喂入角对玉米茎秆切碎效果的试验分析

魏元振，李其昀，尹成海，刘庆国，孙雪峰，曹树红

(1.山东省农业机械科学研究院，济南　250100；2.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博　255049)



喂入角对玉米茎秆切碎效果的试验分析

魏元振1，李其昀2，尹成海2，刘庆国1，孙雪峰2，曹树红2

(1.山东省农业机械科学研究院，济南250100；2.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博255049)

摘要：搭建了喂入角可调式玉米摘穗切茎试验台，对影响玉米植株切碎合格率的主要因素进行了正交试验，较优组合为喂入角90°、行进速度0.7m/s、摘穗辊转速1 000r/min、动刀轴转速1 980r/min、喂入角对其有显著影响：喂入角0°时，玉米植株运动发生90°转向，出现严重喂入不畅，切碎合格率约为72.8%；喂入角30°时，在喂入过程中，依然有喂入不畅通，产生间歇性，影响了茎秆切碎效果，切碎合格率约为87.6%；喂入角90°时，摘穗辊旋转有助于玉米植株的喂入及切碎，切碎合格率约为97.6%。同时，通过分析玉米植株受切运动，推导出数学模型，并运用高速摄像技术对运动轨迹进行同步捕捉追踪，经MatLab拟合处理，找到了喂入角对切碎效果影响的关键因素。

关键词：玉米植株；喂入角；切碎合格率

0引言

随着国家加大推广力度，玉米收获的机械化进程已提速[1]。为提高机器收获效率、降低生产成本、提高农民收入、增加收益，集成、联合已经成为主要创新模式，玉米摘穗与植株还田于一体的割台结构方式也正在成为主流[2-3]，这也十分有利于秸秆还田[4-5]技术的实施，还田后覆盖对土壤质量和粮食增产也具有积极影响[6-7]。摘穗关键部件摘穗辊有很多结构形式，如三段式、螺旋表面结构式等[8-12]。横卧辊式玉米摘穗方式的出现丰富了摘穗形式，但这种与传统摘穗方式有较大区别，采用0°转90°喂入，而且不与切碎还田装置配合使用。或者说，通过改变摘穗辊的角度实现玉米植株喂入角的改变来影响切碎合格率的研究尚未发现。

本试验搭建了喂入角可调式玉米摘穗切茎试验台，对不同喂入角度情况下，完成正常摘穗的同时，影响植株切碎合格率的主要因素进行研究；借助高速摄像技术，对玉米收获过程中的植株运动轨迹进行捕捉和追踪，采集试验数据，得出玉米植株在该试验台中的运动规律，并分析其不同角度下的切碎效果；通过试验确定玉米植株最优喂入角，为优化设计该类玉米收获还田机型奠定基础。

1组成结构及工作原理

喂入角可调式玉米摘穗切茎试验台主要由变向喂入摘穗装置、卧式片刀切碎装置、传动系统、监控系统和机架组成，如图1所示。其中，内、外圆套筒嵌套形成一对旋转副(见图2)，以此改变喂入角。玉米收获过程中，高速摄像机记录不同喂入角下玉米植株的运动轨迹，并进一步分析喂入角对切碎合格率的影响。

1.机架　2.摘穗辊　3.U型螺栓　4.内套筒　5.外套筒

图2　试验台喂入角示意图

2建立数学模型

为分析玉米植株在不同喂入角下受切运动规律，寻找对切碎合格率影响的关键因素，建立了数学模型。同时，假设玉米植株为刚性体，其切碎过程为动刀片与植株接触瞬间到植株被切断阶段。

设以刀盘旋转中心为坐标系原点，机器水平前进方向定义为x轴负向，y轴正向垂直向下(见图3)，建立平面直角坐标系，动刀片旋转平面即为坐标系所在平面。开始时，动刀片端点位于刀盘正前方水平位置，并且使其与x轴正向重合；一对相对旋转的摘穗辊及其表面的螺旋筋使瞬间质点1向后下方运动，质点2在切碎动刀片及机器前进的作用下运动轨迹为余摆线，通过矢量运算建立质点1的位移关于时间的函数[13-15]。下面分别以质点为研究对象，单独建立函数，最后再进行叠加。

图3　试验地处理方案

2.1建立函数

质点1受到摘穗辊向后和向下的力，产生相应方向的位移，则有

(1)

玉米植株切碎装置置于摘穗装置的下方，切碎和摘穗同时进行。摘穗辊直径D=60mm，卧式摘穗辊的顶圆线速度为3.3～3.8m/s，取3.3m/s，则摘穗辊转速n′=1 050r/min。在相对旋转的摘穗辊作用下，玉米植株被向下拉伸，则植株相对于摘穗辊的径向速度计算公式为

(2)

质点1沿摘穗辊轴向方向的位移为

(3)

质点1垂直摘穗辊径向向下的位移为

s2=v′t

(4)

玉米植株相对机器的位移为

x2=-vmt

(5)

同理，质点2受到动刀片作用力情况下的位移为

(6)

函数矢量运算合成为

(7)

整理得到玉米植株运动位移时间函数为

(8)

t∈[0,0.014]

式中n′—摘穗辊转速；

ε′—茎秆沿径向移动的打滑率；

s′—摘穗辊螺距；

α—摘穗辊轴线与水平面之间的锐角；

R—动刀片端点转动半径；

ω—刀盘旋转角速度；

vm—机器行进速度；

t—动刀轴(指切碎装置，下同)旋转150°所需的时间。

2.2一次坐标变换

喂入角γ的改变导致需要再次进行坐标系的转换，得到x″oy″直角坐标系下的函数为

t∈[0,0.014]

2.3二次坐标变换

试验过程中，将高速摄像机以β=45°放置，即高速摄像机和y轴所在平面与xoy平面所成锐角β=45°，拍摄图像如图4所示。进行坐标系转换，得到直角坐标系xoy下的函数为

t∈[0,0.014]

(11)

t∈[0,0.014]

图4　高速摄像机拍摄切碎过程图像

3正交及单因素试验

以黄淮海地区普遍种植的鲁单818为试验材料，将试验田划分为24等份，随机抽取10片区域，每片区域分别随机抽取30株玉米进行试验。

试验方案：首先根据试验要求进行正交试验，喂入角水平选为0°、45°、90°，然后将正交试验的较优组合作为前提，确定行进速度、摘穗辊转速和动刀轴转速3个因素的水平值不变，对喂入角进行单因素试验，喂入角水平选为0°～90°，研究喂入角对玉米植株切碎效果的影响，并确定最优喂入角。

3.1正交试验

试验因素：喂入角、行进速度、摘穗辊转速和动刀轴转速。各试验因素水平分别为：喂入角0°(1)、45°(2)、90°(3)；行进速度0.5(1)、0.7(2)、1(3)m/s；摘穗辊转速1 000(1)、1 050(2)、1 100(3)r/min；动刀轴转速1 580(1)、1 780(2)、1 980(3)r/min。

试验指标为

正交试验结果如表1所示。由表1分析可见：影响切碎合格率的因素按极差由大到小排列依次为喂入角、摘穗辊转速、动刀轴转速、行进速度；喂入角度的极差值Rj为15.67远大于其他3个因素的值，由此喂入角度的变化对玉米植株的切碎合格率影响显著，随着喂入角的增加，平均切碎合格率整体呈上升趋势。本试验只有第5、7、8组数据达到国家秸秆切碎合格率标准的要求，这说明此三组试验中各因素有效配合度较高。影响切碎合格率各因素的较优水平为喂入角90°、行进速度0.7m/s、摘穗辊转速1 000r/min、动刀轴转速1 980r/min。

3.2单因素试验

在正交试验基础上，分析得出喂入角度对切碎合格率的影响显著，固定其他3个因素水平：行进速度0.7m/s、摘穗辊转速1 000r/min、动刀轴转速1 980r/min；对不同喂入角(0°～90°)进行单因素试验，分析喂入角对切碎合格率的影响；重复试验5次(剔除同一试验水平下的数据幅度变化较大者)取平均值。

由图5可知：切碎合格率大体上随着喂入角的增加而增大。喂入角0°时，玉米植株运动发生90°转向，产生动力冲击，切碎合格率约为72.8%；0°～40°时，切碎合格率并未达到行业规定的相关指标，因为玉米植株横向输送距离较长，在很短的时间内，定刀与动刀的相切将玉米植株卡住现象较为严重，阻碍了摘穗辊对茎秆的横向输送，整个输送过程是间歇、不连续的；45°～75°时，切碎合格率变化甚微，约为92.1%；90°时，不存在玉米植株的横向输送，切碎合格率约为97.6%。

表1　正交试验安排与结果

图5　喂入角对切碎合格率的影响

4玉米植株受切运动规律分析

通过数学模型和试验数据验证，取喂入角度为30°和90°，对玉米植株的受切运动规律进行分析，结果分别如图6和图7所示。

4.1喂入角为30°

将喂入角γ=30°代入式(11)，得到函数

(12)

t∈[0,0.014]

如图6可见：玉米植株在摘穗和切碎的综合作用下，喂入角为30°时，经MatLab试验数据处理得x-y位移三次拟合方程为y=97.67x3+13.88x2-0.22x-0.032，拟合度为R2=0.783。

图6　喂入角30°运动轨迹(x- y)

4.2喂入角为90°

将喂入角γ=90°代入式(11)，得

(13)

如图7可见：拟合曲线是五次多项式拟合，拟合方程为y=4.7742x5+0.6501x4+0.0469x3-0.0015x2-0.0002x，拟合度R2=0.835。理论曲线和实测拟合曲线变化规律基本相同，值得注意的是大约在x坐标(-0.05,0.03)上，实测拟合曲线出现了较大波动。经多次试验观察发现：这一阶段正是摘穗辊摘穗的时间，也就是说波动来源于摘穗辊摘穗。在摘穗过程中，玉米植株受到摘穗辊的力是先增大后减小，摘穗时由于要把果穗摘下，摘穗辊加大对植株的向下的拉力，此时植株在运动过程中有瞬间的停顿；摘穗后，受惯性及摘穗辊力的作用，玉米植株向下运动速度加大，所以运动曲线在此时波动较大，对切碎效果也产生了一定负面影响。

图7　喂入角90°运动轨迹(x-y)

由图6、图7可见：理论曲线和实测拟合曲线变化规律基本相同，运动位移分布形态类似。相同时间段内t=[0,0.014]，喂入角90°时，x轴位移幅度较大，即行进方向玉米植株输送速度较快，摘穗辊输送顺畅，有效保证了切碎效果。

5结论

目前，关于玉米植株在卧式固定割台中运动规律的相关研究相继出现[16-17]，而本研究是在切碎装置采用卧式片刀切碎装置的一种情况下进行的。建议对与甩刀式及立式切碎装置等形式进行相应对照试验，以期确认其影响。本次研究结论如下：

1)切碎合格率与喂入角成正相关，切碎合格率随着喂入角的增加而增大。喂入角为0°时，切碎合格率并未达到行业规定的相关指标。其原因：一方面是由于横向切碎时，玉米植株在喂入通道上，因定刀与动刀瞬间、间断性形成重合而封闭空间，导致输送过程具有间歇性，影响了切碎效果；另一方面0°喂入角是否适合配置本试验台中的切碎装置，尚属未知，对于配置甩刀式或者立式切碎装置对切碎效果的影响也有待进一步研究。喂入角为 90°可以得到最高切碎合格率，可达到97.3%。

2)经3次坐标变换推出玉米收获过程植株运动公式，结合试验数据并分析可知：在玉米植株喂入角为90°时，摘穗辊相对旋转对玉米植株的作用力有助于将玉米植株喂入切碎装置，并得出最优切碎效果。

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Experimental Analysis of Corn Stalks Chopped Effect Based on Different Snapping Rollers Feed Angles

Wei Yuanzhen1, Li Qiyun2, Yin Chenghai2, Liu Qingguo1, Sun Xuefeng2, Cao Shuhong2

(1.Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China; 2.School of Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract：Designed structures and setting up a cut stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable. In order to find out the best level of every factor and the primary and secondary factors in four factors by range analysis of orthogonal test. The results of orthogonal test showed that the optimal of cutting effect of corn on variable feeding angle cutting corn stalks device operation combination was: ear-snapping roll angle 90°, advance speed 0.7m/s, snapping roller rotate speed 1000r/min and knife shaft rotate speed 1980r/min in a given level. Feeding angles have a significant impact to the cutting effect of corn plants on variable feeding angle cutting corn stalks device. The study reaches that when feeding angle is 0°, the chopped pass rate is about 72.8%, because the maize plants movement happened 90 ° steering, producing dynamic impact. And when feeding angle is 30°, the chopped pass rate is about 87.6%. This result is caused by as follows this reason that the transmission process on feeding channel is intermittent caused that the feeding of maize plants is not unimpeded and affects the chopped pass rate. And when feeding angle is 90°, the chopped pass rate is approximately 97.6% because snapping rolls rotation is conducive to maize plants feeding and being chopped. The corn plant function relation between the shear movements is established by analyzing the movement of maize plants in the cutting stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable. The final motion mathematical model between the shear movements is deduced through the two angular adjustments. The motion trajectory of maize plants on the cut stems harvesting corn test bench of corn plant feeding angle adjustable was clearly captured and tracked by the high speed photography technology during the experiments. Finally, the drawing was plotted and the test data was fitted by MATLAB software to reveal the essence of chopped effects on the feed angle.

Key words：corn stalks; feed angles; chopped percent of pass

文章编号：1003-188X(2016)06-0194-06

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

作者简介：魏元振(1985-)，男，济南人，助理工程师，硕士，(E-mail) w.y.z.321136@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：国家“948计划”项目(2004-Q1)；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项目(ZR2009DL012，ZR2010CM021)

收稿日期：2015-05-27