旋耕式棉花封土機的優化與試驗*

于家川，李明軍，李偉，廖培旺，李明升，張愛民

(濱州市農業機械化科學研究所，山東濱州，256600)

0 引言

棉花膜上膜播種揭膜后出苗孔的封孔，棉花膜上側封土、播種苗期地膜出苗孔的封土，這些先進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，并且人工作業的工效質量難以保證。而及時封土可以起到消除板結，淡化鹽堿，培根護莖，提高地溫，促苗轉化，穩健勻發的效果。旋耕式棉花封土機工作效率可以達到約0.5 hm2/h，可以及時完成封土。因此，實現棉花封土機械化有助于推廣先進的耕作模式，保證棉花的生長質量[1]。

到目前為止，已經有很多種封土機具，其中，帶有旋耕刀的棉花封土機具，效果較好。另外，總結起來其存在以下幾個方面的問題：(1)轉速高，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組合導致。

由于有關棉花封土機的論文很少，而且對于旋耕式棉花封土機參數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，采用 Box-Benhnken 試驗方法對影響封土帶的尺寸的關鍵參數進行試驗研究[2-4]，尋求其最優組合并進行試驗驗證，可為棉花封土機的設計、機構優化等方面的研究起到參考作用。

1 旋耕式棉花封土機

1.1 整體結構

本研究設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、導土裝置、回土裝置、護罩等組成，如圖1所示。

圖1 旋耕式棉花封土機結構簡圖

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，進而固定彎刀，每個刀盤上設計有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的參數組合；刀軸的轉向與行進方向相反[4-14]。

圖2 刀盤組件結構圖

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時，動力由后輸出傳遞到變速箱，進而驅動與變速箱輸出軸連接的刀軸，刀軸帶動刀盤組件運轉，固定在刀盤上的刀具快速旋轉，并入土一定深度，從而實現土壤的破碎和拋送，導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試驗基地進行田間試驗，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]。

試驗設備：試驗用拖拉機1臺，牽引機械為東方紅26 kW，2輪驅動的拖拉機；旋耕式棉花封土機，濱州市農業機械化科學研究所研制；標桿、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。在棉花封土作業過程中，存在著多個影響封土效果的因素，如機具的行進速度、田間作業狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉速等，通過前期研究及設計確定機具的行進速度、田間作業狀況、旋耕刀入土深度、刀軸的轉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速度改變機具的行進速度；通過限深輪來調整旋耕刀入土深度；通過調整拖拉機發動機的轉速進而調整后輸出軸的轉速，最終實現刀軸轉速的調整。封土帶的截面尺寸可用直角尺、鋼板尺量取。通過行進速度、每次試驗都選取單程30 m的地塊，均勻取封土帶的5個截面進行測量，去平均值為最終值，并且每個參數組合重復3次，取3次試驗結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

根據現有的封土機的工作狀況，本試驗選取作業速度X1、刀軸轉速X2、旋耕刀入土深度X3、單個刀盤旋耕刀數量X4作為封土試驗的試驗因素。

(1)作業速度：封土機的作業速度，沒有相關的標準，通過實地的試驗發現，作業低于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，選取作業速度的范圍為0.5～1 m/s。(2)刀軸轉速：刀軸轉速沒有相關的標準，通過實地試驗發現，刀軸轉速低于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)單個刀盤旋耕刀數量：單個刀盤上旋耕刀的數量小于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量范圍為4～8把。

根據Box-Benhnken試驗設計方法，以封土帶的截面面積為評價指標，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果與分析

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

2.5 回歸模型建立與顯著性檢驗

針對表2中的試驗數據，運用Design Expert軟件進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——作業速度的編碼值；

X2——刀軸轉速的編碼值；

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

各參數對回歸模型的影響可以通過P值的大小反應，P<0.01表明參數對模型影響極顯著，0.010.05表明參數對模型影響不顯著。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)還可得到響應面擬合回歸模型的擬合度量值R2(決定系數)及Ra2(調整決定系數)，如表4所示。從表4可以看出，決定系數和調整決定系數的差小于0.2，進一步驗證了旋耕式封土機作業參數可以用該模型進行優化。

表4 擬合度量值

2.6 交互因素影響效應分析

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面(見圖3)，根據響應面圖考察各交互因素對評價指標的影響。

行進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如圖3(a)所示，在試驗范圍內，當作業速度一定時，在低、高作業速度區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，在中作業速度區域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度的增大而增大；當旋耕刀入土深度一定時，在低、高旋耕刀入土深度區域封土帶隨作業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入土深度區域呈相同規律。當作業速度在范圍，封土帶截面面積均達到8 000～10 000 mm2。

刀軸轉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如圖3(b)所示，在試驗范圍內，當刀軸轉速一定時，在低、中刀軸轉速區域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大而增大，在高刀軸轉速區域封土帶截面面積隨旋耕刀的入土深度增大先增大后減小；當旋耕刀入土深度一定時，在高、中旋耕刀入土深度區域封土帶截面面積隨刀軸轉速增大而增大，在低旋耕刀入土深度區域封土帶截面面積隨刀軸轉速增大先增大后減小。當刀軸轉速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到8 000～10 000 mm2。

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

(a)旋耕刀入土深度與作業速度的交互作用

刀軸轉速與單刀盤旋耕刀數量交互因素對封土帶截面面積的影響效應如圖3(d)所示，在試驗范圍內，當刀軸轉速一定時，在低、中、高區域封土帶截面面積隨單刀盤旋耕刀數量的增加呈先增大后減小的趨勢；當單刀盤旋耕刀數量一定時，在低、中單刀盤旋耕刀數量區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量區域封土帶截面面積隨刀軸轉速的增大呈先增大后減小的趨勢。當刀軸轉速在170～230 r/min，單刀盤旋耕刀數量在6～8把范圍時，封土帶截面面積均達到8 000～10 000 mm2。

3 參數優化及試驗驗證

3.1 參數優化

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

3.2 試驗驗證

為了驗證優化結果的準確性，2020年6月20日至6月21日在山東省濱州市濱城區楊柳雪鎮試驗基地，采用上述參數范圍組合進行驗證，參數范圍選為：作業速度0.5～0.9 m/s、刀軸轉速160～210 r/min、旋耕刀入土深度90～120 mm，單刀盤旋耕刀數量6～8把，重復三次試驗，結果平均值為9 315.23 mm2,優化值范圍為8 000～10 000 mm2；最優組合：作業速度0.9 m/s、刀軸轉速170 r/min、旋耕刀入土深度90 mm、單刀盤旋耕刀數量8把，重復三次試驗，結果平均值為9 844.39 mm2。相對誤差分別為1.54%、1.39%，試驗值與模型優化結果的相對誤差均小于5%，由此可得，參數優化的模型可靠。

4 結論

1)采用Box-Benhnken 試驗方法對作業速度、刀軸轉速、旋耕刀入土深度、單刀盤旋耕刀數量，對封土帶截面面積的影響趨勢進行了分析并建立了回歸模型，通過試驗對模型和優化結果進行準確性驗證，實測值與優化值相對誤差均小于5%，表明采用響應曲面法能夠直觀預測、改善和優化相關參數。

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