棉稈切碎還田裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹益文，全臘珍,2*，鄒運(yùn)梅,2，李健，何學(xué)迎，肖旭

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

棉稈切碎還田裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹益文1，全臘珍1,2*，鄒運(yùn)梅1,2，李健1，何學(xué)迎1，肖旭1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

摘 要：為南方小面積田塊棉稈切碎還田機(jī)設(shè)計(jì)了棉稈切碎還田裝置。該裝置由切割裝置、扶稈裝置、除茬裝置組成，棉稈由扶稈裝置喂入，從上至下依次被切斷、除茬。將該裝置掛接在土槽試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)影響棉稈切割長(zhǎng)度合格率、功耗和除茬率的主要因素，即機(jī)具前進(jìn)速度、鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)向槽口寬度進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和回歸正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：影響合格率與除茬率的因素大小依次為機(jī)具前進(jìn)速度、鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向槽口寬度；影響功耗的因素大小依次是鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、導(dǎo)向槽口寬度。利用規(guī)劃求解進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在棉桿長(zhǎng)度合格率與除茬率分別不低于85%和90%的情況下，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速為860 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為0.65 m/s，導(dǎo)向槽口寬度為60 mm時(shí)，功耗為5.91 kW。

關(guān) 鍵 詞：棉稈切碎還田裝置；合格率；功耗；除茬率

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目前針對(duì)棉稈的切碎還田機(jī)械大多為通用型的甩刀式或錘爪式秸稈切碎還田機(jī)[1–3]。楊勝南等[4]提出的通用性較強(qiáng)的可換刀式秸稈切碎還田機(jī)，對(duì)玉米、高粱秸稈有較好的切碎效果，但對(duì)木質(zhì)化程度較高的棉稈[5–8]并不適合，且機(jī)械體積大，不宜用于南方丘陵山區(qū)小面積田塊作業(yè)；吳其進(jìn)等[9]研制的動(dòng)刀軸與斜置定刀剪切方式的棉稈切碎還田機(jī)械，切碎效果較通用型秸稈還田機(jī)械要好，但屬無(wú)支撐切割，存在倒伏現(xiàn)象且留茬較高。為了實(shí)現(xiàn)有支撐切割以及在切斷棉稈的同時(shí)兼具除茬功能，筆者設(shè)計(jì)了一種適合南方丘陵山區(qū)小面積田塊作業(yè)的小型多鋸盤(pán)立軸式棉稈切碎還田裝置，以鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度以及導(dǎo)向槽口寬度為主要因素進(jìn)行了單因素和回歸正交試驗(yàn)，在合格率、除茬率滿足

1 棉稈切碎還田裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

棉稈切碎還田裝置主要由機(jī)架、切割器、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、錐齒輪、動(dòng)力輸入軸、懸掛接頭、限深輪、除茬刀、地輪、扶稈器、導(dǎo)向擋板、槽寬調(diào)節(jié)器組成(圖 1)，其中 2個(gè)對(duì)稱(chēng)安裝的導(dǎo)向擋板形成導(dǎo)向槽，槽口寬度由槽寬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。

圖1 棉稈切碎還田裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of cotton chopped counters-field device

1.2 工作原理

棉稈切碎還田裝置通過(guò)懸掛接頭懸掛于土槽試驗(yàn)機(jī)前端，動(dòng)力由土槽試驗(yàn)機(jī)提供，通過(guò)動(dòng)力輸出軸傳遞，扶稈器位于切割器前方，由地輪提供動(dòng)力。工作時(shí)，地輪帶動(dòng)扶稈器旋轉(zhuǎn)，扶稈器上的撥桿作圓周運(yùn)動(dòng)，將前方的棉稈撥至導(dǎo)向擋板中間，棉稈運(yùn)動(dòng)至切割器，在切割過(guò)程中導(dǎo)向擋板和撥桿對(duì)棉稈共同起支撐扶持與導(dǎo)向作用，由于鋸盤(pán)直徑由上至下逐漸減小，棉稈上部最先接觸鋸盤(pán)并被切割，隨著機(jī)具向前運(yùn)動(dòng)，棉稈從上至下依次被切割和除茬。切斷后的棉稈再由撥桿撥動(dòng)從導(dǎo)向擋板的末端排出，散落到地面上。設(shè)置扶稈器，可避免棉稈前傾倒伏而無(wú)法切斷，降低漏切率。

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

選擇湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)瀏陽(yáng)試驗(yàn)基地的湘農(nóng)雜棉68號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象，株高1 m左右，株型呈塔型，根系發(fā)達(dá)，莖稈粗壯，棉稈最大直徑8.6～13.6 mm。棉花采收5 d后，選取一定數(shù)量的棉稈，將其從試驗(yàn)田移栽至已模擬大田土壤環(huán)境的土槽中，保證移栽后每株棉稈的起拔力大于其在大田中的起拔力，且不改變其農(nóng)藝特性。

試驗(yàn)裝置由棉稈切碎還田裝置、土槽試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)TCC–2.4)組成。土槽試驗(yàn)機(jī)的主要參數(shù)為：最大牽引力15 kN，最大行駛速度10 km/h，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速200～1 100 r/min，配套動(dòng)力70 kW。

棉稈切碎還田裝置高度為1.2 m，寬度為0.6 m，鉸接懸掛于土槽試驗(yàn)機(jī)前端，扶稈器動(dòng)力由地輪提供，其余動(dòng)力由土槽試驗(yàn)機(jī)提供，行走速度與鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速均由土槽試驗(yàn)機(jī)主控臺(tái)調(diào)節(jié)，導(dǎo)向槽口寬度通過(guò)定位螺栓調(diào)節(jié)；鋸盤(pán)直徑由上至下依次為350、300、250、200、150 mm，鋸盤(pán)間距為180 mm。依據(jù)保護(hù)性耕作機(jī)械國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24675.6—2009，切斷后棉稈長(zhǎng)度以不長(zhǎng)于200 mm為合格。棉稈長(zhǎng)度合格率應(yīng)不低于85%[10]。參照棉稈拔凈率[12–13]，除茬率應(yīng)不低于90%。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)棉稈切碎還田作業(yè)特點(diǎn)，以合格率、功耗和除茬率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，將鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、導(dǎo)向槽口寬度作為主要因素，進(jìn)行單因素及二次回歸正交組合試驗(yàn)。每次試驗(yàn)棉稈為20株，株距為400 mm，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。功耗由土槽試驗(yàn)機(jī)主控臺(tái)測(cè)得，除茬率通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果獲得。合格率通過(guò)如下方式統(tǒng)計(jì)：在試驗(yàn)棉稈的測(cè)區(qū)方向上等間距測(cè)定3點(diǎn)，每點(diǎn)隨機(jī)測(cè)定面積1 m2，撿拾該面積內(nèi)所有棉稈稱(chēng)重，再分揀出長(zhǎng)度大于200 mm的棉稈稱(chēng)重，通過(guò)計(jì)算合格棉稈與總棉稈的質(zhì)量比得出每點(diǎn)棉稈長(zhǎng)度合格率[10]。

2.2.1 單因素試驗(yàn)

考查機(jī)具前進(jìn)速度、鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向槽口寬度對(duì)合格率、除茬率和功耗的影響：①設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為0.7 m/s[14–15]，導(dǎo)向槽口寬度為50 mm，鋸盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)為650、750、850、950、1 050 r/min；②保持導(dǎo)向槽口寬度不變，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速取由第1組試驗(yàn)得出的較佳值 950 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度分別取0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.95 m/s；③保持鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速950 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為0.7 m/s，分別取導(dǎo)向槽口寬度為20、40、60、80、100 mm，觀察并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.2 回歸正交試驗(yàn)

表1 二次回歸正交因素水平Table 1 Factors and levels of experiment

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)合格率、功耗和除茬率的影響

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于750 r/min或大于950 r/min時(shí)，合格率緩慢提高；轉(zhuǎn)速為750～950 r/min時(shí)，合格率上升較快；鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速大于880 r/min時(shí)，合格率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)950 r/min時(shí)，合格率增幅較小。功耗隨著鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加而增大，而轉(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致除茬率降低，綜合考慮，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速取950 r/min為宜。

圖2 不同鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速棉稈切割的合格率、功耗和除茬率Fig.2 The total number of qualified rate, power consumption and stubble with different sawing plate of cotton cutting

3.1.2 機(jī)具行走速度對(duì)合格率、功耗和除茬率的影響

如圖3所示，隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大，合格率與除茬率均越來(lái)越低，而功耗逐漸增大，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度較大時(shí)，棉稈傾斜明顯，導(dǎo)致切割長(zhǎng)度較長(zhǎng)，功耗增大主要是因?yàn)樗俣茸兇髸r(shí)單位時(shí)間內(nèi)作業(yè)棉稈數(shù)量增加。綜合考慮，機(jī)具前進(jìn)速度約0.65 m/s較合適。

圖3 不同機(jī)具前進(jìn)速度棉稈切割的合格率、功耗和除茬率Fig.3 The total number of qualified rate, power consumption and stubble with different movement speed of cotton cutting

3.1.3 導(dǎo)向槽口寬度對(duì)合格率、功耗和除茬率的影響

如圖4所示，當(dāng)導(dǎo)向槽口寬度增大時(shí)，合格率先提高后減小，槽口寬度40、60、80 mm時(shí)，合格率大于85%，槽口寬度較小時(shí)，除茬率較高，主因是棉稈底部沒(méi)有枝杈，更易于扶持，槽口寬度對(duì)功耗影響不顯著，因而選擇60 mm為宜。

圖4 不同導(dǎo)向槽口寬度棉稈切割的合格率、功耗和除茬率Fig.4 The total number of qualified rate, power consumption and stubble with different width of the guide rabbet

3.2 回歸正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程

回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 三元二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The ternary quadratic regression orthogonal combination design table and test results

根據(jù)Excel軟件分析計(jì)算，分別得出合格率y1、功耗y2和除茬率y3與各因素之間的回歸系數(shù)及方程。

根據(jù)T檢驗(yàn)得出的顯著性P值可知，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)合格率、除茬率和功耗有非常顯著的影響，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度的交互作用對(duì)合格率有顯著的影響。根據(jù)回歸系數(shù)絕對(duì)值大小，得出影響合格率和除茬率的因素大小依次均為x2、x1、x1x2、x3、x1x3、x2x3，影響功耗的因素大小依次是x1、x2、x2x3、x3、x1x3、x1、x2。

3.2.2 參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

建立數(shù)學(xué)模型并利用相關(guān)軟件進(jìn)行最優(yōu)化求解。在合格率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，功耗越低越好，因此，將目標(biāo)函數(shù)定為功耗的最小值，約束條件分別為：合格率不低于85%，除茬率不低于90%，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速650～1 050 r/min，槽口寬度為20～100 mm，考慮到工作效率，將機(jī)具行走速度定為0.6 m/s以上，得如下數(shù)學(xué)模型：

通過(guò)Excel規(guī)劃求解得出最優(yōu)方案：鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速為862 r/min、導(dǎo)向槽口為59.9 mm時(shí)，此時(shí)功耗為5.91 kW。為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸方程及軟件分析的可靠性，對(duì)上述優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到實(shí)際情況，將轉(zhuǎn)速定為860 r/min，槽口寬度定為60 mm，如表3所示，其結(jié)果顯示該優(yōu)化方案可靠。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Experimental scheme and result for prediction verification

4 結(jié)論

影響棉稈長(zhǎng)度合格率和除茬率的因素從大到小依次是機(jī)具前進(jìn)速度、鋸盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度與鋸盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度的交互作用、導(dǎo)向槽口寬度等。影響功耗的因素從大到小依次是鋸盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度與槽口寬度的交互作用、導(dǎo)向槽口寬度等。

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于切割效果而言，機(jī)具前進(jìn)速度越慢，合格率越高，但作業(yè)效率相應(yīng)降低。綜合考慮鋸盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度與導(dǎo)向槽口寬度對(duì)合格率和功耗的影響，機(jī)具前進(jìn)速度約為0.65 m/s最佳。

在合格率滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即不低于 85%以及除茬率不低于90%的情況下，鋸盤(pán)轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度以及導(dǎo)向槽口寬度宜分別取860 r/min、0.65 m/s 和60 mm，此時(shí)取得最低功耗約5.91 kW。

鋸齒的結(jié)構(gòu)特性也是影響合格率和功耗的重要因素，鑒于試驗(yàn)條件，未將其作為試驗(yàn)因素之一，而是根據(jù)理論計(jì)算以及參照經(jīng)驗(yàn)取的截背齒[16]。另外，本次試驗(yàn)的棉稈切碎還田裝置為單行作業(yè)方式，在實(shí)際工作中可能存在拖拉機(jī)寬幅大于該裝置寬幅而影響作業(yè)的情況，可考慮將單行改為多行作業(yè)方式解決此問(wèn)題。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-1032(2016)01-0108-05

收稿日期：2015–10–24 修回日期：2015–11–23

基金項(xiàng)目：湖南省財(cái)政廳項(xiàng)目(62021611009)

作者簡(jiǎn)介：尹益文(1988—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究，972696889@qq.com；*通信作者，全臘珍，教授，主要從事棉花生產(chǎn)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究，qlz2008@21cn.com要求的情況下，尋求最低功耗?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

Design and experiment of chopping and returning device for cotton straw

Yin Yiwen1，Quan Lazhen1,2*，Zou Yunmei1,2，Li Jian1，He Xueying1，Xiao Xu1
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China；2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

Abstract:A cotton straw chopping and returning device is designed for the small field in south of China, which consists of cutting part, standing stem part, stubble chopping part, etc. cotton straws were feed by standing stem part, and then cut from top to bottom in turn as well as stubble chopping. The device was mounted to the trolley in the soil bin and test by single factor experiment and regression orthogonal experiment. The qualified rate of cotton cutting length, power consumption and stubble rate are influenced by the moving speed, sawing disk rotational speed and guide slit width. It is shown that the moving speed, saw disk rotational speed and guide slit width have a successive effect on the qualified rate of cotton cutting length and stubble rate. Whereas the power consumption was mainly effected in turn by the saw disk rotational speed, the moving speed and guide slit width. The operation parameters were optimized by plan solution. When the device was working under the sawing disk rotational speed of 860 r/min, moving speed of 0.65 m/s and guide slit width of 60 mm, the lowest power consumption was achieved to 5.91 kW with the qualified rate of 85% and stubble rate of 90%.

Keywords:chopping and returning device for cotton straw; qualified rate; power consumption; stubble rate