棉花膜下破膜機構設計與分析

摘要：針對棉花覆膜種植時放苗勞動強度大且效率低的問題，提出一種電熱式破膜機構。闡述機構的結構組成與工作原理，對該機構進行運動學分析，同時采用MATLAB軟件的APP DESIGNER編寫機構的仿真分析與優化程序，分析主要參數對機構運動軌跡特性的影響規律；以機構破膜時的直立度和破膜中心與棉苗的重合度為優化方目標，利用仿真程序篩選出一組最優的機構參數。在機組速度為400mm/s，破膜間距為150mm時，主動曲柄AF長度為94 mm，從動曲柄DE長度為63 mm，搖桿FG長度為621 mm，曲柄間距AD長度為333 mm，連桿GH長度為60 mm，主動曲柄AF與水平面的初始角度為15°，傳動安裝角∠BAF與傳動安裝角∠CDE的角度差為0°，工具安裝角∠HGF為170°，此時破膜點H的軌跡線呈顯著的“γ”型輪廓，保證破膜器在接觸與離開薄膜時與塑料薄膜之間的角度分別為88.145 6°和91.050 4°，兩點之間的距離為0.2mm。

關鍵詞：棉花放苗；破膜機構；曲柄滑槽式；MATLAB仿真；運動分析

中圖分類號：S224.9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0008-06

Design and analysis of membrane breaking mechanism under membrane of cotton seedling

Hu Chuanxu， Gong Daocai， Lan Yubin， Xiao Xiao， Xu Haiyu， Zhao Jing

（College of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China）

Abstract：

Aiming at the problem of high labor intensity and low efficiency in cotton planting with mulch， an electric film breaking mechanism was proposed in this paper. The structure and working principle of the mechanism are described， and the kinematics of the mechanism is analyzed. At the same time， the APP DESIGNER of MATLAB software is used to write the simulation analysis and optimization program of the mechanism and the influence of the main parameters on the trajectory characteristics of the mechanism is analyzed. Aiming at the perpendicularity of the mechanism when the film is broken and the overlap between the broken film center and the cotton seedling， a set of optimal mechanism parameters are selected by using the simulation program as follows： When the unit speed is 400mm/s and the film breaking distance is 150mm， the length of the active crank AF is 94 mm， the length of the driven crank DE is 63 mm， the length of rocker FG is 621 mm， the distance between the cranks AD is 333 mm， and the length of the connecting rod GH is 60 mm， the initial angle between the driving crank AF and the horizontal plane is 15°， the difference between the transmission installation angle ∠BAF the transmission installation angle ∠CDE is 0°， and the tool installation angle ∠HGF is 170°. At this time， the trajectory line of the film breaking point H showed a significant “γ” shape contour， which ensured that the Angle between the film breaker and the plastic film was 88.145 6° and 91.050 4°， respectively， when the film was contacting and leaving the film， and the distance between the two points was 0.2mm.

Keywords：

cotton seedling release; film breaking mechanism; crank chute; MATLAB simulation; analysis of motion

0"引言

20世紀中期，發達國家在農業生產中已經開始使用兼具保溫、保水、防蟲作用的塑料薄膜覆蓋技術，給農作物帶來更加適宜的生長發育環境^［1］。1978年，我國從日本引進了塑料薄膜覆蓋技術，并應用在棉花、花生、西瓜等作物品種的種植上。棉花覆膜種植模式中，氣溫變化較大，環境溫度為10℃～30℃，在高溫環境下膜下溫度有可能超過40℃^{［2， 3］}。如果在高溫來臨之前不能將棉苗從膜下釋放出來，就可能出現大面積的棉苗燙傷、燙死現象。目前，我國的棉花放苗階段大部分是采用人力加特制工具進行手動破膜，即工作人員手持特制的鉤子類型的工具在棉田中行走，把棉苗上面的地膜鉤破，將棉苗從膜下釋放出來。但我國人口老齡化嚴重，農業勞動力減少，勞動力成本增加且破膜過程勞動量大。因此，研發機械化程度較高的棉苗破膜機，具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景。

大部分覆膜作物的種植過程都需要經過破膜這一階段，對于作物破膜過程的機械化研究，主要是針對破膜方式與破膜機構進行研制^［4］。周德義等^［5］設計了一種凸輪擺桿式扶苗機構，栽植率大于95%，漏栽率小于2%，栽植深度均勻，覆土厚度穩定。王濤等^［6］設計了一種棉苗膜上打孔機構，其中槽輪機構能實現打孔器在工作過程中前后擺動，減少出土時對孔穴的干擾，打孔頭帶有刃口有利于切土打孔，外表面與內表面都帶有錐度有利于取土排土。楊文彪等^［7］設計了一種曲柄搖桿破膜機構和間歇性旋轉破膜機構，就是在破膜機構接觸薄膜時使刀具旋轉3/4個圓周，完成破膜后再將刀具抬起。但是該機構在刀具磨損較大后容易引發鉤膜與撕膜的現象。肖偉忠等^［8］設計了一種曲柄滑塊破膜機構，隨著機組的行走，破膜刀具在豎直平面上做往復上下運動。此類機構工作時通過自身的重力與外給動力工作，利用刃口將地膜扣開一個圓孔。其缺點是對地膜的平整性要求較高，可靠性不足且機構工作時需要機組停下才能破膜，效率低下。

針對以上問題，本文設計一種曲柄滑槽式破膜機構，建立曲柄滑槽式破膜機構的數學模型，基于該模型開發輔助分析與優化仿真程序，找出對機構運動軌跡產生影響的主要參數，并優化一組最佳的參數組合。

1"破膜原理分析與破膜結構設計

1.1"破膜原理分析

不同的塑料地膜具有不同的熔融溫度，如聚乙烯PE的軟化或熔融溫度極限為110℃～120℃，

聚氯乙烯PVC的軟化或熔融溫度極限為55℃～80℃，

聚苯乙烯PS的軟化或熔融溫度極限為60℃～75℃，

聚丙烯PP的軟化或熔融溫度極限為160℃～170℃。塑料薄膜的熔融溫度大部分都低于200℃，而普通的鎳鉻合金電熱絲發熱溫度高達400℃，可以達到工作要求。

依據棉田的實地調查統計可知，棉苗在放苗階段時葉片的外接圓直徑普遍在25～35mm之間。因此，選取直徑為65mm的環狀電熱絲，同時預留了3/4的缺口，方便后期的殘膜回收。

為驗證電熱破膜的可行性，設置了電熱破膜的預試驗，試驗材料及參數：65mm直徑的環狀鎳鉻合金電熱機構、48V直流電源和48V轉220V逆變器。通過逆變器將48V的直流電轉化為220V的交流電為電熱破膜機構供電，使用的塑料薄膜的材料為聚乙烯。通過手持電熱破膜機構，模擬機械破膜。試驗發現，使用鎳鉻電熱絲破膜，存在效率快、切割的地膜邊緣光滑等優點。

1.2"破膜機構設計

試驗發現，電熱破膜在接觸薄膜時，破膜器需要垂直于薄膜，才能保證破膜質量^［9-11］。因此，依據當地的棉花種植模式（行距760mm，株距150mm），提出一種棉花破膜機構。由于破膜過程中，機組依然在前進，簡單的曲柄滑塊機構效率低，為提高破膜速度，根據破膜機構接觸薄膜時的姿態要求，構建一種“γ”型軌跡的曲柄滑槽式破膜機構（圖1），可以使破膜機構在機組的運行過程中，通過機組的帶動，實現機組行走過程中破膜，提高效率。同時，還提高了破膜器在接觸薄膜時的直立度，從而保證了破膜質量。該機構主要由主動曲柄AF、傳動桿BC、從動曲柄DE、曲柄間距AD、搖桿FG和電熱破膜器GH（電熱破膜器省略未畫出）組成，點H為理想的破膜中心。主動曲柄做勻速圓周運動，通過傳動桿帶動從動曲柄，從而讓電熱破膜器做上下運動。

2"破膜機構運動學分析

2.1"機構運動分析

圖1為曲柄滑槽式破膜機構的運動簡圖，主要由主動曲柄AF，連桿、電熱破膜器、滑塊等構成。主動曲柄AF做勻速圓周運動，連桿AB與主動曲柄AF為一個整體，連桿AB通過連桿BC帶動從動連桿CD轉動，從動曲柄DE與從動連桿DC為一個整體，其中AB的長度L5與JK的長度L9與DC的長度L7相等，連桿BC的長度L6與曲柄間距AD的長度L4相等，形成平行四邊形ABCD和平行四邊形ABKJ，因此，在曲柄AF的帶動下DE桿有著明確的運動。破膜器安裝在搖桿FG的末端，將破膜器的作用點簡化成點H，連桿GH代表了破膜點H到搖桿FG的長度連桿GH與搖桿FG為一個整體。因此，H點的相對位置可以由連桿GH的長度L8與連桿GH和連桿GF的夾角φ3確定。在主動曲柄AF的驅動下從動曲柄DC同樣在做與AF同向的勻速圓周運動，從而帶動搖桿FG和破膜器做平面運動，當曲柄AF旋轉半個圓周時，電熱破膜器接觸薄膜，之后再由機構將電熱破膜器抬起，完成一個破膜周期。

2.2"破膜點的位移方程

為分析破膜點H軌跡線，建立曲柄滑槽式破膜機構的直角坐標系，如圖1所示。原點為A點，機架AD方向為Y軸，設定向上為正方向（其正方向為機組方向的反方向）。主要參數：AF的長度L1，FG的長度L2，AD的長度L4，AF與X軸的初始角度θ1，DE與X軸的角度θ3，∠CDE的角度φ2，FE的長度S2，DE的長度L3，GH的長度L8，FG與X軸的角度θ2，傳動安裝角∠BAF的角度φ1，傳動安裝角∠HGF的角度φ3。

根據機構的運動簡圖（圖1）的封閉圖形AFEDA，機構的封閉矢量方程為

L₁+S₂=L₄+L₃（1）

式（1）的復數表達形式為

L₁e^i（θ1+angle）+S₂e^iθ₂=L₃e^iθ₃+iL₄（2）

式中：

angle——主動桿轉過的角度。

根據歐拉公式e^iθ=cosθ+isinθ，將式（2）虛實分離，可得

L1cos（θ1+angle）+S2cosθ2=L3cosθ3

L1sin（θ1+angle）+S2sinθ2=-L4+L3sinθ3（3）

通過式（3）可得

θ2=arctanL3sinθ3-L4-L1sin（θ1+angle）

L3cosθ3-L1cos（θ1+angle）（4）

S2=

{［L3sinθ3-L4-L1sin（θ1+angle）］²+

［L3cosθ3-L1cos（θ1+angle）］²}¹²（5）

由幾何關系可得，從動曲柄DE與X軸的夾角

θ3=φ1-φ2+θ1+angle（6）

連桿GH和X軸的夾角

θ8=π-φ3+θ2（7）

由式（5）可得，連桿FE的長度S2隨著主動曲柄AF與從動曲柄DE轉角變化的函數，隨著轉角的變化，長度也改變。由幾何關系可得，破膜點H的位移方程為

xH=L1cos（θ1+angle）+L2cosθ2+L8cosθ8

yH=L1sin（θ1+angle）+L2sinθ2+L8sinθ8（8）

式（8）為機組靜止時，破膜點H的軌跡方程。當機組前進速度為v時，破膜點H的運動軌跡方程為

x=xH-vty=yH（9）

3"機構關鍵參數的優化與分析

3.1"破膜機構的優化分析與仿真程序

破膜機構的運動軌跡、姿態對破膜效率與質量有很大的影響。通過建立的數學模型，利用MATLAB的APP DESIGNER編寫了破膜機構的輔助分析與仿真程序，建立了APP窗口，通過調整不同的參數組合，可以獲得相應破膜點H的運動軌跡、速度與加速度曲線圖^［12-14］。

3.2"關鍵參數對破膜軌跡的影響規律

使用APP DESIGNER編寫的輔助分析程序，對主動曲柄AF的長度L1、搖桿FG的長度L2、從動曲柄DE的長度L3、曲柄間距AD的長度L4、連桿GH的長度L8、曲柄AB的初始角度θ1、傳動安裝角∠BAF與轉動安裝角∠CDE的角度差φ12、連桿GH與連桿GF的夾角φ3進行修改，探究上述參數對破膜點H軌跡線的影響。

3.2.1"L1對破膜軌跡的影響規律

當v=400mm/s，L2=650mm，L3=60mm，L4=350mm，L8=65mm，θ1=20°，φ12=5°，φ3=150°時，L1對破膜點H軌跡線的影響如圖2所示。隨著L1增大，破膜軌跡線的隆起逐漸增高，接觸薄膜時與薄膜的夾角接近90°，接觸薄膜點與離開薄膜點之間的距離增大，且入地膜面、出地膜面的軌跡逐漸分離，破膜深度增加，整個破膜點的軌跡從環扣型變化為“V”型。

3.2.2"L2對破膜軌跡的影響規律

當v=400mm/s，L1=95mm，L3=60mm，L4=350mm，L8=65mm，θ1=20°，φ12=5°，φ3=150°時，L2對破膜點H軌跡線的影響如圖3所示。

隨著L2的增大，軌跡線形狀幾乎不變，破膜深度有所增加，軌跡線稍微下移，接觸薄膜點與離開薄膜點的距離增加，整體呈現“V”型。

3.2.3"L3對破膜軌跡的影響規律

當v=400mm/s，L1=95mm，L2=640mm，L4=350mm，L8=65mm，θ1=20°，φ12=5°，φ3=150°時，連桿DE的長度L3對破膜點G軌跡線的影響如圖4所示。

隨著L3的增大，破膜軌跡線的隆起高度和破膜深度基本不變，接觸薄膜點與離開薄膜點之間的距離逐漸減小，又增大，且入薄膜、出薄膜時的軌跡線逐漸貼合由分離，整個破膜軌跡從“V”型逐漸接近“γ”型，又變化為環扣型。

3.2.4"L4對破膜軌跡的影響規律

在v=400mm/s，L1=95mm，L2=640mm，L3=65mm，L8=65mm，θ1=20°，φ12=5°，連φ3=150°時，曲柄間距AD的長度L4對破膜點G軌跡線的影響如圖5所示。隨著L4長度的增加，破膜軌跡線的隆起高度和破膜深度幾乎不變，接觸地膜點與離開地膜點之間的距離逐漸減小，入地膜、出地膜時的軌跡線逐漸貼合，整體軌跡線從“V”型變化為“γ“型。

3.2.5"L8對破膜軌跡的影響規律

在v=400mm/s，L1=95mm，L2=640mm，L3=65mm，L4=330mm，θ1=20°，φ12=5°，φ3=150°時，連桿GH的長度L8對破膜點H軌跡線的影響如圖6所示，隨著L8的增大，軌跡線稍微往右下方移動，破膜深度增加，軌跡線形狀沒有明顯變化，接觸薄膜時軌跡線與薄膜面的夾角逐漸縮小，整體輪廓呈現“γ”型。

3.2.6"θ1對破膜軌跡的影響規律

在v=400mm/s，L1=95mm，L2=640mm，L3=65mm，L4=330mm，L8=50mm，φ12=5°，φ3=150°時，主動曲柄AF的初始角度θ1對破膜點G軌跡線的影響如圖7所示。隨著θ1的增大，破膜軌跡線的隆起高度幾乎不變，接觸薄膜點與離開薄膜點之間的距離變化不大，兩點接近重合，破膜深度沒有明顯變化，軌跡線整體稍微往右移動，整體接近“γ”型。

3.2.7"φ12對破膜軌跡的影響規律

在v=400mm/s，L1=95mm，L2=640mm，L3=65mm，L4=330mm，L8=50mm，θ1=15°，φ3=150°時，φ1與φ2的夾角差φ12對破膜點G軌跡線的影響如圖8所示，隨著φ12的增大破膜軌跡線的隆起高度幾乎不變，接觸薄膜點與離開薄膜點之間的距離逐漸縮小，破膜深度無明顯變化，入薄膜、出薄膜時與薄膜之間的夾角逐漸接近90°又脫離，軌跡線整體逆時針旋轉明顯，整體軌跡線呈現為“γ”型。

3.2.8"φ3對破膜軌跡的影響

在v=400mm/s，L1=94mm，L2=621mm，L3=63mm，L4=333mm，L8=60mm，θ1=15°，φ12=120°，φ3對破膜點H軌跡線的影響如圖9所示，軌跡線形狀沒有明顯變化，但軌跡線有明顯的往右上角移動趨勢，破膜深度減小，入薄膜、出薄膜時與薄膜的夾角接近90°，整體軌跡線呈現“γ”型。

3.3"主要參數優化與分析

根據電熱破膜原理闡述，破膜機構應該使破膜點H在接觸薄膜與離開薄膜時的軌跡線近似成一條線，且軌跡線與薄膜的夾角接近90°，最大偏差應該在3°以內，同時接觸薄膜點與離開破膜點的距離要盡量小，兩點的間距應該在2mm之內^［15］。

通過編寫的仿真優化程序，在機組的行進速度為400mm/s，株距要求為150mm時，分析得到了一組參數組合：L1=93mm，L2=621mm，L3=63mm，L4=333mm，L8=60mm，θ1=15°，φ12=0，φ3=170°，此參數組合得到的破膜點H軌跡線圖如圖10所示。

在此參數組合下，入膜深度為24mm，破膜株距為150mm，破膜頻率為160株/min。電熱破膜機構的運動軌跡在出入地膜時的軌跡呈現顯著的“γ”型輪廓，如圖11所示。

破膜點H在出入地膜時的軌跡幾乎垂直于地膜，通過分析軌跡線可得，破膜器在出入地膜時與地膜的夾角分別為88.145 6°和91.050 4°，出入地膜時兩個接觸點之間的距離為0.2mm，符合預期，此時破膜器的破膜效果較為完整，誤差較小，精確度高。由以上分析可知，在該組參數的結合下該機構能夠較好地滿足破膜機的作業性能需求。

4"結論

1） "針對棉花放苗過程中過度依賴人力的問題，提出一種結構簡單、便于控制的電熱式棉花膜下破膜機構，且通過預試驗得出電熱破膜的可能性，同時得到兩點主要影響破膜效果的因素：（1）破膜在接觸與離開薄膜時的直立度；（2）接觸薄膜與離開薄膜時兩點之間的重合度。該機構通過曲柄滑槽機構帶動破膜器工作，破膜株距為150mm，破膜效率為150～160株/min。

2） "建立破膜機構的運動數學模型，基于該模型采用MATLAB中的APP DESIGNER軟件開發機構輔助分析與優化程序，通過程序分析獲得影響破膜軌跡的主要參數。發現主動曲柄AF的長度L1、搖桿FG的長度L2、從動曲柄DE的長度L3、曲柄間距AD的長度L4、連桿GH的長度L8、曲柄AB與水平面的初始角度θ1、曲柄AF與曲柄AB的夾角φ1、從動曲柄DE與連桿DC的夾角φ2、連桿GH與搖桿FG的夾角φ3對破膜器軌跡輪廓、破膜深度以及接觸離開塑料薄膜時的垂直度都有不同程度的影響。

3） 通過仿真和優化，獲得在機組速度為400 mm/s，破膜間距為150 mm時，破膜機構的一組較優參數：主動曲柄AF的長度L1=94 mm、從動曲柄DE的長度L3=63 mm、搖桿FG的長度L2=621 mm、曲柄間距AD的長度L4=333 mm、連桿GH的長度L8=60 mm、主動曲柄AF與水平面的初始角度θ1=15°、傳動安裝角∠BAF與傳動安裝角∠CDE的角度差φ12=0°、工具安裝角φ3=170°；此時軌跡線呈現顯著的“γ”型輪廓，出入地膜時的夾角分別為88.145 6°和91.050 4°，擁有較高的直立度。出入地膜時兩點之間的距離為0.2 mm，兩點的重合度較高，符合預期。為棉花的機械化放苗提供理論基礎。

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