基于自動(dòng)對(duì)行的四壟八行花生條鋪收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬寧，王東偉，尚書旗，何曉寧，胥南，郭鵬，趙澤龍，趙壯

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

花生作為世界范圍內(nèi)廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物，是國(guó)家重點(diǎn)扶持發(fā)展且極具競(jìng)爭(zhēng)力的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品[1].近年來(lái)花生種植面積穩(wěn)步增長(zhǎng)，主要集中在河南、山東、河北以及安徽等地區(qū)[2].根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)花生種植面積達(dá)463.348 萬(wàn)hm2，花生總產(chǎn)量達(dá)1 751.96萬(wàn)t[3]，均居世界前列.然而，目前我國(guó)花生收獲機(jī)械化水平發(fā)展緩慢，僅為44.76%[4-5]，部分花生主產(chǎn)區(qū)仍以簡(jiǎn)單的小型挖掘收獲機(jī)輔助人工收獲為主，嚴(yán)重制約了花生生產(chǎn)機(jī)械化水平的提升.

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)花生收獲機(jī)械的研究起步較早，尤其是美國(guó)在兩段式收獲方面的技術(shù)和裝備一直處于世界領(lǐng)先地位.目前主要有KMC、AMADAS、FERGUSON、COLOMBO、PEARMAN等公司生產(chǎn)的2～8行鏟鏈?zhǔn)胶顽P夾式花生起收機(jī)，機(jī)械化程度高，性能可靠[6].但美國(guó)花生主要以蔓生型為主，與我國(guó)直立型花生收獲存在較大差異，因此美國(guó)收獲機(jī)不適用于我國(guó)花生收獲實(shí)際需要.

近年來(lái)，為推進(jìn)我國(guó)花生收獲機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者和科研單位陸續(xù)開(kāi)展了系列研究.目前應(yīng)用于我國(guó)花生兩段式收獲方式的機(jī)型主要包括4H-1500型花生挖掘收獲機(jī)、4H-800型花生挖掘收獲機(jī)[7]、4HCDS-100型挖掘收獲機(jī)[8]、振動(dòng)式鋪放型花生挖掘收獲機(jī)[9]等，通過(guò)挖掘鏟與振動(dòng)篩或升運(yùn)鏈相結(jié)合的方式，對(duì)花生進(jìn)行挖掘、輸送、去土、鋪放，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了花生收獲的機(jī)械化作業(yè)，代替人工收獲，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度.雖然多種類型的花生起收機(jī)得到了相應(yīng)的推廣應(yīng)用，但大多為小型機(jī)械[10]，收獲效率低，對(duì)各花生主產(chǎn)區(qū)的壟距、壟寬、行距等不同種植模式和作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性差，收獲效果欠佳.我國(guó)對(duì)寬幅高效、性能可靠、具有自動(dòng)對(duì)行功能的多壟多行花生條鋪收獲裝備的研究匱乏.

圍繞我國(guó)花生種植模式，結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的要求，設(shè)計(jì)四壟八行花生條鋪收獲機(jī)，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)方向與花生壟發(fā)生偏離時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)行，具有機(jī)架折疊功能，以期一次性完成四壟八行花生挖掘拔取、夾持輸送、梳刷去土、有序條鋪收獲作業(yè)，以期提高花生收獲效率，降低埋果率和帶土率，為多壟多行花生條鋪收獲裝備的研究提供參考.

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

四壟八行花生條鋪收獲機(jī)主要由挖掘裝置、夾持輸送裝置、去土裝置、有序條鋪裝置及折疊裝置、自動(dòng)對(duì)行裝置等組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示.

1：懸掛架；2.變速箱；3：機(jī)架；4：折疊裝置；5：傳動(dòng)裝置；6：液壓缸；7：挖掘裝置；8：位移傳感器；9：夾持鏈；10：夾持輸送架：11：有序條鋪裝置；12：去土裝置；13：仿形輪；14：控制裝置；15：超聲波傳感器；16：限深裝置.

1.2 工作原理

整機(jī)配套70 kW拖拉機(jī)，采用后懸掛的方式進(jìn)行作業(yè).拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸與收獲機(jī)變速箱連接，動(dòng)力由傳動(dòng)裝置進(jìn)行傳遞，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)帶動(dòng)齒輪組工作；動(dòng)力由齒輪組傳遞到鏈輪進(jìn)而帶動(dòng)夾持鏈運(yùn)轉(zhuǎn).田間作業(yè)開(kāi)始前，控制裝置調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿，通過(guò)折疊裝置使兩側(cè)機(jī)架向下翻轉(zhuǎn)展開(kāi).作業(yè)過(guò)程中，若前進(jìn)方向發(fā)生偏離，通過(guò)自動(dòng)對(duì)行裝置偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)感知反饋，控制裝置調(diào)節(jié)夾持輸送架橫向移動(dòng)，使夾持輸送架前端的挖掘鏟與花生壟對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行.挖掘鏟將花生植株從土壤中挖出，夾持鏈同時(shí)進(jìn)行夾持拔取，使其進(jìn)入夾持輸送裝置并輸送至機(jī)具尾部；在輸送過(guò)程中去土桿以梳刷方式將粘附在根系及莢果上的土壤去除；花生植株在條鋪引導(dǎo)板的作用下以條狀按同一方向整齊有序鋪放于田間.

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 挖掘裝置

挖掘鏟作為挖掘裝置的重要組成部分，應(yīng)具有良好的入土性能[11]，能夠松碎土壤，將花生植株完全挖出，不損傷花生莢果；還需對(duì)作物施加一個(gè)向上托起的力，使其能夠順利進(jìn)入夾持輸送環(huán)節(jié)[12].在四壟八行花生挖掘作業(yè)過(guò)程中，挖掘鏟兩側(cè)翻起的土壤易造成壅土堵塞；對(duì)行調(diào)節(jié)過(guò)程中，挖掘鏟在土下隨夾持輸送架左右橫向移動(dòng)，受到土壤阻力較大且易纏繞雜草.針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)對(duì)置式平面雙鏟，采用前后交錯(cuò)排列的方式，能有效避免壅土堵塞與纏繞雜草，減小挖掘阻力.挖掘裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1：連接桿；2：鏟柄；3：挖掘鏟.

挖掘鏟的入土角和鏟刃頂角是影響挖掘鏟阻力大小及挖掘效果的主要因素.挖掘鏟在工作過(guò)程中土壤和鏟面受力分析如圖3～4所示.

1：土壤；2：鏟面；

圖4 鏟面受力分析

由土壤和鏟面受力分析可知，挖掘鏟在作業(yè)過(guò)程中受力情況滿足：

(1)

式中：F為挖掘鏟在工作中受到的牽引力(N)；G為鏟面上方土壤所受的重力(N)；Z為常數(shù)；C為土壤內(nèi)凝聚力因數(shù)(N/m2)；s1為土壤剪切面積(m2)；B為土壤沿挖掘鏟面運(yùn)動(dòng)的加速力(N)；β為前失效傾角(°)；θ為挖掘鏟的入土角(°)；μ1為土壤與挖掘鏟之間的摩擦因數(shù)；μ2為土壤與土壤之間的摩擦因數(shù)；Ca為土壤的附著力因數(shù)(N/m2)；A1為鏟面面積(m2).

圖3～4中：

f1=μ1N1

(2)

f2=μ2N2

(3)

式中：N1為挖掘鏟的法向載荷(N)；N2為前失效面的法向載荷(N)；Vm為機(jī)具前進(jìn)速度(m/s).

根據(jù)鏟面受力情況，為使挖掘鏟鏟起的土壤向后運(yùn)動(dòng)，建立關(guān)于入土角的受力平衡方程：

Fcosθ-T-Gsinθ=0

(4)

R-Gcosθ-Fsinθ=0

(5)

T=Rμ1

(6)

式中：F為挖掘鏟在工作中受到的牽引力(N)；R為土壤對(duì)鏟的作用力(N)；T為鏟面所受的摩擦力(N)；G為鏟面上方土壤所受的重力(N)；θ為挖掘鏟的入土角(°)；μ1=tanφ,φ為鏟面與接觸物的摩擦角(°).

化簡(jiǎn)可得

F≥Gtan(θ+φ)

(7)

由以上關(guān)系可知：鏟面受到的力與入土角的大小呈正相關(guān)關(guān)系；挖掘鏟受到的牽引阻力與入土角的關(guān)系為：當(dāng)0°<θ<15°時(shí)牽引阻力隨入土角的增大逐漸上升；當(dāng)15°<θ<25°時(shí)牽引阻力隨入土角的增大上升緩慢；當(dāng)θ<25°時(shí)牽引阻力隨入土角的增大急劇上升.因此，挖掘鏟的入土角應(yīng)取15°～25°為宜，取入土角為20°.

挖掘鏟切割性能主要取決于鏟刃頂角[13].鏟刃頂角過(guò)大時(shí)，鏟刃易被根系纏結(jié)造成堵塞；鏟刃頂角過(guò)小時(shí)，鏟刃不易切斷根蔓而發(fā)生滑脫，鏟刃的滑切受力分析如圖5所示.

圖5 鏟刃滑切受力分析

為保證挖掘鏟具有良好滑切性能，使土壤及花生根系順利經(jīng)過(guò)鏟面，鏟刃頂角的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：

M=Pcosγ

(8)

E=Psinγ

(9)

N=Etanφ

(10)

產(chǎn)生滑切的條件是：M>N，即

Pcosγ>Psinγtanφ

(11)

經(jīng)化簡(jiǎn)得：γ<90°-φ

(12)

式中：γ為鏟刃頂角(°)；P為挖掘鏟所受阻力(N)；M為挖掘鏟所受阻力的分力(N)；N為滑移摩擦力(N)；E為鏟刃對(duì)接觸物的作用力(N).

在適宜的角度區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，γ越小，滑切性能越好，但γ減小會(huì)增加挖掘鏟長(zhǎng)度，使整機(jī)的縱向尺寸增大，不利于整機(jī)的提升和行走[13]，因此γ不宜過(guò)小.土壤與鋼的摩擦系數(shù)tanφ一般為0.4～0.8，γ取48°左右為宜.

2.2 夾持輸送裝置

夾持輸送是花生收獲作業(yè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié).夾持輸送裝置主要由夾持鏈輪、夾持鏈、張緊鏈輪、張緊桿、夾持輸送架組成.挖掘出土的花生植株經(jīng)夾持鏈夾持拔起后被輸送至機(jī)具尾部，夾持輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示.

1：夾持鏈輪；2：夾持鏈；3：張緊鏈輪；4：張緊桿；5：夾持輸送架.

夾持輸送速度是保證裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù).收獲機(jī)采用挖拔夾持組合方式，要求花生挖掘、夾持拔取幾乎同步進(jìn)行；若夾持輸送速度過(guò)低，將導(dǎo)致花生植株在被夾持前出現(xiàn)倒伏，不利于后續(xù)夾持輸送；若夾持輸送速度過(guò)快，將造成先拔后挖，導(dǎo)致秧蔓斷裂，埋果率、帶土率升高，影響收獲效果[14].因此，夾持輸送速度與機(jī)具前進(jìn)速度在水平矢量上應(yīng)相等，才能保證夾持輸送順利進(jìn)行.夾持輸送速度和機(jī)具前進(jìn)速度示意如圖7所示.

圖7 夾持輸送裝置速度示意圖

(13)

(14)

式中：Vm為機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；Vj為夾持鏈輸送速度(m/s)；α為夾持鏈與機(jī)器前進(jìn)方向速度的夾角(°)；

對(duì)夾持輸送速度進(jìn)行分解，如圖8所示.

圖8 夾持輸送速度分解圖

由速度分解圖可知：

(15)

(16)

ab=Vjsin(ω-α)=Vmsinω

(17)

(18)

2.3 折疊裝置

折疊裝置主要分為4組，每組由兩個(gè)圓頭條形連桿，4個(gè)圓角弧邊固定座組成.兩個(gè)連桿的一端與液壓缸缸頭的耳環(huán)相連，當(dāng)液壓缸活塞桿回縮時(shí)，拉動(dòng)連桿，從而帶動(dòng)兩側(cè)機(jī)架翻起完成折疊.折疊裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示.

1：機(jī)架橫梁；2：固定座；3：液壓缸；4：活塞桿；5：液壓缸耳環(huán)；6：圓頭條形連桿；7：圓角弧邊固定座.

作為大型寬幅機(jī)具，折疊裝置能夠使其完成翻轉(zhuǎn)折疊，在未工作狀態(tài)下減小整機(jī)所占空間，有效解決寬幅機(jī)具運(yùn)輸和田間轉(zhuǎn)彎不便的難題.

2.4 自動(dòng)對(duì)行裝置

我國(guó)各花生主產(chǎn)區(qū)種植模式和農(nóng)藝要求存在差異，壟距、壟寬、行距不一致導(dǎo)致機(jī)具在收獲過(guò)程中前進(jìn)方向與花生壟發(fā)生偏離，挖掘鏟出現(xiàn)漏挖、少挖、傷果現(xiàn)象.駕駛員為使機(jī)具對(duì)行作業(yè)，致使勞動(dòng)強(qiáng)度和難度加大，且對(duì)行作業(yè)的準(zhǔn)確性易受人為因素影響，降低收獲效率，增加收獲損失[15].針對(duì)上述問(wèn)題，綜合采用機(jī)-電-液一體化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)行裝置，包括偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)、夾持輸送架橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng).

偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)通過(guò)感知壟溝位置偏移的方式，對(duì)機(jī)具在收獲作業(yè)過(guò)程中是否準(zhǔn)確對(duì)行進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，適用于花生、馬鈴薯等生長(zhǎng)于地下的作物自動(dòng)對(duì)行收獲.偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)如圖10所示.

1：機(jī)架；2：夾持輸送架；3：超聲波傳感器；4：滑塊；5：滑軌；6：滑動(dòng)套筒；7：仿形輪連接桿；8：仿形輪.

機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，仿形輪沿壟溝行走，若仿形輪偏離壟溝，則連接桿在滑動(dòng)套筒內(nèi)相應(yīng)向上滑動(dòng)，安裝在滑動(dòng)套筒頂端的超聲波傳感器探測(cè)到仿形輪連接桿頂端與其距離變小，說(shuō)明此時(shí)前進(jìn)方向發(fā)生偏離.根據(jù)時(shí)間差測(cè)距法，通過(guò)超聲波傳感器發(fā)射聲波的傳導(dǎo)速度與返回時(shí)間測(cè)算出距離，公式如下：

s=tv

(19)

式中：s為超聲波通過(guò)的距離(mm)；t為超聲波返回所用時(shí)間(min)；v為超聲波移動(dòng)速度(m/s).

通過(guò)使諧振頻率與諧振阻抗保持一致，確保探測(cè)時(shí)間差的準(zhǔn)確性，公式如下：

(20)

(21)

式中：fm為諧振頻率(Hz)；fn為阻抗頻率(Hz)；L1為等效電感(H)；C0為靜態(tài)電容(F)；C1為等效電容(F).

當(dāng)無(wú)機(jī)械損耗時(shí)：fm=fn.

當(dāng)有機(jī)械損耗時(shí)：fm

為保證機(jī)具自動(dòng)對(duì)行順利完成，設(shè)計(jì)夾持輸送架橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu).夾持輸送架通過(guò)兩組滑動(dòng)套筒、圓柱滑軌設(shè)置于機(jī)架下方，與機(jī)架相連，可在液壓缸作用下實(shí)現(xiàn)左右橫向移動(dòng)，完成自動(dòng)對(duì)行.機(jī)架橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖11所示.

1：機(jī)架；2：滑動(dòng)套筒；3：圓柱滑軌；4：位移傳感器；5：液壓缸；6：活塞桿；7：夾持輸送架.

自動(dòng)對(duì)行液壓控制系統(tǒng)主要包括油箱、單向定量液壓泵、電磁換向閥、流量閥、液壓缸、位移傳感器.

自動(dòng)對(duì)行裝置工作時(shí)，控制器將偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)出的信號(hào)，由比例放大器進(jìn)行功率放大后傳遞給電磁換向閥，電磁閥按比例移動(dòng)閥芯的位置，即可控制液流的流量并改變其方向，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的伸縮，使夾持輸送架在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下左右移動(dòng)，完成自動(dòng)對(duì)行.液壓控制系統(tǒng)原理如圖12所示.

1：油箱；2：液壓泵；3：電磁換向閥；4：流量閥；5：位移傳感器；6：液壓缸.

自動(dòng)對(duì)行和兩側(cè)機(jī)架折疊均依靠液壓缸完成，對(duì)液壓缸主要規(guī)格尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)采用工程常用的近似計(jì)算方法，即按最大負(fù)載力FLmax確定液壓缸的規(guī)格尺寸[16].負(fù)載力由摩擦力Ff、慣性力Fa和外作用負(fù)載Fe組成，無(wú)彈性負(fù)載，需滿足：

FLmax=Ff+Fa+Fe

(22)

Ff=fMtg

(23)

Fa=Mtamax

(24)

amax=Vn2πf-3db

(25)

式中：Mt為運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量(kg)；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；amax為最大糾偏加速度(m/s2)；Vn為糾偏速度，取Vn=8.3×10-2m/s；f-3db為常數(shù)，f-3db=3；f為摩擦因數(shù)，取f=0.08.

(26)

(27)

式中：D為液壓缸活塞直徑(m)；d為活塞桿直徑(m).

經(jīng)計(jì)算，得：

(28)

按GB/T2348-1993《液壓缸缸內(nèi)徑和活塞桿直徑系列》圓整為d=0.028，m=28 mm，D=55 mm.

結(jié)合橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及折疊裝置設(shè)計(jì)尺寸和安裝位置，液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 田間性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

選取山東省青島市平度市店子鎮(zhèn)花生試驗(yàn)田進(jìn)行樣機(jī)田間試驗(yàn)，如圖13所示.花生品種為魯花11號(hào)，株型緊湊、結(jié)構(gòu)整齊，種植土壤為壤土，種植模式為單壟雙行，壟距800～850 mm，壟寬550～600 mm，行距250～300 mm，株高300～380 mm，株距80～100 mm.

圖13 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取5個(gè)收獲試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)選擇4壟、長(zhǎng)為20 m的區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果取平均值[17].選擇機(jī)具前進(jìn)速度、夾持鏈輪轉(zhuǎn)速、挖掘深度作為試驗(yàn)因素，選取埋果率、帶土率作為試驗(yàn)指標(biāo)，參照《NY/T 2204-2012花生收獲機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，各試驗(yàn)指標(biāo)定義如下：

埋果率：收集試驗(yàn)區(qū)內(nèi)埋在土層下的莢果稱其質(zhì)量；收集掉落在土層表面的莢果稱其質(zhì)量；將花生植株上的花生莢果摘下稱其質(zhì)量.按式(29)計(jì)算埋果率，并求出5次重復(fù)試驗(yàn)的平均值.

(29)

式中：SM為埋果率，(%)；WM為埋在土層中的莢果質(zhì)量，(g)；WQ為收獲區(qū)試驗(yàn)區(qū)莢果總質(zhì)量，(g)；

帶土率：收集試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的花生植株(盡量保證粘附的土壤與其他雜質(zhì)不掉落)，稱其總質(zhì)量；將粘附在花生植株上的土壤進(jìn)行清理收集，稱其質(zhì)量；按式(30)計(jì)算帶土率，并求出5次重復(fù)試驗(yàn)的平均值.

(30)

式中：SM為帶土率，(%)；WT為花生植株帶土質(zhì)量，(g)；WQZ為花生植株清理土壤前總質(zhì)量，(g).

采用三因素三水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平編碼如表2所示[18].

表2 試驗(yàn)因素與水平

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示[19].

根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)Design -Expert 10.0.4軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，并對(duì)回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與方差分析，如表4所示.

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

Y1=1.19+0.20X1+0.31X2+0.16X3-0.14X1X2+0.13X1X3+0.095X2X3+0.57X12+0.32X22+0.91X32

(31)

Y2=10.49+0.28X1+0.20X2+0.35X3-0.21X1X2+0.26X1X3-0.25X2X3+X12+1.45X22+1.13X32

(32)

其中X1為機(jī)具前進(jìn)速度；X2為夾持鏈輪轉(zhuǎn)速；X3為挖掘深度；Y1為埋果率；Y2為帶土率.

由表4分析可知，埋果率Y1和帶土率Y2響應(yīng)面回歸模型的P值均小于0.000 1，表明兩回歸模型極顯著(P<0.01)；失擬項(xiàng)P值均大于0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，模型擬合度高；決定系數(shù)R2的值分別為 0.993 2、0.990 2，均大于99%，表明兩個(gè)回歸模型能夠解釋99%的響應(yīng)值變化.因此，兩模型可以用來(lái)優(yōu)化收獲機(jī)相關(guān)參數(shù).

表4 回歸方程方差分析

各試驗(yàn)因素P值的大小可以反映其對(duì)指標(biāo)的影響程度.在埋果率回歸模型中，X1、X2、X3、X12、X22、X32(P<0.01) 6個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著，X1X2、X1X3、X2X3(P<0.05)對(duì)模型影響顯著；帶土率回歸模型中，X1、X3、X22、X32(P<0.01)對(duì)模型影響極顯著；X2、X1X2、X1X3、X2X3、X12(P<0.05)對(duì)模型影響顯著.

根據(jù)響應(yīng)面回歸模型分析結(jié)果，應(yīng)用Design-Expert 10.0.4軟件繪制響應(yīng)曲面圖；機(jī)具前進(jìn)速度、夾持鏈輪轉(zhuǎn)速、挖掘深度對(duì)埋果率、帶土率的響應(yīng)面分析如圖14～15所示.

圖14 因素間交互作用對(duì)埋果率的影響

由圖14-A～C可以看出：埋果率隨機(jī)具前進(jìn)速度增大呈先緩慢增長(zhǎng)后快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這是由于機(jī)具前進(jìn)速度變化越大，挖掘裝置和夾持輸送裝置的工作效果差距越大.機(jī)具前進(jìn)速度過(guò)快時(shí)，挖掘鏟對(duì)花生植株的挖掘不充分，夾持輸送鏈無(wú)法對(duì)花生植株完成正常的夾持拔取，出現(xiàn)落果、埋果現(xiàn)象，導(dǎo)致埋果率持續(xù)上升；隨挖掘深度的增大埋果率先快速下降后緩慢增長(zhǎng)，這是由于當(dāng)挖掘深度逐漸增大時(shí)，挖掘鏟能夠?qū)⒒ㄉ仓瓿浞滞诰虺鐾粒诰蛏疃冗^(guò)大時(shí)，挖掘鏟的阻力較大，挖掘效果變差，導(dǎo)致埋果率緩慢增長(zhǎng).埋果率隨夾持鏈輪轉(zhuǎn)速的增大變化趨勢(shì)相對(duì)平緩.

由圖15-A～C可以看出：帶土率隨機(jī)具前進(jìn)速度的增大變化趨勢(shì)相對(duì)平緩；隨夾持鏈輪轉(zhuǎn)速增大，呈下降趨勢(shì)；隨挖掘深度的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是由于當(dāng)夾持鏈輪轉(zhuǎn)速較大時(shí)，被夾持輸送鏈夾持拔起的花生植株運(yùn)動(dòng)速度較快，粘附的土壤會(huì)相應(yīng)掉落，導(dǎo)致帶土率下降；當(dāng)挖掘深度增大時(shí)，由挖掘鏟挖掘出土的花生植株根系粘附的土壤較多，導(dǎo)致帶土率上升.

圖15 因素間交互作用對(duì)帶土率的影響

利用Design-Expert 10.0.4軟件對(duì)2個(gè)指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行最優(yōu)化求解[20].最優(yōu)參數(shù)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度為1.36 m/s，夾持鏈輪為300 r/min，挖掘深度為 146 mm.四壟八行花生有序條鋪收獲機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

由表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)具各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《NY/T 2204-2012花生收獲機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求.

表5 田間試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的四壟八行花生有序條鋪收獲機(jī)能夠一次性完成四壟八行花生的挖掘拔取、夾持輸送、梳刷去土、整齊鋪放工作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行、機(jī)架折疊等功能，對(duì)花生壟距、壟寬、行距等不同種植模式和作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，收獲效果好，收獲效率高.

2) 設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)行裝置通過(guò)偏離探測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)前進(jìn)方向是否偏離花生壟進(jìn)行探測(cè)；橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)夾持輸送架左右橫向移動(dòng)，完成自動(dòng)對(duì)行，最大程度避免漏挖、少挖傷果現(xiàn)象，降低了收獲損失，保證了收獲效果；折疊裝置能使兩側(cè)機(jī)架完成翻轉(zhuǎn)折疊，減小整機(jī)所占空間，有效解決大型寬幅機(jī)具運(yùn)輸及田間轉(zhuǎn)彎不便的難題.

3) 優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)組合為機(jī)器具進(jìn)速度1.36 m/s，夾持輸送速度300 r/min，挖掘深度146 mm，此時(shí)埋果率1.06%，帶土率10.31%，作業(yè)效率1.39 hm2/h.各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求.