玉米收獲機(jī)割臺砍劈式莖稈粉碎裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王立軍 張志恒 劉天華 王奕嬌 賈 飛 姜佳旭

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國東北地區(qū)冬季封凍期長，土壤積溫較低，秸稈還田后分解速度慢，影響了還田效果[1]。為了提高玉米秸稈還田后的分解效率，在進(jìn)行粉碎作業(yè)時(shí)需要把秸稈盡可能打碎，以增大莖稈破碎后的表面積[2]。目前，玉米秸稈還田時(shí)的粉碎程度較低，因此設(shè)計(jì)一種可以提高莖稈粉碎程度的莖稈粉碎裝置具有重要意義。

研究人員對農(nóng)作物的切割特性及秸稈粉碎裝置已進(jìn)行了許多研究[2-10]。現(xiàn)有玉米收獲機(jī)割臺下方多為甩刀式莖稈粉碎裝置，結(jié)構(gòu)簡單但作業(yè)效果不佳。為了使玉米收獲機(jī)作業(yè)后的玉米秸稈粉碎長度合格率符合國家標(biāo)準(zhǔn)，以及增大玉米秸稈的破碎率，本文設(shè)計(jì)一種符合玉米莖稈力學(xué)特性的砍劈式莖稈粉碎裝置，通過單因素試驗(yàn)和二次正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗(yàn)對試驗(yàn)因素進(jìn)行分析優(yōu)化，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證莖稈粉碎裝置的作業(yè)性能。

1 莖稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)

砍劈式莖稈粉碎裝置與玉米收獲機(jī)割臺配合使用，安裝在收獲機(jī)割臺下方。在收獲機(jī)工作時(shí)，玉米莖稈進(jìn)入分禾器后在撥禾鏈的作用力下被拉莖輥夾持，此時(shí)莖稈進(jìn)入粉碎裝置的工作范圍，在轉(zhuǎn)動的拉莖輥?zhàn)饔孟孪蛳逻\(yùn)動，刀尖在穿透莖稈的過程中將莖稈局部劈裂，同時(shí)刀片旋轉(zhuǎn)使受打擊纖維與待受打擊纖維間相互撕裂，直至莖稈低于莖稈粉碎裝置的工作平面。砍劈式莖稈粉碎裝置主要包括刀軸、刀片、刀臂、固定圓盤等，如圖1所示。為了使刀片更容易擊穿莖稈外皮進(jìn)入到莖稈內(nèi)部，且保證對莖稈的劈裂使內(nèi)穰充分暴露，增大莖稈段與土壤的接觸面積以提高其降解速率，將刀形設(shè)計(jì)為三角形。鑒于當(dāng)前玉米收獲機(jī)割臺下方每個刀軸的圓周方向上安裝兩把甩刀，砍劈式莖稈粉碎裝置同樣對稱布置兩把焊有刀片的刀臂。固定圓盤上的弧形孔用以調(diào)節(jié)刀臂的安裝角，調(diào)節(jié)范圍為-45°～45°。為了防止刀片松動，在刀片上留出沉槽，深度e=3 mm，沉槽寬度與刀臂尺寸一致，為30 mm。

圖1 莖稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of chopper1.玉米莖稈 2.固定圓盤 3.刀軸 4.弧形孔 5.刀臂 6.刀片

1.1 刀片間隙設(shè)計(jì)

在刀片對莖稈打擊時(shí)，莖稈沿著刀片間隙變形，使莖稈發(fā)生劈裂。莖稈梢部直徑分布在10.4～12.8 mm。刀片間隙過大時(shí)頂端的玉米莖稈可能從間隙滑走無法被粉碎；間隙太小刀片與莖稈的接觸面積增大導(dǎo)致打擊時(shí)莖稈受到的應(yīng)力變小，不利于刀片進(jìn)入莖稈內(nèi)部，使作業(yè)效果變差。因此刀片間隙確定為10 mm，可以保證對莖稈的有效打擊。

1.2 刀片寬度設(shè)計(jì)

玉米收獲機(jī)作業(yè)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的刀片劈裂玉米莖稈，由于要求粉碎后的莖稈段長度小于100 mm[11]，刀片寬度B應(yīng)小于100 mm，此時(shí)刀片對莖稈在軸線方向的打擊作用范圍小于100 mm，莖稈段長度才有可能小于100 mm。同時(shí)，為了使刀片能夠?qū)ηo稈內(nèi)部造成破壞，刀片需要擁有一定長度的打擊行程L以擊穿莖稈，所以刀片寬度不宜過小。刀尖傾角θ越大打擊行程越短，故以刀尖傾角120°為例，若刀片寬度取80 mm，通過計(jì)算得到打擊行程為20 mm，此時(shí)對于較粗莖稈無法擊穿。寬度為90 mm時(shí)，打擊行程L為23 mm(玉米莖稈下部最大直徑23 mm)，可以擊穿莖稈。因此刀片寬度確定為90 mm，且此時(shí)不會與割臺其他部件發(fā)生干涉。

1.3 刀片數(shù)量設(shè)計(jì)

玉米莖稈下部的最大直徑為23 mm。如圖2所示，莖稈被夾持于兩個拉莖輥縫隙間，圖中虛線所示為假想莖稈，為莖稈在夾持過程中左右兩邊各預(yù)留一個直徑的距離，防止莖稈發(fā)生偏移時(shí)刀片無法將其粉碎，故選擇沿著刀臂方向安裝5個間距10 mm、厚度4 mm的刀片。測量玉米收獲機(jī)割臺下方刀軸的旋轉(zhuǎn)中心到拉莖輥縫隙間的距離為270 mm，使刀片排布以拉莖輥的縫隙為對稱軸，從而確定刀軸旋轉(zhuǎn)中心到刀臂末端距離為300 mm。

圖2 刀片間距設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Diagram of design of blade spacing1.固定圓盤 2.弧形孔 3.刀臂 4.刀片 5.莖稈 6.拉莖輥

2 粉碎過程理論分析

2.1 應(yīng)力分析

包括玉米在內(nèi)的大部分農(nóng)作物的莖稈都屬于各向異性材料，即莖稈沿不同方向的力學(xué)特性有著顯著差別[12]，當(dāng)打擊力沿著莖稈的纖維方向時(shí)可以順勢將其劈裂，而垂直于纖維方向的切割則需要將全部的纖維組織切斷[13]。基于玉米生物力學(xué)特性，提出一種新的粉碎方式，以期在滿足秸稈粉碎長度合格率的同時(shí)提高其破碎程度。

在莖稈粉碎裝置作業(yè)過程中，秸稈受到高速旋轉(zhuǎn)刀片的打擊，根據(jù)動量定理有

Ft=m(v1-v0)

(1)

(2)

式中F——秸稈受到刀片的打擊力，N

t——打擊作用時(shí)間，s

m——玉米秸稈質(zhì)量，kg

v1——刀片刀尖線速度，m/s

v0——玉米秸稈受到打擊前的速度，m/s

n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

R——刀尖到旋轉(zhuǎn)中心的距離，m

圖3中，α為刀片方向u與打擊力F之間的夾角；β為刀臂安裝角。玉米莖稈屬于粘彈性材料，在受力時(shí)立即出現(xiàn)彈性變形。刀片在莖稈發(fā)生局部變形后與其接觸面積增大。莖稈粉碎裝置對莖稈的相對速度一定時(shí)，由公式(1)得出打擊力與打擊作用時(shí)間成反比，打擊作用時(shí)間與莖稈的硬度相關(guān)[14]，硬度越大，打擊作用時(shí)間越短[15]，進(jìn)而打擊力越大。

圖3 莖稈粉碎分析示意圖Fig.3 Analysis diagram of stalk chopping 1.莖稈 2.刀片 3.刀臂 4.固定圓盤

在刀片對莖稈的打擊過程中，v1保持恒定，有

l=v1t

(3)

式中l(wèi)——刀片打擊深度，m

假設(shè)沖擊載荷全部作用在莖稈上，引起莖稈斷裂的臨界條件為

F≥σsA

(4)

式中σs——莖稈發(fā)生斷裂的極限應(yīng)力，Pa

A——莖稈與刀片的作用面積，m2

如圖3所示，忽略刀片與莖稈接觸面的曲率，莖稈打擊處的作用面積為

(5)

式中d——刀片厚度，m

玉米莖稈與刀片所接觸的平面平行于刀臂0°安裝時(shí)所在平面，通過幾何關(guān)系可知，刀臂安裝角β等于α。

綜合公式(1)～(5)得莖稈斷裂的臨界條件為

(6)

式中σ——沖擊應(yīng)力，Pa

公式(6)表明，莖稈在刀片打擊下發(fā)生斷裂，主要與刀軸轉(zhuǎn)速n、刀尖到旋轉(zhuǎn)中心的距離R、刀臂安裝角β的余弦值成正比，與刀片厚度d、刀尖傾角θ成反比。

2.2 莖稈粉碎長度

粉碎后的莖稈段理論長度L0可表示為[16]

(7)

式中r——拉莖輥半徑，m

n0——拉莖輥轉(zhuǎn)速，r/min

z——圓周方向刀臂數(shù)量

公式(7)表明，莖稈段的理論長度與拉莖輥轉(zhuǎn)速n0、拉莖輥半徑r成正比，與刀軸轉(zhuǎn)速n、圓周方向的刀臂數(shù)量z成反比。將各項(xiàng)參數(shù)代入式(7)得L0=88 mm<100 mm，滿足莖稈粉碎長度要求。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，玉米收獲機(jī)的機(jī)器前進(jìn)速度通過影響莖稈的喂入量對莖稈粉碎長度造成影響，在機(jī)器前進(jìn)速度為5 km/h時(shí)，莖稈粉碎長度的理論值與實(shí)際值最相近。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料

玉米莖稈取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，品種為德美亞2號。隨機(jī)選取待收獲無倒伏、無病蟲害的莖稈，玉米莖稈的直徑17～23 mm，自然高度2 400～2 700 mm，取回后及時(shí)完成試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)臺架

莖稈粉碎試驗(yàn)臺架主要由機(jī)架總成、莖稈粉碎裝置、喂入機(jī)構(gòu)和刀軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示，該臺架結(jié)構(gòu)簡單，可方便調(diào)節(jié)刀軸轉(zhuǎn)速、鏈輪轉(zhuǎn)速、刀臂安裝角等。

圖4 臺架實(shí)物圖Fig.4 Chopping test bench1.莖稈粉碎裝置 2.機(jī)架總成 3.錐齒輪 4.莖稈喂入護(hù)板 5、10.電機(jī) 6.鏈輪 7.直齒輪 8、9.變頻器

3.3 試驗(yàn)因素

莖稈的破碎效果受多方面因素影響，如莖稈的物理特性、莖稈粉碎裝置的作業(yè)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。莖稈的物理特性中，含水率對切割的力學(xué)特性有影響[18]，因此，為探究砍劈式莖稈粉碎裝置對收獲期內(nèi)不同含水率玉米莖稈的粉碎效果，在玉米收獲期內(nèi)每隔3 d選取玉米莖稈進(jìn)行單因素試驗(yàn)[19]。

根據(jù)理論分析，莖稈粉碎裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對莖稈的粉碎效果有影響。刀臂安裝角不同使得刀片對莖稈的打擊方向不同進(jìn)而影響粉碎效果。莖稈的外皮與內(nèi)穰的機(jī)械強(qiáng)度差異較大，外皮機(jī)械強(qiáng)度高，內(nèi)穰較低，刀尖的尖銳程度(傾角)對莖稈外皮的穿透能力亦不相同[20]，不同的刀尖傾角對莖稈的破壞作用亦不相同，因此選取不同的安裝角和刀尖傾角進(jìn)行試驗(yàn)，刀尖傾角依照銳角、直角、鈍角分別取60°、90°和120°。安裝角的定義方式如圖5所示。

圖5 刀臂安裝角示意圖Fig.5 Diagram of fixed angle of chopper1.固定圓盤 2.刀臂

莖稈粉碎裝置的作業(yè)參數(shù)選擇：通過對玉米聯(lián)合收獲機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速與拉莖輥轉(zhuǎn)速的測量，刀軸轉(zhuǎn)速與拉莖輥轉(zhuǎn)速的比值恒定為1.1，因此試驗(yàn)過程中保持兩者轉(zhuǎn)速比值不變[21]。由于玉米莖稈粉碎時(shí)刀端線速度在30 m/s以上時(shí)能達(dá)到比較好的粉碎效果[11]，根據(jù)莖稈粉碎裝置的旋轉(zhuǎn)中心到最外端刀片距離，可計(jì)算得此時(shí)刀軸轉(zhuǎn)速需達(dá)到950 r/min，因此選取轉(zhuǎn)速范圍為800～1 100 r/min。

3.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)整各試驗(yàn)因素，鏈輪轉(zhuǎn)速根據(jù)刀軸轉(zhuǎn)速的變化作相應(yīng)調(diào)整，依次開啟控制刀軸轉(zhuǎn)速和鏈輪轉(zhuǎn)速的變頻器，待莖稈粉碎裝置和喂入裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后將莖稈投入莖稈喂入護(hù)板，再將粉碎后的秸稈段收集、統(tǒng)計(jì)，并通過干燥法測量莖稈的含水率。

采用秸稈粉碎長度合格率y1、秸稈破碎率y2作為評價(jià)指標(biāo)，分別從莖稈的軸向和徑向兩個尺度評價(jià)粉碎效果。計(jì)算公式分別為

(8)

(9)

式中m1——秸稈粉碎前質(zhì)量，g

m2——秸稈粉碎后長度小于100 mm的秸稈段質(zhì)量，g

m3——秸稈粉碎后幾何寬度小于10 mm的秸稈段質(zhì)量，g

3.5 單因素試驗(yàn)

3.5.1莖稈含水率對粉碎效果的影響

設(shè)定刀軸轉(zhuǎn)速950 r/min，安裝角0°，刀尖傾角90°，分析含水率對粉碎效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6。

圖6 莖稈含水率對粉碎效果的影響Fig.6 Effect of moisture content on indexes of maize stalk

收獲期內(nèi)隨著玉米收獲時(shí)間的推移，莖稈含水率下降。收獲初期玉米莖稈含水率為79.56%，與末期差為9.07%。莖稈含水率越低，其干物質(zhì)含量就越高，致使其韌性、硬度增加，使得剪切強(qiáng)度也呈增加的趨勢[22-23]，致使在粉碎過程中打擊莖稈時(shí)的阻力變大，因而隨著含水率的降低，秸稈的粉碎長度合格率也呈下降的趨勢。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，彈性模量是玉米秸稈機(jī)械特性的關(guān)鍵指標(biāo)，隨著含水率降低，彈性模量變大，玉米秸稈的彈性下降，內(nèi)聚力減小，玉米秸稈更容易破碎，因而秸稈破碎率上升。

3.5.2刀臂安裝角對粉碎效果的影響

刀臂以不同的角度安裝會影響粉碎過程中刀片對莖稈的打擊角度，選取安裝角在-45°～45°的5個水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，刀軸轉(zhuǎn)速為950 r/min，刀尖傾角為90°，通過干燥法測量莖稈含水率為75.27%～76.55%。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 安裝角對粉碎效果的影響Fig.7 Effect of fixed angle of knife on indexes of maize stalk

試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈的粉碎長度合格率隨安裝角的增加先提高后降低，在安裝角為0°時(shí)達(dá)最大值，比-45°時(shí)的最低值增加了27.9%。秸稈破碎率隨著安裝角的增加先提高后降低，安裝角0°時(shí)的秸稈破碎率比45°時(shí)的最低值高12.6%，這表明在對莖稈的粉碎作業(yè)過程中，刀片垂直打擊莖稈是較為有效的打擊角度，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)镀怪贝驌羟o稈時(shí)，有效的作用面積最小，沖擊應(yīng)力最大，因此造成秸稈的粉碎長度合格率和破碎率在刀片垂直打擊莖稈時(shí)達(dá)到最大值，與理論分析結(jié)果基本一致。

3.5.3刀尖傾角對粉碎效果的影響

在刀片對莖稈的打擊過程中，不同的刀尖傾角對莖稈的粉碎效果也不同，為此選取刀片傾角為60°、90°、120°進(jìn)行單因素試驗(yàn)探究其影響規(guī)律，安裝角和刀軸轉(zhuǎn)速分別固定在0°和950 r/min，通過干燥法測量莖稈含水率為75.27%～76.55%。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 刀尖傾角對粉碎效果的影響Fig.8 Effect of tip angle of blade on indexes of maize stalk

試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈的粉碎長度合格率和破碎率均隨著刀尖傾角的增加先增大后減小，且刀尖傾角為60°時(shí)秸稈粉碎長度合格率與破碎率均比120°時(shí)高。刀尖傾角90°時(shí)秸稈的粉碎長度合格率和破碎率比120°時(shí)分別增加了18.5%和9.6%。這是由于不同的刀尖傾角在破壞莖稈表皮時(shí)難易程度不同。玉米莖稈表皮的強(qiáng)度比內(nèi)部纖維高得多，刀尖越尖銳越容易對莖稈表皮造成破壞，但同時(shí)也降低了刀片對莖稈整體的有效破壞面積，使莖稈的破壞程度下降。刀尖傾角在低水平時(shí)，刀片對莖稈整體的有效破壞面積低是影響粉碎效果的主要原因。高水平時(shí)，刀尖對莖稈表皮的破壞程度低是影響粉碎效果的主要原因，且刀尖傾角60°時(shí)的粉碎效果比120°時(shí)好，說明莖稈表皮的破壞比莖稈整體的有效破壞面積對粉碎效果更具影響力。因而，秸稈的粉碎長度合格率與破碎率均呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。

3.5.4刀軸轉(zhuǎn)速對粉碎效果的影響

設(shè)定安裝角0°、刀尖傾角90°，通過干燥法測量莖稈含水率為75.27%～76.55%，刀軸轉(zhuǎn)速在800～1 100 r/min范圍內(nèi)等間隔選取7個水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 刀軸轉(zhuǎn)速對粉碎效果的影響Fig.9 Effect of rotational speed of shaft of chopper on indexes of maize stalk

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著刀軸轉(zhuǎn)速增加，秸稈的粉碎長度合格率呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)變化的趨勢，但當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速達(dá)到1 100 r/min時(shí)，秸稈粉碎長度合格率略有下降。秸稈破碎率呈現(xiàn)先增加后略微減小的趨勢。刀軸轉(zhuǎn)速對秸稈破碎率有顯著影響，刀軸轉(zhuǎn)速在800～950 r/min，對秸稈粉碎長度合格率影響顯著，刀軸轉(zhuǎn)速1 050 r/min時(shí)秸稈的粉碎長度合格率比800 r/min時(shí)高31.9%。刀軸轉(zhuǎn)速1 050 r/min時(shí)的秸稈破碎率比800 r/min時(shí)高24.2%。這是因?yàn)橛衩浊o稈屬于粘彈性體，刀片以較低的速度打擊莖稈會產(chǎn)生較大的壓縮變形，速度越大傳遞變形的時(shí)間越短，故刀軸轉(zhuǎn)速增加使莖稈所受打擊力變大，故起初秸稈粉碎長度合格率與秸稈破碎率均呈上升趨勢，隨著刀軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，刀片對打擊點(diǎn)傳遞變形的時(shí)間不再顯著變化，變形量變化同樣不明顯，秸稈粉碎長度合格率呈現(xiàn)穩(wěn)定變化的趨勢，但刀軸轉(zhuǎn)速的增加更容易打破內(nèi)部纖維之間的粘聚效果，易于將莖稈撕裂[15]，故秸稈破碎率仍然呈現(xiàn)上升趨勢。但由于刀軸轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)鏈輪轉(zhuǎn)速也在增加，對有效打擊次數(shù)造成影響，使得秸稈粉碎長度合格率和破碎率在刀軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1 100 r/min時(shí)略微降低。

3.6 多因素試驗(yàn)

3.6.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化莖稈粉碎裝置的作業(yè)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Design-Expert 8.0.6軟件中的二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)[25]。依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定刀軸轉(zhuǎn)速、安裝角、刀尖傾角為試驗(yàn)因素，以秸稈粉碎長度合格率和秸稈破碎率為評價(jià)指標(biāo)，通過干燥法測量莖稈含水率為75.27%～76.55%，結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)果選定的各因素編碼見表1，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of factors

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Results of response surface experiment

3.6.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，剔除不顯著因素，得到秸稈粉碎長度合格率y1和秸稈破碎率y2的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)秸稈粉碎長度合格率回歸模型與響應(yīng)曲面分析

(10)

因交互項(xiàng)X1X3對秸稈粉碎長度合格率的影響顯著，取交互項(xiàng)X1X3對秸稈粉碎長度合格率進(jìn)行分析。如圖10a所示，當(dāng)安裝角為0°時(shí)，刀尖傾角一定的情況下，隨刀軸轉(zhuǎn)速增加，秸稈粉碎長度合格率提高，這是因?yàn)殡S著刀軸轉(zhuǎn)速增加，刀片對莖稈在單位時(shí)間內(nèi)的打擊次數(shù)增多，且打擊力提高，進(jìn)而降低了秸稈段的長度。在刀軸轉(zhuǎn)速一定的條件下，隨著刀尖傾角的增加，秸稈粉碎長度合格率呈先上升后下降的趨勢。這是因?yàn)榈都鈨A角決定了刀片打擊莖稈時(shí)進(jìn)入莖稈內(nèi)部的難易程度，刀尖越尖銳，刀片越容易擊穿莖稈表皮，但刀尖傾角小的刀片對莖稈的有效破壞面積也小，對粉碎效果造成了影響，因而刀尖傾角為銳角時(shí)，隨著刀尖傾角增加秸稈的粉碎長度合格率提高。在刀尖傾角為鈍角時(shí)，刀尖角度逐漸成為鈍角，刀片對莖稈的沖擊應(yīng)力下降，使得秸稈的粉碎長度合格率下降。

圖10 各因素對評價(jià)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surfaces of influence of various factors on indexes

(2)秸稈破碎率回歸模型與響應(yīng)曲面分析

(11)

因交互項(xiàng)X1X3對秸稈破碎率的影響顯著，取交互項(xiàng)X1X3對秸稈破碎率進(jìn)行分析。如圖10b所示，在安裝角為0°，刀尖傾角為銳角時(shí)，秸稈破碎率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而上升。在刀尖傾角為鈍角時(shí)，隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加秸稈破碎率先增加后略微減小。這是因?yàn)榈都饨嵌仍阡J角范圍內(nèi)，對莖稈的擊穿作用明顯，打擊莖稈的沖擊應(yīng)力也大，故刀軸轉(zhuǎn)速的提高可有效增加破碎效果，當(dāng)?shù)都鈨A角由銳角轉(zhuǎn)鈍角時(shí)，刀尖對莖稈的擊穿效果減弱，所以刀軸轉(zhuǎn)速增加對秸稈破碎率的提高作用下降。在刀軸轉(zhuǎn)速為900～1 000 r/min時(shí)，秸稈的破碎率隨刀尖傾角增大先提高后趨于平緩，在刀軸轉(zhuǎn)速為1 000～1 100 r/min時(shí)秸稈破碎率隨刀尖傾角的增大先提高后降低。這是因?yàn)樵诘遁S轉(zhuǎn)速處于900～1 000 r/min時(shí)，增大刀尖傾角有利于提高刀片對莖稈的破壞作用，而刀軸轉(zhuǎn)速為1 000～1 100 r/min，刀尖傾角為銳角時(shí)，隨著刀尖傾角的增加對莖稈破壞效果增強(qiáng)，刀尖為鈍角時(shí)不利于擊穿莖稈表皮，故呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3.7 參數(shù)優(yōu)化與田間驗(yàn)證試驗(yàn)

3.7.1參數(shù)優(yōu)化

為獲得莖稈粉碎裝置各因素較優(yōu)的參數(shù)組合，根據(jù)粉碎質(zhì)量要求和實(shí)際作業(yè)條件選定優(yōu)化約束條件，利用Design-Expert 8.0.6軟件的多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，目標(biāo)及約束條件為

(12)

優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速1 092 r/min，安裝角41.37°，刀尖傾角82.69°時(shí)，秸稈粉碎長度合格率為91.28%，秸稈破碎率為85.66%。

3.7.2田間驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到測量與加工的便利性，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了圓整，將刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 090 r/min，安裝角41°，刀尖傾角83°，加工砍劈式莖稈粉碎裝置并安裝到割臺下方。刀軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中利用轉(zhuǎn)速儀測定轉(zhuǎn)速變化，直到轉(zhuǎn)速儀示數(shù)變化范圍穩(wěn)定在(1 090±1) r/min。為了驗(yàn)證臺架試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，2019年9月29日在黑龍江省北安市趙光農(nóng)場進(jìn)行田間試驗(yàn)。玉米的種植模式為大壟雙行，壟距110 cm，平均株距26 cm。按照GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》的規(guī)定，試驗(yàn)區(qū)分為20 m起步提速區(qū)、20 m測定區(qū)、15 m停車區(qū)，在試驗(yàn)前將起步提速區(qū)和停車區(qū)的玉米清除。在測定區(qū)內(nèi)玉米收獲機(jī)作業(yè)速度控制在5 km/h。試驗(yàn)時(shí)玉米莖稈含水率為77.66%～80.40%。在此條件下重復(fù)5次試驗(yàn)，并在相同的條件下作業(yè)，與現(xiàn)有的甩刀式莖稈粉碎裝置作業(yè)效果進(jìn)行比較，兩種莖稈粉碎裝置的安裝如圖11所示。

圖11 玉米聯(lián)合收獲機(jī)割臺莖稈粉碎裝置安裝圖Fig.11 Installation of choppers in header of maize combine harvest

試驗(yàn)后作業(yè)效果如圖12所示，從破碎的秸稈段形貌來看，砍劈式莖稈粉碎裝置作業(yè)后莖稈內(nèi)穰暴露，軸向呈不規(guī)則斷面，端面呈鋸齒狀。

圖12 莖稈粉碎效果Fig.12 Effects of stalks chopped by different choppers

玉米收獲機(jī)作業(yè)后，根據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械秸稈粉碎還田機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求，每次收獲機(jī)作業(yè)完成后隨機(jī)選取10個面積為1 m2的測試樣區(qū)，拾取切碎的秸稈并統(tǒng)計(jì)秸稈的長度分布如圖13所示，其長度分布集中在80～90 mm之間，與理論分析基本一致。秸稈粉碎長度合格率與破碎率試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖13 砍劈式粉碎裝置莖稈段長度分布圖Fig.13 Distribution of length of stalks of chopper

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of experiments%

由表3可知，砍劈式莖稈粉碎裝置作業(yè)后秸稈的粉碎長度合格率與破碎率分別為90.21%、85.78%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。砍劈式莖稈粉碎裝置的秸稈粉碎長度合格率和秸稈破碎率分別比甩刀式莖稈粉碎裝置高33.37、72.44個百分點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)基于玉米莖稈的力學(xué)特性，提出一種砍劈式莖稈粉碎裝置，該裝置作業(yè)后秸稈的粉碎長度合格率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)玉米秸稈粉碎長度合格率隨其含水率的降低而下降，秸稈破碎率則上升；隨著安裝角和刀尖傾角的增大，秸稈的粉碎長度合格率與破碎率均呈先增加后減小的趨勢；隨刀軸轉(zhuǎn)速增加，秸稈的粉碎長度合格率和破碎率均呈現(xiàn)先增加后略微下降的趨勢。

(3)通過多因素試驗(yàn)得出各因素對秸稈粉碎長度合格率的影響程度由大到小依次為：刀軸轉(zhuǎn)速、刀尖傾角、安裝角，對秸稈破碎率的影響程度由大到小依次為刀軸轉(zhuǎn)速、安裝角、刀尖傾角。

(4)通過優(yōu)化分析，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：刀軸轉(zhuǎn)速1 090 r/min、安裝角41°、刀尖傾角83°。田間試驗(yàn)表明，秸稈的粉碎長度合格率和破碎率分別達(dá)到90.21%、85.78%，分別比玉米聯(lián)合收獲機(jī)割臺下方安裝的甩刀式莖稈粉碎裝置高33.37個百分點(diǎn)和72.44個百分點(diǎn)。田間試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)的正確性。