油菜鋪膜打孔播種機(jī)滾動(dòng)式割膜打孔裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 裴立民 張青松 王 磊 羅湛程 符明聯(lián)

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,昆明 650000)

0 引言

我國油菜種植以冬油菜和春油菜為主,春油菜主要分布在新疆、青海、甘肅等北方地區(qū),種植面積約占總面積的15%,干旱和低溫冷凍害是影響春油菜生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素[1-2]。油菜鋪膜播種技術(shù)能有效改善土壤水熱條件,提高水分利用效率,具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)[3-4]。油菜鋪膜打孔播種機(jī)能夠一次完成旋耕、開溝播種、鋪膜和膜上打孔等多重作業(yè)工序,省時(shí)省力。滾動(dòng)式割膜打孔裝置作為油菜鋪膜打孔播種機(jī)的關(guān)鍵裝置,其性能對(duì)整機(jī)作業(yè)質(zhì)量至關(guān)重要,在實(shí)際工作過程中存在膜孔尺寸偏大和膜孔粘連等問題,影響種子生長(zhǎng)發(fā)育。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者為提高打孔裝置性能,分別從整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式以及成孔部件結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了打孔裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面,石林榕等[5]基于平行轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)了一種前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu),具有膜孔尺寸較小,且不存在撕膜、挑膜等優(yōu)點(diǎn);趙武云等[6]為解決傳統(tǒng)穴播器存在撕膜、挑膜、種穴與幼苗錯(cuò)位等問題,基于凸輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種玉米全膜雙壟溝直插式穴播機(jī);ISMAIL等[7]基于四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種膜上打孔機(jī)構(gòu),通過改變曲柄長(zhǎng)度調(diào)節(jié)入土深度,實(shí)現(xiàn)了膜上垂直打孔。驅(qū)動(dòng)方式改進(jìn)方面,王松林[8]利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體驅(qū)動(dòng)成穴器高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),有效解決了現(xiàn)有直插式穴播機(jī)工作效率低、插入阻力大、撕膜及穴孔與膜孔錯(cuò)位等問題;王平[9]為解決現(xiàn)有玉米成穴機(jī)構(gòu)存在撕膜、刮膜等問題,利用電機(jī)給轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種直插式成穴打孔裝置;LAWRENCE等[10]基于控制算法設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)式打孔裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)多種作物不同孔距、不同膜孔尺寸的靈活調(diào)整,有效解決了膜孔形狀不規(guī)則等問題。成孔部件結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)方面,廖慶喜等[11]針對(duì)傳統(tǒng)膜上打孔機(jī)構(gòu)龐大復(fù)雜、工作時(shí)易撕挑地膜等問題,設(shè)計(jì)了一種法蘭式滾輪與螺紋式圓錐型錐釘組合式結(jié)構(gòu)的打孔裝置;侯守印等[12]為解決秸稈纖維基地膜覆膜播種時(shí)膜孔尺寸大、形狀不規(guī)則、播種質(zhì)量差等問題,設(shè)計(jì)了一種側(cè)開式滑切破膜精量播種單體;意大利FORIGO公司研制的MODULA JET系列鋪膜打孔播種機(jī)[13],通過傳感器檢測(cè)種子落種位置,設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)式圓錐型錐釘打孔裝置,解決了撕膜、挑膜以及膜孔與種子錯(cuò)位等問題;韓國Jang Automation Co.,Ltd公司研制的JRSM系列鋪膜播種機(jī)[14],通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀片繞整機(jī)前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn),避免了與土壤接觸,能夠在地膜上形成垂直于整機(jī)前進(jìn)方向的一字型膜孔。綜上,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膜上打孔裝置從不同方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),但主要集中在玉米、大豆等中大粒徑作物,針對(duì)油菜鋪膜播種的專用膜上打孔裝置研究相對(duì)較少,尤其對(duì)應(yīng)用滑切原理破膜成孔的滾動(dòng)式割膜打孔裝置研究鮮見報(bào)道。

本文結(jié)合春油菜種植農(nóng)藝要求,基于滑切原理設(shè)計(jì)一種滾動(dòng)式割膜打孔裝置,其主要由打孔裝置和仿形機(jī)構(gòu)組成。確定打孔裝置和仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù),建立打孔裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析確定影響膜孔長(zhǎng)度的主要因素及其取值范圍。運(yùn)用DEM-MFBD耦合仿真,確定較優(yōu)參數(shù)組合,開展?jié)L動(dòng)式割膜打孔裝置田間試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性,以期為油菜鋪膜播種割膜打孔裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 油菜鋪膜播種農(nóng)藝要求

油菜種子小,頂土能力弱,要求土層深厚、疏松、肥沃,需要深耕細(xì)作、精細(xì)整地[15]。春油菜種植要求行距為200～250 mm,穴距為100～150 mm,播種深度30～40 mm[16-17]。根據(jù)油菜鋪膜種植農(nóng)藝要求,本文設(shè)計(jì)機(jī)具采用8行播種,行距為200 mm,為保證膜邊完全被壓入土壤,選用寬度為2000 mm、厚度為0.01 mm的銀色地膜。膜孔的最小尺寸由每穴種子在種溝的分布范圍決定,為抑制雜草生長(zhǎng),最大膜孔尺寸通常小于50 mm[11,18]。本機(jī)具所用排種器經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)得到沿整機(jī)前進(jìn)方向的種子分布長(zhǎng)度大多在30 mm之內(nèi),垂直于整機(jī)前進(jìn)方向的種子分布寬度大多在25 mm之內(nèi),因此確定膜孔長(zhǎng)度為30～50 mm,膜孔寬度為25～50 mm。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

油菜鋪膜打孔播種機(jī)主要有開溝犁、三點(diǎn)懸掛、旋耕裝置、排肥裝置、開溝播種裝置、鋪膜裝置、滾動(dòng)式割膜打孔裝置、膜側(cè)覆土裝置等組成,可一次完成旋耕、開溝播種、鋪膜、膜上打孔等功能。其中滾動(dòng)式割膜打孔裝置為其核心部件,主要由8個(gè)等距依次排列的打孔裝置和仿形機(jī)構(gòu)組成。油菜鋪膜打孔播種機(jī)和滾動(dòng)式割膜打孔裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 油菜鋪膜打孔播種機(jī)及滾動(dòng)式割膜打孔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作過程

油菜鋪膜打孔播種機(jī)工作過程如圖2所示,作業(yè)時(shí)旋耕裝置對(duì)施有肥料的地表進(jìn)行旋耕整地,開溝播種裝置在旋耕完成后的種床上開溝播種,鋪膜裝置將地膜鋪設(shè)在已播種地面,膜側(cè)覆土裝置壓膜輪將地膜兩側(cè)壓緊,膜側(cè)覆土圓盤將側(cè)邊土壤填入廂溝鎮(zhèn)壓兩側(cè)膜邊,滾動(dòng)式割膜打孔裝置的打孔裝置在鋪膜種床上連續(xù)滾動(dòng)進(jìn)行割膜打孔作業(yè)。作業(yè)時(shí),割膜刀縱向刀片的刀尖扎破地膜,縱向刀片兩側(cè)刀刃在逐步進(jìn)入地膜的過程中沿整機(jī)前進(jìn)方向切割地膜,橫向刀片兩側(cè)刀刃的刀尖進(jìn)入地膜后,沿垂直于整機(jī)方向切割地膜,直到割膜刀完全離開膜孔,完成割膜打孔作業(yè)。膜孔長(zhǎng)度即割膜刀縱向刀片在破膜過程中形成沿整機(jī)前進(jìn)方向撕裂地膜的長(zhǎng)度;膜孔寬度即割膜刀橫向刀片在作業(yè)過程中形成垂直于整機(jī)前進(jìn)方向撕裂地膜的長(zhǎng)度。

圖2 油菜鋪膜打孔播種機(jī)工作過程圖

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 打孔裝置設(shè)計(jì)與破膜過程

打孔裝置主要由打孔滾筒、割膜刀、安裝管等組成。割膜刀是打孔裝置的核心部件,由焊接螺柱、連接板、縱向刀片(平行整機(jī)前進(jìn)方向)、橫向刀片(垂直整機(jī)前進(jìn)方向)等組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 打孔裝置及割膜刀結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1打孔裝置破膜過程

在打孔裝置運(yùn)動(dòng)過程中,割膜刀縱向刀片對(duì)地膜的壓力和縱向刀片與地膜接觸點(diǎn)的速度隨著打孔裝置的運(yùn)動(dòng)而變化,從而導(dǎo)致割膜刀縱向刀片刀刃AB和AC切割地膜的滑切角變化。為保證割膜刀切割地膜時(shí)滑切效果始終存在,對(duì)打孔裝置破膜過程進(jìn)行了分析,以確定割膜刀縱向刀片刀刃AB、AC和橫向刀片切割地膜時(shí)的最小滑切角位置。

打孔裝置破膜過程如圖4所示,圖中Fn1為縱向刀片刀刃AB對(duì)地膜壓力,Fn2為縱向刀片刀刃AC對(duì)地膜壓力,τr為縱向刀片刀尖接觸地膜時(shí)刀尖相對(duì)速度與水平面的夾角,τn為縱向刀片刀尖接觸地膜時(shí)刀尖對(duì)地膜壓力與水平面夾角,vr、va和ve為縱向刀片刀刃上與地膜接觸點(diǎn)的相對(duì)速度、絕對(duì)速度和牽連速度。絕對(duì)速度與刀刃到地膜壓力的夾角即為滑切角,其中τ1為刀刃AB與地膜滑切角,τ2為刀刃AC與地膜滑切角。

圖4 打孔裝置破膜過程圖

所設(shè)計(jì)的打孔裝置在牽引力和摩擦阻力的作用下,以直線和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)向前滾動(dòng),v為整機(jī)前進(jìn)速度,ωd為打孔裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。取打孔裝置的單一割膜刀為研究對(duì)象,作業(yè)時(shí)割膜刀縱向刀片刀尖點(diǎn)A先與地膜接觸,扎破地膜(圖4a),隨后在割膜刀運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過程中,割膜刀縱向刀片刀刃AB向前下方運(yùn)動(dòng)并滑切破膜(圖4b),直到縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)到地膜下方。這個(gè)過程中τr和τn以打孔裝置旋轉(zhuǎn)角度逐漸減小,因此相對(duì)速度vr與絕對(duì)速度va夾角以及Fn1與va的夾角均逐漸增加,絕對(duì)速度由相對(duì)速度和牽連速度共同決定,因此相對(duì)速度vr與絕對(duì)速度va夾角增加角度小于Fn1與va的夾角,即這個(gè)過程中刀刃AB與地膜滑切角逐漸增加,當(dāng)縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)地膜下方到刀尖A運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn),刀刃AB不切割地膜。因此從刀尖A接觸地膜到運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)過程中,刀尖剛接觸地膜時(shí)刀刃AB與地膜滑切角最小。

當(dāng)?shù)都釧運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后(圖4c),刀刃AB向后上方運(yùn)動(dòng)滑切破膜(圖4d),直至完全退出地膜,這個(gè)過程中,τ1>90°,滑切一直存在,不需要分析最小滑切角。

割膜刀縱向刀片刀刃AC在刀尖A運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過程中,向前下方運(yùn)動(dòng)切割地膜(圖4e),這個(gè)過程中,刀刃AC與地膜滑切角τ2逐漸減小,即刀尖A運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),刀刃AC與地膜滑切角最小。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后(圖4f),刀刃AC向后上方運(yùn)動(dòng)不切割地膜,隨機(jī)具前進(jìn)退出地膜(圖4d)。

在縱向刀片刀尖點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過程中,橫向刀片切割地膜,運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后,向后上方運(yùn)動(dòng)不切割地膜,橫向刀片在作業(yè)過程中與地膜的滑切角保持不變。

2.1.2打孔滾筒設(shè)計(jì)

(1)打孔滾筒直徑

打孔裝置在割膜打孔的同時(shí)通過鏈傳動(dòng)給窩眼輪排種器提供動(dòng)力,打孔滾筒直徑計(jì)算式為

(1)

式中Dg——打孔滾筒直徑,mm

S——油菜種植穴距,mm

Zw——窩眼輪型孔數(shù)

δ——打孔裝置與鋪膜地面滑移系數(shù)

i——打孔裝置與窩眼輪排種器傳動(dòng)比

結(jié)合春油菜鋪膜播種農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)穴距S為140 mm,窩眼輪排種器型孔數(shù)Zw為12,設(shè)計(jì)打孔裝置與窩眼輪式排種器傳動(dòng)比為2,打孔裝置與鋪膜地面滑移系數(shù)一般為5%～12%[19],取試驗(yàn)測(cè)得值8%,由式(1)計(jì)算得出打孔滾筒直徑Dg為247.57 mm,取整為250 mm。

打孔滾筒同時(shí)起到鎮(zhèn)壓土壤的作用,而壓實(shí)效果與打孔滾筒直徑有很大相關(guān)性。輪徑過小鎮(zhèn)壓效果不明顯,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致滑移系數(shù)增大,因此打孔滾筒直徑不宜過小,一般取200～500 mm為宜[20],經(jīng)式(1)計(jì)算得到的打孔滾筒直徑Dg=250 mm可滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)打孔滾筒寬度

打孔滾筒寬度應(yīng)大于開溝器開溝寬度同時(shí)小于油菜種植行距,且應(yīng)便于打孔裝置安裝與拆卸。油菜鋪膜打孔播種機(jī)的開溝寬度為40 mm,播種行距為200 mm,本文將打孔滾筒寬度Bw設(shè)計(jì)為80 mm。

2.1.3割膜刀設(shè)計(jì)與分析

(1)割膜刀滑切分析

由打孔裝置破膜過程分析可知,打孔裝置作業(yè)時(shí),縱向刀片刀刃AB、AC與地膜的滑切角隨著打孔裝置的運(yùn)動(dòng)而變化,刀刃AB與地膜的滑切角在刀尖剛接觸時(shí)最小,刀刃AC與地膜滑切角在刀尖運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)最小;而橫向刀片在運(yùn)動(dòng)過程中滑切角為定值。為保證割膜刀在運(yùn)動(dòng)過程中與地膜間存在滑切效果,即割膜刀刀刃絕對(duì)速度方向與刀刃即不平行也不垂直。對(duì)刀刃AB、刀刃AC切割地膜滑切角最小時(shí)和橫向刀片切割破膜時(shí)進(jìn)行受力分析,如圖5所示。

圖5 割膜刀滑切受力分析圖

圖5a為刀刃AB切割地膜時(shí)的最小滑切角受力分析圖,為保證刀刃AB切割地膜時(shí)存在滑切,應(yīng)滿足

(2)

式中f1——刀刃AB割膜過程與地膜摩擦力,N

T1——地膜受到刀刃AB的切向力,N

ψ——地膜與刀刃間的摩擦角,(°)

由式(2)化簡(jiǎn)可得

(3)

圖5b為刀刃AC切割地膜時(shí)的最小滑切角受力分析圖,為使刀刃AC與地膜存在相對(duì)滑動(dòng),應(yīng)滿足

(4)

式中f2——刀刃AC割膜過程與地膜摩擦力,N

T2——地膜受到刀刃AC切向力,N

由式(4)化簡(jiǎn)可得

(5)

圖5c為橫向刀片切割地膜時(shí)的滑切角受力分析圖,橫向刀片與地膜存在滑切應(yīng)滿足

(6)

式中f3——橫向刀片割膜過程與地膜摩擦力,N

T3——地膜受到橫向刀片切向力,N

τ3——橫向刀片與地膜間摩擦角,(°)

由式(6)化簡(jiǎn)可得

tanτ3>tanψ

(7)

由式(3)、(5)、(7)可知,為保證割膜刀割膜過程中存在滑切效果,則刀刃AB、刀刃AC與地膜的最小滑切角τ1、τ2以及橫向刀片與地膜滑切角τ3均大于刀刃與地膜的摩擦角ψ,刀刃與地膜的摩擦因數(shù)為0.33[21],對(duì)應(yīng)的摩擦角為18°,因此割膜刀最小滑切角應(yīng)大于該摩擦角,即大于18°。

(2)割膜刀縱向刀片設(shè)計(jì)

縱向刀片長(zhǎng)度是決定膜孔長(zhǎng)度的重要因素,膜孔過大易給雜草滋生提供空間,而膜孔過小則會(huì)影響油菜種子生長(zhǎng),其主要參數(shù)為縱向刀片長(zhǎng)度l、縱向刀片高度h、縱向刀片頂角αz,如圖6a所示。本機(jī)具所用窩眼輪排種器每穴播種2～4粒,且投種方式為低位投種,投種高度為60 mm,種子彈跳范圍較小[22]。經(jīng)前期臺(tái)架試驗(yàn)得到窩眼輪排種器投種高度為60 mm時(shí),種子彈跳范圍小于30 mm,縱向刀片長(zhǎng)度應(yīng)大于種子彈跳范圍,且為抑制雜草生長(zhǎng),膜孔不能過大?？v向刀片近似為三角形,為確?？v向刀片刀尖易于扎破地膜,且在破膜過程中應(yīng)保證縱向刀片滑切效果存在,即縱向刀片刀刃AB和AC的最小滑切角應(yīng)大于刀刃與地膜間的摩擦角。結(jié)合圖5a、5b、6a,縱向刀片相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足

圖6 割膜刀結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

(8)

式中Zh——打孔裝置下陷深度,mm

τd——縱向刀片刀刃頂角的一半,(°)

R——打孔滾筒半徑,mm

下陷深度取5 mm,則由式(8)分析并確定割膜刀縱向刀片長(zhǎng)度為30～40 mm,縱向刀片高度為 30～35 mm。

(3)割膜刀橫向刀片設(shè)計(jì)

橫向刀片相關(guān)參數(shù)如圖6b所示,橫向刀片長(zhǎng)度l1是影響膜孔寬度的重要因素,為減小割膜刀作業(yè)時(shí)阻力,橫向刀片長(zhǎng)度l1應(yīng)小于開溝器寬度40 mm;為便于割膜刀縱向刀片刀尖扎破地膜,橫向刀片高度h1應(yīng)小于縱向刀片高度,且在破膜過程中應(yīng)保證橫向刀片滑切效果存在。結(jié)合圖5c和圖6b,橫向刀片設(shè)計(jì)應(yīng)滿足

(9)

其中

式中l(wèi)t——橫向刀片刀刃底部與縱向刀片距離,mm

lh——橫向刀片刀刃寬度,mm

lm——刀片厚度,mm

αr——刃口角,(°)

將刀片厚度lm設(shè)計(jì)為2 mm,刃口角設(shè)計(jì)為30°,由式(9)綜合分析將橫向刀片寬度設(shè)計(jì)為30 mm,橫向刀片高度設(shè)計(jì)為25 mm。

(4)割膜刀數(shù)量確定

割膜刀數(shù)量主要由油菜播種穴距、打孔滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)以及割膜刀縱向刀片高度確定,計(jì)算式為

(10)

式中Z——割膜刀數(shù)量

其中打孔滾筒直徑Dg為250 mm,割膜刀高度為30～35 mm,計(jì)算得到Z為6.96～7.18,因此割膜刀數(shù)量取7。當(dāng)割膜刀數(shù)量取7時(shí),由式(10)可以得到穴距為139.13～143.62 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.4打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡

滾動(dòng)式割膜打孔裝置中的8個(gè)打孔裝置在實(shí)際作業(yè)過程中運(yùn)動(dòng)形式相同,取單一打孔裝置為研究對(duì)象。在整機(jī)前進(jìn)過程中,打孔裝置向前作平面運(yùn)動(dòng),割膜刀連續(xù)進(jìn)入種床上鋪設(shè)地膜,形成十字型膜孔。膜孔長(zhǎng)度和膜孔寬度是衡量割膜刀工作質(zhì)量的重要指標(biāo),前期試驗(yàn)表明膜孔寬度在作業(yè)過程中無明顯變化,約等于橫向刀片寬度;而膜孔長(zhǎng)度主要由割膜刀縱向刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡決定,取打孔裝置上單一割膜刀為研究對(duì)象,建立如圖7所示直角坐標(biāo)系。

打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程為

(11)

式中Rh——打孔裝置中心與割膜刀尖距離,mm

θ——割膜刀上任一點(diǎn)與中心線的夾角,(°)

α——打孔裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角度,(°)

t——打孔裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間,s

R0——打孔裝置實(shí)際滾動(dòng)半徑,mm

r——割膜刀縱向刀片上任一點(diǎn)與打孔裝置中心距離,mm

由式(11)得到打孔裝置的運(yùn)動(dòng)速度方程為

(12)

式中vx——割膜刀上任一點(diǎn)水平方向分速度,km/h

vy——割膜刀上任一點(diǎn)豎直方向分速度,km/h

由打孔裝置割膜打孔原理知,割膜刀以擺線軌跡完成破膜打孔,且在余擺線環(huán)扣的最大橫弦上,存在水平方向上絕對(duì)分速度為零的點(diǎn),此時(shí)vx=0,則有

(13)

式中λ——打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的特征參數(shù)

λ是機(jī)具前進(jìn)速度與打孔裝置回轉(zhuǎn)速度的比值,其決定了打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡,λ的取值分為λ>1、λ=1和λ<1共3種情況[23]。當(dāng)λ>1時(shí),打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡為短擺線;當(dāng)λ=1時(shí),打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡為一般擺線;當(dāng)λ<1時(shí),打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡為長(zhǎng)幅旋輪線。易知打孔裝置在實(shí)際作業(yè)中受到重力、仿形裝置中彈簧壓力等作用力和滑移的影響,打孔裝置實(shí)際滾動(dòng)半徑R0

2.1.5膜孔尺寸分析

割膜刀縱向刀片所形成的膜孔運(yùn)動(dòng)軌跡線可由abOcd輪廓曲線表示,主要包括ab、bc、cd段3部分,如圖8所示。其中ab段為縱向刀片刀刃AB運(yùn)動(dòng)軌跡線的一部分。ab段的參數(shù)方程為

圖8 膜孔尺寸分析簡(jiǎn)圖

(14)

式中φ1——縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)B與軸中心O2的連線和縱向刀片中線的夾角,(°)

α1——從最低點(diǎn)到離開地膜的過程中縱向刀片轉(zhuǎn)動(dòng)角度,(°)

bc段為縱向刀片刀尖點(diǎn)A形成的運(yùn)動(dòng)軌跡線的一部分,其參數(shù)方程為

(15)

式中α3——縱向刀片刀尖點(diǎn)A的轉(zhuǎn)動(dòng)角,(°)

cd段為縱向刀片刀刃AC運(yùn)動(dòng)軌跡線的一部分,其參數(shù)方程為

(16)

其中

(17)

式中φ2——縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)C與軸中心O1的連線和縱向刀片中線的夾角,(°)

α2——從刀尖點(diǎn)A開始接觸地膜到最低點(diǎn)的過程中縱向刀片轉(zhuǎn)動(dòng)角,(°)

由圖8可知,地膜與膜孔輪廓曲線的交點(diǎn)a和d之間的距離即為理論膜孔長(zhǎng)度,主要由縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)B和C的軌跡決定,由式(14)～(17)可得點(diǎn)a和點(diǎn)d的坐標(biāo),兩點(diǎn)x軸坐標(biāo)差的絕對(duì)值即為膜孔長(zhǎng)度理論值Wk,打孔裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡均呈對(duì)稱性,因此膜孔長(zhǎng)度理論值Wk為

Wk=|xd-xa|=2|xd|=

(18)

式中h′——縱向刀片刀尖與地面距離,mm

由式(18)可知,膜孔長(zhǎng)度主要與縱向刀片長(zhǎng)度、縱向刀片高度以及打孔滾筒半徑有關(guān)?；诖蚩籽b置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析得到膜孔長(zhǎng)度理論范圍為32.72～47.44 mm,可以滿足油菜生長(zhǎng)要求。

2.2 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于土壤阻力的不同和地形起伏變化等因素影響,打孔裝置在作業(yè)過程中易造成地膜受力撕裂破損。因此設(shè)計(jì)仿形機(jī)構(gòu)以保證滾動(dòng)式割膜打孔裝置在作業(yè)過程中隨地形起伏變化,減小地膜受力,降低地膜破損。

2.2.1仿形機(jī)構(gòu)受力分析

仿形機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置,且在受力平衡時(shí),滾動(dòng)式割膜打孔裝置才能穩(wěn)定工作[24]。仿形機(jī)構(gòu)在工作過程中受力情況如圖9所示。

圖9 滾動(dòng)式割膜打孔裝置受力簡(jiǎn)圖

滾動(dòng)式割膜打孔裝置穩(wěn)定工作時(shí)在xy平面上的受力平衡方程為

Fx+f+F2=0

(19)

Fy-G-T+F1=0

(20)

(F1-G)(l0-h0tanβ)cosβ-

Tl0cosβ-F2ly+fH=0

(21)

其中

f=μF1

T=K(X+X0)

式中Fx——機(jī)架對(duì)仿形桿的水平拉力,N

Fy——機(jī)架對(duì)仿形桿的垂直拉力,N

F1——地表對(duì)滾動(dòng)式割膜打孔裝置支持力的一半,N

F2——機(jī)架對(duì)彈簧桿的拉力,N

f——滾動(dòng)式割膜打孔裝置所受阻力,N

μ——打孔裝置與地膜滑動(dòng)摩擦因數(shù)

G——滾動(dòng)式割膜打孔裝置總重的一半,N

T——仿形彈簧壓力,N

β——仿形桿牽引角,(°)

l0——仿形桿長(zhǎng)度,mm

ly——固定桿與仿形桿鉸接點(diǎn)垂直距離,mm

h0——打孔裝置中心與彈簧桿鉸接點(diǎn)距離,mm

K——仿形彈簧剛度,N/m

X——仿形彈簧壓縮量,mm

X0——仿形彈簧初始?jí)嚎s量,mm

H——仿形桿鉸接點(diǎn)與地面距離,mm

由式(19)～(21)得到

(22)

由式(22)可知,地表對(duì)滾動(dòng)式割膜打孔裝置支持力主要與滾動(dòng)式割膜打孔裝置總重、仿形機(jī)構(gòu)各桿結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈簧剛度、彈簧初始增量、打孔滾筒直徑以及牽引角等因素有關(guān)。地表對(duì)滾動(dòng)式割膜打孔裝置支持力即滾動(dòng)式割膜打孔裝置對(duì)地膜豎直方向的反作用力,作用力過小會(huì)影響打孔裝置作業(yè)效果,且容易出現(xiàn)滑移影響開溝播種裝置和鋪膜裝置作業(yè)效果;作用力過大則容易導(dǎo)致地膜破損,影響整機(jī)作業(yè)質(zhì)量。

2.2.2仿形機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾動(dòng)式割膜打孔裝置工作性能有直接的影響。由式(22)可知,在仿形桿鉸接點(diǎn)與地面距離H一定時(shí),影響滾動(dòng)式割膜打孔裝置穩(wěn)定性的主要因素為仿形桿長(zhǎng)度l0和仿形桿初始牽引角β0。本文所設(shè)計(jì)仿形機(jī)構(gòu)為整體仿形,因此僅考慮上仿形量。當(dāng)仿形桿向上仿形時(shí),其仿形量h1為

h1=H-R-l0sin(β0-β1)-h0cos(β0-β1)

(23)

式中β1——仿形桿向上仿形擺角,(°)

由式(23)可知,在仿形量一定的情況下,仿形桿長(zhǎng)度l0越大,牽引角變化范圍越小,即仿形桿越長(zhǎng)打孔裝置在越過凸起時(shí)擺動(dòng)越小,打孔裝置運(yùn)行越平穩(wěn)。

仿形機(jī)構(gòu)的仿形量主要由地表狀況和作業(yè)性能決定,一般情況下仿形量為80～100 mm[25-27]。滾動(dòng)式割膜打孔裝置在旋耕后地表作業(yè),地表較為平整,因此將仿形量h1設(shè)計(jì)為80 mm?？紤]到整機(jī)空間結(jié)構(gòu)和質(zhì)心位置的影響,仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸不能過大,參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)》[28],確定初始牽引角β0為10°,向上仿形擺角設(shè)計(jì)0°。式(23)中,仿形桿鉸接點(diǎn)與地面距離H為310 mm,打孔裝置中心與彈簧桿鉸接點(diǎn)距離h0為50 mm,計(jì)算得到仿形桿長(zhǎng)度l0=321.10 mm,取整為320 mm。

2.3 打孔播種過程分析

油菜鋪膜打孔播種機(jī)所用窩眼輪排種器投種角γp為0°,油菜種子脫離型孔的投種點(diǎn)位于排種輪的最下方,在投種點(diǎn)處建立直角坐標(biāo)系,如圖10所示,設(shè)投種點(diǎn)到種溝的距離(投種高度)為Ht,投種點(diǎn)處油菜種子從離開型孔到落入種溝向前移動(dòng)的水平距離為x1。

圖10 打孔播種過程分析圖

投種點(diǎn)處油菜種子的運(yùn)動(dòng)方程為

(24)

其中

(25)

式中t1——種子脫離型孔后到種溝的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,s

vx1——種子脫離型孔后沿水平方向速度,m/s

g——重力加速度,m/s2

ωp——排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

dp——排種盤直徑,mm

由式(24)、(25)可得

(26)

投種高度Ht為60 mm,整機(jī)前進(jìn)速度v為3～5 km/h,排種盤直徑為60 mm,由式(26)可得投種點(diǎn)處油菜種子水平移動(dòng)距離x1為82～136 mm。

打孔裝置中心到排種盤中心的水平距離為x2,為保證膜孔恰好在油菜種子上方,打孔裝置中心到排種盤中心的距離為

x2=NS-x1

(27)

式中N——打孔點(diǎn)和落種點(diǎn)間隔穴距數(shù)量

基于整機(jī)空間布局和裝配安裝方便,本文選取打孔點(diǎn)和落種點(diǎn)間隔穴距數(shù)量N為4,由式(27)可得打孔裝置中心到排種盤中心距離為424～478 mm,并經(jīng)試驗(yàn)確定為460 mm。

3 打孔裝置割膜成孔仿真分析

在機(jī)具作業(yè)過程中,打孔裝置在鋪膜地面土壤的作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn),需要采用離散元法進(jìn)行分析;打孔裝置的作業(yè)效果可由割膜刀片上關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡確定,且地膜為柔性體,需要應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行分析;而常用的離散元仿真軟件與多體動(dòng)力學(xué)軟件均無法單獨(dú)完成上述仿真分析要求。因此采用DEM-MFBD耦合仿真進(jìn)行相關(guān)分析。

3.1 多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

在SolidWorks中完成帶有轉(zhuǎn)軸的打孔裝置和地膜的建模與裝配,將裝配好的打孔裝置和地膜模型轉(zhuǎn)化為x_t格式導(dǎo)入RecurDyn中建立動(dòng)力學(xué)模型。在RecurDyn仿真軟件中,使用Library模塊將帶有轉(zhuǎn)軸的打孔裝置材料設(shè)定為steel,在Flexible模塊中對(duì)地膜進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選用的網(wǎng)格單元類型為殼單元Shell4(Quad4),基于計(jì)算精度和時(shí)間的考慮定義最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)為4 mm,劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為114 152、單元個(gè)數(shù)為114 150,并添加柔性化后地膜的材料屬性,如表2所示[11,29-30];通過Boundary Condition將地膜四端固定以更加接近鋪膜完成的地膜真實(shí)狀態(tài);為便于添加接觸和導(dǎo)出wall.文件,將地膜通過Patchset創(chuàng)建為片集;在打孔裝置和轉(zhuǎn)軸之間添加旋轉(zhuǎn)副,將轉(zhuǎn)軸以Ground為參考系添加為沿x軸方向直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副,方向與整機(jī)前進(jìn)速度相同并為轉(zhuǎn)軸移動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)類型為velocity(time)的驅(qū)動(dòng)函數(shù),其函數(shù)表達(dá)式為step(time,0,0,0.1,vx),即在0～0.1 s內(nèi),轉(zhuǎn)軸與地面移動(dòng)副的作業(yè)速度由0 m/s變化為vx達(dá)到預(yù)定作業(yè)速度;同時(shí)將打孔裝置與地膜添加接觸類型為Geo surface的接觸,相關(guān)接觸參數(shù)的設(shè)定如表2所示[31-32]。由前文膜孔尺寸分析可知,膜孔長(zhǎng)度主要由割膜刀縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)B和C的運(yùn)動(dòng)軌跡確定;膜孔孔距由縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡確定,即相鄰兩個(gè)割膜刀關(guān)鍵點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡的最低點(diǎn)間的距離即為膜孔孔距。在RecurDyn中Trace模塊下將縱向刀片關(guān)鍵點(diǎn)A、B和C標(biāo)記,并在仿真完成后得到其軌跡曲線,在Matlab中得到相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 仿真模型相關(guān)參數(shù)

3.2 離散元仿真模型

將RecurDyn中建立的打孔裝置和地膜仿真模型以wall.文件的形式導(dǎo)出,在保證EDEM和RecurDyn耦合接口連接的情況下,通過EDEM中Geometries模塊下的Import Geometry from RecurDyn功能將生成的wall.文件導(dǎo)入EDEM。

由于打孔裝置作業(yè)種床為旋耕后土壤,土壤較為松軟、破碎,因此土壤顆粒選取球顆粒建模,其半徑設(shè)定為6 mm,土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-割膜機(jī)構(gòu)接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip),仿真試驗(yàn)所用參數(shù)設(shè)置如表2所示[32-33]。結(jié)合仿真試驗(yàn)相關(guān)要求和計(jì)算機(jī)性能建立長(zhǎng)×寬×高為3 000 mm×300 mm×100 mm的種床模型,耦合仿真模型如圖11所示。

圖11 耦合仿真模型圖

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由打孔裝置運(yùn)動(dòng)分析和膜孔尺寸分析可知,整機(jī)前進(jìn)速度、割膜刀縱向刀片的長(zhǎng)度和高度決定其運(yùn)動(dòng)軌跡和作業(yè)效果,以整機(jī)前進(jìn)速度、縱向刀片長(zhǎng)度、縱向刀片高度為試驗(yàn)因素開展仿真試驗(yàn)。

在作業(yè)過程中膜孔長(zhǎng)度受割膜刀縱向刀片運(yùn)動(dòng)軌跡影響,因此以膜孔長(zhǎng)度Y1作為打孔裝置評(píng)價(jià)指標(biāo);本文設(shè)計(jì)機(jī)具播種穴距為140 mm,為保證膜孔與種穴對(duì)應(yīng),故以膜孔間距與春油菜播種穴距的差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)Y2,簡(jiǎn)稱孔距差值。如圖12所示,P1、P2之間的距離即為膜孔長(zhǎng)度,P3、P4的距離即為膜孔間距。

圖12 打孔裝置運(yùn)動(dòng)軌跡

仿真試驗(yàn)采用三因素三水平回歸正交試驗(yàn)方法[34],各試驗(yàn)因素編碼如表3所示,共實(shí)施17組試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

表3 試驗(yàn)因素編碼

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示,X1、X2、X3為試驗(yàn)因素編碼值,借助Design-Expert 10.0.7軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析和因素方差分析,并分析各因素及其交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立膜孔長(zhǎng)度Y1、孔距差值Y2和整機(jī)前進(jìn)速度X1、縱向刀片長(zhǎng)度X2、縱向刀片高度X3的回歸模型

(28)

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合,膜孔長(zhǎng)度和孔距差值方差分析如表5所示。

表5 方差分析

3.5 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

由表5可知,縱向刀片長(zhǎng)度與縱向刀片高度交互作用對(duì)膜孔長(zhǎng)度影響顯著,整機(jī)前進(jìn)速度與縱向刀片高度交互作用、整機(jī)前進(jìn)速度與縱向刀片高度交互作用對(duì)膜孔長(zhǎng)度影響不顯著,出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是縱向刀片長(zhǎng)度決定了縱向刀片刀尖在最低點(diǎn)時(shí)的破膜面積,直接影響了膜孔長(zhǎng)度尺寸;而縱向刀片長(zhǎng)度和縱向刀片高度共同決定了縱向刀片刀尖頂角的大小,在縱向刀片長(zhǎng)度一定時(shí),縱向刀片高度增加會(huì)減小刀刃頂角,提高刀刃破膜能力。

整機(jī)前進(jìn)速度與縱向刀片高度交互作用對(duì)孔距差值影響顯著,整機(jī)前進(jìn)速度與縱向刀片長(zhǎng)度交互作用、縱向刀片長(zhǎng)度與縱向刀片高度交互作用對(duì)膜孔長(zhǎng)度影響不顯著,這主要是因?yàn)榭v向刀片高度增加會(huì)改變刀尖圓周大小,直接影響孔距;而整機(jī)前進(jìn)速度的增大會(huì)導(dǎo)致滑移率增加,從而導(dǎo)致孔距差值增加?？v向刀片長(zhǎng)度對(duì)孔距差值的影響不顯著,是由于縱向刀片長(zhǎng)度的改變對(duì)打孔裝置刀尖圓周大小影響較小,且對(duì)整機(jī)前進(jìn)速度和滑移率等無明顯影響。由前文打孔滾筒直徑設(shè)計(jì)和打孔裝置運(yùn)動(dòng)分析知,孔距差值主要與打孔裝置割膜刀刀尖圓周大小、作業(yè)速度以及滑移率等因素有關(guān),因此縱向刀片長(zhǎng)度對(duì)孔距差值沒有顯著影響。

基于因素交互作用分析,綜合考慮各因素對(duì)膜孔長(zhǎng)度Y1和孔距差值Y2的影響,利用Design-Expert 10.0.7對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于目前暫無對(duì)膜孔大小和割膜機(jī)構(gòu)打孔性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),故本文參照文獻(xiàn)[11-12]和前期經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

膜孔過大會(huì)給雜草滋生提供空間,而膜孔過小則會(huì)影響油菜種子生長(zhǎng)[18]。綜合考慮將膜孔長(zhǎng)度優(yōu)化范圍設(shè)計(jì)為:35 mm≤Y1≤50 mm?？拙嗯c油菜標(biāo)準(zhǔn)穴距的差值的絕對(duì)值越小越符合實(shí)際作業(yè)要求,本文將孔差值優(yōu)化范圍設(shè)計(jì)為-5 mm≤Y2≤5 mm。故建立膜孔長(zhǎng)度Y1、孔距差值Y2的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束條件為

(29)

由式(29)求解得,當(dāng)整機(jī)前進(jìn)速度為3.3 km/h、縱向刀片長(zhǎng)度為33.83 mm、縱向刀片高度為30.72 mm時(shí),膜上作業(yè)效果較佳,此時(shí)膜孔長(zhǎng)度為43.91 mm、孔距差值為-0.99 mm。為加工方便,將縱向刀片長(zhǎng)度取整為34 mm、縱向刀片高度取整為31 mm。取驗(yàn)證優(yōu)化后參數(shù),進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn),得到膜孔長(zhǎng)度為44.78 mm,孔距差值為0.64 mm,與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證仿真得到的較優(yōu)參數(shù)組合在田間作業(yè)準(zhǔn)確性,于2022年10月23日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行滾動(dòng)式割膜打孔裝置田間試驗(yàn),如圖13所示。試驗(yàn)前測(cè)得土壤堅(jiān)實(shí)度為1 831.46 kPa、含水率為16.87%,拖拉機(jī)型號(hào)為東方紅954,以慢2擋開展試驗(yàn),重復(fù)3次。

圖13 田間試驗(yàn)

4.2 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》、NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》以及春油菜鋪膜種植農(nóng)藝要求,選取穩(wěn)定作業(yè)后的20 m作為測(cè)量區(qū)域。在20 m的測(cè)量區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取100個(gè)膜孔,使用游標(biāo)卡尺(量程0～150 mm)測(cè)量膜孔長(zhǎng)度,使用鋼板尺(量程0～1 000 mm)測(cè)量相鄰兩膜孔中心之間的距離。以膜孔長(zhǎng)度、膜孔長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)、孔距差值以及膜孔孔距誤差作為滾動(dòng)式割膜打孔裝置的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中膜孔長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算公式為

(30)

其中

式中La——膜孔長(zhǎng)度平均值,mm

n——膜孔數(shù)量

Li——第i個(gè)膜孔的膜孔長(zhǎng)度,mm

VL——膜孔長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù),%

孔距誤差計(jì)算公式為

(31)

式中Dk——孔距誤差,%

Si——第i個(gè)相鄰兩膜孔中心點(diǎn)的距離,mm

n1——測(cè)量孔距數(shù)量

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知,膜孔平均長(zhǎng)度為43.15 mm,膜孔長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為3.86%;平均孔距差值為-1.32 mm,膜孔孔距誤差為4.22%,符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。田間試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)與仿真試驗(yàn)基本一致,驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,表明了滾動(dòng)式割膜打孔裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

(1)基于滑切原理設(shè)計(jì)了一種帶有割膜刀的滾動(dòng)式割膜打孔裝置。該裝置通過打孔裝置的割膜刀周期性進(jìn)出地膜,形成一系列規(guī)則的十字型膜孔。

(2)通過分析打孔裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,確定了打孔裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程,并基于打孔裝置的運(yùn)動(dòng)方程分析確定了影響膜孔長(zhǎng)度的因素?；贒EM-MFBD耦合仿真對(duì)打孔裝置進(jìn)行了仿真試驗(yàn),采用三因素三水平回歸正交試驗(yàn)方法,分析整機(jī)前進(jìn)速度、縱向刀片長(zhǎng)度、縱向刀片高度對(duì)膜孔長(zhǎng)度的影響。并確定較優(yōu)參數(shù)組合為整機(jī)前進(jìn)速度3.3 km/h、縱向刀片長(zhǎng)度34 mm、縱向刀片高度31 mm。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化結(jié)果,試制加工樣機(jī)并進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。在較優(yōu)參數(shù)組合下,得到膜孔平均長(zhǎng)度為43.15 mm,膜孔長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為3.86%;平均孔距差值為-1.32 mm,膜孔孔距誤差為4.22%,與仿真結(jié)果基本一致,滾動(dòng)式割膜打孔裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。