秸秆捡拾打捆机振动去土作业参数优化

付乾坤，付 君※，陈 志，程 超，任露泉

（1. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022；2. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022；3. 中国机械工业集团有限公司，北京 100080）

0 引 言

玉米是中国种植面积最大的粮食作物[1]，每年产生玉米秸秆高达3亿～3.5亿t[2-3]，玉米秸秆综合利用长期制约玉米生产全程机械化[4]。秸秆焚烧不仅污染环境[5-6]，而且浪费资源[7-8]；秸秆还田虽然增加了土壤的有机质含量[9]，但东北地区漫长的冰冻期极大地延长了腐烂进程，未腐烂秸秆影响春播和出苗质量[10]。因此，研制高效能秸秆综合利用机械，具有重要现实意义。

捡拾打捆机是玉米秸秆饲料化收获的关键装备[11]。东北地区干土松散细碎、湿土粘附性大，捡拾抛送过程夹带和粘附的土壤严重影响秸秆饲料的应用价值[12]。针对秸秆的捡拾、输送、打捆等环节，郑智旗等[13-15]对弹齿式捡拾机构的摆动姿态和滑道运动规律进行了研究，以确定其工作参数；陈立东等[16]对锤爪式捡拾机构的运动参数进行了设计和试验；丁永秀[17]完成了秸秆带式输送机的动力学仿真；高旭宏等[18]进行了方草捆集捆机电液控制系统的模块化设计；Shinners等[19-21]分别对秸秆收获方式和打捆方式进行了比较分析。针对农业生产去土问题，严伟等[22]对铲筛式残膜回收机的振动参数进行了试验分析，杨望等[23]对木薯收获机的振动去土机理和振动参数进行了研究。

综上所述，本文提出在秸秆捡拾后、打捆前增加振动输送去土装置，针对 2种不同的黄贮秸秆物料，通过台架试验，分析振动对秸秆和土壤的分离影响，以确定秸秆振动去土装置的机械结构和作业参数，以期为改进和优化秸秆捡拾打捆机提供理论依据。

1 试验台设计

1.1 秸秆捡拾打捆振动去土方案

本文提出，在秸秆捡拾后进行振动去土，其结构如图 1所示。秸秆被弹齿捡拾并抛送至振动输送筛，振动输送筛在凸轮作用下连同部分机壳发生振动，迫使土壤从秸秆上脱落、分离、去除，清洁秸秆被输送至揉切机构进行揉搓和切碎，并进一步完成压缩和打捆。

1.2 试验台结构设计

为减少干扰因素、提高试验结果准确性，试验台设计遵循最简化原则。试验台结构如图 2所示，主要由机架、随动架、筛网、隔离网、滑轨滑块机构、300 W调速电机、联轴器、长轴、凸轮、随动器及收集盒等组成。

机架由型材组装而成，电机固定在机架一端，通过联轴器与长轴联接，长轴通过带座轴承安装在机架上，2个同步的凸轮分别安装在长轴两端；4条滑轨固定在机架的4根立柱上，2个随动架分别安装在机架的两端，随动架上固定着滑块，滑块与滑轨配合，每条滑轨中有 2个滑块，以保证随动架运动过程中的平衡性；筛网由网孔15 mm×15 mm、丝粗2 mm的304不锈钢网剪裁而成，筛网通过螺栓固定在随动架上，筛网上面由 4张高 250 mm的浸塑电焊网围成500 mm×500 mm的正方形试验区。并运用PHANTOM v711高速摄像机对试验过程进行记录和观察。

图2 振动去土试验台结构图Fig.2 Structure of soil removing test-bed with vibration

1.3 试验台工作原理

试验台工作时，采用激光转速仪测量长轴转速，通过调整电机转速实现振动频率变化（筛网振动频率=调速电机转速/60），通过更换不同行程的凸轮实现筛网振幅调整（凸轮行程=筛网振幅），通过改变振动时长和试验区域内秸秆厚度，以模拟秸秆输送速度和秸秆喂入量的变化。

高速摄像机以 400帧/s的时间分辨率对振动去土过程进行记录。在高速摄影录像下观察，试验台上秸秆振动去土过程如图3所示。图3a～3d为筛面与秸秆第一次碰撞过程：图3a为碰撞前带土的秸秆，图3b为秸秆与筛面碰撞瞬间，图3c和图3d为秸秆上粘附的土块经碰撞后松散并掉落的瞬间；图3e～3h图为秸秆弹起后发生翻转并再次碰撞的过程：图 3e为翻转后带土的秸秆，图 3f为秸秆与筛面第二次碰撞瞬间，图3g为土块掉落的过程，图3h为土块去除后的秸秆。

图3 振动筛面上秸秆去土过程Fig.3 Process of soil removal from corn stover on surface of vibrating screen

由动量定理，筛面经由秸秆施加于土壤的碰撞冲量为

式中 Ii为碰撞冲量 N·m；Fi为土壤所受碰撞力，N；mi为土壤质量，kg；v0、v’为碰撞前、后土壤的速度，m/s；t为碰撞时长，s。

从图3可知，秸秆与筛面碰撞时间极短，故Fi值相对较大。根据土壤黏附力学知识，土壤受力包括碰撞力Fi、重力、内聚力C和土壤附着于秸秆的粘附力Fadh。碰撞发生时，碰撞力 Fi破坏了土壤的力系平衡，使土壤摆脱粘附力Fadh或内聚力C的束缚而掉落。当C ＜Fadh时，表现为土壤破碎，呈碎块状掉落；当C >Fadh时，表现为土壤整块脱离秸秆而掉落。同时，秸秆之间相互摩擦，加速秸秆上的残留土壤掉落。所以秸秆的振动去土效果与碰撞次数、振动参数密切相关[24]。

2 单因素试验

2.1 试验材料

本试验分别针对2种不同类型的玉米秸秆进行研究，所用长秸秆为摘穗后整株铺放的秸秆，短秸秆为摘穗后切碎铺放的秸秆。试验所用秸秆取自吉林大学农业试验基地，为使试验效果更加显著，试验采集的是铺放在地面底层含土率较高的秸秆。试验在吉林大学工程仿生教育部重点实验室进行，试验前测量秸秆的尺寸和质量，测定秸秆的含土率和含水率。含水率的测定按照GB/T5262-2008《农业机械试验条件、测定方法的一般规定》进行[25]；含土率的测定采用称质量方法，随机选取5份秸秆，每份质量约500 g，进行精细筛分，将土壤与秸秆分离，分别测定土壤和秸秆的质量，按式（2）求出秸秆含土率。

式中Tj为秸秆含土率，%；Mt为秸秆中所含土壤的质量，g；Mjt为筛分前秸秆和土的总质量，g。

经测量，长秸秆含水率为38.51%，含土率为5.8%，最大秸秆长度为1 560 mm，平均长度为291.1 mm，最大秸秆单根质量为145.22 g；短秸秆含水率为32.19%，含土率为6.3%，最大秸秆长度为425 mm，平均长度为128.4 mm，最大秸秆单根质量为6.12 g。2种秸秆的长度分布如图4所示。

图4 秸秆的长度统计结果Fig.4 Statistical results of stover length

2.2 试验内容与分析

2.2.1 不同秸秆厚度单因素试验

秸秆在筛面上的堆放厚度，是秸秆捡拾喂入量的参数表征，是影响土壤与秸秆分离效果的重要因素。为评价不同秸秆厚度条件下的振动去土效果，本文引入秸秆土壤去除率和秸秆损失率的概念。

式中y1为秸秆土壤去除率，%；Mtc为筛分后筛面下方的土壤质量，g。

式中y2为秸秆损失率，%；Mjs为筛分后筛面下方的土壤质量，g。

设定筛网振动频率为4 Hz，筛网振幅为10 mm，振动时长为12 s，按照100、120、140、160、180和200 mm的秸秆厚度分别堆放秸秆，每次试验前测量含土秸秆的质量，试验后测量筛面下方土壤和秸秆的质量。每组试验进行3次，求平均值，试验结果如图5a所示。

由试验结果可知，当振动时长、振动频率、振幅相同时，长秸秆和短秸秆的堆放厚度越大，土壤去除率和秸秆损失率越低；土壤去除率与秸秆厚度呈近似线性下降规律；长秸秆和短秸秆的土壤去除率变化规律近似相同；秸秆损失率比土壤去除率的下降趋势更加显著。

图5 单因素试验结果Fig.5 Results of single factor experiment

2.2.2 不同振动时长单因素试验

试验时，振动频率为4 Hz，凸轮行程为10 mm，秸秆厚度为160 mm，按照8、10、12、14和16 s的振动时长分别进行试验，在振动后分别测量筛面下土壤和秸秆的质量，试验结果如图5b所示。

由图5b可以发现，当振动频率、振幅、秸秆厚度相同时，振动时长越大，土壤去除率和秸秆损失率越高；振动时长为10和14 s时，2种秸秆的土壤去除率相同；振动时长对长秸秆损失率的影响比对短秸秆损失率的影响更为显著。

2.2.3 不同振幅单因素试验

设定筛网振动频率为4 Hz，振动时长为12 s，秸秆厚度为160 mm。更换不同行程的凸轮，实现筛网振幅分别为5、10、15、20和25 mm，试验结果如图5c所示。

由试验结果可知，当振动时长、振动频率、秸秆厚度相同时，振幅越大，土壤去除率和秸秆损失率越高；只有在振幅为10 mm时，2种秸秆的土壤去除率近似相等，其他振幅下长秸秆土壤去除率均大于短秸秆的；不同振幅条件下，长秸秆的损失率始终大于短秸秆的。

2.2.4 不同振动频率单因素试验

选取凸轮的行程为10 mm，则筛网振幅为10 mm,振动时长为12 s，秸秆厚度为160 mm。调节电机转速，分别为120、180、240、300、360、420 r/min，则筛网振动频率分别为2、3、4、5、6、7 Hz，试验结果如图5d所示。

由试验结果可以看出，当振幅、振动时长、秸秆厚度相同时，随着筛网振动频率提高，2种秸秆的土壤去除率和秸秆损失率均显著增加；当筛网的振动频率为2、5、7 Hz时，2种秸秆的土壤去除率近似相等；长秸秆的秸秆损失率随振动频率的增加，呈近似线性增加；当筛网的振动频率大于6 Hz时，短秸秆的秸秆损失率陡增。

3 正交多项式回归试验

通过单因素试验发现，秸秆厚度对于两种秸秆的土壤去除率和短秸秆的损失率影响并不显著，仅对长秸秆损失率有较大影响。振动频率、振幅和振动时长均对秸秆的振动去土效果产生显著影响，然而，上述 3个因素仍有可能发生交互作用，进一步影响振动去土效果。因此，以振动频率、振幅和振动时长为因素，以土壤去除率和秸秆损失率作为指标，分别对长秸秆和短秸秆 2种物料的振动去土性能进行正交回归分析[26-27]。

3.1 长秸秆正交试验

3.1.1 试验设计与方法

由单因素试验可知，当振动时长小12 s，大于16 s时，长秸秆的土壤去除率变化不显著，因此，振动时长的取值范围为12～16 s。当振幅小于10 mm时，土壤去除率增加缓慢，当振幅大于20 mm时，土壤去除率缓慢降低，因此，选取筛网的振幅范围为10～20 mm。当振动频率小于3 Hz时，土壤去除率增加缓慢，当振动频率大于5 Hz时，土壤去除率变化趋势由快速增加变为缓慢增加，因此，选取筛网的振动频率范围为3～5 Hz。根据因素数量及其水平，选择三元正交多项式回归设计安排试验，长秸秆的因素及水平设计见表1。

表1 长秸秆的试验因素和水平Table 1 Factors and levels of long stover

依据三元正交多项式回归设计试验安排，共进行 27次试验，试验方案及结果如表2。

3.1.2 回归方程建立

通过计算试验结果的常数项、一次项、交互项和二次项的回归系数及偏差平方和，检验其显著性，剔除不显著项，对回归方程进行显著性检验，求得各试验因素与长秸秆土壤去除率之间的回归方程yc1为

3.1.3 双因素对试验指标的影响规律分析

筛网的振幅、振动频率、振动时长的交互因素，对长秸秆的土壤去除率 yc1和秸秆损失率 yc2的响应曲面如图6所示。

图6a是振动时长14 s时，振幅和振动频率对土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。由图可知，振动频率约4.5 Hz，振幅为20 mm时，土壤去除率最高；振动频率和振幅同时增加时，秸秆损失率也明显提高。

表2 长秸秆回归设计试验表与响应值Table 2 Regression design of long stover experiment and response values

图6b是振幅15 mm时，振动频率和振动时间对土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。图中，土壤去除率和秸秆损失率均随振动时长的增加而提高，土壤去除率在振动频率约4.5 Hz时达到最大，秸秆损失率在振动频率约3.5 Hz时最小。

图6c是振动频率为4 Hz时振幅和振动时长对土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。由图可知，土壤去除率和秸秆损失率均随振动时长增加而提高，在振幅20 mm时，土壤去除率最高，秸秆损失率也最大。

图6 作业因素间交互对长秸秆振动去土性能的影响Fig.6 Effects of interactive factors on soil removal performance of long stover

3.2 短秸秆正交试验分析

3.2.1 试验设计与方法

当振动时长小于10 s时，短秸秆土壤去除率呈正比例上升；振动时长大于14 s时，土壤去除率随振动时长增加并不明显，故选其值范围是10～14 s。同理，其振幅的范围为10～20 mm，振动频率范围为3～5 Hz。表3为短秸杆的试验因素和水平。

表3 短秸秆的试验因素和水平Table 3 Factors and levels of short stover

试验方法同上，共进行27次试验，试验方案及结果如表4所示。

3.2.2 回归方程建立

通过计算试验结果的常数项、一次项、交互项和二次项的回归系数及偏差平方和，检验其显著性并剔除不显著项，并对回归方程进行显著性检验，得到各试验因素与切碎铺放秸秆土壤去除率之间的回归方程yd1为

3.2.3 双因素对试验指标的影响规律分析

图 7为振幅、振动频率、振动时长的交互作用对短秸秆土壤去除率yd1和秸秆损失率yd2的响应曲面线图。

图7a是振动时长12 s时振幅和振动频率对短秸秆土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。从图可知，土壤去除率随振幅的增加而显著提高，振动频率为4 ~4.5 Hz时土壤去除率最高；秸秆损失率随振动频率和振幅增加而明显提高。

表4 短秸秆回归设计试验表及响应值Table 4 Regression design of short stover experiment and response values

图7b是振幅15 mm时，振动频率和振动时长对短秸秆土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。从图可知，土壤去除率随振动时长的增加而提高，在振动频率为约4 Hz时土壤去除率最高；秸秆损失率随振动频率和振动时长的增加而提高。

图7 作业因素对短秸秆振动去土性能的影响Fig.7 Effects of interactive factors on soil removal performance of short stover

图7c是振动频率为4 Hz时振动频率和振动时长对土壤去除率和秸秆损失率的响应曲面图。由图7c可知，土壤去除率和秸秆损失率均随振幅和振动时长增加而提高，但土壤去除率提高的幅度大于秸秆损失率。

4 参数优化与试验验证

4.1 参数优化

为获得较好的秸秆振动去土效果，需对各运动参数进行优化分析[28-29]。因捡拾打捆机的高效作业，须同时满足土壤去除率高、秸秆损失率低的双重指标，故本文选用式（9）作为双指标下参数优化依据[30]。

式中y为秸秆振动去土的综合指标，y值越大，表明土壤去除率与秸秆损失率同步趋向最优；λ1、λ2分别为土壤去除率、秸秆损失率的权重系数，取值为1。

对于长秸秆试验，通过式（5）、式（6）及式（9）可得

式中yc为长秸秆振动去土的综合指标。

由式（10）可得，在振动频率为4.5 Hz，振幅为15 mm时，yc取得最大值；此外，虽采用较大的振动时长可提高土壤去除率，但也降低机器作业效率，故选取振动时长为14 s。将上述值代入式（5）、式（6）得，土壤去除率为4.71%，秸秆损失率为0.34%。

对于短秸秆试验，由式（7）、式（8）及式（9）可得

式中yd为短秸秆振动去土的综合指标。

由式（11）可得，当振动频率为4 Hz时，振动取土综合指标最优。因在短秸秆试验中秸秆损失率较高，参考GB/T 25423-2010《方草捆打捆机》[31]中牧草总损失率的技术要求，故规定本文振动去土过程中秸秆损失率应不大于1.5%。在振动频率4 Hz条件下，当振幅大于20 mm时，秸秆损失率超过上述技术要求，故选取振幅为20 mm。因此，在满足技术要求情况下，当振动频率4 Hz、振幅20 mm、振动时长12 s时，yd取得最大值，即土壤去除率为4.44%，秸秆损失率为1.42%。

为检验预测模型的准确性，采用如下装置对最优参数进行每组3次台架试验。其结构如图8所示，通过输送电机带动输送滚筒转动，在摩擦力作用下，由输送滚筒带动环形筛网柔性转动，实现秸秆输送，通过调节输送电机的转速控制秸秆在筛面的停留时长。在收集装置上收集振动去除的土壤和损失的秸秆，试验结果如表5。

4.2 验证试验

图8 台架验证试验Fig.8 Verification test on test-bed

表5 优化条件下各评价指标实测值Table 5 Experimental value of evaluation indices at optimal condition

由表 5可知，各试验结果与预测值吻合，试验误差较小，故参数模型可靠。

5 结 论

1）针对摘穗后整株铺放(长秸秆)和切碎铺放（短秸秆）2种黄贮秸秆物料，以振幅、振动频率、振动时长为因素，以土壤去除率和秸秆损失率为指标，建立了三元二次回归方程，确定了双指标同步趋优的评价方法，确定长秸秆振动去土的最优参数组合为振幅15 mm，振动频率4.5 Hz，振动时长14 s；短秸秆振动去土最优参数组合为振幅20 mm，振动频率4 Hz，振动时长12 s。

2）对最优参数进行了台架验证试验，结果表明，长秸秆土壤去除率和秸秆损失率的相对误差分别为1.9%和11.8%，短秸秆土壤去除率和损失率的相对误差分别为6.3%和7.7%，最优参数双指标综合表现良好，回归模型可靠。

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