秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置改進

吳 峰，徐弘博，顧峰瑋，陳有慶，施麗莉，胡志超

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秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置改進

吳 峰，徐弘博，顧峰瑋，陳有慶，施麗莉，胡志超※

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

針對秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置存在的功耗高、易堵塞的問題，設(shè)計并分析了拋送管道改進結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上以比功耗和拋送速度為目標(biāo)函數(shù)，運用Box-Benhnken的中心組合試驗方法對潔區(qū)播種機秸稈輸送裝置的工作參數(shù)進行了試驗研究，以拋送葉輪轉(zhuǎn)速、喂入量和拋送管道截面積作為影響因素進行三因素三水平二次回歸正交試驗設(shè)計。建立了響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對作業(yè)質(zhì)量的影響，同時，利用Design-Expert軟件對影響因素進行了綜合優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：各因素對秸稈輸送性能有較大影響，比功耗影響因素顯著順序依次為拋送葉輪轉(zhuǎn)速、拋送管道截面積、喂入量；拋送速度影響因素顯著順序依次為拋送葉輪轉(zhuǎn)速、拋送管道截面積、喂入量；最優(yōu)參數(shù)組合為拋送轉(zhuǎn)速2 270 r/min，喂入量1.3 kg/s，管道截面積507 cm2，對應(yīng)的比功耗和拋送速度分別為7 980 m2/s2、11.7 m/s，且各評價指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對誤差均小于5%。研究結(jié)果可為秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置的結(jié)構(gòu)完善設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機械；秸稈；優(yōu)化；秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機；秸稈輸送裝置

0 引 言

免耕播種機能夠在留有前茬作物秸稈與根茬的農(nóng)田直接進行播種，具有搶農(nóng)時、節(jié)約成本、提高復(fù)種指數(shù)、保護生態(tài)等效益，受到了社會各界的關(guān)注與支持[1-4]，但隨著秸稈燃料化需求的減少與機械化作業(yè)水平的提高，農(nóng)作物收獲后秸稈未做任何收集移出處理而形成的“全量秸稈覆蓋地”已日益成為中國耕種新常態(tài)。傳統(tǒng)免耕播種設(shè)備在秸稈移出利用，田間僅剩下少量秸稈和根茬的工況下可以應(yīng)用，但在全量秸稈覆蓋地作業(yè)時易出現(xiàn)入土部件掛草壅堵，種溝不能彌合，秸稈被壓入土中，形成架種、晾種問題，影響了作業(yè)順暢性和作物產(chǎn)量[5-6]。秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機能夠在前茬秸稈不做任何處理的情況下一次完成秸稈粉碎、清理輸送、播種施肥、秸稈覆蓋，徹底解決了作業(yè)時入土部件掛草壅堵、架種、晾種問題[7]，目前已在蘇、豫、皖、魯、冀、津、遼、黑等地推廣應(yīng)用于麥茬播玉米、大豆、花生和玉米茬、水稻茬、棉花茬播小麥等作業(yè)模式，并取得了良好的經(jīng)濟、社會與生態(tài)效益。秸稈輸送裝置是秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機的重要組成部件，負責(zé)完成粉碎后秸稈的輸送、提升和拋灑作業(yè)，但其作業(yè)功耗高，且容易發(fā)生擁堵，對機具的快速推廣造成障礙[8]，尤其是輸送水稻秸稈時，由于水稻收獲后秸稈比小麥、玉米等秸稈殘留量大、含水率高、韌性高，因此輸送水稻秸稈功耗最高，也最容易發(fā)生堵塞。

目前已有學(xué)者對物料拋送裝置的拋送機理、內(nèi)部流場和振動特性等進行了相關(guān)研究，對于拋送葉輪的葉片數(shù)量、葉片直徑、葉片傾角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行了分析優(yōu)化[9-15]，但實現(xiàn)“潔區(qū)播種”的秸稈輸送裝置是由推送攪龍、拋送葉輪和拋送管道組成的一個整體，其拋送管道結(jié)構(gòu)也與傳統(tǒng)牧草、谷物等的拋送管道存在區(qū)別，目前還沒有針對秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置的系統(tǒng)研究。

因此，本文以秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置作為研究對象，以水稻秸稈作為輸送物料來模擬稻麥輪作區(qū)水稻收獲后播種小麥的作業(yè)工況，首先對拋送管道的結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上以比功耗和拋送速度為評價指標(biāo)，采用中心組合試驗設(shè)計方法對拋送葉片轉(zhuǎn)速，喂入量和拋送管道截面積的不同參數(shù)進行試驗研究，以期獲得秸稈輸送裝置的最佳運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)，為秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置的性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機

1.1 結(jié)構(gòu)與作業(yè)原理

如圖1所示，秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機由秸稈清理裝置與多功能組配播種裝置串聯(lián)組成，其中秸稈清理裝置主要由碎秸裝置、秸稈輸送裝置和打散裝置組成。作業(yè)時由拖拉機提供動力，帶動碎秸裝置和秸稈輸送裝置運轉(zhuǎn)，田間秸稈經(jīng)過碎秸裝置粉碎收集后，通過秸稈輸送裝置輸送、提升，并在打散裝置作用下均勻的向后拋灑，播種裝置在秸稈清理裝置后方無秸稈的“潔凈播種區(qū)”進行播種作業(yè)，最后拋灑出的秸稈均勻地覆蓋在播后地表上。

1.秸稈清理裝置 2.碎秸裝置 3.秸稈輸送裝置 4.打散裝置 5.多功能組配播種裝置 6.均勻覆蓋區(qū) 7.潔凈播種區(qū) 8.秸稈清理區(qū) 9.秸稈區(qū)

1.2 秸稈輸送裝置及影響因素

秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機中的秸稈輸送裝置主要由攪龍推送器、攪龍推送器外殼、拋送葉輪、拋送葉輪外殼和拋送管道組成（如圖2所示）。其輸送過程主要分為5個階段：1）秸稈進入攪龍推送器并被橫向推送；2）秸稈進入拋送葉輪外殼內(nèi)被葉片推送過程；3）秸稈離開拋送葉片后進入拋送管道直管部分；4）秸稈與管壁發(fā)生碰撞并進入拋送管道彎管部分；5）秸稈沿拋送管道彎管部分滑移至拋出管道。

1.拋送管道 2.拋送葉輪 3.拋送葉輪外殼 4.攪龍推送器外殼 5.攪龍推送器

現(xiàn)有的研究成果主要涉及在拋送葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化，缺乏對拋送管道的研究分析，但拋送管道的結(jié)構(gòu)形式不但影響拋送裝置內(nèi)部氣流速度，還影響物料在其內(nèi)部運行方式，因此對拋送管道的結(jié)構(gòu)形式及其對整個系統(tǒng)的影響進行分析與試驗，可以為提升秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置的性能提供指導(dǎo)。

2 拋送管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

秸稈依靠慣性與氣流穿過拋送管道向后拋送，管道的結(jié)構(gòu)直接影響到秸稈的運動軌跡與速度。在實際生產(chǎn)實踐中，拋送管道擁堵是秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機常見問題之一，擁堵后必須人工清除拋送管道內(nèi)淤積的秸稈，費時費力。為避免秸稈在管道中發(fā)生堵塞，保證機具作業(yè)順暢性，對管道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。

2.1 拋送管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為使秸稈能夠從空中跨越“潔凈播種區(qū)”，并均勻的向后拋送，拋送管道出口必須具有一定高度并向后下方延伸，若管道出口高度太低會導(dǎo)致拋灑不均勻，若管道向后延伸距離太短會導(dǎo)致秸稈拋在播種器上，若管道過長容易導(dǎo)致?lián)矶?，?jīng)過整機配置與樣機測試，拋送管道的設(shè)計要求為：拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的垂直距離不小于1 100 mm；拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的水平距離不小于1 000 mm；管道總長不超過3 000 mm；拋送管道出口朝向與水平方向夾角為?30°。依據(jù)拋送管道設(shè)計要求并參考秸稈收集機輸送管道結(jié)構(gòu)，設(shè)計了2種結(jié)構(gòu)形式的拋送管道，如圖3所示。

注：L1原始管道拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的水平距離，mm；H1為原始管道拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的垂直距離，mm；Sz1為原始拋送管道直線段長度，mm；θ1為原始管道拋送管道直線段與水平面夾角，(°)；R1為原始管道拋送管道圓弧段最大半徑，mm；γ1為原始管道拋送管道彎曲角度，(°)；β1為原始管道拋送管道出口朝向與水平方向夾角，(°)；L2為改進管道拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的水平距離，mm；H2為改進管道拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的垂直距離，mm；Sz2為改進拋送管道直線段長度，mm；θ2為改進管道拋送管道直線段與水平面夾角，(°)；R2為改進管道拋送管道圓弧段最大半徑，mm；γ2為改進管道拋送管道彎曲角度，(°)；β2為改進管道拋送管道出口朝向與水平方向夾角，(°)。

令拋送葉輪外殼直徑均為640 mm，拋送管道截面面積均為357 cm2。圖3a為原始拋送管道結(jié)構(gòu)圖，其中拋送管道直線段長度S1=475 mm，直線段與水平面夾角1=90°，拋送管道圓弧段最大半徑1=1 000 mm，彎曲角度1=120°，拋送管道出口朝向與水平方向夾角1=?30°。測量可得拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的垂直距離1=1 465 mm，拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的水平距離1=1 081 mm，管道總長1=2 568 mm，管道圓弧段長度S1=2 093 mm，符合設(shè)計要求。圖3b為改進拋送管道結(jié)構(gòu)圖，拋送管道直線段長度S2=1 000 mm，直線段與水平面夾角2=45°，拋送管道圓弧段最大半徑21 000 mm，彎曲角度2=75°，拋送管道出口朝向與水平方向夾角2=?30°。測量可得拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的垂直距離2=1 134 mm，拋送管道出口下端到拋送葉輪中心的水平距離2=1 800 mm，管道總長2=2 308 mm，管道圓弧段長度S2=1 308 mm，符合設(shè)計要求。

式中0為空氣密度，kg/m3；為風(fēng)速，m/s。因此改進拋送管道風(fēng)速2要大于原始拋送管道風(fēng)速1，相比較而言更有利于秸稈拋送。

2.2 拋送管道結(jié)構(gòu)分析

為評價改進拋送管道與原始拋送管道的結(jié)構(gòu)特性，分別對不同階段秸稈在拋送管道中的速度變化進行分析。為簡化分析，做如下假設(shè)[19]：

1）秸稈相對于氣流方向無旋轉(zhuǎn)和傾斜；

2）忽略秸稈在管道中的勢能變化；

3）由于慣性和氣流作用，秸稈在與拋送管道碰撞前始終保持直線運動；

如圖4所示，以原始拋送管道結(jié)構(gòu)為例，從動能損失的角度對秸稈在管道內(nèi)拋送速度的變化進行分析。

秸稈以較高的動能進入拋送管道后與空氣劇烈摩擦，并在極短的距離減速至風(fēng)速基本相同[20]，設(shè)此時秸稈的動能

式中0為秸稈進入管道后的穩(wěn)態(tài)動能，J；為秸稈質(zhì)量，kg；0為管道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。然后秸稈與圓弧段管壁發(fā)生完全非彈性碰撞，碰撞能量損失為[21]

注：0為管道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s；為碰撞角，(°)；為秸稈質(zhì)量，kg；F為秸稈沿管道圓弧段滑移時所受摩擦力，N；F為秸稈沿管道圓弧段滑移時所受氣流推力，N；為管道圓弧段半徑，m；為秸稈在管道圓弧段滑移的當(dāng)前距離，m；S為秸稈在管道圓弧段滑移的總距離，m。

Note:0is average wind speed in throwing pipeline, m/s;is impingement angle, (°);is weight of straw, kg;Fis frictional force when straw slides along the circular section of throwing pipeline, N;Fis air current thrust when straw slides along the circular section of throwing pipeline, N;is circular section angle of throwing pipeline, m;is current distance when straw slides along the circular section of throwing pipeline, m;Sis total distance when straw slides along the circular section of throwing pipeline, m.

圖4 拋送管道運動分析圖

Fig.4 Motion analysis diagram of throwing pipeline

式中為秸稈沿管道圓弧段滑移時所受合力，N；F為秸稈沿管道圓弧段滑移時所受摩擦力，N；F為秸稈沿管道圓弧段滑移時所受氣流推力，N；其中[22]

式中為秸稈與管壁摩擦系數(shù)；為管道圓弧段半徑，m；為秸稈在管道圓弧段滑移的當(dāng)前距離，m；為氣流阻力系數(shù)；為物料迎風(fēng)面面積，m2；為空氣密度，kg/m3；v為秸稈與氣流的相對速度，m/s；則滑移段能量損失

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 對比試驗及結(jié)果分析

為了對分析結(jié)果進行驗證，分別在相同工況下對原始拋送和改進拋送管道出口的風(fēng)速及秸稈拋出速度進行對比試驗，試驗地點位于農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所東區(qū)。

首先在空載狀態(tài)下分別測量2種拋送管道出口風(fēng)速，拋送葉片轉(zhuǎn)速2 200 r/min，測量儀器為SMART SENSOR公司生產(chǎn)的AR856型數(shù)字風(fēng)速風(fēng)量計，風(fēng)速測量范圍（0～45.0）m/s，精度±3%，測量點為拋送管道出口中線位置上邊緣向下10 mm。

然后通過模擬試驗測量2種拋送管道出口的秸稈拋出速度。秸稈為江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻收獲后的秸稈切碎段，切碎長度<120 mm，含水率65%，在模擬田人工鋪設(shè)，鋪設(shè)密度為2 kg/m2，機具幅寬2.2 m，前行速度v=0.7 m/s，拋送葉片轉(zhuǎn)速2 200 r/min。測量儀器為HiSpec5型高速攝像采集系統(tǒng)（FASTEC IMAGING公司生產(chǎn)，攝像機控制軟件HiSpec2Director，視頻處理軟件ProAnalyst Professional 2D，試驗時設(shè)置分辨率1 376×1 132像素，采樣幀頻率200 fps，曝光時間4 998s）。

試驗結(jié)果如表1所示，可以看出，改進拋送管道出口的風(fēng)速及秸稈拋出速度均高于原始拋送管道，與分析結(jié)果一致。

表1 拋送管道對比試驗結(jié)果

3.2 正交試驗及結(jié)果分析

試驗地點、秸稈來源、物理特性及鋪設(shè)方式與3.1節(jié)相同，不再重復(fù)敘述。試驗主要儀器設(shè)備：拖拉機、卷尺、電子天平、SL06型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（北京三晶聯(lián)合科技有限公司生產(chǎn)，數(shù)據(jù)分析軟件為catmanEasy V4.2.1，試驗時設(shè)置采樣頻率100 Hz）、HiSpec5型高速攝像采集系統(tǒng)。

3.2.1 試驗設(shè)計

在對拋送管道結(jié)構(gòu)改進的基礎(chǔ)上，采用中心組合試驗設(shè)計方法[23-24]對秸稈輸送裝置關(guān)鍵參數(shù)進行分析優(yōu)化。

秸稈輸送裝置比功耗，即處理單位質(zhì)量秸稈所需功耗決定動力的選取，而秸稈拋送速度反映秸稈輸送裝置的作業(yè)順暢性，因此試驗分別測定秸稈輸送裝置不同工作參數(shù)下比功耗1和拋送速度2作為秸稈輸送裝置評價指標(biāo)。測試裝置的安裝方式如圖5所示，其中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在拖拉機后動力輸出軸與秸稈清理輸送裝置變速箱動力輸入軸之間，高速攝像采集系統(tǒng)放置在秸稈輸送裝置前進路徑一側(cè)，并與拋送管道出口位置對焦。

1.拖拉機 2.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 3.秸稈清理裝置 4.數(shù)據(jù)采集箱 5.計算機A 6.高速攝像采集系統(tǒng) 7.計算機B

本文采用3因素3水平2次回歸正交試驗設(shè)計方案，依據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，以比功耗1和拋送速度2作為秸稈輸送裝置評價指標(biāo)，對拋送葉輪轉(zhuǎn)速1、喂入量2和拋送管道截面積3開展響應(yīng)面試驗。通過前期單因素試驗，拋送葉輪轉(zhuǎn)速在1 800～2 700 r/min拋送效果較好，依據(jù)機具常規(guī)作業(yè)效率與田間秸稈量，喂入量變化范圍控制在1.1～1.7 kg/s，拋送管道截面積在207～507 cm2結(jié)構(gòu)合理且不易擁堵，同時考慮實際可操作性，選取如表2所示的試驗因素與水平。

表2 響應(yīng)面試驗因素和水平

試驗時，先用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量不同工作參數(shù)下秸稈清理輸送裝置的功耗P，同時用高速攝像采集系統(tǒng)記錄拋送管道出口處秸稈拋出影像，然后拆除碎秸裝置與秸稈輸送裝置之間的皮帶傳動，再重復(fù)上述試驗，記錄此時功耗P，則秸稈輸送裝置比功耗為

式中P為秸稈輸送裝置比功耗，m2/s2；P為秸稈清理輸送裝置功耗，W；P為秸稈輸送裝置以外部分的功耗，W；為喂入量，kg/s。

不同工況下的秸稈拋出影像由高速攝像采集系統(tǒng)進行記錄，再用視頻處理軟件ProAnalyst Professional 2D獲取秸稈拋送速度V。

3.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計3因素3水平分析試驗[25-27]，試驗方案包括 17個試驗點，其中包括12個分析因子，5個零點估計誤差。試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件（Stat-EaseInc., USA）進行二次多項式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進行分析研究。試驗方案與響應(yīng)值見表3。

表3 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值

3.2.3 回歸模型建立及顯著性檢驗

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件開展多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)，建立比功耗1、拋送速度2對拋送葉輪轉(zhuǎn)速1、喂入量2、拋送管道截面積33個自變量的二次多項式響應(yīng)面回歸模型，如式（9）、式（10）所示，并對回歸方程進行方差分析[28]，結(jié)果如表4所示。

0.0212+8661.1122+0.0332

表4 回歸方程方差分析

由表4分析可知，響應(yīng)面模型中的比功耗1、拋送速度2模型<0.0001，表明回歸模型極顯著；失擬項>0.05（分別為0.0524、0.0509），表明回歸方程擬合度高。因此，秸稈輸送裝置工作參數(shù)可以用該模型來優(yōu)化。

各參數(shù)對回歸方程的影響作用可以通過值大小反映，<0.01表明參數(shù)對模型影響極顯著，<0.05表明參數(shù)對模型影響顯著。比功耗1模型中有8個回歸項影響極顯著（<0.01），分別為1、2、3、13、23、12、22、32；拋送速度2模型中有2個回歸項影響極顯著（<0.01），分別為1、3。模型1中有1個回歸項對試驗影響不顯著（>0.05）為12；模型2中有7個回歸項對試驗影響不顯著（>0.05），分別為2、12、13、23、12、22、32。剔除模型不顯著回歸項，對模型1、2進行優(yōu)化，如式（11）、（12）所示。

14.523+0.0212+8661.1122+0.0332（11）

3.2.4 因素對性能影響效應(yīng)分析

由表4各因素值分析可知[29]，4個因素對比功耗影響顯著性順序為1>3>2；對拋送速度影響顯著性順序為1>3>2。根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖考察拋送葉輪轉(zhuǎn)速、喂入量、拋送管道截面積交互作用對響應(yīng)值1的影響（圖6）。

圖6 交互作用對比功耗的影響

1）因素對比功耗的影響規(guī)律分析

由表3可以看出比功耗隨著拋送葉輪轉(zhuǎn)速的增加而迅速增加，隨著喂入量的增加而先減小后增加。圖6 a為喂入量位于中心位置（1.4 kg/s）時，拋送葉輪轉(zhuǎn)速與拋送管道截面積對比功耗1交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出比功耗的降低可以通過減小拋送葉輪轉(zhuǎn)速和減小拋送管道截面積實現(xiàn)；圖6 b為拋送葉輪轉(zhuǎn)速位于中心位置（2 250 r/min）時，喂入量與拋送管道截面積對比功耗1交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出比功耗隨管道截面積的增加而增加，隨著喂入量的增加而先減小后增加。

總體影響趨勢為：拋送葉輪轉(zhuǎn)速越高、拋送管道截面積越大，則比功耗越高，而喂入量增加時比功耗先減少后增加。主要原因是：當(dāng)拋送葉輪轉(zhuǎn)速增加時，提供自身運行及推動氣流與秸稈運動所消耗的能量成指數(shù)倍增加，因而比功耗同樣成指數(shù)倍增加；當(dāng)喂入量增加時，開始階段秸稈都能被一次性拋出，功耗變化不明顯，因而比功耗先下降，當(dāng)喂入量增加到一定程度時，較多的秸稈在拋送葉輪蝸殼內(nèi)無法被一次性拋出，而在蝸殼內(nèi)擠壓碰撞，導(dǎo)致功耗增加且增加速度超過喂入量的增加速度，因而比功耗隨之增加；當(dāng)拋送管道截面積越大時，拋送葉輪靜壓越小，拋送葉輪動壓越高，因而氣流速度越高，則比功耗也越高。

2）因素對拋送速度的影響規(guī)律分析

由表3可以看出拋送速度隨著拋送葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加；拋送速度的增大可以通過增加拋送葉輪轉(zhuǎn)速和增加拋送管道截面積實現(xiàn)；拋送速度隨管道截面積的增加而增加。拋送葉輪轉(zhuǎn)速、喂入量、拋送管道截面積交互作用對響應(yīng)值2影響不顯著。

總體影響趨勢為：拋送葉輪轉(zhuǎn)速越高、拋送管道截面積越大，則拋送速度越高。主要原因是：當(dāng)拋送葉輪轉(zhuǎn)速越高時，秸稈獲得的初始動能越高，因而拋送速度越高；當(dāng)拋送管道截面積越大時，拋送葉輪靜壓越小，拋送葉輪動壓越高，因而氣流速度越高，則由式（7）可知拋送速度越高。

3.2.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

1）參數(shù)優(yōu)化

為達到最佳秸稈輸送性能，必須要求秸稈輸送裝置比功耗較小、拋送速度較高，根據(jù)交互因素對比功耗及拋送速度影響效應(yīng)分析可知：要獲得較小的比功耗，就必須要求拋送葉輪轉(zhuǎn)速低、喂入量適中、拋送管道截面積小；要獲得較高的拋送速度，就必須要求拋送葉輪轉(zhuǎn)速高、拋送管道截面積大。由于各因素對試驗指標(biāo)的影響不盡相同，因此，必須進行多目標(biāo)優(yōu)化，尋求滿足秸稈輸送性能的最優(yōu)參數(shù)組合。

本文按照比功耗最小、拋送速度最高的要求作為優(yōu)化目標(biāo)，開展秸稈輸送裝置各參數(shù)優(yōu)化研究[30]。運用Design-Expert8.0.6.1軟件對建立的2個指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化求解，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)：min1；max2；2）變量區(qū)間：?1≤X≤1，其中=1，2，3。優(yōu)化后得到的各因素最優(yōu)參數(shù)為：拋送轉(zhuǎn)速2 272.26 r/min，喂入量1.33 kg/s，管道截面積507 cm2，優(yōu)化得出的最優(yōu)比功耗為8 009.58m2/s2，拋送速度為12.02 m/s。

2）試驗驗證

為了驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所東區(qū)進行3次重復(fù)試驗（考慮試驗的可行性，將拋送葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 270 r/min，喂入量為1.3 kg/s，拋送管道截面積為507 cm2），如圖7所示，取3次試驗的平均值作為試驗驗證值，試驗結(jié)果為比功耗7 980 m2/s2，拋送速度11.7 m/s，相對誤差分別為3.7%和2.7%?？梢钥闯?、2的理論值與實際值非常接近，因此驗證了模型的準(zhǔn)確性，所得最優(yōu)參數(shù)組合可以滿足實際應(yīng)用的需求。

1.拖拉機 2.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 3.高速攝像采集系統(tǒng) 4.秸稈清理裝置

4 結(jié)論與討論

1）對秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置的拋送管道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過理論分析與對比試驗，說明改進拋送管道具有更好的拋送順暢性，能降低秸稈堵塞問題的發(fā)生概率。

2）采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對拋送葉輪轉(zhuǎn)速、喂入量和拋送管道截面積對比功耗和拋送速度的影響趨勢進行了分析并建立了優(yōu)化模型，通過試驗對模型和優(yōu)化結(jié)果進行準(zhǔn)確性驗證，其相對誤差均小于5%，表明模型可靠性較高。

3）秸稈輸送裝置各因素對比功耗影響順序依次為拋送葉輪轉(zhuǎn)速、拋送管道截面積、喂入量；各因素對拋送速度影響順序依次為拋送葉輪轉(zhuǎn)速、拋送管道截面積、喂入量。

4）秸稈輸送裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為拋送轉(zhuǎn)速2 270 r/min，喂入量1.3 kg/s，管道截面積507 cm2，性能試驗結(jié)果為比功耗7 980 m2/s2，拋送速度11.7 m/s。

由于研究方案與試驗條件限制，本文試驗對象僅為水稻秸稈。在后續(xù)試驗中將針對不同作物秸稈的最佳作業(yè)參數(shù)進行研究。

[1] 李安寧，范學(xué)民，吳傳云，等. 保護性耕作現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37(10)：177－180，111.

Li Anning, Fan Xuemin, Wu Chuanyun, et al. Situation and development trends of conservation tillage in the world [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(10): 177－180, 111. (in Chinese with English abstract)

[2] 陳有慶，吳峰，顧峰瑋，等. 麥茬全秸稈覆蓋地花生免耕播種機試驗研究[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2014，35(2)：133－135.

Chen Youqing, Wu Feng, Gu Fengwei, et al. Test on peanut no-till planter under the coverage of the wheat straw[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(2): 132－135. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉艷芬，林靜，郝寶玉，等. 免耕播種機土壤工作部件測試裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(17)：24－31.

Liu Yanfen, Lin Jing, Hao Baoyu, et al. Design and experiment of testing device for soil working tool in no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 24－31. (in Chinese with English abstract)

[4] Yang Li, Zhang Rui, Liu Quanwei, et al. Row cleaner and depth control unit improving sowing performance of maize no-till precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 18－23.

楊麗，張瑞，劉全威，等. 防堵和播深控制機構(gòu)提高玉米免耕精量播種性能 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(17)：18－23. (in English with Chinese abstract)

[5] 胡紅，李洪文，李傳友，等. 稻茬田小麥寬幅精量少耕播種機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(4)：24－32.

Hu Hong, Li Hongwen, Li Chuanyou, et al. Design and experiment of broad width and precision minimal tillage wheat planter in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 24－32. (in Chinese with English abstract)

[6] 何萍，張新忠，李曉春. 免耕播種小麥常見問題分析[J]. 現(xiàn)代農(nóng)機，2016(5)：48－49.

[7] 胡志超. 全秸稈覆蓋地機械化免耕播種技術(shù)研發(fā)取得重大突破[J]. 基層農(nóng)技推廣，2015(4)：40.

[8] 顧峰瑋，胡志超，陳有慶，等. “潔區(qū)播種”思路下麥茬全秸稈覆蓋地花生免耕播種機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(20)：15－23.

Gu Fengwei, Hu Zhichao, Chen Youqing, et al. Development and experiment of peanut no-till planter under full wheat straw mulching based on “clean area planting”[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(20): 15－23. (in Chinese with English abstract)

[9] 嚴(yán)偉，吳努，顧峰瑋，等. 葉片式拋送裝置功耗試驗研究與參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，22(7)：99－106.

Yan Wei, Wu Nu, Gu Fengwei, et al. Parameter optimization and experiment for the power consumption of impeller- blower[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(7): 99－106. (in Chinese with English abstract)

[10] 翟之平，高搏，楊忠義，等. 葉片式秸稈拋送裝置功耗分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(10)：26－33.

Zhai Zhiping, Gao Bo, Yang Zhongyi, et al. Power consumption and parameter optimization of stalk impeller blowers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 26－33. (in Chinese with English abstract)

[11] 翟之平，吳雅梅，王春光. 物料沿拋送葉片的運動仿真與高速攝像分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(2)：23－28.

Zhai Zhiping, Wu Yamei, Wang Chunguang. Dynamic simulation and high-speed camera analysis on materials moving along throwing impellers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[12] 林德志，吳努，陸永光，等. 免耕播種機的拋送裝置數(shù)值模擬與試驗研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44(8)：410－414.

[13] 林德志，吳努，陸永光，等. 適用于免耕播種的葉片式拋送裝置的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)機化研究，2016(7)：90－94.

Lin Dezhi, Wu Nu, Lu Yongguang, et al. Numerical simulation and analysis on impeller blower apply to no－till seeding[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016(7): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[14] 翟之平，張龍，劉長增，等. 秸稈拋送裝置外殼振動輻射噪聲數(shù)值模擬與試驗驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(16)：72－79.

Zhai Zhiping, Zhang Long, Liu Changzeng, et al. Numerical simulation and experimental validation of radiation noise from vibrating shell of stalk impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 72－79. (in Chinese with English abstract)

[15] 翟之平，周雷，楊忠義，等. 秸稈拋送裝置拋送葉輪的振動特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(4)：17－25.

Zhai Zhiping, Zhou Lei, Yang Zhongyi, et al. Analysis on vibration characteristics of throwing impeller of stalk impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 17－25. (in Chinese with English abstract)

[16] 馬玉娥. 風(fēng)機參數(shù)化設(shè)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研制與開發(fā)[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002.

Ma Yu’e. Research and Development of Database System for Fan Parametric Design[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2002. (in Chinese with English abstract)

[17] 張顧鐘. 離心風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計方法研究[J]. 風(fēng)機技術(shù)，2011(5)：26－30，44.

Zhang Guzhong. Investigation on optimal design method for centrifugal fan[J]. Draught Fan Technology, 2011(5): 26－30, 44. (in Chinese with English abstract)

[18] 左曙光，劉敬芳，吳旭東，等. 車用離心風(fēng)機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(4)：84－90.

Zuo Shuguang, Liu Jingfang, Wu Xudong, et al. Analysis on vibration characteristics of vehicle centrifugal fan rotor system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 84－90. (in Chinese with English abstract)

[19] 翟之平，李建嘯，王芳，等. 葉片式拋送裝置出料管氣流流場分析[J]. 機械設(shè)計與研究，2013，29(6)：122－124.

Zhai Zhiping, Li Jianxiao, Wang Fang, et al. Airflow field analysis in the discharge tube of an impeller blower[J]. Machine Design and Research, 2013, 29(6): 122－124. (in Chinese with English abstract)

[20] 翟之平. 葉片式拋送裝置拋送機理研究與參數(shù)優(yōu)化[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

Zhai Zhiping. Study on Throwing/Blowing Mechanism and Optimizing Parameters of an Impeller Blower[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[21] 葛松華，王成金，王澤華，等. 碰撞的能量轉(zhuǎn)化和能量損失[J]. 青島大學(xué)學(xué)報，2000，13(3)：40－42.

Ge Songhua, Wang Chengjin, Wang Zehua, et al. The energy conversion and loss in collision[J]. Journal of Qingdao University, 2000, 13(3): 40－42. (in Chinese with English abstract)

[22] 趙學(xué)篤，張魁學(xué)，張振京.短莖稈的氣動特性及其在氣流中的運動[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1982(2)：55－65.

Zhao Xuedu, Zhang Kuixue, Zhang Zhenjing. The aerodynamic properties of short stems and their behavior in the air flow[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1982(2): 55－65. (in Chinese with English abstract)

[23] 張敏，金誠謙，梁蘇寧，等. 風(fēng)篩選式油菜聯(lián)合收割機清選機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(24)：8－15.

Zhang Min, Jin Chengqian, Liang Suning, et al. Parameter optimization and experiment on air-screen cleaning device of rapeseed combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[24] 嚴(yán)偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機輸膜機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(1)：17－24.

Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[25] 施麗莉，胡志超，顧峰瑋，等. 耙齒式壟作花生殘膜回收機設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(2)：8－15.

Shi Lili, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Design and parameter optimization on teeth residue plastic film collector of ridged peanut[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[26] 劉姣娣，曹衛(wèi)彬，田東洋，等. 基于苗缽力學(xué)特性的自動移栽機執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(16)：32－39.

Liu Jiaodi, Cao Weibin, Tian Dongyang, et al. Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[27] 田素博，宋傳程，董嵩，等. 甜瓜貼接嫁接機切削裝置工作參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(22)：86－92.

Tian Subo, Song Chuancheng, Dong Song, et al. Parameter optimization and experiment for cutting device of muskmelon grafting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 86－92. (in Chinese with English abstract)

[28] 徐向宏，何明珠. 試驗設(shè)計與 Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[29] 于昭洋，胡志超，王海鷗，等. 大蒜果秧分離機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(1)：40－46.

Yu Zhaoyang, Hu Zhichao, Wang Haiou, et al. Parameters optimization and experiment of garlic picking mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 40－46. (in Chinese with English abstract)

[30] 楊然兵，張翔，李建東，等. 錐體帆布帶式排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(3)：6－13.

Yang Ranbing, Zhang Xiang, Li Jiandong, et al. Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 6－13. (in Chinese with English abstract)

Improvement of straw transport device for straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter

Wu Feng, Xu Hongbo, Gu Fengwei, Chen Youqing, Shi Lili, Hu Zhichao※

(210014)

No-tillage planter can sow seeds in the condition of straw mulching field, which receives great attention and support from conservation society. But this kind of machine has some problems when it is used under full straw mulching field, such as grass winding and seed uncovering. Clean planter area under full straw mulching can help to achieve the processes of straw chopping, straw transport, sowing, fertilization, and straw mulching once and for all, which is widely used in many areas of China. Straw transport device is one of the important components of the clean planting area which is used to convey, elevate and throw straw. However, the problems of high power consumption and congestion affect the promotion of the machine. In order to deal with these problems, the structure of throwing pipeline was redesigned and analyzed. The analysis result showed that the improved throwing pipeline had a better throwing performance than the original throwing pipeline. On the basis of structural development of throwing pipeline, the central composite test method was used to optimize the key parameters for straw transport device. The main experimental apparatuses included straw cleaning device, rotational speed and torque sensor and high-speed camera acquisition system. The rotate speed of throwing impeller, feed quantity and sectional area of throwing pipeline were taken as the influencing factors. The specific power consumption and throwing speed were taken as response values in the experimental study. Orthogonal rotational quadratic combination test with three factors and three levels was made to evaluate the combined influence of the factors on the test index value. Besides, regression equations to describe the relationships between the factors and each assessment index were established by using the regression analysis and response surface analysis with the software Design-Expert 8.0.6. The optimum combination of the selected parameters was obtained and verified, and the experimental verification of the mathematical model was also conducted. The results showed that trial factors had great effects to the performance of straw transport device. The significant effects of rotate speed of throwing impeller, sectional area of throwing pipeline and feed quantity on reducing the specific power consumption were in a decreasing order. The significant effects of rotate speed of throwing impeller, sectional area of throwing pipeline and feed quantity on increasing but the throwing speed were in a decreasing order. The best model of the integrated straw transport parameters were as follows: When the rotate speed of throwing impeller was 2 272.26 r/min, the feed quantity was 1.33 kg/s and sectional area of throwing pipeline was 507 cm2, the specific power consumption and throwing speed by the models were 8 009.58 m2/s2and 12.02 m/s, respectively. The model validation tests had been repeated for three times on the simulation field by using the optimization results, the rotate speed of throwing impeller was 2 270 r/min, the feed quantity was 1.3 kg/s and sectional area of throwing pipeline was 507 cm2, the values of practical specific power consumption and throwing speed were 7 980 m2/s2and 11.7 m/s, respectively. Either of the relative errors between the experimental and predicted values of specific power consumption and throwing speed were less than 5%, which indicated a reasonable choice of optimization conditions. The research results can provide the references for the structural improvement and working parameters optimization of straw transport device of straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter.

agricultural machinery; straw; optimization;straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter; straw transport device

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.003

S223.2

A

1002-6819(2017)-24-0018-09

2017-11-13

2017-12-09

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助項目（CARS-14-機械化裝備）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程土下果實收獲機械

吳峰，男，河北南皮人，副研究員，主要從事農(nóng)機裝備研發(fā)。Email：xuefeng_1223@163.com

胡志超，男，陜西藍田人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)機裝備研究。Email：nfzhongzi@163.com

吳 峰，徐弘博，顧峰瑋，陳有慶，施麗莉，胡志超. 秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置改進[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(24)：18－26. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.003 http://www.tcsae.org

Wu Feng, Xu Hongbo, Gu Fengwei, Chen Youqing, Shi Lili, Hu Zhichao. Improvement of straw transport device for straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): xx－xx. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.003 http://www.tcsae.org