独立圆盘耙单体排列参数对秸秆堵塞影响研究*

2021-09-13王莹李光张冲王华泽刘鸿雁

中国农机化学报 2021年8期

关键词：错位机具横梁

王莹，李光，张冲，王华泽，刘鸿雁

(吉林省农业机械研究院，长春市，130021)

0 引言

秸秆覆盖混埋还田技术作为黑土地保护重要措施之一，具有秸秆腐烂快，地温提升快，防风蚀水蚀，培肥地力，保护农业生态环境等优点[1-3]。

国内相对应配套的机具类型较单一，部分雨养农业地区主要利用旋耕机作为配套机具进行秸秆覆盖混埋作业，这种作业方式效率低，耕层浅，粉碎秸秆集中在播种层，将影响播种质量和作物生长[4]。

欧美农业发达国家则采用大功率宽幅圆盘耙联合整地机进行作业，效率高，耕层深(可达到18 cm)，作业后地表保留30%以上的秸秆覆盖率，对土壤团粒结构破坏小，能为播种提供良好的种床环境[5]。

国内对圆盘耙联合整地机的研发属于初期阶段，而东北玉米秸秆茎粗量多，秋季机收后秸秆分布不均，利用机具作业时经常发生堵塞现象[6-9]。

本文通过对独立连接圆盘耙单体排列方式的试验性研究，探索对机具堵塞问题的影响规律，为圆盘耙联合整地机的开发与设计提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 机具设计与试验条件

为了对圆盘耙单体进行堵塞试验研究，课题组前期已设计了具有三向调节功能的圆盘耙试验样机如图1所示[10]。

试验样机具有三向调节功能，分别是机具横梁上下高度调节功能、前梁前后间距调节功能和后梁左右错位调节功能。

圆盘耙试验样机配套动力为美国凯斯2104型拖拉机，试验作业机具如图2所示。试验时间为2020年10月20日，地点为吉林省农安县开安镇初家炉村，秸秆情况为玉米秸秆全量还田，粉碎秸秆长度小于10 cm 占65.8%，秸秆覆盖量1.08 kg/m2，秸秆覆盖率92.6%，如图3所示。参照行业标准JB/T 6279—2007，地块尺寸为120 m×50 m，土壤测定条件如表1所示[11-12]。样机的具体参数如表2所示。

(a)主视图

图2 试验样机Fig.2 Experimental prototype

图3 试验田Fig.3 Experimental field

表1 土壤检测指标Tab.1 Soil detection index

表2 试验样机参数Tab.2 Experimental prototype parameters

1.2 试验方法

为将堵塞程度量化，试验中机具堵塞程度参照标准GB/T 24675.4—2009[13]，通过给机具堵塞程度对应的通过性评分来实现，如表3所示。试验机具每次作业长度50 m，作业速度8 km/h，在机具的前后三个不同位置安装了Gopro进行视频拍摄，现场5个人进行打分，判断过程依靠人工视觉结合作业视频回放完成，取平均分。当机具通过性评分达到3分时机具能保持正常工作状态，所以把评分3分作为单个影响因素取临界值的对应分值。

表3 评分对照表Tab.3 Score comparison table

1.3 试验方案

圆盘耙排列试验方案如下。

1)通过单因素试验确定该机具每个耙片的排列参数临界值。在进行单因素秸秆堵塞试验时，将其他因素调整到所选范围的最大值后再进行试验，减小其他影响因素对试验结果的干扰。单因素试验分为三组试验：分别选取225 mm、250 mm、275 mm、300 mm、325 mm为第一组进行耙片间距单因素试验；选取800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm为第二组进行横梁间距单因素试验；选取0 mm、6 mm、12 mm、18 mm、25 mm为第三组进行错位间距单因素试验。

2)在临界值的基础上每个试验因素选取三个水平值，以机具的通过性为指标值进行正交试验。试验采用3因素3水平的正交试验方法，主要考察机具排列参数：耙片间距、横梁间距和错位间距对机具通过性的影响。根据单因素试验结果确定正交试验设计的因素与水平如表4所示。试验方案选择适用的L9(34)表。

表4 试验因素与水平Tab.4 Test factors and levels

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

由耙片排列参数单因素试验结果如图4所示。

(a)耙片间距B单因素试验

随着耙片间距、横梁间距的增加机具堵塞程度逐渐减弱，而随着错位间距的增加机具堵塞程度有增强的趋势。分析产生的原因：第一，当耙片间距逐渐增大时，耙片之间的空间增大，提升了通过性，秸秆缠绕开始减少，造成的局部堵塞和拖堆能自行解除，残茬和土垡被正常翻抛，机具作业变得越加流畅。第二，横梁间距较小时，前排耙片向后方翻抛的土垡和残茬没有直接落到地表上，而是大部分落到后排耙片组上，单位时间内又不能自行解除，造成了堵塞和拖堆。当横梁间距逐渐增大后，前排耙片向后方翻抛的土垡和残茬大部分落到地表上，后排耙片组能对其进行二次切割和翻抛，秸秆缠绕和堵塞现象逐渐减少。第三，选取的五个错位间距数值对堵塞试验结果的影响没有明显差别，都能保证机具正常通过性。根据图4确定B=275 mm，L=900 mm为机具在秸秆全量还田的条件下正常工作的临界值，S所选取的五个值均能保证机具正常通过性。

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 试验结果

表5为机具通过性影响的试验结果，从表5中可以得出9组试验：耙片间距为325 mm，横梁间距为1 100 mm，错位间距为0 mm时机具通过性得分4.9，优于其他试验组。

表5 正交试验结果Tab.5 Orthogonal experimental results

2.2.2 极差分析

表6为机具通过性试验的极差分析结果。

由表6中极差大小可知试验因素对机具通过性影响大小顺序依次为：耙片间距B，横梁间距L，错位间距S。机具通过性的较优组合为B3L3S1，即耙片间距为325 mm，横梁间距为1 100 mm，错位间距为0 mm时机具通过性为4.9分。由表中误差项与其他因素极差值比较可以得出：三个试验因素之间交互作用对试验结果影响较小。

表6 试验结果极差分析Tab.6 Rangle analysis of test results

2.2.3 方差分析

通过使用SPSS分析软件对试验结果进行方差分析，如表7所示。根据试验方差分析结果可知：机具排列参数耙片间距和横梁间距对机具通过性影响显著，错位间距对机具通过性影响不显著。

表7 试验结果方差分析Tab.7 Analysis of variance of test results

2.2.4 回归分析

通过使用SPSS分析软件对机具通过性的正交试验结果进行回归分析，回归分析结果如表8～表10所示。如表8所示，关于参数B、L和S线性相关性系数R=0.874(调整后)，表示回归方程的拟合度较高；如表9所示，模型的F检测值为19.556，对应F值的显著性概率P<0.05，表明因变量T和自变量B、L和S之间存在线性相关；如表10所示，三个系数的t检测值分别为5.923、4.738和-1.066，对应的检验显著性概率分别为：0.002(P<0.05)、0.005(P<0.05)和0.335(P>0.05)，表明机具通过性主要由耙片间距和横梁间距决定，成正向相关，与错位间距成反比。当P>0.05时，该自变量在本模型中没有统计学意义，去除相应变量，得到机具通过性回归方程：T=0.833B+0.667L。