定量鋪放自走式大蔥聯合收獲機研制

侯加林，陳彥宇，李玉華，王 文，李廣華

（1. 山東農業大學機械與電子工程學院，泰安 271018；2. 山東省農業裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；3. 山東華龍農業裝備股份有限公司，青州 262500）

0 引 言

中國是世界上最大的大蔥生產國和出口國，2018 年大蔥種植面積達60 萬hm2，成為帶動地區經濟發展的重要經濟作物[1]。大蔥收獲有人工收獲、分段收獲和聯合收獲3 種方式。目前，中國的大蔥收獲仍以人工為主，分段收獲技術基本成熟并在部分地區得到推廣應用，但分段收獲僅對大蔥進行簡單松土挖掘，后期仍需人工拔取抖土、分堆打捆，作業工序復雜，勞動量大，制約了大蔥產業的進一步發展。因此，研發一種性能可靠、通用性強的大蔥聯合收獲裝置具有重要意義[2-3]。

歐美發達國家研發的大蔥聯合收獲機主要針對韭蔥收獲，不適于國內的大蔥收獲[4-6]，日本針對中小地塊研發的HG 型大蔥聯合收獲機，配套動力小，作業效率低，國內難以大面積推廣應用[7]。近幾年，隨著大蔥種植面積的增長以及規?；a的發展，科研院校和企業分別研發了大蔥聯合收獲設備，山東農業大學研制的雙行自走式大蔥聯合收獲機[8]，不能有效完成雙行匯集作業，傷蔥率較高，無法滿足市場需求。青島理工大學研發的雙行自走式大蔥聯合收獲機僅進行了理論分析和圖紙設計，尚未進行樣機試制[9]。山東華龍農業裝備股份有限公司與青島農業大學聯合研制的4CL-1 型大蔥聯合收獲機[10]，與日本HG 型大蔥聯合收獲機的結構原理相同，主要針對中小地塊，作業效率低，無法實現分堆鋪放，不適合大面積作業。

目前國內針對根莖類收獲機械的研究較多[11-18]，葉莖類收獲機械的研究相對較少，本文參考已有的大蔥收獲裝備，并結合國內大蔥種植模式和農藝制度，設計了一種自走式大蔥聯合收獲機，能夠一次完成大蔥的挖掘、抖土、喂入、夾持輸送、二次去土清雜、收集、成堆鋪放等作業。加工樣機并進行了田間收獲試驗，并確定了樣機最優工作參數。該機的研發將為自走式大蔥聯合收獲機的結構完善和作業性能優化提供參考，具有重要的現實意義。

1 整機結構及技術參數

1.1 大蔥種植模式和農藝制度

通過實地調研發現，中國大蔥種植品種多樣，其中“日本鋼蔥”的種植范圍最廣，本文重點針對“日本鋼蔥”的收獲展開研究?！叭毡句撌[”有人工栽植和機械栽植方式，隨著蔬菜移栽機械的發展，大蔥機械栽植逐漸取代了人工栽植[19-22]。機械栽植時，大蔥的行距為900～1 000 mm，溝頂寬為250～350 mm，溝底寬為120～150 mm，溝深為200～300 mm[23]。在大蔥蔥白形成期需要進行3～4 次培土作業，以軟化蔥白，防止大蔥倒伏[24]。到收獲期，大蔥植株的總長度約為900～1 200 mm，其中地下部分長度約為240～270 mm，蔥白直徑約為15～25 mm，蔥白長度約為170～270 mm，蔥壟的壟頂寬度約為260～280 mm，壟低寬度約為380～400 mm，壟距約為900～950 mm，如圖1 所示。

圖1 收獲期大蔥生長模式 Fig.1 Growth model of green onion in harvest period

1.2 整機結構及工作原理

針對“日本鋼蔥”的種植模式和農藝制度，設計的自走式大蔥聯合收獲機主要由操作臺、動力底盤、散熱系統、傳動系統、限深裝置、挖掘抖土裝置、柔性夾持輸送裝置、夾持角度調節裝置、收集卸料裝置等組成，其結構如圖2 所示。

圖2 定量鋪放自走式大蔥聯合收獲機結構示意圖 Fig.2 Structural schematic of quantitatively-laying and self-propelled green onion combine harvester

作業時，挖掘抖土裝置實現大蔥的挖掘、抖土作業；疏土裝置及時疏導土壤，避免壅土，同時耕整蔥地，為后期大蔥鋪放創造條件；完成一次抖土作業后的大蔥進入夾持輸送裝置依序向后輸送；經二次去土清雜處理后依次進入收集卸料裝置，成堆的大蔥定時定量鋪放到耕整后的土壤上，進而完成大蔥收獲作業。收獲機主要技術參數如表1 所示。

表1 定量鋪放自走式大蔥聯合收獲機技術參數 Table 1 Technical parameters of quantitatively-laying and self-propelled green onion combine harvester

2 關鍵部件設計

2.1 挖掘抖土裝置

挖掘抖土裝置主要由機架、挖掘鏟、抖土篩、疏土裝置和液壓馬達等組成，如圖3 所示，作業時，挖掘鏟和抖土篩聯合作業，完成大蔥挖掘和一次去土清雜。

圖3 挖掘抖土裝置結構示意圖 Fig.3 Structural schematic of digging and shaking device

2.1.1 挖掘鏟結構與關鍵參數設計

挖掘鏟采用三角平面鏟的設計原理，針對挖掘鏟和掘起物進行受力分析，如圖4 所示。根據《農業機械設計手冊》，為了保證挖掘鏟在行走過程中能夠自動清理鏟刃泥土，鏟刃斜角γ 與土壤對挖掘鏟的摩擦角φ 的關系需滿足：

鏟刃斜角γ 越小，挖掘鏟的入土性能越好，但鏟長增加，鏟尖變銳，易斷鏟和傷蔥；鏟刃斜角γ 越大，挖掘鏟的入土性能越差，功耗增加?？紤]鋼與土壤的摩擦系數（0.4～0.7）[25]，結合實際情況，設計鏟刃斜角γ=60°。根據《農業機械設計手冊》和大蔥生長特點，為了保證挖掘鏟低阻高效地挖起大蔥，避免壅土，挖掘鏟鏟寬應不小于蔥壟壟頂寬度，結合預試驗情況，挖掘鏟鏟寬W 應滿足：

式中s 為蔥壟壟頂寬度，mm，結合試驗測試結果取s=270 mm；c 為機器的挖掘偏差，mm，取c=50 mm。因此，設計挖掘鏟鏟寬為320 mm。

圖4 挖掘鏟結構及受力分析 Fig.4 Structure of digging shovel and force analysis

挖掘鏟水平傾角α 的大小直接影響挖掘鏟的作業性能和大蔥收獲質量[26-27]。為了保證大蔥的順利挖掘和輸送，挖掘鏟掘起物的受力方程應滿足：

由式（3）～（4）得出挖掘鏟水平傾角α 為

挖掘鏟的總長度為

分析式（3）～（6）可知，挖掘鏟水平傾角α 越小，挖掘鏟的入土性能越好，作業阻力越小，但挖掘深度不足，容易出現鏟斷大蔥和壅土現象；反之，挖掘鏟水平傾角α 越大，挖掘深度越大，鏟斷大蔥的可能性降低，但挖掘鏟的入土性能變差，作業阻力變大，能耗增加[28]。根據《農業機械設計手冊》[29]，參考馬鈴薯收獲機挖掘鏟參數，結合大蔥和馬鈴薯種植農藝制度的差異，設計大蔥收獲機挖掘鏟水平傾角α 的調節范圍為30°～40°，鏟長為200 mm。

2.1.2 抖土篩的結構與關鍵參數設計

大蔥在夾持輸送過程中完成抖土作業，抖土篩往復擺動，既完成了抖土作業，又通過篩面抖動細碎土壤，避免壅土，抖土篩采用方形篩孔，其運動簡圖如圖5 所示。

圖5 抖土篩運動簡圖 Fig.5 Diagram of shaking screen motion

根據圖5，設抖土篩左擺的最遠點為B1，右擺的最遠點為B2，由于抖土篩擺動幅度小，擺動周期短，故B 點的周期擺動可近似為在X 軸上的直線往復運動。

根據圖5 可得B 點的運動位移xB為

進一步得出B 點的運動速度和加速度為

B 點的近似速度和加速度為

根據《農業機械設計手冊》并結合大蔥種植農藝，設計曲柄長30 mm，連桿AB 長110 mm，篩柄CD 長850 mm，篩面DF 長400 mm。利用MATLAB 軟件并結合液壓馬達實際功率，求解得到曲柄OA 的角速度3～5 rad/s，B 點在X 軸上周期擺動幅度為80～140 mm，速度范圍為 0 ～200 mm/s，加速度范圍為 0.3 ～0.8 rad/s2。

2.2 柔性夾持輸送裝置的設計

柔性夾持輸送裝置主要由動力輸入裝置、支撐架、張緊裝置、定位調節裝置、扶持喂入裝置、二次去土清雜裝置和柔性夾持輸送帶等組成，如圖6 所示。挖掘后前傾的大蔥經扶持喂入裝置向后調節一定角度后喂入柔性夾持輸送帶，輸送帶拔取大蔥的同時抖土篩完成抖土作業，二次去土清雜裝置清除大蔥根部的土壤、雜草、死皮等，完成二次清雜作業后的大蔥依序輸送到收集卸料裝置。

圖6 柔性夾持輸送裝置結構示意圖 Fig.6 Structural schematic of flexible clamping and conveying device

2.2.1 扶持喂入裝置

扶持喂入裝置主要作用于大蔥葉身部位，調整大蔥的姿態。如圖7 所示，根據試驗統計測量，蔥白充實期的大蔥葉身最大幅寬為400 mm，最小幅寬為320 mm。根據物料彈性變形特性[30-31]及試驗測試，左右扶持喂入裝置分別安裝在支撐架前端的左右兩側，驅動輥安裝距離為240 mm，扶持喂入裝置開口角度η 為120°，左右扶持帶的運動速度vv與輸送帶同速，保證大蔥既不會大面積損傷，又能順利喂入輸送帶。

2.2.2 柔性夾持輸送帶

柔性夾持輸送帶由內側的橡膠帶和固接于橡膠帶外側由帆布包裹的柔性海綿縫合制成，考慮大蔥長度，夾持輸送帶寬度設計為280 mm。張緊裝置安裝在支撐架上，可根據蔥白直徑調節2 個柔性夾持輸送帶的間距，確保夾持輸送的可靠性和連續性。由于扶持喂入裝置的調節作用，柔性夾持輸送裝置拔取大蔥時，大蔥已向后傾斜約5°～15°，夾持拔取示意圖如圖8 所示，根據圖8 幾何關系可知：

聯立式（12）～（13）得

結合式（14）以及實際田間作業情況，整機前進速度對大蔥夾持輸送裝置的輸送速度影響較大。研究分析整機前進速度對大蔥收獲質量的影響，可為柔性夾持輸送裝置的完善設計和參數優化提供相應的理論參考[32]。

圖7 扶持喂入裝置結構示意圖 Fig.7 Structural schematic of support feeding device

圖8 大蔥拔取過程示意圖 Fig.8 Schematic diagram of the green onion extraction process

2.2.3 去土清雜裝置

去土清雜裝置采用梳刷結構，由橡膠制成的左右2個鋸齒輥相對旋轉，振動梳刷附著在大蔥假莖和蔥根上的土壤顆粒和死皮等雜質[33-34]，其工作原理如圖9 所示。經試驗測試，鋸齒輥的半徑和轉速對大蔥含雜率和損傷率影響較大，鋸齒輥的半徑過小，轉速過低，梳刷能力差，鋸齒輥半徑過大，轉速過大，能耗和大蔥損傷增加，根據試驗調試初步設計鋸齒輥半徑r 為75 mm，轉速vq為240 r/min。為了保證良好的去土清雜效果和降低損傷率，左右鋸齒輥的安裝間距應滿足：

式中m 為左右鋸齒輥安裝間距，mm； dcb為蔥白直徑， dcb=25 mm； Δ 為大蔥左右擺動距離，mm，試驗測試Δ=15 mm。因此，左右鋸齒輥的安裝間距m 為205 mm。

圖9 去土清雜工作原理圖 Fig.9 Working principle diagram of soil removing and cleaning

2.3 收集卸料裝置設計

收集卸料裝置主要由導蔥裝置、載蔥臺、接蔥裝置、阻蔥裝置、鋪放裝置、氣缸等組成，如圖10 所示。載蔥臺和阻蔥裝置為收集部件，接蔥裝置為卸料部件，載蔥臺收集后的大蔥依次落入接蔥裝置，經鋪放裝置成堆鋪放到蔥地上，依序循環，實現大蔥有序鋪放。氣缸伸縮周期可調，根據市場調研確定有序鋪放后每堆大蔥的質量為5～7 kg，滿足目前的市場需求[35]。

圖10 收集卸料裝置結構示意圖 Fig.10 Schematic diagram of collecting and unloading device

2.3.1 載蔥臺

載蔥臺的結構如圖11 所示，驅動軸帶動傳送帶收集大蔥，為了確保氣缸伸縮時下落的大蔥質量滿足作業要求，同時盡量減少大蔥損傷，結合大蔥生長高度和試驗調試結果，載蔥臺傳送帶的速度vcs初步設計為0.5 m/s，傳送帶寬度dcs設計為1 200 mm，驅動軸和從動軸的安裝間距lcs設計為500 mm。

圖11 載蔥臺結構示意圖 Fig.11 Schematic diagram of green onion loading platform

2.3.2 接蔥和卸蔥作業

如圖12 所示，通過連桿機構實現阻蔥裝置和接蔥裝置的有序開合，為了保證大蔥能夠及時有序地鋪放，避免堵塞，根據試驗調試，阻蔥裝置的開合角度τzc初步設計為60°，接蔥裝置的開合角度τjc初步設計為30°，載蔥臺和擋板安裝角度τzd初步設計為120°。

圖12 接蔥和卸蔥作業過程示意圖 Fig.12 Schematic diagram of green onion catching and unloading operations

機器平穩作業時，通過氣缸的周期性伸縮實現接蔥和卸蔥作業，氣缸縮回，阻蔥裝置打開，接蔥裝置閉合，載蔥臺上的大蔥全部落入接蔥裝置，完成接蔥作業；氣缸伸出，阻蔥裝置閉合，載蔥臺繼續收集大蔥，接蔥裝置打開，大蔥經鋪放裝置成堆鋪放到地面，完成卸蔥作業。氣缸伸縮周期直接影響每堆大蔥的鋪放質量，進而影響大蔥收獲質量，根據試驗測試，氣缸伸縮周期與每堆大蔥鋪放質量的對應關系如表2 所示。

表2 氣缸伸縮周期與大蔥鋪放質量的對應關系 Table 2 Corresponding relationship between the cylinder expansion cycle and the quality of green onion laying

3 大蔥收獲試驗與結果分析

3.1 試驗條件

為了驗證定量鋪放自走式大蔥聯合收獲機的工作性能和設計參數的可靠性，2019 年7 月在安丘市大蔥試驗基地進行田間試驗，試驗基地土壤類型為沙壤土，土壤含水率22.34%，大蔥品種為日本鋼蔥，大蔥植株總長度約1 000～1 200 mm，蔥白直徑約15～22 mm，蔥白長度約200～280 mm，株距48 mm，壟高370 mm，壟距900 mm，壟頂寬度270 mm，壟底寬度380 mm，發動機配套動力42 kW。

試驗儀器與設備包括自走式大蔥聯合收獲機、電子稱、水分測定儀、卷尺、游標卡尺、鋼尺等，田間試驗如圖13 所示。

圖13 田間試驗 Fig.13 Field test

3.2 試驗方法及標準

目前，中國還沒有針對大蔥收獲裝備制定詳細的國家技術標準，依據中國農業機械學會發布的《自走式大蔥收獲機》標準和有關農業機械試驗方法[36-38]，采用Box-Behnken 試驗設計方案。收獲機對行作業很少發生漏挖、漏拔和夾持掉落現象，對大蔥收獲損失率進行考察意義不大，故以大蔥含雜率、損傷率作為評價指標，對整機前進速度、挖掘鏟水平傾角、抖土頻率、氣缸伸縮周期進行響應面試驗研究，根據前期調試試驗結果，確定各試驗因素和水平如表3 所示。

表3 響應面試驗因素和水平 Table 3 Factors and levels of response surface test

機器每次行走距離為50 m（準備區15 m，測試區20 m，調整區15 m），每組試驗重復進行3 次，對測試區內收獲大蔥的含雜率、損傷率進行計算。

1）大蔥雜質是指大蔥收獲后含有的泥土、死皮及石粒等，將測試區內收獲的大蔥進行收集，測得大蔥總質量為W （kg），去除雜質測得干凈大蔥的質量為Wj（kg），大蔥含雜率Tzz（%）計算公式為

2）大蔥損傷是指大蔥收獲作業過程中，蔥根鏟斷、蔥葉破損、蔥白揉搓等損傷，將測試區內損傷的大蔥進行收集，測得損傷大蔥總質量為Wss（kg），大蔥損傷率Tss（%）計算公式為

3.3 試驗結果與分析

根據Box-Behnken 中心組合設計四因素三水平分析試驗，試驗方案采用29 個試驗點，其中包括24 個分析因子，5 個0 點估計誤差[39]，試驗方案及響應值如表4所示。

3.3.1 回歸模型的建立與顯著性檢驗

根據表4 的試驗方案與試驗結果，利用Design- Export8.0.6.1 數據分析軟件進行多元回歸擬合分析尋求最優工作參數[40-41]，建立大蔥含雜率Y1、損傷率Y2對整機前進速度X1、挖掘鏟水平傾角X2、抖土頻率X3、氣缸伸縮周期X4的二次多項式回歸模型，如式（18）～（19）所示，方差分析如表5 所示。

由表5 可知，大蔥含雜率Y1、損傷率Y2模型的P 值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項P 值均大于0.05，表明回歸模型擬合度高；決定系數R2分別為0.950和0.944，表明回歸模型對樣本數據解釋程度高達94%以上，回歸模型可用來預測和分析收獲大蔥的含雜率和損傷率。因素X1、X2、X3、X4、X12、X22、X32對大蔥含質率Y1影響極顯著，其他因素影響不顯著，各因素對大蔥含雜率影響顯著性的大小順序為X1＞X3＞X2＞X4；因素X2、X3、X4、X12、X22、X32對大蔥損傷率Y2影響極顯著，其他因素影響不顯著，各因素對大蔥損傷率影響顯著性的大小順序為X2＞X3＞X4＞X1。

表4 試驗方案及響應值結果 Table 4 Experiment design and response values

3.3.2 響應面分析

根據大蔥含雜率和損傷率回歸模型，將試驗因素X1、X2、X3、X4中的2 個因素置于0 水平，分析其他因素對評價指標的影響，繪制相應的響應面圖，如圖14、圖15所示。

1）大蔥含雜率響應面分析

圖14a 為抖土頻率和氣缸伸縮周期位于中心水平（X3=0，X4=0）時，整機前進速度和挖掘鏟水平傾角之間的響應曲面圖。當挖掘鏟水平傾角固定在某一水平時，隨著整機前進速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機前進速度一定時，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在32°～36°有最優值。

圖14b 為挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期位于中心水平（X2=0，X4=0）時，整機前進速度和抖土頻率之間的響應曲面圖。當抖土頻率固定在某一水平時，隨著整機前進速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機前進速度一定時，大蔥含雜率隨著抖土頻率的增加呈現先緩慢增加而后降低的趨勢，在4.0～5.0 Hz 有最優值。

圖14c 為挖掘鏟水平傾角和抖土頻率位于中心水平（X2=0，X3=0）時，整機前進速度和氣缸伸縮周期的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，隨著整機前進速度的增加，挖掘抖土和二次清雜效果變差，含雜率增加；整機前進速度一定時，隨著氣缸伸縮作業周期的增加，每堆大蔥質量增加，大蔥間夾雜的雜質增加，含雜率增加。

表5 回歸方程方差分析 Table 5 Variance analysis of regression equation

圖14d 為整機前進速度和氣缸伸縮周期位于中心水平（X1=0，X4=0）時，抖土頻率和挖掘鏟水平傾角之間的響應曲面圖。當抖土頻率固定在某一水平時，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在32°～36°有最優值；挖掘鏟水平傾角一定時，大蔥含雜率隨抖土頻率的增加呈現先緩慢增加而后降低的趨勢，在4.0～5.0 Hz 有最優值。

圖14e 為整機前進速度和抖土頻率位于中心水平（X1=0，X3=0）時，挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期之間的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，大蔥含雜率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在32°～36°有最優值；挖掘鏟水平傾角一定時，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥的質量增加，大蔥間夾雜的雜質增加，含雜率增加。

圖14f 為整機前進速度和挖掘鏟水平傾角位于水平（X1=0，X2=0）時，氣缸伸縮周期和抖土頻率之間的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，大蔥含雜率隨著抖土頻率的增加呈現先緩慢增加而后降低的趨勢，在4.0～5.0 Hz 有最優值；抖土頻率一定時，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥的質量增加，大蔥間夾雜的雜質增加，含雜率增加。

2）大蔥損傷率響應面分析

圖15a 為抖土頻率和氣缸伸縮周期位于中心水平（X3=0，X4=0）時，整機前進速度和挖掘鏟水平傾角之間的響應曲面圖。當挖掘鏟水平傾角固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著整機前進速度的增加呈現先緩慢降低后緩慢增加的趨勢，在0.6～0.9 m/s 有最優值；整機前進速度一定時，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先降低而后增加的趨勢，在34°～38°有最優值。

圖14 各因素對大蔥含雜率的響應曲面 Fig.14 Response surface of various factors to the impurities rate of green onion

圖15 b 為挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期位于中心水平（X2=0，X4=0）時，整機前進速度和抖土頻率之間的響應曲面圖。當抖土頻率固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著整機前進速度的增加呈現先緩慢降低后緩慢增加的趨勢，在0.6 m/s～0.9 m/s 有最優值；整機前進速度一定時，大蔥損傷率隨著抖土頻率的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在3.0～4.5 Hz 有最優值。

圖15c 為挖掘鏟水平傾角和抖土頻率位于中心水平（X2=0，X3=0）時，整機前進速度和氣缸伸縮周期的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著整機前進速度的增加呈現先緩慢降低后增加的趨勢，在0.5～1.0 m/s 有最優值；整機前進速度一定時，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質量增加，大蔥間擠壓作用增強，損傷率增加。

圖15d 為整機前進速度和氣缸伸縮周期位于中心水平（X1=0，X4=0）時，抖土頻率和挖掘鏟水平傾角之間的響應曲面圖。當抖土頻率固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先降低而后增加的趨勢，在34°～38°有最優值；挖掘鏟水平傾角一定時，大蔥損傷率隨時抖土頻率的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在3.0～4.5 Hz 有最優值。

圖15e 為整機前進速度和抖土頻率位于中心水平（X1=0，X3=0）時，挖掘鏟水平傾角和氣缸伸縮周期之間的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著挖掘鏟水平傾角的增加呈現先降低而后增加的趨勢，在34°～38°有最優值；挖掘鏟水平傾角一定時，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質量增加，大蔥間擠壓作用增強，損傷率增加。

圖15f 為整機前進速度和挖掘鏟水平傾角位于水平（X1=0，X2=0）時，氣缸伸縮周期和抖土頻率之間的響應曲面圖。當氣缸伸縮周期固定在某一水平時，大蔥損傷率隨著抖土頻率的增加呈現先緩慢降低而后增加的趨勢，在3.0～4.5 Hz 有最優值；抖土頻率一定時，隨著氣缸伸縮周期的增加，每堆大蔥質量增加，大蔥間擠壓作用增強，損傷率增加。

圖15 各因素對大蔥損傷率的響應曲面 Fig.15 Response surface of various factors to the damage rate of green onion

3.3.3 最優工作參數確定與試驗驗證

根據方差分析和響應面分析結果，在滿足大蔥收獲要求的前提下，利用Design-Export8.0.6.1 軟件對上述大蔥含雜率Y1和大蔥損傷率Y2的回歸模型進行優化，剔除不顯著項，結果如式（19）～（20）

根據田間試驗情況及中國農業機械學會發布《自走式大蔥收獲機》標準等相關理論依據選擇確定優化約束條件[42]，如式（21）所示。

求解目標函數，得到各影響因素最優值：整機前進速度0.69 m/s，挖掘鏟水平傾角35.21°，抖土頻率4.28 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，此時模型預測的大蔥含雜率為3.00%，損傷率為1.66%。對優化參數進行適當圓整：整機前進速度0.7 m/s，挖掘鏟水平傾角35°，抖土頻率4.3 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，根據取整優化結果進行試驗驗證，試驗重復進行5 次，結果如表6 所示，田間作業效果如圖16 所示。

表6 驗證試驗結果 Table 6 Verification testing results

圖16 田間作業效果 Fig.16 Field working effects

試驗結果表明，大蔥含雜率和損傷率的試驗平均值和模型預測值的相對誤差均小于5%，說明模型參數優化是具有參考價值的，采用上述最優工作參數組合能夠有效降低大蔥含雜率和損傷率。

4 結 論

1）本文設計了一種自走式大蔥聯合收獲機，該機能夠一次實現大蔥的挖掘、抖土、夾持輸送、二次清雜、收集、成堆鋪放作業。通過理論分析和試驗確定了挖掘抖土裝置、柔性夾持輸送裝置、收集卸料裝置等關鍵部件的結構及參數，解決了大蔥聯合收獲的難題。

2）采用Box-Behnken 中心組合設計方案建立了以大蔥含雜率和損傷率為評價指標的響應面回歸模型，通過方差分析和響應面分析，得出了整機前進速度、挖掘鏟水平傾角、抖土頻率、每堆大蔥質量對評價指標的影響變化規律。

3）應用Design-Export8.0.6.1 數據分析軟件對建立的模型進行優化求解，并通過試驗驗證了優化結果的準確性。最優工作參數組合為：整機前進速度0.7 m/s，挖掘鏟水平傾角35°，抖土頻率4.3 Hz，氣缸伸縮周期2.5 s，此時大蔥含雜率為3.14%，損傷率為1.74%，完全能夠滿足大蔥收獲標準。