旋耕式棉花封土機的優(yōu)化與試驗*

于家川，李明軍，李偉，廖培旺，李明升，張愛民

(濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所，山東濱州，256600)

0 引言

棉花膜上膜播種揭膜后出苗孔的封孔，棉花膜上側(cè)封土、播種苗期地膜出苗孔的封土，這些先進(jìn)的耕作模式難以推廣主要原因是作物出苗封孔的時間短，勞動強度大，密集度高，人工成本超高，并且人工作業(yè)的工效質(zhì)量難以保證。而及時封土可以起到消除板結(jié)，淡化鹽堿，培根護(hù)莖，提高地溫，促苗轉(zhuǎn)化，穩(wěn)健勻發(fā)的效果。旋耕式棉花封土機工作效率可以達(dá)到約0.5 hm2/h，可以及時完成封土。因此，實現(xiàn)棉花封土機械化有助于推廣先進(jìn)的耕作模式，保證棉花的生長質(zhì)量[1]。

到目前為止，已經(jīng)有很多種封土機具，其中，帶有旋耕刀的棉花封土機具，效果較好。另外，總結(jié)起來其存在以下幾個方面的問題：(1)轉(zhuǎn)速高，能耗高，效率低；(2)上土量過多；(3)取土溝最終的情況不合理。對以上問題究其原因，可知是由于沒有合理的參數(shù)組合導(dǎo)致。

由于有關(guān)棉花封土機的論文很少，而且對于旋耕式棉花封土機參數(shù)的組合還未做過試驗和研究。所以，本研究擬以自行研制的方便拆卸組合的旋耕式棉花封土機為研究對象，以封土帶的橫截面尺寸為評價指標(biāo)，采用 Box-Benhnken 試驗方法對影響封土帶的尺寸的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗研究[2-4]，尋求其最優(yōu)組合并進(jìn)行試驗驗證，可為棉花封土機的設(shè)計、機構(gòu)優(yōu)化等方面的研究起到參考作用。

1 旋耕式棉花封土機

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的旋耕式棉花封土機主要由機架、限深輪、變速箱、刀軸、刀盤組件、導(dǎo)土裝置、回土裝置、護(hù)罩等組成，如圖1所示。

圖1 旋耕式棉花封土機結(jié)構(gòu)簡圖

旋耕式棉花封土機選用速比為14/26的變速箱；選用刀具為IT245左右彎刀，將刀庫焊接到刀盤上，進(jìn)而固定彎刀，每個刀盤上設(shè)計有8把均勻分布的彎刀，且同為左彎刀或者右彎刀；收集土壤裝置為導(dǎo)土板，用平板將取到的土壤集中到一起，形成封土帶，便于測量；通過測量封土帶的尺寸來找出最優(yōu)的參數(shù)組合；刀軸的轉(zhuǎn)向與行進(jìn)方向相反[4-14]。

圖2 刀盤組件結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

旋耕式棉花封土機以三點懸掛方式掛接于拖拉機后端，變速箱輸入軸通過萬向軸與拖拉機后輸出連接。拖拉機牽引機具作業(yè)時，動力由后輸出傳遞到變速箱，進(jìn)而驅(qū)動與變速箱輸出軸連接的刀軸，刀軸帶動刀盤組件運轉(zhuǎn)，固定在刀盤上的刀具快速旋轉(zhuǎn)，并入土一定深度，從而實現(xiàn)土壤的破碎和拋送，導(dǎo)土裝置將旋耕刀組拋送的土壤集中起來，形成封土帶。

2 試驗

2.1 試驗條件與設(shè)備

試驗條件：2020年5月23日至6月5日，在山東省濱州市沾化縣國家科技園區(qū)試驗基地進(jìn)行田間試驗，試驗地總面積30 hm2，地勢平坦，坡度<5°。土壤類型為輕黏土，年降水量454～653 mm。試驗前土壤絕對含水率約為15.2 %，土壤堅實度約為23.78 kg/cm2，土壤容重約為1.75 g/cm3[15]。

試驗設(shè)備：試驗用拖拉機1臺，牽引機械為東方紅26 kW，2輪驅(qū)動的拖拉機；旋耕式棉花封土機，濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所研制；標(biāo)桿、鋼板尺、卷尺、直角尺等。

2.2 試驗方法

本試驗選用封土帶橫截面尺寸為評價指標(biāo)。在棉花封土作業(yè)過程中，存在著多個影響封土效果的因素，如機具的行進(jìn)速度、田間作業(yè)狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉(zhuǎn)速等，通過前期研究及設(shè)計確定機具的行進(jìn)速度、田間作業(yè)狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉(zhuǎn)速對機具的工作效果影響顯著。在機具的試驗中，通過改變拖拉機的前進(jìn)速度改變機具的行進(jìn)速度；通過限深輪來調(diào)整旋耕刀入土深度；通過調(diào)整拖拉機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)整后輸出軸的轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)刀軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整。封土帶的截面尺寸可用直角尺、鋼板尺量取。通過行進(jìn)速度、每次試驗都選取單程30 m的地塊，均勻取封土帶的5個截面進(jìn)行測量，去平均值為最終值，并且每個參數(shù)組合重復(fù)3次，取3次試驗結(jié)果的平均值作為該組試驗的最終值。

2.3 旋耕式棉花封土機試驗

根據(jù)現(xiàn)有的封土機的工作狀況，本試驗選取作業(yè)速度X1、刀軸轉(zhuǎn)速X2、旋耕刀入土深度X3、單個刀盤旋耕刀數(shù)量X4作為封土試驗的試驗因素。

(1)作業(yè)速度：封土機的作業(yè)速度，沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，通過實地的試驗發(fā)現(xiàn)，作業(yè)低于0.5 m/s時效率太低，高于1 m/s 時機具震動厲害，且封土帶不集中，不便于測量。在綜合考慮后，選取作業(yè)速度的范圍為0.5～1 m/s。(2)刀軸轉(zhuǎn)速：刀軸轉(zhuǎn)速沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，通過實地試驗發(fā)現(xiàn)，刀軸轉(zhuǎn)速低于150 r/min時，上土量很少；高于230 r/min時，機具震動厲害，耗能高，因此，選取刀軸轉(zhuǎn)速的范圍為150～230 r/min。(3)旋耕刀入土深度：旋耕刀入土深度小于60 mm時，上土量很少，大于120 mm時，機具震動劇烈，耗能高，且土量過多，取土溝過深，因此，選取旋耕刀入土深度的范圍為60～120 mm。(4)單個刀盤旋耕刀數(shù)量：單個刀盤上旋耕刀的數(shù)量小于4把時，幾乎不上土，大于8把時，上土效果足夠了，因此，選取單個刀盤上旋耕刀的數(shù)量范圍為4～8把。

根據(jù)Box-Benhnken試驗設(shè)計方法，以封土帶的截面面積為評價指標(biāo)，以X1～X4為試驗因素，開展試驗研究。試驗因素水平編碼見表1。

表1 旋耕式棉花封土機試驗因素和水平

2.4 旋耕式棉花封土機試驗結(jié)果與分析

根據(jù) Box-Benhnken 試驗原理設(shè)計了四因素三水平的試驗，以X1、X2、X3和X4分別表示作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤旋耕刀數(shù)量，Y表示土帶截面面積試驗方案包括了29個試驗點。試驗的設(shè)計方案以及試驗響應(yīng)值結(jié)果見2。

2.5 回歸模型建立與顯著性檢驗

針對表2中的試驗數(shù)據(jù)，運用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析。采用二次多項式逐步回歸法對封土帶截面面積Y進(jìn)行回歸擬合，剔除不顯著因素但保留對交互項、高次項有影響的因素，得到封土帶截面面積Y的編碼值回歸模型，如式(1)所示。

表2 旋耕式封土機試驗方案及結(jié)果

Y=9 651.22+1 948.42X3+

3 170.75X4-1 242.5X1X4-

3 609.56X42-1 384X2X32-

1 543.25X32X4-3 510.47X12X32-

2 270.22X22X32

(1)

式中：X1——作業(yè)速度的編碼值；

X2——刀軸轉(zhuǎn)速的編碼值；

X3——旋耕刀入土深度的編碼值；

X4——單刀盤旋耕刀數(shù)量的編碼值；

Y——封土帶截面面積。

由表3分析可知，封土帶截面面積Y振的模型P<0.0001，表明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05(0.362 1)，表明回歸模型擬合度高。

表3 封土帶截面面積方差分析

各參數(shù)對回歸模型的影響可以通過P值的大小反應(yīng)，P<0.01表明參數(shù)對模型影響極顯著，0.010.05表明參數(shù)對模型影響不顯著。封土帶截面面積Y模型中，X3、X4、X42、X12X32、X22X32影響極顯著；X1X4、X2X32、X32X4影響顯著。

分析式(1)還可得到響應(yīng)面擬合回歸模型的擬合度量值R2(決定系數(shù))及Ra2(調(diào)整決定系數(shù))，如表4所示。從表4可以看出，決定系數(shù)和調(diào)整決定系數(shù)的差小于0.2，進(jìn)一步驗證了旋耕式封土機作業(yè)參數(shù)可以用該模型進(jìn)行優(yōu)化。

表4 擬合度量值

2.6 交互因素影響效應(yīng)分析

由表3可知，交互因素X12X32、X22X32對封土帶截面面積影響極顯著，X1X4、X2X32、X32X4對封土帶截面面積影響顯著。為了更加直觀地分析研究雙因素交互作用對旋耕式棉花封土機評價指標(biāo)的影響，利用Design Expert軟件繪制交互因素X12X32和X22X32對封土帶截面面積影響的響應(yīng)面(見圖3)，根據(jù)響應(yīng)面圖考察各交互因素對評價指標(biāo)的影響。

行進(jìn)速度與旋耕刀入土深度交互因素對封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(a)所示，在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)作業(yè)速度一定時，在低、高作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度的增大先增大后減小，在中作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度的增大而增大；當(dāng)旋耕刀入土深度一定時，在低、高旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶隨作業(yè)速度的增大先增大后減小，在高旋耕刀0.5～0.9 m/s，旋耕刀入土深度90～120 mm入土深度區(qū)域呈相同規(guī)律。當(dāng)作業(yè)速度在范圍，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

刀軸轉(zhuǎn)速與旋耕刀入土深度交互因素對封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(b)所示，在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，在低、中刀軸轉(zhuǎn)速區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大而增大，在高刀軸轉(zhuǎn)速區(qū)域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大先增大后減?。划?dāng)旋耕刀入土深度一定時，在高、中旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速增大而增大，在低旋耕刀入土深度區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速增大先增大后減小。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速160～210 r/min，旋耕刀入土深度在90～120 mm范圍時，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

作業(yè)速度與單刀盤旋耕刀數(shù)量交互因素對封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(c)所示，在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)作業(yè)速度一定時，在低、中、高作業(yè)速度區(qū)域封土帶截面面積隨單刀盤旋耕刀數(shù)量的增大呈先增大后減小的趨勢；當(dāng)單刀盤旋耕刀數(shù)量一定時，在低、中單刀盤旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨作業(yè)速度增大而增大。當(dāng)作業(yè)速度在0.5～0.9 m/s，單刀盤旋耕刀數(shù)量在6～8把范圍時，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

(a)旋耕刀入土深度與作業(yè)速度的交互作用

刀軸轉(zhuǎn)速與單刀盤旋耕刀數(shù)量交互因素對封土帶截面面積的影響效應(yīng)如圖3(d)所示，在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，在低、中、高區(qū)域封土帶截面面積隨單刀盤旋耕刀數(shù)量的增加呈先增大后減小的趨勢；當(dāng)單刀盤旋耕刀數(shù)量一定時，在低、中單刀盤旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸的增大而增大，在高單刀盤旋耕刀數(shù)量區(qū)域封土帶截面面積隨刀軸轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速在170～230 r/min，單刀盤旋耕刀數(shù)量在6～8把范圍時，封土帶截面面積均達(dá)到8 000～10 000 mm2。

3 參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

為獲得封土帶截面面積較大(8 000～10 000 mm2)的作業(yè)參數(shù)范圍，將封土帶截面面積較大的要求作為優(yōu)化目標(biāo)，對作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤旋耕刀數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化研究。運用Design Expert軟件對旋耕式封土機評價指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行最優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)為：maxY；為實現(xiàn)高速高效作業(yè)，同時盡可能的保證土量(封土帶截面面積8 000～10 000 mm2)，選取變量區(qū)間為：0≤Xi≤1，其中i=1，3，4；-1

3.2 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，2020年6月20日至6月21日在山東省濱州市濱城區(qū)楊柳雪鎮(zhèn)試驗基地，采用上述參數(shù)范圍組合進(jìn)行驗證，參數(shù)范圍選為：作業(yè)速度0.5～0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速160～210 r/min、旋耕刀入土深度90～120 mm，單刀盤旋耕刀數(shù)量6～8把，重復(fù)三次試驗，結(jié)果平均值為9 315.23 mm2,優(yōu)化值范圍為8 000～10 000 mm2；最優(yōu)組合：作業(yè)速度0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速170 r/min、旋耕刀入土深度90 mm、單刀盤旋耕刀數(shù)量8把，重復(fù)三次試驗，結(jié)果平均值為9 844.39 mm2。相對誤差分別為1.54%、1.39%，試驗值與模型優(yōu)化結(jié)果的相對誤差均小于5%，由此可得，參數(shù)優(yōu)化的模型可靠。

4 結(jié)論

1)采用Box-Benhnken 試驗方法對作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀入土深度、單刀盤旋耕刀數(shù)量，對封土帶截面面積的影響趨勢進(jìn)行了分析并建立了回歸模型，通過試驗對模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗證，實測值與優(yōu)化值相對誤差均小于5%，表明采用響應(yīng)曲面法能夠直觀預(yù)測、改善和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

2)旋耕式棉花封土機的工作轉(zhuǎn)速在160～210 r/min就可以實現(xiàn)封土帶截面面積在8 000～10 000 mm2范圍內(nèi)，此土量滿足封土需求，無需采用高工作轉(zhuǎn)速。經(jīng)過優(yōu)化和試驗驗證得出，旋耕式棉花封土機作業(yè)參數(shù)組合范圍為作業(yè)速度0.5～0.9 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速160～210 r/min，旋耕刀入土深度90～120 mm，單刀盤旋耕刀數(shù)量6～8把時，能夠保證封土帶截面面積在8 000～10 000 mm2范圍內(nèi)，其中最優(yōu)解組合為：作業(yè)速度0.9 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速170 r/min、旋耕刀入土深度90 mm，單刀盤旋耕刀數(shù)量8把。