跨越式膜上覆土裝置的參數仿真設計與試驗

李 迪，孫 偉，石林榕，張 華，劉小龍，吳建民

(甘肅農業大學機電工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

近年來，覆膜種植作為一種抗旱技術在西北旱作農業區廣泛應用于玉米、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、促進作物生長等顯著作用[3-7]。在馬鈴薯全膜壟作種植中，對種行覆土后，種芽可借助覆土帶的壓實作用，自行穿透地膜后破土而出，省去人工打孔、放苗、壓土等作業[8]。鋪膜覆土作業作為全膜覆土種植技術中的關鍵工序，目前基本上采用簡易機具鋪膜覆土的方式，作業效率低、覆土均勻性較差，由此導致的易受風力破壞、燒苗、出苗受阻等問題嚴重制約著全膜覆土種植技術的推廣。因此，解決覆土作業質量問題具有十分重要的意義。

西北農機工作者對適用于膜上覆土種植模式的覆土裝置進行了一系列的研究，如安世才等[9]設計研制了集開溝、起壟、整形、施肥、鋪膜、覆土壓膜作業為一體的起壟全鋪膜聯合作業機，張勇等[10]在此基礎上對該覆土機構進行了優化改進；黃閃閃等[11]將升運式覆土機構運用到移栽機當中，實現了對穴覆土功能；孫偉等[12]對刮板升運帶式覆土機構的覆土特性主要是覆土量進行了研究。但這些研究對覆土寬度和覆土厚度均未有詳細的論述，而覆土寬度和覆土厚度也是衡量覆土作業質量的兩個重要指標。

為此，本研究以自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機[13]為依托，針對刮板升運鏈膜上覆土裝置，運用EDEM離散單元法和響應曲面法，通過對覆土寬度和覆土厚度合格率與相關作業參數的模擬研究分析，建立二次回歸模型，優化得到最佳工作參數，并進行驗證試驗，以獲得較合理的、能夠滿足農藝要求的鏈速與機組前進速度比、排土口高度、排土口寬度，從而為膜上覆土機構的研究設計提供參考。

1 覆土作業農藝要求

以西北旱區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。根據農藝要求，種行覆土寬度應為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

膜上覆土作業要求土壤從種行膜頂覆蓋至膜側，然而，覆土帶過寬或覆土過厚，采光面減小，勢必將減弱地膜的增溫作用，而且在升運、傳送額外土壤的過程中會消耗更多的能量；覆土帶過窄或覆土過薄，發揮不出土壤對種苗的壓實作用，影響出苗效果。因此，覆土寬度和覆土厚度是覆土作業質量的兩個重要指標，合理控制這兩個指標對馬鈴薯全膜雙壟溝覆土種植作業至關重要。

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數與小區總測定點數之比，即

(1)

式中，Fh為膜上覆土厚度合格率(%)；d為膜上覆土厚度合格點數；d0為小區總測定點數。

2 結構組成及工作原理

跨越式膜上覆土裝置如圖2所示，基于現有的刮板升運帶式膜上覆土裝置，采用鏈式刮板輸土機構設計而成，主要由起土鏟、調節機構、刮板升運鏈、張緊機構、分土器、主動輪、從動輪等構成。起土鏟在鋪膜裝置前取土，刮板升運鏈將起土鏟鏟起的土壤提升、傳送，越過鋪膜機構，經分土器將土壤按要求鋪灑在種行對應的地膜條帶上，完成膜上覆土作業。

1.機架；2.起土鏟；3.調節拉桿；4.刮板升運鏈；5.分土器；6.地輪；7.傳動鏈

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

圖2 跨越式覆土裝置機構示意圖及實物圖

Fig.2Structurediagramofcrossingcoveringsoildeviceandphysicalphoto

3 關鍵部件設計

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鏈傳送部件上去。對起土部件的要求是：(1) 在保證起土量足夠的情況下盡可能少挖取土壤，并保證鏟土深度穩定且根據不同地況可適量調節；(2) 保證土垡能夠沿著鏟面順利提升至刮板升運鏈部件。為避免工作時壅土現象的發生，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系為：

q0=v×Δt×b0×h0

(2)

式中，q0為起土量；v為機組前進速度；Δt為機組工作時間；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一般設計角度為14°～25°。由起土鏟受力情況圖可建立如下方程[14]：

(3)

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

(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取值應盡可能小。

圖3 起土鏟受力簡圖

Fig.3Forceddiagramofdiggingshovel

3.2 升運鏈

升運鏈安裝在機架兩側，由拖拉機動力輸出軸經變速箱提供驅動力，刮土板在升運鏈的帶動下作回轉運動，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平穩，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。

傳統的帶式土壤傳送部件是在傳送帶上安裝刮土板，以此實現對土壤的傳送、提升。然而，該種帶式結構在輸送土壤的過程中易打滑，影響輸土效果。本機采用改進的鏈式升運機構，將刮土板安裝在鏈條上，故障率較低、作業穩定、輸土效率高，能夠獲得良好的輸土效果。

3.3 調節機構

通過調節拉桿(見圖4)對升運鏈部件進行整體調節，改善了以往起土鏟入土角度和升運鏈傾角需分別調節的繁瑣、難以配合的境況，有效降低了土壤傳送裝置作業過程中的堵塞問題，達到了適應不同地況的技術要求。起土深度可通過調節地輪實現。

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，嚴重影響最終的覆土寬度。鋪膜機兩側各配備一套覆土機構，對稱布置，壟面覆土寬度約為540 mm左右，則每套機構的覆土寬度應在270 mm左右。為保證能夠得到滿足農藝要求的覆土效果，需要合理選取分土器的結構參數，故有必要研究分土器的排土口寬度和離地高度對覆土寬度和覆土厚度的影響。

1.起土鏟；2.從動輪；3.升運鏈；4.刮板；5.膜輥；6.分土器；7.主動輪；8.起土護罩；9.調節拉桿

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 升運裝置結構 Fig.4 Structure diagram of lifting device

圖5 分土器示意圖

Fig.5 Schematic diagram of soil separating device

4 仿真試驗及結果分析

為對跨越式膜上覆土裝置的覆土特性進行研究，借助EDEM離散單元法對覆土寬度和覆土厚度進行數值模擬。主要以分土器和土壤為研究對象，不考慮其他雜余，從而便于模擬和減少計算量。其中，設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無滑動接觸模型[15]，材料參數和接觸參數如表1所示。為方便仿真，設置重力方向為y軸負方向，仿真時使地膜相對于x軸負方向運動，大小為機組前進速率。設置土壤顆粒半徑為1.3 mm，選擇土壤材料并自動計算其屬性。依照樣機在Pro/E中建立分土器模型，導入EDEM軟件，建立地膜模型并選擇相應的材料，在分土器模型上方建立顆粒工廠并選擇虛擬類型，設置顆粒的產生速率為6 000 個·s-1。EDEM軟件會自動計算雷利時間步長TR，設置時間步長為0.38TR，時間間隔為0.01 s，網格大小為9.28Rmin(最小顆粒半徑)，選取碰撞跟蹤[16]。

表1 材料力學特性[17] Table 1 Material mechanical properties

進行仿真試驗前，需根據試驗設計改變參數設置和模型結構。通過調整EDEM中的地膜模型的位置改變排土口高度，通過改變三維模型實現開口寬度的調整[12]。為較準確地進行覆土寬度的數值模擬仿真，應保證粒子群產生量與實際覆土量一致。因此，需待粒子生成一定厚度后，開始仿真覆土過程，粒子產生時間依據單位時間內的取土量計算。圖6為膜上覆土過程模擬。

1.粒子工廠；2.升運鏈；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 仿真試驗設計方案及結果

采用Box-Behnken試驗設計模型能用較少的試驗次數進行全面的分析研究，以升運鏈線速度與機組前進速度之比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為響應值，各試驗因素水平編碼見表2。依響應曲面法試驗安排15組仿真試驗[18]，如表3所示。

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

表3 試驗方案及仿真試驗結果 Table 3 Test scheme and simulation results

4.2 回歸模型建立與檢驗

運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果數據(表3)進行二次回歸分析，并進行回歸擬合，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)

通過對試驗數據的分析和擬合，得到方差分析結果如表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

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，失擬項P1=0.2854，P2=0.4905，均不顯著(P>0.1)，表明不存在其它影響試驗指標的主要因素，試驗因素與試驗指標存在顯著的二次關系。

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 響應曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對數據進行處理，通過對速度比i、排土口高度h、排土口寬度b之間的交互作用對試驗指標覆土寬度B和覆土厚度合格率Fh的影響進行分析比較，作出響應面和等高線。

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

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

當速度比為2.56時，排土口寬度b與排土口高度h的交互作用對于覆土寬度B的響應曲面如圖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。當排土口高度h固定在某一水平時，隨著排土口寬度b的增加，覆土寬度B呈上升趨勢；當排土口寬度b固定時，隨著排土口高度h的增加，覆土寬度B也呈上升趨勢。

圖7 覆土寬度(B)的響應曲面

Fig.7 Response surface of covering soil width

4.3.2 覆土厚度合格率的響應曲面分析 當排土口寬度為110 mm時，速度比(i)和排土口高度(h)的交互作用如圖8a所示。當排土口高度一定時，覆土厚度合格率隨著鏈速與機組前進速度比的增大呈增高趨勢；當速度比一定時，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增加而先增大后減小；影響覆土厚度合格率的主要因素是鏈速與機組前進速度比。

當排土口高度為200 mm時，速度比(i)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8b所示。當速度比一定時，覆土厚度合格率隨著排土口寬度的增大呈增高趨勢；當排土口寬度一定時，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組前進速度比。

當速度比為2.56時，排土口高度(h)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8c所示。當排土口寬度一定時，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增大而先增大后減小；當排土口高度一定時，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；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)的響應曲面

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

4.4 參數優化

為保證覆土寬度滿足農藝要求，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模塊對二次回歸方程模型進行優化求解，得到分土器的最佳工作參數：速度比為1.38，排土口高度為200 mm，排土口寬度為120 mm。

5 驗證試驗

5.1 試驗條件

田間驗證試驗于2015年4月下旬在隴中黃土高原旱農區定西市安定區試驗點進行，覆土作業效果見圖9。試驗土壤為黃綿土，含水率約為16.3%，容重為1.30～1.35 g·cm-3，堅實度為2.5×105Pa。試驗機具為自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機，配套動力為22.1 kW東方紅-300型輪式拖拉機，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，拖拉機動力輸出軸轉速為540 r·min-1，勻速作業，保證鏈速與機組前進速度比約為1.38。試驗中所用地膜寬度為1 200 mm，厚度為0.008 mm。

圖9 作業效果圖

Fig.9 Photo of operation effect

5.2 試驗方法

驗證試驗中對覆土寬度和覆土厚度兩個試驗指標進行了測定，方法如下[20]：

在測定地塊上，沿對角線隨機等距離取5個測區，每個測區寬度為1個作業幅寬，長度為10 m。在每個測區內隨機抽取5個測點，測定覆土寬度和覆土厚度。覆土厚度以種行正上方的實測值為準進行統計。

5.3 試驗結果

為驗證工作參數的合理性與科學性，選取上述仿真試驗中優化后的水平因素，即鏈速與機組前進速度比1.38、排土口高度200 mm、排土口寬度120 mm，進行田間重復試驗，得到覆土寬度均值為279.6 mm，覆土厚度合格率為93.7%。按最優組合調整仿真模型參數后進行數值模擬，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接近田間測試均值，并能夠滿足農藝要求，說明建立的二次回歸模型能夠較好地預測試驗結果，可以為覆土裝置的設計和參數優化提供一定的參考。

6 結 論

1) 構建覆土機構實體模型，運用EDEM離散單元法模擬仿真試驗，采用三因素三水平響應曲面法，借助Design-Expert軟件處理試驗結果，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試驗指標的影響，優化求解，得到最佳參數組合：鏈速與機組前進速度比為1.38、排土口高度為200 mm、排土口寬度為120 mm。

2) 運用所得最佳參數組合，進行田間驗證試驗，結果表明，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試驗均值，說明了用該種方法模擬的科學性及二次回歸模型的準確性，能夠為膜上覆土裝置的設計和改進提供一定的理論依據。

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