穆桂脂 辛青青 玄冠濤 呂釗欽 王海寧 邢欽淞

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.密蘇里大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品工程學(xué)院， 哥倫比亞 MO 65211)

0 引言

甘薯是我國(guó)重要的糧食作物之一，每年的總產(chǎn)量在1億t以上，藤葉匍匐蔓生或半直立，長(zhǎng)1～7 m，是良好的鮮飼料和青貯飼料[1]。甘薯收獲前的收秧既可提高甘薯的收獲效率，又能使甘薯外表皮老化[2]，防止甘薯營(yíng)養(yǎng)成分流失，降低收獲過(guò)程中的傷薯率。甘薯秧蔓生長(zhǎng)繁茂，匍匐伏地、交錯(cuò)雜亂，秧蔓收集處理是一項(xiàng)勞動(dòng)成本高的工作。因此研制技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的甘薯秧蔓回收機(jī)對(duì)我國(guó)甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

國(guó)外對(duì)甘薯秧蔓回收機(jī)械的研究起步較早[3-4]。美國(guó)研究了一種機(jī)械卷蔓機(jī)，利用大型拖拉機(jī)將甘薯秧蔓卷在支架上帶出田外，再對(duì)薯秧粉碎處理。這種機(jī)械配套動(dòng)力大、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合緊密，不適于中國(guó)甘薯種植生產(chǎn)模式。日本研制的履帶式薯秧粉碎回收一體機(jī)[5]，可一次完成秧蔓收集、輸送、粉碎及集箱過(guò)程，但該機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以在我國(guó)推廣。我國(guó)甘薯秧蔓機(jī)械化處理幾乎都是采用甘薯秧蔓粉碎還田機(jī)[6-9]。如徐州甘薯研究中心研發(fā)的小四輪驅(qū)動(dòng)去蔓機(jī)、阜陽(yáng)市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制的4UL-80型甘薯碎蔓機(jī)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的步行式甘薯碎蔓還田機(jī)等，都是將薯秧粉碎后直接還田，不能實(shí)現(xiàn)薯秧回收飼用，加重了甘薯病蟲(chóng)害傳播。國(guó)內(nèi)在甘薯秧回收方面，鄭文秀等[10]設(shè)計(jì)了一種單行甘薯秧蔓回收機(jī)，主要由挑秧鏟、喂入滾筒、刀輥、螺旋輸送器、輸送帶、集秧箱、升降油缸、機(jī)架等組成，由于采用非仿形刀輥切割，壟溝及壟側(cè)面的秧蔓全部切割、回收存在一定困難，收秧效果影響因素與參數(shù)優(yōu)化等工作尚需進(jìn)一步研究。因此，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的甘薯秧蔓回收機(jī)仿壟切割粉碎拋送裝置，實(shí)現(xiàn)壟溝及壟側(cè)的秧蔓全部切割回收，以提高秧蔓回收作業(yè)的適應(yīng)性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

甘薯秧蔓回收機(jī)主要由仿壟刀輥機(jī)構(gòu)、拋送收集裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

根據(jù)甘薯種植的壟高調(diào)節(jié)限深輪，調(diào)節(jié)甩刀尖距壟頂?shù)母叨?。采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，拖拉機(jī)將輸出的動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置、變速箱、帶傳動(dòng)傳遞至刀輥；刀輥軸一端的帶輪將動(dòng)力傳遞給風(fēng)機(jī)軸，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。機(jī)具工作時(shí)，刀輥及其甩刀高速旋轉(zhuǎn)將挑秧?xiàng)U挑起的甘薯秧蔓切割、粉碎，并將薯秧拋入風(fēng)機(jī)殼內(nèi)，碎秧蔓在風(fēng)機(jī)拋送作用下通過(guò)拋送筒進(jìn)入收集箱。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 甘薯秧蔓的物理和力學(xué)特性

甘薯單壟單行種植模式株距、壟頂寬、壟底寬、壟高、壟距均值分別為250、300、600、200、900 mm，薯壟尺寸如圖2a所示。甘薯秧蔓生長(zhǎng)繁茂，沿地表向周?chē)由L(zhǎng)，可將壟頂壟底全部覆蓋。秧蔓直徑一般為5～9 mm，其連接薯塊部位的根干部分最粗而堅(jiān)韌，甘薯秧蔓回收機(jī)作業(yè)時(shí)甩刀以較高的線速度將甘薯秧蔓沖擊切斷。秧蔓所受的機(jī)械力主要表現(xiàn)為拉斷力和剪切力，達(dá)到良好的粉碎效果時(shí)甘薯秧蔓根干部分拉斷力和切斷力可達(dá)110 N和106 N[7]。甘薯秧蔓的物理及力學(xué)特性對(duì)仿壟刀輥機(jī)構(gòu)甩刀類(lèi)型、數(shù)量和布置方式等參數(shù)提出了較高的要求。

圖2 仿壟刀輥機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagrams of ridging structure1.壟頂?shù)?2.壟側(cè)刀 3.壟底刀 4.刀座 5.刀輥軸 6.圓盤(pán)切刀 7.薯壟

2.2 仿壟刀輥機(jī)構(gòu)

仿壟刀輥機(jī)構(gòu)是甘薯秧蔓回收機(jī)的關(guān)鍵部件，主要由刀輥軸、刀座、甩刀和圓盤(pán)刀組成，甩刀分為3種，壟頂?shù)?、壟?cè)刀和壟底刀分別切割壟頂、壟側(cè)及壟底秧蔓。根據(jù)相鄰兩壟溝間距確定刀輥割幅為900 mm，安裝壟底刀的刀座長(zhǎng)度比壟頂?shù)兜牡蹲L(zhǎng)度高200 mm，保證切割壟頂及壟底秧蔓。在刀輥軸兩側(cè)最外端對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)圓盤(pán)切刀，有效切斷壟底秧蔓，避免甘薯秧蔓纏繞在刀輥軸上造成壅堵。仿壟刀輥機(jī)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1甩刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用作用面積大、剪切力較大、碎撿拾效果好的Y型甩刀。提高仿壟效果，設(shè)計(jì)了直切面Y型和斜切面Y型兩種甩刀。直切面Y型甩刀作為壟頂?shù)逗蛪诺椎妒褂?。斜切面Y型甩刀作為壟側(cè)刀，其靠近壟側(cè)部分刀刃短，外側(cè)刀刃長(zhǎng)，傾角與薯壟傾角接近，為50°。Y型甩刀的兩個(gè)立面刃口切斷橫向秧蔓，甩刀中間部位焊接帶有刃口的擋板，擋板刃口切斷縱向秧蔓，被切割后的秧蔓在擋板的作用下拋向風(fēng)機(jī)入口回收，甩刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Y型甩刀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagrams of Y-type knife swing

2.2.2甩刀布置

刀片數(shù)量太多會(huì)造成能耗增加，刀片數(shù)量太少易造成薯秧漏割。刀片數(shù)量計(jì)算公式為

N=CP

(1)

式中N——刀片總數(shù)量，片

C——刀片的排列密度，片/mm

P——刀輥割幅，mm

刀輥割幅P為900 mm，L型和Y型甩刀排列密度C取0.02～0.04片/mm[11]，確定甩刀數(shù)量為18～36片。甩刀在刀軸上單螺旋相隔120°排列，單把甩刀切割寬度78 mm，保證不漏割的前提下確定刀片數(shù)量為20片。

2.2.3刀輥工作轉(zhuǎn)速

刀輥轉(zhuǎn)速首先要保證有效切割粉碎甘薯秧蔓；其次旋轉(zhuǎn)甩刀所形成的離心慣性力能把粉碎后的甘薯秧蔓拋至風(fēng)機(jī)入口。

(1)有效切割粉碎薯秧刀輥?zhàn)畹娃D(zhuǎn)速n1

作業(yè)時(shí)，甩刀的絕對(duì)速度為刀軸的旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)具前進(jìn)速度的合成，則甩刀刀尖任意一點(diǎn)P(x,y)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線[12]，如圖4所示。

圖4 甩刀刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.4 Schematic of movement path of knife end point

切碎薯秧所需的刀輥轉(zhuǎn)速n1合理范圍為[8]

n1≥30(vc+vm)/[π(R-h)]

(2)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

R——甩刀回轉(zhuǎn)半徑，m

h——除秧深度，m

vc——所需最低殺秧速度，m/s

甘薯收獲前薯秧含水率為78.3%時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得甩刀能切碎薯秧所需最低殺秧速度為vc=25 m/s，設(shè)機(jī)器的前進(jìn)速度vm=0.6 m/s，甩刀做圓周運(yùn)動(dòng)最小殺秧回轉(zhuǎn)半徑為R=0.3 m，除秧深度h=0.15 m，代入式(2)，得n1=1 630 r/min。

(2)有效拋送秧蔓所需刀輥轉(zhuǎn)速n2

在只考慮甩刀慣性力對(duì)粉碎秧蔓的拋送作用時(shí)，根據(jù)能量守恒定律

(3)

式中h1——拋送高度，即刀輥中心到風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的距離，為0.9 m

m——碎秧蔓質(zhì)量，kg

η——碎秧蔓拋送過(guò)程中互相碰撞、管壁摩擦、空氣阻力而造成拋送高度降低的系數(shù)，取0.3[13]

v0——拋送秧蔓初始速度，m/s

v1——到達(dá)拋送位置的速度，為了使其具有一定的排出能力，取10～15 m/s[14]

g——重力加速度，取9.8 m/s2

假設(shè)甩刀在水平位置時(shí)將秸稈拋起，考慮拋送瞬間碎秧蔓初速度與甩刀線速度之間的差異，則

vc=(1+η1)v0

(4)

式中η1——甩刀線速度轉(zhuǎn)化為秧蔓初速度時(shí)的損失系數(shù)，取0.55[10]

拋送秧蔓所需刀輥轉(zhuǎn)速n2為

(5)

計(jì)算可得n2為547～777 r/min。

(3)刀輥工作轉(zhuǎn)速n

刀輥轉(zhuǎn)速n必須大于n1、n2中的最大值，即1 630 r/min。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)際工作中其他未知影響因素，試驗(yàn)取最低刀輥轉(zhuǎn)速1 700 r/min。

2.3 拋送裝置設(shè)計(jì)

拋送裝置主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)殼體、輸送筒等組成，如圖5所示。

圖5 拋送裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic of conveying device structure1.風(fēng)機(jī) 2.風(fēng)機(jī)殼體 3.輸送筒

風(fēng)機(jī)選用直板離心式風(fēng)機(jī)，其葉片簡(jiǎn)單適用于農(nóng)機(jī)。葉片后傾時(shí)拋送生產(chǎn)率高[15-16]，葉片安裝后傾角ψ取10°。在轉(zhuǎn)速一定的條件下，葉片直徑越大對(duì)秧蔓的拋送能力越強(qiáng)，風(fēng)機(jī)殼體直徑D為0.72 m，葉片外徑D2為0.7 m，與殼體之間的間隙為10 mm，葉片寬度bt與刀輥軸長(zhǎng)度相等，為0.9 m，風(fēng)機(jī)葉輪數(shù)為4片，內(nèi)徑D1為0.1 m，葉片厚度b1為0.02 m。

(1)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

單位時(shí)間內(nèi)輸送碎秧蔓的質(zhì)量，即輸送裝置的生產(chǎn)率與空氣流量的比值不能高于一定值[17]，計(jì)算式為

mc=Qn/Qj

(6)

式中mc——混合濃度比

Qn——單位時(shí)間通過(guò)輸送筒截面的空氣質(zhì)量，kg/s

Qj——輸送裝置生產(chǎn)率，kg/s

由于粉碎后的甘薯碎秧蔓為長(zhǎng)稈狀且體積較大，為了防止堵塞，選擇混合濃度比mc=1.5。試驗(yàn)測(cè)得田間甘薯秧產(chǎn)量為30 000 kg/hm2，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度0.6 m/s時(shí)Qj=1.62 kg/s，由式(6)可得Qn為2.43 kg/s。

拋送裝置的拋送能力須大于仿壟刀輥輸送的薯秧量，拋送能力計(jì)算式[18]為

(7)

式中Qt——拋送能力，kg/s

z——葉片個(gè)數(shù)

nf——風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

γ——實(shí)測(cè)輸送物料容積密度，為46.6 kg/m3

η2——效率系數(shù)，取0.3

α——實(shí)測(cè)輸送碎秧蔓自然休止角，為22°

又由Qt=Qn+Qj=4.05 kg/s，代入式(7)可得滿足這個(gè)拋送能力的最低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速nf為788 r/min。

設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須大于nf，考慮到實(shí)際工作中的其他未知影響因素，試驗(yàn)及輸送筒設(shè)計(jì)時(shí)選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最低為800 r/min。

(2)風(fēng)機(jī)拋送高度H

風(fēng)機(jī)拋送高度是指拋送裝置出口頂端至風(fēng)機(jī)進(jìn)料口之間的高度。風(fēng)機(jī)理論拋送高度Hf計(jì)算式為

(8)

式中vf——拋送葉片的線速度，m/s

由于秧蔓在輸送管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同樣存在相互碰撞摩擦等造成拋送高度降低的現(xiàn)象，則風(fēng)機(jī)可拋送的最大高度Ht計(jì)算式為

Ht=ηHf

(9)

由nf=800 r/min，D2=700 mm，得vf≈29.31 m/s，經(jīng)計(jì)算Ht≈3.9 m，回收機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)拋送高度H為1.3 m，小于Ht，滿足使用要求。

(3)輸送筒傾角θ

經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)拋送出的甘薯碎秧蔓應(yīng)滿足能量守恒定律

(10)

式中v′0——碎秧蔓被葉輪拋出的初速度，m/s

v′1——碎秧蔓在輸送筒出口的速度，取10～15 m/s

μ——甘薯碎秧蔓與筒壁摩擦損失系數(shù)，取0.22

碎秧蔓的初速度與風(fēng)機(jī)葉片的圓周速度不完全相同，有一定的速度損失，所以碎秧蔓的初速度應(yīng)為

vfsinθ=(1+μ1)v′0

(11)

式中θ——輸送筒傾角，(°)

μ1——碎秧蔓被葉輪拋出的初速度損失系數(shù)，取0.55[14]

經(jīng)整理得

(12)

由式(12)計(jì)算輸送筒傾角37.23°≤θ≤57.78°，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，選擇輸送筒傾角為45°。

(4)輸送筒內(nèi)徑dg

為了使甘薯碎秧蔓能夠流暢地通過(guò)輸送裝置，應(yīng)使碎秧蔓的懸浮速度小于氣流速度，即

va=kavp

(13)

式中va——輸送氣流速度，m/s

ka——輸送氣流系數(shù)，在1.1～2.5范圍內(nèi)變化，取2[19]

vp——輸送物懸浮速度，試驗(yàn)測(cè)得碎秧蔓平均懸浮速度為10.2 m/s

輸送筒內(nèi)徑公式為

(14)

式中dg——輸送筒內(nèi)徑，m

ρa(bǔ)——空氣密度，1.2 kg/m3

計(jì)算得dg≈0.21 m。為防止堵塞，選擇輸送筒內(nèi)徑0.25 m。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2018年10月22—25日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯種植基地進(jìn)行了田間收秧試驗(yàn)，試驗(yàn)甘薯品種為濟(jì)徐23號(hào)，試驗(yàn)田土壤含水率為22.8%，地長(zhǎng)100 m，寬50 m，每個(gè)小區(qū)為單壟，取樣長(zhǎng)度10 m。甘薯種植株距為250 mm，壟距為900 mm，壟高200 mm，壟頂寬300 mm，壟底寬600 mm。甘薯藤蔓平均直徑6.75 mm，平均長(zhǎng)度1 220 mm，平均含水率為78.3%。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有拋送式甘薯秧蔓粉碎回收機(jī)、電子天平、直尺、卷尺、剪刀、篩子、轉(zhuǎn)速表、工具包等。甘薯秧蔓回收機(jī)田間試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 甘薯秧蔓回收機(jī)田間試驗(yàn)Fig.6 Field work of recovery machine

3.3 試驗(yàn)參數(shù)與方法

甘薯秧蔓粉碎回收機(jī)以甘薯秧蔓粉碎合格率、含土率、回收率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，多次試驗(yàn)得知影響因素主要有刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。刀輥轉(zhuǎn)速太大會(huì)增大機(jī)器的動(dòng)力消耗，太小降低薯秧切割和拋送效果，降低薯秧回收率，在前文計(jì)算及前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定刀輥轉(zhuǎn)速為1 700～2 100 r/min；離地間隙即壟頂?shù)兜都馀c壟頂?shù)木嚯x，太大易導(dǎo)致甘薯秧蔓切割不徹底降低回收率，太小會(huì)造成打土及傷薯增加含土率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍為6～80 mm；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高會(huì)導(dǎo)致功耗及含土率增加，太低會(huì)降低其拋送能力及拋送距離，降低回收率；在前文計(jì)算及前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取值為800～1 600 r/min。采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案[20-21]，以甘薯秧蔓粉碎合格率、含土率、回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)甘薯秧蔓回收機(jī)的刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Test factors and codes

受機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的限制，對(duì)樣機(jī)工作參數(shù)值進(jìn)行圓整，將編碼值為-1.682的三因素圓整為1 740 r/min、6 mm和860 r/min；將編碼值為1.682的三因素圓整為2 070 r/min、74 mm和1 540 r/min。

粉碎合格率測(cè)定：目前中國(guó)還沒(méi)制訂甘薯秧蔓回收裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)JB/T 6678—2001《秸稈粉碎還田機(jī)》和四川省地方標(biāo)準(zhǔn)DB51/T 1085—2010《甘薯青貯飼料制作規(guī)程》，確定打碎的秧蔓長(zhǎng)度低于100 mm為粉碎合格。用清水清洗粉碎秧蔓，把秧蔓撈出后晾干，將水快速蒸發(fā)，測(cè)量蒸發(fā)后殘留土壤的質(zhì)量。從中挑出粉碎長(zhǎng)度大于100 mm的不合格秧蔓后測(cè)取碎秧蔓質(zhì)量的平均值M1(kg)；收集箱內(nèi)碎秧蔓總質(zhì)量M2(kg)。甘薯秧蔓粉碎合格率Y1計(jì)算公式為

Y1=M1/M2×100%

(15)

含土率測(cè)定：測(cè)取回收箱內(nèi)所有土和秧蔓的總質(zhì)量的平均值M4(kg)；測(cè)量蒸發(fā)后土壤殘留物的質(zhì)量，測(cè)量土壤質(zhì)量的平均值M3(kg)。含土率Y2的計(jì)算公式為

Y2=M3/M4×100%

(16)

回收率測(cè)定：撿拾留在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)地表剩余的秧蔓，測(cè)量未回收秧蔓總質(zhì)量的平均值M5(kg)?；厥章蔣3的計(jì)算公式為

Y3=(M4-M3)/(M4-M3+M5)×100%

(17)

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與回歸模型建立

3.4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)Central Composite原理設(shè)計(jì)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)方案包括23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括14個(gè)分析因子，9個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值如表2所示。X1、X2、X3為因素編碼值。

3.4.2回歸模型建立

利用Design-Expert 8.0.6.1軟件，根據(jù)表2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值，通過(guò)Central Composite試驗(yàn)原理進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立以粉碎合格率Y1、含土率Y2、回收率Y3為因變量，刀輥轉(zhuǎn)速X1、離地間隙X2、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3為自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型

(18)

(19)

(20)

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Tab.2 Test design scheme and response value

3.5 結(jié)果分析

3.5.1試驗(yàn)結(jié)果與顯著性分析

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示，回歸模型可信度分析結(jié)果如表4所示。

分析表3中數(shù)據(jù)得知，Y1、Y2、Y3響應(yīng)面模型的顯著水平均小于0.01，表明回歸模型高度顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；失擬項(xiàng)均大于0.05，表明3個(gè)回歸方程的擬合度高。

表4中的變異系數(shù)均小于15%，說(shuō)明本次試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均正常；校正決定系數(shù)大于0.8，說(shuō)明回歸模型的擬合度比較好，在本次試驗(yàn)中有92.38%、93.99%、98.35%的數(shù)據(jù)能夠分別用在Y1、Y2、Y3回歸模型中。精密度是有效信號(hào)與噪聲的比值，該值越大越好，一般要求大于4，本次試驗(yàn)的精密度均大于4。因此擬合的3個(gè)模型均有較好的可靠性，可以?xún)?yōu)化分析拋送式甘薯秧蔓粉碎回收機(jī)的工作參數(shù)。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注： *表示差異顯著(P<0.05)；** 表示差異極顯著(P<0.01)。

表4 回歸模型可信度分析Tab.4 Reliability analysis of regression model

在保證模型顯著的基礎(chǔ)上剔除不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果為

Y1=90.00+6.59X1+1.29X2

(21)

(22)

(23)

3.5.2交互因素對(duì)性能影響效應(yīng)分析

利用Design-Expert 8.0.6.1軟件，基于Central Composite試驗(yàn)原理繪制響應(yīng)面圖，分析X1、X2、X3因素之間的兩兩交互作用對(duì)響應(yīng)值Y1、Y2、Y3的影響。

圖7a、7b、7c依次為X3位于中心水平、X2位于中心水平、X1位于中心水平，其他兩個(gè)因素對(duì)Y1的響應(yīng)面圖。從總體來(lái)看，刀輥轉(zhuǎn)速X1越高，X2與X3適中，則甘薯秧蔓粉碎合格率Y1越高。刀輥轉(zhuǎn)速X1越高，甘薯秧蔓在單位時(shí)間內(nèi)被刀片擊打的次數(shù)也會(huì)越多，粉碎合格率越高。離地間隙越小，有更多秧蔓進(jìn)入被甩刀打擊的范圍，秧蔓被打擊面積增大，粉碎合格率提高。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3對(duì)粉碎合格率影響并不明顯。

圖7d～7f依次為X3位于中心水平、X2位于中心水平、X1位于中心水平，其他兩個(gè)因素對(duì)Y2的響應(yīng)面圖。從總體來(lái)看，離地間隙X2提高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3適當(dāng)降低，刀輥轉(zhuǎn)速X1適中則含土率Y2越低。離地間隙X2越大，刀輥對(duì)土壤的接觸次數(shù)越小，高速旋轉(zhuǎn)的刀片對(duì)土壤的沖擊減小，帶起來(lái)的土就變少。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3越大，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也越大，容易將質(zhì)量較大的土壤顆粒甩進(jìn)收集箱，從而導(dǎo)致含土率Y2的增大。刀輥轉(zhuǎn)速X1對(duì)回收率影響不明顯。

圖7g～7i依次為X3位于中心水平、X2位于中心水平、X1位于中心水平，其他兩個(gè)因素對(duì)Y3的響應(yīng)面圖。從總體來(lái)看，離地間隙X2越小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3越大，回收率Y3越高。離地間隙X2越小，留茬高度越低，留在甘薯田里的秧蔓越少，回收率Y3高。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速X3越大，甘薯碎秧蔓所受離心力越大，因此越容易被拋送入箱，回收率Y3提高。

圖7 交互因素對(duì)粉碎合格率、含土率和回收率的影響Fig.7 Influence of interaction factors on crushing qualification rate, soil-bearing rate and recovery rate

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為尋求甘薯秧蔓粉碎回收機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)，需對(duì)各參數(shù)進(jìn)行粉碎合格率、含土率、回收率多目標(biāo)優(yōu)化。利用Numerical模塊對(duì)3個(gè)回歸模型進(jìn)行求解。根據(jù)實(shí)際工作條件及模型分析結(jié)果，設(shè)定優(yōu)化約束條件[22]為

(24)

得到優(yōu)化后響應(yīng)面如圖8所示。

圖8 優(yōu)化結(jié)果響應(yīng)面Fig.8 Response surface of optimization results

在響應(yīng)面中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速水平在-1.57，離地間隙水平在-1.19，刀輥轉(zhuǎn)速水平在1.682時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)期望值0.236，對(duì)應(yīng)工作參數(shù)優(yōu)化組合為：刀輥轉(zhuǎn)速2 068 r/min、離地間隙16.2 mm、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速886 r/min時(shí)，粉碎合格率92.55%，含土率8.60%，回收率93.7%。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2018年10月30—31日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯種植基地進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。便于實(shí)際應(yīng)用，對(duì)工作參數(shù)優(yōu)化理論值進(jìn)行圓整，工作參數(shù)設(shè)置為刀輥轉(zhuǎn)速2 070 r/min，離地間隙16 mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速890 r/min。進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，求平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Measured results for verification %

由表5可知，實(shí)際試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值較為吻合，相對(duì)誤差均小于5%。因此在甘薯秧蔓回收機(jī)作業(yè)時(shí)選用刀輥轉(zhuǎn)速2 070 r/min、離地間隙16 mm、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為890 r/min的工作參數(shù)優(yōu)化組合，秧蔓的粉碎合格率為93.10%、含土率為8.56%、回收率為91.19%。田間作業(yè)效果如圖9所示。

圖9 田間作業(yè)效果Fig.9 Field working effects

5 結(jié)論

(1)對(duì)甘薯秧蔓回收機(jī)關(guān)鍵部件仿壟刀輥和風(fēng)機(jī)拋送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，該機(jī)可一次性完成甘薯秧蔓切割、拋送、輸送和回收作業(yè)。

(2)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，建立了以刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以粉碎合格率、含土率、回收率為試驗(yàn)指標(biāo)的二次回歸模型，得到各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響作用。甘薯秧蔓粉碎合格率影響由大到小依次為：刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；含土率影響由大到小依次為：離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速；回收率影響由大到小依次為：離地間隙、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速。

(3)最優(yōu)工作參數(shù)組合：刀輥轉(zhuǎn)速2 070 r/min、離地間隙為16 mm、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為890 r/min，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果為：粉碎合格率均值為93.10%、含土率均值為8.56%、回收率均值為91.19%。