帶狀深松滅茬機滅茬部件設(shè)計與試驗

趙艷忠　王運興　劉海濤　楊悅乾　龔振平

(1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 哈爾濱 150030)

0　引言

東北壟作春播玉米區(qū)屬于高寒易旱區(qū)，播種時風蝕、干旱現(xiàn)象較為嚴重。傳統(tǒng)的耕整地方式需秋收后翻耕土地，對秸稈、根茬進行處理，春季整地后再播種，多次作業(yè)導致土壤擾動過大，水分散失嚴重，同時機具進地次數(shù)多，能耗大[1]。帶狀深松滅茬整地技術(shù)能夠破除根茬、打碎秸稈并進行壟上深松，盡量減少土壤擾動的同時達到蓄水保墑的目的[2-3]。

近年來耕整地機械從單一功能型向復合式作業(yè)型發(fā)展，國外聯(lián)合整地機研制與應用起步較早，具有代表性的有意大利生產(chǎn)的DCRM300Dundy型旋耕深松機與德國生產(chǎn)的DOTZKR-20型深松旋耕播種機[4]。國內(nèi)耕整機具大部分作業(yè)模式是滅茬與旋耕，旋耕與深松，或滅茬、旋耕與深松組合模式，如JIA等[5]研制的旋耕滅茬播種機以及張欣悅等[6]設(shè)計的1GSZ-350型滅茬旋耕聯(lián)合整地機，車剛等[7]設(shè)計的基于滅茬圓盤驅(qū)動旋耕刀多功能耕整機，趙大勇等[8]研制的1ZML-210 型深松聯(lián)合整地機。現(xiàn)有機具雖都是集滅茬、旋耕和深松作業(yè)于一體，但能耗較高而且土壤擾動過大，水分散失嚴重，不適用于保護性耕作。同時目前聯(lián)合整地機械依然存在滅茬效率不高、耕深穩(wěn)定性較差、滅茬刀具磨損嚴重等問題[9-12]，因此需對其關(guān)鍵部件進行優(yōu)化設(shè)計。

本文設(shè)計帶狀深松滅茬機，僅對播種帶滅茬并進行壟上深松，通過對整機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置及關(guān)鍵部件的設(shè)計，并進行田間試驗，獲得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)組合，以更好地滿足作業(yè)性能要求。

1　整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機架、護罩、懸掛架、變速箱、深松鏟、壟臺成形罩、滅茬刀輥、地輪等組成。深松鏟通過“U”形卡與機架前梁連接；滅茬刀以螺旋線方式排布在刀輥上，兩個滅茬刀輥在機具中心線兩側(cè)對稱安裝，以降低工作時機具所受沖擊載荷[13]。

圖1　帶狀深松滅茬機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　Structure diagrams of strip subsoiling and stubble-breaking machine1.機架　2.深松鏟　3.護罩　4.變速箱　5.動力輸入軸　6.懸掛架　7.滅茬刀輥　8.壟臺成形罩　9.限深輪

1.2　工作原理

機具經(jīng)懸掛架掛接在拖拉機后懸掛處，拖拉機動力輸出軸與深松滅茬機動力輸入軸由萬向節(jié)傳動軸聯(lián)接，動力輸入軸經(jīng)傳動箱內(nèi)錐齒輪換向后由三圓柱齒輪調(diào)速將動力傳到滅茬刀軸。機具作業(yè)時，由安裝在機架前的深松部件完成深松作業(yè)，同時高速旋轉(zhuǎn)的滅茬刀將根茬、秸稈及深松后的土塊打碎，打碎后的根茬、秸稈被滅茬刀帶入護罩殼內(nèi)，并在滅茬刀、護罩共同作用下被進一步切碎，最后由壟臺成形罩將土壤及碎茬集中成壟。

1.3　技術(shù)參數(shù)

帶狀深松滅茬機的結(jié)構(gòu)設(shè)計應滿足滅茬和深松的農(nóng)藝技術(shù)要求，該機具通過深松鏟能夠?qū)崿F(xiàn)對壟臺不同深度的深松，從而改變單一壟溝深松，達到壟上蓄水保墑的目的；通過高速旋轉(zhuǎn)的滅茬刀輥將根茬粉碎還田，可以提高土壤有機質(zhì)含量，促進作物生長發(fā)育[14]，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　帶狀深松滅茬機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Main technical parameters of strip subsoiling and stubble-breaking machine

2　關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1　關(guān)鍵部件位置確定

機具將壟臺深松部件裝配在機架前梁上，深松部件的縱向中心線、滅茬刀輥的縱向中心線、壟臺成形罩的中心線與壟臺的中心線重合，如圖2所示。深松鏟位于壟上不僅能達到蓄水保墑、切斷根茬須根創(chuàng)造良好的種床條件的目的，同時壟溝的土壤不動，避免拖拉機輪胎下陷，降低作業(yè)功耗；后續(xù)滅茬刀輥將播種帶上根茬及土壤松碎；壟臺成形部件位于滅茬刀輥后方，將拋撒到后方的土壤與殘茬收集成壟。

圖2　關(guān)鍵部件位置示意圖Fig.2　Schematic diagram of location for key components1.深松部件　2.滅茬刀輥　3.壟臺成形部件

深松部件配置在滅茬刀輥前方，進行深松作業(yè)后，部分根茬及秸稈被翻起并纏繞在深松鏟柄上，參照文獻[15],玉米根茬長度一般在91～145 mm之間，通過加大刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，能將纏繞在鏟柄上的秸稈、根茬拉扯下來并打碎，因此確定鏟柄后端面與刀輥回轉(zhuǎn)半徑輪廓線間距離為90 mm，與刀輥回轉(zhuǎn)中心水平距離為370 mm；壟臺成形部件配置在刀輥正后方，參照文獻[16]，旋耕作業(yè)后土壤及秸稈位移范圍在350～400 mm內(nèi)，為保證滅茬作業(yè)時土壤及殘茬能在移動過程中落入壟臺成形部件內(nèi)集中成壟，確定刀輥回轉(zhuǎn)中心與壟臺成形罩前端部的水平距離為350 mm。該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點為深松鏟能打破犁底層，降低了壟臺未耕區(qū)的土壤容重和土壤緊實度，增強了壟臺蓄水保墑的能力，減少了后續(xù)滅茬作業(yè)的阻力；同時刀軸距地表間距增大，提升機組通過性，減少堵塞現(xiàn)象發(fā)生，降低工作阻力[17]，如圖3所示。

圖3　深松滅茬部件作業(yè)示意圖Fig.3　Operation schematic diagram of subsoiling and stubble-breaking components

2.2　滅茬部件設(shè)計

2.2.1滅茬刀輥

滅茬刀輥采用全刀盤結(jié)構(gòu)，主要由滅茬刀、刀盤、刀軸、螺栓、軸承、軸承罩組成，如圖4所示。

圖4　滅茬刀輥結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of stubble-breaking roller1.滅茬刀　2.刀盤　3.螺栓　4.刀軸　5.軸承罩

刀軸設(shè)計為空心軸，外徑68 mm，內(nèi)徑52 mm，材料為Q235熱軋無縫鋼管；刀盤直徑為290 mm，焊接在刀軸上，在機具尺寸允許條件下，通過加大刀盤直徑可提高滅茬刀切茬時的線速度，降低刀輥轉(zhuǎn)速，可以有效節(jié)省功耗[18]，刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2　滅茬刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2　Structure parameters of stubble-breaking roller　mm

2.2.2滅茬節(jié)距和刀片數(shù)

滅茬節(jié)距是影響滅茬效果的重要指標，由機具的運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，滅茬節(jié)距滿足

(1)

式中S——滅茬節(jié)距，mm

n——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min

vm——機具作業(yè)速度，m/s

Z——每盤刀具數(shù)

作業(yè)速度越低，刀盤數(shù)越多，則其滅茬節(jié)距越小，根據(jù)農(nóng)藝要求及文獻[4]，為保證碎茬易腐爛還田，切段長度應低于50 mm，因此，滅茬節(jié)距需控制在40～50 mm范圍內(nèi)，取S=40 mm，vm=1.5 m/s，n=380 r/min，代入式(1)得Z=5.92≈6，因此，確定在壟體播種帶根茬密集區(qū)采用6把滅茬刀和相對的兩組3把滅茬刀，非壟體部分采用3把滅茬刀，既達到根茬粉碎的效果，又做到不留茬。左刀輥每個刀盤上滅茬刀的數(shù)量從左到右依次是3-6-3-3-6，右刀輥與其對稱排列。

2.2.3滅茬刀結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有滅茬刀作業(yè)時滅茬效果差、局部磨損嚴重并且機具運行時振動較大，導致滅茬及深松深度不均勻，影響作業(yè)質(zhì)量的問題，對滅茬刀進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。滅茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。

圖5　滅茬刀結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure diagram of stubble-breaking blade

根據(jù)農(nóng)藝要求及參照文獻[19]，滅茬刀豎直長度為235 mm，彎曲半徑為30 mm，彎折角度為110°，單刀幅寬90 mm，刀片寬度為40 mm，厚度為5 mm，刃口厚度為0.6 mm，材料選用65Mn鋼，刀片熱處理后表面硬度為48～56 HRC，以保證刀片具有足夠的耐磨性，芯部硬度為35～40 HRC以獲得足夠的剛度，作業(yè)時不易變形[20]；滅茬刀片刀刃由側(cè)切刃、正切刃和過渡刃組成，在滅茬刀入土作業(yè)過程中，由離回轉(zhuǎn)中心較近的刃口上某點開始切入，后由近及遠順序入土，則能夠減小整機振動、提高切碎質(zhì)量，同時減輕刀具所受沖擊載荷，從而改善刀具磨損嚴重問題，提高刀具使用壽命[21]，側(cè)切刃入土示意圖如圖6所示。

圖6　側(cè)切刃切土示意圖Fig.6　Schematic diagram of side cutting edge cutting soil

為滿足側(cè)切刃由滅茬刀根部先入土逐漸向刀端部過渡切割土壤及根茬，即刃口曲線由B向A順序入土，曲線需滿足

ρAsinθA<ρsinθ(θ>θA)

(2)

式中θ——曲線上任意點極角，(°)

ρ——曲線上任意點極徑，mm

θA——曲線上A點極角，(°)

ρA——曲線上A點極徑，mm

通過查閱文獻，選定正弦指數(shù)曲線作為側(cè)切刃曲線，曲線方程為

(3)

τs=τ0+Kθ

(4)

式中ρ0——曲線起始點極徑，mm

τ0——曲線初始靜態(tài)滑切角，(°)

τs——曲線上任意點滑切角，(°)

K——靜態(tài)滑切角增量與極角的比例系數(shù)

將式(3)代入式(2)得

(5)

得

(6)

同時為提高根茬及秸稈破碎率，正切刃采用類似缺口圓盤開溝器的弧形缺口，根茬在缺口內(nèi)滑切，能夠改善刀具的破茬和入土性能，提高作業(yè)質(zhì)量[25-26]。由于玉米根茬直徑為22～25 mm，為保證根茬能滑切進入弧形缺口提升其切割性能[27]，確定缺口的弧形長度為30 mm，由滅茬刀正切刃切削寬度為90 mm，確定其缺口的數(shù)目為2個。

2.3　深松部件

深松部件主要由深松鏟柄、箭形鏟尖、鏟座、緊固螺栓和沉頭螺釘組成，如圖7所示。深松鏟座通過“U”形卡固定在機架前梁，鏟柄與鏟座通過螺栓連接，箭形鏟與鏟柄采用沉頭螺釘裝配，保證連接強度。

圖7　深松部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7　Structure schematic diagram of subsoiling device1.深松鏟座　2.沉頭螺釘　3.箭形鏟尖　4.鏟柄　5.緊固螺栓

鏟柄采用矩形截面，其上端為垂直結(jié)構(gòu)，入土部分采用圓弧形結(jié)構(gòu)，鏟柄厚度為25 mm，寬度為50 mm，依據(jù)文獻[28]引入縱深比定義：縱深比是指在耕作深度范圍內(nèi)耕作部件最大縱向彎曲水平長度L與耕深B的比值，如圖8所示。深松鏟觸土曲面準線為圓弧時，縱深比在1.0～1.5范圍內(nèi)，其耕作的力學性能較好。參照文獻[19]，由于深松鏟壟上深松且深松深度在250～350 mm范圍內(nèi)，因此確定深松鏟鏟柄豎直長度為630 mm，入土角為23°，圓弧入土楔形部分豎直距離為350 mm，縱向距離為380 mm。

圖8　深松鏟-土壤相互作用示意圖Fig.8　Schematic diagram of subsoiling shovel-soil interaction

2.4　壟臺成形部件

由于東北地區(qū)春旱，風蝕嚴重，因此采用壟作模式，壟作技術(shù)能增加表層地溫，改善作物的生長環(huán)境，促進作物生長發(fā)育[29]。

壟臺成形部件主要由牽引鏈、連接板、壟臺成形罩、后吊梁、機架后梁、連接銷軸組成，如圖9所示。吊梁焊接在機架后梁上，壟臺成形罩的前端通過銷軸與吊梁連接，保證作業(yè)過程中成形罩能上下轉(zhuǎn)動；連接板焊接在成形罩中部，通過牽引鏈與吊梁連接，以防止其末端陷入土壤中，影響成壟效果。

圖9　壟臺成形部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9　Structure schematic diagram of ridge forming shell device1.壟臺成形罩　2.連接板　3.牽引鏈　4.后吊梁　5.機架后梁 6.連接銷軸

根據(jù)壟臺的壟形參數(shù)及刀輥作業(yè)寬度，確定壟臺成形罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，罩體采用梯形結(jié)構(gòu)，前端部梯形的下邊長560 mm，上邊長400 mm，后端部梯形下邊長340 mm，上邊長260 mm，罩體長度為650 mm，為減少后端部與土壤摩擦，采用半徑80 mm的圓弧過渡。

3　田間試驗與結(jié)果分析

3.1　試驗條件

試驗于2016年10月在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗地進行，試驗地為機收后玉米茬地，土壤類型為黑土，土壤全耕層含水率平均為28.16%，土壤堅實度平均為675.6 kPa，耕前壟距650 mm，壟高130 mm，根茬平均高度為116 mm，根茬密度為3～4個/m,根茬含水率為41.8%。機具配套動力為寧波484型拖拉機，功率為35.6 kW，田間作業(yè)情況如圖10所示。

圖10　樣機田間試驗Fig.10　Field experiments of prototype

3.2　試驗方法

應用Design-Expert 8.0.6，采用三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法[30]。以作業(yè)速度x1、滅茬深度x2、正切刃滑切角x3為試驗因素，以滅茬率Y1、滅茬深度穩(wěn)定性Y2為評價指標，共實施17組試驗。

3.2.1因素水平確定

為確保根茬粉碎，滅茬作業(yè)時滅茬刀輥的水平速度vx不得低于所需滅茬的絕對速度vc，即

|vx|≥vc

(7)

滅茬刀輥的水平速度

vx=vm-Rωsin(ωt)

(8)

其中

(9)

式中ω——角速度，rad/s

R——刀輥回轉(zhuǎn)半徑，mm

h——滅茬深度，mm

將相關(guān)公式代入得

vc≤2πn(R-h)-vm

(10)

通過文獻[18]可知，滅茬速度vc需大于5.5 m/s，滅茬刀輥轉(zhuǎn)速n=380 r/min與滅茬刀輥半徑R=280 mm已確定，所以選定作業(yè)速度vm以及滅茬深度h作為試驗因素。

根據(jù)農(nóng)藝要求滅茬作業(yè)應打碎地面以上至地面以下五股茬范圍內(nèi)的根茬，因此確定滅茬作業(yè)深度為60、80、100 mm；滅茬作業(yè)速度為1.8、3.6、5.4 km/h；滅茬刀正切刃滑切角為0°、5°、10°。

3.2.2評價指標測定方法

(1) 滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)

在每組試驗區(qū)域內(nèi)劃分5個區(qū)，每個區(qū)域為一個工作幅寬，長度為2 m，每個區(qū)域內(nèi)隨機取5點,測點滅茬深度的耕深采用差值法[31]。

滅茬深度平均值為

(11)

其中

hji=l2i-l1i

(12)

式中hji——第j個試驗行程中第i個點的滅茬深度，mm

l1i——作業(yè)前壟頂與水平基準的距離，mm

l2i——作業(yè)后溝底與水平基準的距離，mm

hj——第j個試驗行程的滅茬深度平均值，mm

aj——第j個試驗行程中的滅茬深度測定點數(shù)

滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)

Uj=(1-Tj)×100%

(13)

其中

(14)

(15)

式中Uj——第j個試驗行程中滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)，%

Tj——第j個試驗行程中滅茬深度變異系數(shù)，%

Wj——第j個試驗行程的滅茬深度標準差，mm

(2)滅茬率

在試驗區(qū)域內(nèi)隨機選取5個小區(qū)測定，每個區(qū)域為一個工作幅寬，長度為2 m，測定地表和滅茬深度范圍內(nèi)所有根茬質(zhì)量以及根茬長度小于50 mm的根茬質(zhì)量(不包括須根)，滅茬率計算式為

(16)

式中Fg——滅茬率，%

Mh——根茬長度小于50 mm的根茬質(zhì)量，g

Mz——總根茬質(zhì)量，g

3.3　試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3所示，方差分析如表4、5所示。

3.3.1滅茬率Y1回歸模型的建立與顯著性檢驗

(17)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中P=0.092 9，不顯著，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系。

表3　試驗方案與結(jié)果Tab.3　Experiment layout and results

3.3.2滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2回歸模型的建立與顯著性檢驗

(18)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表5所示，其中P=0.263 4，不顯著，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.3.3響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得出作業(yè)速度x1、滅茬深度x2、正切刃滑切角x3之間顯著和較顯著交互作用對滅茬率Y1及滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y22個指標影響的響應曲面，如圖11所示。

表4　滅茬率Y1方差分析Tab.4　Variance analysis of stubble breaking rate

注：斜線后面為剔除不顯著因素后滅茬率Y1方差分析結(jié)果；*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

表5　滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2方差分析Tab.5　Variance analysis of depth of stubble breaking stability

圖11　樣機試驗響應曲面分析Fig.11　Response surface analyses of prototype test

對于滅茬率Y1，當壟上滅茬深度80 mm時，樣機作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應曲面如圖11a所示，當滅茬刀正切刃滑切角一定時，滅茬率Y1隨著作業(yè)速度的增加呈減小趨勢，最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～4.2 km/h范圍內(nèi)，原因是當作業(yè)速度較低時，滅茬刀輥能充分旋切根茬，而作業(yè)速度較高時，部分根茬未能充分破碎就被拋出，導致滅茬率降低；當樣機作業(yè)速度一定時，滅茬率Y1隨著正切刃滑切角的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的正切刃滑切角在3°～8°范圍內(nèi)，原因是當正切刃滑切角較低時，滅茬刀對根茬呈砍切狀態(tài)，導致滅茬率降低，隨著正切刃滑切角的增加，滅茬刀對根茬呈滑切狀態(tài)，切割性能良好、滅茬率升高，但當正切刃滑切角過大時，滅茬刀對根茬呈滑移切狀態(tài)，根茬切割不完全，導致滅茬率降低；在作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬率Y1的因素是樣機作業(yè)速度。當樣機作業(yè)速度為3.6 km/h時，壟上滅茬深度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應曲面如圖11b所示，當滅茬刀正切刃滑切角一定時，滅茬率Y1隨著壟上滅茬深度的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的滅茬深度在72～84 mm范圍內(nèi)，原因是滅茬深度較小時，根茬不能完全破碎，隨著滅茬深度增加，滅茬刀切割到五股茬，滅茬率升高，當滅茬深度過大時，根茬易被翻起，導致滅茬率降低；當壟上滅茬深度一定時，滅茬率Y1隨著正切刃滑切角的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的正切刃滑切角在4°～7.5°范圍內(nèi)；在壟上滅茬深度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬率Y1的因素是滅茬刀正切刃滑切角。

對于滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2，當滅茬刀正切刃滑切角5°時，樣機作業(yè)速度與壟上滅茬深度的交互作用響應曲面如圖11c所示，當壟上滅茬深度一定時，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著作業(yè)速度的增加呈減小趨勢，最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～3.3 km/h范圍內(nèi)，原因是當作業(yè)速度增加時，根茬不能破碎完全，機具振動較大，導致滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)降低；當樣機作業(yè)速度一定時，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著滅茬深度的增加呈增加的趨勢，最優(yōu)的滅茬深度在76～100 mm范圍內(nèi)，原因是當滅茬深度增加時，刀輥旋切土壤深度也隨之增加，降低機具振動，從而提高滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)；在作業(yè)速度與壟上滅茬深度的交互作用中，主要影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2的因素是樣機作業(yè)速度。當壟上滅茬深度80 mm時，樣機作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應曲面如圖11d所示，當樣機作業(yè)速度一定時，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著滅茬刀正切刃滑切角增加呈增加趨勢，最優(yōu)的正切刃滑切角在4.5°～10°范圍內(nèi)，原因是隨著正切刃滑切角增加，滅茬刀對根茬的切割由砍切狀態(tài)過渡到滑切狀態(tài)，從而提高滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)；當滅茬刀正切刃滑切角一定時，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著樣機作業(yè)速度增加呈減小的趨勢,最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～3.2 km/h范圍內(nèi)；在作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2的因素是樣機作業(yè)速度。

3.4　參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

3.4.1參數(shù)優(yōu)化

對樣機參數(shù)優(yōu)化的目的是獲取最優(yōu)的參數(shù)組合，最大程度提高機具滅茬率及滅茬深度的穩(wěn)定性，通過對圖11中4個響應曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對回歸模型進行求解，根據(jù)實際工作條件及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選定試驗因素的約束條件為

對其參數(shù)進行求解，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：樣機作業(yè)速度為2.8 km/h，壟上滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，此時理論上機具的滅茬率為93.26%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.25%。

3.4.2驗證試驗結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的樣機性能指標與現(xiàn)有傳統(tǒng)機具對比結(jié)果如表6所示。樣機的參數(shù)組合選擇為樣機作業(yè)速度為2.8 km/h，壟上滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，將樣機參數(shù)調(diào)整為上述狀態(tài)進行田間作業(yè)，相同試驗條件下重復驗證試驗5次，結(jié)果取平均值。

表6　驗證試驗結(jié)果Tab.6　Results of verification test　%

由表6試驗結(jié)果可知，與傳統(tǒng)滅茬深松整地機具及參照指標相比，設(shè)計的深松滅茬機的滅茬率分別提高3.05%和7.11%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)分別提高3.34%和4.89%，與理論模型分析結(jié)果一致且均優(yōu)于參照指標。

4　田間性能試驗

田間性能試驗在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗地進行，土壤全耕層含水率平均為28.16%，土壤堅實度平均為675.6 kPa，根茬平均高度為116 mm，根茬密度為3～4個/m,根茬平均含水率為41.8%。以文獻[31]及JB/T 8401.2—2007《旋耕深松滅茬起壟機》作為評定指標，各項田間性能指標均為行程結(jié)果的平均值，設(shè)計的帶狀深松滅茬機作業(yè)質(zhì)量及耕作效果如表7所示。

表7　性能試驗結(jié)果Tab.7　Results of performance experiment　%

樣機試驗結(jié)果與行業(yè)標準對比表明：帶狀深松滅茬聯(lián)合整地機各項性能指標均滿足標準要求，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的聯(lián)合整地效果。

5　結(jié)論

(1)對帶狀深松滅茬機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化配置，能一次完成壟上深松、帶狀滅茬和集土成壟3項作業(yè)任務(wù)，能夠適應秋收后或播種前秸稈處理后的整地作業(yè)；對滅茬刀輥以及滅茬刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得機具能夠平穩(wěn)作業(yè)，提高滅茬效率。

(2)通過二次回歸正交試驗分析得出，影響滅茬率的因素主次順序為作業(yè)速度、滅茬刀正切刃滑切角、滅茬深度；影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)的因素主次順序為作業(yè)速度、滅茬刀正切刃滑切角、滅茬深度。

(3)利用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊，根據(jù)深松滅茬機工作條件以及作業(yè)性能要求對試驗因素進行約束，對試驗指標的回歸模型優(yōu)化求解，得出帶狀深松滅茬機作業(yè)速度為2.8 km/h，滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，此時滅茬率為93.26%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.25%。通過驗證及性能試驗表明，各項指標均優(yōu)于參照指標，滿足深松滅茬機作業(yè)性能要求。

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