陳海濤 竇玉寬 王 宇 侯守印 馮斌杰 祝祎璠

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

覆膜栽培技術具有提高地溫、保水保肥、增產(chǎn)增值的效果[1-3]，已成為煙草等作物的首選栽培模式。近年來，隨著覆膜技術的推廣和覆膜范圍的擴大，塑料地膜的用量和使用面積不斷增加，雖然提高了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，但塑料地膜殘留量的逐年累積[4-5]，導致作物產(chǎn)量降低和土地資源污染等一系列問題[6-9]。秸稈纖維地膜無污染、無殘留、無需回收，在作物生長期內(nèi)可完全降解，并具有抑草效果[10-12]，已成為未來重要發(fā)展方向。秸稈纖維地膜的力學特性不同于傳統(tǒng)塑料地膜，使用現(xiàn)有覆膜裝備進行敷設，容易導致秸稈纖維地膜斷裂，覆膜質量較差。為提高作業(yè)效率、降低勞動強度、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，設計一種適用于秸稈纖維地膜的壟上覆膜機械很有必要。

為實現(xiàn)不同類型地膜的覆膜機械化作業(yè)，國內(nèi)外學者對覆膜機械進行大量研究。在塑料地膜敷設裝備方面，針對不同的覆膜栽培作物，設計了可實現(xiàn)起壟、覆膜、膜上播種、膜上移栽等聯(lián)合作業(yè)裝備[13-15]。在可降解地膜敷設裝備方面，三菱株式會社[16]研制的MKP610型紙膜覆蓋插秧機可實現(xiàn)地膜敷設、插秧、斷面功能；張子浩[17]設計了一種水稻插秧機秸稈纖維地膜敷設裝置，實現(xiàn)了水田覆膜和插秧的同步作業(yè)；任文濤等[18]設計了一種水稻紙膜敷設裝置，可對地膜進行展平和鎮(zhèn)壓。塑料地膜力學性能優(yōu)于秸稈纖維地膜，在采用塑料地膜覆膜機鋪設秸稈纖維地膜時，會增加秸稈纖維地膜膜邊的機械破損度，導致地膜沿膜邊撕裂，降低了覆膜效率。目前，對可降解地膜敷設裝備的研究主要針對水田作業(yè)環(huán)境，關于旱作秸稈纖維地膜壟上敷設裝置的相關研究較少。

本文設計一種秸稈纖維地膜壟上敷設裝置，建立壟上覆膜數(shù)學模型，考慮地膜變形量對覆膜的影響，通過理論分析確定關鍵部件結構及參數(shù)范圍，通過正交試驗設計得出較優(yōu)參數(shù)組合，并進行試驗驗證，以期解決秸稈纖維地膜斷裂和膜邊破損問題。

1 煙草覆膜栽培要求及覆膜特性

1.1 煙草壟形與覆膜要求

煙草壟形具體參數(shù)如圖1所示[19]。壟高H為25～30 cm，壟底寬J為80～90 cm，壟頂寬I為30 cm，壟距W為110 cm。

地膜選用東北農(nóng)業(yè)大學研制的小麥秸稈纖維地膜(簡稱秸稈纖維地膜)，壟形尺寸決定地膜寬度L1為120 cm。根據(jù)覆膜農(nóng)藝要求，地膜需要均勻鋪到壟上，不能有漏覆、斷裂等現(xiàn)象。機械化覆膜要平整、嚴實，秸稈纖維地膜機械破損程度和展平度達到鋪膜穴播機作業(yè)質量標準。

1.2 覆膜特性

地膜物理特性決定了覆膜裝置的設計思路并提供了設計依據(jù)。按照GB/T 24328.3—2009利用抗張試驗儀測定秸稈纖維地膜斷裂伸長率及抗張強度；按照GB/T 1539—2007利用紙張耐破度測定儀測定秸稈纖維地膜的耐破度；根據(jù)文獻[17,20]確定塑料地膜物理特性參數(shù)。秸稈纖維地膜和塑料地膜物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 地膜物理特性參數(shù)

根據(jù)文獻[21]，抗張能量吸收值(Tensile energy absorption，TEA)是負載-伸長曲線的積分，隨抗張強度和斷裂應變增加而增大，TEA越大，越利于壟上覆膜。由表1可知，塑料地膜為塑性材料，塑料地膜TEA遠大于秸稈纖維地膜TEA且塑料地膜具有屈服臺階[22]，進行壟上覆膜時塑料地膜在受到不同方向的拉力作用下，會增加自身伸長量使能量消散而不斷裂。秸稈纖維地膜屬于脆性材料，表現(xiàn)為各向異性。秸稈纖維地膜的縱向斷裂伸長率小于橫向斷裂伸長率，導致在覆膜時主要出現(xiàn)縱向脆性斷裂。已知秸稈纖維地膜抗張強度為定值(負載最大值不變)，為避免壟上覆膜時秸稈纖維地膜出現(xiàn)斷裂，應增加秸稈纖維地膜變形量，以此增加秸稈纖維地膜壟上覆膜所需TEA。因此，需研究覆膜栽培作物的壟形尺寸和地膜寬度對秸稈纖維地膜變形量的影響。

2 整機結構與工作原理

2.1 整機結構

煙草覆膜機主要由懸掛架、機架、掛膜機構、展膜輥、側導向輥、壓邊覆土鎮(zhèn)壓機構、限深輪組成。懸掛架一端與拖拉機三點懸掛，另一端與機架固連，從左向右展膜輥、側導向輥、壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置、限深輪依次掛接在機架上，與機架U型螺栓連接，掛膜機構安裝在展膜輥和側導向輥之間與機架固連，秸稈纖維地膜安裝到掛膜機構上。整體結構如圖2所示。

2.2 工作原理

拖拉機勻速平穩(wěn)前進，秸稈纖維地膜從掛膜機構抻出；經(jīng)展膜輥筒將秸稈纖維地膜壓向壟頂；由側導向輥筒將秸稈纖維地膜兩側導向壟溝并與壟側面貼合；經(jīng)壓邊輪、覆土盤、鎮(zhèn)壓輪對壟溝地膜進行壓邊、覆土、鎮(zhèn)壓，實現(xiàn)秸稈纖維地膜壟上敷設，如圖3所示。通過改變限深輪在鉛垂方向位置，調節(jié)機架與壟的相對高度；調節(jié)兩組側導向輥間的距離及兩組壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置間的距離，實現(xiàn)不同壟形的壟上覆膜作業(yè)。相比現(xiàn)有覆膜機，本文設計的側導向輥能實現(xiàn)壟側仿形且通過調節(jié)側導向輥傾角提高覆膜質量，同時在覆土盤后增設鎮(zhèn)壓輪，增強膜上土壤抗侵蝕性。

3 關鍵部件設計及理論分析

3.1 壟上覆膜理論模型建立

為方便壟上覆膜分析與計算，做以下假設：

(1)壟上覆膜時，煙草覆膜機保持勻速作業(yè)，且壟形尺寸固定不變，確保每一時刻各工作部件的運動狀態(tài)不發(fā)生改變，即側導向輥、壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置對地膜的壓力和摩擦力不變。

(2)覆膜分析時，將壟上覆膜過程視為某一時刻的地膜靜態(tài)形變過程。

為避免地膜松弛和褶皺，要求覆膜部件對秸稈纖維地膜施加預張力，如圖4所示。展膜輥、側導向輥及壓邊輪對壟側地膜施加預張力使地膜表面AEFO在不同方向拉伸變形。

壟上覆膜時秸稈纖維地膜受空間力系作用，使地膜表面曲率出現(xiàn)復雜變化且秸稈纖維地膜彈性模量表現(xiàn)各向異性，無法準確計算地膜在各方向的變形量，因此，加入修正系數(shù)k，模擬地膜最大變形量。秸稈纖維地膜被拉伸的縱向距離為x，鋪設到壟溝后秸稈纖維地膜的膜邊最大長度為lEF。避免地膜斷裂的條件為地膜理論變形量小于地膜最大變形量，其關系為

(1)

式中A1——地膜縱向斷裂伸長率，%

B1——地膜橫向斷裂伸長率，%

l——地膜鋪設前后的橫向差值，cm

L1——地膜寬度，cm

h——展膜輥相對壟溝高度，cm

其中地膜鋪設前后的橫向差值為

(2)

修正系數(shù)k表示實際形變量與理論形變量的比值，計算公式為

(3)

式中x1——秸稈纖維地膜被拉伸理論縱向距離，cm

x2——秸稈纖維地膜被拉伸實際縱向距離，cm

當I=30 cm、J=80 cm、H=25 cm、L1=120 cm時，由式(2)可得，地膜鋪設前后的橫向差值l為10.4 cm。當無模型修正時，理論計算可得：x1≥86.1 cm時，秸稈纖維地膜膜邊不會出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。經(jīng)預試驗驗證，當x2≥79.0 cm時，可避免出現(xiàn)膜邊撕裂。將x1=86.1 cm、x2=79.0 cm代入式(3)可得修正系數(shù)k=1.07。

由式(1)可知，l、H和h決定展膜輥和壓邊輪的縱向距離，間接影響覆膜機構總的縱向長度。為減小煙草覆膜機的縱向長度，在滿足覆膜農(nóng)藝要求的基礎上，應盡量縮小展膜輥相對壟溝高度h和地膜鋪設前后的橫向差值l。

為驗證壟上覆膜模型可信度，需要計算數(shù)學模型的相對誤差界。由式(1)可得

(4)

由式(4)可知，f(x)為一元二階可導函數(shù)，采用Taylor[23]展開方法來估計f(x)的相對誤差界，計算式為

(5)

式中en——n誤差界

er(f(x))——f(x)相對誤差界

f′(n)——導數(shù)值

n——試驗測量值

其中試驗測量值n的相對誤差界為

(6)

式中xδ——模型計算值，cm

er(n)——n的相對誤差界

為驗證模型相對誤差界，令f(xδ)=0，求得xδ=80.8 cm。忽略觀測誤差的影響，經(jīng)試驗測量n=79.0 cm。將參數(shù)代入式(4)～(6)計算秸稈纖維地膜壟上覆膜模型的相對誤差界er(f(xδ))≤0.005，試驗測量值的相對誤差界er(n)=0.023。

3.2 側導向輥

側導向輥主要由側導向輥筒、仿形連接架、仿形桿、移動架構成，結構如圖5所示。側導向輥筒可繞軸自轉；仿形桿實現(xiàn)壓力調節(jié)及仿形功能；仿形連接架可繞z軸自轉完成輥筒角度調節(jié)，并可沿x軸、y軸和z軸方向進行位置調節(jié)，側導向輥在壟的兩側呈對稱分布。

3.2.1側導向輥傾角

覆膜時地膜出現(xiàn)松弛或褶皺會引起l的增大，導致變形量增加，使地膜斷裂。為避免出現(xiàn)褶皺單元，側導向輥需為地膜提供預張力，保證壟上覆膜的展平度。側導向輥的展膜功能主要由側導向輥筒與地膜接觸形式?jīng)Q定，如圖6所示。

當側導向輥與覆膜機前進速度夾角(簡稱側導向輥傾角)α等于90°時，側導向輥絕對速度可分解為側導向輥筒線速度v2與機組前進速度v1，2種速度相互抵消，使側導向輥筒做純滾動，并對地膜施加向前拉伸的滾動摩擦力Ff1(縱向張緊)。垂直地膜的均布力Fn在秸稈纖維地膜上形成矩形面1，壟側地膜的上部、中部、底部同時被壓向壟溝，不能實現(xiàn)漸近式導膜過程，地膜易出現(xiàn)褶皺。

當側導向輥傾角α小于90°時，機組前進速度v1和側導向輥筒線速度v2不共線，使側導向輥筒既做滾動，又做滑動。根據(jù)摩擦定理可以確定沿著水平方向產(chǎn)生滑動摩擦力Ff2(縱向張緊)，沿滾筒切線方向產(chǎn)生滾動摩擦力Ff3(橫向和縱向張緊)。把垂直地膜的均布力Fn劃分成3個區(qū)域，同一處地膜依次經(jīng)過區(qū)域1、區(qū)域2完成漸進式導膜過程，使地膜平整鋪設到壟側面上。區(qū)域3為保持區(qū)，與壓邊輪配合作業(yè)，順利完成壓邊工作。當側導向輥傾角α變小，舒展區(qū)域(區(qū)域1和區(qū)域2)增大，增加橫向和縱向張緊力作用在壟側地膜時間，減少褶皺單元。α計算公式為

(7)

式中l(wèi)AB——壟側面寬度，cm

lBE——側導向輥縱向投影長度，cm

依據(jù)壟形可知，lAB為固定值35 cm，lBE最大值為120 cm(試驗獲得)；代入式(7)得α的最小值為16.2°，因此α取值范圍為16.2°～90.0°。

3.2.2仿形機構設計

調節(jié)側導向輥傾角α時，為使側導向輥與壟側地膜貼合需要調節(jié)仿形桿件的長度，如圖7所示。圖中實線為α=90°時位置，虛線為α<90°時位置。

仿形連接架為矩形框架，仿形桿的初始長度S1=105 mm，當仿形連接架繞z軸順時針轉過相應角度后，仿形桿的長度變?yōu)镾2，其計算公式為

黨的十九大召開后，意識形態(tài)工作已經(jīng)納入了新時代黨的建設總要求，職業(yè)院校黨委要旗幟鮮明講政治，牢牢把握意識形態(tài)工作的領導權和主導權，切實擔負意識形態(tài)工作的主體責任。建立健全黨委統(tǒng)一領導、黨政工團齊抓共管、黨委宣傳部門牽頭協(xié)調、有關部門和各院(系)共同參與和齊抓共管的意識形態(tài)工作新格局，形成抓長抓制度落實、抓常抓職責履行、抓細抓工作督查的新常態(tài)工作機制，切實將意識形態(tài)納入全面從嚴治黨責任清單，責任到人，加強考核，開創(chuàng)意識形態(tài)工作新局面。

(8)

其中

式中l(wèi)14——點O1與點O4間距離，mm

l13——點O1與點O3間距離，mm

φ——初始角，(°)

δ——下降角，(°)

由式(8)可知，S2與S1、l14、φ、δ取值有關，已知S1=105 mm，取l14=150 mm，可得l13=183 mm，φ=35°。按照煙草壟形尺寸確定δ范圍為0°～45°。S2是關于δ的增函數(shù)，當δ=45°時，S2最大值為215.5 mm。

根據(jù)秸稈纖維地膜物理特性參數(shù)確定側導向輥對地膜施加的壓力約束條件為

(9)

其中

式中Fz——秸稈纖維地膜縱向抗張力，N

Fh——秸稈纖維地膜橫向抗張力，N

kσ1——縱向抗張強度，kN/m

kσ2——橫向抗張強度，kN/m

μ1——輥筒與秸稈纖維地膜間滑動摩擦因數(shù)

μ2——輥筒與秸稈纖維地膜間滾動摩擦因數(shù)

輥筒材質采用橡膠，經(jīng)測量可知μ1=0.7，μ2=0.1，kσ1=2.23 kN/m，kσ2=1.58 kN/m，α為16.2°～90.0°，將參數(shù)代入式(9)得Fn≤116.8 N，取Fn=50 N。

3.3 壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置

壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置主要由壓邊輪、覆土盤、鎮(zhèn)壓輪、仿形裝置構成。壓邊輪將膜邊壓入壟溝，由覆土盤完成覆土，鎮(zhèn)壓輪完成膜上土壤壓實，仿形裝置實現(xiàn)施加壓力調節(jié)，如圖8所示。

3.3.1壓邊輪設計

膜邊受力分析如圖9所示。采用圓柱形輪進行壓邊作業(yè)時，膜邊各處承受相同分布載荷q3，使膜邊CA處出現(xiàn)剪切形變，因秸稈纖維地膜面內(nèi)剛度大，不宜承受剪切形變，當作業(yè)速度和施加壓力增加時，增加地膜機械破損程度。為避免膜邊出現(xiàn)剪切形變，將壓邊輪設計成錐度輪，使分布載荷q1在膜邊CA處為0。

當施加在壓邊輪上的力過小時，使壓邊輪下陷量不足，導致地膜與壟側面會出現(xiàn)空隙a，如圖10所示；當施加在壓邊輪上的力過大時，CA處下陷產(chǎn)生剪切形變，易造成CA處地膜破損，使覆膜機的敷設質量下降。為避免上述狀況，需要計算出合適的施加壓力，保證壓邊輪處于理想位置。錐角β與最大下陷量Z0、壓邊寬度b有關。根據(jù)煙草種植壟形特點及膜卷寬度要求，地膜最大壓邊寬度為100 mm。壓邊輪的寬度應不小于地膜的壓邊寬度，取b為100 mm。壓邊輪直徑過小，壓邊時間短，拖土現(xiàn)象嚴重，直徑過大，影響機器工作穩(wěn)定性，壓邊輪的直徑在合理范圍(200～500 mm)選取[24]。取壓邊輪最小直徑D1為200 mm。煙草種植過程需要旋耕和起壟作業(yè)，取下陷量Z0=8 mm，經(jīng)計算壓邊輪錐角β為85°，壓邊輪最大直徑D2為216 mm。

3.3.2壓邊輪載荷分析

下陷量相同時，根據(jù)力的合成定理得

Q1=Q3/2

(10)

其中

式中Q1——作用在壓邊輪上的總載荷，N

Q3——作用在圓柱形輪上的總載荷，N

Bf——分布載荷寬度，cm

當非剛性路面承受載荷，且圓柱形輪的下陷量不大時，其下陷量計算可簡化為[25]

(11)

其中

K=α0(1+0.27Be)

式中Z——下陷量，cm

D——圓柱形輪直徑，cm

Be——圓柱形輪寬度，cm

K——土壤特性系數(shù)

α0——與土壤特性相關參數(shù)

由式(11)可知，當Z=Z0、D=D2、Be=b時，錐形壓邊輪載荷與下陷量關系為

(12)

式中D2——壓邊輪大徑，mm

對于剛松過土的壤土，土壤特性相關參數(shù)[25]α0=1.01，將壓邊輪參數(shù)代入式(12)得Q1=57.9 N。

壓邊輪與地膜接觸面的展開面類似扇形面，如圖11所示。接觸面面積Sa計算式為

(13)

式中γ——壓邊輪與地膜接觸面展開角，rad

Rx——展開面曲率半徑，cm

當下陷量Z0遠小于大徑D2時，Rx與壓邊輪母線長R0近似相等，可把展開面按扇形面計算，其中γ計算式為

(14)

式中θ——壓邊輪與地膜接觸角，rad

將式(14)代入式(13)可得

(15)

經(jīng)計算Sa=20.6 cm2。

秸稈纖維地膜不破裂的條件為

(16)

式中Y——秸稈纖維耐破度，kPa

經(jīng)計算壓邊輪作用在秸稈纖維地膜壓強為28.1 kPa，小于秸稈纖維地膜耐破度。

3.3.3鎮(zhèn)壓輪設計

根據(jù)文獻[26]可知，土壤堅實度主要取決于土壤粘結力，土壤粘結力越大，抵抗外力分散的能力越強，土壤抗侵蝕能力越強。通過鎮(zhèn)壓可提高膜上土壤堅實度，減少膜上土壤損失，提升覆膜種床的抗風能力。根據(jù)文獻[27]可知，鎮(zhèn)壓輪對土壤的壓力一般為30～50 kPa。鎮(zhèn)壓輪采用錐形輪，鎮(zhèn)壓輪寬度T=100 mm，小徑D3=200 mm，由式(12)、(15)可知，壓力是關于下陷量的函數(shù)，為加大鎮(zhèn)壓輪接地壓力，取下陷量Z1=10 mm，鎮(zhèn)壓輪大徑D4=220 mm。

參照壓邊輪與地膜接觸面積，得鎮(zhèn)壓輪載荷計算公式為

(17)

式中Sb——鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積，cm2

R1——鎮(zhèn)壓輪母線長，cm

將鎮(zhèn)壓輪結構參數(shù)代入式(17)得，鎮(zhèn)壓輪載荷Q2=73.0 N，鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積Sb=23.2 cm2。鎮(zhèn)壓輪接地壓力ρ為

(18)

計算可得鎮(zhèn)壓輪接地壓力ρ=31.5 kPa，滿足鎮(zhèn)壓要求。

3.3.4彈簧力調節(jié)分析

壓力調節(jié)桿受力分析如圖12所示。通過理論力學分析可知，滾子滾動時所需的水平牽引力P在數(shù)值上等于滾動摩擦力，因此，忽略牽引力P對彈簧力的影響，對點O5建立力偶方程為

Ql2-F1l1=0

(19)

式中F1——彈簧力，N

l1——彈簧力力臂，mm

l2——施加載荷力臂，mm

Q——施加載荷，N

經(jīng)推導彈簧力與施加載荷關系為

(20)

設計彈簧安裝位置時，令l2/l1=2，因此在彈簧選型時，F(xiàn)1≥146 N。

4 試驗與結果分析

為優(yōu)化敷設裝置結構和工作參數(shù)，在東北農(nóng)業(yè)大學實驗基地實施正交試驗。

4.1 試驗條件與儀器設備

試驗條件：試驗實施日期為2020年10月6日，試驗地點0～10 cm土壤容重為1.21 g/cm3，土壤平均含水率16.4%。

試驗儀器設備：選用奔野324型拖拉機為覆膜機提供配套動力。卷尺(量程5 m，精度1 mm)；直尺(量程20 cm，精度1 mm)；環(huán)刀組件(容積100 cm3);干燥箱；SC-900型土壤緊實度儀；JD1000-2型電子秤；數(shù)碼相機。

4.2 試驗方案

4.2.1試驗因素與水平

(1)展膜輥與壓邊輪距離(簡稱輥輪距離)：對壟上覆膜數(shù)學模型分析可知，輥輪距離決定秸稈纖維地膜實際最大變形量，當輥輪距離過小會增加地膜的膜邊破損程度，導致地膜斷裂，因此輥輪距離是地膜破損程度關鍵因素。通過式(1)計算可得當輥輪距離大于等于79 cm時，避免地膜的膜邊破損，取最小輥輪距離為80 cm；當輥輪距離過大會影響機具的運輸和縱向穩(wěn)定性，取最大值為120 cm。試驗時輥輪距離的選取范圍為80～120 cm。

(2)側導向輥傾角：是指側導向輥與覆膜機前進方向的夾角，通過理論分析可得，側導向輥傾角影響側導膜輥筒對地膜均布力及摩擦力作用效果，是影響地膜展平度的重要影響因素。由式(7)計算可得側導向輥傾角取值范圍為16.2°～90.0°。為實現(xiàn)傾角調節(jié)避免側導向輥與展膜輥、壓邊輪出現(xiàn)干涉，試驗時傾角選取范圍為30°～90°。

(3)工作速度：依據(jù)生產(chǎn)試驗經(jīng)驗，工作速度與機械化覆膜作業(yè)質量呈負相關。工作速度過低影響生產(chǎn)效率，根據(jù)文獻[28]，取覆膜機最小工作速度為3.6 km/h；工作速度過快加劇覆膜裝置振動，影響作業(yè)可靠性。在保證機械化覆膜作業(yè)質量前提下，應盡提高作業(yè)速度。經(jīng)預試驗驗證，當覆膜機作業(yè)速度超過5.4 km/h時秸稈纖維地膜破損現(xiàn)象明顯增加。因此，確定覆膜機工作速度為3.6～5.4 km/h。

采用L9(34)正交試驗方法[29]，因素水平如表2所示。

表2 正交試驗因素水平

4.2.2評價指標

參考《鋪膜穴播機作業(yè)質量》(NY/T 987—2006)，選取試驗指標如下：

采光面展平度：為覆膜后采光面地膜寬度與褶皺展平后的寬度百分比，即

(21)

式中Sc——采光面展平度，%

B1i——采光面第i點寬度，mm

B2i——采光面地膜展平后第i點寬度，mm

采光面機械破損程度：為采光面上所有機械破損位置的縫長或邊長與測量的單位面積比，即

(22)

式中Sd——采光面機械破損程度，mm/m2

Li——測區(qū)內(nèi)第i處機械破損部位的邊長或縫長，mm

L——測區(qū)長度，m

U——測區(qū)內(nèi)采光面地膜寬度平均值，m

4.3 田間試驗與分析

4.3.1田間試驗

根據(jù)正交試驗表實施9組試驗，每組試驗重復3次，并應用Design-Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析。試驗裝置如圖13所示。

4.3.2極差分析

試驗結果與極差分析如表3所示。A、B、C分別為輥輪距離、側導向輥傾角、工作速度水平值。

表3 試驗結果與極差分析

對于采光面展平度，影響主次順序為B、C、A，優(yōu)化組合A3B1C2，即輥輪距離120 cm，側導向輥傾角 30°，工作速度4.5 km/h；采光面機械破損程度影響主次順序為C、A、B，優(yōu)化組合A3B2C1，即輥輪距離120 cm，側導向輥傾角60°，工作速度3.6 km/h。

二者優(yōu)化結果并不完全相同，需要進一步優(yōu)選。因素A的兩種優(yōu)化結果相同，選擇A3為最優(yōu)水平；由因素B對指標Y1和Y2影響主次順序，確定因素B最優(yōu)水平為B1。因素C對指標Y1極差為0.9、對指標Y2極差為30.9，因此由指標Y2確定因素C最優(yōu)水平為C1。

綜上，通過極差分析得出優(yōu)化因素組合：輥輪距離120 cm，側導向輥傾角30°，工作速度3.6 km/h。

4.3.3方差分析

對試驗結果進行方差分析，如表4所示。

表4 正交試驗方差分析結果

對于采光面展平度，側導向輥傾角對其影響極顯著(P<0.01)，輥輪距離和工作速度對其影響不顯著(P>0.05)，這是因為側導向輥傾角改變側導向輥作用在壟側地膜的時間和力的方向，傾角越小導膜時間越長，因此，確定因素B的最優(yōu)水平為B1；對于采光面機械破損度，輥輪距離和工作速度對其影響顯著(0.010.05)，因為距離增大，地膜最大變形量增大，減少破損度；工作速度增加，導致機械振幅增加，工作穩(wěn)定性降低，破損度增加，因此，確定因素A最優(yōu)水平為A3，因素C最優(yōu)水平為C1。

綜上，通過方差分析得出優(yōu)化因素組合：輥輪距離120 cm，側導向輥傾角30°，工作速度3.6 km/h。

4.3.4最優(yōu)參數(shù)組合

通過極差分析和方差分析得到一組優(yōu)化結果：輥輪距離120 cm、側導向輥傾角30°、工作速度3.6 km/s，此時采光面展平度96.9%、采光面機械破損程度17.6 mm/m2。

按此優(yōu)化結果進行驗證試驗(重復5次取平均值)，結果顯示：采光面展平度97.4%，采光面機械破損程度12.6 mm/m2。由驗證試驗結果可知：在優(yōu)選后的參數(shù)組合下，試驗結果與優(yōu)化結果基本相符，優(yōu)化結果可信。

5 結論

(1)基于煙草栽培農(nóng)藝要求，設計了一種小麥秸稈纖維地膜壟上敷設裝置。建立了壟上覆膜數(shù)學模型，探明了秸稈纖維地膜產(chǎn)生斷裂的主要影響因素，對側向導膜過程進行了力學和運動學分析，確定了參數(shù)取值范圍，并對側導向輥和壓邊覆土鎮(zhèn)壓裝置等關鍵部件進行了設計。

(2)小麥秸稈纖維地膜煙草栽培壟上敷設裝置在旋耕起壟含水率為16.4%地況上，當作業(yè)參數(shù)組合為輥輪距離120 cm、側導向輥傾角30°、工作速度3.6 km/h時，采光面機械破損程度為12.6 mm/m2，采光面展平度為97.4%，滿足煙草栽培壟上覆膜機械化作業(yè)和農(nóng)藝要求。