防堵式覆膜同步開孔插秧裝置設計與試驗

陳海濤 李 煜 王 宇 竇玉寬 劉德澤

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著人們對優質稻米需求的不斷提高，有機水稻種植面積日益增加。因覆膜栽培技術具有增溫、增產、節水等優點，逐漸成為農業有機水稻種植的關鍵技術。作為未來重要發展方向的秸稈纖維地膜，具有顯著抑草效果，同時在水稻生長期地膜可完全降解，無污染，無殘留，無需回收[1-5]。但由于秸稈纖維地膜材料特性不同于傳統塑料地膜，難以使用現有覆膜機械進行鋪設，目前多采用人工進行敷設。為了促進秸稈纖維地膜覆蓋栽培技術的推廣與應用，提高有機水稻品質與產量，進一步降低成本，研發適用于秸稈纖維地膜的覆膜插秧機械已成為亟待解決的問題[6-7]。

日本、韓國等覆膜插秧機械化技術較為成熟，一些機型已投入生產應用[8-9]。國內相關機型多數處于試驗研究階段[10-13]。目前，國內外主要機型均未能妥善解決覆膜栽植秧苗引起的傷根和開孔裝置易堵塞問題。如日本三菱株式會社研制的MKP610型插秧機，沒有專門的開孔裝置，秧針攜帶秧苗直接頂破地膜完成栽植，使已受損的秧根再次損傷，延長返青期。為解決傷根問題，目前采用的主要方法是使用打孔釘或切膜刀軸輥在地膜上進行預打孔，但打孔與插秧位置難以保持一致，傷根現象依舊存在。東北農業大學研制的“H”形同步覆膜開孔插秧裝置，采用齒輪旋轉箱雙臂分插機構與開孔裝置一體式，能夠提高栽植同步性[14-15]，但長時間作業時，裝置易發生堵塞現象，降低栽植質量。加裝“H”形同步開孔裝置的栽植臂發生堵塞的原因在于開孔裝置前端與秧爪之間和開孔裝置兩刀刃之間存在狹窄的空隙。當其與土壤接觸對土壤產生擠壓時，觸土面內對土壤施加壓力，既有對土壤切向摩擦力也有正向壓力，最終在空隙處形成“泥團”。由于覆膜同步開孔插秧裝置堵塞，開孔質量下降甚至無法開孔，從而導致膜上擺苗與漏栽，并伴有撕膜、挑膜現象。

針對上述問題，本文設計一種防堵式同步覆膜開孔插秧裝置，在保證膜上開孔效果的同時，使其具有良好的防擁堵性能。考慮秧苗根系的運動軌跡，建立防堵式膜上同步開孔插秧裝置的數學模型[16]。通過虛擬仿真和二次正交旋轉中心組合試驗方法對結構參數進行優化，并與現有開孔裝置進行防堵性能與開孔性能對比試驗。

1 同步開孔插秧裝置工作原理與運動軌跡

1.1 結構組成和工作原理

為不影響栽植機構正常運動，保證秧苗栽植質量，加裝與齒輪旋轉箱雙臂分插機構不發生干涉的單臂開孔裝置，如圖1所示。

圖1 同步開孔插秧裝置結構圖Fig.1 Structure chart of synchronized opening transplanting device1.太陽輪 2.中間行星輪 3.上行星輪 4.秧爪 5.開孔裝置 6.齒輪旋轉箱

動力由動力輸出軸傳遞給齒輪旋轉箱使其做勻速圓周運動。隨齒輪旋轉箱繞太陽輪軸心轉動，太陽輪與中間行星輪，中間行星輪與上行星輪之間進行嚙合運動。秧爪和開孔裝置與上行星輪固連，隨其同步轉動。太陽輪、中間行星輪與上行星輪皆為偏心圓齒輪。

1.2 運動軌跡與姿態

水稻栽植機構旋轉一周秧爪所形成的“腰形”相對運動軌跡如圖2所示，通過模擬栽植機構動作，實現開孔栽植過程[17-18]。在初始位置時，栽植機構處于剛接觸秧苗狀態。機構按逆時針方向旋轉，秧爪在A點開始撕裂毯苗，此時開孔裝置與秧苗無干涉。其中ABC段是秧苗的輸送階段，秧苗根部一直介于秧爪與開孔裝置中間的狀態，此過程中要保證開孔裝置不與秧箱干涉。當開孔裝置通過B點時，其“+”形尖點(如圖3a)與已鋪設于泥土表面的地膜接觸，完成開孔過程。其形狀有利于提高開孔成功率，減少撕膜、挑膜現象發生。圖3b表示“+”形尖點與地膜接觸后形成的膜孔形狀。此種膜孔使地表裸露面積減小，提高抑草性能和秧苗存活率。當秧苗根部開始與泥土接觸時，開孔裝置已在B點地膜處開孔，從而保證秧根不與地膜發生干涉，此過程可有效降低秧根損傷。栽植機構在C點處完成推秧動作，實現栽植過程。

圖2 栽植機構相對運動軌跡Fig.2 Relative motion trace of transplanting mechanism1.秧苗 2.秧爪相對運動軌跡 3.開孔裝置相對運動軌跡 4.秧苗根部相對運動軌跡 5.秸稈纖維地膜 6.栽植機構

圖3 “+”形開孔裝置尖點結構Fig.3 Structure diagrams of “+” shaped sharp point puncher1.秧爪 2.推秧桿 3.“+”形開孔尖點

開孔裝置工作狀態下形成“腰形”軌跡，可保證開孔位置與插秧位置同步，推秧機構將水稻秧苗強制彈入開孔裝置所形成的穴口中。且開孔裝置與秧苗、秧箱、推秧機構不發生干涉。開孔裝置尖點通過D點時結束開孔運動。在DA段，秧爪處于無秧苗狀態，栽植臂轉到初始位置準備下一周期的栽植作業，作業過程中，該栽植臂與同軸旋轉的另一栽植臂不發生干涉。

2 約束條件設立與運動模型建立

2.1 約束條件

基于覆膜水稻種植的農藝要求，確定開孔裝置在水稻栽植過程中須滿足的條件[19]。在確定裝置參數時，設立條件如下：①覆膜穴口在45～50 mm之間(在栽植機構作業過程中，栽植臂劃開地膜長度為35 mm，為保證栽植機構順利栽植且不與地膜發生干涉，開孔裝置所開膜孔長度要大于栽植臂劃開長度。當膜孔長度大于50 mm時，裸露地表面積過大,容易滋生雜草，影響覆膜效果)。②同軸栽植臂機構轉動過程中開孔裝置與異側載植臂互不干涉。③插秧深度介于15～25 mm。④膜孔與栽植的稻苗同穴。⑤開孔與插秧的相位角之差α(上行星輪中心分別與秧爪尖點和開孔尖點連線的夾角，如圖4所示)保證先開孔后插秧的工作順序。⑥開孔裝置的開孔傾角δ(開孔裝置尖點與地膜表面重合時，開孔裝置與地表法線之間的夾角)保證開孔合格率大于等于90%。⑦開孔裝置與秧箱之間互不干涉。⑧開孔裝置與安裝其上的載植臂互不干涉。⑨開孔裝置與推秧桿互不干涉，保證推秧桿行程無干涉。⑩夾持秧苗狀態在輸送過程中開孔裝置與護秧板互不干涉。栽植臂推秧桿彈出秧苗后回程中，開孔裝置與已栽秧苗互不干涉。“+”形開孔裝置在開孔過程中為減少地表裸露的面積，且與護秧板互不干涉，因此其尖點寬度與秧爪的寬度相等，即間距為15 mm。

圖4 裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of device

2.2 運動模型建立

保證水稻覆膜栽植質量的關鍵，是對開孔裝置軌跡的形狀與姿態進行優化設計。基于栽植臂秧爪尖點采用腰形的相對運動軌跡，為了達到栽植要求，通過本文確定開孔裝置采用“腰子”形狀的相對運動軌跡，并保證覆膜開孔與栽植依次完成。以太陽輪轉動中心O1為原點，水平方向為X軸,垂直方向為Y軸建立坐標系，機構示意圖如圖4所示。

具體建模過程如下：在栽植機構轉動的過程中，旋轉箱與動力輸出軸固連，作逆時針轉動。太陽輪與中間行星輪、中間行星輪與上行星輪之間相互嚙合。

規定旋轉箱逆時針轉動角度為正，假設齒輪旋轉箱逆時針轉過φ(i)，則太陽輪相對旋轉箱轉角為

φ1H(i)=φ(i)

(1)

式中i——齒輪旋轉箱與其初始位置的旋轉角度差，rad

中間行星輪相對旋轉箱逆時針轉過的角位移為

(2)

式中R1(j)——太陽輪節曲線上點的極坐標

R2(j)——中間行星輪節曲線上點的極坐標

上行星輪相對旋轉箱角位移為

(3)

式中lO1O2——太陽輪與中間行星輪中心距，mm

旋轉箱的絕對角位移為

φH(i)=φH0-φ(i)

(4)

式中φH0——旋轉箱的初始角位移，rad

太陽輪轉動中心坐標(xO1，yO1)為(0，0)。中間行星輪轉動中心坐標(xO2，yO2)為(lO1O2cosφH(i)，lO1O2sinφH(i))。上行星輪的轉動中心坐標(xO3，yO3)為(xO2+lO1O2cos(φH(i)+θ)，yO2+lO1O2sin(φH(i)+θ))，θ為齒輪中心距lO1O2與lO2O3的夾角，(°)。

秧爪尖點(A點)相對運動坐標為

(5)

式中D——行星齒輪中心O3與秧爪尖點(A點)連線的距離，mm

開孔裝置尖點(B點)相對運動坐標為

(6)

式中α——行星齒輪中心分別與A點和B點連線的夾角(開孔與插秧相位角之差)，(°)

S——行星齒輪中心與開孔裝置尖點(B點)連線的距離，mm

開孔裝置拐點(C點)相對運動坐標為

(7)

式中L——開孔臂BC長度，mm

推秧桿尖點(E點)相對運動坐標(xE，yE)為(kxA，kxB)，k為推秧桿尖點與秧爪尖點A的位置系數。

秧爪尖點(A點)絕對運動坐標(xA′，yA′)為(xA(i)+iM/π，yA(i))，其中M為秧苗株距，mm。

開孔裝置尖點(B點)絕對運動坐標(xB′，yB′)為(xB(i)+iM/π,yB(i))。

B點相對運動水平和垂直方向速度為

(8)

式中ω——齒輪旋轉箱角速度，rad/s

B點相對運動水平和垂直方向加速度為

(9)

3 開孔軌跡仿真

根據建立的運動學模型，開孔裝置運動產生的膜孔長度若大于秧苗根部劃過的軌跡(穴口)，則減少秧苗根系與地膜接觸概率，降低秧根損傷率[20]；若膜孔小于穴口，一方面，增加秧苗根系與地膜接觸面積，致使秧苗緩苗期延長，不利于作物生長，另一方面，根系與地膜碰撞撕裂膜孔，破壞開孔裝置提前所開膜孔，增加地表裸露面積，降低抑草性能。為得到減損、防堵的效果，根據上述理論模型分析可得

(10)

式中xE——秧苗根部最低點相對運動橫坐標

xE′——秧苗根部最低點絕對運動橫坐標

h——秸稈纖維地膜相對于栽植機構太陽齒輪中心O1的縱坐標

由式(10)可知，在D、S、θ等參數一定時，理論上各項要求與C點位置無關，即與開孔傾角δ無關，但開孔傾角δ影響實際開孔效果，須進行試驗研究。當D為154.5 mm，S為141.8～143.4 mm，θ為0°時，聯合式(1)～(5)得到栽植機構開孔與插秧相位角差α的范圍為α∈(5°,15°)。

在α可行域內，對開孔裝置運動姿態進行模擬仿真，驗證上述開孔裝置的理論分析的可行性。圖5a與圖5b分別是α為15°與5°時，秧苗根系經過地膜時的位置處于開孔裝置所開膜孔的邊界上(兩軌跡相交點)，不會導致根系的損傷。因此α介于5°～15°之間開孔裝置符合農藝及設計要求。

圖5 秧根防損傷示意圖Fig.5 Schematic diagrams of damage prevention of seedling roots1.開孔裝置開孔軌跡 2.栽植秧苗軌跡 3.秸稈纖維地膜

4 試驗

4.1 試驗設計與方法

4.1.1試驗因素

開孔與插秧相位角差x1(°)：基于水稻插秧機械正常作業狀況，開孔裝置提前開孔角直接影響先開孔后插秧的工作順序。

開孔傾角x2(°)：開孔裝置采用“+”形結構，是保證開孔長度和合格率的重要影響因素。為了減小開孔裝置的入土阻力，要求開孔裝置盡量垂直地面入土，即開孔傾角為0°～20°。開孔傾角過小，會使得膜孔長度過短，不利于秧苗栽植，還可能出現挑膜現象；開孔傾角過大，會出現如圖6所示的“三角形”開孔形狀。“+”形開孔裝置尖點無法充分完成開孔動作，開孔過程中撕裂地膜，因此不能夠實現如圖3所示的膜上開孔形狀。其膜孔內部存在破碎地膜，致使秧苗不能順利栽植在泥土中，出現漂秧現象，不符合農藝及設計要求[21]。

圖6 “三角形”開孔形狀Fig.6 “Triangular ” opening shape

栽植機構旋轉速度x3(r/min)：栽植機構旋轉速度決定了栽植秧苗的株距，開孔裝置運動速度在一定程度上影響開孔質量。

4.1.2評價指標

膜孔長度y1(mm)：為開孔插秧裝置劃開地膜的總長度，決定了栽植秧苗后地膜的抑草性能，對水稻秧苗的后期生長起到關鍵作用。

插秧前開孔長度y2(mm)：指秧爪攜帶秧苗接觸地膜之前，開孔裝置已經劃開的膜孔長度，y1與y2不相關。如圖7所示(為觀察方便，將地膜從泥土中取出，平鋪于平整地面)，秧爪到達地膜時的位置落于開孔裝置提前劃開的膜孔長度范圍之外，出現兩次開孔現象。

圖7 “+”形開孔形狀Fig.7 “+” opening shape1.開孔裝置所開膜孔初始位置 2.秧爪劃開膜孔初始位置

膜孔合格率y3(%)：確定水稻栽植合格與否，最終決定水稻的產量和品質，其計算公式為

(11)

式中Q——膜孔合格率，%

n1——標準膜孔數，個

n——總膜孔數，個

標準膜孔為能夠保證栽植過程秧苗順利進入泥土，其根系不與地膜發生干涉。

采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，具體參數根據理論計算確定，各因素編碼如表1所示[15,22]。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Factors and codes

試驗臺如圖8所示，試驗用地膜為秸稈纖維地膜，由電機驅動同步開孔插秧裝置，配合土槽實施開孔栽植試驗。土槽內土壤環境模擬覆膜稻田實際作業狀態，設置土壤深度為100 mm左右，泡田時間72 h，水層深度控制為10 mm，保證泥面平整。在泥表面鋪設秸稈纖維地膜，以模擬覆膜栽植作業環境。栽植機構向前運動作業，以水稻插秧機械實際機組作業速度為依據，設定前進速度為4.3 km/h[23]。

圖8 同步開孔插秧裝置試驗臺Fig.8 Test-bed of device

4.2 試驗結果與分析

4.2.1試驗結果

試驗結果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

4.2.2模型建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0軟件對試驗數據進行處理和統計分析。對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。

對試驗結果進行分析，y1、y2、y3二次項模型(2FI)有意義(P<0.000 1)，在置信度為0.05下，進行F檢驗，剔除不顯著項后，得到回歸模型

(12)

(13)

表2 試驗結果Tab.2 Test results

(14)

4.2.3各因素對性能指標的影響

4.2.3.1對性能指標影響貢獻率分析

參考試驗回歸設計中各因素對指標影響貢獻率計算方法[22]，得到各因素對膜孔長度、插秧前開孔長度和膜孔合格率影響的貢獻率如表4所示。

結果表明，對于膜孔長度，各因素的貢獻率由大到小依次是x2、x3、x1。各因素對插秧前開孔長度貢獻率由大到小依次為x2、x1、x3。各因素對膜孔合格率貢獻率由大到小依次為x1、x3、x2[24]。

4.2.3.2對性能指標影響效應分析

通過數據處理，得出開孔與插秧相位角差x1、開孔傾角x2、旋轉速度x3之間的顯著和較顯著交互作用對膜孔長度y1、插秧前開孔長度y2、膜孔合格率y3影響的響應曲面，如圖9所示[25-26]。

如圖9a所示，當開孔與插秧相位角差一定時，膜孔長度y1整體上隨開孔傾角的增加呈先減小后增大趨勢，最優的開孔傾角范圍為5.7°～14.3°；當開孔傾角一定時，膜孔長度y1整體上和開孔與插秧相位角差呈正相關，最佳的開孔與插秧相位角差范圍為5.0°～9.3°。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

注：*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。

表4 各因素對性能指標的貢獻率Tab.4 Contribution ratio of factor to each performance index

如圖9b所示，開孔與插秧相位角差一定時，插秧前開孔長度y2與旋轉速度呈負相關，最優的旋轉速度范圍為246.4～300 r/min；當旋轉速度一定時，插秧前開孔長度y2和開孔與插秧相位角差呈負相關，最優的開孔與插秧相位角差為7.9°～15°。

如圖9c所示，當開孔與插秧相位角差一定時，膜孔合格率y3與旋轉速度呈負相關，最優的旋轉速度范圍為225.0～250.1 r/min；當旋轉速度一定時，膜孔合格率y3隨開孔與插秧相位角差增大呈先增大后減小的趨勢，最優的開孔與插秧相位角差為5.0°～9.3°。

如圖9d所示，當開孔傾角一定時，膜孔合格率y3與旋轉速度呈負相關，最優的旋轉速度的范圍為225.0～246.4 r/min；當旋轉速度一定時，膜孔合格率y3與開孔傾角呈負相關，最優的開孔傾角為0°～8.6°。

圖9 因素交互作用對性能指標的影響Fig.9 Effects of factor interaction on performance indicators

5 驗證試驗

5.1 最優參數組合確定

通過對圖9中4個響應曲面的分析，為得到最佳的試驗因素水平組合，利用作業條件、作業性能要求及上述相關模型分析對3個回歸模型進行優化求解，根據防堵式覆膜同步開孔插秧裝置試驗結果，選擇優化約束條件

(15)

通過優化求解，得到開孔與插秧相位角差范圍為7.9°～9.3°，開孔傾角為5.7°～8.6°，旋轉速度為246.4～257.1 r/min，裝置開孔性能最佳，膜孔長度為46.7～47.3 mm，膜孔平均寬度為16.6 mm，插秧前開孔長度為16.2～18.4 mm，膜孔合格率為92.2%～94.8%。考慮到加工和實際作業要求，同步開孔插秧裝置結構參數和作業參數選擇為：開孔與插秧相位角差為8.0°、開孔傾角為7.0°、旋轉速度為246.4～250.1 r/min。

5.2 防堵性能對比試驗

根據最終優化結果得到的“+”形同步開孔插秧裝置與“H”形同步開孔插秧裝置進行防堵性能對比試驗。在上述相同的試驗環境下，兩種開孔裝置分別安裝于同一栽植機構的兩個栽植臂上。重復進行10組試驗，以防堵效果作為試驗裝置的驗證指標。圖10a所示為其中一組試驗的試驗效果，“+”形裝置防堵效果良好。圖10b所示為“H”形裝置局部放大圖，泥土堵塞在“H”形開孔裝置與秧爪之間，阻礙正常的開孔插秧作業，嚴重影響了插秧質量。

圖10 防堵性能試驗Fig.10 Anti-blocking performance test1.“+”形裝置 2.“H”形裝置

表5直觀顯示改進后的“+”形裝置防堵性能優于“H”形裝置，其中0代表裝置未發生堵塞，1表示發生堵塞。發生堵塞的原因是在空隙處形成了“泥團”。且目前國內整田效果不佳，普遍存在殘茬、殘根現象，增加了開孔插秧裝置產生堵塞現象的概率。

表5 防堵性能對比試驗結果Tab.5 Results of film hole in comparison test

5.3 開孔性能對比試驗

以相同的試驗環境，前進速度為4.3 km/h，旋轉速度為246.4～250.1 r/min，重復進行5組試驗，每組試驗取株距均勻的10個膜孔進行測量。

試驗結果如表6、7所示，“+”形開孔裝置開出的平均膜孔長度為47.3 mm，與“H”形膜孔的長度在誤差范圍內結果相近，抑草效果相似。“+”形開孔裝置膜孔合格率為94%，結果較優。

表6 膜孔長度對比試驗結果 Tab.6 Results of film hole in comparison test mm

表7 膜孔合格率對比試驗結果Tab.7 Results of film hole percent of comparison test

從表8和圖11a可知，“+”形開孔裝置所開膜孔，插秧前開孔長度平均值為18.0 mm，與理論分析開孔形狀基本一致，滿足秧爪劃入膜孔的設計要求。圖11b所示為“H”形開孔裝置所開“三角形”膜孔，與理論分析不符，主要是因為開孔裝置撕拉地膜，未能充分起到劃切地膜的作用，導致膜孔合格率下降。

表8 插秧前開孔長度試驗結果Tab.8 Test results of opening length before transplanting mm

圖11 開孔試驗效果對比Fig.11 Comparison of test results

5.4 試驗驗證

通過數據分析，優化參數組合條件下的實際試驗結果與回歸模型計算值誤差較小，如表9所示，在一定程度上驗證了回歸模型的可靠性。

表9 相對誤差率Tab.9 Relative error rate

6 結論

(1)提出了一種防堵式覆膜同步開孔插秧裝置，可依次完成開孔和插秧動作。在齒輪旋轉箱雙臂分插機構的基礎上，加裝 “+”形尖點的單臂開孔裝置。當參數優化組合為開孔與插秧相位角差8.0°、開孔傾角7.0°、旋轉速度246.4～250.1 r/min時，開孔裝置無堵塞現象發生，所得膜孔平均長度47.3 mm、膜孔平均寬度16.6 mm、插秧前開孔平均長度18.0 mm、平均膜孔合格率94%以上。各因素對膜孔長度影響貢獻率排序為開孔傾角、旋轉速度、開孔與插秧相位角差，對插秧前開孔長度影響貢獻率排序為開孔傾角、開孔與插秧相位角差、旋轉速度，對膜孔合格率影響貢獻率排序為開孔與插秧相位角差、旋轉速度、開孔傾角。

(2)進行了“+”形同步開孔插秧裝置與“H”形同步開孔插秧裝置的防堵性能和開孔性能對比試驗，結果表明“+”形開孔裝置無堵塞現象發生。“+”形開孔裝置的膜孔合格率優于改進前的“H”形開孔裝置，驗證了齒輪旋轉箱雙臂分插機構式水稻秸稈纖維地膜插秧機同步防堵式開孔插秧裝置設計的可行性。