陳海濤 李 煜 王 宇 竇玉寬 劉德澤

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

0 引言

隨著人們對優(yōu)質(zhì)稻米需求的不斷提高，有機(jī)水稻種植面積日益增加。因覆膜栽培技術(shù)具有增溫、增產(chǎn)、節(jié)水等優(yōu)點，逐漸成為農(nóng)業(yè)有機(jī)水稻種植的關(guān)鍵技術(shù)。作為未來重要發(fā)展方向的秸稈纖維地膜，具有顯著抑草效果，同時在水稻生長期地膜可完全降解，無污染，無殘留，無需回收[1-5]。但由于秸稈纖維地膜材料特性不同于傳統(tǒng)塑料地膜，難以使用現(xiàn)有覆膜機(jī)械進(jìn)行鋪設(shè)，目前多采用人工進(jìn)行敷設(shè)。為了促進(jìn)秸稈纖維地膜覆蓋栽培技術(shù)的推廣與應(yīng)用，提高有機(jī)水稻品質(zhì)與產(chǎn)量，進(jìn)一步降低成本，研發(fā)適用于秸稈纖維地膜的覆膜插秧機(jī)械已成為亟待解決的問題[6-7]。

日本、韓國等覆膜插秧機(jī)械化技術(shù)較為成熟，一些機(jī)型已投入生產(chǎn)應(yīng)用[8-9]。國內(nèi)相關(guān)機(jī)型多數(shù)處于試驗研究階段[10-13]。目前，國內(nèi)外主要機(jī)型均未能妥善解決覆膜栽植秧苗引起的傷根和開孔裝置易堵塞問題。如日本三菱株式會社研制的MKP610型插秧機(jī)，沒有專門的開孔裝置，秧針攜帶秧苗直接頂破地膜完成栽植，使已受損的秧根再次損傷，延長返青期。為解決傷根問題，目前采用的主要方法是使用打孔釘或切膜刀軸輥在地膜上進(jìn)行預(yù)打孔，但打孔與插秧位置難以保持一致，傷根現(xiàn)象依舊存在。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的“H”形同步覆膜開孔插秧裝置，采用齒輪旋轉(zhuǎn)箱雙臂分插機(jī)構(gòu)與開孔裝置一體式，能夠提高栽植同步性[14-15]，但長時間作業(yè)時，裝置易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，降低栽植質(zhì)量。加裝“H”形同步開孔裝置的栽植臂發(fā)生堵塞的原因在于開孔裝置前端與秧爪之間和開孔裝置兩刀刃之間存在狹窄的空隙。當(dāng)其與土壤接觸對土壤產(chǎn)生擠壓時，觸土面內(nèi)對土壤施加壓力，既有對土壤切向摩擦力也有正向壓力，最終在空隙處形成“泥團(tuán)”。由于覆膜同步開孔插秧裝置堵塞，開孔質(zhì)量下降甚至無法開孔，從而導(dǎo)致膜上擺苗與漏栽，并伴有撕膜、挑膜現(xiàn)象。

針對上述問題，本文設(shè)計一種防堵式同步覆膜開孔插秧裝置，在保證膜上開孔效果的同時，使其具有良好的防擁堵性能。考慮秧苗根系的運動軌跡，建立防堵式膜上同步開孔插秧裝置的數(shù)學(xué)模型[16]。通過虛擬仿真和二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并與現(xiàn)有開孔裝置進(jìn)行防堵性能與開孔性能對比試驗。

1 同步開孔插秧裝置工作原理與運動軌跡

1.1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

為不影響栽植機(jī)構(gòu)正常運動，保證秧苗栽植質(zhì)量，加裝與齒輪旋轉(zhuǎn)箱雙臂分插機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉的單臂開孔裝置，如圖1所示。

圖1 同步開孔插秧裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of synchronized opening transplanting device1.太陽輪 2.中間行星輪 3.上行星輪 4.秧爪 5.開孔裝置 6.齒輪旋轉(zhuǎn)箱

動力由動力輸出軸傳遞給齒輪旋轉(zhuǎn)箱使其做勻速圓周運動。隨齒輪旋轉(zhuǎn)箱繞太陽輪軸心轉(zhuǎn)動，太陽輪與中間行星輪，中間行星輪與上行星輪之間進(jìn)行嚙合運動。秧爪和開孔裝置與上行星輪固連，隨其同步轉(zhuǎn)動。太陽輪、中間行星輪與上行星輪皆為偏心圓齒輪。

1.2 運動軌跡與姿態(tài)

水稻栽植機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周秧爪所形成的“腰形”相對運動軌跡如圖2所示，通過模擬栽植機(jī)構(gòu)動作，實現(xiàn)開孔栽植過程[17-18]。在初始位置時，栽植機(jī)構(gòu)處于剛接觸秧苗狀態(tài)。機(jī)構(gòu)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，秧爪在A點開始撕裂毯苗，此時開孔裝置與秧苗無干涉。其中ABC段是秧苗的輸送階段，秧苗根部一直介于秧爪與開孔裝置中間的狀態(tài)，此過程中要保證開孔裝置不與秧箱干涉。當(dāng)開孔裝置通過B點時，其“+”形尖點(如圖3a)與已鋪設(shè)于泥土表面的地膜接觸，完成開孔過程。其形狀有利于提高開孔成功率，減少撕膜、挑膜現(xiàn)象發(fā)生。圖3b表示“+”形尖點與地膜接觸后形成的膜孔形狀。此種膜孔使地表裸露面積減小，提高抑草性能和秧苗存活率。當(dāng)秧苗根部開始與泥土接觸時，開孔裝置已在B點地膜處開孔，從而保證秧根不與地膜發(fā)生干涉，此過程可有效降低秧根損傷。栽植機(jī)構(gòu)在C點處完成推秧動作，實現(xiàn)栽植過程。

圖2 栽植機(jī)構(gòu)相對運動軌跡Fig.2 Relative motion trace of transplanting mechanism1.秧苗 2.秧爪相對運動軌跡 3.開孔裝置相對運動軌跡 4.秧苗根部相對運動軌跡 5.秸稈纖維地膜 6.栽植機(jī)構(gòu)

圖3 “+”形開孔裝置尖點結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagrams of “+” shaped sharp point puncher1.秧爪 2.推秧桿 3.“+”形開孔尖點

開孔裝置工作狀態(tài)下形成“腰形”軌跡，可保證開孔位置與插秧位置同步，推秧機(jī)構(gòu)將水稻秧苗強制彈入開孔裝置所形成的穴口中。且開孔裝置與秧苗、秧箱、推秧機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉。開孔裝置尖點通過D點時結(jié)束開孔運動。在DA段，秧爪處于無秧苗狀態(tài)，栽植臂轉(zhuǎn)到初始位置準(zhǔn)備下一周期的栽植作業(yè)，作業(yè)過程中，該栽植臂與同軸旋轉(zhuǎn)的另一栽植臂不發(fā)生干涉。

2 約束條件設(shè)立與運動模型建立

2.1 約束條件

基于覆膜水稻種植的農(nóng)藝要求，確定開孔裝置在水稻栽植過程中須滿足的條件[19]。在確定裝置參數(shù)時，設(shè)立條件如下：①覆膜穴口在45～50 mm之間(在栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)過程中，栽植臂劃開地膜長度為35 mm，為保證栽植機(jī)構(gòu)順利栽植且不與地膜發(fā)生干涉，開孔裝置所開膜孔長度要大于栽植臂劃開長度。當(dāng)膜孔長度大于50 mm時，裸露地表面積過大,容易滋生雜草，影響覆膜效果)。②同軸栽植臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中開孔裝置與異側(cè)載植臂互不干涉。③插秧深度介于15～25 mm。④膜孔與栽植的稻苗同穴。⑤開孔與插秧的相位角之差α(上行星輪中心分別與秧爪尖點和開孔尖點連線的夾角，如圖4所示)保證先開孔后插秧的工作順序。⑥開孔裝置的開孔傾角δ(開孔裝置尖點與地膜表面重合時，開孔裝置與地表法線之間的夾角)保證開孔合格率大于等于90%。⑦開孔裝置與秧箱之間互不干涉。⑧開孔裝置與安裝其上的載植臂互不干涉。⑨開孔裝置與推秧桿互不干涉，保證推秧桿行程無干涉。⑩夾持秧苗狀態(tài)在輸送過程中開孔裝置與護(hù)秧板互不干涉。栽植臂推秧桿彈出秧苗后回程中，開孔裝置與已栽秧苗互不干涉?！?”形開孔裝置在開孔過程中為減少地表裸露的面積，且與護(hù)秧板互不干涉，因此其尖點寬度與秧爪的寬度相等，即間距為15 mm。

圖4 裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of device

2.2 運動模型建立

保證水稻覆膜栽植質(zhì)量的關(guān)鍵，是對開孔裝置軌跡的形狀與姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?；谠灾脖垩碜恻c采用腰形的相對運動軌跡，為了達(dá)到栽植要求，通過本文確定開孔裝置采用“腰子”形狀的相對運動軌跡，并保證覆膜開孔與栽植依次完成。以太陽輪轉(zhuǎn)動中心O1為原點，水平方向為X軸,垂直方向為Y軸建立坐標(biāo)系，機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。

具體建模過程如下：在栽植機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的過程中，旋轉(zhuǎn)箱與動力輸出軸固連，作逆時針轉(zhuǎn)動。太陽輪與中間行星輪、中間行星輪與上行星輪之間相互嚙合。

規(guī)定旋轉(zhuǎn)箱逆時針轉(zhuǎn)動角度為正，假設(shè)齒輪旋轉(zhuǎn)箱逆時針轉(zhuǎn)過φ(i)，則太陽輪相對旋轉(zhuǎn)箱轉(zhuǎn)角為

φ1H(i)=φ(i)

(1)

式中i——齒輪旋轉(zhuǎn)箱與其初始位置的旋轉(zhuǎn)角度差，rad

中間行星輪相對旋轉(zhuǎn)箱逆時針轉(zhuǎn)過的角位移為

(2)

式中R1(j)——太陽輪節(jié)曲線上點的極坐標(biāo)

R2(j)——中間行星輪節(jié)曲線上點的極坐標(biāo)

上行星輪相對旋轉(zhuǎn)箱角位移為

(3)

式中l(wèi)O1O2——太陽輪與中間行星輪中心距，mm

旋轉(zhuǎn)箱的絕對角位移為

φH(i)=φH0-φ(i)

(4)

式中φH0——旋轉(zhuǎn)箱的初始角位移，rad

太陽輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)(xO1，yO1)為(0，0)。中間行星輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)(xO2，yO2)為(lO1O2cosφH(i)，lO1O2sinφH(i))。上行星輪的轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)(xO3，yO3)為(xO2+lO1O2cos(φH(i)+θ)，yO2+lO1O2sin(φH(i)+θ))，θ為齒輪中心距l(xiāng)O1O2與lO2O3的夾角，(°)。

秧爪尖點(A點)相對運動坐標(biāo)為

(5)

式中D——行星齒輪中心O3與秧爪尖點(A點)連線的距離，mm

開孔裝置尖點(B點)相對運動坐標(biāo)為

(6)

式中α——行星齒輪中心分別與A點和B點連線的夾角(開孔與插秧相位角之差)，(°)

S——行星齒輪中心與開孔裝置尖點(B點)連線的距離，mm

開孔裝置拐點(C點)相對運動坐標(biāo)為

(7)

式中L——開孔臂BC長度，mm

推秧桿尖點(E點)相對運動坐標(biāo)(xE，yE)為(kxA，kxB)，k為推秧桿尖點與秧爪尖點A的位置系數(shù)。

秧爪尖點(A點)絕對運動坐標(biāo)(xA′，yA′)為(xA(i)+iM/π，yA(i))，其中M為秧苗株距，mm。

開孔裝置尖點(B點)絕對運動坐標(biāo)(xB′，yB′)為(xB(i)+iM/π,yB(i))。

B點相對運動水平和垂直方向速度為

(8)

式中ω——齒輪旋轉(zhuǎn)箱角速度，rad/s

B點相對運動水平和垂直方向加速度為

(9)

3 開孔軌跡仿真

根據(jù)建立的運動學(xué)模型，開孔裝置運動產(chǎn)生的膜孔長度若大于秧苗根部劃過的軌跡(穴口)，則減少秧苗根系與地膜接觸概率，降低秧根損傷率[20]；若膜孔小于穴口，一方面，增加秧苗根系與地膜接觸面積，致使秧苗緩苗期延長，不利于作物生長，另一方面，根系與地膜碰撞撕裂膜孔，破壞開孔裝置提前所開膜孔，增加地表裸露面積，降低抑草性能。為得到減損、防堵的效果，根據(jù)上述理論模型分析可得

(10)

式中xE——秧苗根部最低點相對運動橫坐標(biāo)

xE′——秧苗根部最低點絕對運動橫坐標(biāo)

h——秸稈纖維地膜相對于栽植機(jī)構(gòu)太陽齒輪中心O1的縱坐標(biāo)

由式(10)可知，在D、S、θ等參數(shù)一定時，理論上各項要求與C點位置無關(guān)，即與開孔傾角δ無關(guān)，但開孔傾角δ影響實際開孔效果，須進(jìn)行試驗研究。當(dāng)D為154.5 mm，S為141.8～143.4 mm，θ為0°時，聯(lián)合式(1)～(5)得到栽植機(jī)構(gòu)開孔與插秧相位角差α的范圍為α∈(5°,15°)。

在α可行域內(nèi)，對開孔裝置運動姿態(tài)進(jìn)行模擬仿真，驗證上述開孔裝置的理論分析的可行性。圖5a與圖5b分別是α為15°與5°時，秧苗根系經(jīng)過地膜時的位置處于開孔裝置所開膜孔的邊界上(兩軌跡相交點)，不會導(dǎo)致根系的損傷。因此α介于5°～15°之間開孔裝置符合農(nóng)藝及設(shè)計要求。

圖5 秧根防損傷示意圖Fig.5 Schematic diagrams of damage prevention of seedling roots1.開孔裝置開孔軌跡 2.栽植秧苗軌跡 3.秸稈纖維地膜

4 試驗

4.1 試驗設(shè)計與方法

4.1.1試驗因素

開孔與插秧相位角差x1(°)：基于水稻插秧機(jī)械正常作業(yè)狀況，開孔裝置提前開孔角直接影響先開孔后插秧的工作順序。

開孔傾角x2(°)：開孔裝置采用“+”形結(jié)構(gòu)，是保證開孔長度和合格率的重要影響因素。為了減小開孔裝置的入土阻力，要求開孔裝置盡量垂直地面入土，即開孔傾角為0°～20°。開孔傾角過小，會使得膜孔長度過短，不利于秧苗栽植，還可能出現(xiàn)挑膜現(xiàn)象；開孔傾角過大，會出現(xiàn)如圖6所示的“三角形”開孔形狀。“+”形開孔裝置尖點無法充分完成開孔動作，開孔過程中撕裂地膜，因此不能夠?qū)崿F(xiàn)如圖3所示的膜上開孔形狀。其膜孔內(nèi)部存在破碎地膜，致使秧苗不能順利栽植在泥土中，出現(xiàn)漂秧現(xiàn)象，不符合農(nóng)藝及設(shè)計要求[21]。

圖6 “三角形”開孔形狀Fig.6 “Triangular ” opening shape

栽植機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度x3(r/min)：栽植機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度決定了栽植秧苗的株距，開孔裝置運動速度在一定程度上影響開孔質(zhì)量。

4.1.2評價指標(biāo)

膜孔長度y1(mm)：為開孔插秧裝置劃開地膜的總長度，決定了栽植秧苗后地膜的抑草性能，對水稻秧苗的后期生長起到關(guān)鍵作用。

插秧前開孔長度y2(mm)：指秧爪攜帶秧苗接觸地膜之前，開孔裝置已經(jīng)劃開的膜孔長度，y1與y2不相關(guān)。如圖7所示(為觀察方便，將地膜從泥土中取出，平鋪于平整地面)，秧爪到達(dá)地膜時的位置落于開孔裝置提前劃開的膜孔長度范圍之外，出現(xiàn)兩次開孔現(xiàn)象。

圖7 “+”形開孔形狀Fig.7 “+” opening shape1.開孔裝置所開膜孔初始位置 2.秧爪劃開膜孔初始位置

膜孔合格率y3(%)：確定水稻栽植合格與否，最終決定水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)，其計算公式為

(11)

式中Q——膜孔合格率，%

n1——標(biāo)準(zhǔn)膜孔數(shù)，個

n——總膜孔數(shù)，個

標(biāo)準(zhǔn)膜孔為能夠保證栽植過程秧苗順利進(jìn)入泥土，其根系不與地膜發(fā)生干涉。

采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法，具體參數(shù)根據(jù)理論計算確定，各因素編碼如表1所示[15,22]。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Factors and codes

試驗臺如圖8所示，試驗用地膜為秸稈纖維地膜，由電機(jī)驅(qū)動同步開孔插秧裝置，配合土槽實施開孔栽植試驗。土槽內(nèi)土壤環(huán)境模擬覆膜稻田實際作業(yè)狀態(tài)，設(shè)置土壤深度為100 mm左右，泡田時間72 h，水層深度控制為10 mm，保證泥面平整。在泥表面鋪設(shè)秸稈纖維地膜，以模擬覆膜栽植作業(yè)環(huán)境。栽植機(jī)構(gòu)向前運動作業(yè)，以水稻插秧機(jī)械實際機(jī)組作業(yè)速度為依據(jù)，設(shè)定前進(jìn)速度為4.3 km/h[23]。

圖8 同步開孔插秧裝置試驗臺Fig.8 Test-bed of device

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

4.2.2模型建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，y1、y2、y3二次項模型(2FI)有意義(P<0.000 1)，在置信度為0.05下，進(jìn)行F檢驗，剔除不顯著項后，得到回歸模型

(12)

(13)

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test results

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4.2.3各因素對性能指標(biāo)的影響

4.2.3.1對性能指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率分析

參考試驗回歸設(shè)計中各因素對指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率計算方法[22]，得到各因素對膜孔長度、插秧前開孔長度和膜孔合格率影響的貢獻(xiàn)率如表4所示。

結(jié)果表明，對于膜孔長度，各因素的貢獻(xiàn)率由大到小依次是x2、x3、x1。各因素對插秧前開孔長度貢獻(xiàn)率由大到小依次為x2、x1、x3。各因素對膜孔合格率貢獻(xiàn)率由大到小依次為x1、x3、x2[24]。

4.2.3.2對性能指標(biāo)影響效應(yīng)分析

通過數(shù)據(jù)處理，得出開孔與插秧相位角差x1、開孔傾角x2、旋轉(zhuǎn)速度x3之間的顯著和較顯著交互作用對膜孔長度y1、插秧前開孔長度y2、膜孔合格率y3影響的響應(yīng)曲面，如圖9所示[25-26]。

如圖9a所示，當(dāng)開孔與插秧相位角差一定時，膜孔長度y1整體上隨開孔傾角的增加呈先減小后增大趨勢，最優(yōu)的開孔傾角范圍為5.7°～14.3°；當(dāng)開孔傾角一定時，膜孔長度y1整體上和開孔與插秧相位角差呈正相關(guān)，最佳的開孔與插秧相位角差范圍為5.0°～9.3°。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

注：*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。

表4 各因素對性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution ratio of factor to each performance index

如圖9b所示，開孔與插秧相位角差一定時，插秧前開孔長度y2與旋轉(zhuǎn)速度呈負(fù)相關(guān)，最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)速度范圍為246.4～300 r/min；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時，插秧前開孔長度y2和開孔與插秧相位角差呈負(fù)相關(guān)，最優(yōu)的開孔與插秧相位角差為7.9°～15°。

如圖9c所示，當(dāng)開孔與插秧相位角差一定時，膜孔合格率y3與旋轉(zhuǎn)速度呈負(fù)相關(guān)，最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)速度范圍為225.0～250.1 r/min；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時，膜孔合格率y3隨開孔與插秧相位角差增大呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)的開孔與插秧相位角差為5.0°～9.3°。

如圖9d所示，當(dāng)開孔傾角一定時，膜孔合格率y3與旋轉(zhuǎn)速度呈負(fù)相關(guān)，最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)速度的范圍為225.0～246.4 r/min；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時，膜孔合格率y3與開孔傾角呈負(fù)相關(guān)，最優(yōu)的開孔傾角為0°～8.6°。

圖9 因素交互作用對性能指標(biāo)的影響Fig.9 Effects of factor interaction on performance indicators

5 驗證試驗

5.1 最優(yōu)參數(shù)組合確定

通過對圖9中4個響應(yīng)曲面的分析，為得到最佳的試驗因素水平組合，利用作業(yè)條件、作業(yè)性能要求及上述相關(guān)模型分析對3個回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，根據(jù)防堵式覆膜同步開孔插秧裝置試驗結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件

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通過優(yōu)化求解，得到開孔與插秧相位角差范圍為7.9°～9.3°，開孔傾角為5.7°～8.6°，旋轉(zhuǎn)速度為246.4～257.1 r/min，裝置開孔性能最佳，膜孔長度為46.7～47.3 mm，膜孔平均寬度為16.6 mm，插秧前開孔長度為16.2～18.4 mm，膜孔合格率為92.2%～94.8%?？紤]到加工和實際作業(yè)要求，同步開孔插秧裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)選擇為：開孔與插秧相位角差為8.0°、開孔傾角為7.0°、旋轉(zhuǎn)速度為246.4～250.1 r/min。

5.2 防堵性能對比試驗

根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)果得到的“+”形同步開孔插秧裝置與“H”形同步開孔插秧裝置進(jìn)行防堵性能對比試驗。在上述相同的試驗環(huán)境下，兩種開孔裝置分別安裝于同一栽植機(jī)構(gòu)的兩個栽植臂上。重復(fù)進(jìn)行10組試驗，以防堵效果作為試驗裝置的驗證指標(biāo)。圖10a所示為其中一組試驗的試驗效果，“+”形裝置防堵效果良好。圖10b所示為“H”形裝置局部放大圖，泥土堵塞在“H”形開孔裝置與秧爪之間，阻礙正常的開孔插秧作業(yè)，嚴(yán)重影響了插秧質(zhì)量。

圖10 防堵性能試驗Fig.10 Anti-blocking performance test1.“+”形裝置 2.“H”形裝置

表5直觀顯示改進(jìn)后的“+”形裝置防堵性能優(yōu)于“H”形裝置，其中0代表裝置未發(fā)生堵塞，1表示發(fā)生堵塞。發(fā)生堵塞的原因是在空隙處形成了“泥團(tuán)”。且目前國內(nèi)整田效果不佳，普遍存在殘茬、殘根現(xiàn)象，增加了開孔插秧裝置產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象的概率。

表5 防堵性能對比試驗結(jié)果Tab.5 Results of film hole in comparison test

5.3 開孔性能對比試驗

以相同的試驗環(huán)境，前進(jìn)速度為4.3 km/h，旋轉(zhuǎn)速度為246.4～250.1 r/min，重復(fù)進(jìn)行5組試驗，每組試驗取株距均勻的10個膜孔進(jìn)行測量。

試驗結(jié)果如表6、7所示，“+”形開孔裝置開出的平均膜孔長度為47.3 mm，與“H”形膜孔的長度在誤差范圍內(nèi)結(jié)果相近，抑草效果相似?！?”形開孔裝置膜孔合格率為94%，結(jié)果較優(yōu)。

表6 膜孔長度對比試驗結(jié)果 Tab.6 Results of film hole in comparison test mm

表7 膜孔合格率對比試驗結(jié)果Tab.7 Results of film hole percent of comparison test

從表8和圖11a可知，“+”形開孔裝置所開膜孔，插秧前開孔長度平均值為18.0 mm，與理論分析開孔形狀基本一致，滿足秧爪劃入膜孔的設(shè)計要求。圖11b所示為“H”形開孔裝置所開“三角形”膜孔，與理論分析不符，主要是因為開孔裝置撕拉地膜，未能充分起到劃切地膜的作用，導(dǎo)致膜孔合格率下降。

表8 插秧前開孔長度試驗結(jié)果Tab.8 Test results of opening length before transplanting mm

圖11 開孔試驗效果對比Fig.11 Comparison of test results

5.4 試驗驗證

通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化參數(shù)組合條件下的實際試驗結(jié)果與回歸模型計算值誤差較小，如表9所示，在一定程度上驗證了回歸模型的可靠性。

表9 相對誤差率Tab.9 Relative error rate

6 結(jié)論

(1)提出了一種防堵式覆膜同步開孔插秧裝置，可依次完成開孔和插秧動作。在齒輪旋轉(zhuǎn)箱雙臂分插機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝 “+”形尖點的單臂開孔裝置。當(dāng)參數(shù)優(yōu)化組合為開孔與插秧相位角差8.0°、開孔傾角7.0°、旋轉(zhuǎn)速度246.4～250.1 r/min時，開孔裝置無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，所得膜孔平均長度47.3 mm、膜孔平均寬度16.6 mm、插秧前開孔平均長度18.0 mm、平均膜孔合格率94%以上。各因素對膜孔長度影響貢獻(xiàn)率排序為開孔傾角、旋轉(zhuǎn)速度、開孔與插秧相位角差，對插秧前開孔長度影響貢獻(xiàn)率排序為開孔傾角、開孔與插秧相位角差、旋轉(zhuǎn)速度，對膜孔合格率影響貢獻(xiàn)率排序為開孔與插秧相位角差、旋轉(zhuǎn)速度、開孔傾角。

(2)進(jìn)行了“+”形同步開孔插秧裝置與“H”形同步開孔插秧裝置的防堵性能和開孔性能對比試驗，結(jié)果表明“+”形開孔裝置無堵塞現(xiàn)象發(fā)生?！?”形開孔裝置的膜孔合格率優(yōu)于改進(jìn)前的“H”形開孔裝置，驗證了齒輪旋轉(zhuǎn)箱雙臂分插機(jī)構(gòu)式水稻秸稈纖維地膜插秧機(jī)同步防堵式開孔插秧裝置設(shè)計的可行性。