戴 飛 趙武云 史瑞杰 張鋒偉 馬海軍 馬明義

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司， 定西 730500)

0 引言

旱地全膜雙壟溝播技術(shù)是中國西北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)突破性創(chuàng)新技術(shù)，主要針對玉米生產(chǎn)種植提出，要求先完成大小壟體、壟溝種床的耕整、覆膜、覆土，后在小壟壟溝內(nèi)開展膜上播種作業(yè)[1-2]。由于全膜雙壟溝播技術(shù)抗旱、增產(chǎn)效果顯著，因此在我國西北旱區(qū)大面積推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化起壟、覆膜、覆土聯(lián)合作業(yè)是其必然趨勢[3-9]。種床在機(jī)械化覆膜鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的地膜破損、覆膜覆土失效及鋪設(shè)后田間大風(fēng)揭膜等均是影響全膜雙壟溝種床機(jī)械化作業(yè)效果的關(guān)鍵因素[10]。

國內(nèi)相關(guān)科研工作者與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)研發(fā)了全膜雙壟溝覆膜、覆土作業(yè)機(jī)。其中，甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站設(shè)計(jì)并改進(jìn)了1MLQS-40/70型起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全膜雙壟溝種床耕整、覆膜與覆土一體化作業(yè)，但功能相對不夠完善，且土壤升運(yùn)部分采用帆布帶傳動(dòng)，工作過程中容易出現(xiàn)打滑和磨損現(xiàn)象[11-13]。本課題組前期與甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司聯(lián)合研制了全膜雙壟溝播起壟施肥鋪膜機(jī)，該機(jī)能夠一次性完成起壟、施肥、噴藥、覆膜、覆土等聯(lián)合作業(yè)，但覆土環(huán)節(jié)僅能實(shí)現(xiàn)覆膜土帶的縱向鋪設(shè)，不能完成橫腰帶覆土作業(yè)，弱化了覆蓋地膜抗風(fēng)揭膜的能力，導(dǎo)致覆膜種床攔截降雨徑流效果不理想，同時(shí)不利于種床覆蓋地膜的定位沉降，種床橫向溝壟橫腰帶的鋪設(shè)仍需要人工后續(xù)輔助完成[1]。

為進(jìn)一步提高全膜雙壟溝覆膜種床機(jī)械化作業(yè)的可靠性，針對地膜全域覆蓋膜上橫腰帶式覆土要求和上述存在問題，在融合全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由懸掛裝置、排肥系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)、壟溝及橫腰帶覆土裝置、壟體覆膜裝置、旋耕刀組、起土鏟、刮板式輸送器、地輪、壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪和膜側(cè)鎮(zhèn)壓輪等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of operation machine for filming and girdle covering on double ridges1.藥箱 2.懸掛架 3.肥箱 4.覆膜掛接裝置 5.旋耕刀組 6.起土鏟 7.展膜輥 8.膜側(cè)鎮(zhèn)壓輪 9.刮板式輸送器 10.壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪 11.壟溝及橫腰帶覆土器 12.側(cè)置溜土槽

其中，排肥系統(tǒng)由肥箱、波紋排肥管及外槽輪式排肥器組成；噴藥系統(tǒng)由藥箱、磁力泵及噴頭構(gòu)成；壟體覆膜裝置由覆膜掛接裝置、展膜輥組成；壟溝及橫腰帶覆土裝置由起土鏟、刮板式輸送器、側(cè)置溜土槽、橫腰帶覆土器等組成。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)與工作原理

橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，機(jī)具以三點(diǎn)后懸掛方式與拖拉機(jī)聯(lián)接，當(dāng)拖拉機(jī)牽引前行地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過地輪外側(cè)鏈傳動(dòng)使得肥箱中外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，完成小壟壟溝內(nèi)施肥作業(yè)。與此同時(shí)，作業(yè)機(jī)通過聯(lián)軸器在變速箱作用下將動(dòng)力分別傳遞至其兩側(cè)旋耕刀組與輸送器動(dòng)力軸，輸送器動(dòng)力軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)后置土壤刮板式輸送器作業(yè)。此外，地輪軸上的小帶輪與固定在機(jī)架上的大帶輪通過帶傳動(dòng)工作，壟溝及橫腰帶覆土器在橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)與大帶輪邊緣上滾動(dòng)軸承的相互觸碰作用下實(shí)現(xiàn)間歇性抖動(dòng)覆土。

圖2 聯(lián)合作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of transmission system1.聯(lián)軸器 2.外槽輪式排肥器 3.地輪 4.小帶輪 5.傳動(dòng)帶6.滾動(dòng)軸承 7.大帶輪 8.旋耕刀軸 9.橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)10.旋耕刀組 11.變速箱 12.輸土罩殼 13.輸送器動(dòng)力軸 14.刮板式輸送器 15.側(cè)置溜土槽 16.壟溝及橫腰帶覆土器 17.中置溜土口

作業(yè)機(jī)在田間工作時(shí)采用四輪拖拉機(jī)后置懸掛方式，將拖拉機(jī)動(dòng)力輸入至變速箱并傳動(dòng)至旋耕刀軸，帶動(dòng)旋耕刀組將種床土壤旋耕疏松，此時(shí)取土鏟隨著整機(jī)前進(jìn)完成對旋耕種床的開溝起壟；而肥料箱下置排肥器也在地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下完成小壟兩側(cè)溝內(nèi)施肥，且在噴藥裝置的作用下向大、小壟面進(jìn)行藥劑噴施；地膜隨覆膜掛接裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并在展膜輥的輔助下均勻覆膜。作業(yè)機(jī)在旋耕刀組和取土鏟的共同作用下將土壤送至刮板式輸送器并后輸至覆土罩殼，覆土罩殼可將土壤分為4條路徑，其中兩側(cè)膜邊覆蓋土壤通過側(cè)置溜土槽輸送，而其余土壤全部在重力作用下滑落至橫腰帶覆土器，并由其中置溜土口排出，完成壟溝內(nèi)覆土，且在中置、側(cè)置鎮(zhèn)壓輪的共同配合下完成鎮(zhèn)壓作業(yè)。此外，隨著聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)作業(yè)，橫腰帶覆土器上的一部分土壤在隨著中置溜土口排出后，剩余土壤不斷堆積，并在橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)與地輪軸上通過帶傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪的相互觸碰作用下實(shí)現(xiàn)壟溝及橫腰帶覆土器的間歇性抖動(dòng)，將板體上堆積土壤振動(dòng)抖落，完成全膜雙壟溝覆膜種床恒定間隔距離的橫向覆土。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

農(nóng)藝栽培模式要求如圖3所示。全膜雙壟溝覆膜種床由異形大壟、小壟共同構(gòu)成，大小壟總寬度為1 100 mm，其中大壟寬700 mm，高100～150 mm，小壟寬400 mm，高150～200 mm，實(shí)行地膜全覆蓋，并在壟溝內(nèi)完成播種。在進(jìn)行機(jī)械化覆膜覆土作業(yè)時(shí)，以小壟壟體為中心基準(zhǔn)，應(yīng)用寬度為1 200 mm 的白色地膜(厚度為0.01 mm)進(jìn)行鋪設(shè)，即用整幅地膜覆蓋小壟整體及其兩側(cè)的壟溝，且分別均等向兩側(cè)各1/2大壟壟體延伸進(jìn)行覆膜作業(yè)，并同時(shí)完成兩側(cè)膜邊、壟溝內(nèi)的覆土鎮(zhèn)壓。同時(shí)，當(dāng)下一組小壟壟體進(jìn)行覆膜作業(yè)時(shí)，其左側(cè)1/2大壟壟體覆土膜邊正好與上一組右側(cè)大壟壟體覆土膜邊對接，并在中心覆膜土帶的連接下完成大壟壟體的全膜覆蓋，整幅地膜所覆蓋雙壟底部寬度約為1 100 mm[14]。

圖3 全膜雙壟溝播農(nóng)藝栽培模式Fig.3 Cultivation pattern of corn whole plastic-film mulching on double ridges1.中心覆膜土帶 2.壟溝覆土帶 3.小壟壟體 4.溝播作物 5.橫腰帶覆土 6.大壟壟體 7.覆蓋地膜

同時(shí)，為進(jìn)一步提升全膜雙壟溝覆膜種床抗風(fēng)揭膜能力，增強(qiáng)攔截降雨徑流效果，要求在小壟壟體表面進(jìn)行間隔式橫腰帶覆土，橫腰帶間隔距離為1 500 mm，如圖3所示。

結(jié)合甘肅省全膜雙壟溝覆膜種床構(gòu)建特點(diǎn)和作業(yè)動(dòng)力計(jì)算，橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 旋耕刀組

作業(yè)機(jī)旋耕刀組除了高速切削種床土壤外，還需要將土壤由兩側(cè)往中間推送以形成壟畦，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 旋耕刀組結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of rotary blades1.刀軸 2.旋耕刀

旋耕刀在刀軸上呈雙螺旋線排列，為改善刀軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡，刀軸左邊的10把刀排列成右旋，右邊的10把刀排列成左旋，確保耕作時(shí)旋耕刀組起到切削土壤、向中間推送土壤雙重作用。取土方式采用旋耕疏松，再用弧形起土鏟開溝起壟相結(jié)合，克服了旋耕刀組在硬茬地上起壟工作時(shí)，牽引阻力大、土垡體積大、不宜獲取優(yōu)質(zhì)覆膜土壤等問題。

聯(lián)合作業(yè)機(jī)覆膜、覆土作業(yè)過程中，大部分功率消耗在旋耕刀組的入土、翻土、推送過程中。為確保作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力合理，需要對旋耕刀組功耗進(jìn)行近似估算[15]

P=0.1Kλv1bd

(1)

其中

b=2b1+b2

式中P——旋耕刀組功耗，kW

Kλ——旋耕比阻，取6.3 N/cm2 [16]

v1——作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度，依據(jù)雙壟耕作施肥噴藥覆膜機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，取0.50 m/s[1]

b——旋耕刀組耕作寬度，cm

d——旋耕深度，取15 cm

b1——1/2大壟壟體寬度，依照全膜雙壟溝播農(nóng)藝栽培模式(圖3)取0.35 m

b2——小壟壟體寬度，依照全膜雙壟溝播農(nóng)藝栽培模式(圖3)取0.40 m

由式(1)計(jì)算分別得出：b=1.10 m；P=5.20 kW。

2.2 提土裝置

作業(yè)機(jī)提土裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由弧形起土鏟、側(cè)板、土壤升運(yùn)帶和土壤升運(yùn)刮板等部件組成。當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)時(shí)，旋耕刀組將種床土壤高速切削疏松，并向中間推送，起土鏟跟進(jìn)挖掘土壤，使其翻轉(zhuǎn)形成壟溝，并在側(cè)板約束作用下將弧形起土鏟體上的覆膜土壤通過刮板式輸送器提升向后輸送。

圖5 提土裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of soil elevating mechanism1.弧形起土鏟 2.側(cè)板 3.土壤升運(yùn)帶 4.土壤升運(yùn)刮板

弧形起土鏟是作業(yè)機(jī)提土裝置的關(guān)鍵組成部件，由65Mn鋼制成，其工作寬度為210 mm。該鏟體采用弧形板結(jié)構(gòu)既可以改善土壤的流動(dòng)性，同時(shí)又可增大鏟體底板與側(cè)板之間角度，使其不易粘結(jié)積土，以確保起壟開溝質(zhì)量[12]。作業(yè)過程中，要確保提升充足的覆膜土壤，但同時(shí)考慮挖掘阻力不易過大，參考相關(guān)研究試驗(yàn)結(jié)果，工作時(shí)將弧形起土鏟入土角α安裝調(diào)節(jié)為30°[12]。

2.3 輸土-種床覆土裝置

2.3.1裝置結(jié)構(gòu)

如圖6所示，輸土-種床覆土裝置主要由起土鏟、刮板式輸送器、側(cè)置溜土槽、壟溝及橫腰帶覆土器、輸土罩殼和中置溜土口等部件組成。

圖6 輸土-種床覆土裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Soil transporting-covering mechanism1.起土鏟 2.刮板式輸送器 3.側(cè)置溜土槽 4.合頁 5.復(fù)位彈簧 6.壟溝及橫腰帶覆土器 7.中置溜土口 8.輸送器動(dòng)力軸 9.輸土罩殼 10.側(cè)板

當(dāng)聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行覆膜覆土作業(yè)時(shí)(圖7)，異形雙壟種床的構(gòu)建依據(jù)全膜雙壟溝播農(nóng)藝栽培模式要求(圖3)，輸送器動(dòng)力軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩側(cè)刮板式輸送器運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將弧形起土鏟掘起的土壤傾斜提升與輸送。當(dāng)升運(yùn)土壤輸送至裝置輸土罩殼兩側(cè)時(shí)，在土壤升運(yùn)刮板和土壤自身的重力作用下，兩側(cè)膜邊覆蓋土壤通過側(cè)置溜土槽輸送，而剩余土壤滑落至橫腰帶覆土器，并通過中置溜土口排出，完成對全膜雙壟溝種床壟溝與膜側(cè)覆土。與此同時(shí)，隨著地輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈帶動(dòng)偏心輪與橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)間歇性碰撞一次，并在合頁和復(fù)位彈簧的共同作用下，將橫腰帶覆土器板體上堆積土壤振動(dòng)抖落，實(shí)現(xiàn)全膜雙壟溝覆膜種床恒定間隔距離(1 500 mm)的橫向覆土作業(yè)。

圖7 種床覆土作業(yè)過程Fig.7 Schematic of operation process of covering soil on seedbed1.起土鏟 2.刮板式輸送器 3.地輪 4.側(cè)置溜土槽 5.滲水孔打孔輪 6.膜邊覆土帶 7.橫腰覆土帶 8.壟溝覆土帶 9.中置溜土口 10.壟溝及橫腰帶覆土器 11.橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)

覆膜種床覆土量是影響全膜雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)功能穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，覆土量過大或過小均會(huì)對其種床構(gòu)建效果產(chǎn)生影響。當(dāng)覆土量過大時(shí)，覆膜種床有效采光面積減小，嚴(yán)重制約了“地溫提升、膜面集雨”的生產(chǎn)功能；而當(dāng)覆土量過小時(shí)，覆膜種床不易緊貼地表沉降，難以抵擋外界自然風(fēng)力揭膜，致使種床“覆蓋抑蒸”功能失效。因此，為保證作業(yè)機(jī)輸土-種床覆土裝置工作過程中對覆膜種床覆土作業(yè)的一致性與穩(wěn)定性，需對影響其輸土、覆土性能的關(guān)鍵參數(shù)(種床各個(gè)位置覆土量、刮板式輸送器提升線速度及其結(jié)構(gòu)參數(shù))進(jìn)行理論分析與計(jì)算。

2.3.2覆膜種床覆土量

如圖7所示，對覆膜機(jī)作業(yè)中種床第1組橫腰帶覆土后至第2組橫腰帶覆土完成過程中的覆土量進(jìn)行計(jì)算，其覆膜種床的覆土量為

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(2)

式中Q——覆膜種床的覆土量，kg

Q1——左側(cè)側(cè)置溜土槽覆土量，kg

Q2——左側(cè)中置溜土口覆土量，kg

Q3——右側(cè)中置溜土口覆土量，kg

Q4——右側(cè)側(cè)置溜土槽覆土量，kg

Q5——橫腰帶覆土量，kg

由作業(yè)機(jī)的輸土-種床覆土裝置結(jié)構(gòu)可以看出，其左右兩側(cè)側(cè)置溜土槽、中置溜土口覆土量對稱相等，則有

(3)

式中γ——土壤(黃綿土)容重，取1 300 kg/m3[17]

H1——橫腰帶覆土間隔距離，為1 500 mm

B1——膜邊覆土寬度，取100 mm

B2——壟溝覆土寬度，取40 mm

h——覆土厚度，取25 mm

由式(3)計(jì)算分別得出：Q1=Q4=4.875 kg；Q2=Q3=1.95 kg。

依據(jù)表1中橫腰帶覆土農(nóng)藝要求與壟溝及橫腰帶覆土器作業(yè)寬度，種床橫腰帶覆土量為[18]

Q5=γB3H2h

(4)

式中H2——橫腰帶覆土寬度，為110 mm

B3——膜邊覆土寬度，取100 mm

由式(4)計(jì)算得出：Q5=0.36 kg；由式(2)～(4)計(jì)算得出：Q=14.01 kg。

2.3.3刮板式輸送器提升線速度

為保障全膜雙壟溝覆膜種床覆蓋地膜快速沉降，且與耕地表面充分貼合，作業(yè)機(jī)輸土-種床覆土裝置中應(yīng)具有充足土壤對種床膜邊、壟溝進(jìn)行均勻、連續(xù)覆土。因此，刮板式輸送器提升線速度是影響覆膜覆土性能的關(guān)鍵作業(yè)因素。刮板式輸送器的傾斜角不宜過大或過小。當(dāng)傾角過小時(shí)，刮板式輸送器容易與耕地表面發(fā)生干涉，造成輸送器刮板打土、磨損；當(dāng)傾角過大時(shí)，容易引起刮板之間提升土壤滑落，影響刮板式輸送器作業(yè)效率。依據(jù)前期相關(guān)設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)刮板式輸送器的傾角α1為45°[18]。由圖7覆土過程可以看出，作業(yè)機(jī)左右對稱提土裝置確保了覆膜種床的所有覆土量，則刮板式輸送器傾斜提升線速度為[15]

(5)

其中

式中Q6——左側(cè)提土裝置輸(覆)土量，kg

B4——土壤升運(yùn)帶寬度，為0.17 m

H3——土壤升運(yùn)刮板高度，為0.05 m

φ——刮板式輸送器填充系數(shù)，傾斜升運(yùn)取0.80[15]

k——傾斜系數(shù)，刮板式輸送器傾斜角為45°，查表取0.40[15]

t——覆膜機(jī)作業(yè)中種床第1組橫腰帶覆土后至第2組橫腰帶覆土完成所需時(shí)間，s

由式(5)計(jì)算得出刮板式輸送器傾斜提升線速度v2=0.71 m/s。

2.3.4刮板式輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖8所示，當(dāng)輸送土壤填充至刮板式輸送器中且穩(wěn)定傾斜升運(yùn)時(shí)，兩刮板之間及其填充土壤形成了一個(gè)閉合的直角三角形，依據(jù)幾何關(guān)系，可得刮板間距為

(6)

式中α1——刮板式輸送器傾斜角，為45°

β——土壤(黃綿土)內(nèi)摩擦角，取28°[19]

由式(6)計(jì)算得出刮板升運(yùn)帶式提土器刮板間距L=0.161 m，在每組刮板升運(yùn)帶式提土器上設(shè)置15個(gè)刮板，即升運(yùn)帶長度設(shè)計(jì)值為2.25 m。

圖8 刮板式輸送器作業(yè)示意圖Fig.8 Schematic of operation process of scraper lifting belt1.土壤升運(yùn)帶 2.土壤升運(yùn)刮板 3.輸送土壤

圖9 橫腰帶覆土系統(tǒng)Fig.9 System of girdle soil covering mechanism1.起土鏟 2.側(cè)板 3.刮板式輸送器 4.覆土抖動(dòng)板 5.橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu) 6.傳動(dòng)裝置 7.地輪 8.橫腰帶覆土

2.4 橫腰帶覆土系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的橫腰帶覆土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其覆土作業(yè)過程如圖9所示，橫腰帶覆土系統(tǒng)主要由起土鏟、側(cè)板、刮板式輸送器、覆土抖動(dòng)板、橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)和地輪等組成。依據(jù)全膜雙壟溝播農(nóng)藝栽培模式(圖3)，當(dāng)作業(yè)機(jī)以0.50 m/s前行時(shí)[1]，壟溝及橫腰帶覆土器按照全膜雙壟溝橫腰覆土帶間距要求(H1=1 500 mm)在傳動(dòng)裝置、橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)和覆土抖動(dòng)板的共同作用下完成間歇式橫向覆土作業(yè)，并通過覆土抖動(dòng)板限位彈簧快速回位。

其中，橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)裝置上從動(dòng)輪的間歇接觸作用是決定橫腰覆土帶間距的關(guān)鍵因素。覆土抖動(dòng)板閉合與開啟作業(yè)過程如圖10所示，主動(dòng)帶輪安裝在地輪軸上，隨著作業(yè)機(jī)前進(jìn)帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪輪緣上安裝有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承隨從動(dòng)輪每轉(zhuǎn)1周對橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)觸碰1次，而橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu)在與覆土抖動(dòng)板滑槽鉸接作用下實(shí)現(xiàn)對覆土抖動(dòng)板的下壓式開啟，完成橫腰帶覆土作業(yè)(圖10a)；并在限位彈簧的作用下，實(shí)現(xiàn)覆土抖動(dòng)板瞬時(shí)復(fù)位閉合狀態(tài)(圖10b)。

橫腰帶覆土系統(tǒng)傳動(dòng)裝置類型設(shè)計(jì)為帶傳動(dòng)，其中，主動(dòng)帶輪直徑D1=60 mm，從動(dòng)帶輪直徑D2=120 mm，裝置傳動(dòng)比為2。

在橫腰帶覆土系統(tǒng)作業(yè)過程中，其覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)頻率直接影響著種床橫向覆土帶的間隔距離與分布，由圖9、10分析可得覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)頻率為

圖10 覆土抖動(dòng)板工作狀態(tài)Fig.10 Working states of soil shaking plate1.主動(dòng)帶輪 2.滾動(dòng)軸承 3.從動(dòng)帶輪 4.限位彈簧 5.覆土抖動(dòng)板 6.橫腰帶覆土開啟機(jī)構(gòu) 7.傳動(dòng)帶

(7)

式中f——覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)頻率，Hz

T——覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)周期，s

由式(7)計(jì)算得覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)周期T=3 s，覆土抖動(dòng)板的抖動(dòng)頻率為0.33 Hz。

2.5 鎮(zhèn)壓打孔裝置

鎮(zhèn)壓打孔裝置結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由膜側(cè)鎮(zhèn)壓輪及其仿形機(jī)構(gòu)、壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪及其仿形機(jī)構(gòu)、機(jī)架等部件組成。

圖11 鎮(zhèn)壓打孔裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic of pressing-punching mechanism1.膜側(cè)鎮(zhèn)壓輪 2.仿形彈簧Ⅰ 3.壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪 4.打孔針 5.機(jī)架 6.仿形彈簧Ⅱ

為有效利用小壟壟體膜面集雨功能收集的降水，需要在壟溝溝底膜面上打滲水孔，打孔針穿套在直徑為190 mm的壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪上，打孔針直徑為5 mm，長度為25 mm，頂部加工成錐形；壟溝鎮(zhèn)壓打孔輪、膜側(cè)鎮(zhèn)壓輪(直徑為180 mm)通過組件與機(jī)架鉸接，并分別在所連接仿形彈簧的作用下形成平行四桿仿形機(jī)構(gòu)。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件與材料

2018年4月，在甘肅省洮河拖拉機(jī)制造有限公司-甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)臨洮旱作農(nóng)機(jī)裝備專家大院試驗(yàn)田進(jìn)行了橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)地面積為0.60 hm2，土壤為黃綿土，土壤含水率為14.9%～16.1%，土壤容重為1 300 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度小于0.16 MPa，田面較平整、疏松且雜草較少。試驗(yàn)前對聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在肥箱中加入磷酸二銨固體顆?；?，通過側(cè)板將提土裝置起土鏟傾角調(diào)整為15°，在覆膜掛接裝置上安裝白色卷狀地膜(厚度為0.01 mm)，并牽拉至展膜輥下貼地鋪平，作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力為22.1 kW洮河-304型輪式拖拉機(jī)，試驗(yàn)前進(jìn)速度為0.50 m/s。

圖12 聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)Fig.12 Field performance test of combined machine

3.2 試驗(yàn)方案與方法

按照NY/T 986—2006《鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)、DB62/T 1935—2010《全膜雙壟溝鋪膜機(jī)操作規(guī)程及作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)和DB62/T 1934—2010《全膜雙壟溝玉米機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算測定橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間工作后采光面地膜機(jī)械破損程度、種床起壟高度合格率、種床壟溝中心距合格率、種床膜邊覆土寬度合格率、橫腰帶覆土寬度合格率、種床覆土厚度合格率、橫腰帶覆土間距合格率和滲水孔間距合格率[10]。同時(shí)考察聯(lián)合作業(yè)機(jī)旋耕起壟裝置、排肥系統(tǒng)、種床覆膜裝置及輸土-種床覆土裝置的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

其中，采光面地膜機(jī)械破損程度測定方法為：以1.2 m(地膜幅寬)×5 m(測區(qū)長度)的面積為1個(gè)測定小區(qū)，應(yīng)用鋼卷尺進(jìn)行人工測量的作業(yè)方式獲取各測區(qū)內(nèi)采光面地膜上所有機(jī)械破損部位的邊長或縫長(Sc≤50 mm/m2表明聯(lián)合機(jī)作業(yè)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求)，以3個(gè)作業(yè)小區(qū)的測定平均值為測試結(jié)果。采光面地膜機(jī)械破損程度計(jì)算式為

(8)

式中Sc——采光面地膜機(jī)械破損程度，mm/m2

li——測區(qū)內(nèi)第i處機(jī)械破損部位的邊長或縫長，mm

n——測區(qū)內(nèi)出現(xiàn)機(jī)械破損部位的個(gè)數(shù)

l——測區(qū)長度，m

b——測區(qū)內(nèi)采光面地膜寬度平均值，m

種床起壟高度合格率、種床壟溝中心距合格率、種床膜邊覆土寬度合格率、橫腰帶覆土寬度合格率、種床覆土厚度合格率測定方法為：隨機(jī)選取測定點(diǎn)，在每個(gè)測定點(diǎn)上測定種床起壟高度、種床壟溝中心距、種床膜邊覆土寬度、橫腰帶覆土寬度和種床覆土厚度，分別求其平均值，有

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中Y1——種床起壟高度合格率，%

Y2——種床壟溝中心距合格率，%

Y3——種床膜邊覆土寬度合格率，%

Y4——橫腰帶覆土寬度合格率，%

Y5——種床覆土厚度合格率，%

m0——總測定點(diǎn)數(shù)

m1——種床起壟高度合格點(diǎn)數(shù)

m2——種床壟溝中心距合格點(diǎn)數(shù)

m3——種床膜邊覆土寬度合格點(diǎn)數(shù)

m4——橫腰帶覆土寬度合格點(diǎn)數(shù)

m5——種床覆土厚度合格點(diǎn)數(shù)

隨機(jī)抽取作業(yè)后長度為15 m的全膜雙壟溝覆膜種床，測量橫腰帶覆土間距，(1 500±25) mm為合格，測量滲水孔間距，(200±10) mm為合格，以10個(gè)作業(yè)小區(qū)的測定平均值為測試結(jié)果。橫腰帶覆土間距合格率、滲水孔間距合格率計(jì)算式分別為[20]

(14)

(15)

式中Y6——橫腰帶覆土間距合格率，%

Y7——滲水孔間距合格率，%

t0——總測定點(diǎn)數(shù)

t1——橫腰帶覆土間距合格點(diǎn)數(shù)

t2——滲水孔間距合格點(diǎn)數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)機(jī)穩(wěn)定前進(jìn)且耕地平整時(shí)，樣機(jī)各關(guān)鍵工作部件性能穩(wěn)定。若前進(jìn)速度過大，引起對鋪設(shè)地膜的過分拉扯，造成覆蓋地膜與種床地表貼合不緊實(shí)而容易出現(xiàn)壟溝地膜架空現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)田間作業(yè)地表崎嶇不平、石塊較多時(shí)，容易引起覆膜機(jī)地輪打滑現(xiàn)象，致使橫腰帶覆土裝置開啟失效，這也是造成樣機(jī)橫腰帶覆土間距合格率相對較低的主要因素之一。當(dāng)田間土壤堅(jiān)實(shí)度較高或含水率過大時(shí)，則會(huì)影響旋耕土壤進(jìn)入輸土-種床覆土裝置的及時(shí)性與流動(dòng)特性，導(dǎo)致膜邊、壟溝覆土寬度與厚度不一致，土壤結(jié)塊覆蓋，嚴(yán)重影響了全膜雙壟溝種床的構(gòu)建質(zhì)量。因此，需要適當(dāng)調(diào)整作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度，確保旋耕刀組與田間土壤的充分作用時(shí)間，以獲取高質(zhì)量的種床覆膜土壤。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of field experiment

4 結(jié)論

(1)在融合全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)要求及橫腰帶覆土作業(yè)模式基礎(chǔ)上，研制了橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，確定了樣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，并對其提土裝置、輸土-種床覆土裝置、橫腰帶覆土系統(tǒng)及鎮(zhèn)壓打孔裝置等重要作業(yè)部件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)作業(yè)性能要求完成其關(guān)鍵工作參數(shù)分析計(jì)算。

(2)聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用旋耕刀組與提土裝置相結(jié)合方式開溝起壟，確保肥箱內(nèi)的肥料準(zhǔn)確施入小壟壟體兩側(cè)部位；通過對全膜雙壟溝種床各部位覆土寬度、覆土厚度、覆土間隔要求條件進(jìn)行分析，確保輸土-種床覆土裝置和橫腰帶覆土系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)對覆膜種床膜邊、壟溝及其橫腰帶的覆土作業(yè)。

(3) 田間試驗(yàn)表明，橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作后，相關(guān)采光面地膜機(jī)械破損程度為38.6 mm/m2、種床起壟高度合格率89.8%、種床壟溝中心距合格率為90.7%、種床膜邊覆土寬度合格率為95.8%、橫腰帶覆土寬度合格率為95.6%、種床覆土厚度合格率為95.2%、橫腰帶覆土間距合格率為93.5%、滲水孔間距合格率為97.1%。試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全膜雙壟溝種床的起壟、施肥、覆膜、覆土及橫腰帶鋪設(shè)與滲水孔打孔等機(jī)械化作業(yè)。