玉米根茬挖切装置功耗影响因素试验研究

陈美舟，李其昀，程修沛，贾晓东

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博　255049)



玉米根茬挖切装置功耗影响因素试验研究

陈美舟，李其昀，程修沛，贾晓东

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博255049)

摘要：针对秸秆还田机对根茬处理效果较差、功率损耗较大等问题，提出了一种安装在玉米秸秆还田机上的玉米根茬挖切装置。以刀轴转速、台车前进速度、挖茬深度为因素，挖茬功耗为指标，运用二次回归正交旋转试验方法安排试验，建立了挖茬功耗与各影响因素之间的回归数学模型。通过Design-Expert 8.0软件对试验参数进行优化，确定刀轴转速640r/min，台车前进速度1.2m/s，挖茬深度31mm为最佳参数组合，此时玉米根茬挖切装置的挖茬功耗为615W，表明该组合下试验误差较小。同时，对刀轴转速做了单因素试验，用Origin 8.0进行数据拟合并绘图，计算显示：固定挖茬深度为31mm、台车前进速度为1.2m/s条件下，完成根茬挖切作业的最低刀轴转速为626r/min。

关键词：玉米根茬挖切装置；挖茬功耗；正交试验；影响因素

0引言

近年来，保护性耕作技术及理念在我国一年两熟种植区得到了大力推广，秸秆还田机得到了较好的应用，技术趋于成熟，结构很完善，秸秆还田的效果也得到了认可。国外的秸秆还田机技术起步较早，对秸秆还田机通常进行专门的设计，以适应不同作物的粉碎需求，并可以通过更换部件实现一机多用。大多数地区采用的保护性耕作方案是秸秆回收利用或还田之后留茬免耕播种[1]。作业时，秸秆还田机通常被安装在玉米联合收获机或拖拉机上使用。目前，对在秸秆还田机上安装玉米根茬挖切装置的研究较少，主要应用的是立式切茬装置。这种装置作业时会留下较深的沟壑，影响下茬作物的播种深度，从而影响下茬作物的出芽率；另外，由于入土较深等问题导致功耗很大。现在的秸秆还田机不能将倒伏的玉米茎秆进行捡拾和打碎，不能对根茬进行处理，残留的秸秆和根茬也不易腐烂，进行免耕播种时，极易引发秸秆缠、堵等现象导致无法正常作业；同时，秸秆还田机作业时的打土现象也增加了刀具的磨损及较大的功耗，增加了农民的作业成本[2-4]。为此，本文提出在秸秆还田机上增加一套卧式玉米根茬挖切装置，并在室内土槽进行试验研究，寻找合理的结构及工作参数，以期提高茎秆及根茬的还田率，降低能量消耗。

1玉米根茬挖切装置工作原理

玉米根茬挖切装置由挖茬刀、螺杆、间隔套、回转刀轴、固定板及轴头等组成，如图1所示。

图1　玉米根茬挖切装置配套还田机

每组挖茬刀通过螺杆两端对称的安装在螺杆上，挖茬刀用硬度较强的薄螺母固定，每个回转刀轴上垂直交错安装6组挖茬刀。玉米根茬挖切装置工作时通过侧板悬挂在还田机的前侧，通过链轮进行传动。室内试验时，将玉米根茬挖切装置安装在机架上，挖茬刀轴由电机带动，试验台(见图2)由台车牵引，刀轴向后旋转切断根茬，并将根茬向后抛向还田机，同时捡拾倒伏的玉米秸秆，达到设计目的。玉米根茬挖切装置的设计通过间隔套与螺栓固定刀片，可以增加刀片的旋转半径，同时减少刀片切土时的阻力[5-7]。

2试验准备

为了更好地模拟玉米根茬在田间的实际情况，在山东理工大学试验田统计玉米相关参数[8]。收获玉米后，用铁锹将玉米根茬连同土壤一起挖出，取回后按田间实际植株间距将根茬埋入土槽的土壤中。土槽的土壤是从试验田取回的黄壤土，经过处理后接近实际指标。利用浙江托普仪器有限公司生产的 TJSD-750型数字式土壤紧实度仪对玉米试验田的土壤坚实度及含水率进行直接测量。准备过程中，整平压实土壤，定期洒水，使玉米根茬与土槽内的土壤成为一体，待水分散发后开始进行测试[9]。

1.机架　2.玉米根茬挖切装置　3.挡土板　4. 传动系统

3试验方法及设备

3.1　试验指标

试验指标是挖茬合格率Y和消耗功率W，每个行程测1点，每点取1个工作幅宽乘1m的面积，测定地底的挖茬深度范围内的所有根茬。根据玉米根茬的结构特点[10]，将平均深3～5 cm的根上节切开，就可以将玉米根茬打散，利于根茬的腐烂。测定总的根茬数量B和合格的根茬数量b，计算公式为

Y=(b/B)×100%

(1)

消耗功率W的采集主要使用GDW3001三相电参数测量仪，通过三相三线接法，电功率通过GDW3001三相电参数测量仪传输到调速电机，同时数据线与电脑连接，实时把采集到的功率数据传送到电脑上并显示记录下来。

3.2　挖茬刀参数

挖茬刀参数如表1所示。

表1　挖茬刀参数

3.3　试验设备

玉米根茬挖切装置试验台；土槽试验台车；Y系列减速电机；TJSD-750型数字式土壤紧实度仪；电子天平，精度为0.001 g; 游标卡尺；卷尺；三星 HMX-F90型号数码摄像机；GDW3001三相电参数测量仪及显示记录系统(笔记本)。

3.4　响应面分析优化设计试验条件

3.4.1试验因素及水平选取

对玉米根茬挖切装置挖茬功耗进行分析，选择刀轴转速n、台车前进速度v及挖茬深度h为试验因素[11-12]，各因素及水平编码值[13]如表2所示。

表2　因素水平编码

3.4.2试验安排及结果

根据对试验指标的分析，建立挖茬试验的模型[14-15]。为了尽可能全面的分析各因素的影响，又能够减少试验的次数，同时对试验的结果做出比较准确的分析，选用二次回归正交旋转组合试验的设计方案，安排30组试验，每组试验重复3次，以平均值作为试验指标。试验安排及结果如表3所示。

表3　试验安排及试验结果

续表3

4结果与讨论

4.1　挖茬功耗模型建立

根据试验的结果建立挖茬功耗的回归方程，并对该模型进行方差分析和矢拟检验，如表4所示。从结果来看，p<0.000 1，说明回归方程的关系极其显著；模型的失拟p=0.172 1>0.05,不显著，说明该方程可对真实的试验效果进行拟合。

表4　回归方程方差分析

续表4

从方差分析可以看出：刀轴转速和挖茬深度是影响试验装置挖茬功耗的显著因素，而台车前进速度对挖茬功耗的影响相对较小。挖茬功耗与各因素编码之间的回归方程为

(2)

4.2　各因素交互作用分析

为了更加直观、明了地反映各因素对挖茬功耗的影响，利用Design-Expert 7 软件，依据回归方程式，绘出二次回归方程的响应面及等高线图，如图3所示。

由图3(a)可以看出：挖茬功耗受挖茬深度的影响较大，受刀轴转速的影响较小。这是因为挖茬深度直接挖茬刀阻力的大小，挖茬越深，切削刃受力越大，消耗的功率越多。由图3(b)、(c)均可以看出：台车前进速度对挖茬功耗的影响最小。这是因为玉米根茬挖切装置切茬时，主要靠刀轴带动刀片旋转切削入土，形成剪切作用，台车前进速度对切削刃的入土作用影响很小。同时，土壤硬度、土壤含水率等因素都会对挖茬过程中切削刃的作用产生影响[16]，作为次要因素后续将继续进行研究。

对回归方程求一阶偏导，得到挖茬功耗最小值时各参数的最优组合：刀轴转速640r/min，挖茬深度31mm，台车前进速度1.2m/s。在此最佳参数组合下玉米根茬挖切装置试验的挖茬功率为615W。

图3　各因素交互作用响应面

4.3　验证试验

根据回归方程的优化结果对最佳参数组合进行试验验证，试验结果及与理论值的误差如表5所示。

表5　试验结果及误差

续表5

挖茬功耗平均值为612W，相对误差平均值为2.49%。试验结果接近参数优化区域，所以优化结果可以作为玉米秸秆还田机挖茬还田装置的最佳参数组合。

4.4　单因素试验

由二次回归正交旋转组合试验可以看出：刀轴转速和挖茬深度对挖茬功耗与挖茬合格率都有显著影响，设计希望玉米根茬挖切装置刀刃以较低的旋转速度切挖根茬，在功耗尽可能小的情况下获得较好的挖茬效果。同时，试验在保证挖茬合格率100%的条件下，尽可能降低挖茬深度。由二次回归正交旋转组合试验得到的挖茬功耗最小值时的参数组合中，挖茬深度相对比较符合预期。保持其他因素处于优水平前提下寻找能完成挖切玉米根茬主根的最低刀轴转速，为此对影响挖茬合格率比较显著的刀轴转速做单因素试验。其中，固定挖茬深度为31mm，台车前进速度1.2m/s。

试验数据及Origin拟合如表6和图4所示。拟合之前对数据进行预处理，刀轴转速为660r/min时，3组y值均为100%, 此组数据是根茬完全被挖掉的情况，对应的挖茬合格率应超过100%。由于无法具体表示只能用100%表示，故不应将其加入拟合数据行列，将其作mask处理[17](mask处理即Orign软件中的功能，可以屏蔽某些不希望参与分析与拟合的数据)，拟合时不将其考虑在内。将所有数据用Origin进行拟合，选择的函数的模型为三次函数。拟合的三次函数的曲线为

y=1576.38-8.6x-9.73x3

(3)

由Origin分析后可知：当y在100%附近时，对应的x值为626。由于R2=0.9813>0.9025，拟合效果良好，可以相信Origin拟合及预测的结果。即在固定挖茬深度为31mm、台车前进速度1.2m/s条件下，完成根茬挖切作业的最低刀轴转速为626r/min。

表6　刀轴转速x对挖茬合格率y的单因素试验数据

图4　单因素试验数据散点图及拟合图

5挖茬试验分析

根据玉米根茬的特点，将玉米根茬的主根破开，既利于根茬的腐烂，不影响下季作物的播种与生长，又不破坏根系与土壤的复合特性，保护土壤结构，实现保护性耕作。随着入土深度的增加，切碎主根的同时也增加刀具入土时消耗的动力，因此需要通过试验研究及数据分析，得到玉米根茬挖切装置的结构及工作参数的最优组合，以期降低农民作业的成本。试验获得的挖茬的玉米根茬形态符合预期要求。

6结论

1)根据二次正交旋转回归试验设计方法，利用Design-Expert 7软件建立了影响因素与玉米根茬挖切装置挖茬功耗之间的数学回归模型，并通过交互作用分析了各因素对挖茬功耗的影响。

2)通过对挖茬功耗回归方程的优化设计得到最佳参数组合：刀轴转速640r/min、挖茬深度31mm、台车前进速度1.2m/s，此时玉米根茬挖切装置的挖茬功耗具有最小值615W。

3)验证试验表明：挖茬功耗平均值为612W，其结果接近装置的挖茬功耗理论值(615W)，表明优化参数组合可以作为玉米秸秆还田机根茬挖切装置的最佳依据。

4)利用Origin 8.0进行拟合，刀轴转速x对挖茬合格率y的单因素试验数据显示固定挖茬深度为31 mm、台车前进速度1.2m/s下，拟合的三次函数的曲线为y=1 576.38-8.6x-9.73x3，完成根茬挖切作业的最低刀轴转速为626r/min。

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Experiment of Influencing Factors of Power Consumption on the Digging and Cutting Corn Rootstalks in Soil-bin

Chen Meizhou, Li Qiyun, Cheng Xiupei， Jia Xiaodong

(School of Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract：Based on the problem of poor effect for corn rootstalk and the large loss of power, a new device for digging corn rootstalk was proposed by corn straw returning machine.The two times orthogonal rotational regressive tests were designed in the experiment. The rotating speed of the blade shaft, the forward speed and the digging depth were defined as input parameters, the power consumption of digging and the percent of pass of digging corn root stalk were defined as output parameters. The regression mathematics models between output parameters and input parameters were established and then parameters were optimized through Design-Expert 8.0.The analysis indicated that the regression equation can fit the test effect of real situation better. In order to react the influence of various factors for the power consumption of digging more intuitively and clearly, the response surface and contour map of the quadratic regression equation were plotted with Design-Expert 8.0. According to response surface plots of each factor, the digging depth of blades has greater influence than the rotating speed of the blade shaft of the digging mechanism, and the forward speed had least influence on the power consumption. The resistance of the blades when graving was the main reason of influencing the power consumption. The optimal combination was that the rotating speed of 640r/min, the forward speed of 1.2m/s, and the digging depth of 31 mm, at that time the power consumption of 615W. Confirmatory tests showed that the inaccuracy was little, so the optimization results can be used as the optimal parameter combination. The digging depth of 31 mm was in line with expectations relatively. So in this time under the condition of 100% percent of pass of digging, single factor experiment was conducted on rotating speed under fixed forward speed of 1.2 m/s and digging depth of 31 mm.The drawing was plotted and the data was fitted by Origin software. The computation indicated the lowest value of rotating speed for finishing rootstalk digging work was 626 r/min under fixed forward speed of 1.2m/s and digging depth of 31 mm. The broken corn rootstalk can not only be conducive to rot but protect soil structure.

Key words：digging device; power consumption; orthogonal experiments; influencing factors

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0139-06

作者简介：陈美舟(1989-)，女，山东济宁人，硕士研究生，(E-mail)chenfeng2830@163.com。通讯作者：李其昀(1957-)，男，山东淄博人，教授，硕士生导师，(E-mail)liqiyun@sdut.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(200903059-0402)；山东省科技发展计划项目(2010GNC10965)；山东省自然科学基金专项(ZR2009DL012)；山东省自然科学基金项目(2010 ZRE04018)；农业科技成果转化资金项目(2014)

收稿日期：2015-09-22