內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：為解決新疆南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)作業(yè)空間狹窄、缺乏高效作業(yè)的開(kāi)溝覆膜一體機(jī)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)。該機(jī)具由機(jī)架、開(kāi)溝覆膜機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、梯形鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、覆基質(zhì)機(jī)構(gòu)等組成，內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)作業(yè)可一次性完成開(kāi)溝、覆膜、定型、覆土和排基質(zhì)等多項(xiàng)作業(yè)。通過(guò)EDEM仿真軟件對(duì)單一切土開(kāi)溝刀和切拋組合式開(kāi)溝刀進(jìn)行開(kāi)溝仿真模擬，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，單一切土開(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中所受到的阻力平均值為329 N，切拋組合式開(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中所受到的阻力平均值為338 N左右，切拋組合式開(kāi)溝刀提高作業(yè)質(zhì)量且開(kāi)溝阻力并未明顯增加。該機(jī)具開(kāi)溝深度為30 cm、開(kāi)溝深度穩(wěn)定性為87.1%、開(kāi)溝后碎土率為92.4%。可為干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)機(jī)械作業(yè)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：新疆南疆地區(qū)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；溫室大棚；開(kāi)溝覆膜；EDEM

中圖分類號(hào)：S224.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0245?08

Design and experiment of an integrated machine for embedded matrix furrowing and film covering

Cui Mengjie1， 4， Xing Jianfei1， 2， Wang Xufeng1， 2， Wang Zhengwei3， Hu Can1， 2， Wang Long1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China；

2. Xinjiang Production and Construction Corps Key Laboratory of Utilization and Equipment of Special Agricultural and Forestry Products in Southern Xinjiang， Tarim University， Alar， 843300， China；

3. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China;

4. Aksu Agricultural Inspection and Testing Center， Aksu， 843000， China）

Abstract： In order to solve the problem of narrow working space in the greenhouse of facility agriculture in Southern Xinjiang and lack of efficient operation， an integrated machine for embedded substrate cultivation trenching and film mulching is designed. The machine is composed of a frame， a furrow mulching mechanism， a power mechanism， a trapezoidal suppressing mechanism and a substrate covering mechanism， etc. The embedded substrate cultivation furrowing and mulching machine can complete a number of operations at the same time， such as ditching， mulching， shaping， soil covering and matrix discharging. By using EDEM simulation software， the ditching simulation of single soil ditching cutter and combined cutting and throwing ditching cutter was carried out. Finally， the field experiment was verified， and the results showed that the average resistance of single soil ditching cutter in the process of ditching was 329 N， and the average resistance of slicing?throwing combined ditching cutter in the process of ditching was about 338 N. The working quality of slicing?throwing combined ditching cutter is improved but the ditching resistance does not increase significantly. The ditching depth of the machine is 30 cm， the ditching depth stability is 87.1%， and the soil breaking rate after ditching is 92.4%. It provides technical reference for the mechanical operation in the greenhouse of facility agriculture in arid and remote areas.

Keywords： Southern Xinjiang region; facility agriculture; greenhouses; furrowing and film covering; EDEM

0 引言

新疆南疆地區(qū)耕地資源不足，土地資源以荒漠、戈壁、鹽堿地為代表，惡劣的自然條件及有限的土地資源使得南疆農(nóng)業(yè)成為典型的弱質(zhì)產(chǎn)業(yè)[1]。近年來(lái)為彌補(bǔ)耕地資源不足，新疆南疆地區(qū)將設(shè)施農(nóng)業(yè)作為資源轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略，致力于在沙漠上開(kāi)展設(shè)施農(nóng)業(yè)來(lái)解決南疆農(nóng)業(yè)發(fā)展中的耕地退化、水資源利用率低的問(wèn)題，保障果蔬等產(chǎn)品供應(yīng)問(wèn)題[2]。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬種植中主要采用無(wú)土栽培技術(shù)，有效防止土壤連作病害[2]，無(wú)土栽培技術(shù)中常用內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培種植模式，該模式具有地膜抑蒸、膜下積溫的特點(diǎn)，能夠達(dá)到蓄水保墑、集雨抗旱，能夠有效地預(yù)防溫室大棚冬春季低溫脅迫、土壤連作障礙，提高果蔬的產(chǎn)量[3]。由于溫室大棚空間相對(duì)狹窄，因此內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培種植下開(kāi)溝、覆膜、定型、覆土均為人工方式或小型機(jī)械+人工方式進(jìn)行操作，耗時(shí)耗力，增加了用工成本，降低了生產(chǎn)效率，阻礙了農(nóng)用機(jī)械設(shè)備在設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)的應(yīng)用。南疆設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培種植模式相對(duì)成熟并且進(jìn)行了推廣應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平亟待提高[4]。

國(guó)內(nèi)開(kāi)溝覆膜機(jī)研制主要基于大田作業(yè)。西南大學(xué)陳昶[5]針對(duì)西南丘陵區(qū)起壟覆膜作業(yè)現(xiàn)狀為導(dǎo)向，結(jié)合農(nóng)藝及農(nóng)業(yè)要求采用臥式旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝方式，研究了便攜式嵌膜機(jī)開(kāi)溝器，一次性完成了開(kāi)溝、嵌膜和填土作業(yè)，但是作業(yè)穩(wěn)定性和覆土環(huán)節(jié)依然存在問(wèn)題需要繼續(xù)研究。目前國(guó)外開(kāi)溝覆膜、起壟覆膜研究較早，應(yīng)用也較為廣泛。日本于1948年就開(kāi)始相關(guān)研究[6]，也是世界上最早推行開(kāi)溝覆膜播種的國(guó)家，其起壟覆膜機(jī)、覆膜播種機(jī)等大田機(jī)械已經(jīng)形成規(guī)?；c商業(yè)化。但由于國(guó)外土壤性質(zhì)不一樣，國(guó)外機(jī)具大都是大功率，高寬幅發(fā)展，技術(shù)較高，農(nóng)民操作起來(lái)困難，不完全適合我國(guó)需求。

針對(duì)新疆南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)作業(yè)空間狹小，缺乏高效作業(yè)開(kāi)溝覆膜機(jī)一體機(jī)的問(wèn)題，結(jié)合南疆設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培模式，設(shè)計(jì)一款適用于南疆土壤，集開(kāi)溝、覆膜、定型、覆土為一體的內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 內(nèi)嵌式栽培模式的農(nóng)藝要求

設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培模式指采用下挖隔離槽（定植溝），一般深度為30 cm，上側(cè)寬度40 cm，底部寬度30～40 cm，并在定植溝內(nèi)鋪設(shè)一層厚約0.1 mm的聚乙烯薄膜，并將爐渣和黃沙按質(zhì)量比3∶5的比例充分混拌后，均勻鋪設(shè)到所述定植溝內(nèi)，如圖1所示。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)向與限深機(jī)構(gòu)、機(jī)架、擋土倒流裝置、驅(qū)動(dòng)輪、齒輪變速箱、汽油箱、手扶管裝置覆膜機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)、梯形鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、覆基質(zhì)機(jī)構(gòu)等，如圖2所示。

1.3 工作原理

內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、開(kāi)溝裝置、覆膜裝置、梯形鎮(zhèn)壓裝置、導(dǎo)向與限深裝置、覆基質(zhì)裝置等組成。導(dǎo)向與限深裝置由支撐架和導(dǎo)向輪組成，可通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪的高度控制開(kāi)溝深度；操縱裝置主要由手持式操縱架和擋位調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。作業(yè)時(shí)，皮帶輪將動(dòng)力分為兩路傳動(dòng)，一路傳動(dòng)到變速箱來(lái)帶動(dòng)開(kāi)溝刀軸，另一路推動(dòng)機(jī)具前進(jìn)。旋耕機(jī)帶動(dòng)開(kāi)溝裝置逆時(shí)針旋耕碎土并將土壤撒向溝的兩側(cè)；擋土板固定在開(kāi)溝器上方，以保證土壤均勻的撒向溝邊防止拋出的土壤回落，且可以保持良好的溝型尺寸。覆膜裝置在機(jī)架的前方，隨著機(jī)器的前進(jìn)完成覆膜作業(yè)；行走鎮(zhèn)壓裝置可將膜與種植溝同時(shí)鎮(zhèn)壓固定；基質(zhì)箱位于機(jī)架上方且與機(jī)架焊接固定，作業(yè)時(shí)可將基質(zhì)均勻灌輸?shù)椒N植溝內(nèi)，完成排基質(zhì)作業(yè)。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

2.1 切拋組合式開(kāi)溝裝置

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚空間相對(duì)狹窄，中、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)法適用。犁鏵式和鏈刀式的開(kāi)溝裝置耕作阻力大，功率消耗較高，對(duì)機(jī)械動(dòng)力的要求較高[7]，相比之下，旋耕開(kāi)溝裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的切土碎土性能，且作業(yè)性能較為穩(wěn)定、功耗較低，可以滿足內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培模式的作業(yè)要求。

切拋組合式開(kāi)溝裝置是內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)的重要組成部件，主要負(fù)責(zé)碎土并將土壤均勻拋出，完成初步的開(kāi)溝作業(yè)，其作業(yè)質(zhì)量直接影響著整機(jī)的能耗以及后續(xù)鎮(zhèn)壓裝置的壟體整形作業(yè)質(zhì)量。常用的圓盤式開(kāi)溝裝置將通用型旋耕刀在刀盤圓周等距排布，其開(kāi)溝作業(yè)時(shí)切土碎土性能良好，但土壤大多被拋向正后方，造成土壤回落，容易覆蓋所開(kāi)溝型[8]，拋土性能較差，不符合設(shè)施農(nóng)業(yè)開(kāi)溝作業(yè)時(shí)拋土均勻、不回落溝內(nèi)的農(nóng)藝要求。針對(duì)此問(wèn)題，該機(jī)采用拋土性能較好的拋土刀與碎土能力優(yōu)良切土刀相結(jié)合，組成切拋組合式開(kāi)溝裝置[9]，如圖3所示，該裝置主要由刀軸、切土刀、拋土刀、刀座構(gòu)成。

開(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中一邊圍繞刀軸旋轉(zhuǎn)做切土運(yùn)動(dòng)，一邊隨機(jī)具前進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)，開(kāi)溝刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，其運(yùn)動(dòng)軌跡為有規(guī)律的余擺線[10]，軌跡如圖4所示。

以開(kāi)溝刀軸旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原心，機(jī)具的前進(jìn)方向?yàn)閤軸，以y軸正方向垂直向上，建立直角坐標(biāo)系，刀片端點(diǎn)與y軸重合，運(yùn)動(dòng)方程如式（1）～式（3）所示。

[x=Rcosωt+vmt] （1）

[y=Rsinωt] （2）

[λ=ωtvm] （3）

開(kāi)溝起壟刀片端點(diǎn)絕對(duì)速度v如式（4）所示。

[v=vx2+vy2=v02+R2-2vmRωsinωt] （4）

式中： [R]——旋耕刀的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm；

[ω]——旋耕刀的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

[vm]——機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s；

[λ]——旋耕速比；

[t]——時(shí)間。

旋耕速比對(duì)開(kāi)溝刀作業(yè)質(zhì)量有著重要影響，λ>1時(shí)，開(kāi)溝刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，可以確定開(kāi)溝刀運(yùn)動(dòng)方向，防止出現(xiàn)向前推土現(xiàn)象，保證開(kāi)溝作業(yè)質(zhì)量。

刀盤直徑影響機(jī)具的開(kāi)溝功耗，計(jì)算如式（5）所示。

[D=1.2～1.4H] （5）

式中： [H]——開(kāi)溝深度，取300 mm。

因此，[D=360～420] mm。根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)藝要求，開(kāi)溝深度300 mm， 本文設(shè)計(jì)的開(kāi)溝覆膜機(jī)為了保證切拋組合式開(kāi)溝裝置切土均勻，盡可能少地消耗功率將切出的土壤拋落到溝面，刀盤回轉(zhuǎn)直徑設(shè)計(jì)為400 mm。

切土節(jié)距的大小直接影響開(kāi)溝刀的碎土作業(yè)質(zhì)量以及開(kāi)溝起壟的穩(wěn)定性[11]。刀盤安裝的刀片數(shù)量直接影響著切土節(jié)距，不同的土壤特性和土壤上種植作物的不同，對(duì)切土節(jié)距都有不同的取值要求。在一般情況下，切土節(jié)距越大，刀具耕作的碎土率越低。土壤黏性偏小，土壤含水率大，切土節(jié)距應(yīng)取較小值，反之，應(yīng)取較大的切土節(jié)距S，如式（6）所示。

[S=vmts=vm2πRλZ=60vmZn] （6）

式中： [S]——切土節(jié)距；

[Z]——旋耕刀的安裝數(shù)，個(gè)；

[n]——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min；

[ts]——刀盤的工作轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s。

由上式可知，改變機(jī)具前進(jìn)速度、刀片數(shù)量以及刀盤的轉(zhuǎn)速都可以改變切土節(jié)距。驅(qū)動(dòng)采用小型手扶式旋耕機(jī)，前進(jìn)速度為0.5 m/s。本文定義開(kāi)溝和起壟刀的切土節(jié)距為15～50 mm，開(kāi)溝刀片數(shù)量為5。

2.2 鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)

鎮(zhèn)壓裝置能夠?qū)⑵饓艤厦姹韺油寥肋M(jìn)行鎮(zhèn)壓定型，防止土壤被水侵蝕和塌陷，并確保播種或移栽深度一致。根據(jù)內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培種植模式壟體農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)梯形鎮(zhèn)壓裝置（圖5），主要由軸承座、壟頂鎮(zhèn)壓輥、壟壁整形輥和多連桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。鎮(zhèn)壓裝置與機(jī)架連接，其作業(yè)高度可通過(guò)調(diào)整多連桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整。裝置采用了兩側(cè)對(duì)稱式設(shè)計(jì)，增加了其作業(yè)穩(wěn)定性，且能夠確保整體受力的平衡。

2.3 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是將機(jī)具的整體與動(dòng)力機(jī)械部分連接為一體的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，將不同的零件有效地連接成為一個(gè)整體。根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)開(kāi)溝覆膜的農(nóng)藝要求和作業(yè)環(huán)境考慮以下幾個(gè)方面：（1）機(jī)架設(shè)計(jì)主要需保證其穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度要求；（2）機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單并且合理，便于與動(dòng)力裝置結(jié)合且便于其他零部件的拆裝；（3）機(jī)架設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留調(diào)整零部件的安裝空間，如螺紋孔等，當(dāng)開(kāi)溝尺寸與覆膜尺寸發(fā)生變化時(shí)，零部件應(yīng)能在機(jī)架上合理變換位置；（4）機(jī)架的抗震性及耐腐蝕性較好。

內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)機(jī)架主要由30 mm×30 mm×3 mm方鋼焊接而成，機(jī)架呈（長(zhǎng)×寬×高）1 030 mm×1000 mm×450 mm的框架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便鎮(zhèn)壓裝置、覆膜覆土裝置、行走輪等零部件的安裝與拆卸。機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖6所示，覆膜覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置通過(guò)螺栓固定鏈接到機(jī)架上。

2.4 覆膜覆土裝置

覆膜覆土部件主要由掛膜架、壓膜輪和覆土盤三部分構(gòu)成，成對(duì)使用，如圖7所示。該裝置的覆膜寬度為100 cm，掛膜架用于地膜安裝的支架，在開(kāi)溝覆膜機(jī)上使用，壓膜輪用于適當(dāng)拉緊鋪設(shè)在定植溝中的地膜，覆土盤的作用是刮起少量地表土，并將地膜壓緊。機(jī)具作業(yè)前，先將膜放置于掛膜架上，隨后將地膜一端掩埋，當(dāng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，地膜卷在地膜拉力作用下，在掛膜架上轉(zhuǎn)動(dòng)，并將地膜送出，隨后機(jī)架兩側(cè)壓膜輪把地膜兩側(cè)邊壓進(jìn)地膜溝內(nèi)，在壓膜輪的滾動(dòng)下，地膜進(jìn)一步被橫向拉伸和延展，使其貼合在土壤表面；最后，覆土圓盤利用適量的土壤將地膜兩側(cè)填埋。

2.4.1 壓膜輪設(shè)計(jì)

壓膜輪是覆膜裝置中最主要的零部件之一，如果其本身設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，可能會(huì)增加破膜率并降低覆膜效果。制作壓膜輪常用的材料包括金屬、尼龍和橡膠等。本次設(shè)計(jì)使用橡膠壓膜輪，該輪的外形要具有一定的錐度，以確保在錐度的作用下，壓膜輪對(duì)地膜施加橫向的拉力并防止地膜出現(xiàn)褶皺。壓膜輪的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮其輪緣寬度、直徑和質(zhì)量等因素。壓膜輪的直徑和寬度是關(guān)鍵的因素。在相同的速度下，壓膜輪的重量相同，直徑越小，則覆蓋地膜的時(shí)間便越短，覆膜效果越差。壓膜輪設(shè)計(jì)示意圖如圖8所示。

根據(jù)圖8可知，壓膜輪最小半徑應(yīng)滿足式（7）。

[r≥α1-cosλ] （7）

式中： [r]——壓膜輪半徑，mm；

[α]——壓膜輪下壓深度，一般取5 mm。

計(jì)算可得壓膜輪理論半徑值為82.99 mm，取壓膜輪的最小半徑為90 mm。壓膜輪的寬度由開(kāi)溝器的開(kāi)溝寬度決定，綜合考慮開(kāi)溝器開(kāi)溝寬度的影響以及便于壓膜順利作業(yè)，取壓膜輪的寬度為20 mm。

2.4.2 覆土盤設(shè)計(jì)

覆土圓盤是將壟溝土壤積聚并翻到膜上，以達(dá)到膜邊覆土的目的。影響覆土圓盤覆土質(zhì)量的主要因素有覆土圓盤偏角[φ]、圓盤傾角[ξ]以及圓盤直徑[Dy]。圓盤偏角[φ]是覆土圓盤與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角，其值越大則覆土圓盤的翻土能力越強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)增加牽引阻力。圓盤偏角取值范圍通常為40°～45°。圓盤傾角[ξ]是覆土圓盤與地面垂直面之間的夾角，影響覆土圓盤膜邊覆土能力，圓盤傾角的取值范圍為15°～25°。覆土圓盤偏角[φ]、圓盤傾角[ξ]以及圓盤直徑[Dy]關(guān)系如式（8）所示。

[Bw=2（Dy2）2-（Dy2-Zycosξ）2sinφ] （8）

式中： [Bw]——覆土圓盤的作業(yè)幅寬，cm；

[Zy]——入土深度，cm。

根據(jù)農(nóng)藝及地膜寬度要求，覆土寬度[Bm]=60 mm，本設(shè)計(jì)中為保證膜邊覆土質(zhì)量，將覆土圓盤作業(yè)幅寬[Bw]設(shè)計(jì)為70～80 mm，入土深度[Zy]=15 mm。代入式（8）中，計(jì)算得出覆土圓盤直徑[Dy]為206～265 mm，根據(jù)覆土圓盤安裝參數(shù)要求，取[Dy]=250 mm。

3 開(kāi)溝裝置的仿真試驗(yàn)

為探究增加拋土刀是否會(huì)增加開(kāi)溝能耗，開(kāi)溝效果是否好于單一切土開(kāi)溝器。在機(jī)具前進(jìn)速度為0.4 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s的工況下，分別對(duì)180 r/min、200 r/min、220 r/min的刀盤轉(zhuǎn)速作業(yè)下的單一切土刀開(kāi)溝器和切拋組合式開(kāi)溝器進(jìn)行離散元仿真軟件開(kāi)溝模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，刀具模型如圖9所示。

3.1 離散元模型的建立

使用EDEM離散元仿真中的顆粒元素對(duì)土壤進(jìn)行建模，為對(duì)仿真過(guò)程中土壤顆粒模型進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚土壤參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，主要是依據(jù)通過(guò)測(cè)定新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)設(shè)施溫室里的土壤顆粒的性質(zhì)和參考文獻(xiàn)[11?13]得出，參數(shù)如表2所示。

為了表示土壤中的粗砂粒、細(xì)礫、石粒，引用三種土壤顆粒。單球土壤顆粒半徑為1.5 mm，雙球顆粒由半徑1.5 mm的兩個(gè)圓球組成，三球顆粒由三個(gè)半徑1.5 mm的圓球組成，在EDEM顆粒工廠中將粒徑設(shè)定為隨機(jī)生成。利用SolidWorks 2021建立2種開(kāi)溝器三維實(shí)體模型，保存為x_t格式，導(dǎo)入EDEM軟件中。離散元仿真的顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin with Bonding模型。

3.2 仿真結(jié)果分析

兩種開(kāi)溝刀的開(kāi)溝效果如圖10和圖11所示。開(kāi)溝器在0～4.5 s內(nèi)完成開(kāi)溝作業(yè)，開(kāi)溝器在0.5 s時(shí)接觸土壤，由于刀具在前進(jìn)過(guò)程中切土量在逐漸增加，其阻力瞬間增加，在1 s時(shí)隨著刀具完全進(jìn)入土壤，其阻力逐漸趨于穩(wěn)定。單一切土開(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中所受到的阻力在1～4 s時(shí)趨于穩(wěn)定，根據(jù)仿真結(jié)果分析反映出切拋組合式開(kāi)溝刀相比于單一切土刀，其拋土的正后側(cè)區(qū)域沖擊力減小，拋土的上方區(qū)域沖擊力減小，從而導(dǎo)致其拋土總沖擊力減小。根據(jù)內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培模式開(kāi)溝作業(yè)后溝底較為平整、浮土較少、溝底寬度不宜過(guò)小的農(nóng)藝要求。對(duì)比單一切土開(kāi)溝刀和切拋組合式開(kāi)工溝刀的開(kāi)溝效果可知，切拋組合式開(kāi)工溝刀具的開(kāi)溝效果更好。在開(kāi)溝過(guò)程中切拋組合式開(kāi)溝刀能夠?qū)⑼寥谰鶆驋伋鰷贤?，保持了良好的溝形，其拋土性能?yōu)良，而單一切土刀更易將土壤拋至溝內(nèi)，造成土壤回落溝中，不利于保持溝形完整。

通過(guò)EDEM后，處理模塊將單一切土開(kāi)溝刀和切拋組合式開(kāi)溝刀開(kāi)溝時(shí)不同工況下所受到的阻力導(dǎo)出，如圖12所示。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)開(kāi)溝器轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，作業(yè)阻力也在增加；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著開(kāi)溝器轉(zhuǎn)速的增加，作業(yè)阻力在增大。在所有工況下，切拋組合式開(kāi)溝刀和單一切土刀的平均作業(yè)阻力分別時(shí)338 N和329 N。切拋組合式開(kāi)溝刀相比于單一開(kāi)溝刀，在增加拋土性能的情況下，僅增加2.8%的功耗，切拋組合式開(kāi)溝刀在提高開(kāi)溝拋土質(zhì)量的同時(shí)，并未明顯增加開(kāi)溝阻力。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與材料

內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)田間試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師七團(tuán)試驗(yàn)田，試驗(yàn)地土壤為沙質(zhì)壤土，土質(zhì)均勻，可確保每次試驗(yàn)的土壤條件相同。試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗溫度約為21 ℃，相對(duì)濕度約為41%。采用五點(diǎn)測(cè)試法測(cè)得10 cm深度的土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為142.3 N/m2，含水率為11.4%，土壤深度為20 cm的土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為163.4 N/m2，含水率為11.3%，土壤深度為30 cm的土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為187.6 N/m2，含水率為11%。試驗(yàn)設(shè)備包括內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)、TYD-2型數(shù)顯土壤硬度計(jì)、土壤濕度測(cè)量?jī)x、鋼卷尺、鋼板尺、電子天平等。

4.2 開(kāi)溝功耗試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參照NY/T740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》[14]。試驗(yàn)以功率消耗[P]為試驗(yàn)指標(biāo)，考察機(jī)具的前進(jìn)速度[v]和開(kāi)溝刀轉(zhuǎn)速[n]以及開(kāi)溝深度[h]對(duì)開(kāi)溝功耗[P]的影響。田間試驗(yàn)時(shí)機(jī)具的作業(yè)速度和刀盤轉(zhuǎn)速的取值以表中數(shù)值為準(zhǔn)，因?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度和輸出軸轉(zhuǎn)速受擋位和油門大小影響會(huì)發(fā)生改變。在進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)檔位和油門大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)溝深度可以通過(guò)調(diào)節(jié)限深輪螺紋桿和固定套筒的相對(duì)高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)溝功耗可通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量并采集，開(kāi)溝功耗測(cè)量方法：在進(jìn)行開(kāi)溝試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)扭矩傳感器對(duì)開(kāi)溝作業(yè)時(shí)刀具的瞬時(shí)扭矩進(jìn)行采集，并對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算。單次開(kāi)溝試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理終端可以將整個(gè)作業(yè)行程的平均功率讀取并記錄。根據(jù)試驗(yàn)因素表，可得出各因素交互作用對(duì)開(kāi)溝功耗的影響。試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表3，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表4。

為了更直觀的反映出不同試驗(yàn)因素對(duì)機(jī)具開(kāi)溝功耗的影響，根據(jù)開(kāi)溝功耗的二次回歸模型方程擬合得出響應(yīng)面優(yōu)化模型，響應(yīng)曲面結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，當(dāng)開(kāi)溝深度一定時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速的升高會(huì)使功率消耗增大，其中機(jī)具的前進(jìn)速度對(duì)開(kāi)溝功耗的影響最大；開(kāi)溝作業(yè)時(shí)，增加機(jī)具前進(jìn)速度和刀盤的轉(zhuǎn)速會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)土壤切削量和拋送量增大，從而增加機(jī)具的功率消耗。

4.3 開(kāi)溝性能試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參照NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》[14]，計(jì)算內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)的幾項(xiàng)指標(biāo)；開(kāi)溝深度、開(kāi)溝深度穩(wěn)定性、溝面寬度、溝底寬度、開(kāi)溝后碎土率，計(jì)算如式（9）～式（12）所示，其中開(kāi)溝深度的測(cè)量方法為測(cè)試前要將溝底和拋落在溝旁的土塊進(jìn)行清理。測(cè)量?jī)蓚€(gè)不少于50 m的作業(yè)行程，沿作業(yè)方向等間距選取5處測(cè)量，一共測(cè)量10處。在原地表和兩溝壁交線的位置放一直尺，測(cè)量點(diǎn)開(kāi)溝深度為測(cè)量溝底中心點(diǎn)到直尺的距離。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

[h=i=1nhiN] （9）

式中： [h]——開(kāi)溝深度平均值，cm；

[hi]——第i個(gè)點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)的開(kāi)溝深度值，cm；

[N]——在作業(yè)區(qū)內(nèi)選定的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，[N=10]。

[S=i=1nhi-h2N-1] （10）

[V=Sh×100%] （11）

[U=1-V] （12）

式中： [S]——開(kāi)溝深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm;

[V]——開(kāi)溝深度變異系數(shù)，%；

[U]——開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，%。

5 結(jié)論

為解決新疆南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)作業(yè)空間狹小、缺乏高效作業(yè)的開(kāi)溝覆膜一體機(jī)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款內(nèi)嵌式基質(zhì)開(kāi)溝覆膜一體機(jī)，根據(jù)農(nóng)藝要求對(duì)樣機(jī)的開(kāi)溝裝置、鎮(zhèn)壓裝置、覆基質(zhì)裝置等進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型，并對(duì)一些關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1） 通過(guò)EDEM仿真軟件對(duì)單一切土開(kāi)溝刀和由切拋組合式開(kāi)溝刀進(jìn)行模擬開(kāi)溝仿真。結(jié)果表明：?jiǎn)我磺型灵_(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中所受到的阻力平均值為329 N，切拋組合式開(kāi)溝刀在開(kāi)溝過(guò)程中所受到的阻力平均值為338 N左右，切拋組合式開(kāi)溝刀提高作業(yè)質(zhì)量，且開(kāi)溝阻力并未明顯增加。

2） 經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)具開(kāi)溝深度可達(dá)30 cm、開(kāi)溝深度穩(wěn)定性為87.1%、開(kāi)溝后碎土率為92.4%，該機(jī)具各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到行業(yè)要求，能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)藝要求，可為干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)機(jī)械作業(yè)提供技術(shù)參考。

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