自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機作業性能研究

何馮光, 鄧干然, 崔振德, 鄭爽, 李國杰, 李玲, 覃雙眉

（中國熱帶農業科學院農業機械研究所, 農業農村部熱帶作物農業裝備重點實驗室, 廣東湛江 524091）

飼料產業作為我國基礎產業之一, 近年來逐漸形成了較完善的產業鏈[1-4]。木薯莖葉是木薯生產過程中的伴生物, 產量是木薯塊根產量的70%~80%, 年產量20~30 t·hm-2[5-6]。相關研究表明, 木薯葉富含蛋白、纖維、脂肪及礦物質等營養物質, 葉片和葉柄的粗蛋白含量為16.1%~26.7%, 嫩枝的粗蛋白含量為5.0%~16.0%, 莖葉混合的粗蛋白含量為15.5%~18.2%[7-8], 極具飼料化生產價值。目前, 木薯莖葉加工成鵝、豬、魚、牛、羊和蠶類等飼料的研究較多, 飼料表現特征良好[9-12]。因此, 木薯莖葉的特性優良, 可滿足我國飼料產業新配方技術突破、新原料和替代品開發以及新型飼料研發的需求[13], 能有效緩解我國豆粕、玉米等大宗原料對國外進口依賴度較高的問題[14-15]。

木薯莖葉機械化收獲是實現其飼料化的重要保障[6], 目前青貯飼料收獲機的研究熱點主要針對玉米、牧草、大麥、甜高粱、苧麻等[16-20]。按照動力配置分類, 青貯飼料收獲機主要有懸掛式、牽引式以及自走式3種[19]。懸掛式和牽引式的青飼料收獲機由拖拉機提供動力, 該機型結構較為緊湊、性能較為穩定, 但作業幅寬較小、作業效益低, 且第1行作業時需人工輔助開道。自走式青貯飼料收獲機自身配套動力, 屬專用的青貯作業機械, 工作效率極高, 在玉米、牧草等方面應用廣泛。由于木薯莖葉與玉米、牧草、大麥、甜高粱、苧麻等青貯飼料的物理機械特性差別較大, 為了滿足木薯莖葉青貯飼料機械化收獲需求, 中國熱帶農業科學院農業機械研究所開發了4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機, 木薯莖葉切碎長度合格率95%以上, 滿足了木薯莖葉青貯飼料切碎長度要求。但是木薯的種植與玉米、牧草等青貯飼料作物不同, 4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機田間作業適應性有待探究。因此, 本文分析了該收獲機的田間作業性能, 為木薯莖葉青貯飼料機械化收獲發展提供技術支撐, 對促進我國飼料產業的發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 整機結構及工作原理

1.1.1 整機結構4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機主要由地輪、傳動系統、機架、拋送系統、切碎裝置、割臺總成、發動機、駕駛室、液壓系統、電氣控制系統等組成, 如圖1所示。4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機配套發動機功率為92 kW, 整機質量6 000 kg, 外形尺寸（長×寬×高, mm）為6 800×2 200×3 400, 作業行數2行, 作業幅寬1 900 mm, 割茬高度≤350 mm, 前輪的輪距為1 720 mm, 轉向輪的輪距為1 700 mm, 圓盤割刀轉速≤800 r·min-1, 粉碎刀軸轉速≤2 170 r·min-1, 收集斗尺寸（長×寬×高, mm）為3 000×1 800×1 580。

圖1 4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機結構Fig.1 Structure of self-propelled cassava stems and leaves silage harvester

1.1.2 工作原理4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機的割臺總成位于收獲機前方, 收獲機前進作業時, 高速旋轉的立式圓盤割刀將木薯莖葉從根部割斷。割斷的木薯莖葉在撥禾圓盤的推送作用下移動至輸送系統, 在輸送系統的輸送過程中被輸送輥壓扁和初次切段, 并被輸送系統運移至切碎裝置, 由切碎裝置完成木薯莖葉切碎工序, 最后, 切碎的木薯莖葉被拋送系統拋送至收集斗, 完成切割、輸送、切碎、拋送的收獲作業。

1.2 試驗條件

4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機作業性能試驗在中國熱帶農業科學院農業機械研究所木薯全程機械化生產基地開展。供試木薯品種為南植199, 種植模式為寬窄雙行起壟種植模式, 窄行的行距為600 mm, 寬行的行距為1 200 mm, 壟高為200~250 mm, 平均株距為600 mm。木薯生長期為3個月, 株高為800~1 200 mm, 莖稈含水率為60%~70%。試驗區劃分為穩定區長80 m, 測定區長50 m, 停車區長15 m。

1.3 評價指標

參考國家農業行業標準NY/T 2088—2011[21], 損失率是青貯收獲機作業質量的主要評價指標。同時, 根據木薯實際生產情況, 木薯莖葉割茬后還需保留宿根生長, 依據NY/T 2902—2016[22], 宿根破頭率也是4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機的評價指標之一。因此, 選擇損失率y1和宿根破頭率y2作為4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機田間作業性能的評價指標, 計算公式如下。

式中,mL為木薯莖葉損失質量（g·m-2）；mj為每平方米木薯莖葉的收獲質量（g）；Np為測定區域內的破頭宿根數（株·m-2）；Na為測定區域的總宿根數（株·m-2）。

1.4 試驗方案

通過預試驗, 選取圓盤割刀轉速和前進速度為試驗因素, 以損失率和宿根破頭率為評價指標, 進行二元二次回歸正交旋轉組合設計試驗, 零水平試驗重復2次, 對星號臂長γ值為1.078。相應的因素水平編碼表見表1。依據二元二次回歸正交旋轉組合設計試驗方法制定試驗方案, 利用origin軟件對所得試驗數據進行統計分析, 并繪制響應面圖。

表1 因素水平Table 1 Factors level

1.5 參數優化及驗證

為了提高4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機收獲作業性能, 以損失率為優化目標, 圓盤割刀轉速和前進速度的規劃約束條件分別為485≤x1≤585 r·min-1、1.0≤x2≤3.0 km·h-1, 利 用MATLAB軟件對損失率與影響因素的回歸方程進行優化求解。在最優化因素參數組合下進行試驗驗證, 重復3次。

2 結果與分析

2.1 木薯莖葉損失率和木薯宿根破頭率分析

木薯莖葉損失率和木薯宿根破頭率的試驗結果如表2所示, 可以看出, 在不同因素水平下, 莖葉損失率范圍在10.09%~11.95%之間, 而宿根破頭率范圍在4.13%~10.78%之間, 表明圓盤割刀轉速和前進速度對宿根破頭率影響較大, 二因素分別為585 r·min-1和2.0 km·h-1時, 損失率和宿根破頭率均為最低值。

表2 試驗結果Table 2 Test result

2.2 損失率分析

2.2.1 損失率方差分析 應用origin軟件進行多元線性回歸分析, 獲得圓盤割刀轉速與前進速度對損失率y1的回歸方程如下。

為了檢驗回歸方程及回歸系數的顯著性, 對回歸方程進行F檢驗和t檢驗, 結果如表3所示。通過分析表3可知,F1=906.578 95＞F0.0（15, 4）=15.52,P=0.000 00, 并且回歸方程復相關系數R2=0.999 12, 表明損失率回歸方程在P＜0.01水平下極顯著。

表3 損失率的方差分析Table 3 Variance analysis of loss rate

2.2.2 損失率回歸系數顯著性檢驗 回歸方程中每個因素的1次項、2次項以及交互項對損失率的顯著性檢驗結果如表4所示。可以看出, 1次項中,x1和x2對損失率的影響極顯著；2次項中,x12對損失率的影響顯著,x22對損失率的影響極顯著；交互項x1x2對損失率的影響極顯著。

表4 損失率的回歸系數顯著性檢驗結果Table 4 Significant test results of regression coefficient for loss rate

2.2.3 損失率響應面分析 根據回歸系數顯著性檢驗分析結果, 回歸方程的交互項對損失率的影響極顯著, 響應面如圖2所示。

由圖2可知, 隨著圓盤割刀轉速增大, 損失率呈現先下降后增大的趨勢, 撥禾圓盤與圓盤割刀的動力源是同一動力軸輸入, 圓盤割刀轉速增大, 撥禾圓盤的轉速也隨之增加, 當撥禾圓盤轉速過大后, 木薯莖由于慣性作用隨著撥禾圓盤一起運動未能有效喂入輸送裝置, 并且被甩出, 導致損失率增大。隨著前進速度增大, 損失率整體呈現下降的趨勢, 其原因是在較大前進速度時, 能使木薯莖稈切割量增大, 在撥禾圓盤轉動的推送作用下, 使切割的木薯莖葉快速推送喂入, 提升木薯莖葉的喂入效果, 達到降低損失率的效果。

圖2 損失率的響應面Fig.2 Response surface of the loss rate

2.3 宿根破頭率分析

2.3.1 宿根破頭率方差分析 應用origin軟件進行多元線性回歸分析, 獲得圓盤割刀轉速與前進速度對宿根破頭率y2的回歸方程。

為了檢驗回歸方程及回歸系數的顯著性, 需對回歸方程進行F檢驗和t檢驗, 基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗結果（表5）。由表5可知,F2=25 542.674 42＞F0.01（5, 4）=15.52,p=0.000 00, 并且回歸方程復相關系數R2=0.999 93, 表明破頭率回歸方程在P＜0.01水平下極顯著。

表5 宿根破頭率的方差分析Table 5 Variance analysis of root broken rate

2.3.2 宿根破頭率回歸系數顯著性檢驗 每個因素的1次項、2次項以及交互項對宿根破頭率的顯著性如表6所示。可知, 宿根破頭率回歸方程的1次項中,x1和x2對宿根破頭率的影響極顯著；2次項中,x12對宿根破頭率的影響極顯著,x22對宿根破頭率的影響不顯著；交互項x1x2對宿根破頭率的影響不顯著。剔除不顯著項, 整理回歸方程如下。

表6 宿根破頭率的回歸系數顯著性檢驗結果Table 6 Significant test results of regression coefficient for root broken rate

2.3.3 宿根破頭率響應面分析 根據回歸系數顯著性檢驗分析結果, 回歸方程的交互項對宿根破頭率的影響極顯著, 為此, 對交互項與宿根破頭率進行響應面分析, 如圖3所示。可知, 隨著圓盤割刀轉速增大, 破頭率呈現拋物線遞增趨勢, 圓盤割刀轉速過小時, 木薯莖稈切割不充分, 在收獲機前進時, 木薯莖稈被拉扯, 導致破頭率較大；圓盤割刀轉速過大時, 圓盤割刀與木薯莖稈之間的切割碰撞作用力較大, 引起破頭率增大。前進速度與破頭率呈現直線遞增的趨勢, 隨著前進速度增大, 木薯莖稈被切割的時間要求更小, 在不變的切割速度條件下, 木薯莖稈被撥禾圓盤和圓盤割刀夾持, 并隨著收獲機前進, 導致破頭率增大。

圖3 宿根破頭率響應面Fig.3 Response surface of the root break rate

2.4 影響因素參數優化及驗證結果分析

2.4.1 影響因素參數優化結果分析 利用MATLAB數學軟件對損失率與影響因素的回歸方程式（5）進行優化求解, 得到因素參數最優化組合為圓盤割刀轉速x1為500 r·min-1, 前進速度x2為2.6 km·h-1。在最優化參數組合條件下, 損失率y1為10.04%, 破頭率y2為6.19%。

2.4.2 優化參數組合驗證結果分析 在因素參數最優化組合條件下進行驗證, 結果如表7所示。可以看出, 在最優參數組合條件下, 損失率平均值為10.18%, 平均值與理論值的誤差為1.39%；宿根破頭率平均值為6.44%, 平均值與理論值的誤差為4.04%, 驗證結果的平均值與理論值的相對誤差都在5.00%以內, 表明優化結果可靠, 最優參數組合可作為4JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機田間作業參數依據。

表7 驗證結果Table 7 Verification results

3 討論

研制木薯莖葉青貯飼料收獲機有利于提高木薯莖葉青貯飼料收獲效率和降低生產成本, 對木薯莖葉青貯飼料化保障以及收獲機械化發展具有重要意義。目前我國木薯莖葉青貯飼料收獲機還處于初級研制階段, JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機依據木薯寬窄雙行起壟種植農藝要求設計開發, 已經滿足了木薯莖葉青貯飼料切碎長度要求。

本研究基于JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機, 采用田間試驗方法探索并明確其田間作業性能, 參考玉米青貯收獲機作業質量的國家農業行業標準[21], 并針對木薯多年生長特性, 結合甘蔗聯合收獲機作業質量的國家農業行業標準[22], 選取損失率和宿根破頭率作為本研究試驗評價指標, 建立了圓盤割刀轉速和前進速度與損失率和宿根破頭率的二次回歸方程, 明確圓盤割刀轉速和前進速度對損失率和宿根破頭率均有極顯著的影響。通過響應面分析, 圓盤割刀轉速與前進速度的交互項對損失率的影響極顯著, 對宿根破頭率的影響不顯著。以損失率為優化目標, 確定最小損失率的參數組合為圓盤割刀轉速為500 r·min-1, 前進速度為2.6 km·h-1, 在此條件下, 損失率為10.04%, 宿根破頭率為6.19%, 驗證試驗結果平均值與理論值的相對誤差都在5%以內, 表明優化結果可靠。通過最佳參數條件的驗證試驗發現, JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機的損失率和宿根破頭率仍有較大提升空間, 在田間試驗過程中發現機械結構會影響其損失率和宿根破頭率, 因此后期需通過機械結構優化提升JMG-190型自走式木薯莖葉青貯飼料收獲機的田間作業性能。