1GF-2.4型膜上覆土機參數優化與試驗

張惠 紀超 宋泆飛 韓大龍 陳金成

摘要：為解決新疆地區番茄、辣椒等因膜上移栽后覆土量不足造成的燒苗、錯位、畸形苗等問題，設計一種適用于作物苗期膜上作業的覆土機，介紹整機構成及作業參數，并闡明取土盤、絞龍螺旋覆土裝置、調節機構等關鍵部件工作原理。通過理論計算及優化確定絞龍螺旋覆土裝置的主要參數：絞龍軸直徑42mm，長度1110mm，幅寬1500mm；絞龍螺旋葉片間距340mm、螺距170mm、螺旋升角16°。以覆土裝置轉速、機具前進速度及開溝深度為試驗因素，覆土合格率為試驗指標，進行三因素五水平二次回歸正交組合試驗，建立覆土合格率數學回歸模型，最終獲得機具最優工作參數組合：絞龍轉速為306r/min，機具前進速度為2.6km/h，開溝深度為10cm。田間驗證試驗表明，1GF-2.4型膜上覆土機覆土合格率均值為92.6%，滿足作業要求。

關鍵詞：農業機械；正交試驗；膜上覆土；絞龍螺旋覆土；參數優化

中圖分類號：S224.1

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12004007

Optimum design and experiment of 1GF-2.4 type membrane soil covering machine

Zhang Hui1， 2， Ji Chao1， 2， Song Yifei3， Han Dalong1， 2， Chen Jincheng1， 2

（1. Mechanical Equipment Research Institute， Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，

Shihezi， 832000， China； 2. Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture，

Shihezi， 832000， China； 3. Xinjiang Keshen Agricultural Equipment Science and Technology Development

Co.， Ltd.， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

In order to solve the problems of burning seedlings， dislocation and abnormal seedlings caused by insufficient amount of coated soil after transplanting tomato and pepper on plastic film in Xinjiang， a coated soil device was designed， namely 1GF-2.4 type membrane soil covering machine， which can realize the coated soil operation after crop emergence. The theoretical analysis and structural design of the key components such as the soil pick-up plate， the helicoid spiral filling device and the regulating mechanism were carried out. Through theoretical calculation and optimization， the main parameters of the soil device are determined： the diameter of the winch shaft is 42mm， the length is 1 110mm， and the width is 1 500mm. The pitch of the twisted blade is 340mm， the pitch is 170mm， and the helix angle is 16°. Combined with the relevant operational performance requirements， the rotational speed of the soil covering device， the forward speed of the machine and the ditch depth were taken as the test factors， and the qualified rate of soil covering was taken as the test index. The quadratic regression orthogonal combination test of three factors and five levels was carried out， and the mathematical regression model of qualified rate of soil covering was established. The optimal working performance parameters of the machine were obtained as follows： Rotating speed 306 r/min， the forward speed of the machine is 2.6km/h， and the ditching depth is 10cm. The field verification test showed that the average qualified rate of coated soil on 1GF-2.4 membrane soil covering machine was 92.6% which met the operation requirements.

Keywords：

agricultural machinery; orthogonal experiment; membrane soil covering; helicoid spiral filling; parameter optimization

0 引言

新疆地區番茄、辣椒等大面積鋪膜移栽種植后，在五月份需對幼苗周圍穴膜進行二次覆土，這樣既可消除板結、淡化鹽堿，又可培根護莖、提高地溫、保水保墑，減少雜草與減輕病蟲害，提高幼苗成活率，番茄收獲時還可減少收土量。當前新疆番茄、辣椒幼苗的二次覆土主要依靠人工，勞動強度大、作業效率低、覆土均勻性較差，導致作物幼苗易受風力破壞，成活率低等系列問題產生，迫切需要相關機具解決此問題。

現有覆土機具種類較多，基本都是懸掛在移栽機后，對移栽后的幼苗及時覆土。例如較常用的鴨嘴式膜上移栽機［12］上裝配有前置式和后置式兩種覆土裝置，其主要借鑒鋪膜播種機上花籃覆土滾筒的覆土原理進行覆土作業；為解決幼苗移栽時根部覆土不足問題，劉洋等［3］研制出一種可篩出超過一定規格尺寸土塊顆粒的膜上覆土機構，其分離出來的細碎土塊可形成土道，便于進行移栽作業；邵承會等［45］研制了膜前取土、拋扔式輸土的防滲塑料薄膜鋪底專用機械，可實現全膜覆土；王景立等研制的八字形、雙圓盤式覆土器及刮板式覆土裝置［67］實現了膜邊覆土。這些覆土機具多以固膜為主，且多數針對作物出苗前的覆土和棉花種植。對作物出苗后的二次覆土，尤其對番茄、辣椒等幼苗的二次覆土，均未有相關機型和研究。

本文對新疆地區辣椒、番茄鋪膜移栽后的二次覆土提出一種膜上覆土機針，可從膜兩側取土，由絞龍運送至已栽秧苗上方，再精準輸送到每株秧苗的膜口兩側，實現精準覆土，并對其工作原理和結構參數進行理論分析和試驗研究，以期為覆土機型的改進及優化提供參考。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，1GF-2.4型膜上覆土機主要由限深輪、中耕桿齒、懸掛架、主機架、輸送絞龍、拋土鏟、取土箱、支撐機構、覆土輪盤座、拋土輪軸、變速箱、穩定支撐機構、調節機構、液壓缸、覆土槽和覆土斗等機構組成。

作業時，覆土機由拖拉機牽引行走，動力輸出軸提供動力，經變速箱加速后由鏈傳動傳輸至覆土機的絞龍和拋土機構。覆土機前梁安裝有限深輪和中耕桿齒，中部配置變速箱和取土箱，其變速箱置于機架中心，取土箱對稱布置在機架中部的兩側。取土箱內裝配取土盤，其正反兩面交錯配置六組拋土刀片。機架后梁安裝有覆土槽，為充分攪動土壤、減少堵塞，兩個覆土輸送槽（進土輸送槽和出土輸送槽）內并排安裝兩根平行對向螺旋輸送絞龍，即為第一輸送絞龍和第二輸送絞龍。

1.2 工作原理

作業前，根據作物品種、植株行距、長勢與土壤狀況，調節限深輪以調整其離地間隙，同時調節活動底板與液壓伸縮缸，預設覆土量與覆土位置。

如圖2所示，覆土機作業過程主要分為取土、運土、覆土三道工序。

1）取土過程：拖拉機動力輸出軸通過變速箱帶動拋土輪軸轉動，限深輪后方交錯安裝的中耕桿齒對土壤進行疏松，疏松后的土壤通過拋土圓盤轉動而旋起并進入取土箱。

2）運土過程：取土箱中土壤經過慮雜網流至覆土圓筒的進土輸送槽內，進入第一輸送絞龍后被運送至裝置中間，進土輸送槽與出土輸送槽由隔板隔開，到裝置中間隔板斷開一個開口便于運至裝置中間的土壤流入出土輸送槽，繼而進入第二輸送絞龍。第二輸送絞龍與第一輸送絞龍橫向并排安裝且螺旋旋向相反，故第二輸送絞龍輸送土壤方向與第一輸送絞龍相反，即將土壤從裝置中間輸送至兩端。

3）覆土過程：受輸送絞龍推力作用，土壤運送至覆土裝置覆土出口處，根據預設開口大小和覆土角度下落至幼苗根部，從而完成覆土作業。

1.3 主要技術參數

1GF-2.4型膜上覆土機適用于砂石地農田環境，適合新疆地區辣椒、番茄等作物種植模式，整機主要結構及作業參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 取土盤

取土盤的主要結構如圖3所示，取土盤的作用是將土壤從溝壟拋起，并將其送到輸送槽。根據新疆地區番茄、辣椒等作物出苗后的覆土量，確定裝置的取土深度在0.1～0.15m。本覆土裝置限深輪后面安裝的中耕桿齒開溝深度即為取土盤的取土深度。取土盤取土量、取土深度、刀面寬度之間的關系為

Q=6v×t×b0×h0（1）

式中：

Q——取土量，m3；

v——機組前進速度，m/s；

t——機組工作時間，s；

b0——拋土刀刀面寬度，0.4m；

h0——取土深度，m。

2.2 絞龍螺旋覆土裝置

2.2.1 絞龍螺旋覆土裝置參數的設計

絞龍螺旋覆土裝置如圖4所示，絞龍螺旋線的設計由垂直于絞龍軸的直線繞其勻速旋轉并移動所形成［89］。如圖5所示，絞龍軸葉片上任意一點的坐標為［10］

式中：

L——葉片上質點距離Z軸的距離，mm；

θ——形成線的轉角，（°）；

C——螺旋線形成線沿Z軸旋轉一弧度所走過的距離，mm。

絞龍轉動時，土壤受絞龍螺旋葉片作用力（方向：螺旋葉片法線方向）而運動，在葉片上先任意確定一點與Z軸之間的夾角，形成線EF上任取一點A，并沿其作一切面D，AN為切面D的法線，則AN與Z軸的夾角為δ，由文獻［9-10］可知δ為

由此可知，絞龍螺旋葉片上任意一點的法線與Z軸的夾角大小應等于該螺旋葉片的螺旋角。經查閱相關資料，當螺旋角α約等于30°或35°時，土壤沿軸向的運動速度VZ最大［10］；當覆土裝置軸向速度V2最大時，根據式（4）可求得絞龍螺旋角的大小［1011］，螺距表達式為［12］

S=2πLtanα（5）

聯立式（3）～式（5）求得覆土裝置軸向速度

此時螺旋角

式中：

φ——螺旋葉片與土壤的摩擦角，（°）。

2.2.2 絞龍轉速的確定

機組工作時，中耕桿齒不斷疏松土壤，同時取土盤拋取土壤并穩定運送至輸送槽，輸送槽里的絞龍將土壤全部推送至苗根部，從而實現覆土。因此絞龍螺旋覆土裝置轉速的計算尤為重要，且需確保轉速恒定在一定的范圍內。轉速小了，膜兩側的土不能全部回填至苗根部；轉速大了，造成土壤擁堵［11］。查閱農業機械學手冊及相關資料，確定絞龍螺旋覆土裝置轉速為［1213］

式中：

n——絞龍螺旋葉片轉速，r/min；

r0——絞龍螺旋葉片半徑，mm；

g——重力加速度，m/s2；

K——物料綜合系數，選取范圍為2.5～4.5。

為確保機組工作時，即絞龍螺旋葉片工作時，膜兩側的土壤被回填至苗根部，絞龍螺旋角α和摩擦角γ應滿足［10， 12］

式中：

γ——土壤與鋼板的摩擦角，（°）。

絞龍螺旋進給量S0與夾角β（螺旋覆土裝置外邊緣一點運動方向與豎直方向的夾角，β=0.4°～1°［1214］）的關系為

S0=2πrtanβ（10）

式中：

r——絞龍螺旋葉片計算半徑（內徑），mm。

為確保絞龍覆土裝置輸土效率和消耗較少的能耗，選取絞龍螺旋升角為16°［10］，選取土壤顆粒運動方向與豎直方向夾角φ為24°［12］，計算可得絞龍螺旋覆土裝置轉速為268r/min［10］。絞龍螺旋葉片的輸送量

式中：

R——絞龍螺旋葉片外徑，mm；

φ——充滿系數；

s——切土進距，mm。

絞龍螺旋覆土裝置的生產率

式中：

ξ——絞龍螺旋葉片上任意一點與螺旋軸的距離，mm；

M——螺旋覆土器生產率降低系數，M=1；

τ——充滿系數，τ=0.2～0.4。

實際作業時，絞龍螺旋覆土裝置的轉速直接影響絞龍螺旋葉片的輸送量和本覆土裝置的覆土效果，為確保取土盤拋取的土壤能及時由絞龍輸送至苗根處而不擁堵，應使絞龍螺旋葉片的土壤輸送量大于取土盤的土壤拋取量［1416］。此外，機組的前進速度、土壤含水率和堅實度、取土深度等因素都會影響絞龍螺旋覆土裝置的輸土效率。

2.3 調節機構

如圖6所示，輸送槽底部開有覆土出口，為控制出土流量，在覆土出口上方配有可橫向移動的活動底板，可調節覆土出口開口大小。

同時，為引導覆土流向，在覆土口正下方裝有斜面覆土漏斗。覆土漏斗鉸接于輸送槽下壁，且漏斗側壁經液壓伸縮缸與輸送槽遠點鉸接，通過調節伸縮缸外伸長度，可控制覆土漏斗傾斜角度，即根據作物行距調整覆土位置，實現幼苗根部精準覆土。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料

于2021年5月在新疆生產建設兵團第八師一二一團番茄地進行田間試驗，旨在優化1GF-2.4型膜上覆土機的作業參數。試驗地面積為2.1hm2，試驗地番茄平均苗高28cm，膜上行距0.4m，交接行距1.1m，株距平均值0.3m，覆膜寬1.1m，如圖7所示。采用五點取樣法分別測量不同深度下的土壤含水率、堅實度、容重，測得土壤參數如表2所示。田間試驗主要用到的試驗儀器有：雷沃904型拖拉機、犁式開溝器、絞龍式精準覆土裝置、TS-4型土壤含水率儀、SC900型土壤堅實度儀、環刀、鋁盒、烘干箱、卷尺、直尺、天平等。

3.2 試驗方案與方法

根據番茄膜上移栽對苗根覆土作業效果的要求，苗根土壤覆蓋厚度在30～50mm之間，即為覆土合格；茄試驗地中選取100m×3m測試區，番茄苗株高20～30cm，每隔四株苗用游標卡尺測量一株苗根部的覆土厚度，以檢測1GF-2.4型膜上覆土機的覆土合格率，計算覆土合格率［1516］公式為

式中：

Y——覆土合格率，%；

K0——覆土合格測試點數，個；

K1——總試驗測試點數，個。

機組的前進速度、絞龍螺旋覆土裝置轉速、開溝深度、土壤含水率、土壤堅實度等均會影響機具的覆土效果，一二一團番茄試驗地的土壤含水率和堅實度對本試驗影響相對較小，且兩參數較穩定，所以本試驗影響因素選：覆土裝置轉速、機具前進速度和開溝深度。

3.3 試驗設計

以覆土合格率為試驗指標，覆土裝置轉速、機具前進速度和開溝深度為影響因素，設計正交試驗，三因素五水平，選取各試驗因素編碼如表3所列。試驗過程中，機具單程作業距離為100m。試驗17次，其中3次零水平試驗組合，運用Design-Expert 8.06對試驗結果進行方差分析及試驗因素對試驗指標的影響的主次順序［1718］分析。

4 試驗結果與分析

4.1 回歸模型的建立與分析

試驗結果如表4所示，其中A、B、C為因素編碼值。表5為覆土合格率的方差分析，回歸方程模型中，P<0.0001，則回歸極為顯著。失擬項中P=0.26>0.05，因此該模型可以預測覆土合格率。通過分析和比較，各試驗因素對試驗指標的影響順序為：機具前進速度、絞龍螺旋覆土裝置轉速、開溝深度。覆土合格率Y的二次回歸模型為

Y=91.85－0.42A－0.17B－0.12C－0.21AB－0.29AC+0.16BC－0.15A2－0.72B2－0.67C2（14）

根據覆土合格率Y的二次回歸模型，進一步分析各影響因素與覆土合格率的交互作用。如圖8（a）所示可知，覆土合格率與機具前進速度成反比；如圖8（b）所示可知，隨著覆土裝置轉速B和開溝深度C的增大，覆土合格率先增大、后減小；如圖8（c）所示可知，機組前進速度A和開溝深度C響應面曲線走勢相似，表明兩個因素對覆土合格率影響基本相同，覆土合格率在水平附近取得最大值。

4.2 參數優化與試驗驗證

借助Design-Expert軟件中Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型進行優化求解，根據試驗數據，覆土合格率的約束條件和目標函數

獲得覆土合格率的最優作業參數：覆土機的絞龍螺旋覆土裝置轉速為306.21r/min，機具前進速度為2.6km/h，開溝深度為10.44cm，覆土合格率為92.1%。

以最優作業參數組合設定覆土機，在同一番茄試驗地以相同的試驗方法進行試驗驗證［19］，設定覆土機絞龍螺旋覆土裝置轉速為306r/min，機具前進速度為2.6km/h，開溝深度為10cm。隨機選取10組測量地塊，重復10次試驗，在每組地塊中選定區域測量苗株根部的覆土厚度，計算覆土合格率，求平均值。得覆土合格率為92.6%。

5 結論

1）基于西北干旱半干旱地區全膜覆土種植模式，設計一種適用于番茄、辣椒等作物苗期的絞龍式精準覆土裝置，通過理論計算確定1GF-2.4型膜上覆土機關鍵部件絞龍螺旋覆土裝置的主要參數：絞龍軸直徑42mm，長1110mm，覆土寬度2400mm；絞龍螺距170mm、螺旋升角16°、螺旋葉片間距340mm；對取土盤、絞龍螺旋覆土裝置、調節機構進行了設計和分析，并確定了結構及工作參數。

2） 設計了正交組合試驗，以機具前進速度、絞龍螺旋覆土裝置轉速、開溝深度為試驗因素，利用Design-Expert軟件建立的覆土合格率數學回歸模型，得出這三個影響覆土合格率的因素主次作用順序，即：機具的前進速度、絞龍螺旋覆土裝置轉速、開溝深度。在選定參數限制區間內，最優參數組合為：機組前進速度為2.6km/h，絞龍轉速306r/min，開溝深度10cm。最后驗證試驗，以最優作業參數組合，1GF-2.4型膜上覆土機的覆土合格率平均值達92.6%。

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