提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

戴 飛 趙武云 宋學(xué)鋒 辛尚龍 劉鳳軍 辛兵幫

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 酒泉 735000)

提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

戴 飛1趙武云 宋學(xué)鋒1辛尚龍1劉鳳軍2辛兵幫2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 酒泉 735000)

為進(jìn)一步研究提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)對(duì)其覆土性能及質(zhì)量的影響，解析膜頂覆土過(guò)程與規(guī)律，建立了提土-覆土過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)方程，確定了試驗(yàn)因素及其取值范圍。以刮板升運(yùn)帶式提土器線速度、聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度和水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速為自變量，覆土合格率為響應(yīng)值，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，構(gòu)建各因素與覆土合格率之間的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合響應(yīng)曲面對(duì)各因素交互作用進(jìn)行分析，探知試驗(yàn)因素對(duì)覆土合格率影響的主次順序?yàn)樗诫p向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速、刮板升運(yùn)帶式提土器線速度和聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度，獲得提土-全膜面覆土裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)：水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速為432 r/min，刮板升運(yùn)帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度為0.50 m/s。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，提土-全膜面覆土裝置覆土合格率均值為99.6%，較優(yōu)化前有顯著提升；應(yīng)用離散單元法進(jìn)行提土-全膜面覆土裝置在最優(yōu)參數(shù)條件下的“提土-輸土-覆土”動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程模擬，仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)驗(yàn)證工況基本一致，表明該裝置作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算準(zhǔn)確可靠。

馬鈴薯； 提土-全膜面覆土裝置； 離散單元法； 參數(shù)優(yōu)化

引言

馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術(shù)適宜于馬鈴薯大壟雙行覆膜種植模式，即馬鈴薯壟作施肥播種覆膜后，在壟體頂部膜面上覆蓋一層厚度為35～45 mm的土壤，使得植株幼苗依靠覆土重力作用而自行穿破地膜完成出苗[1-3]。該農(nóng)藝技術(shù)能夠避免人工二次放苗，節(jié)省勞力，有效保證種植馬鈴薯出苗整齊、青薯率低且增產(chǎn)效果顯著。已有研究表明，壟體膜面覆土厚度及其質(zhì)量是影響該項(xiàng)農(nóng)藝栽培技術(shù)作業(yè)效果的關(guān)鍵因素之一[3]。

國(guó)外馬鈴薯種植機(jī)械化程度高，基本無(wú)鋪膜覆土作業(yè)工序，但其機(jī)型大、價(jià)格昂貴，不適宜在我國(guó)西北旱地馬鈴薯產(chǎn)區(qū)應(yīng)用[4-5]。國(guó)內(nèi)研制了中小型系列化馬鈴薯壟作種植作業(yè)機(jī)，但關(guān)于樣機(jī)攜有膜頂全覆土裝置鮮見(jiàn)報(bào)道，現(xiàn)有機(jī)型均不符合馬鈴薯大壟雙行膜上覆土自然破膜出苗栽培種植新技術(shù)要求[6]。目前，覆膜種植機(jī)、鋪膜機(jī)膜上相關(guān)覆土機(jī)構(gòu)主要包括實(shí)現(xiàn)交叉排土、孔穴覆蓋、條帶覆蓋功能的內(nèi)螺旋覆土滾筒，應(yīng)用于小麥全膜覆土穴播技術(shù)的前旋耕鏈板輸土式覆土機(jī)構(gòu)，與玉米全膜雙壟溝播技術(shù)相結(jié)合的雙壟耕作提土分流覆土機(jī)構(gòu)，與馬鈴薯全膜雙壟溝種植技術(shù)配套的刮板升運(yùn)帶式膜上覆土裝置，由于上述覆土裝備僅能實(shí)現(xiàn)在覆膜膜面局部、壟溝和膜側(cè)完成覆土作業(yè)，因此均達(dá)不到在壟作模式下對(duì)壟體全膜面覆土的農(nóng)藝技術(shù)條件[7-11]。

本文在研制的全膜面覆土式馬鈴薯播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究聯(lián)合作業(yè)機(jī)相關(guān)提土-全膜面覆土裝置工作過(guò)程中的提土、輸土與覆土質(zhì)量，尋求各作業(yè)參數(shù)對(duì)壟體膜頂合格覆土厚度的影響規(guī)律，以期達(dá)到最優(yōu)覆土質(zhì)量的目的，為進(jìn)一步推廣馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術(shù)提供保障。

1 作業(yè)過(guò)程與建模

1.1 結(jié)構(gòu)組成

全膜面覆土式馬鈴薯播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由提土-全膜面覆土裝置、排肥系統(tǒng)、鏈勺式排種系統(tǒng)、壟體整形裝置、壟體覆膜裝置等部件組成[12]。

圖1 全膜面覆土式馬鈴薯播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of potato planter combined machine for covering soil on top of full film surface1.懸掛架 2.肥箱 3.排種裝置 4.種箱 5.補(bǔ)種座 6.提土-全膜面覆土裝置 7.膜側(cè)覆土圓盤(pán) 8.展膜輪 9.覆膜掛接裝置 10.起土鏟 11.壟體整形裝置 12.地輪 13.施肥開(kāi)溝器

提土-全膜面覆土裝置如圖2所示，位于補(bǔ)種座后方，水平橫跨至聯(lián)合作業(yè)機(jī)后側(cè)。該裝置主要由左、右對(duì)稱(chēng)布置的刮板升運(yùn)帶式提土器，中間橫向連接的水平雙向螺旋覆土器，起土鏟、輸土罩殼及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。

圖2 提土-全膜面覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of mechanism with elevating and covering soil on plastic-film1.左螺旋葉片 2.右螺旋葉片 3.水平雙向螺旋覆土器 4.輸土罩殼 5.刮板升運(yùn)帶式提土器 6.動(dòng)力右半軸 7.動(dòng)力左半軸 8.起土鏟 9.溜土槽

圖3 膜頂覆土作業(yè)過(guò)程Fig.3 Schematic diagram of operation process of covering soil on plastic-film1.起土鏟 2.刮板升運(yùn)帶式提土器 3.溜土槽 4.輸土罩殼 5.壟體膜頂覆土層

1.2 作業(yè)過(guò)程

當(dāng)聯(lián)合機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)(圖3)，提土-全膜面覆土裝置傳動(dòng)系統(tǒng)促使動(dòng)力左、右半軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)刮板升運(yùn)帶式提土器運(yùn)轉(zhuǎn)，并將起土鏟前行所掘起的田間土壤傾斜提升與輸送。當(dāng)升運(yùn)土壤輸送至裝置輸土罩殼兩側(cè)時(shí)，其在水平雙向螺旋覆土器雙側(cè)螺旋葉片的居中作用下變向推送，使得土壤順著中置溜土槽不斷滑落，并均勻鋪撒覆蓋至大壟壟體膜頂部位。壟頂覆土寬度要求為800 mm，覆土厚度需保持在35～45 mm之間。

1.3 提土-覆土過(guò)程建模

如圖3膜頂覆土作業(yè)過(guò)程所示，單位時(shí)間內(nèi)壟頂覆土量除與刮板升運(yùn)帶式提土器線速度、水平雙向螺旋覆土器轉(zhuǎn)速有關(guān)外，聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度也是影響覆土合格率的關(guān)鍵因素。聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度過(guò)大，起土鏟與田間土壤互作時(shí)間縮短，提土升運(yùn)量不足，達(dá)不到覆土厚度要求，且易引起對(duì)覆蓋地膜的拉扯，導(dǎo)致鋪膜覆土作業(yè)失效；當(dāng)聯(lián)合機(jī)行進(jìn)較慢時(shí)，壟體膜頂容易出現(xiàn)土壤堆積而使得覆土厚度不均勻。課題組前期試驗(yàn)研究表明，聯(lián)合機(jī)作業(yè)速度控制在0.4～0.6 m/s時(shí)，作業(yè)性能較高且覆土質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定[12]。

為進(jìn)一步解析膜頂覆土作業(yè)過(guò)程，獲得提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)取值范圍，建立其作業(yè)過(guò)程相關(guān)參數(shù)方程。

壟體膜頂覆土量[12]為

Q=γlbh

(1)

其中

l=vt

式中Q——壟體膜頂覆土量，kg/h

v——聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度，取0.4～0.6 m/s

t——覆膜單位時(shí)間，取1 h

γ——土壤(黃綿土)容重，取1 300 kg/m3[11]

l——單位時(shí)間內(nèi)膜頂覆土長(zhǎng)度，m

b——膜頂覆土寬度，取0.80 m

h——膜頂覆土厚度，取0.035～0.045 m

由式(1)計(jì)算可得Q為52 416～101 088 kg/h。

依據(jù)提土-全膜面覆土裝置對(duì)稱(chēng)布置的刮板升運(yùn)帶式提土結(jié)構(gòu)，結(jié)合壟體膜頂覆土量，建立刮板升運(yùn)帶式提土器、水平雙向螺旋覆土器聯(lián)合作業(yè)參數(shù)與輸土量之間的關(guān)系方程[12-13]為

(2)

式中Q1——裝置左側(cè)提土、螺旋輸土量，kg/h

Q2——裝置右側(cè)提土、螺旋輸土量，kg/h

v1——刮板升運(yùn)帶式提土器線速度，m/s

B——刮板升運(yùn)帶寬度，取0.21 m

H——刮板高度，取0.06 m

φ1——刮板升運(yùn)帶式提土器填充系數(shù)，取均值為0.86[13]

k——傾斜系數(shù)，刮板升運(yùn)帶式提土器傾斜角度為45°，查表取0.40[13]

n——水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速，r/min

D——水平雙向螺旋葉片外徑，取0.16 m

S——水平雙向螺旋覆土裝置螺距，取0.10 m

φ2——水平雙向螺旋覆土裝置填充系數(shù)，查表取0.50[13]

ε——傾斜輸送系數(shù)，取1[13]

由式(2)得出Q1=Q2，為26 208～50 544 kg/h，v1為1.29～2.49 m/s，n為335～646 r/min。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2016年4月20日，在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)應(yīng)用全膜面覆土式馬鈴薯播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行馬鈴薯大壟雙行覆膜種植試驗(yàn)，對(duì)樣機(jī)攜有的提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。選取試驗(yàn)地面積為0.62 hm2，地勢(shì)平坦、無(wú)雜草，土壤為黃綿土，含水率為16.86%，土壤容重約為1 300 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度小于0.20 MPa。聯(lián)合作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力為29.4 kW的常林沭河SH404型輪式拖拉機(jī)，作業(yè)速度控制在0.4～0.6 m/s，試驗(yàn)前對(duì)聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，將提土-全膜面覆土裝置起土鏟傾角調(diào)整為15°，在覆膜掛接裝置上安裝(白色)卷狀地膜(厚度為0.01 mm)，并將膜側(cè)覆土圓盤(pán)傾角調(diào)整至35°進(jìn)行試驗(yàn)[12]。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)和馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術(shù)對(duì)全膜面覆土作業(yè)效果的要求(膜頂土壤覆蓋厚度在35～45 mm之間，符合該條件為覆土合格)，以提土-全膜面覆土裝置的覆土合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行壟體膜頂覆土試驗(yàn)。選取100 m×4 m試驗(yàn)田為測(cè)試區(qū)，在壟體膜頂選取20 mm×20 mm的面積為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，應(yīng)用游標(biāo)卡尺進(jìn)行壟體膜頂覆土合格率測(cè)定。覆土合格率測(cè)定計(jì)算式為[7]

(3)

式中Y——覆土合格率，%

K0——覆土合格測(cè)試點(diǎn)數(shù)，個(gè)

K1——總試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)數(shù)，個(gè)

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)式(2)計(jì)算結(jié)果，選取刮板升運(yùn)帶式提土器線速度x1(1.29～2.49 m/s)、聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度x2(0.4～0.6 m/s)和水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速x3(335～646 r/min)作為試驗(yàn)因素，以覆土合格率Y作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，選取各試驗(yàn)因素編碼如表1所示，共實(shí)施20組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(表2，x1、x2、x3為因素編碼值)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，取5次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)應(yīng)用Design-Expert 8.06進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析[14-15]。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of factors

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回歸模型的建立及檢驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，提土-全膜面覆土裝置作業(yè)后覆土合格率可達(dá)70.8%～96.8%，但其覆土性能及質(zhì)量變化波動(dòng)較大。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果Tab.2 Results of response surface analysis

借助Design-Expert 8.06軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得覆土合格率Y的二次回歸模型為

(4)

對(duì)式(4)二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示顯著(Plt;0.05)，** 表示極顯著(Plt;0.01)。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合作業(yè)機(jī)中置溜土槽排出土壤量的多少直接決定了壟體膜面的覆土厚度與質(zhì)量，因此水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速對(duì)溜土槽內(nèi)合格覆土量的保障至關(guān)重要。而刮板升運(yùn)帶式提土器的左、右對(duì)稱(chēng)布置能夠保證進(jìn)入水平雙向螺旋覆土裝置的土壤流均勻，使得膜頂覆蓋土壤的厚度適中，對(duì)滿(mǎn)足覆土合格率要求起到促進(jìn)作用。同時(shí)，提土-全膜面覆土裝置可根據(jù)聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度的變化對(duì)升運(yùn)帶式提土器線速度、水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以確保覆土量的合格與穩(wěn)定。

3.2 模型交互項(xiàng)的解析

根據(jù)二次回歸模型式(4)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖，響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)弱[10,16]，結(jié)果如圖4～6所示。

圖5 刮板升運(yùn)帶式提土器線速度與水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速對(duì)覆土合格率的影響Fig.5 Impact of soil elevating scraper belt device speed and level of two-way spiral filling device speed on qualified rate of soil cover

圖6 聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度與水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速對(duì)覆土合格率的影響Fig.6 Impact of operation machine speed and level of two-way spiral filling device speed on qualified rate of soil cover

由圖4可知，當(dāng)提土-全膜面覆土裝置作業(yè)時(shí)，刮板升運(yùn)帶式提土器線速度在1.30～1.90 m/s之間，聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度為0.50～0.60 m/s時(shí)，覆土合格率處于較大區(qū)域。由響應(yīng)曲面變化趨勢(shì)看出刮板升運(yùn)帶式提土器線速度對(duì)覆土合格率影響明顯大于聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度的影響。這主要是在覆土作業(yè)過(guò)程中刮板升運(yùn)帶式提土器合理的線速度保證了充足且適宜量土壤的提升、運(yùn)送，能夠滿(mǎn)足壟體膜頂覆土厚度35～45 mm需求；而聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度主要是在覆土厚度滿(mǎn)足要求的前提下盡量保證覆土作業(yè)的一致性與均勻性。兩試驗(yàn)因素對(duì)覆土合格率影響權(quán)重有所差異，這與方差分析結(jié)果相一致。

由圖5可以看出，當(dāng)刮板升運(yùn)帶式提土器線速度控制在0.50～0.56 m/s、水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速為398～490 r/min時(shí)，裝置覆土合格率較高，由偏回歸分析可以看出，刮板升運(yùn)帶式提土器線速度和水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)覆土合格率影響并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

由圖6可以看出，當(dāng)聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度固定在某一水平，水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速由335 r/min遞增至645 r/min時(shí)，覆土合格率呈現(xiàn)出先增大、后減小的總體變化趨勢(shì)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，加快了對(duì)提升土壤的輸送速率；在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使得充足土壤通過(guò)中置溜土槽滑落對(duì)壟體膜頂進(jìn)行固定與覆蓋，保障了覆土合格率的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水平雙向螺旋覆土裝置在旋轉(zhuǎn)和隨聯(lián)合機(jī)前進(jìn)的同時(shí)，沿其軸向兩端同步向中置溜土槽輸送土壤，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。為了進(jìn)一步分析其作業(yè)原理，以該裝置為參考系，規(guī)定x軸為輸土方向，y軸為聯(lián)合機(jī)前進(jìn)方向，對(duì)水平雙向螺旋覆土裝置輸土運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析(圖7，圖中各變量下標(biāo)1、2分別表示裝置左側(cè)和右側(cè)螺旋葉片處)[17-18]。

圖7 水平雙向螺旋覆土裝置速度分解圖Fig.7 Speed decomposition of level of two-way spiral filling device1.左側(cè)螺旋葉片 2.右側(cè)螺旋葉片 3.左葉片泥土顆粒 4.右葉片泥土顆粒

根據(jù)圖7建立水平雙向螺旋覆土裝置輸土運(yùn)動(dòng)方程[18]為

(5)

式中vZ——輸送土壤軸向分速度，m/s

vt——輸送土壤周向分速度，m/s

μ——泥土顆粒與螺旋面摩擦因數(shù)

r——輸送土壤所在螺旋線的半徑，m

由式(5)可知，當(dāng)水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，螺旋輸送土壤的周向分速度變大，容易在垂直于輸送方向產(chǎn)生跳躍翻滾，出現(xiàn)不均勻的“脈動(dòng)現(xiàn)象”，使得覆土合格率有所降低，這與圖6響應(yīng)曲面分析結(jié)果一致。由偏回歸分析與等高線密度可以得出，水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速對(duì)覆土合格率的影響大于聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度的影響。

3.3 作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證提土-全膜面覆土裝置作業(yè)時(shí)壟體膜頂覆土合格率為100%，應(yīng)用Design-Expert 8.06軟件中Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行該目標(biāo)下優(yōu)化求解，得到提土-全膜面覆土裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)：水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速為432 r/min，刮板升運(yùn)帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度為0.50 m/s。

為驗(yàn)證模型式(4)的可靠性，采用提土-全膜面覆土裝置的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行6次覆土性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)的覆土合格率均值為99.6%，較優(yōu)化前覆土合格率(70.8%～96.8%)有明顯提升，表明在優(yōu)化作業(yè)參數(shù)條件下能夠避免壟體膜頂覆土厚度的不均勻及“脈動(dòng)現(xiàn)象”產(chǎn)生，符合馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術(shù)要求，因此該回歸模型是可靠的。

4 覆土作業(yè)過(guò)程仿真

4.1 參數(shù)設(shè)置

為進(jìn)一步研究提土-全膜面覆土裝置在應(yīng)用最優(yōu)作業(yè)參數(shù)時(shí)的提土、輸土、覆土動(dòng)態(tài)工作特性，采用離散單元法EDEM對(duì)裝置覆土作業(yè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，覆土土壤顆粒選取球體顆粒建模，其直徑設(shè)定為3 mm，土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-升運(yùn)帶式刮板、壁面接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)，仿真試驗(yàn)參數(shù)如表4所示[19-21]。

仿真時(shí)間步長(zhǎng)1.405×10-5s，是瑞利時(shí)間步的40%，仿真共進(jìn)行4 s。根據(jù)提土-全膜面覆土裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刮板升運(yùn)帶式提土器單側(cè)刮板為10個(gè)，兩刮板間距離設(shè)置為130 mm，運(yùn)動(dòng)通過(guò)EDEM中coupling server面板，由動(dòng)力學(xué)耦合來(lái)控制，依據(jù)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化值，線速度設(shè)為1.56 m/s。在Geometry面板給水平雙向螺旋覆土裝置添加線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)為432 r/min。顆粒工廠是160 mm×180 mm的長(zhǎng)方形平面。單側(cè)顆粒工廠每秒生成土壤顆粒數(shù)為1.447×107個(gè)。

表4 物性及接觸參數(shù)Tab.4 Parameters of materials and contact

4.2 提土-全膜面覆土仿真

圖8所示為提土-全膜面覆土裝置在最優(yōu)作業(yè)參數(shù)設(shè)置下的膜頂覆土仿真過(guò)程。

圖8 提土-全膜面覆土過(guò)程仿真模擬Fig.8 Simulation operation process of elevating and covering soil on plastic-film

在提土-全膜面覆土模擬仿真前0.5 s內(nèi)為顆粒生成與刮板升運(yùn)帶式提土器填充時(shí)段。當(dāng)仿真時(shí)間為0.58 s時(shí)(圖8c)，刮板升運(yùn)帶上方土壤已經(jīng)足量填充并開(kāi)始逐漸進(jìn)入水平雙向螺旋覆土裝置；1.02 s時(shí)(圖8d)覆土裝置中置溜土槽處出現(xiàn)少量、不連續(xù)的土壤顆粒流，此時(shí)輸土罩殼內(nèi)的土壤填充不均勻，水平雙向螺旋覆土裝置兩側(cè)土壤堆積較多，而中間部分僅有小部分土壤留存；1.66～2.36 s時(shí)(圖8e、8f)中置溜土槽覆土土壤逐步形成連貫顆粒流，且土壤顆粒流量逐漸增大；3.12 s時(shí)(圖8g)水平雙向螺旋覆土裝置趨于穩(wěn)定的覆土輸送狀態(tài)，此時(shí)同一高度的土壤顆粒流厚度相對(duì)均勻一致；3.86 s時(shí)(圖8h)水平雙向螺旋覆土裝置達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，經(jīng)中置溜土槽作用的覆土土壤顆粒流最終呈“幕簾狀”下落，達(dá)到壟體膜頂覆土的作業(yè)要求。提土-全膜面覆土過(guò)程仿真模擬與田間覆土合格率驗(yàn)證試驗(yàn)(圖9)基本一致，表明相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算可靠有效。

圖9 覆土合格率驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.9 Verification test of qualified rate of soil cover

5 結(jié)論

(1) 建立了提土-全膜面覆土裝置作業(yè)過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)方程，確定出優(yōu)化試驗(yàn)因素組成及其取值范圍。采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，進(jìn)行提土-全膜面覆土裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果獲得影響覆土合格率的因素由大到小依次為水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速、刮板升運(yùn)帶式提土器線速度和聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度。

(2) 建立了覆土合格率與水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速、刮板升運(yùn)帶式提土器線速度、聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度的二次多項(xiàng)式回歸模型。以壟體膜頂覆土全部合格(Y=100%)為目標(biāo)，獲得提土-全膜面覆土裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)：水平雙向螺旋覆土裝置轉(zhuǎn)速為432 r/min，刮板升運(yùn)帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯(lián)合機(jī)前進(jìn)速度為0.50 m/s。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，提土-全膜面覆土裝置覆土合格率均值為99.6%，較優(yōu)化前有明顯提升。

(3)應(yīng)用離散單元法進(jìn)行提土-全膜面覆土裝置在最優(yōu)參數(shù)條件下的“提土-輸土-覆土”動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程模擬，仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)驗(yàn)證工況基本一致，表明該裝置作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算可靠有效，作業(yè)性能符合馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術(shù)要求。

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OperatingParameterOptimizationandExperimentofDevicewithElevatingandCoveringSoilonPlastic-film

DAI Fei1ZHAO Wuyun1SONG Xuefeng1XIN Shanglong1LIU Fengjun2XIN Bingbang2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2.JiuquanZhulongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Jiuquan735000,China)

The objectives were to study on operating parameters influence of the covering soil performance and covering soil quality with the device, and analyzing the process and regulation of covering soil on plastic-film, setting up the key parameters equation of process of elevating and covering soil on plastic-film, and determining the test factors and its scope. Quadratic rotation orthogonal combination experiment was carried out. Parameters such as soil elevating scraper belt device speed, operation machine speed, level of two-way spiral filling device speed were selected as independent variables, which would influence qualified rate of soil cover. The mathematical model was established, and then the effects of various parameters and their interactions were analyzed as well. The test results showed that effects order of three parameters on qualified rate of soil cover were as follows: level of two-way spiral filling device speed, soil elevating scraper belt device speed and operation machine speed. The optimal working parameters of device were level of two-way spiral filling device speed of 432 r/min, soil elevating scraper belt device speed of 1.56 m/s and operation machine speed of 0.50 m/s. Confirmatory tests showed that the average value of qualified rate of soil cover was 99.6%, which was promoted significantly compared with that before optimization. Discrete element method was applied to simulate the device with elevating and covering soil on plastic-film dynamic operation process under the condition of optimal parameters of elevating, conveying and covering soil. The simulation result was consistent with the field test conditions, which showed that the device optimization operation parameters calculation was accurate and reliable.

potato; device with elevating and covering soil on plastic-film; discrete element method; parameters optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.011

S223.2

A

1000-1298(2017)11-0088-09

2016-12-18

2017-01-19

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201503105)和甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(143NKDF016)

戴飛(1987—)，男，講師，博士生，主要從事北方旱區(qū)作物生產(chǎn)裝備工程研究，E-mail: daifei@gsau.edu.cn

趙武云(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事北方旱區(qū)作物生產(chǎn)裝備工程研究，E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn