纖維基地膜側(cè)開式滑切破膜播種單體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯守印 王升哲 竹筱歆 張繼成 紀(jì)文義 陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

秸稈纖維基地膜以農(nóng)作物秸稈為原料，通過擠壓、揉搓、爆破等物理方式制取纖維，采用特殊造紙工藝制造成膜[1-2]，其不僅具有節(jié)水保墑、抑草增溫、提質(zhì)增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，且作物收獲之前可被完全降解，既實(shí)現(xiàn)了地力培肥和秸稈高值利用，又解決了秸稈焚燒污染環(huán)境、塑料地膜殘留破壞土壤結(jié)構(gòu)、再處理增加成本等問題[6-7]。

機(jī)械化膜上播種是高質(zhì)、高效覆膜播種技術(shù)的核心。目前，國內(nèi)外膜上播種裝置根據(jù)工作原理主要分為滾輪式和直插式[8-9]。滾輪式膜上播種裝置作業(yè)時(shí)成穴器在自重、牽引力和土壤阻力共同作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、破膜、成穴和播種，地膜受成穴器結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，易產(chǎn)生撕膜和挑膜，造成膜孔炸裂、土壤擾動(dòng)大、種子著床位置不精準(zhǔn)[10]。同時(shí)，由于塑料地膜韌性較高，成穴器與地膜作用時(shí)膜孔受力方向產(chǎn)生的塑性形變?cè)斐傻啬な芰﹀e(cuò)移，導(dǎo)致膜孔與穴孔地表不同位，作物出苗后會(huì)出現(xiàn)弱苗、傷苗和死苗等現(xiàn)象[11-13]。直插式膜上播種裝置采用成穴器相對(duì)地表垂直插入和拔出的方式實(shí)現(xiàn)破膜和成穴，并通過創(chuàng)新機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零速投種，具有土壤擾動(dòng)小、播種質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，避免了膜孔破損、膜孔與穴孔錯(cuò)位等問題[14-16]，由于其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理導(dǎo)致作業(yè)速度較低。上述兩種膜上播種裝置主要針對(duì)塑料地膜，而秸稈纖維基地膜為干濕抗張力強(qiáng)度及耐破度較高的脆性材料，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為各項(xiàng)異性[17]，存在抗拉強(qiáng)度與韌性較差等問題，通過預(yù)試驗(yàn)表明，采用上述方式進(jìn)行秸稈纖維基地膜膜上播種會(huì)因執(zhí)行部件對(duì)地膜沖擊造成膜孔尺寸較大、形狀不規(guī)則。

綜上所述，本文針對(duì)水稻秸稈纖維基地膜設(shè)計(jì)一種側(cè)開式滑切破膜精量播種單體。通過對(duì)其工作過程進(jìn)行理論分析確定裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過構(gòu)建膜孔長度數(shù)學(xué)模型，確定影響裝置工作性能的主要參數(shù)及其取值范圍，采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)，以期為秸稈纖維基地膜覆膜播種技術(shù)提供理論與裝備支持。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

側(cè)開式滑切破膜精量播種單體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由仿形輪總成、播深調(diào)節(jié)裝置、破膜成穴舵輪總成、指夾式排種器、壓膜彈簧、展膜輪總成、平行四桿機(jī)構(gòu)、機(jī)架、同軸異速調(diào)比箱、凸輪支架、強(qiáng)開凸輪、清土毛刷等零部件組成。平行四桿機(jī)構(gòu)、破膜成穴舵輪總成、展膜輪總成與機(jī)架鉸接，其余零部件固裝于機(jī)架。指夾式排種器與破膜成穴舵輪總成同軸布置。側(cè)開式滑切破膜精量播種單體(簡稱播種單體)既可以單獨(dú)作業(yè)，亦可與覆膜機(jī)聯(lián)合作業(yè)。工作原理如圖2所示，由動(dòng)力機(jī)械牽引播種單體勻速運(yùn)動(dòng)，破膜成穴舵輪總成周向均勻布置若干破膜成穴器，在牽引力、播種單體重力和土壤阻力共同作用下繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并通過同軸異速調(diào)比箱驅(qū)動(dòng)指夾式排種器排種。

破膜成穴器上的破膜刀最先與地膜接觸，由于破膜刀與地膜接觸面積較小，并具有滑切效果，膜孔不會(huì)出現(xiàn)撕裂、炸裂現(xiàn)象?；衅颇ず箅S破膜成穴器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在單體重力作用下貫入土壤中構(gòu)建穴孔，當(dāng)破膜成穴器接近垂直于地表時(shí)，指夾排種器將種子投入成穴器腔體內(nèi)，同時(shí)，與破膜成穴器組配的推桿端部滾輪進(jìn)入強(qiáng)開凸輪推程運(yùn)動(dòng)角范圍，破膜刀逐漸側(cè)向開啟，進(jìn)入遠(yuǎn)休止角范圍時(shí)，破膜刀完全開啟，其內(nèi)種子落入穴孔內(nèi)。破膜成穴器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過仿形輪總成上裝配的清土毛刷完成腔體內(nèi)殘留土壤清理，清理后滾輪依次進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)角和近休止角范圍，破膜刀閉合，至此，完成破膜、成穴和播種過程。

工作過程中，展膜輪總成對(duì)地膜產(chǎn)生與牽引方向同向水平摩擦力，可平衡破膜成穴器破膜時(shí)對(duì)地膜產(chǎn)生的反向力，減小地膜縱向動(dòng)態(tài)拉力不平衡導(dǎo)致的地膜錯(cuò)移，可解決膜孔與穴孔錯(cuò)移問題，同時(shí)，在展膜輪總成與仿形輪總成共同作用下，兩輪之間地膜始終處于拉伸狀態(tài)，破膜刀出土過程滑切亦可有效降低挑膜導(dǎo)致膜孔破壞或膜面錯(cuò)移。破膜成穴器為側(cè)開式和后仿形結(jié)構(gòu)，并且破膜刀側(cè)開啟推力減小，保證了精準(zhǔn)、適時(shí)投種。前后雙輪布置增大了單體與膜面接觸面積，有效降低工作過程土壤下陷量，提高了播深精度和穩(wěn)定性。

2 播種單體受力分析及參數(shù)確定

秸稈纖維基地膜韌性較差，易造成膜孔撕裂破損。因此，本文采用仿形輪結(jié)構(gòu)控制播種深度。播種單體通過平行四桿機(jī)構(gòu)和仿形輪總成配合，保證作業(yè)時(shí)仿形輪與破膜成穴器投種時(shí)豎直方向相對(duì)位置恒定不變以保證播深恒定。工作過程受力分析如圖3所示，因破膜成穴器采用滑切方式破膜、作業(yè)土壤經(jīng)過精細(xì)整地，且播種深度較淺，忽略破膜成穴器受力，通過建立xoy平面內(nèi)力學(xué)平衡方程可得地表對(duì)仿形輪豎直方向支反力為

(1)

其中

式中F2——地表對(duì)仿形輪豎直方向支反力，N

F1——地表對(duì)展膜輪豎直方向支反力，N

G——播種單體總重，N

T——四桿仿形彈簧拉力，N

μ——仿形輪、展膜輪與地膜滑動(dòng)摩擦因數(shù)

β——四桿仿形彈簧水平夾角，(°)

k——壓膜彈簧剛度，N/mm

x——壓膜彈簧壓縮量，mm

x0——壓膜彈簧初始?jí)嚎s量，mm

G0——展膜輪總成總重，N

K——四桿仿形彈簧剛度，N/mm

X——四桿仿形彈簧伸長量，mm

X0——四桿仿形彈簧初始伸長量，mm

h——四桿縱向高度，mm

l0——四桿彈簧安裝點(diǎn)到鉸接點(diǎn)距離，mm

α——牽引角，(°)

由式(1)可知，地表對(duì)仿形輪豎直方向的支反力主要與播種單體總重、彈簧剛度、彈簧初始增量、四桿結(jié)構(gòu)參數(shù)、地表對(duì)展膜輪豎直方向支反力、牽引角有關(guān)。地表對(duì)仿形輪豎直方向支反力即仿形輪對(duì)地膜豎直方向反作用力，作用力過大會(huì)導(dǎo)致壟形變形嚴(yán)重與地膜破損，而作用力過小又會(huì)影響仿形效果，并且仿形輪易出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致地膜錯(cuò)移，影響覆膜和播種質(zhì)量。

仿形輪在四桿仿形彈簧拉力和播種單體重力作用下對(duì)覆膜后土壤豎直方向進(jìn)行重塑，土壤會(huì)產(chǎn)生一定下陷量，當(dāng)?shù)乇韺?duì)仿形輪豎直方向支反力為最大值時(shí)，土壤下陷量為最大值，二者間關(guān)系為[18]

(2)

其中

λ=(10+0.27b)η

式中Fmax——地表對(duì)仿形輪豎直方向最大支反力，N

Zmax——土壤最大下陷量，mm

λ——土壤特性相關(guān)因數(shù)

b——仿形輪寬度，mm

D——仿形輪直徑，mm

η——土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù)

仿形輪與地膜接觸面積越大，相同受力條件下，地膜產(chǎn)生的拉應(yīng)力越小，抗破壞能力越強(qiáng)[18]，而接觸面積由仿形輪寬度和直徑?jīng)Q定。本次以玉米650 mm壟作栽培模式的壟上覆膜播種為研究對(duì)象，壟頂平面寬度260 mm[19]，仿形輪寬度過大容易破壞壟形，考慮播種機(jī)作業(yè)時(shí)左右移動(dòng)，設(shè)計(jì)最大60 mm余量[20]，仿形輪寬度取值為200 mm。仿形輪直徑越大，地膜對(duì)其水平摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大，有利于其實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，但尺寸受單體結(jié)構(gòu)限制不能過大，初步設(shè)計(jì)取值為300 mm。地膜受力時(shí)需滿足

(3)

其中

式中σmax——地膜所受最大應(yīng)力，kPa

S——仿形輪與地膜接觸面積，mm2

[σ]——水稻秸稈纖維基地膜許用極限應(yīng)力，kPa

參考相關(guān)資料，精細(xì)整地黑土土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù)為1.01[18]，為減小壟高損失量設(shè)計(jì)土壤最大下陷量為8 mm，將已知條件代入式(2)、(3)，可得仿形輪所受最大力為472 N，水稻秸稈纖維基地膜許用極限應(yīng)力為100 kPa[21]，此時(shí)地膜應(yīng)力為47.9 kPa，滿足強(qiáng)度要求。

展膜輪需完成展膜，并施加張緊力避免破膜成穴器破膜過程的地膜錯(cuò)移。展膜輪對(duì)地膜豎直方向作用力需小于仿形輪對(duì)地膜豎直方向反作用力，依據(jù)前文分析設(shè)計(jì)土壤最大下陷量為1.5 mm，結(jié)構(gòu)尺寸與仿形輪相同，將已知條件代入式(3)，可得地表對(duì)展膜輪豎直支反力為89 N。壓膜彈簧選用剛度1.97 N/mm，絲徑1.5 mm，中徑30 mm，自由長度230 mm的圓柱螺旋壓縮彈簧，由式(1)可知壓膜彈簧理論最大壓縮量為38 mm，設(shè)計(jì)初始?jí)嚎s量為15 mm。

為提高展膜輪和仿形輪作業(yè)時(shí)的水平摩擦力，選定展膜輪與仿形輪輪面材質(zhì)為橡膠，整體結(jié)構(gòu)1.5 kg，經(jīng)測(cè)量可知與地膜滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1。將已知條件代入式(1)，播種單體總重小于522 N，總重過小易造成破膜成穴器入土困難，參考常規(guī)滾輪式成穴機(jī)構(gòu)考慮該播種單體膜上作業(yè)，取300 N。

平行四桿尺寸對(duì)播種單體工作性能具有重要影響。平行四桿越長仿形效果越好，四桿縱向尺寸越大，單體剛度和穩(wěn)定性越好。受整機(jī)結(jié)構(gòu)和質(zhì)心影響，平行四桿結(jié)構(gòu)不能過大，選取平行四桿長度為300 mm，四桿縱向高度為180 mm[22-24]。由于仿形輪在覆膜壟上作業(yè)，作業(yè)環(huán)境良好，平行四桿上下最大仿形量均取50 mm，可得牽引角工作范圍為-9.6°～9.6°。四桿仿形彈簧安裝點(diǎn)到鉸接點(diǎn)距離越大穩(wěn)定性越好，但距離過大易造成其伸長量過大，導(dǎo)致平行四桿上下仿形量減小，仿形能力減弱，參考相關(guān)資料對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，本次設(shè)計(jì)為250 mm[25]，將已知條件代入式(1)得四桿仿形彈簧拉力最大值為376 N。四桿仿形彈簧選用剛度2.13 N/mm，絲徑5 mm，中徑40 mm，自由長度為268 mm的圓柱螺旋拉伸彈簧，根據(jù)余弦定理可知四桿仿形彈簧理論最大拉伸量為64.5 mm，下仿形極限位置四桿仿形彈簧拉伸量為13.6 mm。

3 執(zhí)行部件與控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

破膜成穴器是播種單體的重要執(zhí)行部件之一，具有攜種、破膜、成穴和投種功能，其結(jié)構(gòu)及布置如圖4所示，由成穴器腔體、破膜刀、轉(zhuǎn)軸組成，通過調(diào)整螺釘固定在安裝盤上，安裝盤上的安裝孔為徑向可調(diào)長條孔，通過徑向位置調(diào)整可改變成穴器回轉(zhuǎn)直徑，實(shí)現(xiàn)播種粒距微調(diào)，同時(shí)，安裝盤周向均布若干安裝孔，可根據(jù)農(nóng)藝要求增加或減少成穴器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)播種粒距粗調(diào)。

強(qiáng)開凸輪、推桿、滾輪與復(fù)位彈簧等零部件共同組成了破膜成穴器投種控制機(jī)構(gòu)，推桿固定連接在破膜刀側(cè)面，端部安裝滾輪，復(fù)位彈簧使破膜刀與成穴器腔體保持常閉狀態(tài)，當(dāng)破膜成穴器投種時(shí)，強(qiáng)開凸輪通過滾輪對(duì)推桿施加作用力克服彈簧拉力和土壤側(cè)向阻力，強(qiáng)制破膜刀開啟，使位于成穴腔體內(nèi)的種子投入種穴。

3.1 破膜成穴器設(shè)計(jì)

3.1.1滑切破膜運(yùn)動(dòng)分析

破膜成穴器工作原理如圖5，以單個(gè)破膜成穴器為研究對(duì)象。破膜刀端點(diǎn)O最先與地膜接觸，以余擺線軌跡完成滑切破膜，破膜成穴器在直線和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)條件下向前下方運(yùn)動(dòng)貫入土壤，OC面開始擠壓土壤形成de′段膜孔并逐漸擴(kuò)大膜孔尺寸，當(dāng)點(diǎn)C位于地表下時(shí)，依次由點(diǎn)C、面OC、點(diǎn)O擠壓土壤形成cd段、cc′段、b′c′段穴孔輪廓。破膜成穴器拔出過程，依次由面BO、點(diǎn)B擠壓土壤形成bb′段、ab段穴孔輪廓，由面BO完成出土滑切破膜。當(dāng)破膜成穴器完全脫離土壤，破膜成穴過程結(jié)束。

膜孔長度是衡量破膜成穴器工作質(zhì)量重要指標(biāo)，穴孔可由abb′c′cd輪廓曲線表示，而地表與穴孔輪廓曲線交點(diǎn)a和d之間距離即為理論膜孔長度，主要由成穴器點(diǎn)B和點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)軌跡決定，建立如圖5b所示直角坐標(biāo)系，可得成穴器點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(4)

式中xc——點(diǎn)C在x方向上的位移，mm

yc——點(diǎn)C在y方向上的位移，mm

D0——成穴器回轉(zhuǎn)直徑，mm

h0——成穴深度，mm

φ——點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)角，(°)

φ0——點(diǎn)O初始角，(°)

θ——破膜刀楔角，(°)

w——成穴器投種口寬度，mm

同理，可建立成穴器點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)軌跡方程，由點(diǎn)B和點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)軌跡方程可得破膜成穴器入土過程點(diǎn)B和出土過程點(diǎn)C坐標(biāo)，兩點(diǎn)x軸坐標(biāo)差的絕對(duì)值即為膜孔長度理論值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

其中

式中W——膜孔長度，mm

由式(5)可知，成穴深度恒定時(shí)，膜孔長度隨成穴器回轉(zhuǎn)直徑、破膜刀楔角和成穴器投種口寬度的增大而增大。

3.1.2成穴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成穴器回轉(zhuǎn)直徑由播種粒距、播種深度、成穴器數(shù)量共同決定，可表示為

(6)

式中n——破膜成穴器數(shù)量

s0——播種粒距，mm

破膜成穴器在牽引力和土壤阻力作用下滾動(dòng)前進(jìn)，為提高成穴、播種質(zhì)量和作業(yè)速度，成穴器回轉(zhuǎn)直徑在結(jié)構(gòu)和動(dòng)力配置允許條件下選擇較大值。參考相關(guān)農(nóng)藝要求，玉米播種深度為30～50 mm，側(cè)開式破膜成穴器入土部分結(jié)構(gòu)尺寸較小，投種過程易出現(xiàn)回土導(dǎo)致播種深度不穩(wěn)定且隨播種深度增加愈發(fā)嚴(yán)重，玉米播種深度選取最大值為50 mm[26]。成穴器數(shù)量為10，播種粒距230 mm條件下得成穴器回轉(zhuǎn)直徑為832.1 mm，本次設(shè)計(jì)成穴器回轉(zhuǎn)直徑為830 mm。不同栽培模式玉米播種量各異，在成穴器數(shù)量分別為8和10條件下，通過調(diào)整破膜成穴器徑向尺寸，由式(6)可知，能夠?qū)崿F(xiàn)播種粒距200、230、260、290、320 mm。

為了降低強(qiáng)開凸輪磨損、減小破膜成穴器閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，復(fù)位彈簧初始預(yù)緊力僅需平衡破膜刀重力，使其在近休止角范圍保持常閉狀態(tài)，閉合時(shí)破膜刀受力簡圖如圖6a所示。

通過靜力學(xué)平衡方程可得復(fù)位彈簧拉力為

(7)

其中

式中Ft——復(fù)位彈簧拉力，N

ε——安全系數(shù)

Gp——破膜刀重量，N

L1——破膜刀質(zhì)心到鉸接點(diǎn)距離，mm

γ——破膜刀傾角，(°)

l1——彈簧安裝點(diǎn)到破膜刀距離，mm

L2——推桿固定點(diǎn)到鉸接點(diǎn)距離，mm

w1——破膜成穴器入口寬度，mm

L——破膜刀長度，mm

破膜成穴器入口寬度由排種器投種口寬度決定，本文選用美國精密種植公司(Precision Planting)生產(chǎn)的指夾式排種器，其投種口寬度為30 mm，破膜成穴器入口寬度設(shè)計(jì)為35 mm。結(jié)構(gòu)允許條件下，為減小復(fù)位彈簧所受拉力，破膜刀質(zhì)心到鉸接點(diǎn)距離選擇較小值，彈簧安裝點(diǎn)到破膜刀距離、推桿長度和推桿固定點(diǎn)到鉸接點(diǎn)距離選擇較大值，各設(shè)計(jì)值分別為70、90、80、100 mm。破膜刀長度越大，破膜刀傾角就越小，可有效減小入土阻力和膜孔寬度，以安裝10個(gè)破膜成穴器且播種粒距為200 mm所得成穴器回轉(zhuǎn)直徑最小時(shí)為極限條件，破膜刀長度設(shè)計(jì)為200 mm，破膜刀寬度設(shè)計(jì)為21 mm，破膜刀材料選取3 mm厚65Mn板材，焊接后整體調(diào)質(zhì)HRC為48～57，質(zhì)量為0.35 kg，安全系數(shù)選取3[27]。成穴器投種口寬度和開口寬度受玉米籽粒幾何尺寸限制，為避免投種過程卡種，寬度均需大于玉米籽粒長軸，對(duì)主栽玉米籽粒幾何尺寸統(tǒng)計(jì)分析，玉米籽粒長軸尺寸小于15 mm，成穴器腔體壁厚2 mm，本次設(shè)計(jì)成穴器投種口寬度為25 mm，開口寬度為15 mm。將已知條件代入式(7)可得破膜成穴器閉合所需拉力為1.2 N。根據(jù)復(fù)位彈簧安裝空間結(jié)構(gòu)，選取HP140-040-1.0型標(biāo)準(zhǔn)拉簧。

3.2 強(qiáng)開凸輪設(shè)計(jì)

滾輪、推桿、破膜刀、轉(zhuǎn)軸、復(fù)位彈簧和強(qiáng)開凸輪共同構(gòu)成了力鎖緊空間擺動(dòng)滾子主動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)，強(qiáng)開凸輪結(jié)構(gòu)及組配關(guān)系如圖7所示，強(qiáng)開凸輪固定在機(jī)架上，其它零部件與安裝盤組配，并隨其做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾輪進(jìn)入推程運(yùn)動(dòng)角范圍時(shí)，推桿和破膜刀在強(qiáng)開凸輪作用下克服復(fù)位彈簧拉力繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，破膜刀逐漸開啟，滾輪進(jìn)入遠(yuǎn)休止角范圍時(shí)，成穴器完全開啟，滾輪進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)角范圍時(shí)，破膜刀逐漸閉合，進(jìn)入近休止角范圍時(shí)完全閉合，其中強(qiáng)開凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及輪廓曲線對(duì)成穴器工作性能具有重要影響。

由圖6b可知，工作過程推桿端部豎直方向移動(dòng)距離即為滾輪在安裝盤徑向位移，可得滾輪行程數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(8)

其中

式中H——滾輪行程，mm

l——推桿長度，mm

γ0——破膜刀開啟傾角，(°)

ξ——推桿壓力角，(°)

w2——成穴器開口寬度，mm

式(8)中各參數(shù)在破膜成穴器設(shè)計(jì)過程均已確定，將已知參數(shù)值代入得滾輪行程為7 mm。根據(jù)破膜成穴器與安裝盤組配關(guān)系，確定強(qiáng)開凸輪基圓半徑為260 mm。

由于破膜成穴器在土壤中工作時(shí)間較短，破膜刀在投種位置需要較短時(shí)間內(nèi)開啟保證適時(shí)投種，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定本次設(shè)計(jì)推程運(yùn)動(dòng)角和回程運(yùn)動(dòng)角均為5°，根據(jù)清土毛刷配置位置，遠(yuǎn)休止角為107°，近休止角為243°。滾輪行程相對(duì)于基圓半徑較小，為避免強(qiáng)開凸輪輪廓曲線失真，同時(shí)，降低推程和回程過程滾輪與強(qiáng)開凸輪剛性沖擊，本次設(shè)計(jì)滾輪徑向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程選取余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可得推程運(yùn)動(dòng)滾輪中心徑向位移、速度和加速度方程為

(9)

式中s——推程運(yùn)動(dòng)滾輪中心徑向位移，mm

v——推程運(yùn)動(dòng)滾輪速度，m/s

a——推程運(yùn)動(dòng)滾輪加速度，m/s2

δ——滾輪轉(zhuǎn)角，(°)

δ0——推程運(yùn)動(dòng)角，(°)

ω——成穴器旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

由式(9)可知推程運(yùn)動(dòng)最大速度為0.43 m/s，最大加速度為51.6 m/s2，滾輪選用GB/T 296—94標(biāo)準(zhǔn)的3200A型雙列角接觸球軸承，質(zhì)量為0.05 kg，可得推程運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)刻滾輪對(duì)強(qiáng)開凸輪最大沖擊力為2.58 N，滿足設(shè)計(jì)要求。在確定了凸輪形式、結(jié)構(gòu)尺寸、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上建立強(qiáng)開凸輪理論輪廓曲線方程為

(10)

式中xo——滾輪中心點(diǎn)在x方向上的位移，mm

yo——滾輪中心點(diǎn)在y方向上的位移，mm

rb——強(qiáng)開凸輪基圓半徑，mm

假設(shè)滾子外圓與強(qiáng)開凸輪實(shí)際輪廓任意接觸點(diǎn)為m，通過相關(guān)幾何關(guān)系建立點(diǎn)m在xoy直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)函數(shù)為

(11)

式中xm——接觸點(diǎn)m在x方向上的位移，mm

ym——接觸點(diǎn)m在y方向上的位移，mm

r0——滾輪半徑，mm

將式(9)、(10)代入式(11)中可構(gòu)建強(qiáng)開凸輪輪廓，通過調(diào)整強(qiáng)開凸輪與機(jī)架相對(duì)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)破膜成穴器在不同位置開啟，即破膜成穴器既可在豎直位置時(shí)開啟，亦可提前或滯后開啟，以適應(yīng)不同作業(yè)條件，完成投種作業(yè)。

任意接觸點(diǎn)m處強(qiáng)開凸輪壓力角可表示為

(12)

式中φ——任意接觸點(diǎn)m處強(qiáng)開凸輪壓力角，(°)

將式(9)代入式(12)中，求得壓力角最大為7.85°，小于許用壓力角30°[28]，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的水稻秸稈纖維地膜為研究對(duì)象，鋪設(shè)寬度1 200 mm，厚度(0.17±0.02) mm，干抗張力大于32 N、濕抗張力大于12 N、耐破度大于100 kPa；以“德美亞1號(hào)”玉米種子為播種試驗(yàn)樣本，平均長×寬×高為12.37 mm×9.35 mm×4.98 mm。試驗(yàn)于2020年5月10—14日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)田實(shí)施，試驗(yàn)地壟頂、壟底和壟高尺寸分別為260、420、100 mm，土壤濕度21%，土壤堅(jiān)實(shí)度495 kPa。

試驗(yàn)儀器與裝置：歐豹704型拖拉機(jī)、側(cè)開式滑切破膜播種單體、SZ-3型土壤硬度計(jì)、SU-LB 型土壤水分測(cè)定儀、數(shù)碼攝像機(jī)、直尺、卷尺等。試驗(yàn)裝置如圖8所示。

4.2 試驗(yàn)方案

采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》、NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，以膜孔長度合格率Y1、粒距合格指數(shù)Y2、播種深度合格率Y3為目標(biāo)函數(shù)實(shí)施試驗(yàn)。通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)作業(yè)速度超過5 km/h時(shí)播種單體的破膜成穴器出土過程挑膜現(xiàn)象嚴(yán)重，選取作業(yè)速度范圍為1～5 km/h；根據(jù)式(1)確定壓膜彈簧剛度取值范圍為1～3 N/mm；膜孔長度隨破膜刀楔角減小而減小，受成穴器結(jié)構(gòu)和破膜刀剛度限制，試驗(yàn)取值范圍選取15°～45°；破膜刀開啟相位角決定投種時(shí)間，并對(duì)土壤擾動(dòng)和膜孔形狀具有一定影響，以破膜成穴器垂直地表時(shí)為破膜刀開啟相位角零水平，提前開啟為負(fù)值，滯后開啟為正值，選取破膜刀開啟相位角取值范圍為-5°～5°。試驗(yàn)因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors and codes of test

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[29]，共實(shí)施36組處理，每組處理重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test design and results

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。在置信度為0.05下進(jìn)行F檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后得到回歸模型為

(13)

對(duì)于膜孔長度合格率，壓膜彈簧剛度無顯著性影響，其余因素均具有極顯著性影響，影響由大到小為破膜刀楔角、作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、壓膜彈簧剛度；對(duì)于粒距合格指數(shù)，作業(yè)速度具有極顯著性影響，破膜刀開啟相位角具有顯著性影響，其余因素?zé)o顯著性影響，影響由大到小為作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度；對(duì)于播種深度合格率，作業(yè)速度具有極顯著性影響，破膜刀楔角和破膜刀開啟相位角具有顯著性影響，壓膜彈簧剛度無顯著性影響，影響由大到小為作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度。

(1)因素對(duì)膜孔長度合格率影響分析

如圖9a所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，膜孔長度合格率隨作業(yè)速度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)作業(yè)速度較小時(shí)，通過對(duì)膜孔形狀觀察，膜孔尺寸增大造成破膜刀出土?xí)r挑膜，且由于破膜刀線速度較小，出土?xí)r對(duì)地膜滑切效果較差，挑膜現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致膜孔長度增大；當(dāng)作業(yè)速度較大時(shí)，破膜刀運(yùn)動(dòng)余擺線縱向尺寸增大，導(dǎo)致膜孔長度增大；膜孔長度合格率隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)破膜刀開啟相位角較小或較大時(shí)，破膜刀提前開啟或滯后關(guān)閉，成穴器入土和出土過程橫向尺寸均為最大值，導(dǎo)致地膜橫向變形出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，膜孔長度增大。

如圖9b所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀開啟相位角為設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，膜孔長度合格率隨破膜刀楔角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，主要是由于在破膜刀長度和寬度一定時(shí)，隨破膜刀楔角減小滑切刃口長度增大，避免了成穴器出土?xí)r成穴器腔體與地膜接觸出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，但當(dāng)破膜刀楔角過小時(shí)，破膜刀出土?xí)r滑切刃與地膜夾角增大，導(dǎo)致出現(xiàn)挑膜現(xiàn)象，膜孔長度增大。

表3 方差分析Tab.3 ANOVA

(2)因素對(duì)粒距合格指數(shù)影響分析

如圖10所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，粒距合格指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，增大趨勢(shì)不顯著，主要是由于作業(yè)速度較大時(shí)，播種單體滑移率升高，播種粒距合格指數(shù)降低；粒距合格指數(shù)隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)破膜刀開啟相位角較小時(shí)，破膜刀提前開啟，旋轉(zhuǎn)方向的土壤受擠壓進(jìn)入破膜成穴器內(nèi)，導(dǎo)致投種口堵塞，出現(xiàn)漏播，當(dāng)破膜刀開啟相位角較大時(shí)，部分種子隨破膜成穴器回代至地表，導(dǎo)致種子分布均勻度降低，粒距合格指數(shù)減小。

(3)因素對(duì)播種深度合格率影響分析

如圖11a所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀楔角為設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，播種深度合格率隨作業(yè)速度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，是由于當(dāng)作業(yè)速度較小時(shí)，破膜成穴器在土壤中停留時(shí)間增加，回土量隨之增大，導(dǎo)致播深變化較大，當(dāng)作業(yè)速度較大時(shí)，破膜成穴器投種口處線速度增加，投種后種子在豎直方向向上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一定距離，同時(shí)，部分土壤進(jìn)入破膜成穴器內(nèi)，造成投種口處堵塞，增加了投種時(shí)間，導(dǎo)致播深變化較大，播種深度合格率減小；播種深度合格率隨破膜刀開啟相位角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)破膜刀開啟相位角較小時(shí)，破膜刀提前開啟，完成投種，投種后成穴器繼續(xù)向后下方運(yùn)動(dòng)擠壓土壤，種子在穴孔內(nèi)位置持續(xù)變化，導(dǎo)致播種深度一致性較差，當(dāng)破膜刀開啟相位角較大時(shí)，破膜刀滯后開啟，受成穴器結(jié)構(gòu)及工作原理影響，破膜成穴器出土過程穴孔回土較快，導(dǎo)致播深變化較大，播種深度一致性減小。

如圖11b所示，壓膜彈簧剛度與破膜刀開啟相位角為設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，播種深度合格率隨破膜刀楔角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)破膜刀楔角較小時(shí)，破膜刀開啟過程由于側(cè)向與土壤接觸面積較小，成穴與回土同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致投種后種子播深變化較大，當(dāng)破膜刀楔角較大時(shí)，穴孔縱向尺寸增大，土壤擾動(dòng)量增加，穴孔縱向回土量較大，導(dǎo)致投種后播深變化較大，播種深度合格率減小。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

4.4.1參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化原則為保證播種單體工作性能前提下，提高作業(yè)效率。以各因素水平區(qū)間為約束條件，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6.1軟件Optimization模塊的多目標(biāo)變量優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。考慮到加工和實(shí)際工作要求，選取壓膜彈簧剛度2 N/mm，破膜刀楔角30°條件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖12所示。圖中陰影區(qū)域?yàn)樽罴压ぷ鲄^(qū)域，當(dāng)作業(yè)速度1.6～3.4 km/h、破膜刀開啟相位角-2.4°～1.8°時(shí)，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數(shù)大于90%，播種深度合格率大于85%，優(yōu)化結(jié)果滿足覆膜與播種相關(guān)農(nóng)藝要求。

4.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證參數(shù)組合優(yōu)化正確性，在作業(yè)速度3.4 km/h，壓膜彈簧剛度為2 N/mm，破膜刀楔角為30°條件下，測(cè)試播種單體破膜刀開啟相位角為-2.4°～1.8°范圍內(nèi)工作性能。選取破膜刀開啟相位角-2°、-1°、0°、1°進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值為最終結(jié)果，試驗(yàn)效果如圖13所示。 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數(shù)大于90%，播種深度合格率大于85%，播種單體工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果均在優(yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，優(yōu)化組合結(jié)果可信。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種側(cè)開式滑切破膜精量播種單體，解決了秸稈纖維基地膜膜上精量播種過程膜孔尺寸大、形狀不規(guī)則、播種質(zhì)量差等問題。

(2)各因素對(duì)膜孔長度合格率影響由大到小依次為破膜刀楔角、作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、壓膜彈簧剛度；各因素對(duì)粒距合格指數(shù)影響由大到小依次為作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度；各因素對(duì)播種深度合格率影響由大到小依次為作業(yè)速度、破膜刀開啟相位角、破膜刀楔角、壓膜彈簧剛度。

(3)在作業(yè)速度1.6～3.4 km/h，壓膜彈簧剛度為2 N/mm，破膜刀楔角為30°，破膜刀開啟相位角-2.4°～1.8°的條件下，膜孔長度合格率大于90%，粒距合格指數(shù)大于90%，播種深度合格率大于85%。