全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)過程仿真分析與試驗(yàn)

張仕林，趙武云，戴 飛，宋學(xué)鋒，瞿江飛，張鋒偉

全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)過程仿真分析與試驗(yàn)

張仕林，趙武云，戴 飛※，宋學(xué)鋒，瞿江飛，張鋒偉

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

為深入研究全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中不同工作參數(shù)對(duì)機(jī)具運(yùn)行及種床構(gòu)建質(zhì)量的影響，該文利用ABAQUS軟件建立鎮(zhèn)壓裝置輪組與種床土壤互作的三維有限元模型，模擬鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中觸土部件與土壤相互作用的動(dòng)態(tài)過程。采用三因素三水平 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立載荷、機(jī)具前進(jìn)速度、土壤含水率與壟面沉陷量、水平牽引阻力及滲水孔偏移量之間的數(shù)學(xué)模型，尋求覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。仿真試驗(yàn)中采用基于ALE算法的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)解決網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的仿真中斷問題。仿真結(jié)果確定了3種不同土壤條件下較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，土壤含水率為15%條件下，機(jī)具前進(jìn)速度為1.01 m/s，施加載荷為100 N時(shí)鎮(zhèn)壓輪組所受水平牽引阻力均值為44.15 N，大壟壟面平均沉陷量為11.82 mm，滲水孔平均偏移量為8.25 mm，試驗(yàn)結(jié)果滿足全膜雙壟溝種床構(gòu)建質(zhì)量要求。本文建立的三維有限元模型可用于預(yù)測鎮(zhèn)壓裝置工作過程中的作業(yè)情況，可為機(jī)械化雙壟溝種床構(gòu)建作業(yè)方式及起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；有限元法；仿真；全膜雙壟溝；種床構(gòu)建；鎮(zhèn)壓過程

0 引 言

旱地全膜雙壟溝栽培技術(shù)是在傳統(tǒng)地膜覆蓋種植模式上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)通過旋耕松土、開溝起壟、全膜覆蓋和覆土鎮(zhèn)壓的方式完成種床構(gòu)建，配合在膜下壟溝內(nèi)施肥播種以保證降水能被作物充分利用，該技術(shù)具有地膜抑蒸、壟面集流、膜下積溫的特點(diǎn)，能夠達(dá)到蓄水保墑、集雨抗旱、增加種床溫度、提高水肥利用率的效果[1-3]。自2003年起，旱地全膜雙壟溝栽培技術(shù)迅速在中國西北地區(qū)大面積推廣。全膜雙壟溝分為“秋覆膜”和“頂凌覆膜”兩種類型，2017年僅甘肅省采用全膜雙壟溝栽培技術(shù)的示范推廣面積就達(dá)1.07×105hm2[4]。近年來，隨著全膜雙壟溝栽培技術(shù)在西北旱區(qū)應(yīng)用面積的不斷擴(kuò)大，針對(duì)旱地全膜雙壟溝栽培技術(shù)的特點(diǎn)而研制的起壟覆膜機(jī)種類也日趨豐富。

鎮(zhèn)壓裝置輪組作為起壟覆膜機(jī)具的關(guān)鍵部件之一，在簡易式起壟覆膜機(jī)、起壟覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)等機(jī)具中均有設(shè)置，通過鎮(zhèn)壓輪與打孔輪配合工作，在機(jī)械化雙壟溝種床構(gòu)建過程中完成壟面壓實(shí)、溝內(nèi)覆土、打滲水孔等作業(yè)，其作業(yè)性能的優(yōu)劣不僅直接影響壟體、地膜受力后形狀的變化，而且影響壟溝土壤緊實(shí)度的大小以及肥料顆粒與土壤接觸的緊密程度，關(guān)系到起壟覆土質(zhì)量和后續(xù)播種作業(yè)質(zhì)量，進(jìn)而影響到作物生長及其產(chǎn)量效應(yīng)[5]。

目前，現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備耕整部件與種床互作規(guī)律的研究大多依靠土槽試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)際田間試驗(yàn)來測定相關(guān)數(shù)據(jù)，然而該方式存在試驗(yàn)周期長、加工成本高等弊端，同時(shí)對(duì)于如載荷、作業(yè)加速度、土壤阻力等物理量難以精確控制和測定，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際作業(yè)效果之間誤差較大[6]。隨著計(jì)算機(jī)三維仿真軟件計(jì)算能力的不斷提高和土壤本構(gòu)模型的逐步完善，有限元法已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)具觸土部件與土壤相互作用的研究中。佟金等[7]結(jié)合有限元方法與仿生學(xué)理論設(shè)計(jì)了一種仿生鎮(zhèn)壓輥，并通過運(yùn)用ABAQUS仿真分析研究其作業(yè)性能；劉宏俊等[8]基于SPH算法在LS-DYNA軟件中建立剛性輪與丘陵地區(qū)土壤互作三維模型，并通過仿真試驗(yàn)得出機(jī)具的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合；賈洪雷等[9]設(shè)計(jì)研制了一種彈性可覆土鎮(zhèn)壓輪并通過三維有限元仿真分析研究其工作性能。上述研究主要針對(duì)丘陵地區(qū)及平原地區(qū)平作種植模式下的鎮(zhèn)壓器設(shè)計(jì)及作業(yè)性能研究，而西北干旱地區(qū)主要采用全膜雙壟溝種植模式，在該模式下進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)要考慮到對(duì)雙壟溝種床壟體形狀與地膜位置變化的影響，目前針對(duì)鎮(zhèn)壓裝置在旱地全膜雙壟溝種植模式下的工作性能及作業(yè)效果研究鮮有報(bào)道，可參考和借鑒的研究結(jié)論較少。在實(shí)際構(gòu)建雙壟溝種床和后續(xù)鎮(zhèn)壓作業(yè)時(shí)，要盡量避免鎮(zhèn)壓裝置施力不均而導(dǎo)致壟體結(jié)構(gòu)變形以及打孔輪作業(yè)時(shí)發(fā)生的撕膜、挑膜現(xiàn)象，這對(duì)機(jī)具在工作時(shí)的行走速度、所受載荷及土壤情況要求相對(duì)較高。

本文結(jié)合有限元仿真方法與實(shí)際田間試驗(yàn)，在前期研究成果的基礎(chǔ)上，建立覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置與雙壟溝種床土壤相互作用的三維有限元模型，模擬鎮(zhèn)壓裝置觸土部件工作時(shí)的動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)解決網(wǎng)格單元大變形問題，借助因素水平試驗(yàn)與響應(yīng)曲面法得到鎮(zhèn)壓輪組所受載荷、機(jī)具前進(jìn)速度及土壤含水率與壟面沉陷量、推土阻力及滲水孔偏移量之間的數(shù)學(xué)模型，尋求覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)時(shí)的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合，通過實(shí)際田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，分析探討不同作業(yè)參數(shù)對(duì)鎮(zhèn)壓裝置工作性能與雙壟溝種床構(gòu)建質(zhì)量的影響，以期為全膜雙壟溝種床機(jī)械化構(gòu)建作業(yè)方式及覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供參考。

1 覆膜機(jī)結(jié)構(gòu)及鎮(zhèn)壓工作原理

旱地全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)主要由懸掛裝置、旋耕裝置、起壟裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置、施肥裝置和噴藥裝置等部分組成[10]，鎮(zhèn)壓裝置通過螺栓連接及仿形機(jī)構(gòu)與覆膜機(jī)機(jī)架相連（圖1）。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.懸掛裝置 3.噴藥裝置 4.施肥裝置 5.覆土裝置 6.鎮(zhèn)壓裝置 7.地輪 8.起壟裝置 9.旋耕裝置 10.鎮(zhèn)壓輪 11.鎮(zhèn)壓輪架 12.仿形彈簧 13.打孔輪架 14.打孔輪

覆膜機(jī)作業(yè)時(shí)由四輪拖拉機(jī)牽引，動(dòng)力通過變速箱傳遞至旋耕刀軸并帶動(dòng)旋耕刀組將種床土壤旋耕疏松，同時(shí)取土鏟隨著整機(jī)前進(jìn)完成對(duì)疏松種床的開溝起壟；農(nóng)用地膜在展膜輥的輔助下均勻鋪設(shè)于小壟壟體并向兩側(cè)大壟中部延伸，土壤在旋耕刀組和取土鏟的配合工作下經(jīng)刮板式輸送器輸送至覆土罩殼并沿溜土槽均勻落入壟溝完成覆土作業(yè)[11]。鎮(zhèn)壓作業(yè)是雙壟溝種床構(gòu)建過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過裝置中部的打孔輪和兩側(cè)的鎮(zhèn)壓輪配合完成，鎮(zhèn)壓裝置輪組在兩側(cè)仿形彈簧作用下始終將鎮(zhèn)壓輪及打孔輪壓實(shí)在壟面及壟溝，使地膜與土壤緊密接觸，以消除地膜與種床土壤間的空隙，從而提高覆膜種床的構(gòu)建質(zhì)量、減少水分蒸發(fā)。

表1 起壟覆膜機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

全膜雙壟溝栽培主要包括種床構(gòu)建、壟體覆膜、覆土鎮(zhèn)壓和膜上播種4個(gè)步驟，在機(jī)械化構(gòu)建種床時(shí)要求一次性完成大壟壟體（壟寬700 mm、壟高100～150 mm）與小壟壟體（壟寬400 mm，壟高150～200 mm）相間的異形壟體覆膜種床[4]。進(jìn)行覆膜作業(yè)時(shí)，要求以小壟壟體為中心，使用寬度為1 200 mm的白（黑）色地膜（厚度為0.01 mm）進(jìn)行覆蓋鋪設(shè)，即單次覆膜需完成對(duì)小壟壟體及兩側(cè)壟溝的整體覆蓋，并分別向兩側(cè)1/2大壟壟體處均等延伸鋪設(shè)，待下一組小壟壟體完成覆膜，實(shí)現(xiàn)在大壟壟體中心處完成膜邊對(duì)接，保證對(duì)整個(gè)種床的全膜覆蓋[12]。覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)為機(jī)具兩側(cè)和中部覆土導(dǎo)流槽及鎮(zhèn)壓裝置的共同配合作業(yè)，其中鎮(zhèn)壓輪在壟面滾動(dòng)前進(jìn)將土壤壓實(shí)，同時(shí)打孔輪在壟溝內(nèi)完成膜上打孔，以便集雨入滲。依照 NY/T 986－2006《覆膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和DB62/T 1935－2010《全膜雙壟溝覆膜機(jī)操作規(guī)程及作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)具覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)應(yīng)當(dāng)盡力避免種床結(jié)構(gòu)由于鎮(zhèn)壓輪組作用而出現(xiàn)下沉、變形，全膜雙壟溝種床構(gòu)建農(nóng)藝技術(shù)要求如圖2所示。

1.壟溝覆土 2.小壟覆膜 3.大壟壟面覆土 4.大壟覆膜

1.Soil covering in furrow 2.Film covering on small ridge 3.Soil covering on large ridge surface 4.Film covering on large ridge

注：R為大壟高度，mm；r為小壟高度，mm；R、r分別為大、小壟體寬度，mm。

Note:Ris height of large ridge, mm;ris height of small ridge, mm;Randrare width of large and small ridge, mm.

圖2 全膜雙壟溝種床構(gòu)建農(nóng)藝技術(shù)要求示意圖

Fig.2 Agronomic requirements of seedbed construction with full-film double-furrow

2 鎮(zhèn)壓裝置輪組作業(yè)阻力分析

鎮(zhèn)壓輪組與種床土壤間的相互作用可近似為剛性輪的滾動(dòng)，鎮(zhèn)壓輪與打孔輪分別對(duì)壟面及壟溝內(nèi)土壤有壓實(shí)和推移作用，因此鎮(zhèn)壓輪組受到種床土壤的推土阻力、壓實(shí)阻力以及土壤粘附力[13]。

根據(jù)鎮(zhèn)壓輪組與雙壟溝種床土壤的相互作用（圖3），結(jié)合受力分析可得鎮(zhèn)壓輪、打孔輪受力平衡方程為

式中c為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）所受前進(jìn)方向的土壤壓實(shí)阻力，N；為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）垂直方向的載荷，N；為鎮(zhèn)壓輪、打孔輪寬度，mm；0、為鎮(zhèn)壓輪、打孔輪緣與土壤接觸面所包含的角度，(°)；為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）半徑，mm；鎮(zhèn)壓輪單位面積所受的徑向土壤反作用力，N。

注：Q為鎮(zhèn)壓輪、打孔輪所受垂直方向的載荷，N；Fc為鎮(zhèn)壓輪、打孔輪所受前進(jìn)方向的土壤壓實(shí)阻力，N；δ為鎮(zhèn)壓輪單位面積所受的徑向土壤反作用力，N；Z0為最大土壤沉陷量，mm；Z為任意時(shí)刻土壤沉陷量，mm；α0、α為土壤沉陷量Z0、Z對(duì)應(yīng)的圓心角，(°)；lt為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）與土壤接觸前緣與圓心間的距離，mm；D為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）直徑，mm；r為鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）半徑，mm；x為單位土壤作用力作用點(diǎn)與鎮(zhèn)壓輪（打孔輪）圓心間的距離，mm。

參考文獻(xiàn)[14]鎮(zhèn)壓輪組在克服土壤壓實(shí)阻力時(shí)所消耗的功與鎮(zhèn)壓輪在作業(yè)時(shí)形成土壤輪轍或坑孔所消耗的功相等，即c的值直接與土壤沉陷量有關(guān)[7]，由式（2）可得

結(jié)合圖3可得鎮(zhèn)壓輪組所受的壓實(shí)阻力c為

西北地區(qū)旱地雙壟溝種床土壤為黃綿土，土體較為疏松并有一定團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，鎮(zhèn)壓輪組在作業(yè)時(shí)輪體前端將推動(dòng)土壤，導(dǎo)致在接觸面前端形成前緣波，即壅土現(xiàn)象。鎮(zhèn)壓輪為克服土壤前緣波隆起所消耗的阻力b為

式中為土壤內(nèi)摩擦角，(°)；為粘聚系數(shù)；cr為土壤承載能力系數(shù)；s為土壤密度，g/cm3[15]。

由于黃綿土對(duì)鎮(zhèn)壓輪組粘附力較小，相較于壓實(shí)阻力與推土阻力可忽略不計(jì)，因此鎮(zhèn)壓輪組作業(yè)過程中所受土壤阻力為

=b+c（9）

3 鎮(zhèn)壓輪組-雙壟溝種床互作有限元模型

3.1 鎮(zhèn)壓裝置組有限元模型

根據(jù)全膜雙壟溝種床構(gòu)造要求，鎮(zhèn)壓輪組包括鎮(zhèn)壓輪及打孔輪各1對(duì)，其中鎮(zhèn)壓輪直徑200 mm，輪寬80 mm；打孔輪直徑180 mm，輪寬60 mm，且在輪緣處均勻設(shè)有打孔齒，齒高35 mm，齒根部截面圓直徑為10 mm?？紤]鎮(zhèn)壓輪及打孔輪的材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于種床土壤強(qiáng)度，故在相互作用過程中無形變發(fā)生，因此在ABAQUS仿真前處理時(shí)將鎮(zhèn)壓輪及打孔輪分別設(shè)置為離散剛體，同時(shí)在2種輪體的質(zhì)心設(shè)置參考點(diǎn)并添加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以便于后續(xù)載荷加載和運(yùn)算。應(yīng)用Mesh模塊中的自由網(wǎng)格劃分對(duì)鎮(zhèn)壓輪及打孔輪分別進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑渲墟?zhèn)壓輪采用8節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元（C3D8R），數(shù)量為1 340；打孔輪在打孔齒及輪體分別采用3節(jié)點(diǎn)三維三角形剛體單元（R3D3）網(wǎng)格及4節(jié)點(diǎn)三維四邊形雙線性剛體單元（R3D4）網(wǎng)格數(shù)量分別為282和6 227。圖4為鎮(zhèn)壓輪及打孔輪的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

注：Bd為1/2大壟壟面寬度，Bd=350 mm；Bx為1/2小壟壟面寬度，Bx=120 mm；Hd、Hx為土壤模型兩側(cè)高度，Hd=400 mm，Hx=420 mm；L為土壤寬度，L=650 mm；模型總長2 000 mm。

3.2 雙壟溝土壤有限元模型

為縮短仿真運(yùn)算時(shí)間，根據(jù)模型對(duì)稱性采用簡化后的1/2鎮(zhèn)壓輪組-雙壟溝種床互作模型（圖4c）。

對(duì)雙壟溝種床土壤模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分割并對(duì)接觸的部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法以提高網(wǎng)格單元密度，土壤模型所采用的網(wǎng)格單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元（C3D8R），網(wǎng)格單元總數(shù)為50 568，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為55 440。根據(jù)“秋覆膜”及“頂凌覆膜”時(shí)期土壤含水率大致在10%～20%之間，結(jié)合西北旱區(qū)耕地黃綿土特性，采用ABAQUS提供的修正Drucker-Prager模型，構(gòu)建3種不同含水率雙壟溝土壤模型，所需土壤參數(shù)見表2[16]。

3.3 有限元模型邊界條件及接觸設(shè)置

在ABAQUS前處理模塊中，土壤模型底面定義全局約束，由于鎮(zhèn)壓輪及打孔輪的材料屬性相較于土壤模型可視為剛體，因此在鎮(zhèn)壓輪及打孔輪質(zhì)心處分別設(shè)置參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)即后續(xù)工作中載荷、邊界條件及旋轉(zhuǎn)慣量施加點(diǎn)。由于旱地全膜雙壟溝種床機(jī)械化構(gòu)建作業(yè)過程中，拖拉機(jī)前進(jìn)速度一般為2.6～5.0 km/h[5,16]，因此對(duì)鎮(zhèn)壓輪及打孔輪依次施加前進(jìn)速度0.8、1.0及1.2 m/s，通過測定不同工作條件下鎮(zhèn)壓裝置中彈簧力的大小，創(chuàng)建大小60、80和100 N的豎直載荷分別施加至鎮(zhèn)壓輪及打孔輪。在Interaction模塊中分別定義“鎮(zhèn)壓輪-壟面”和“打孔輪-壟溝”接觸，其接觸屬性為通用接觸。各接觸對(duì)中切向、法向作用方式分別為“Penalty”法與“硬”接觸，鎮(zhèn)壓裝置輪組與土壤間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.42[17]。

起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組在壟溝進(jìn)行打孔作業(yè)時(shí)，壟溝土壤滲水孔處會(huì)發(fā)生局部的大變形，運(yùn)用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)優(yōu)化仿真過程中種床網(wǎng)格的變形程度[18-24]。

3.4 作業(yè)過程仿真

為探究覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組作業(yè)對(duì)雙壟溝種床壟體和地膜形狀的影響，通過仿真模擬得到大壟壟面下沉量與滲水孔參考點(diǎn)偏移量，來反映鎮(zhèn)壓輪組作業(yè)過程中壟體的尺寸變化以及打孔輪是否對(duì)壟溝地膜有“撕挑作用”，由于在不同工況下，壟面沉陷與地膜撕挑程度不盡相同，但其變化規(guī)律與作業(yè)后的種床狀態(tài)基本相似[23]。參考文獻(xiàn)[24]中的方法，選擇機(jī)具前進(jìn)速度1.0 m/s、土壤含水率15%、鎮(zhèn)壓輪組所受載荷100 N時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

鎮(zhèn)壓輪組工作時(shí)，鎮(zhèn)壓輪在大壟壟面行走并對(duì)其有一定壓實(shí)作用，由于壅土現(xiàn)象鎮(zhèn)壓輪與土壤間接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鎮(zhèn)壓輪前端（圖5）。打孔輪與壟溝土壤間作用力最大值則出現(xiàn)在打孔齒扎入土壤時(shí)，伴隨部分打孔齒對(duì)土壤的撕挑作用，在滲水孔形成處出現(xiàn)最明顯的應(yīng)力集中。應(yīng)力變化隨鎮(zhèn)壓裝置輪組在雙壟溝種床表面持續(xù)作業(yè)不斷趨于穩(wěn)定，但土壤縱向擾動(dòng)范圍逐漸增加，壟面土壤受鎮(zhèn)壓輪作用后提高緊實(shí)度，可以保證種子與種床緊密接觸和壟上覆膜的平整。

圖5 鎮(zhèn)壓輪組-雙壟溝種床互作應(yīng)力云圖

3.4.1 鎮(zhèn)壓輪牽引阻力變化

鎮(zhèn)壓輪所受阻力主要來自大壟壟面。由圖6可知，該力在前進(jìn)方向上的分力即為牽引阻力，運(yùn)用ABAQUS后處理模塊提取大壟壟面在前進(jìn)方向（方向）上作用力CFT3的變化曲線，。在仿真開始0.12 s之前，鎮(zhèn)壓輪只受大小為100 N的豎直載荷，此時(shí)鎮(zhèn)壓輪與大壟壟面間相互作用為靜摩擦，故在0.12 s前鎮(zhèn)壓輪所受牽引阻力為0，隨著邊界條件及載荷按逐漸加載，鎮(zhèn)壓輪與土壤開始接觸并沿軸正方向滾動(dòng)前進(jìn)，牽引阻力由于前緣壅土在0.12 s后迅速上升并一直保持在一穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)，該過程中鎮(zhèn)壓輪所受平均牽引阻力為45.73 N，最大牽引阻力為65.79 N。

圖6 鎮(zhèn)壓輪所受牽引阻力隨時(shí)間變化曲線

3.4.2 大壟壟面沉降量變化

覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組的主要作用為壓實(shí)壟體表面土壤，以防止地膜與壟體間空隙過大而導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)，也可以避免風(fēng)蝕地膜，同時(shí)對(duì)壟溝內(nèi)土壤進(jìn)行適當(dāng)鎮(zhèn)壓，有利于種子發(fā)芽和作物生長[25-27]。但鎮(zhèn)壓輪組對(duì)土壤壓實(shí)力過大會(huì)在大壟表面形成溝壑，嚴(yán)重的壟面下沉?xí)绊憽皦琶婕辍毙Ч璧K雨水入滲種床，從而降低全膜雙壟溝種床的集雨保墑能力[28-29]。因此通過分析鎮(zhèn)壓輪樣點(diǎn)的豎直位移來反映鎮(zhèn)大壟壟面沉降量隨時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖7所示，0～0.012 s內(nèi)鎮(zhèn)壓輪豎直方向（方向）上的位移增漲明顯，0.018～0.042 s由于鎮(zhèn)壓輪在壟面滾動(dòng)前進(jìn)初始存在滑移現(xiàn)象，壟面沉降量變化曲線在該時(shí)間段內(nèi)無明顯增長。0.12 s開始至仿真結(jié)束，鎮(zhèn)壓輪豎直方向位移量均穩(wěn)定在11.60 mm，即鎮(zhèn)壓輪滾動(dòng)壓實(shí)導(dǎo)致大壟壟面及種床覆膜下沉11.60 mm，結(jié)合地膜材料特性，可知，在鎮(zhèn)壓輪組前進(jìn)速度1.0 m/s、土壤含水率15%、鎮(zhèn)壓輪組所受載荷100 N時(shí)，鎮(zhèn)壓輪作業(yè)對(duì)種床及其表面覆膜無明顯影響。

圖7 大壟壟面沉降量隨時(shí)間變化曲線

3.4.3 滲水孔偏移量變化

壟溝內(nèi)打孔是鎮(zhèn)壓作業(yè)的必要環(huán)節(jié)，相鄰滲水孔間距及孔徑大小直接關(guān)系到后續(xù)積蓄雨水能否順利入滲至種床，從而影響全膜雙壟溝種床的蓄水保墑能力。由于打孔齒齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，因此對(duì)地膜存在一定的撕扯、挑拉作用，本研究通過分析滲水孔處所設(shè)樣點(diǎn)在水平方向的位移變化來推測打孔作業(yè)中可能出現(xiàn)的撕膜、挑膜情況[25]。

通過打孔輪在壟溝內(nèi)滾動(dòng)前行，設(shè)置于輪緣表面的打孔齒刺穿壟溝膜土形成間距基本一致的滲水孔。根據(jù)所設(shè)滲水孔樣點(diǎn)水平位移變化曲線（圖8）可知，各樣點(diǎn)位移在仿真伊始0.12 s內(nèi)無明顯變化，此后由于打孔輪受到載荷作用開始與土壤發(fā)生接觸并對(duì)壟溝土壤產(chǎn)生一定擾動(dòng)，導(dǎo)致各樣點(diǎn)水平位移開始逐漸增加。通過計(jì)算可得滲水孔平均水平偏移量為9.85 mm，方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同。其中樣點(diǎn)1、樣點(diǎn)2、樣點(diǎn)6及樣點(diǎn)7的平均位移均大于10 mm，可以預(yù)測打孔作業(yè)時(shí)，打孔齒對(duì)壟溝地膜存在一定的撕挑，但其程度均處在合理范圍內(nèi)[28]。

對(duì)比仿真結(jié)果與前期研究中的實(shí)際作業(yè)效果[24]，鎮(zhèn)壓輪豎直位移、鎮(zhèn)壓輪所受水平阻力和滲水孔偏移量3項(xiàng)指標(biāo)均能較準(zhǔn)確地反映實(shí)際田間作業(yè)過程中大壟壟面沉降量、水平牽引阻力變化及地膜撕挑情況，因此可通過模型進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，進(jìn)一步得到覆膜機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)。

圖8 滲水孔樣點(diǎn)水平位移變化曲線

4 數(shù)值模擬優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)用ABAQUS/Explicit軟件模擬鎮(zhèn)壓輪組在不同試驗(yàn)因素（土壤含水率、機(jī)具前進(jìn)速度和載荷）下的工作情況，得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Design-Expert 8.060軟件分析上述因素對(duì)水平牽引阻力、大壟壟面沉陷量和滲水孔偏移量的影響規(guī)律。根據(jù)西北旱區(qū)全膜雙壟溝種床構(gòu)建時(shí)間，確定西北旱區(qū)土壤含水率取值范圍為10%～20%，結(jié)合覆膜機(jī)實(shí)際作業(yè)情況確定機(jī)具前進(jìn)速度范圍為0.8～1.2 m/s，鎮(zhèn)壓輪組所受載荷大小為60～100 N。仿真試驗(yàn)根據(jù)Box-behnken試驗(yàn)原理，選擇三因素三水平的試驗(yàn)組合進(jìn)行，因素水平編碼如表3所示，共實(shí)施17組響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)。

表3 因素水平編碼

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 回歸模型的建立及檢驗(yàn)

數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，利用Design-Expert 8.060軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別獲得水平牽引阻力1、大壟壟面沉降量2和滲水孔偏移量3的二次回歸模型：

1=45.98+2.481?0.192+0.273?0.9312+0.02513?

0.8023+2.2912+11.7422?3.4932（10）

2=11.22?0.0831?0.212?0.173?0.2012+

0.1413?0.2123（11）

3=7.47?0.491+3.622+0.763+0.3212?0.9913+

0.1123+0.5412+2.0122+0.4132（12）

式中1為土壤含水率編碼水平值，%；2為機(jī)具前進(jìn)速度編碼水平值，m/s；3為鎮(zhèn)壓裝置輪組所受豎直載荷編碼水平值，N。

4.2.2 回歸方程方差分析

對(duì)上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其中大壟壟面沉降量回歸模型＞0.05，表明獲得的回歸模型不顯著，由表4可知，大壟壟面沉降量變化范圍為9.90～11.67 mm，與實(shí)際田間試驗(yàn)結(jié)果相符且均符合覆膜機(jī)作業(yè)要求，說明機(jī)具前進(jìn)速度、土壤含水率及載荷均對(duì)大壟壟面沉降量影響較小，故在方差分析和回歸性顯著性檢驗(yàn)中不對(duì)該指標(biāo)做分析，本研究分析重點(diǎn)針對(duì)水平牽引阻力及滲水孔偏移量二次回歸模型，其結(jié)果如表4、表5所示。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

由表5可知，回歸模型<0.01，表明獲得的水平牽引阻力二次回歸模型極其顯著；失擬項(xiàng)>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果相符合，能正確反映出水平牽引阻力1與1、2和3之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)中各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中模型的一次項(xiàng)1（土壤含水率）影響顯著，而2（機(jī)具前進(jìn)速度）與3（載荷）影響均不顯著；模型的交互項(xiàng)12、13及23影響均不顯著；模型的二次項(xiàng)22影響極顯著，二次項(xiàng)12及32影響均不顯著。由模型各因素回歸系數(shù)的大小可得，各因素的影響主次順序?yàn)?、3、2，即土壤含水率、鎮(zhèn)壓裝置輪組所受豎直載荷、機(jī)具前進(jìn)速度。

表5 水平牽引阻力模型方差分析

注：* 顯著（＜0.05），** 極顯著（＜0.01），下同。

Note: * mean significant (＜0.05), ** mean highly significant (＜0.01), the same below.

由表6可知，回歸模型<0.01，表明獲得的滲水孔偏移量二次回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果相符合，能正確反映出滲水孔偏移量3與1、2和3之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)中各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中模型的一次項(xiàng)2（機(jī)具前進(jìn)速度）影響極顯著，3（載荷）影響顯著，而1（土壤含水率）對(duì)模型影響不顯著；模型的交互項(xiàng)12、13及23影響均不顯著；模型的二次項(xiàng)22影響極顯著，二次項(xiàng)12及32影響均不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素的影響主次順序?yàn)?、3、1，即機(jī)具前進(jìn)速度、鎮(zhèn)壓裝置輪組所受豎直載荷、土壤含水率。

表6 滲水孔偏移量模型方差分析

4.2.3 模型交互項(xiàng)的解析

為了分析試驗(yàn)因素不同交互水平對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)影響程度，根據(jù)得到的二次回歸模型，分別繪制土壤含水率、機(jī)具前進(jìn)速度和載荷三因素不同交互水平對(duì)水平牽引阻力和滲水孔偏移量的響應(yīng)曲面圖（圖9、圖10）。

圖9 交互因素對(duì)水平牽引阻力的影響

如圖9a所示，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪組所受豎直載荷一定時(shí)，隨著機(jī)具前進(jìn)速度不斷增大，水平牽引阻力先減小后增加，這主要是由于鎮(zhèn)壓輪與壟面土壤接觸時(shí)前進(jìn)速度較低，鎮(zhèn)壓輪前端處壅土較多導(dǎo)致水平牽引阻力較大，隨后逐漸降低，前進(jìn)速度至0.83 m/s后，水平作業(yè)阻力隨之逐漸增加至最大值；當(dāng)土壤含水率增加時(shí)，水平牽引阻力緩慢增加且增幅較小。故在相同載荷條件下，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)水平作業(yè)阻力影響較土壤含水率顯著。如圖9b所示，機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，水平牽引阻力與載荷趨于線性關(guān)系，同時(shí)水平牽引阻力隨土壤含水率增加而不斷增大，但上述土壤含水率及載荷變化時(shí)，水平牽引阻力變化不明顯。如圖9c所示，當(dāng)土壤含水率在某一水平，機(jī)具前進(jìn)速度由0.8 m/s向1.2 m/s逐漸增加時(shí)，水平牽引阻力同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)載荷由60 N逐漸增加至100 N時(shí)，水平牽引阻力逐漸增加。故土壤條件一定時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)水平作業(yè)阻力影響較載荷明顯。

通過探究3種因素間交互作用對(duì)滲水孔偏移量的影響，可以預(yù)測鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中打孔輪對(duì)地膜的“撕挑”作用程度。由圖10a可知，當(dāng)土壤含水率一定且覆膜機(jī)作業(yè)速度由0.8 m/s向1.2 m/s增加時(shí)，滲水孔偏移量呈線性增長趨勢，同時(shí)當(dāng)鎮(zhèn)壓輪組所受載荷由60 N增加至100 N時(shí)，滲水孔偏移量也隨之增加至最大值，故兩種因素都對(duì)滲水孔偏移量有顯著影響。由圖10b可知，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪組所受載荷一定時(shí)，隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加，滲水孔偏移量顯著增加，而當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度穩(wěn)定在某一值時(shí)，隨土壤含水率由10%增加至20%，滲水孔偏移量緩慢減小至最小值，故土壤含水率變化對(duì)滲水孔偏移量影響較小。由圖10c可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，土壤含水率變化對(duì)滲水孔偏移量無顯著影響，而隨著鎮(zhèn)壓裝置輪組所受載荷不斷增加，滲水孔偏移量也逐漸增加。

圖10 交互因素對(duì)滲水孔偏移量的影響

借助響應(yīng)面優(yōu)化式（10）與式（12），以水平牽引阻力、滲水孔偏移量為目標(biāo)，確保覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組在田間鎮(zhèn)壓作業(yè)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)并避免嚴(yán)重“撕膜、挑膜”現(xiàn)象發(fā)生（1、3目標(biāo)值均為最小值），對(duì)回歸方程模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到旱地全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置輪組在不同作業(yè)工況（土壤含水率）下的最優(yōu)工作參數(shù)及作業(yè)結(jié)果合集，如表7。

表7 最優(yōu)工作參數(shù)及作業(yè)結(jié)果合集

以因素水平試驗(yàn)中試驗(yàn)3、17為例，對(duì)比一般工作參數(shù)與最優(yōu)工作參數(shù)下的鎮(zhèn)壓輪組與雙壟溝種床互作仿真模擬結(jié)果，由所得應(yīng)力云圖（圖11）可知，最優(yōu)工作參數(shù)下鎮(zhèn)壓輪與大壟壟面土壤間作用力主要集中輪緣前端而兩側(cè)受作用力較小，鎮(zhèn)壓輪對(duì)輪體正下方土壤無集中作用力。一般工作參數(shù)下鎮(zhèn)壓輪與大壟壟面土壤間作用力除在輪緣前端有輕微集中外，其作用范圍分布于整個(gè)鎮(zhèn)壓輪行走路徑表面，并對(duì)壟面土壤有一定擾動(dòng)。因此可以推測覆膜機(jī)在一般工作參數(shù)下作業(yè)所造成的大壟壟面下沉量大于最優(yōu)工作參數(shù)，同時(shí)對(duì)壟體結(jié)構(gòu)的規(guī)整性也存在較大影響。對(duì)比打孔輪作業(yè)所形成的滲水孔可知，一般工作參數(shù)下滲水孔變形與壟溝土壤所受作用力明顯大于最優(yōu)工作參數(shù)，可以判斷以最優(yōu)工作參數(shù)作業(yè)時(shí)，打孔輪對(duì)地膜的“撕挑”作用小于一般工作參數(shù)，能夠保證地膜的完整性與覆膜質(zhì)量，一定程度上延長了地膜壽命。

圖11 種床土壤應(yīng)力云圖對(duì)比

5 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)下全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組的工作性能，2019年6月在甘肅省定西市臨洮縣洮河拖拉機(jī)制造有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行了試驗(yàn)（圖12）。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，含水率為16.86%，土壤容重1 300 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度<0.20 MPa，田面較平整、疏松且前茬作物較少[30]。參照NY/T 986-2006《覆膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，測定計(jì)算旱地起壟覆膜機(jī)田間作業(yè)后的大壟壟面沉降量、鎮(zhèn)壓裝置輪組水平牽引阻力及滲水孔偏移量。通過選擇不同剛度系數(shù)的仿形彈簧，測量其工作時(shí)的伸長量，結(jié)合第2節(jié)中鎮(zhèn)壓過程受力分析，則鎮(zhèn)壓輪組水平牽引阻力s為

式中為仿形彈簧剛度系數(shù)；s為仿形彈簧伸長量，mm；為鎮(zhèn)壓輪自重，N；b、c為鎮(zhèn)壓輪推土阻力與壓實(shí)阻力，N。

滲水孔偏移量為

式中St為相鄰滲水孔間距，mm。

覆膜機(jī)調(diào)整至其最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行9次田間覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)試驗(yàn)，參考試驗(yàn)地實(shí)際土壤含水率，選擇土壤含水率為15%條件下的最優(yōu)參數(shù)水平，即機(jī)具前進(jìn)速度為1.01 m/s，施加載荷為100 N。

田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果（表8）顯示，旱地全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置輪組作業(yè)過程中，平均大壟壟面沉陷量為11.82 mm，平均水平牽引阻力為44.15 N，平均滲水孔偏移量為8.25 mm。田間試驗(yàn)所得3項(xiàng)指標(biāo)均符合全膜雙壟溝種床構(gòu)建要求[31-32]，同時(shí)在田間實(shí)際觀測中無嚴(yán)重“撕膜、挑膜”現(xiàn)象發(fā)生，鎮(zhèn)壓輪組運(yùn)行平穩(wěn)，壟體結(jié)構(gòu)無過度變形，表明在該優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠完成膜上覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)，回歸模型可靠。

表8 田間試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

1）針對(duì)旱地全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置的作業(yè)特點(diǎn)，建立覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓輪組與土壤動(dòng)態(tài)相互作用模型，分析得出鎮(zhèn)壓輪組工作時(shí)的主要阻力為推土阻力和壓實(shí)阻力。結(jié)合全膜雙壟溝種床構(gòu)建農(nóng)藝要求，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立鎮(zhèn)壓輪組與雙壟溝種床土壤相互作用三維模型。分析了鎮(zhèn)壓裝置輪組與土壤間的相互作用，并運(yùn)用基于ALE算法的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)控制網(wǎng)格畸變，保證仿真運(yùn)算能夠順利進(jìn)行。

2）結(jié)合Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析方法，進(jìn)行不同工作參數(shù)下鎮(zhèn)壓輪組作業(yè)仿真試驗(yàn)，借助Design-Expert 8.060軟件獲得水平牽引阻力、大壟壟面沉降量和滲水孔偏移量的二次回歸模型。分析了機(jī)具前進(jìn)速度、鎮(zhèn)壓裝置輪組所受載荷及土壤含水率對(duì)水平牽引阻力和滲水孔偏移量的影響，分別得到3組不同土壤含水率（10%、15%、20%）條件下覆膜機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合，分別為機(jī)具前進(jìn)速度0.96、1.01和0.99 m/s，鎮(zhèn)壓輪組施加載荷100、100、60 N。

3）通過田間實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證所得覆膜機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)，土壤含水率為15%條件下，機(jī)具前進(jìn)速度為1.01 m/s，施加載荷為100 N時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示平均大壟壟面沉陷量為11.82 mm，平均水平牽引阻力為44.15 N，平均滲水孔偏移量為8.25 mm，3項(xiàng)指標(biāo)與仿真試驗(yàn)結(jié)果間誤差分別為1.39 N、0.81 mm和0.61 mm。表明鎮(zhèn)壓裝置輪組作業(yè)時(shí)對(duì)地膜均無嚴(yán)重“撕膜、挑膜”現(xiàn)象發(fā)生，滲水孔在壟溝內(nèi)分布均勻，大壟壟面沉降量對(duì)雙壟溝壟體結(jié)構(gòu)無較大影響，鎮(zhèn)壓輪組在整個(gè)作業(yè)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，證明仿真試驗(yàn)結(jié)果合理，該有限元模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測相關(guān)作業(yè)效果，所得的最優(yōu)工作參數(shù)組合可以作為旱地全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)實(shí)際鎮(zhèn)壓作業(yè)依據(jù)。

[1]戴飛，趙武云，張鋒偉，等. 西北旱區(qū)玉米全膜雙壟溝機(jī)化播種技術(shù)與裝備研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37(8)：217－222.

Dai Fei, Zhao Wuyun, Zhang Fengwei, et al. Current status of mechanization planting technology and equipment for corn whole plastic-film mulching on double ridges in the arid of northwest China[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(8): 217－222. (in Chinese with English abstract)

[2]李來祥，劉廣才，楊祁峰，等. 甘肅省旱地全膜雙壟溝播技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27(1)：114－118.

Li Laixiang, Liu Guangcai, Yang Qifeng, et al. Research and application development for the techniques of whole plastic-film mulching on double ridges and planting in catchment furrows in dry land[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(1): 114－118. (in Chinese with English abstract)

[3]楊祁峰，劉廣才，熊春蓉，等. 旱地玉米全膜雙壟溝播技術(shù)的水分高效利用機(jī)理研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2010，31(1)：113－117.

Yang Qifeng, Liu Guangcai, Xiong Chunrong, et al. Study on highly efficient water utilizing mechanisms on techniques of whole plastic-film mulching on double ridges and planting in catchment furrows of dry-land maize[J]. Research of Agricultural Modernization, 2010, 31(1): 113－117. (in Chinese with English abstract)

[4]戴飛，趙武云，張鋒偉，等. 西北雨養(yǎng)區(qū)全膜雙壟溝播技術(shù)與配套機(jī)具研究進(jìn)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50(2)：1－16.

Dai Fei, Zhao Wuyun, Zhang Fengwei, et al. Research progress analysis of furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges technology and machine in northwest rainfed area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 1－16. (in Chinese with English abstract)

[5]路宗堯，孫友誼，任連志，等. 全膜雙壟溝旋耕起壟覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50(5)：161－165.

Lu Zongyao, Sun Youyi, Ren Lianzhi, et al. Design for and experiment on rotary-tillage ridging filming machine for whole plastic-film double furrow sowing cultivation[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2015, 50(5): 161－165. (in Chinese with English abstract)

[6]張智泓，張廣凱，佟金，等. 基于有限元方法的凸齒鎮(zhèn)壓器運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44(2)：325－329.

Zhang Zhihong, Zhang Guangkai, Tong Jin, et al. Kinematics and dynamics analysis of toothed wheel based on finite element method[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2016, 44(2): 325－329. (in Chinese with English abstract)

[7]佟金，張清珠，常原，等. 仿生鎮(zhèn)壓輥減粘降阻的有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(7)：85－92.

Tong Jin, Zhang Qingzhu, Chang Yuan, et al. Finite element analysis and experimental verification of bionic press roller in reducing adhesion and resistance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(7): 85－92. (in Chinese with English abstract)

[8]劉宏俊，韓濟(jì)遠(yuǎn)，陳佳奇，等. 丘陵地區(qū)剛性鎮(zhèn)壓輪性能仿真與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(11)：114－122.

Liu Hongjun, Han Jiyuan, Chen Jiaqi, et al. Performance simulation and experiment on rigid press wheel for hilly area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 114－122. (in Chinese with English abstract)

[9]賈洪雷，郭慧，郭明卓，等. 行間耕播機(jī)彈性可覆土鎮(zhèn)壓輪性能有限元仿真分析及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(21)：9－16，315.

Jia Honglei, Guo Hui, Guo Mingzhuo, et al. Finite element analysis of performance on elastic press wheel of row sowing plow machine for covering with soil and its experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 9－16, 315. (in Chinese with English abstract)

[10]史增錄，趙武云，馬海軍，等. 全膜雙壟溝播起壟施肥覆膜機(jī)的研制[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30(2)：169－174.

Shi Zenglu, Zhao Wuyun, Ma Haijun, et al. Whole plastic-film double furrow sowing cultivation of the design and manufacture of ridge fertilization filming machine[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 30(2): 169－174. (in Chinese with English abstract)

[11]戴飛，趙武云，馬明義，等. 雙壟耕作施肥噴藥覆膜機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(1)：83－90.

Dai Fei, Zhao Wuyun, Ma Mingyi, et al. Parameters optimization of operation machine for tillage-fertilization and spraying-filming on double ridges[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 83－90. (In Chinese with English abstract)

[12]史瑞杰，戴飛，趙武云，等. 全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)橫向土帶堆放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24(5)：140－149.

Shi Ruijie, Dai Fei, Zhao Wuyun, et al. Design and experiment of transverse soil-belt stacking mechanism for full-film double-furrow ridge mulching laminating machine[J]. Journal of China Agricultural University. 2019, 24(5): 140－149. (in Chinese with English abstract)

[13]曾德超. 機(jī)械土壤動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[14]Bekker M G. Introduction to Terrain-Vehicle Systems[M]. Michigan: The University of Michigan Press, 1969.

[15]余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[16]隋修旭，蔣金琳，岳群，等. 甘薯起壟覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(5)：117－121.

Sui Xiuxu, Jiang Jinlin, Yue Qun, et al. Design and test of sweet potato ridging and film covering machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(5): 117－121. (in Chinese with English abstract)

[17]任茂文，韓卿，張曉陽. 采用ABAQUS/Explicit分析滾動(dòng)輪胎與變形地面相互作用[J]. 現(xiàn)代制造工程，2012(12)：40－43，70.

Ren Maowen, Han Qing, Zhang Xiaoyang. The analysis on the interaction between the rolling tire and the deformed ground based on ABAQUS/Explicit[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2012(12): 40－43, 70. (in Chinese with English abstract)

[18]佟金，張智泓，陳東輝，等. 凸齒鎮(zhèn)壓器與土壤相互作用的三維動(dòng)態(tài)有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(10)：48－58，293.

Tong Jin, Zhang Zhihong, Chen Donghui, et al. Three-dimensional dynamic finite element analysis of interaction between toothed wheel and soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): 48－58, 293. (in Chinese with English abstract)

[19]蔣建東，高潔，趙穎娣，等. 基于ALE有限元仿真的土壤切削振動(dòng)減阻[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(增刊 1)：33－38.

Jiang Jiandong, Gao Jie, Zhao Yingdi, et al. Numerical simulation on resistance reduction of soil vibratory tillage using ALE equation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 33－38. (in Chinese with English abstract)

[20]陳必港，樓曉明，伍恩，等. 基于ALE算法的隧道光面爆破空氣間隔作用機(jī)理研究[J]. 有色金屬（礦山部分），2016，68(5)：87－92.

Chen Bigang, Lou Xiaoming, Wu En, et al. Mechanism of air-decking charge in tunnel smoothing blasting based on ALE algorithm[J]. Nonferrous Metals (Mining Section), 2016, 68(5): 87－92. (in Chinese with English abstract)

[21]孫江龍. 拉格朗日、歐拉和任意拉格朗日-歐拉描述的有限元分析[C]//第二十一屆全國水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第八屆全國水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨兩岸船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集，北京：海洋出版社，2008.

[22]湯華，金先龍，丁峻宏，等. 基于任意拉格朗日-歐拉法的盾構(gòu)刀盤土體切削仿真[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(12)：2177－2181.

Tang Hua, Jin Xianlong, Ding Junhong, et al. The simulation of soil cutting using shield cutter pan based on ALE method[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2006(12): 2177－2181. (in Chinese with English abstract)

[23]張克健. 車輛地面力學(xué)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[24]張仕林，戴飛，趙武云，等. 全膜雙壟溝覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓裝置與種床土壤動(dòng)態(tài)互作有限元分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24(9)：147－159.

Zhang Shilin, Dai Fei, Zhao Wuyun, et al. Finite element analysis of dynamic interaction between the soil-suppression device device of whole film double ditch laminating machine and seedbed[J]. Journal of China Agricultural University. 2019, 24(9): 147－159. (in Chinese with English abstract)

[25]郭慧，陳志，賈洪雷，等. 錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：56－65.

Guo Hui, Chen Zhi, Jia Honglei, et al. Design and experiment of soil-covering and soil-compacting device with cone-shaped structure of wheel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 56－65. (in Chinese with English abstract)

[26]劉宏俊，趙淑紅，譚賀文，等. 基于刮削與振動(dòng)原理的減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(1)：86－92.

Liu Hongjun, Zhao Shuhong, Tan Hewen, et al. Investigation on press device in reducing adhesion and resistance based on scrape and vibration principle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(1): 86－92. (in Chinese with English abstract)

[27]УТКАЕВА B Ф，白珂. 農(nóng)業(yè)機(jī)械的鎮(zhèn)壓作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響[J]. 水土保持科技情報(bào)，1988(2)：45－51.

[28]戴飛，辛尚龍，趙武云，等. 全膜面覆土式馬鈴薯播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(3)：76－83，56.

Dai Fei, Xin Shanglong, Zhao Wuyun, et al. Design and experiment of combined potato planting machine for covering soil on top of full film surface[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(3): 76－83, 56. (in Chinese with English abstract)

[29]孫偉，劉小龍，石林榕，等. 刮板升運(yùn)帶式膜上覆土裝置覆土特性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52(7)：38－45.

Sun Wei, Liu Xiaolong, Shi Linrong, et al. Covering soil on plastic-film characteristics of scraper lifting belt mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(7): 38－45. (in Chinese with English abstract)

[30]中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，NY/T 986-2006. 覆膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S]. 2006.

[31]甘肅省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，DB62/T 1935－2010. 全膜雙壟溝覆膜機(jī)操作規(guī)程及作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收[S]. 2010.

Simulation analysis and test on suppression operation process of ridging and film covering machine with full-film double-furrow

Zhang Shilin, Zhao Wuyun, Dai Fei※, Song Xuefeng, Qu Jiangfei, Zhang Fengwei

(,,730070,)

Raised bed cropping coupled with full film mulching is a cultivation method for arid and semi-arid regions to improve water use efficiency, which is usually constructed mechanically using machine. The purpose of this paper is to analyze how different combinations of working parameters of the machine affect such seedbeds constructed with a double-furrow ridge. The interaction between the soil-compact component in the machine and the soil surface was simulated using a three-dimensional finite element model in the ABAQUS software. Based on the three-factor and three-level Box-Behnken design, a mathematical model was proposed to describe how the applied load, forward speed of the machine and soil moisture content combined to affect compression of the ridge, horizontal traction resistance and offset of the infiltrating hole in attempts to find the optimal operating parameters. An adaptive meshing method based on the ALE algorithm was used to alleviate a possible mesh distortion caused by soil compression in the finite element simulation. In the analysis, the vertical displacement of the suppression wheels in the machine was used as a reference to quantify the seedbed subsidence. The reference horizontal traction was calculated assuming that the machine moved forward, and the offset of the infiltrating hole was used as a reference for the extent to which the plastic film was torn. The optimal working parameters under different soil conditions were determined by comparing the three references, and they were then verified against field experiments. The results showed that the average horizontal traction to the soil-compact wheels was 44.15 N, the average subsidence of the wider ridge was 11.82 mm, and the average offset of the infiltrating hole was 8.25 mm. These met the requirements for raised seedbed with double- furrow and full film mulching, and proved that the three-dimensional finite element model was able to predict operation of the machine. It was also found that the size of the ridge did not change significantly and the film tearing was in acceptable range. The suppression wheels ran smoothly and only moderately compacted the soil. The methods and the results presented in this paper provide references for designing and developing machines for mechanically constructing raised seedbed with double-furrow and full film mulching.

agricultural machinery; finite element method; simulation; full-film double-furrow; seedbed construction; suppression process

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003

S226.9

A

1002-6819(2020)-01-0020-11

張仕林，趙武云，戴 飛，宋學(xué)鋒，瞿江飛，張鋒偉. 全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)過程仿真分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(1)：20－30.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003 http://www.tcsae.org

Zhang Shilin, Zhao Wuyun, Dai Fei, Song Xuefeng, Qu Jiangfei, Zhang Fengwei. Simulation analysis and test on suppression operation process of ridging and film covering machine withfull-film double-furrow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 20－30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003 http://www.tcsae.org

2019-09-14

2019-12-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51775115，51405086）

張仕林，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備。Email：619647034@qq.com

戴飛，博士生，副教授，主要從事西北旱區(qū)膜土-機(jī)器-植物互作系統(tǒng)研究。Email：daifei@gsau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：戴 飛（E041201169S）