李 迪，孫 偉，石林榕，張 華，劉小龍，吳建民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

近年來，覆膜種植作為一種抗旱技術(shù)在西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)廣泛應(yīng)用于玉米、馬鈴薯、小麥、胡麻等作物[1-2]，其具有增溫保墑、減輕雜草與病蟲害、促進(jìn)作物生長等顯著作用[3-7]。在馬鈴薯全膜壟作種植中，對(duì)種行覆土后，種芽可借助覆土帶的壓實(shí)作用，自行穿透地膜后破土而出，省去人工打孔、放苗、壓土等作業(yè)[8]。鋪膜覆土作業(yè)作為全膜覆土種植技術(shù)中的關(guān)鍵工序，目前基本上采用簡易機(jī)具鋪膜覆土的方式，作業(yè)效率低、覆土均勻性較差，由此導(dǎo)致的易受風(fēng)力破壞、燒苗、出苗受阻等問題嚴(yán)重制約著全膜覆土種植技術(shù)的推廣。因此，解決覆土作業(yè)質(zhì)量問題具有十分重要的意義。

西北農(nóng)機(jī)工作者對(duì)適用于膜上覆土種植模式的覆土裝置進(jìn)行了一系列的研究，如安世才等[9]設(shè)計(jì)研制了集開溝、起壟、整形、施肥、鋪膜、覆土壓膜作業(yè)為一體的起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，張勇等[10]在此基礎(chǔ)上對(duì)該覆土機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；黃閃閃等[11]將升運(yùn)式覆土機(jī)構(gòu)運(yùn)用到移栽機(jī)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穴覆土功能；孫偉等[12]對(duì)刮板升運(yùn)帶式覆土機(jī)構(gòu)的覆土特性主要是覆土量進(jìn)行了研究。但這些研究對(duì)覆土寬度和覆土厚度均未有詳細(xì)的論述，而覆土寬度和覆土厚度也是衡量覆土作業(yè)質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)。

為此，本研究以自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機(jī)[13]為依托，針對(duì)刮板升運(yùn)鏈膜上覆土裝置，運(yùn)用EDEM離散單元法和響應(yīng)曲面法，通過對(duì)覆土寬度和覆土厚度合格率與相關(guān)作業(yè)參數(shù)的模擬研究分析，建立二次回歸模型，優(yōu)化得到最佳工作參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以獲得較合理的、能夠滿足農(nóng)藝要求的鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比、排土口高度、排土口寬度，從而為膜上覆土機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)提供參考。

1 覆土作業(yè)農(nóng)藝要求

以西北旱區(qū)馬鈴薯全膜雙壟溝壟作種植模式為例，種植壟形如圖1所示，大小壟總寬1 100 mm，其中大壟寬700 mm，高100～150 mm；小壟寬400 mm，高150～200 mm。根據(jù)農(nóng)藝要求，種行覆土寬度應(yīng)為540 mm左右，膜上覆土厚度為30～50 mm。

1.大壟；2.種行覆土；3.溝底壓土；4.小壟；5.種薯

1.wide ridge; 2.covering soil on seed potato; 3.filling soil in bottom; 4.narrow ridge; 5.seed potato

圖1 馬鈴薯全膜雙壟溝種植壟形示意圖

Fig.1 Schematic diagram of ridge shape of potato whole plastic-film mulching on double ridges planting

膜上覆土作業(yè)要求土壤從種行膜頂覆蓋至膜側(cè)，然而，覆土帶過寬或覆土過厚，采光面減小，勢(shì)必將減弱地膜的增溫作用，而且在升運(yùn)、傳送額外土壤的過程中會(huì)消耗更多的能量；覆土帶過窄或覆土過薄，發(fā)揮不出土壤對(duì)種苗的壓實(shí)作用，影響出苗效果。因此，覆土寬度和覆土厚度是覆土作業(yè)質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)，合理控制這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)馬鈴薯全膜雙壟溝覆土種植作業(yè)至關(guān)重要。

其中，覆土厚度以覆土厚度合格率衡量，覆土厚度合格率為膜上覆土厚度合格點(diǎn)數(shù)與小區(qū)總測(cè)定點(diǎn)數(shù)之比，即

(1)

式中，F(xiàn)h為膜上覆土厚度合格率(%)；d為膜上覆土厚度合格點(diǎn)數(shù)；d0為小區(qū)總測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

跨越式膜上覆土裝置如圖2所示，基于現(xiàn)有的刮板升運(yùn)帶式膜上覆土裝置，采用鏈?zhǔn)焦伟遢斖翙C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，主要由起土鏟、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、刮板升運(yùn)鏈、張緊機(jī)構(gòu)、分土器、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪等構(gòu)成。起土鏟在鋪膜裝置前取土，刮板升運(yùn)鏈將起土鏟鏟起的土壤提升、傳送，越過鋪膜機(jī)構(gòu)，經(jīng)分土器將土壤按要求鋪灑在種行對(duì)應(yīng)的地膜條帶上，完成膜上覆土作業(yè)。

1.機(jī)架；2.起土鏟；3.調(diào)節(jié)拉桿；4.刮板升運(yùn)鏈；5.分土器；6.地輪；7.傳動(dòng)鏈

1.frame; 2.diggingshovel; 3.adjustingrod; 4.scraperliftingchain; 5.soilseparatingdevice; 6.groundwheel; 7.transmissionchain

圖2 跨越式覆土裝置機(jī)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

Fig.2Structurediagramofcrossingcoveringsoildeviceandphysicalphoto

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 起土鏟

起土部件的作用是將土壤鏟起，并將其提升到刮板升運(yùn)鏈傳送部件上去。對(duì)起土部件的要求是：(1) 在保證起土量足夠的情況下盡可能少挖取土壤，并保證鏟土深度穩(wěn)定且根據(jù)不同地況可適量調(diào)節(jié)；(2) 保證土垡能夠沿著鏟面順利提升至刮板升運(yùn)鏈部件。為避免工作時(shí)壅土現(xiàn)象的發(fā)生，要求起土鏟鏟面阻力小，輸送順暢，鏟刃鋒利、耐磨性能好。

起土量、起土深度、鏟面寬度各量之間的關(guān)系為：

q0=v×Δt×b0×h0

(2)

式中，q0為起土量；v為機(jī)組前進(jìn)速度；Δt為機(jī)組工作時(shí)間；b0為起土鏟鏟面寬度；h0為起土深度。

起土鏟受力情況如圖所示，起土鏟入土傾角θ一般設(shè)計(jì)角度為14°～25°。由起土鏟受力情況圖可建立如下方程[14]：

(3)

式中，P為起土鏟移動(dòng)掘起土壤所需要的力；R為起土鏟對(duì)土壤的反作用力；θ為鏟的傾角；μ為土壤對(duì)起土鏟的摩擦系數(shù)。由此可推導(dǎo)出起土鏟傾角為：

(4)

由起土鏟受力情況可知，傾角θ越小，掘起土壤越少，阻力愈小，在滿足起土性能的前提下，起土鏟傾角θ取值應(yīng)盡可能小。

圖3 起土鏟受力簡圖

Fig.3Forceddiagramofdiggingshovel

3.2 升運(yùn)鏈

升運(yùn)鏈安裝在機(jī)架兩側(cè)，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱提供驅(qū)動(dòng)力，刮土板在升運(yùn)鏈的帶動(dòng)下作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將起土鏟鏟起的土壤向后上方提升至分土器。要求在輸土過程中作業(yè)平穩(wěn)，輸土量均勻，以避免壅堵和堆積，從而有利于土壤的高效傳送。

傳統(tǒng)的帶式土壤傳送部件是在傳送帶上安裝刮土板，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的傳送、提升。然而，該種帶式結(jié)構(gòu)在輸送土壤的過程中易打滑，影響輸土效果。本機(jī)采用改進(jìn)的鏈?zhǔn)缴\(yùn)機(jī)構(gòu)，將刮土板安裝在鏈條上，故障率較低、作業(yè)穩(wěn)定、輸土效率高，能夠獲得良好的輸土效果。

3.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

通過調(diào)節(jié)拉桿(見圖4)對(duì)升運(yùn)鏈部件進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，改善了以往起土鏟入土角度和升運(yùn)鏈傾角需分別調(diào)節(jié)的繁瑣、難以配合的境況，有效降低了土壤傳送裝置作業(yè)過程中的堵塞問題，達(dá)到了適應(yīng)不同地況的技術(shù)要求。起土深度可通過調(diào)節(jié)地輪實(shí)現(xiàn)。

3.4 分土器

分土器如圖5所示，圖中，b為排土口寬度，h為排土口離地高度。由圖可知，排土口寬度越大，離地高度越高，土壤鋪灑比較分散，嚴(yán)重影響最終的覆土寬度。鋪膜機(jī)兩側(cè)各配備一套覆土機(jī)構(gòu)，對(duì)稱布置，壟面覆土寬度約為540 mm左右，則每套機(jī)構(gòu)的覆土寬度應(yīng)在270 mm左右。為保證能夠得到滿足農(nóng)藝要求的覆土效果，需要合理選取分土器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，故有必要研究分土器的排土口寬度和離地高度對(duì)覆土寬度和覆土厚度的影響。

1.起土鏟；2.從動(dòng)輪；3.升運(yùn)鏈；4.刮板；5.膜輥；6.分土器；7.主動(dòng)輪；8.起土護(hù)罩；9.調(diào)節(jié)拉桿

1.digging shovel; 2.driven wheel; 3.lifting chain; 4.scraper; 5.film roller; 6.soil separating device; 7.drive wheel; 8.soil guard shield; 9.adjusting rod

圖4 升運(yùn)裝置結(jié)構(gòu) Fig.4 Structure diagram of lifting device

圖5 分土器示意圖

Fig.5 Schematic diagram of soil separating device

4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

為對(duì)跨越式膜上覆土裝置的覆土特性進(jìn)行研究，借助EDEM離散單元法對(duì)覆土寬度和覆土厚度進(jìn)行數(shù)值模擬。主要以分土器和土壤為研究對(duì)象，不考慮其他雜余，從而便于模擬和減少計(jì)算量。其中，設(shè)置土壤顆粒之間和土壤顆粒與分土器之間的接觸模型為Hertz Mindlin無滑動(dòng)接觸模型[15]，材料參數(shù)和接觸參數(shù)如表1所示。為方便仿真，設(shè)置重力方向?yàn)閥軸負(fù)方向，仿真時(shí)使地膜相對(duì)于x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，大小為機(jī)組前進(jìn)速率。設(shè)置土壤顆粒半徑為1.3 mm，選擇土壤材料并自動(dòng)計(jì)算其屬性。依照樣機(jī)在Pro/E中建立分土器模型，導(dǎo)入EDEM軟件，建立地膜模型并選擇相應(yīng)的材料，在分土器模型上方建立顆粒工廠并選擇虛擬類型，設(shè)置顆粒的產(chǎn)生速率為6 000 個(gè)·s-1。EDEM軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算雷利時(shí)間步長TR，設(shè)置時(shí)間步長為0.38TR，時(shí)間間隔為0.01 s，網(wǎng)格大小為9.28Rmin(最小顆粒半徑)，選取碰撞跟蹤[16]。

表1 材料力學(xué)特性[17] Table 1 Material mechanical properties

進(jìn)行仿真試驗(yàn)前，需根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)改變參數(shù)設(shè)置和模型結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整EDEM中的地膜模型的位置改變排土口高度，通過改變?nèi)S模型實(shí)現(xiàn)開口寬度的調(diào)整[12]。為較準(zhǔn)確地進(jìn)行覆土寬度的數(shù)值模擬仿真，應(yīng)保證粒子群產(chǎn)生量與實(shí)際覆土量一致。因此，需待粒子生成一定厚度后，開始仿真覆土過程，粒子產(chǎn)生時(shí)間依據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的取土量計(jì)算。圖6為膜上覆土過程模擬。

1.粒子工廠；2.升運(yùn)鏈；3.溜土槽；4.土壤；5.地膜1.particle factory; 2.lifting chain; 3.soil sliding groove; 4.soil; 5.plastic film

圖6 膜上覆土過程

Fig.6 Procedure of covering soil on film

4.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型能用較少的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行全面的分析研究，以升運(yùn)鏈線速度與機(jī)組前進(jìn)速度之比i、排土口高度h、排土口寬度b為自變量，以覆土寬度B和覆土厚度合格率Fh為響應(yīng)值，各試驗(yàn)因素水平編碼見表2。依響應(yīng)曲面法試驗(yàn)安排15組仿真試驗(yàn)[18]，如表3所示。

表2 因素水平編碼 Table 2 Codes of factors and levels

表3 試驗(yàn)方案及仿真試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Test scheme and simulation results

4.2 回歸模型建立與檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)(表3)進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行回歸擬合，獲得編碼值表示的覆土寬度B的二次回歸模型為：

B=270.46-1.19i+6.20h+7.14b+1.64ih-2.25ib-0.97hb-10.77i2-0.053h2+2.55b2

(5)

覆土厚度合格率Fh的二次回歸模型為：

Fh=91.27+3.22i-0.088h+2.16b-0.80ih-0.40ib+0.18hb-0.45i2-2.77h2-0.017b2

(6)

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，得到方差分析結(jié)果如表4和表5所示。覆土寬度回歸模型P1<0.0001，表明回歸模型極其顯著(P<0.01)；覆土厚度合格率回歸模型P2=0.0265，表明回歸模型顯著(0.01

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)P1=0.2854，P2=0.4905，均不顯著(P>0.1)，表明不存在其它影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系。

表4 覆土寬度(B)方差分析 Table 4 Variance analysis of covering soil width

表5 覆土厚度合格率(Fh)方差分析 Table 5 Variance analysis of qualified rate of covering soil thickness

4.3 響應(yīng)曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過對(duì)速度比i、排土口高度h、排土口寬度b之間的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)覆土寬度B和覆土厚度合格率Fh的影響進(jìn)行分析比較，作出響應(yīng)面和等高線。

4.3.1 覆土寬度響應(yīng)曲面分析 當(dāng)排土口寬度為110 mm時(shí)，速度比i和排土口高度h的交互作用對(duì)于覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7a所示。由圖可知，速度比與排土口高度的交互作用對(duì)于覆土寬度有顯著的影響。當(dāng)速度比一定時(shí)，覆土寬度隨著排土口高度的增加而增加。

當(dāng)排土口高度為200 mm時(shí)，速度比i和排土口寬度b的交互作用對(duì)覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7b所示。由圖可知，速度比和排土口寬度的交互作用對(duì)覆土寬度有顯著影響；當(dāng)速度比i一定時(shí)，覆土寬度B隨著排土口寬度b的增加而增加。

當(dāng)速度比為2.56時(shí)，排土口寬度b與排土口高度h的交互作用對(duì)于覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7c所示。由圖可知，覆土寬度受排土口寬度與排土口高度的影響不大。當(dāng)排土口高度h固定在某一水平時(shí)，隨著排土口寬度b的增加，覆土寬度B呈上升趨勢(shì)；當(dāng)排土口寬度b固定時(shí)，隨著排土口高度h的增加，覆土寬度B也呈上升趨勢(shì)。

圖7 覆土寬度(B)的響應(yīng)曲面

Fig.7 Response surface of covering soil width

4.3.2 覆土厚度合格率的響應(yīng)曲面分析 當(dāng)排土口寬度為110 mm時(shí)，速度比(i)和排土口高度(h)的交互作用如圖8a所示。當(dāng)排土口高度一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比的增大呈增高趨勢(shì)；當(dāng)速度比一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增加而先增大后減?。挥绊懜餐梁穸群细衤实闹饕蛩厥擎溗倥c機(jī)組前進(jìn)速度比。

當(dāng)排土口高度為200 mm時(shí)，速度比(i)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8b所示。當(dāng)速度比一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著排土口寬度的增大呈增高趨勢(shì)；當(dāng)排土口寬度一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著速度比的增大而提高；影響覆土厚度合格率的主要因素是鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比。

當(dāng)速度比為2.56時(shí)，排土口高度(h)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8c所示。當(dāng)排土口寬度一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增大而先增大后減??；當(dāng)排土口高度一定時(shí)，覆土厚度合格率隨著排土口寬度的增大呈微弱的增大趨勢(shì)；影響覆土厚度合格率的主要因素是排土口高度。

圖8 覆土厚度合格率(Fh)的響應(yīng)曲面

Fig.8 Response surface of qualified rate of covering soil thickness

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為保證覆土寬度滿足農(nóng)藝要求，即覆土寬度為270 mm左右，覆土厚度合格率≥90%，通過Design-Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊對(duì)二次回歸方程模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到分土器的最佳工作參數(shù)：速度比為1.38，排土口高度為200 mm，排土口寬度為120 mm。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

田間驗(yàn)證試驗(yàn)于2015年4月下旬在隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)定西市安定區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行，覆土作業(yè)效果見圖9。試驗(yàn)土壤為黃綿土，含水率約為16.3%，容重為1.30～1.35 g·cm-3，堅(jiān)實(shí)度為2.5×105Pa。試驗(yàn)機(jī)具為自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機(jī)，配套動(dòng)力為22.1 kW東方紅-300型輪式拖拉機(jī)，起土鏟傾角為15°，排土口離地高度為200 mm，排土口寬度為190 mm，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r·min-1，勻速作業(yè)，保證鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比約為1.38。試驗(yàn)中所用地膜寬度為1 200 mm，厚度為0.008 mm。

圖9 作業(yè)效果圖

Fig.9 Photo of operation effect

5.2 試驗(yàn)方法

驗(yàn)證試驗(yàn)中對(duì)覆土寬度和覆土厚度兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，方法如下[20]：

在測(cè)定地塊上，沿對(duì)角線隨機(jī)等距離取5個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)寬度為1個(gè)作業(yè)幅寬，長度為10 m。在每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)抽取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定覆土寬度和覆土厚度。覆土厚度以種行正上方的實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證工作參數(shù)的合理性與科學(xué)性，選取上述仿真試驗(yàn)中優(yōu)化后的水平因素，即鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比1.38、排土口高度200 mm、排土口寬度120 mm，進(jìn)行田間重復(fù)試驗(yàn)，得到覆土寬度均值為279.6 mm，覆土厚度合格率為93.7%。按最優(yōu)組合調(diào)整仿真模型參數(shù)后進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的模擬覆土寬度為265.87 mm，覆土厚度合格率為94.3%。覆土寬度和覆土厚度合格率模擬值在誤差允許范圍內(nèi)接近田間測(cè)試均值，并能夠滿足農(nóng)藝要求，說明建立的二次回歸模型能夠較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，可以為覆土裝置的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供一定的參考。

6 結(jié) 論

1) 構(gòu)建覆土機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，運(yùn)用EDEM離散單元法模擬仿真試驗(yàn)，采用三因素三水平響應(yīng)曲面法，借助Design-Expert軟件處理試驗(yàn)結(jié)果，建立了覆土寬度和覆土厚度合格率的二次回歸模型，分析因素之間的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合：鏈速與機(jī)組前進(jìn)速度比為1.38、排土口高度為200 mm、排土口寬度為120 mm。

2) 運(yùn)用所得最佳參數(shù)組合，進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，用離散單元法模擬出的覆土寬度值和覆土厚度合格率接近田間重復(fù)試驗(yàn)均值，說明了用該種方法模擬的科學(xué)性及二次回歸模型的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)槟ど细餐裂b置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

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