纖維基地膜側開式滑切破膜播種單體設計與試驗

侯守印 王升哲 竹筱歆 張繼成 紀文義 陳海濤

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

秸稈纖維基地膜以農作物秸稈為原料，通過擠壓、揉搓、爆破等物理方式制取纖維，采用特殊造紙工藝制造成膜[1-2]，其不僅具有節水保墑、抑草增溫、提質增產等優點[3-5]，且作物收獲之前可被完全降解，既實現了地力培肥和秸稈高值利用，又解決了秸稈焚燒污染環境、塑料地膜殘留破壞土壤結構、再處理增加成本等問題[6-7]。

機械化膜上播種是高質、高效覆膜播種技術的核心。目前，國內外膜上播種裝置根據工作原理主要分為滾輪式和直插式[8-9]。滾輪式膜上播種裝置作業時成穴器在自重、牽引力和土壤阻力共同作用下實現轉動、破膜、成穴和播種，地膜受成穴器結構和運動規律的影響，易產生撕膜和挑膜，造成膜孔炸裂、土壤擾動大、種子著床位置不精準[10]。同時，由于塑料地膜韌性較高，成穴器與地膜作用時膜孔受力方向產生的塑性形變造成地膜受力錯移，導致膜孔與穴孔地表不同位，作物出苗后會出現弱苗、傷苗和死苗等現象[11-13]。直插式膜上播種裝置采用成穴器相對地表垂直插入和拔出的方式實現破膜和成穴，并通過創新機構實現零速投種，具有土壤擾動小、播種質量高等優勢，避免了膜孔破損、膜孔與穴孔錯位等問題[14-16]，由于其機構設計與工作原理導致作業速度較低。上述兩種膜上播種裝置主要針對塑料地膜，而秸稈纖維基地膜為干濕抗張力強度及耐破度較高的脆性材料，在力學性能上表現為各項異性[17]，存在抗拉強度與韌性較差等問題，通過預試驗表明，采用上述方式進行秸稈纖維基地膜膜上播種會因執行部件對地膜沖擊造成膜孔尺寸較大、形狀不規則。

綜上所述，本文針對水稻秸稈纖維基地膜設計一種側開式滑切破膜精量播種單體。通過對其工作過程進行理論分析確定裝置關鍵部件結構參數，通過構建膜孔長度數學模型，確定影響裝置工作性能的主要參數及其取值范圍，采用響應曲面法進行關鍵參數組合優化試驗，以期為秸稈纖維基地膜覆膜播種技術提供理論與裝備支持。

1 結構與工作原理

側開式滑切破膜精量播種單體結構如圖1，主要由仿形輪總成、播深調節裝置、破膜成穴舵輪總成、指夾式排種器、壓膜彈簧、展膜輪總成、平行四桿機構、機架、同軸異速調比箱、凸輪支架、強開凸輪、清土毛刷等零部件組成。平行四桿機構、破膜成穴舵輪總成、展膜輪總成與機架鉸接，其余零部件固裝于機架。指夾式排種器與破膜成穴舵輪總成同軸布置。側開式滑切破膜精量播種單體(簡稱播種單體)既可以單獨作業，亦可與覆膜機聯合作業。工作原理如圖2所示，由動力機械牽引播種單體勻速運動，破膜成穴舵輪總成周向均勻布置若干破膜成穴器，在牽引力、播種單體重力和土壤阻力共同作用下繞中心逆時針旋轉，并通過同軸異速調比箱驅動指夾式排種器排種。

破膜成穴器上的破膜刀最先與地膜接觸，由于破膜刀與地膜接觸面積較小，并具有滑切效果，膜孔不會出現撕裂、炸裂現象。滑切破膜后隨破膜成穴器繼續旋轉，在單體重力作用下貫入土壤中構建穴孔，當破膜成穴器接近垂直于地表時，指夾排種器將種子投入成穴器腔體內，同時，與破膜成穴器組配的推桿端部滾輪進入強開凸輪推程運動角范圍，破膜刀逐漸側向開啟，進入遠休止角范圍時，破膜刀完全開啟，其內種子落入穴孔內。破膜成穴器繼續旋轉，經過仿形輪總成上裝配的清土毛刷完成腔體內殘留土壤清理，清理后滾輪依次進入回程運動角和近休止角范圍，破膜刀閉合，至此，完成破膜、成穴和播種過程。

工作過程中，展膜輪總成對地膜產生與牽引方向同向水平摩擦力，可平衡破膜成穴器破膜時對地膜產生的反向力，減小地膜縱向動態拉力不平衡導致的地膜錯移，可解決膜孔與穴孔錯移問題，同時，在展膜輪總成與仿形輪總成共同作用下，兩輪之間地膜始終處于拉伸狀態，破膜刀出土過程滑切亦可有效降低挑膜導致膜孔破壞或膜面錯移。破膜成穴器為側開式和后仿形結構，并且破膜刀側開啟推力減小，保證了精準、適時投種。前后雙輪布置增大了單體與膜面接觸面積，有效降低工作過程土壤下陷量，提高了播深精度和穩定性。

2 播種單體受力分析及參數確定

秸稈纖維基地膜韌性較差，易造成膜孔撕裂破損。因此，本文采用仿形輪結構控制播種深度。播種單體通過平行四桿機構和仿形輪總成配合，保證作業時仿形輪與破膜成穴器投種時豎直方向相對位置恒定不變以保證播深恒定。工作過程受力分析如圖3所示，因破膜成穴器采用滑切方式破膜、作業土壤經過精細整地，且播種深度較淺，忽略破膜成穴器受力，通過建立xoy平面內力學平衡方程可得地表對仿形輪豎直方向支反力為

(1)

其中

式中F2——地表對仿形輪豎直方向支反力，N

F1——地表對展膜輪豎直方向支反力，N

G——播種單體總重，N

T——四桿仿形彈簧拉力，N

μ——仿形輪、展膜輪與地膜滑動摩擦因數

β——四桿仿形彈簧水平夾角，(°)

k——壓膜彈簧剛度，N/mm

x——壓膜彈簧壓縮量，mm

x0——壓膜彈簧初始壓縮量，mm

G0——展膜輪總成總重，N

K——四桿仿形彈簧剛度，N/mm

X——四桿仿形彈簧伸長量，mm

X0——四桿仿形彈簧初始伸長量，mm

h——四桿縱向高度，mm

l0——四桿彈簧安裝點到鉸接點距離，mm

α——牽引角，(°)

由式(1)可知，地表對仿形輪豎直方向的支反力主要與播種單體總重、彈簧剛度、彈簧初始增量、四桿結構參數、地表對展膜輪豎直方向支反力、牽引角有關。地表對仿形輪豎直方向支反力即仿形輪對地膜豎直方向反作用力，作用力過大會導致壟形變形嚴重與地膜破損，而作用力過小又會影響仿形效果，并且仿形輪易出現滑移，導致地膜錯移，影響覆膜和播種質量。

仿形輪在四桿仿形彈簧拉力和播種單體重力作用下對覆膜后土壤豎直方向進行重塑，土壤會產生一定下陷量，當地表對仿形輪豎直方向支反力為最大值時，土壤下陷量為最大值，二者間關系為[18]

(2)

其中

λ=(10+0.27b)η

式中Fmax——地表對仿形輪豎直方向最大支反力，N

Zmax——土壤最大下陷量，mm

λ——土壤特性相關因數

b——仿形輪寬度，mm

D——仿形輪直徑，mm

η——土壤性質相關參數

仿形輪與地膜接觸面積越大，相同受力條件下，地膜產生的拉應力越小，抗破壞能力越強[18]，而接觸面積由仿形輪寬度和直徑決定。本次以玉米650 mm壟作栽培模式的壟上覆膜播種為研究對象，壟頂平面寬度260 mm[19]，仿形輪寬度過大容易破壞壟形，考慮播種機作業時左右移動，設計最大60 mm余量[20]，仿形輪寬度取值為200 mm。仿形輪直徑越大，地膜對其水平摩擦力產生的轉矩越大，有利于其實現純滾動，但尺寸受單體結構限制不能過大，初步設計取值為300 mm。地膜受力時需滿足

(3)

其中

式中σmax——地膜所受最大應力，kPa

S——仿形輪與地膜接觸面積，mm2

[σ]——水稻秸稈纖維基地膜許用極限應力，kPa

參考相關資料，精細整地黑土土壤性質相關參數為1.01[18]，為減小壟高損失量設計土壤最大下陷量為8 mm，將已知條件代入式(2)、(3)，可得仿形輪所受最大力為472 N，水稻秸稈纖維基地膜許用極限應力為100 kPa[21]，此時地膜應力為47.9 kPa，滿足強度要求。

展膜輪需完成展膜，并施加張緊力避免破膜成穴器破膜過程的地膜錯移。展膜輪對地膜豎直方向作用力需小于仿形輪對地膜豎直方向反作用力，依據前文分析設計土壤最大下陷量為1.5 mm，結構尺寸與仿形輪相同，將已知條件代入式(3)，可得地表對展膜輪豎直支反力為89 N。壓膜彈簧選用剛度1.97 N/mm，絲徑1.5 mm，中徑30 mm，自由長度230 mm的圓柱螺旋壓縮彈簧，由式(1)可知壓膜彈簧理論最大壓縮量為38 mm，設計初始壓縮量為15 mm。

為提高展膜輪和仿形輪作業時的水平摩擦力，選定展膜輪與仿形輪輪面材質為橡膠，整體結構1.5 kg，經測量可知與地膜滑動摩擦因數為0.1。將已知條件代入式(1)，播種單體總重小于522 N，總重過小易造成破膜成穴器入土困難，參考常規滾輪式成穴機構考慮該播種單體膜上作業，取300 N。

平行四桿尺寸對播種單體工作性能具有重要影響。平行四桿越長仿形效果越好，四桿縱向尺寸越大，單體剛度和穩定性越好。受整機結構和質心影響，平行四桿結構不能過大，選取平行四桿長度為300 mm，四桿縱向高度為180 mm[22-24]。由于仿形輪在覆膜壟上作業，作業環境良好，平行四桿上下最大仿形量均取50 mm，可得牽引角工作范圍為-9.6°～9.6°。四桿仿形彈簧安裝點到鉸接點距離越大穩定性越好，但距離過大易造成其伸長量過大，導致平行四桿上下仿形量減小，仿形能力減弱，參考相關資料對該機構進行動態模擬，本次設計為250 mm[25]，將已知條件代入式(1)得四桿仿形彈簧拉力最大值為376 N。四桿仿形彈簧選用剛度2.13 N/mm，絲徑5 mm，中徑40 mm，自由長度為268 mm的圓柱螺旋拉伸彈簧，根據余弦定理可知四桿仿形彈簧理論最大拉伸量為64.5 mm，下仿形極限位置四桿仿形彈簧拉伸量為13.6 mm。

3 執行部件與控制機構設計

破膜成穴器是播種單體的重要執行部件之一，具有攜種、破膜、成穴和投種功能，其結構及布置如圖4所示，由成穴器腔體、破膜刀、轉軸組成，通過調整螺釘固定在安裝盤上，安裝盤上的安裝孔為徑向可調長條孔，通過徑向位置調整可改變成穴器回轉直徑，實現播種粒距微調，同時，安裝盤周向均布若干安裝孔，可根據農藝要求增加或減少成穴器數量，實現播種粒距粗調。

強開凸輪、推桿、滾輪與復位彈簧等零部件共同組成了破膜成穴器投種控制機構，推桿固定連接在破膜刀側面，端部安裝滾輪，復位彈簧使破膜刀與成穴器腔體保持常閉狀態，當破膜成穴器投種時，強開凸輪通過滾輪對推桿施加作用力克服彈簧拉力和土壤側向阻力，強制破膜刀開啟，使位于成穴腔體內的種子投入種穴。

3.1 破膜成穴器設計

3.1.1滑切破膜運動分析

破膜成穴器工作原理如圖5，以單個破膜成穴器為研究對象。破膜刀端點O最先與地膜接觸，以余擺線軌跡完成滑切破膜，破膜成穴器在直線和旋轉復合運動條件下向前下方運動貫入土壤，OC面開始擠壓土壤形成de′段膜孔并逐漸擴大膜孔尺寸，當點C位于地表下時，依次由點C、面OC、點O擠壓土壤形成cd段、cc′段、b′c′段穴孔輪廓。破膜成穴器拔出過程，依次由面BO、點B擠壓土壤形成bb′段、ab段穴孔輪廓，由面BO完成出土滑切破膜。當破膜成穴器完全脫離土壤，破膜成穴過程結束。

膜孔長度是衡量破膜成穴器工作質量重要指標，穴孔可由abb′c′cd輪廓曲線表示，而地表與穴孔輪廓曲線交點a和d之間距離即為理論膜孔長度，主要由成穴器點B和點C運動軌跡決定，建立如圖5b所示直角坐標系，可得成穴器點C運動軌跡方程為

(4)

式中xc——點C在x方向上的位移，mm

yc——點C在y方向上的位移，mm

D0——成穴器回轉直徑，mm

h0——成穴深度，mm

φ——點O旋轉角，(°)

φ0——點O初始角，(°)

θ——破膜刀楔角，(°)

w——成穴器投種口寬度，mm

同理，可建立成穴器點B運動軌跡方程，由點B和點C運動軌跡方程可得破膜成穴器入土過程點B和出土過程點C坐標，兩點x軸坐標差的絕對值即為膜孔長度理論值，其數學表達式為

(5)

其中

式中W——膜孔長度，mm

由式(5)可知，成穴深度恒定時，膜孔長度隨成穴器回轉直徑、破膜刀楔角和成穴器投種口寬度的增大而增大。

3.1.2成穴器結構設計

成穴器回轉直徑由播種粒距、播種深度、成穴器數量共同決定，可表示為

(6)

式中n——破膜成穴器數量

s0——播種粒距，mm

破膜成穴器在牽引力和土壤阻力作用下滾動前進，為提高成穴、播種質量和作業速度，成穴器回轉直徑在結構和動力配置允許條件下選擇較大值。參考相關農藝要求，玉米播種深度為30～50 mm，側開式破膜成穴器入土部分結構尺寸較小，投種過程易出現回土導致播種深度不穩定且隨播種深度增加愈發嚴重，玉米播種深度選取最大值為50 mm[26]。成穴器數量為10，播種粒距230 mm條件下得成穴器回轉直徑為832.1 mm，本次設計成穴器回轉直徑為830 mm。不同栽培模式玉米播種量各異，在成穴器數量分別為8和10條件下，通過調整破膜成穴器徑向尺寸，由式(6)可知，能夠實現播種粒距200、230、260、290、320 mm。

為了降低強開凸輪磨損、減小破膜成穴器閉合時產生沖擊和振動，復位彈簧初始預緊力僅需平衡破膜刀重力，使其在近休止角范圍保持常閉狀態，閉合時破膜刀受力簡圖如圖6a所示。

通過靜力學平衡方程可得復位彈簧拉力為

(7)

其中

式中Ft——復位彈簧拉力，N

ε——安全系數

Gp——破膜刀重量，N

L1——破膜刀質心到鉸接點距離，mm

γ——破膜刀傾角，(°)

l1——彈簧安裝點到破膜刀距離，mm

L2——推桿固定點到鉸接點距離，mm

w1——破膜成穴器入口寬度，mm

L——破膜刀長度，mm

破膜成穴器入口寬度由排種器投種口寬度決定，本文選用美國精密種植公司(Precision Planting)生產的指夾式排種器，其投種口寬度為30 mm，破膜成穴器入口寬度設計為35 mm。結構允許條件下，為減小復位彈簧所受拉力，破膜刀質心到鉸接點距離選擇較小值，彈簧安裝點到破膜刀距離、推桿長度和推桿固定點到鉸接點距離選擇較大值，各設計值分別為70、90、80、100 mm。破膜刀長度越大，破膜刀傾角就越小，可有效減小入土阻力和膜孔寬度，以安裝10個破膜成穴器且播種粒距為200 mm所得成穴器回轉直徑最小時為極限條件，破膜刀長度設計為200 mm，破膜刀寬度設計為21 mm，破膜刀材料選取3 mm厚65Mn板材，焊接后整體調質HRC為48～57，質量為0.35 kg，安全系數選取3[27]。成穴器投種口寬度和開口寬度受玉米籽粒幾何尺寸限制，為避免投種過程卡種，寬度均需大于玉米籽粒長軸，對主栽玉米籽粒幾何尺寸統計分析，玉米籽粒長軸尺寸小于15 mm，成穴器腔體壁厚2 mm，本次設計成穴器投種口寬度為25 mm，開口寬度為15 mm。將已知條件代入式(7)可得破膜成穴器閉合所需拉力為1.2 N。根據復位彈簧安裝空間結構，選取HP140-040-1.0型標準拉簧。

3.2 強開凸輪設計

滾輪、推桿、破膜刀、轉軸、復位彈簧和強開凸輪共同構成了力鎖緊空間擺動滾子主動件盤型凸輪機構，強開凸輪結構及組配關系如圖7所示，強開凸輪固定在機架上，其它零部件與安裝盤組配，并隨其做旋轉運動。當滾輪進入推程運動角范圍時，推桿和破膜刀在強開凸輪作用下克服復位彈簧拉力繞轉軸旋轉，破膜刀逐漸開啟，滾輪進入遠休止角范圍時，成穴器完全開啟，滾輪進入回程運動角范圍時，破膜刀逐漸閉合，進入近休止角范圍時完全閉合，其中強開凸輪結構參數及輪廓曲線對成穴器工作性能具有重要影響。

由圖6b可知，工作過程推桿端部豎直方向移動距離即為滾輪在安裝盤徑向位移，可得滾輪行程數學表達式為

(8)

其中

式中H——滾輪行程，mm

l——推桿長度，mm

γ0——破膜刀開啟傾角，(°)

ξ——推桿壓力角，(°)

w2——成穴器開口寬度，mm

式(8)中各參數在破膜成穴器設計過程均已確定，將已知參數值代入得滾輪行程為7 mm。根據破膜成穴器與安裝盤組配關系，確定強開凸輪基圓半徑為260 mm。

由于破膜成穴器在土壤中工作時間較短，破膜刀在投種位置需要較短時間內開啟保證適時投種，根據預試驗確定本次設計推程運動角和回程運動角均為5°，根據清土毛刷配置位置，遠休止角為107°，近休止角為243°。滾輪行程相對于基圓半徑較小，為避免強開凸輪輪廓曲線失真，同時，降低推程和回程過程滾輪與強開凸輪剛性沖擊，本次設計滾輪徑向運動學方程選取余弦加速度運動規律，可得推程運動滾輪中心徑向位移、速度和加速度方程為

(9)

式中s——推程運動滾輪中心徑向位移，mm

v——推程運動滾輪速度，m/s

a——推程運動滾輪加速度，m/s2

δ——滾輪轉角，(°)

δ0——推程運動角，(°)

ω——成穴器旋轉角速度，rad/s

由式(9)可知推程運動最大速度為0.43 m/s，最大加速度為51.6 m/s2，滾輪選用GB/T 296—94標準的3200A型雙列角接觸球軸承，質量為0.05 kg，可得推程運動開始和結束時刻滾輪對強開凸輪最大沖擊力為2.58 N，滿足設計要求。在確定了凸輪形式、結構尺寸、從動件運動規律基礎上建立強開凸輪理論輪廓曲線方程為

(10)

式中xo——滾輪中心點在x方向上的位移，mm

yo——滾輪中心點在y方向上的位移，mm

rb——強開凸輪基圓半徑，mm

假設滾子外圓與強開凸輪實際輪廓任意接觸點為m，通過相關幾何關系建立點m在xoy直角坐標系中坐標函數為

(11)

式中xm——接觸點m在x方向上的位移，mm

ym——接觸點m在y方向上的位移，mm

r0——滾輪半徑，mm

將式(9)、(10)代入式(11)中可構建強開凸輪輪廓，通過調整強開凸輪與機架相對轉角實現破膜成穴器在不同位置開啟，即破膜成穴器既可在豎直位置時開啟，亦可提前或滯后開啟，以適應不同作業條件，完成投種作業。

任意接觸點m處強開凸輪壓力角可表示為

(12)

式中φ——任意接觸點m處強開凸輪壓力角，(°)

將式(9)代入式(12)中，求得壓力角最大為7.85°，小于許用壓力角30°[28]，滿足設計要求。

4 參數試驗優化

4.1 試驗材料與儀器設備

以東北農業大學研制的水稻秸稈纖維地膜為研究對象，鋪設寬度1 200 mm，厚度(0.17±0.02) mm，干抗張力大于32 N、濕抗張力大于12 N、耐破度大于100 kPa；以“德美亞1號”玉米種子為播種試驗樣本，平均長×寬×高為12.37 mm×9.35 mm×4.98 mm。試驗于2020年5月10—14日在東北農業大學農學試驗田實施，試驗地壟頂、壟底和壟高尺寸分別為260、420、100 mm，土壤濕度21%，土壤堅實度495 kPa。

試驗儀器與裝置：歐豹704型拖拉機、側開式滑切破膜播種單體、SZ-3型土壤硬度計、SU-LB 型土壤水分測定儀、數碼攝像機、直尺、卷尺等。試驗裝置如圖8所示。

4.2 試驗方案

采用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》、NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規范》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業質量》，以膜孔長度合格率Y1、粒距合格指數Y2、播種深度合格率Y3為目標函數實施試驗。通過預試驗發現作業速度超過5 km/h時播種單體的破膜成穴器出土過程挑膜現象嚴重，選取作業速度范圍為1～5 km/h；根據式(1)確定壓膜彈簧剛度取值范圍為1～3 N/mm；膜孔長度隨破膜刀楔角減小而減小，受成穴器結構和破膜刀剛度限制，試驗取值范圍選取15°～45°；破膜刀開啟相位角決定投種時間，并對土壤擾動和膜孔形狀具有一定影響，以破膜成穴器垂直地表時為破膜刀開啟相位角零水平，提前開啟為負值，滯后開啟為正值，選取破膜刀開啟相位角取值范圍為-5°～5°。試驗因素編碼如表1所示，試驗方案如表2所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Factors and codes of test

4.3 試驗結果與分析

運用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗設計方法[29]，共實施36組處理，每組處理重復3次，取平均值，試驗結果如表2所示。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test design and results

應用Design-Expert 8.0.6.1軟件對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。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為

(13)

對于膜孔長度合格率，壓膜彈簧剛度無顯著性影響，其余因素均具有極顯著性影響，影響由大到小為破膜刀楔角、作業速度、破膜刀開啟相位角、壓膜彈簧剛度；對于粒距合格指數，作業速度具有極顯著性影響，破膜刀開啟相位角具有顯著性影響，其余因素無顯著性影響，影響由大到小為作業速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度；對于播種深度合格率，作業速度具有極顯著性影響，破膜刀楔角和破膜刀開啟相位角具有顯著性影響，壓膜彈簧剛度無顯著性影響，影響由大到小為作業速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度。

(1)因素對膜孔長度合格率影響分析

如圖9a所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設計中心點時，膜孔長度合格率隨作業速度增大呈先增大后減小趨勢，當作業速度較小時，通過對膜孔形狀觀察，膜孔尺寸增大造成破膜刀出土時挑膜，且由于破膜刀線速度較小，出土時對地膜滑切效果較差，挑膜現象明顯，導致膜孔長度增大；當作業速度較大時，破膜刀運動余擺線縱向尺寸增大，導致膜孔長度增大；膜孔長度合格率隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢，當破膜刀開啟相位角較小或較大時，破膜刀提前開啟或滯后關閉，成穴器入土和出土過程橫向尺寸均為最大值，導致地膜橫向變形出現撕裂現象，膜孔長度增大。

如圖9b所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀開啟相位角為設計中心點時，膜孔長度合格率隨破膜刀楔角增大呈先增大后減小趨勢，主要是由于在破膜刀長度和寬度一定時，隨破膜刀楔角減小滑切刃口長度增大，避免了成穴器出土時成穴器腔體與地膜接觸出現撕裂現象，但當破膜刀楔角過小時，破膜刀出土時滑切刃與地膜夾角增大，導致出現挑膜現象，膜孔長度增大。

表3 方差分析Tab.3 ANOVA

(2)因素對粒距合格指數影響分析

如圖10所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設計中心點時，粒距合格指數隨作業速度增大呈先增大后減小趨勢，增大趨勢不顯著，主要是由于作業速度較大時，播種單體滑移率升高，播種粒距合格指數降低；粒距合格指數隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢，當破膜刀開啟相位角較小時，破膜刀提前開啟，旋轉方向的土壤受擠壓進入破膜成穴器內，導致投種口堵塞，出現漏播，當破膜刀開啟相位角較大時，部分種子隨破膜成穴器回代至地表，導致種子分布均勻度降低，粒距合格指數減小。

(3)因素對播種深度合格率影響分析

如圖11a所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設計中心點時，播種深度合格率隨作業速度增大呈先增大后減小趨勢，是由于當作業速度較小時，破膜成穴器在土壤中停留時間增加，回土量隨之增大，導致播深變化較大，當作業速度較大時，破膜成穴器投種口處線速度增加，投種后種子在豎直方向向上繼續運動一定距離，同時，部分土壤進入破膜成穴器內，造成投種口處堵塞，增加了投種時間，導致播深變化較大，播種深度合格率減小；播種深度合格率隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢，當破膜刀開啟相位角較小時，破膜刀提前開啟，完成投種，投種后成穴器繼續向后下方運動擠壓土壤，種子在穴孔內位置持續變化，導致播種深度一致性較差，當破膜刀開啟相位角較大時，破膜刀滯后開啟，受成穴器結構及工作原理影響，破膜成穴器出土過程穴孔回土較快，導致播深變化較大，播種深度一致性減小。

如圖11b所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀開啟相位角為設計中心點時，播種深度合格率隨破膜刀楔角增大呈先增大后減小趨勢，當破膜刀楔角較小時，破膜刀開啟過程由于側向與土壤接觸面積較小，成穴與回土同時進行，導致投種后種子播深變化較大，當破膜刀楔角較大時，穴孔縱向尺寸增大，土壤擾動量增加，穴孔縱向回土量較大，導致投種后播深變化較大，播種深度合格率減小。

4.4 參數優化與驗證試驗

4.4.1參數優化

優化原則為保證播種單體工作性能前提下，提高作業效率。以各因素水平區間為約束條件，運用Design-Expert 8.0.6.1軟件Optimization模塊的多目標變量優化算法進行優化。考慮到加工和實際工作要求，選取壓膜彈簧剛度2 N/mm，破膜刀楔角30°條件進行優化，優化結果如圖12所示。圖中陰影區域為最佳工作區域，當作業速度1.6～3.4 km/h、破膜刀開啟相位角-2.4°～1.8°時，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數大于90%，播種深度合格率大于85%，優化結果滿足覆膜與播種相關農藝要求。

4.4.2驗證試驗

為驗證參數組合優化正確性，在作業速度3.4 km/h，壓膜彈簧剛度為2 N/mm，破膜刀楔角為30°條件下，測試播種單體破膜刀開啟相位角為-2.4°～1.8°范圍內工作性能。選取破膜刀開啟相位角-2°、-1°、0°、1°進行驗證試驗，每組試驗重復5次取平均值為最終結果，試驗效果如圖13所示。 驗證試驗結果表明，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數大于90%，播種深度合格率大于85%，播種單體工作性能評價指標結果均在優化區間范圍內，優化組合結果可信。

5 結論

(1)設計了一種側開式滑切破膜精量播種單體，解決了秸稈纖維基地膜膜上精量播種過程膜孔尺寸大、形狀不規則、播種質量差等問題。

(2)各因素對膜孔長度合格率影響由大到小依次為破膜刀楔角、作業速度、破膜刀開啟相位角、壓膜彈簧剛度；各因素對粒距合格指數影響由大到小依次為作業速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度；各因素對播種深度合格率影響由大到小依次為作業速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度。

(3)在作業速度1.6～3.4 km/h，壓膜彈簧剛度為2 N/mm，破膜刀楔角為30°，破膜刀開啟相位角-2.4°～1.8°的條件下，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數大于90%，播種深度合格率大于85%。