟件驗證有扇葉型粉碎裝置結構的合理性。通過分析不同轉(zhuǎn)速下粉碎室的壓力特性和速度特性，得出粉碎刀軸轉(zhuǎn)速每增大300 r/min，負壓值約增大50 Pa左右，氣流速度約增大12.6 m/s。

3） 根據(jù)Box-Behnken試驗方案設計，得到由Design-Expert軟件分析優(yōu)化參數(shù)組合：機具前進速度1.39 m/s，粉碎刀軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min，刀片折彎角139.28°，香蕉秸稈粉碎合格率為98.50%。應用上述優(yōu)化后的參數(shù)進行田間驗證試驗，得到秸稈粉碎合格率為96.89%，與軟件優(yōu)化結果誤差僅為1.61%，滿足秸稈粉碎還田機粉碎要求。

參 考 文 獻

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