基于二次通用旋转回归试验的振动深松铲参数优化

李霞 汤明军 王维新 张思远

摘要：为确定受迫振动深松铲的关键参数，以前进速度、振动频率、振动角作为试验因素，以牵引阻力作为相应指标，首先采用单因素试验设计进行室内土槽试验，确定在牵引阻力最小的情况下，振动频率为8.3～9.2 Hz，振动角度约为0°，前进速度为3 km/h；然后采用二次通用旋转回归试验设计对试验参数进行优化，通过DPSv7.05软件对试验数据进行处理，建立相应指标与影响因素之间的回归数学模型。通过响应面分析，得到前进速度、振动频率与牵引阻力的关系图、等高线图。得出前进速度、振动频率、振动角对牵引阻力的最优参数组合：振动频率为8.35 Hz、前进速度为3 km/h、振动角为0°，为振动深松机的优化设计提供了参考。

关键词：二次通用旋转；回归试验；农业机械；优化；振动深松铲

中图分类号：S222.19 文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0403-04

土壤深松可以替代长期浅层旋耕、翻耕作业，已有研究表明，深松可以打破犁底層，增加土壤耕层容量，降低土壤容重、坚实度，增强蓄水保墒能力，有利于作物根系生长，可有效避免作物倒伏，最终增加作物产量[1-4]。

我国从20世纪60年代开始展开进行深松技术的研究和推广，并取得了良好的效果。振动深松铲是受迫振动深松机的关键部件，其结构参数和工作性能直接影响受迫振动深松机的作业质量。国内很多高校和研究院所也对深松铲的设计和性能做了大量研究工作[5-9]。国内深松机的深松铲可分为箭式、凿式、翼铲式和仿形深松铲等[10-11]，但深松铲所受牵引阻力较大，动力消耗较高，目前研究表明，采用振动原理能有效降低牵引阻力，深松振动减阻方法可分为自激振动、受迫振动[12-14]。Shahgoli等设计了双齿受迫振动深松机，研究振动深松系统动态响应与拖拉机人员工作座位振动之间的关系[15]。李艳龙等设计了受迫振动式深松铲，试验证明该振动深松机能使牵引阻力有效降低13%～18%[16]。蒋建东等针对茶园振动深松机功率不足的问题，采用ALE算法通过试验分析了深耕铲-土壤的动力学模型，结果表明：振动频率 25 Hz、振幅14 mm时，振动切削阻力最小，且降幅约为22%[17]。周桂霞等通过多因素多水平二次正交旋转回归试验，对凿尖加小双翼形深松铲的研究表明：翼张角31.87°、刃角20.78°、翼倾角21.44°时，深松铲所受牵引阻力最小[18]。

针对现有深松机械阻力大、能耗高的问题，结合振动减阻的优点，本研究利用自制受迫振动深松机进行试验，建立牵引阻力与机器行进速度、振动频率、振动角的数学模型，并对试验参数进行优化分析，确定前进速度、振动频率、振动角的最优参数组合，以期为后续受迫振动深松铲的设计优化提供参考。

1材料与方法

1.1试验装置

如图1所示，本试验通过偏心轴实现受迫振动深松减阻，其中振动机构主要由偏心轴、十字连接器、深松铲等组成。工作时，拖拉机动力输出轴输出动力，驱动偏心轴转动，通过十字连接器将偏心轴的转动转变为振动机构的上下振动，最后带动深松铲振动，完成土壤深松作业。

1.2试验方法

1.2.1单因素试验

利用智能土槽试验台进行室内土槽试验，试验中土壤物理特性尽量保持一致：土壤含水率控制在14%～18%，土壤坚实度控制在1.6～2.0 MPa，土壤容重控制在1.50～1.75 g/cm3。為了保证试验的准确性，每次试验要严格控制土壤的物理条件，尽量缩小试验的组间差异。

以前进速度v、振动频率f、振动角β为试验因素，以牵引阻力F为指标进行单因素试验。

1.2.2二次回归通用旋转试验在单因素试验的基础上，选取前进速度v、振动频率f、振动角β为控制因素，以牵引阻力F为指标进行二次回归通用旋转组合试验[19-20]，建立各因素与牵引阻力间的定量关系，对试验参数进行进一步优化。其中，振动频率通过改变拖拉机的档位，即动力输出轴转速实现；振动角度通过改变振动深松铲的安装位置调整。本试验中确定5个不同位置的深松铲安装圆孔，图2显示3种不同振动角的振动深松铲的安装位置。

根据二次通用旋转回归试验设计方案，试验因子数p=3，选取m0=6，查二次回归旋转设计表得γ=1.682，由方程（1）得出试验次数N=20次，相应公式：

2结果与分析

2.1前进速度对牵引阻力的影响

将前进速度分别设为1.0、1.5、2.0、2.5、30 km/h，以不振动试验作为对照试验组，分别测定牵引阻力的大小，试验结果分别见图3、图4。2.3振动角对牵引阻力的影响

从图6可以看出，振动角对牵引阻力具有一定影响，牵引力随振动角的变化先减小后增大再减小；当振动角为0°时，牵引阻力最小。

2.4二次回归通用旋转试验结果

按照二次回归通用旋转设计的基本原理与主要程式，编制试验方案。得到以牵引阻力F为响应指标、以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型，并进行相应的回归模型分析[21-22]，试验方案与结果见表3。

2.5回归分析

利用DPS v7.05软件对表1试验数据进行二次通用旋转回归分析，牵引力F回归方程模型：

y=1 249.2+119x1-81.3x2-159.3x3+2x12-100x22+300x32-7.3x1x2-56.8x1x3-76.7x2x3。

式中：x1、x2、x3分别为前进速度、振动频率、振动角的水平编码。

为检验回归方程的显著性，对回归方程进行F检验和t检验，基于方差分析的回归方程显著性检验结果见表4。

由表4可知，F1=12.59>F0.1（5，5）=3.45，显然说明回归方程是失拟的；但在试验中心处，方程在试验中心拟合得很好，由于F2=5.14>F0.1（9，10）=2.35，表明牵引力回归方程在α=0.1水平下显著。

回归系数在回归方程中，每个因素的1次项、2次项以及因素间的交互项对试验指标的效应是否显著，用t检验表明，被检验的回归项在α=0.1水平下显著，通过DPS v7.05分析软件得出各个系数的显著性见表5。

以下是α=0.1显著水平剔除不显著项后，简化后的回归方程：

3结论

根据二次回归通用旋转试验设计方法，建立影响因素与牵引阻力之间的数学回归模型，并研究前进速度、振动频率、振动角度对牵引阻力的影响。在单因素试验中确定各因素对指标影响的水平范围，为二次回归通用旋转试验的因素水平的确定提供了依据。综合单因素、二次回归通用旋转试验结果可得：当前进速度为3 km/h、振动频率为8.35 Hz、振动角为0°时，牵引阻力处于最佳范围。由于土壤情况差异较大，通过验证性试验，优化组合参数可以作为受迫振动深松机设计的依据。

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[FK（H0265。54ZQ]〖HTH〗更正：《江苏农业科学》2016年第44卷第7期116-120页所刊论文《大蒜根系水提液对不同品种红小豆幼苗生长及生理特性的影响》，第一作者简介中的“山西运城人”应该为“山西晋城人”，特此更正。