廖慶喜 王 迪 姚 露 林 翩 王 磊 張青松

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

春油菜產(chǎn)區(qū)多分布在高緯度高海拔地區(qū)，該地區(qū)常年降水不足，氣溫年際間變化大，氣候的地域差異性和過(guò)渡性明顯[1]。研究表明，油菜覆膜穴播技術(shù)能有效提高水分利用效率、改善農(nóng)田土壤生態(tài)條件、提升油菜產(chǎn)量[2-4]。研制油菜覆膜打孔精量穴播機(jī)對(duì)降低種植勞動(dòng)強(qiáng)度、提升油菜機(jī)械化種植水平、提高油菜單位面積產(chǎn)率具有重要意義。打孔裝置作為覆膜穴播作業(yè)機(jī)具的關(guān)鍵部件，對(duì)整機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量具有決定性的影響。目前，適用于油菜種植農(nóng)藝要求的精量排種裝置已在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用[5]，但缺乏與之匹配的破膜成孔裝置。

國(guó)外在覆膜打孔機(jī)械方面研究較早，LAWRENCE等[6]為提高不同種植作物覆膜成孔間距及深度的靈活性和適應(yīng)性，基于控制算法設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)膜上打孔裝置；為提高打孔可靠性，ISMAIL等[7]利用四桿機(jī)構(gòu)研制成孔機(jī)構(gòu)，改變曲柄長(zhǎng)度從而調(diào)節(jié)排量沖程，實(shí)現(xiàn)了垂直膜上打孔作業(yè)；意大利FORIGO公司[8]研制了SEMINATRICE MODULA系列覆膜打孔穴播機(jī)，采用12 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)打孔穴播機(jī)，實(shí)現(xiàn)了疏松表土、同步播種作業(yè)，解決了滾輪式成穴器黏土挑種的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)玉米、花生等作物覆膜打孔技術(shù)的研究已趨成熟，趙武云等[9]為解決膜上播種機(jī)存在的撕挑地膜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種玉米直插式精量穴播機(jī)，采用凸輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了成穴器的投種控制與定點(diǎn)強(qiáng)制開(kāi)啟；呂小蓮等[10]研制了2BQHM-2型花生覆膜穴播機(jī)，采用鴨嘴穴播排種器，改善了花生膜上成穴及入土播種作業(yè)質(zhì)量；為改善膜上作業(yè)過(guò)程中因穴播機(jī)構(gòu)水平分速度不一致而導(dǎo)致的撕膜問(wèn)題，戴飛等[11]設(shè)計(jì)了近等速機(jī)構(gòu)的全膜雙壟溝直插式電動(dòng)穴播機(jī)。

綜上所述，已有覆膜穴播機(jī)主要采用四桿機(jī)構(gòu)膜上打孔或?qū)Ｓ么蚩籽úポ?，主要適用于玉米、花生等大粒徑稀植作物，其膜孔尺寸多大于50 mm，行距大于300 mm，株距大于150 mm。直播油菜行距一般大于200 mm，株距一般為40～60 mm，上述裝置不適用于種植密度較大的油菜等小粒徑作物。因此，膜上打孔裝置的創(chuàng)新和可靠性設(shè)計(jì)已成為提高穴播機(jī)具作業(yè)質(zhì)量的重要手段[12]。

為解決傳統(tǒng)膜上成穴裝置結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、工作時(shí)易黏土挑種及撕挑地膜等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種法蘭式滾輪與螺紋式圓錐型錐釘組合式結(jié)構(gòu)的打孔裝置。利用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)理論及仿真分析，得出打孔裝置較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以保證打孔裝置在連續(xù)膜上打孔過(guò)程中達(dá)到有效成孔、膜孔孔徑及膜孔間距均勻等技術(shù)要求，通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證打孔裝置設(shè)計(jì)的合理性，以期實(shí)現(xiàn)油菜等小粒徑作物覆膜種植中膜上均勻打孔的功能。

1 油菜覆膜種植農(nóng)藝要求與整機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 覆膜種植農(nóng)藝要求

油菜根系發(fā)達(dá)，入土深，要求土層深厚、疏松、肥沃，土壤需要深耕細(xì)作[13]，耕深一般大于200 mm，以增加土壤孔隙度；油菜種植行距為200～250 mm、株距為40～60 mm、播深20～30 mm，地膜幅寬應(yīng)與油菜種植農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)配套，本文設(shè)計(jì)機(jī)具采用8行播種，行距為200 mm，為保證膜邊完全被壓入土壤，兩邊邊距留有量應(yīng)不超過(guò)100 mm；兩膜孔間縱向距離為單個(gè)播種株距；膜邊覆土寬度為50～100 mm、膜邊覆土厚度為30～50 mm。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

油菜覆膜打孔穴播機(jī)主要由開(kāi)溝犁、仿形地輪、三點(diǎn)懸掛裝置、傳動(dòng)箱總成、旋耕裝置、排肥裝置、穴播排種裝置、雙圓盤(pán)開(kāi)溝器、覆膜裝置、打孔裝置、壓膜覆土裝置等組成。其中，打孔裝置為其核心部件。油菜覆膜打孔穴播機(jī)結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)如圖1、表1所示。

圖1 油菜覆膜打孔穴播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagrams of film perforating and precision dibbling-planter for rapeseed1.開(kāi)溝犁 2.仿形地輪 3.三點(diǎn)懸掛裝置 4.傳動(dòng)箱總成 5.排肥裝置 6.穴播排種裝置 7.打孔裝置 8.覆膜裝置 9.壓膜覆土裝置 10.地膜 11.雙圓盤(pán)開(kāi)溝器 12.旋耕裝置

1.2.2工作原理

工作時(shí)，油菜覆膜打孔精量穴播機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)旋耕裝置以平整地表，仿形地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)穴播排種裝置和排肥裝置以實(shí)現(xiàn)排種施肥作業(yè)；仿形地輪向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地膜被不斷鋪設(shè)到地面，鋪設(shè)過(guò)程中接觸于打孔長(zhǎng)軸上呈一字型排布的8個(gè)組合式打孔裝置，打孔裝置隨機(jī)組地輪同方向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)利用其上打孔部件尖端擠壓、錐端楔切的原理均勻連續(xù)地戳破地膜，從而完成膜上打孔作業(yè)；破孔后地膜經(jīng)壓膜輪不斷被壓入廂溝內(nèi)；覆土圓盤(pán)將土壤回填入廂溝中以鎮(zhèn)壓兩側(cè)膜邊，完成整個(gè)作業(yè)過(guò)程。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2 打孔裝置設(shè)計(jì)

2.1 打孔錐釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用地膜厚度為0.012 mm，柔性強(qiáng)、延展性差，打孔錐釘?shù)男螤钪苯佑绊懹|膜和破膜成孔性能，進(jìn)而影響膜孔質(zhì)量。由于錐形部件破膜能力較強(qiáng)，本文設(shè)計(jì)了三角錐型打孔錐釘和圓錐型打孔錐釘，如圖2所示。

圖2 打孔錐釘結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of conical nail1.三角錐頭 2.承錐底座Ⅰ 3.圓錐頭 4.承錐底座Ⅱ

為增強(qiáng)錐釘觸膜后楔切地膜的能力，設(shè)計(jì)三角錐型錐釘三角錐觸膜寬度ls略大于承錐底座Ⅰ寬度，三角錐連接部分厚度lk在滿足錐釘加工強(qiáng)度的條件下盡量小；考慮到錐釘與底座間的配合關(guān)系，設(shè)計(jì)圓錐型錐釘直徑Ds小于承錐底座Ⅱ?qū)挾龋蚩族F釘錐部長(zhǎng)度hk在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)。為便捷更換不同參數(shù)的錐頭，三角錐與承錐底座Ⅰ、圓錐與承錐底座Ⅱ間通過(guò)鎖緊螺栓連接。

2.1.2形狀確定

打孔錐釘與地膜接觸過(guò)程可分為觸膜階段、破膜成孔階段兩部分。基于三角錐型錐釘和圓錐型錐釘結(jié)構(gòu)可知：兩種錐釘截面相似，地膜最初接觸方式均為點(diǎn)面接觸，均有利于降低破膜成孔難度，提高打孔裝置可靠性。構(gòu)建錐釘與地膜接觸面積數(shù)學(xué)模型并借助PCO. Dimax HD型高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)(德國(guó)PCO)在線拍攝打孔錐釘破膜成孔過(guò)程，分析確定較優(yōu)打孔錐釘形狀，高速攝像在線拍攝圖像如圖3、4所示，錐釘與地膜接觸面積數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中hs——三角錐型錐釘錐部長(zhǎng)度，mm

S1——三角錐型錐釘觸膜面積，mm2

S2——圓錐型錐釘觸膜面積，mm2

圖3 三角錐型錐釘高速攝像試驗(yàn)過(guò)程圖像Fig.3 High-speed photography test process pictures of triangle cone

圖4 圓錐型錐釘高速攝像試驗(yàn)過(guò)程圖像Fig.4 High-speed photography test process pictures of rotary cone

當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)的錐釘關(guān)鍵參數(shù)相同時(shí)，S1

2.2 打孔錐釘尺寸設(shè)計(jì)

圓錐型錐釘?shù)年P(guān)鍵參數(shù)包括打孔錐釘直徑Ds、打孔錐釘頂角α和打孔錐釘高度Tz。

2.2.1打孔錐釘直徑

油菜種子平均粒徑為1.6～2 mm[14]，排種器每穴可播2～3粒種子，輸種與離種溝距離較小，減少?gòu)椞詫?shí)現(xiàn)每穴種子分布范圍小于輸種管內(nèi)徑[15]，地膜具有較強(qiáng)的延展能力，受到壓延變形，打孔錐釘破膜成孔過(guò)程提高了地膜拉伸比，增大了實(shí)際膜孔尺寸。綜上分析，確定打孔錐釘直徑Ds范圍為10～20 mm。

2.2.2打孔錐釘頂角

圓錐型錐釘截面為三角形，打孔錐釘頂角α受錐釘?shù)捉窍拗疲辉诖蚩字睆紻s的約束下，為確保錐釘尖端具有充分?jǐn)D壓、楔切及拉伸地膜的能力，可得打孔錐釘頂角α滿足條件

(2)

式中β——錐釘?shù)捉牵?°)

分析并確定打孔錐釘頂角α變化范圍為30°～60°。

2.2.3打孔錐釘高度

如圖2b所示，打孔錐釘高度Tz包括打孔錐釘錐部長(zhǎng)度hk、螺紋旋入深度Tw以及無(wú)螺紋段長(zhǎng)度Tl。根據(jù)錐釘直徑及裝配形式，選擇細(xì)牙螺距p為1.5 mm，取螺紋旋入深度Tw為13 mm；根據(jù)實(shí)際加工誤差，確定無(wú)螺紋段長(zhǎng)度Tl為5 mm；基于打孔錐釘設(shè)計(jì)分析，打孔錐釘錐部長(zhǎng)度hk受打孔錐釘直徑Ds和打孔錐釘頂角α約束，代入公式

(3)

確定打孔錐釘高度Tz為26.66～55.32 mm。

2.2.4打孔錐釘個(gè)數(shù)確定

打孔錐釘個(gè)數(shù)影響錐釘尖端線速度和打孔性能。打孔錐釘個(gè)數(shù)又受打孔裝置尺寸和油菜穴距的約束，且目前機(jī)具部件安裝個(gè)數(shù)通常為偶數(shù)，綜合分析確定打孔錐釘個(gè)數(shù)Zd為10。

2.3 打孔滾輪設(shè)計(jì)

打孔滾輪作為打孔裝置旋轉(zhuǎn)核心部件，為確保其同軸旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)打孔滾輪如圖5所示。

圖5 打孔滾輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of perforated wheel

打孔滾輪半徑Rg與打孔錐釘個(gè)數(shù)、油菜播種穴距等參數(shù)有關(guān)，打孔滾輪半徑Rg計(jì)算方程為

(4)

式中Sz——油菜播種穴距，mm

Dg——打孔滾輪直徑，mm

本文選用勺式穴播精量排種裝置，根據(jù)其工作原理確定油菜播種穴距方程為

(5)

式中Zp——排種器種勺個(gè)數(shù)，一般為12～18，取12

Dw——仿形地輪直徑，一般為400～700 mm，取450 mm

it——地輪到排種器鏈輪傳動(dòng)比，一般為1.4～3.5，取2.5

δ——地輪滑移系數(shù)[16-17]，取試驗(yàn)測(cè)定值6%

由式(5)計(jì)算得油菜覆膜打孔穴播機(jī)的播種穴距Sz為49.93 mm，取整為50 mm。

聯(lián)立式(4)、(5)得

(6)

由式(6)可知Rg取值范圍為37.19～65.84 mm，基于油菜種子粒徑分布范圍及裝置加工實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題取為40～70 mm。

2.4 打孔裝置結(jié)構(gòu)布局

打孔裝置如圖6a所示，打孔滾輪的外周緣均勻開(kāi)設(shè)有螺紋孔，每個(gè)螺紋孔上安裝打孔錐釘。為實(shí)現(xiàn)覆膜打孔功能，打孔裝置軸向均布8個(gè)，安裝于覆膜裝置后端，其軸向間距與雙圓盤(pán)開(kāi)溝器及排種管間距相同。空間位置上保證一致，以減小落地油菜籽粒與膜孔錯(cuò)位誤差，打孔裝置結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)如圖6b所示。

圖6 打孔裝置整體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)布局Fig.6 Overall structure and its layout of film hole forming device1.打孔錐釘 2.打孔滾輪 3.支撐架系統(tǒng) 4.覆膜裝置 5.打孔長(zhǎng)軸

2.5 打孔裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.5.1膜上運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為確定結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡[18]開(kāi)展理論分析。取打孔裝置上單一錐釘為研究對(duì)象，以錐釘首次完全沒(méi)入膜內(nèi)其尖點(diǎn)所處位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以鉛垂平面傾斜地膜為x軸，以垂直于地膜方向?yàn)閥軸，建立如圖7所示坐標(biāo)系。

圖7 打孔裝置運(yùn)動(dòng)分析Fig.7 Movement analysis of film hole formimg device

軌跡參數(shù)方程為

(7)

式中ωd——打孔裝置角速度，rad/s

θ——打孔裝置運(yùn)動(dòng)角度，(°)

t——打孔裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

δl——膜上打孔過(guò)程中因地輪滑移導(dǎo)致地膜滑移而產(chǎn)生的相對(duì)滑轉(zhuǎn)系數(shù)，%

R——打孔裝置動(dòng)圓半徑，mm

Rh——打孔裝置最長(zhǎng)端半徑，mm

r——打孔裝置上任一點(diǎn)半徑，mm

l——打孔裝置x方向產(chǎn)生的弧形長(zhǎng)度，mm

打孔裝置運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中vm——地膜鋪設(shè)速度，與機(jī)組前進(jìn)速度大小相等，方向相反，km/h

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得打孔裝置在水平方向和垂直方向的速度分量為

(9)

穴播機(jī)可實(shí)現(xiàn)零速投種，vx=0，則有

(10)

式中λ——地膜鋪設(shè)速度與打孔裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度的比，λ為打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的特征參數(shù)

運(yùn)動(dòng)軌跡取決于λ的大小。當(dāng)λ>1時(shí)，錐釘運(yùn)動(dòng)形成短幅旋輪線，此時(shí)不存在水平方向速度為零的點(diǎn)，錐釘與地膜兩者接觸不到，無(wú)法實(shí)現(xiàn)膜上打孔的要求；λ=1時(shí)，錐釘錐體少部分接觸到地膜或兩者為點(diǎn)接觸，運(yùn)動(dòng)形成滾擺線，打孔效果不佳；λ<1時(shí)，打孔錐釘絕大部分沒(méi)入地膜中，錐釘相對(duì)于地膜軌跡為長(zhǎng)幅旋輪線，此時(shí)，膜上打孔軌跡方程為

(11)

2.5.2膜上成孔過(guò)程分析

打孔錐釘破膜成孔過(guò)程示意圖如圖8a所示，以打孔滾輪上某一打孔錐釘?shù)募舛它c(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)A，A接觸地膜開(kāi)始破膜成孔，打孔錐釘運(yùn)動(dòng)到最低位置的過(guò)程中，打孔錐釘?shù)腻F形端面BA首先向前下方運(yùn)動(dòng)，隨著打孔裝置的旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，錐釘逐漸刺入地膜并通過(guò)錐形端面擠壓導(dǎo)致地膜破膜成孔，破膜后BA向后上方運(yùn)動(dòng)退出地膜；打孔錐釘?shù)腻F形端面CA從開(kāi)始觸膜到運(yùn)動(dòng)到最低位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，CA向前下方運(yùn)動(dòng)并楔切地膜，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)開(kāi)始出膜，出膜方向與破膜成孔方向相反。

打孔裝置其上一錐釘從尖端開(kāi)始破膜到下一個(gè)打孔錐釘開(kāi)始觸膜前，破膜成孔部分運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線范圍決定了膜孔形成的大小。打孔錐釘運(yùn)動(dòng)過(guò)程所形成的包絡(luò)線如圖8b所示，繞扣位于地膜以上。同時(shí)，由圖可粗略看出，打孔錐釘破膜成孔過(guò)程中包絡(luò)軌跡形狀為長(zhǎng)幅旋輪線，驗(yàn)證了膜上運(yùn)動(dòng)軌跡分析的正確性。

圖8 打孔裝置膜上成孔過(guò)程分析Fig.8 Analysis of hole forming process on film hole formimg device

2.5.3膜孔尺寸模擬分析

膜孔大小取決于打孔裝置在觸膜出膜過(guò)程中的水平位移，為保證膜孔尺寸符合油菜覆膜種植農(nóng)藝要求，應(yīng)尋求使得水平位移較大的運(yùn)動(dòng)軌跡線。結(jié)合圖7、8分析并簡(jiǎn)化顯示其膜孔形成軌跡，如圖9所示。

圖9 膜孔尺寸分析圖Fig.9 Analysis of film hole size

打孔錐釘所形成膜孔運(yùn)動(dòng)軌跡線可由ABo′CN所形成的包絡(luò)軌跡表示，包絡(luò)軌跡可分為AB、BC、CN段3部分。其中，BC段為打孔錐釘關(guān)鍵點(diǎn)A形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，其參數(shù)方程為

(12)

式中θ1——打孔錐釘關(guān)鍵點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)

AB段為打孔錐釘BA錐形端面形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，其參數(shù)方程為

(13)

式中θ2——BA端面觸膜過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，(°)

α1——打孔錐釘端點(diǎn)B和中心點(diǎn)o的連線與打孔錐釘中線間的夾角，(°)

CN段為打孔錐釘CA錐形端面形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，其參數(shù)方程為

(14)

式中θ3——CA端面觸膜過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，(°)

α2——打孔錐釘端點(diǎn)C和中心點(diǎn)o1的連線與打孔錐釘中線間的夾角，(°)

(15)

由圖9可看出，A、N兩點(diǎn)為打孔錐釘運(yùn)動(dòng)軌跡參考點(diǎn)與地膜的交點(diǎn)，A、N間的距離表示打孔裝置尖端點(diǎn)觸膜和出膜間膜孔長(zhǎng)度，以W1表示，隨著打孔裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，W1也隨之改變。

由式(12)～(15)可直接求得A、N的坐標(biāo)，打孔裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡均呈對(duì)稱(chēng)性，故打孔錐釘在h處的膜孔長(zhǎng)度W1為

W1=|xN-xA|=2|xN|

(16)

(17)

式中h——打孔錐釘入膜深度，mm

由式(16)、(17)得出， 影響膜孔外形尺寸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為錐釘頂角α、錐釘直徑Ds、打孔滾輪半徑Rg?；诖蚩籽b置結(jié)構(gòu)參數(shù)分析膜孔外形尺寸，得出膜孔理論長(zhǎng)度為17.32～43.38 mm，滿足油菜的生長(zhǎng)需要[19]。

3 仿真試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

打孔裝置仿真分析的關(guān)鍵在于模型的正確建立和參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定。在不同的機(jī)械系統(tǒng)中，由于構(gòu)件的彈性變形會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，考慮到分析結(jié)果的精度要求，需要將系統(tǒng)中的部分構(gòu)件處理成實(shí)際可以變形的柔性體[20]。近年來(lái)，基于ADAMS動(dòng)力學(xué)分析與有限元分析耦合的仿真方法被大量用來(lái)分析剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚21]，這種耦合仿真方式在一定程度上解決了應(yīng)用剛體簡(jiǎn)化模型導(dǎo)致仿真分析誤差較大、結(jié)果不可信的問(wèn)題。

3.1 仿真模型建立

本文參照文獻(xiàn)[22-27]建立仿真模型，如圖10a所示，對(duì)打孔裝置開(kāi)展仿真分析，主要仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。得到打孔錐釘關(guān)鍵點(diǎn)軌跡如圖10b所示。

打孔錐釘尖端點(diǎn)從開(kāi)始觸膜到出膜(下一個(gè)打孔錐釘開(kāi)始觸膜前)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成運(yùn)動(dòng)軌跡線，其運(yùn)動(dòng)軌跡線包絡(luò)范圍決定了對(duì)地膜的破損程度，即打孔裝置膜上成孔的效果。為實(shí)現(xiàn)預(yù)期作業(yè)目標(biāo)，其動(dòng)軌跡需滿足以下要求：K1、K2兩點(diǎn)為打孔錐釘運(yùn)動(dòng)軌跡參考點(diǎn)與地膜的交點(diǎn)，其水平分速度為0，保證膜孔不出現(xiàn)連筋現(xiàn)象；運(yùn)動(dòng)時(shí)，地膜需在繞扣點(diǎn)ek及軌跡下端點(diǎn)C2以內(nèi)，以保證地膜與錐釘充分接觸；膜孔尺寸應(yīng)在17.32～43.38 mm范圍內(nèi)；膜孔間距符合油菜種植穴距范圍。

圖10 打孔裝置仿真模型及軌跡Fig.10 Simulation model and trajectory diagram of film hole forming device

表2 主要仿真參數(shù)Tab.2 Main simulation parameters

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

地膜向下鋪設(shè)運(yùn)動(dòng)與打孔裝置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化均由機(jī)組前進(jìn)速度控制，故選擇機(jī)組前進(jìn)速度v作為試驗(yàn)因素；打孔裝置的尺寸參數(shù)直接決定了其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與軌跡，故選取打孔錐釘頂角、打孔錐釘直徑、打孔滾輪半徑作為試驗(yàn)因素。根據(jù)理論分析及前期試驗(yàn)，確定4個(gè)因素的變化范圍：打孔錐釘頂角為47°～53°、打孔錐釘直徑為14～18 mm、打孔滾輪半徑為60～70 mm；機(jī)組前進(jìn)速度為3～5 km/h。為尋求最佳參數(shù)組合，采用四因素三水平正交試驗(yàn)方法[28]，暫不考慮交互作用，開(kāi)展仿真試驗(yàn)研究，試驗(yàn)重復(fù)3次以統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)誤差。打孔裝置正交試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

結(jié)合前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膜孔寬度變化不明顯，膜孔大小取決于打孔裝置在觸膜以及出膜過(guò)程中的水平位移，故以膜孔長(zhǎng)度Y1作為衡量膜上打孔效果指標(biāo)。由于油菜機(jī)播穴距需要控制在50 mm左右，為滿足油菜種植農(nóng)藝，連續(xù)膜上打孔作業(yè)過(guò)程中膜孔間距應(yīng)與機(jī)播油菜穴距相等，以保證膜孔與種穴對(duì)應(yīng)。因此考慮將膜孔孔距仿真參數(shù)值與穴播排種裝置實(shí)際穴距間差值的絕對(duì)值Y2作為評(píng)判打孔裝置對(duì)油菜作物覆膜打孔種植方式適用性的指標(biāo)，簡(jiǎn)稱(chēng)Y2為間距偏差。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)的9個(gè)水平組合試驗(yàn)方案與其對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，A、B、C、D為因素水平值。表5為打孔裝置正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果。

表4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.4 Simulation experiment design and response values

試驗(yàn)結(jié)果表明：打孔錐釘頂角、打孔錐釘直徑、打孔滾輪半徑對(duì)Y1影響極顯著(P<0.01)，機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)Y1影響不顯著(P>0.05)，原因?yàn)椋捍蚩诐L輪半徑越大，打孔間距越大，其上單個(gè)打孔錐釘扎破地膜之后于膜下運(yùn)移時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)軌跡形成的穴口越大，致使Y1變大；打孔錐釘破膜而形成膜孔，其錐釘頂角直接影響打孔裝置對(duì)地膜的擠壓能力，影響其破膜成穴能力，即影響膜孔成形尺寸；打孔錐釘直徑?jīng)Q定了打孔裝置破膜面積，影響了破膜膜面孔徑尺寸。影響膜孔長(zhǎng)度Y1的因素主次順序?yàn)镃、A、B、D，較優(yōu)方案為A3B3C2D2，即打孔錐釘頂角53°、打孔錐釘直徑18 mm、打孔滾輪半徑65 mm、機(jī)組前進(jìn)速度4 km/h。打孔錐釘頂角、打孔錐釘直徑、打孔滾輪半徑、機(jī)組前進(jìn)速度均對(duì)Y2影響極顯著(P<0.01)，原因?yàn)椋捍蚩族F釘頂角和打孔錐釘直徑均影響打孔裝置破膜成圓孔能力，膜孔成形均勻有利于減小膜孔中心距誤差；膜上打孔滾輪在其上安裝的打孔錐釘個(gè)數(shù)不變的條件下，半徑越大，打孔間距越大，離散程度越小，因此膜上打孔滾輪對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)Y2存在較大影響；機(jī)組前進(jìn)速度越大，地膜下降速度越快，打孔裝置作業(yè)連續(xù)性越好，利于提高膜孔間距均勻性，減小尺寸間距誤差。影響間距偏差Y2的因素主次順序?yàn)镃、D、A、B，較優(yōu)方案為A3B2C2D2，即打孔錐釘頂角53°、打孔錐釘直徑16 mm、打孔滾輪半徑65 mm、機(jī)組前進(jìn)速度4 km/h。二者較優(yōu)方案并不完全相同，需要進(jìn)一步優(yōu)選，綜合比較兩優(yōu)化結(jié)果，確定共同因素A、C、D。其中，A最優(yōu)水平為A3，C最優(yōu)水平為C2，D最優(yōu)水平為D2。對(duì)于指標(biāo)Y1與Y2而言，因素B均為較次要因素，本著降低消耗的原則，選取B2，以降低經(jīng)濟(jì)成本。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

圖11 田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiment

3.4 參數(shù)優(yōu)化

綜合考慮各因素對(duì)膜孔長(zhǎng)度Y1及間距偏差Y2兩指標(biāo)的影響，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取。由于膜上打孔性能及膜孔大小的指標(biāo)規(guī)定和評(píng)判方式暫無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，故本文根據(jù)理論計(jì)算及前期經(jīng)驗(yàn)規(guī)定指標(biāo)優(yōu)化范圍為：18 mm≤Y1≤30 mm，Y2最小。較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，在機(jī)組前進(jìn)速度為4 km/h時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)Y1為21.23 mm、Y2為0.29 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

4.1.1試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證仿真模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和裝置工作可靠性，于2019年10月2—3日對(duì)打孔裝置較優(yōu)參數(shù)組合開(kāi)展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地，試驗(yàn)前測(cè)得田間土壤含水率為18.38%，堅(jiān)實(shí)度為2277.5 kPa，田間平整度為11.44 mm，風(fēng)速為1.81 m/s，試驗(yàn)過(guò)程中樣機(jī)以LX954型拖拉機(jī)為前進(jìn)動(dòng)力，以慢3擋位開(kāi)展性能驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次。

4.1.2試驗(yàn)方法

按照NY/T 987—2006《覆膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》要求，以長(zhǎng)40 m、寬2 m的試驗(yàn)小區(qū)開(kāi)展田間試驗(yàn)，選取中間20 m作為測(cè)量區(qū)域。對(duì)試驗(yàn)后地膜開(kāi)展測(cè)量工作，測(cè)量工具為數(shù)顯游標(biāo)卡尺(分辨率0.01 mm，量程0～150 mm)與直角鋼尺(量程300 mm)，測(cè)量區(qū)域選取每組試驗(yàn)中間速度穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的100個(gè)膜孔，試驗(yàn)裝置如圖11a所示，試驗(yàn)整體效果如圖11b所示，膜上打孔效果如圖11c所示。

參照NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，以膜孔長(zhǎng)度及各行膜孔長(zhǎng)度一致性變異系數(shù)、膜孔間距及膜孔間距均勻性變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)多行打孔裝置打孔性能的指標(biāo)。其中各行膜孔長(zhǎng)度一致性變異系數(shù)計(jì)算方法為

(18)

式中xij——第j次第i行的膜孔長(zhǎng)度，mm

k——打孔錐釘工作行數(shù)

n——試驗(yàn)次數(shù)

Sj——第j次試驗(yàn)?zāi)た组L(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

H——各行膜孔長(zhǎng)度一致性變異系數(shù)，%

膜孔間距均勻性變異系數(shù)計(jì)算方法為

(19)

式中mij——第j次第i行的膜孔間距，mm

σm——第j次試驗(yàn)?zāi)た组g距標(biāo)準(zhǔn)差，mm

K——各行膜孔間距均勻性變異系數(shù)，%

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

膜孔長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，膜孔間距試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 膜孔長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of film hole length mm

表7 膜孔間距試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Experimental results of membrane hole spacing mm

試驗(yàn)結(jié)果表明：膜孔形狀較規(guī)則，普遍呈類(lèi)圓形狀，膜孔長(zhǎng)度均大于18 mm，各行膜孔長(zhǎng)度一致性變異系數(shù)為4.98%；膜孔間距較為均勻，各行膜孔間距均勻性變異系數(shù)為3.44%，裝置作業(yè)性能良好。田間試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的可行性及正確性，同時(shí)表明了打孔裝置滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于螺紋連接方式的法蘭式滾輪與螺紋式圓錐型錐釘組合式結(jié)構(gòu)的膜上打孔裝置，建立了打孔裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析得出了錐釘關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為長(zhǎng)幅旋輪線，確定了膜上打孔過(guò)程，并基于軌跡方程分析了膜孔尺寸。

(2)利用ADAMS對(duì)打孔裝置進(jìn)行仿真試驗(yàn)，采用四因素三水平正交試驗(yàn)方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定較優(yōu)參數(shù)組合為打孔錐釘頂角53°、打孔錐釘直徑16 mm、打孔滾輪半徑65 mm、機(jī)組前進(jìn)速度4 km/h。

(3)經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，在較優(yōu)參數(shù)組合下，各行膜孔長(zhǎng)度一致性變異系數(shù)為4.98%，膜孔形狀較為規(guī)則，普遍呈類(lèi)圓形狀，膜孔長(zhǎng)度均大于18 mm；各行膜孔間距均勻性變異系數(shù)為3.44%，膜孔間距較為均勻，與仿真結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真參數(shù)組合選取合理，打孔裝置符合設(shè)計(jì)要求。