跨越式膜上覆土裝置的參數(shù)仿真設(shè)計與試驗

李 迪，孫 偉，石林榕，張 華，劉小龍，吳建民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

近年來，覆膜種植作為一種抗旱技術(shù)在西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)廣泛應(yīng)用于玉米、馬鈴薯、小麥、胡麻等作物[1-2]，其具有增溫保墑、減輕雜草與病蟲害、促進作物生長等顯著作用[3-7]。在馬鈴薯全膜壟作種植中，對種行覆土后，種芽可借助覆土帶的壓實作用，自行穿透地膜后破土而出，省去人工打孔、放苗、壓土等作業(yè)[8]。鋪膜覆土作業(yè)作為全膜覆土種植技術(shù)中的關(guān)鍵工序，目前基本上采用簡易機具鋪膜覆土的方式，作業(yè)效率低、覆土均勻性較差，由此導(dǎo)致的易受風(fēng)力破壞、燒苗、出苗受阻等問題嚴重制約著全膜覆土種植技術(shù)的推廣。因此，解決覆土作業(yè)質(zhì)量問題具有十分重要的意義。

西北農(nóng)機工作者對適用于膜上覆土種植模式的覆土裝置進行了一系列的研究，如安世才等[9]設(shè)計研制了集開溝、起壟、整形、施肥、鋪膜、覆土壓膜作業(yè)為一體的起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機，張勇等[10]在此基礎(chǔ)上對該覆土機構(gòu)進行了優(yōu)化改進；黃閃閃等[11]將升運式覆土機構(gòu)運用到移栽機當中，實現(xiàn)了對穴覆土功能；孫偉等[12]對刮板升運帶式覆土機構(gòu)的覆土特性主要是覆土量進行了研究。但這些研究對覆土寬度和覆土厚度均未有詳細的論述，而覆土寬度和覆土厚度也是衡量覆土作業(yè)質(zhì)量的兩個重要指標。

為此，本研究以自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機[13]為依托，針對刮板升運鏈膜上覆土裝置，運用EDEM離散單元法和響應(yīng)曲面法，通過對覆土寬度和覆土厚度合格率與相關(guān)作業(yè)參數(shù)的模擬研究分析，建立二次回歸模型，優(yōu)化得到最佳工作參數(shù)，并進行驗證試驗，以獲得較合理的、能夠滿足農(nóng)藝要求的鏈速與機組前進速度比、排土口高度、排土口寬度，從而為膜上覆土機構(gòu)的研究設(shè)計提供參考。

1 覆土作業(yè)農(nóng)藝要求

以西北旱區(qū)馬鈴薯全膜雙壟溝壟作種植模式為例，種植壟形如圖1所示，大小壟總寬1 100 mm，其中大壟寬700 mm，高100～150 mm；小壟寬400 mm，高150～200 mm。根據(jù)農(nóng)藝要求，種行覆土寬度應(yīng)為540 mm左右，膜上覆土厚度為30～50 mm。

1.大壟；2.種行覆土；3.溝底壓土；4.小壟；5.種薯

1.wide ridge; 2.covering soil on seed potato; 3.filling soil in bottom; 4.narrow ridge; 5.seed potato

圖1 馬鈴薯全膜雙壟溝種植壟形示意圖

Fig.1 Schematic diagram of ridge shape of potato whole plastic-film mulching on double ridges planting

膜上覆土作業(yè)要求土壤從種行膜頂覆蓋至膜側(cè)，然而，覆土帶過寬或覆土過厚，采光面減小，勢必將減弱地膜的增溫作用，而且在升運、傳送額外土壤的過程中會消耗更多的能量；覆土帶過窄或覆土過薄，發(fā)揮不出土壤對種苗的壓實作用，影響出苗效果。因此，覆土寬度和覆土厚度是覆土作業(yè)質(zhì)量的兩個重要指標，合理控制這兩個指標對馬鈴薯全膜雙壟溝覆土種植作業(yè)至關(guān)重要。

其中，覆土厚度以覆土厚度合格率衡量，覆土厚度合格率為膜上覆土厚度合格點數(shù)與小區(qū)總測定點數(shù)之比，即

(1)

式中，F(xiàn)h為膜上覆土厚度合格率(%)；d為膜上覆土厚度合格點數(shù)；d0為小區(qū)總測定點數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

跨越式膜上覆土裝置如圖2所示，基于現(xiàn)有的刮板升運帶式膜上覆土裝置，采用鏈式刮板輸土機構(gòu)設(shè)計而成，主要由起土鏟、調(diào)節(jié)機構(gòu)、刮板升運鏈、張緊機構(gòu)、分土器、主動輪、從動輪等構(gòu)成。起土鏟在鋪膜裝置前取土，刮板升運鏈將起土鏟鏟起的土壤提升、傳送，越過鋪膜機構(gòu)，經(jīng)分土器將土壤按要求鋪灑在種行對應(yīng)的地膜條帶上，完成膜上覆土作業(yè)。

1.機架；2.起土鏟；3.調(diào)節(jié)拉桿；4.刮板升運鏈；5.分土器；6.地輪；7.傳動鏈

1.frame; 2.diggingshovel; 3.adjustingrod; 4.scraperliftingchain; 5.soilseparatingdevice; 6.groundwheel; 7.transmissionchain

圖2 跨越式覆土裝置機構(gòu)示意圖及實物圖

Fig.2Structurediagramofcrossingcoveringsoildeviceandphysicalphoto

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 起土鏟

起土部件的作用是將土壤鏟起，并將其提升到刮板升運鏈傳送部件上去。對起土部件的要求是：(1) 在保證起土量足夠的情況下盡可能少挖取土壤，并保證鏟土深度穩(wěn)定且根據(jù)不同地況可適量調(diào)節(jié)；(2) 保證土垡能夠沿著鏟面順利提升至刮板升運鏈部件。為避免工作時壅土現(xiàn)象的發(fā)生，要求起土鏟鏟面阻力小，輸送順暢，鏟刃鋒利、耐磨性能好。

起土量、起土深度、鏟面寬度各量之間的關(guān)系為：

q0=v×Δt×b0×h0

(2)

式中，q0為起土量；v為機組前進速度；Δt為機組工作時間；b0為起土鏟鏟面寬度；h0為起土深度。

起土鏟受力情況如圖所示，起土鏟入土傾角θ一般設(shè)計角度為14°～25°。由起土鏟受力情況圖可建立如下方程[14]：

(3)

式中，P為起土鏟移動掘起土壤所需要的力；R為起土鏟對土壤的反作用力；θ為鏟的傾角；μ為土壤對起土鏟的摩擦系數(shù)。由此可推導(dǎo)出起土鏟傾角為：

(4)

由起土鏟受力情況可知，傾角θ越小，掘起土壤越少，阻力愈小，在滿足起土性能的前提下，起土鏟傾角θ取值應(yīng)盡可能小。

圖3 起土鏟受力簡圖

Fig.3Forceddiagramofdiggingshovel

3.2 升運鏈

升運鏈安裝在機架兩側(cè)，由拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱提供驅(qū)動力，刮土板在升運鏈的帶動下作回轉(zhuǎn)運動，將起土鏟鏟起的土壤向后上方提升至分土器。要求在輸土過程中作業(yè)平穩(wěn)，輸土量均勻，以避免壅堵和堆積，從而有利于土壤的高效傳送。

傳統(tǒng)的帶式土壤傳送部件是在傳送帶上安裝刮土板，以此實現(xiàn)對土壤的傳送、提升。然而，該種帶式結(jié)構(gòu)在輸送土壤的過程中易打滑，影響輸土效果。本機采用改進的鏈式升運機構(gòu)，將刮土板安裝在鏈條上，故障率較低、作業(yè)穩(wěn)定、輸土效率高，能夠獲得良好的輸土效果。

3.3 調(diào)節(jié)機構(gòu)

通過調(diào)節(jié)拉桿(見圖4)對升運鏈部件進行整體調(diào)節(jié)，改善了以往起土鏟入土角度和升運鏈傾角需分別調(diào)節(jié)的繁瑣、難以配合的境況，有效降低了土壤傳送裝置作業(yè)過程中的堵塞問題，達到了適應(yīng)不同地況的技術(shù)要求。起土深度可通過調(diào)節(jié)地輪實現(xiàn)。

3.4 分土器

分土器如圖5所示，圖中，b為排土口寬度，h為排土口離地高度。由圖可知，排土口寬度越大，離地高度越高，土壤鋪灑比較分散，嚴重影響最終的覆土寬度。鋪膜機兩側(cè)各配備一套覆土機構(gòu)，對稱布置，壟面覆土寬度約為540 mm左右，則每套機構(gòu)的覆土寬度應(yīng)在270 mm左右。為保證能夠得到滿足農(nóng)藝要求的覆土效果，需要合理選取分土器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，故有必要研究分土器的排土口寬度和離地高度對覆土寬度和覆土厚度的影響。

1.起土鏟；2.從動輪；3.升運鏈；4.刮板；5.膜輥；6.分土器；7.主動輪；8.起土護罩；9.調(diào)節(jié)拉桿

1.digging shovel; 2.driven wheel; 3.lifting chain; 4.scraper; 5.film roller; 6.soil separating device; 7.drive wheel; 8.soil guard shield; 9.adjusting rod

圖4 升運裝置結(jié)構(gòu) Fig.4 Structure diagram of lifting device

圖5 分土器示意圖

Fig.5 Schematic diagram of soil separating device

4 仿真試驗及結(jié)果分析

為對跨越式膜上覆土裝置的覆土特性進行研究，借助EDEM離散單元法對覆土寬度和覆土厚度進行數(shù)值模擬。主要以分土器和土壤為研究對象，不考慮其他雜余，從而便于模擬和減少計算量。其中，設(shè)置土壤顆粒之間和土壤顆粒與分土器之間的接觸模型為Hertz Mindlin無滑動接觸模型[15]，材料參數(shù)和接觸參數(shù)如表1所示。為方便仿真，設(shè)置重力方向為y軸負方向，仿真時使地膜相對于x軸負方向運動，大小為機組前進速率。設(shè)置土壤顆粒半徑為1.3 mm，選擇土壤材料并自動計算其屬性。依照樣機在Pro/E中建立分土器模型，導(dǎo)入EDEM軟件，建立地膜模型并選擇相應(yīng)的材料，在分土器模型上方建立顆粒工廠并選擇虛擬類型，設(shè)置顆粒的產(chǎn)生速率為6 000 個·s-1。EDEM軟件會自動計算雷利時間步長TR，設(shè)置時間步長為0.38TR，時間間隔為0.01 s，網(wǎng)格大小為9.28Rmin(最小顆粒半徑)，選取碰撞跟蹤[16]。

表1 材料力學(xué)特性[17] Table 1 Material mechanical properties

進行仿真試驗前，需根據(jù)試驗設(shè)計改變參數(shù)設(shè)置和模型結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整EDEM中的地膜模型的位置改變排土口高度，通過改變?nèi)S模型實現(xiàn)開口寬度的調(diào)整[12]。為較準確地進行覆土寬度的數(shù)值模擬仿真，應(yīng)保證粒子群產(chǎn)生量與實際覆土量一致。因此，需待粒子生成一定厚度后，開始仿真覆土過程，粒子產(chǎn)生時間依據(jù)單位時間內(nèi)的取土量計算。圖6為膜上覆土過程模擬。

1.粒子工廠；2.升運鏈；3.溜土槽；4.土壤；5.地膜1.particle factory; 2.lifting chain; 3.soil sliding groove; 4.soil; 5.plastic film

圖6 膜上覆土過程

Fig.6 Procedure of covering soil on film

4.1 仿真試驗設(shè)計方案及結(jié)果

采用Box-Behnken試驗設(shè)計模型能用較少的試驗次數(shù)進行全面的分析研究，以升運鏈線速度與機組前進速度之比i、排土口高度h、排土口寬度b為自變量，以覆土寬度B和覆土厚度合格率Fh為響應(yīng)值，各試驗因素水平編碼見表2。依響應(yīng)曲面法試驗安排15組仿真試驗[18]，如表3所示。

表2 因素水平編碼 Table 2 Codes of factors and levels

表3 試驗方案及仿真試驗結(jié)果 Table 3 Test scheme and simulation results

4.2 回歸模型建立與檢驗

運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)(表3)進行二次回歸分析，并進行回歸擬合，獲得編碼值表示的覆土寬度B的二次回歸模型為：

B=270.46-1.19i+6.20h+7.14b+1.64ih-2.25ib-0.97hb-10.77i2-0.053h2+2.55b2

(5)

覆土厚度合格率Fh的二次回歸模型為：

Fh=91.27+3.22i-0.088h+2.16b-0.80ih-0.40ib+0.18hb-0.45i2-2.77h2-0.017b2

(6)

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析和擬合，得到方差分析結(jié)果如表4和表5所示。覆土寬度回歸模型P1<0.0001，表明回歸模型極其顯著(P<0.01)；覆土厚度合格率回歸模型P2=0.0265，表明回歸模型顯著(0.01

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，失擬項P1=0.2854，P2=0.4905，均不顯著(P>0.1)，表明不存在其它影響試驗指標的主要因素，試驗因素與試驗指標存在顯著的二次關(guān)系。

表4 覆土寬度(B)方差分析 Table 4 Variance analysis of covering soil width

表5 覆土厚度合格率(Fh)方差分析 Table 5 Variance analysis of qualified rate of covering soil thickness

4.3 響應(yīng)曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行處理，通過對速度比i、排土口高度h、排土口寬度b之間的交互作用對試驗指標覆土寬度B和覆土厚度合格率Fh的影響進行分析比較，作出響應(yīng)面和等高線。

4.3.1 覆土寬度響應(yīng)曲面分析 當排土口寬度為110 mm時，速度比i和排土口高度h的交互作用對于覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7a所示。由圖可知，速度比與排土口高度的交互作用對于覆土寬度有顯著的影響。當速度比一定時，覆土寬度隨著排土口高度的增加而增加。

當排土口高度為200 mm時，速度比i和排土口寬度b的交互作用對覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7b所示。由圖可知，速度比和排土口寬度的交互作用對覆土寬度有顯著影響；當速度比i一定時，覆土寬度B隨著排土口寬度b的增加而增加。

當速度比為2.56時，排土口寬度b與排土口高度h的交互作用對于覆土寬度B的響應(yīng)曲面如圖7c所示。由圖可知，覆土寬度受排土口寬度與排土口高度的影響不大。當排土口高度h固定在某一水平時，隨著排土口寬度b的增加，覆土寬度B呈上升趨勢；當排土口寬度b固定時，隨著排土口高度h的增加，覆土寬度B也呈上升趨勢。

圖7 覆土寬度(B)的響應(yīng)曲面

Fig.7 Response surface of covering soil width

4.3.2 覆土厚度合格率的響應(yīng)曲面分析 當排土口寬度為110 mm時，速度比(i)和排土口高度(h)的交互作用如圖8a所示。當排土口高度一定時，覆土厚度合格率隨著鏈速與機組前進速度比的增大呈增高趨勢；當速度比一定時，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增加而先增大后減?。挥绊懜餐梁穸群细衤实闹饕蛩厥擎溗倥c機組前進速度比。

當排土口高度為200 mm時，速度比(i)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8b所示。當速度比一定時，覆土厚度合格率隨著排土口寬度的增大呈增高趨勢；當排土口寬度一定時，覆土厚度合格率隨著速度比的增大而提高；影響覆土厚度合格率的主要因素是鏈速與機組前進速度比。

當速度比為2.56時，排土口高度(h)和排土口寬度(b)的交互作用如圖8c所示。當排土口寬度一定時，覆土厚度合格率隨著排土口高度的增大而先增大后減??；當排土口高度一定時，覆土厚度合格率隨著排土口寬度的增大呈微弱的增大趨勢；影響覆土厚度合格率的主要因素是排土口高度。

圖8 覆土厚度合格率(Fh)的響應(yīng)曲面

Fig.8 Response surface of qualified rate of covering soil thickness

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為保證覆土寬度滿足農(nóng)藝要求，即覆土寬度為270 mm左右，覆土厚度合格率≥90%，通過Design-Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊對二次回歸方程模型進行優(yōu)化求解，得到分土器的最佳工作參數(shù)：速度比為1.38，排土口高度為200 mm，排土口寬度為120 mm。

5 驗證試驗

5.1 試驗條件

田間驗證試驗于2015年4月下旬在隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)定西市安定區(qū)試驗點進行，覆土作業(yè)效果見圖9。試驗土壤為黃綿土，含水率約為16.3%，容重為1.30～1.35 g·cm-3，堅實度為2.5×105Pa。試驗機具為自制馬鈴薯全膜雙壟溝播種機，配套動力為22.1 kW東方紅-300型輪式拖拉機，起土鏟傾角為15°，排土口離地高度為200 mm，排土口寬度為190 mm，拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r·min-1，勻速作業(yè)，保證鏈速與機組前進速度比約為1.38。試驗中所用地膜寬度為1 200 mm，厚度為0.008 mm。

圖9 作業(yè)效果圖

Fig.9 Photo of operation effect

5.2 試驗方法

驗證試驗中對覆土寬度和覆土厚度兩個試驗指標進行了測定，方法如下[20]：

在測定地塊上，沿對角線隨機等距離取5個測區(qū)，每個測區(qū)寬度為1個作業(yè)幅寬，長度為10 m。在每個測區(qū)內(nèi)隨機抽取5個測點，測定覆土寬度和覆土厚度。覆土厚度以種行正上方的實測值為準進行統(tǒng)計。

5.3 試驗結(jié)果

為驗證工作參數(shù)的合理性與科學(xué)性，選取上述仿真試驗中優(yōu)化后的水平因素，即鏈速與機組前進速度比1.38、排土口高度200 mm、排土口寬度120 mm，進行田間重復(fù)試驗，得到覆土寬度均值為279.6 mm，覆土厚度合格率為93.7%。按最優(yōu)組合調(diào)整仿真模型參數(shù)后進行數(shù)值模擬，得到的模擬覆土寬度為265.87 mm，覆土厚度合格率為94.3%。覆土寬度和覆土厚度合格率模擬值在誤差允許范圍內(nèi)接近田間測試均值，并能夠滿足農(nóng)藝要求，說明建立的二次回歸模型能夠較好地預(yù)測試驗結(jié)果，可以為覆土裝置的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化提供一定的參考。

6 結(jié) 論

1) 構(gòu)建覆土機構(gòu)實體模型，運用EDEM離散單元法模擬仿真試驗，采用三因素三水平響應(yīng)曲面法，借助Design-Expert軟件處理試驗結(jié)果，建立了覆土寬度和覆土厚度合格率的二次回歸模型，分析因素之間的交互作用對試驗指標的影響，優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合：鏈速與機組前進速度比為1.38、排土口高度為200 mm、排土口寬度為120 mm。

2) 運用所得最佳參數(shù)組合，進行田間驗證試驗，結(jié)果表明，用離散單元法模擬出的覆土寬度值和覆土厚度合格率接近田間重復(fù)試驗均值，說明了用該種方法模擬的科學(xué)性及二次回歸模型的準確性，能夠為膜上覆土裝置的設(shè)計和改進提供一定的理論依據(jù)。

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