自走式秸稈制粒機(jī)撿拾裝置設(shè)計與試驗

白雪衛(wèi)，郝 巖，白 鑫，張 雨，譚 睿，宮元娟

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽110161）

制粒成型工藝在一定溫度和壓力下，將松散的秸稈原料壓縮成顆粒狀，極大提高秸稈資源利用的便利性和效率[1-3]?，F(xiàn)有的制粒機(jī)多采用固定式，須先將田間秸稈通過打捆機(jī)等機(jī)具收集起來，再經(jīng)運輸、除塵及粉碎等預(yù)處理工藝后才進(jìn)入制粒加工[4-7]，中間處理環(huán)節(jié)多，使得秸稈顆粒的生產(chǎn)成本和能耗較高。自走式秸稈制粒機(jī)能夠通過機(jī)具一次進(jìn)地作業(yè)，將散亂狀態(tài)鋪放在田間的秸稈收集、粉碎、輸送除塵并壓制成顆粒，將秸稈制粒作業(yè)所需的工序在田間完成，極大地節(jié)省了人工以及運輸成本。撿拾裝置作為自走式秸稈制粒機(jī)的關(guān)鍵部件之一，利用撿拾刀高速回轉(zhuǎn)，將田間秸稈撿拾后擊打粉碎，通過輸送裝置將原料喂入至制粒裝置內(nèi)，撿拾裝置的工作性能直接影響自走式秸稈制粒機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。現(xiàn)有的撿拾裝置主要包括滾筒式撿拾器與甩刀式撿拾器，滾筒式撿拾器以彈齒滾筒式撿拾器為代表，主要用于秸稈打捆機(jī)。甩刀式撿拾器的甩刀類型主要有直刀型甩刀、L型及其改進(jìn)型甩刀、錘爪型甩刀、Y型甩刀，甩刀式撿拾器多用于秸稈打捆機(jī)與秸稈還田機(jī)[8-13]。

國外學(xué)者對撿拾器的研究主要集中在對整機(jī)性能的研究[14-16]，郁志宏等[17]將滾筒轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度以及秸稈含水率作為試驗因素，探究對彈齒式撿拾器撿拾作業(yè)質(zhì)量的影響并進(jìn)行了優(yōu)化。田陽等[18]研制的氣力式秸稈深埋還田機(jī)中的撿拾裝置采用了Y型刀式撿拾器，在撿拾秸稈的同時能夠?qū)斩掃M(jìn)行一定程度的切割粉碎。唐寧寧等[19]對甩刀式撿拾器進(jìn)行了模態(tài)仿真，優(yōu)化了Y型甩刀的基本參數(shù)以及排列方式。本研究為解決自走式秸稈制粒機(jī)在撿拾玉米秸稈等硬質(zhì)秸稈時撿拾率低、撿拾起的秸稈含土率高、尺度大、撿拾裝置能耗高以及制粒部分動力不足等問題，設(shè)計了一種能滿足移動制粒機(jī)制粒要求，集撿拾、粉碎、除土等功能于一體的撿拾裝置。

1 裝置組成與工作原理

1.1 裝置組成

自走式秸稈制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1，主要由駕駛室、撿拾裝置、輸送除塵裝置、行走裝置、壓縮制粒裝置和料倉組成。自走式秸稈制粒機(jī)的撿拾裝置的結(jié)構(gòu)如圖2組成。撿拾刀軸由兩端軸頭以及空心輥軸組成，軸頭與空心輥軸通過螺栓連接。撿拾刀座焊接在空心輥軸的弧面上，錘爪通過銷軸固定在撿拾刀座上。帶有鋸齒的梯形定刀焊接在定刀座上，定刀座與撿拾腔殼體通過螺栓連接緊固。前支撐板與兩側(cè)板焊接固定。防漏板與地輪通過螺栓連接與側(cè)板之間固定。成型機(jī)柴油機(jī)功率117kW，工作幅寬2m，秸稈顆粒生產(chǎn)率大于1.5t·h-1，秸稈顆粒成型率超過95%，顆粒密度在0.8～1.2g·cm-3范圍內(nèi)。

圖1 自走式秸稈制粒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure sketch of mobile straw pelleter

圖2 自走式秸稈制粒機(jī)撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structural sketch of pickup device of mobile straw pelleter

1.2 工作原理

自走式秸稈制粒機(jī)的撿拾裝置進(jìn)行工作時，拖拉機(jī)的動力輸出軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)變速箱減速后由皮帶傳動將動力傳遞至撿拾刀軸，使撿拾刀軸轉(zhuǎn)動。撿拾錘爪跟隨撿拾刀軸高速轉(zhuǎn)動，在撿拾錘爪的沖擊帶動下，直立的秸稈與鋪放在田間的秸稈被撿拾進(jìn)入撿拾腔。每個錘爪有3個齒，齒與定刀交錯，對帶入撿拾腔的秸稈進(jìn)行切割、沖擊和粉碎。撿拾刀軸帶動撿拾錘爪高速轉(zhuǎn)動，使喂入口產(chǎn)生負(fù)壓，將細(xì)碎的秸稈吸入撿拾腔。經(jīng)過粉碎的秸稈隨著撿拾錘爪的帶動，沿著撿拾腔殼體進(jìn)入螺旋輸送腔。防漏板位于螺旋輸送腔下方，能夠擋住漏出的秸稈使其重新回到撿拾腔。螺旋輸送腔的下圍板上有圓形篩孔，可在螺旋輸送器的攪動下，將秸稈中帶有的雜物與塵土濾出。進(jìn)入螺旋輸送腔的秸稈被輸送至風(fēng)機(jī)，隨后進(jìn)入制粒室進(jìn)行制粒。地輪在作業(yè)過程中支撐機(jī)體，地輪支撐板上有3個螺栓孔，用以調(diào)整撿拾錘爪的離地高度。

2 撿拾裝置設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 撿拾甩刀的選取與排布

2.1.1 撿拾甩刀的選擇 撿拾甩刀是自走式秸稈制粒機(jī)的主要工作部件之一，撿拾甩刀的類型直接影響自走式秸稈制粒機(jī)的撿拾作業(yè)質(zhì)量。國內(nèi)常用于秸稈撿拾的甩刀類型主要包括直刀型甩刀、Y型甩刀、L型及其改進(jìn)型甩刀以及錘爪型甩刀。對于自走式秸稈制粒機(jī)而言，撿拾漏拾率是反應(yīng)自走式秸稈制粒機(jī)作業(yè)質(zhì)量的指標(biāo)之一。為選取撿拾效果較優(yōu)的撿拾甩刀類型，以撿拾漏拾率為試驗指標(biāo)，對各種常見甩刀進(jìn)行了重復(fù)3次的單因素試驗。發(fā)現(xiàn)直刀型甩刀粉碎效果較好，但撿拾效果很差，故只針對Y型甩刀、L型及其改進(jìn)型甩刀、錘爪型甩刀進(jìn)行試驗。保持撿拾甩刀刀尖離地高度、前進(jìn)速度與撿拾刀軸轉(zhuǎn)速不變，經(jīng)3次重復(fù)試驗測試，3種不同甩刀類型的平均撿拾漏拾率分別為5.8%、6.3%、4.0%。

2.1.2 錘爪型甩刀排列方式設(shè)計 當(dāng)自走式秸稈制粒機(jī)的工作幅寬，撿拾輥轉(zhuǎn)速以及前進(jìn)速度一定時，在不影響撿拾作業(yè)質(zhì)量的前提下，應(yīng)使錘爪型甩刀的數(shù)量盡量少。若錘爪數(shù)量過多，會導(dǎo)致能耗和制造成本的增加，妨礙碎秸稈向后運輸，造成堵塞并影響粉碎質(zhì)量。但錘爪數(shù)量過少，也易產(chǎn)生漏拾，達(dá)不到粉碎要求。為了滿足撿拾刀軸的平衡性，錘爪的數(shù)量應(yīng)為偶數(shù)。參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[20]，錘爪甩刀數(shù)量確定為14片。甩刀在刀軸上的排列方式，不僅影響撿拾粉碎作業(yè)得質(zhì)量，還對機(jī)具運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和動平衡性能等產(chǎn)生直接影響。目前，撿拾刀具的排列方式主要有單（雙）螺旋排列與對稱排列[21-23]。針對設(shè)計條件，采用雙螺旋式排列方式。錘爪在滾筒上的排列方式如圖3。

圖3 錘爪排布示意圖Figure 3 Structure sketch of claws arrangement

單條螺旋線上有7個錘爪，每條螺旋線上相鄰的兩錘爪間角為120°，軸向上相鄰兩錘爪邊緣之間的距離為0，間角大于60°，滿足設(shè)計條件。錘爪及其附件產(chǎn)生的離心力如圖4，F(xiàn)i為第i個錘爪及其附件所產(chǎn)生的離心力。若錘爪及其附件的質(zhì)量分別相等，則其產(chǎn)生的離心力也相等，則：

圖4 錘爪及其附件離心力示意圖Figure 4 Centrifugal force diagram of claws and its accessories

式中：∑F為離心合力。

錘爪與撿拾刀軸構(gòu)成一個帶有多個剛體的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量不是常值。但由于轉(zhuǎn)速高，錘爪質(zhì)量大，其受到的離心慣性力也就大，作業(yè)時產(chǎn)生的偏擺小且很快恢復(fù)到動平衡的位置。因此，當(dāng)錘爪數(shù)n為偶數(shù)時，將錘爪與輥軸看成一個剛體后，錘爪在輥軸的圓周方向的排列滿足以下條件即可達(dá)到動平衡。

式中：IXZ為XZ方向的轉(zhuǎn)動慣量，IYZ為YZ方向的轉(zhuǎn)動慣量；n為撿拾刀軸上撿拾刀座的組數(shù)；α為撿拾刀座安裝的角度。可見，該雙螺旋排列滿足式動平衡條件，該排列方式合理。

2.2 撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的確定

撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的變化直接影響對秸稈的撿拾與粉碎效果，是自走式秸稈制粒機(jī)撿拾裝置的主要工作參數(shù)之一。對玉米秸稈進(jìn)行切碎時，動刀刀端的線速度大于30m·s-1時才能達(dá)到較好的粉碎效果[20]。撿拾刀軸轉(zhuǎn)速與錘爪回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系式為：

式中：v為錘爪刀端的線速度(m·s-1)；ω為錘爪回轉(zhuǎn)的角速度(rad·s-1)；r為錘爪的回轉(zhuǎn)半徑(m)；n為撿拾刀軸轉(zhuǎn)速(r·min-1)。

設(shè)計撿拾刀軸轉(zhuǎn)速為1400r·min-1，錘爪的最大回轉(zhuǎn)半徑為0.3m，代入式(3)，得錘爪刀端線速度為43.96m·s-1，滿足玉米秸稈的粉碎要求。若轉(zhuǎn)速過高，會增加能耗，易產(chǎn)生共振且加速各零部件損耗，因此選取轉(zhuǎn)速范圍為1400～2200r·min-1進(jìn)行試驗研究。

2.3 撿拾腔參數(shù)與錘爪離地高度的確定

撿拾腔殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，直接影響撿拾裝置的撿拾作業(yè)效果。撿拾裝置的撿拾腔如圖5。其中：d1為喂入間隙，d2為螺旋輸送室的喂入口間隙。一般情況下，秸稈在田間會形成一定高度的自然堆積，有利于秸稈的喂入。h1為秸稈喂入口的高度，秸稈喂入口的高度應(yīng)高于秸稈的自然堆積高度，h2為錘爪刀尖在最低位置時與地面的距離，

圖5 撿拾裝置的撿拾腔Figure 5 Pickup chamber of pickup device

也是秸稈的留茬高度，h1與h2應(yīng)滿足如下關(guān)系[24-25]：

秸稈的堆積高度一般在150～350mm，錘爪的旋轉(zhuǎn)半徑R1=300mm，代入式(4)得：50mm≤h2≤150mm。

2.4 撿拾刀軸的模態(tài)分析

2.4.1 撿拾刀軸的建模 模態(tài)即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有其特定的固有頻率、振型和阻尼比。在選取撿拾刀軸的轉(zhuǎn)速范圍后，為避免機(jī)具在工作過程當(dāng)中產(chǎn)生共振，確保機(jī)具穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，需要進(jìn)行模態(tài)分析來確定撿拾刀軸的模態(tài)特性與因轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的激勵頻率之間的關(guān)系[26-28]。使用Solidworks軟件建立撿拾刀軸的三維實體模型，采用虛擬裝配技術(shù)將整機(jī)進(jìn)行裝配，其中撿拾錘爪與錘爪刀座采用銷軸裝配形式，撿拾刀座與刀輥之間采用剛性裝配。為準(zhǔn)確掌握整體的關(guān)鍵模態(tài)信息，省略對整體模態(tài)影響較小的鍵槽、螺紋孔、圓角和倒角等細(xì)節(jié)特征。對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇quad正四邊形，最小單元尺寸1.5mm。劃分后共有103457個實體單元，211148個網(wǎng)格節(jié)點。針對撿拾裝置的實際工作情況，在兩端軸頭安裝軸承處添加圓柱約束，限制徑向與軸向自由度，保留切向自由度。因為要進(jìn)行的是自由模態(tài)分析，所以不添加外部載荷。各部件材料屬性參照表1。

表1 撿拾刀軸各部件材料屬性Table 1 Material properties of various parts of pickup roller

2.4.2 撿拾刀軸模態(tài)分析結(jié)果 一般情況下，結(jié)構(gòu)的低階固有頻率對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)影響最為明顯，高階固有頻率對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)影響不大，選取前5～10階的模態(tài)就足夠，本研究選取前6階固有頻率與振型來進(jìn)行分析。各階固有頻率見表2，各階振型如圖6。

圖6 撿拾刀軸1-6階模態(tài)振型圖Figure 6 First six vibration modes of picking up roller

表2 撿拾刀軸各階模態(tài)固有頻率Table 2 Natural frequencies of each modes for picking up roller

根據(jù)1階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型在XOY平面內(nèi)的彎曲運動，刀輥變形量較大，變形量由中間向兩端逐漸減小。根據(jù)2階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型在XOZ平面內(nèi)的彎曲運動，刀輥變形量較大，變形量由中間向兩端逐漸減小。根據(jù)3階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型以X軸為轉(zhuǎn)軸中心，在YOZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，刀輥變形量較小，變形主要集中在錘爪位置。根據(jù)4階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型在刀輥兩端的位置，以刀輥中心為對稱點，從軸心向Y方向做對稱彎曲運動，刀輥兩端變形量較大，中心變形量較小。根據(jù)5階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型以X軸為轉(zhuǎn)軸中心，刀輥中心為對稱中心，在YOZ平面內(nèi)做對稱轉(zhuǎn)動，整體變形較小。根據(jù)6階模態(tài)振型圖可以看出，該階固有頻率對應(yīng)的主振型是在YOZ平面，以刀輥中心為對稱點的復(fù)合扭轉(zhuǎn)運動，整體變形較小。撿拾刀軸所設(shè)計的工作轉(zhuǎn)速為1400～2200r·min-1，轉(zhuǎn)換為工作頻率為23.3～33Hz，遠(yuǎn)低于撿拾刀軸的最低固有頻率，因此不會產(chǎn)生共振，撿拾刀軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速合理。

3 性能試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗條件與測試指標(biāo)

2019年10月，在遼寧省錦州市黑山縣寧越農(nóng)機(jī)裝備有限公司進(jìn)行試驗，試驗地段長50m，寬10m，秸稈平均含水率19%，平均含土率38%。將秸稈模擬在田間的狀態(tài)均勻鋪放，秸稈鋪放密度為1.4kg·m-2，鋪放狀態(tài)如圖7，試驗用秸稈長度為60～120mm服從正態(tài)分布，長徑比平均為10。配套動力額定功率147kW，拖拉機(jī)動力輸出軸轉(zhuǎn)速20r·min-1，實現(xiàn)5級轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、測量儀器：米尺、電子秤、欣寶SM8238轉(zhuǎn)速測量儀、WYH-1A型油耗測試儀、DHS-16A型含水率測量儀。

圖7 撿拾性能試驗Figure 7 Picking up performance test

3.1.1 撿拾損失率 撿拾損失率為錘爪撿拾器在作業(yè)過程中漏拾秸稈的質(zhì)量與所測定地段所有秸稈質(zhì)量的比值[17]，其計算公式為：

式中：Sj為撿拾損失率(%)；L測定距離(m)；Wj為撿拾器漏撿的秸稈質(zhì)量(kg)；Pt為每米的秸稈質(zhì)量(kg·m-1)。

3.1.2 秸稈含土率 秸稈含土率為撿拾起的秸稈中塵土的質(zhì)量與撿拾起秸稈與塵土的總質(zhì)量的比值[29]，其計算公式為：

式中：T為秸稈含土率(%)；Mt為秸稈中塵土的質(zhì)量(kg)；Mz為秸稈與塵土的總質(zhì)量(kg)。

3.1.3 比能耗 比能耗是輸送單位質(zhì)量物料所消耗的能量，是撿拾裝置的能量消耗與撿拾裝置的生產(chǎn)率之間的比值[30]，其計算公式為：

式中：Y為比能耗(kJ·kg-1)；W為撿拾裝置總能耗(kJ·min-1)；Q為生產(chǎn)率(kg·min-1)；A為油耗(L·h-1)；m為撿拾秸稈質(zhì)量(kg)；H為秸稈含水率(%)；t為每次撿拾秸稈的時間(s)。

3.1.4 粉碎長度合格率 粉碎長度合格率為拾起秸稈中，粉碎長度不合格的質(zhì)量與拾起秸稈總質(zhì)量的比值。針對環(huán)模制粒機(jī)，玉米秸稈的長度小于15mm時，制成的顆粒質(zhì)量最高[31]。粉碎長度合格率的計算公式為：

式中：η為秸稈粉碎長度合格率(%)；m1為經(jīng)粉碎后長度不合格的秸稈質(zhì)量(kg)；m2為撿拾起秸稈的總質(zhì)量(kg)。

3.2 單因素試驗

選取撿拾刀軸轉(zhuǎn)速和撿拾錘爪刀尖的離地高度兩個因素進(jìn)行重復(fù)3次的單因素試驗，結(jié)果取平均值。移動制粒機(jī)的作業(yè)效率應(yīng)達(dá)到8hm2·h-1，通過計算，移動制粒機(jī)的前進(jìn)速度應(yīng)不小于3m·s-1，根據(jù)前文分析，選取因素試驗范圍為撿拾刀軸轉(zhuǎn)速1400～2200r·min-1和撿拾錘爪刀尖離地高度50～150mm，以撿拾損失率、秸稈含土率、撿拾裝置的比能耗以及粉碎長度合格率作為試驗指標(biāo)。由圖8a可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與錘爪刀尖離地高度一定時，撿拾損失率隨轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，粉碎長度合格率隨轉(zhuǎn)速的升高呈總體上升趨勢，撿拾刀軸的轉(zhuǎn)速越高，被撿拾進(jìn)撿拾腔的秸稈越多，撿拾效果越好，轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)入撿拾腔的秸稈被沖擊，切割的次數(shù)增加，粉碎效果變好；但轉(zhuǎn)速過高，產(chǎn)生的風(fēng)壓隨之增大，導(dǎo)致秸稈被向前推動，使撿拾損失率增加。由圖8b可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與錘爪刀尖離地高度一定時，含土率隨撿拾刀軸轉(zhuǎn)速增加呈總體下降趨勢，比能耗隨撿拾刀軸轉(zhuǎn)速增加呈總體上升趨勢。隨著轉(zhuǎn)速升高，產(chǎn)生的氣流變強(qiáng)，塵土被更好的吹散出去，但動力消耗增加。綜合上述分析，輥軸轉(zhuǎn)速對撿拾作業(yè)質(zhì)量影響較大，選取撿拾刀軸較優(yōu)的轉(zhuǎn)速區(qū)間1600～2000r·min-1。

圖8 輥軸轉(zhuǎn)速單因素試驗結(jié)果Figure 8 Single factor test results of roller speed

由圖9a可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與撿拾刀軸轉(zhuǎn)速一定時，撿拾損失率隨離地高度的增大總體呈上升趨勢，粉碎長度合格率隨離地高度的升高總體呈下降趨勢。錘爪刀尖離地高度增大，錘爪與鋪放在地面的秸稈的直接接觸減少，留茬高度變大，撿拾損失率增加。由圖9b可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與撿拾刀軸轉(zhuǎn)速一定時，含土率隨離地高度的增大總體呈下降趨勢，比能耗隨離地高度的變化不大。錘爪位置的提升，減少了撿拾作業(yè)過程中帶起的塵土，但對比能耗影響不大。綜合上述分析，50～100mm是滿足自走式秸稈制粒機(jī)撿拾裝置作業(yè)要求的較優(yōu)作業(yè)參數(shù)區(qū)間。

圖9 錘爪刀尖離地高度單因素試驗結(jié)果Figure 9 Single factor test results of the height of claw tip from the ground

3.3 撿拾作業(yè)性能試驗

3.3.1 試驗設(shè)計 為進(jìn)一步尋求自走式秸稈制粒機(jī)撿拾作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合，探究作業(yè)參數(shù)對響應(yīng)指標(biāo)的交互作用以及影響規(guī)律，開展自走式秸稈制粒機(jī)撿拾作業(yè)參數(shù)正交試驗研究，試驗采用二元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方案，以撿拾損失率y1，粉碎長度合格率y2，含土率y3，比能耗y4作為試驗指標(biāo)，各試驗因素水平編碼如表3，試驗方案及結(jié)果如表4，x1、x2為因素編碼值。

表3 因素水平編碼Table 3 Experimental factors and levels

表4 試驗方案及試驗結(jié)果Table 4 Experimental plan and results

3.3.2 回歸模型與分析 根據(jù)表4中得到的正交試驗結(jié)果，進(jìn)行二元二次擬合計算，回歸模型的方差分析結(jié)果如表5，剔除不顯著項，通過編碼轉(zhuǎn)換，得到各指標(biāo)的回歸模型分別為：

由表5可知，撿拾損失率y1、粉碎長度合格率y2、含土率y3和比能耗y4回歸模型的顯著性水平p值都小于0.01，即回歸模型都是極顯著的。失擬項顯著性水平p值都大于0.1，即回歸模型擬合良好。根據(jù)方差F的值可以看出因素對各試驗指標(biāo)的影響程度，對于撿拾損失率y1與含土率y3，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速對指標(biāo)的影響程度大于錘爪刀尖離地高度，對于粉碎長度合格率y2和比能耗y4，錘爪刀尖離地高度對指標(biāo)的影響程度大于撿拾刀軸轉(zhuǎn)速，其中，錘爪刀尖離地高度對比能耗y4的影響不顯著。

表5 回歸模型分析結(jié)果Table 5 Variance analysis result of regression equation

3.3.3 響應(yīng)面分析 對比能耗的回歸模型進(jìn)行方差分析表明，本試驗中x1x2的交互作用對比能耗的影響不顯著，所以再分析x1x2的交互作用分別對撿拾損失率、粉碎長度合格率以及含土率的影響情況。

3.3.3.1 交互作用對撿拾損失率的影響 由圖10a可知，隨著錘爪刀尖離地高度的增加，撿拾損失率呈上升趨勢，隨著撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的增加，撿拾損失率呈小幅度增長趨勢。與單因素試驗趨勢基本吻合。錘爪刀尖離地高度在50～75mm范圍內(nèi)，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速在1600～1800r·min-1范圍內(nèi)時，移動制粒機(jī)撿拾裝置的撿拾損失率較小，兩因素交互作用明顯。

3.3.3.2 交互作用對粉碎長度合格率的影響 由圖10b可知，隨著錘爪刀尖離地高度的提升，粉碎長度合格率呈小幅上升趨勢，隨著撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的增加，粉碎長度合格率呈總體上升趨勢，與單因素試驗趨勢基本吻合，錘爪刀尖離地高度在75～100mm范圍內(nèi)，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速在1800～2000 r·min-1范圍內(nèi)時，可得到較高的粉碎長度合格率，兩因素交互作用明顯。

3.3.3.3 交互作用對含土率的影響 由圖10c可知，隨著錘爪刀尖離地高度與撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的增大，含土率呈下降趨勢，與單因素試驗趨勢相近，錘爪刀尖離地高度在75～100mm，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速在1800～2000 r·min-1時，可得到較低的含土率。

圖10 因素交互作用對評價指標(biāo)的影響Figure 10 Effects of two factors on evaluation indexes

3.4 參數(shù)優(yōu)化與田間試驗驗證

為確定最佳的工作參數(shù)組合，得到更好的作業(yè)質(zhì)量，利用Design-Expert中的數(shù)值模擬模塊對工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本試驗研究的目標(biāo)在于降低撿拾損失率、含土率及比能耗，提高粉碎長度合格率。根據(jù)工作過程中的實際要求以及回歸模型的分析結(jié)果，選定試驗因素與指標(biāo)的約束范圍如表6。

表6 因素限定條件Table 6 Factor qualification

綜合上述目標(biāo)函數(shù)以及表中的約束條件，對兩個試驗因素對各響應(yīng)指標(biāo)的回歸方程進(jìn)行最優(yōu)求解。最終得到優(yōu)化結(jié)果為撿拾刀軸轉(zhuǎn)速1941r·min-1，錘爪刀尖離地高度為93mm時，撿拾損失率為3.17%，粉碎長度合格率為98.16%，含土率12.4%，比能耗463.47kJ·kg-1。

根據(jù)自走式秸稈制粒機(jī)撿拾作業(yè)正交試驗的回歸分析結(jié)果，對最優(yōu)工作參數(shù)組合進(jìn)行田間試驗驗證，以檢驗回歸模型與最優(yōu)工作參數(shù)組合的正確性。試驗選用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)自走式560XG型自走式環(huán)模制粒機(jī)，該機(jī)撿拾裝置結(jié)構(gòu)與文中試驗所用撿拾裝置相同，試驗地點為遼寧錦州市黑山縣東窩堡試驗田，試驗地段長300m，寬200m，秸稈平均含水率19%，平均含土率38%。作業(yè)行進(jìn)速度3m·s-1，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速1941r·min-1，錘爪刀尖離地高度93mm，在相同試驗條件下進(jìn)行5次重復(fù)試驗并取平均值。驗證試驗撿拾損失率的平均值為4.76%，粉碎長度合格率為97.3%，含土率13.2%，比能耗438kJ·kg-1。與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 討論與結(jié)論

本研究設(shè)計了一種能夠滿足自走式秸稈制粒機(jī)制粒要求的撿拾裝置，一次作業(yè)可將秸稈收集、粉碎并初步除塵。通過單因素對比試驗，選取甩刀類型為錘爪型，通過理論計算，確定錘爪數(shù)量為14個，并以雙螺旋的排列方式排列。確定在撿拾裝置工作時，撿拾刀軸的合理轉(zhuǎn)速范圍為1400～2200r·min-1，錘爪刀尖離地高度的合理范圍在50～150mm之間。對撿拾刀軸進(jìn)行模態(tài)分析，選取前6階固有頻率與振型進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，撿拾刀軸在工作過程中的工作頻率為23.3～33Hz，撿拾刀軸本身的最低固有頻率為120.08 Hz，工作頻率遠(yuǎn)低于撿拾刀軸本身的固有頻率，不會發(fā)生共振。通過單因素試驗，確定撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為1600～2200 r·min-1，錘爪刀尖離地高度的較優(yōu)范圍為50～150mm。根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，進(jìn)行二元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，通過回歸模型的建立以及方差分析，判斷出對于撿拾損失率與含土率，撿拾刀軸轉(zhuǎn)速的顯著性高于錘爪刀尖離地高度，對于粉碎長度合格率和比能耗，錘爪刀尖離地高度的顯著性高于撿拾刀軸轉(zhuǎn)速，且錘爪刀尖離地高度對比能耗的影響不顯著。經(jīng)參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)水平組合：撿拾刀軸轉(zhuǎn)速1941 r·min-1，錘爪刀尖離地高度93mm，撿拾損失率為4.76%，粉碎長度合格率為97.3%，含土率12.4%，比能耗438 kJ·kg-1，通過田間試驗驗證，確定優(yōu)化結(jié)果與實際結(jié)果基本一致，滿足自走式秸稈制粒機(jī)制粒要求。

本研究設(shè)計的撿拾裝置一次作業(yè)可完成對秸稈的撿拾、除土作業(yè)，后續(xù)對輸送裝置和二次除土裝置仍可進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步降低秸稈的含土率；錘爪與定刀的耐磨性有待提高，可考慮通過采用自磨刃的方式進(jìn)行改進(jìn)，提高作業(yè)時間；本研究中的秸稈針對含水率相同的秸稈，而實際作業(yè)條件下秸稈含水率變化較大，對不同含水率的秸稈進(jìn)行試驗研究，進(jìn)一步完善優(yōu)化并檢驗其適用性。