戴 飛 宋學(xué)鋒 趙武云 魏萬成 張鋒偉 馬海軍

(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

長(zhǎng)期以來，充分、高效利用天然降雨，確保糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性，是黃土高原雨養(yǎng)區(qū)難以破解的理論難題和實(shí)踐難題，解決問題的關(guān)鍵途徑是研發(fā)和推廣高效、低廉的旱作栽培技術(shù)[1-4]。近年來，農(nóng)技工作者在系統(tǒng)總結(jié)西北旱區(qū)全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合胡麻、小麥等密植作物的種植，集膜面種穴集雨、覆蓋抑蒸、雨水富集疊加利用等原理，提出了旱地全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)，并開展了試驗(yàn)研究，取得了顯著的抗旱增產(chǎn)效果[5-6]。

旱地全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)要求完成微壟種床的耕整、壟體覆膜和壟溝與膜邊覆土準(zhǔn)備，然后在壟體膜面上實(shí)施播種作業(yè)[7]。微壟覆膜種床在構(gòu)建過程中產(chǎn)生的地膜破損、膜土耦合失效及微壟種床塌陷等均是影響該項(xiàng)農(nóng)藝技術(shù)可靠推廣的關(guān)鍵因素，因此，急需研發(fā)切實(shí)可行的耕整作業(yè)機(jī)具，制定配套技術(shù)規(guī)程。目前，國(guó)外種床覆膜覆土機(jī)械化程度高、機(jī)型先進(jìn)，單行鋪膜幅寬較大或可同步進(jìn)行多行鋪設(shè)，趨于向多功能方向發(fā)展。但同時(shí)受制于農(nóng)藝要求、產(chǎn)品價(jià)格及不同的覆膜作業(yè)目的，國(guó)外覆膜覆土機(jī)械不能夠直接應(yīng)用于西北旱區(qū)覆膜種床的構(gòu)建[8-9]。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研工作者與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)了1MLQS-40/70型起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)、全膜雙壟溝播起壟施肥鋪膜機(jī)、橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)和旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)等多種類型的覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)具[10-12]。但是，上述作業(yè)機(jī)主要結(jié)合旱地玉米全膜雙壟溝播、旱地小麥全膜覆土穴播等農(nóng)藝技術(shù)進(jìn)行配套研制，使得現(xiàn)有覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)的工作性能并不能完全適應(yīng)于全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)的要求[5,12]。

為進(jìn)一步提高全膜覆蓋微壟種床機(jī)械化構(gòu)建的可靠性與規(guī)范性，融合全膜覆蓋微壟膜面種植農(nóng)藝技術(shù)，同時(shí)考慮微型壟鎮(zhèn)壓易塌陷的特征，設(shè)計(jì)微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)，以期有效解決上述問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、旋耕刀組、刮板式提土裝置、提土升運(yùn)器張緊裝置、壟體覆膜裝置、碎土-覆土裝置、壟體整形鎮(zhèn)壓裝置等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其中，聯(lián)合作業(yè)機(jī)種床耕整系統(tǒng)由旋耕刀組和壟體整形鎮(zhèn)壓裝置組成；覆膜系統(tǒng)由掛膜架和展膜輥組成；覆土系統(tǒng)由刮板式提土裝置、提土升運(yùn)器張緊裝置、碎土-覆土殼體、碎土齒及攜有4對(duì)V型溜土槽的覆土裝置組成。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)與工作原理

微壟式覆膜覆土聯(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)后懸掛方式與四輪拖拉機(jī)聯(lián)接，并在聯(lián)軸器和變速箱的共同作用下將動(dòng)力分別傳遞至左、右兩側(cè)動(dòng)力軸上。其中，左側(cè)動(dòng)力軸進(jìn)一步通過傳動(dòng)鏈帶動(dòng)刮板式提土裝置升運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，而右側(cè)動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)旋耕刀組作業(yè)。后置的凸齒式鎮(zhèn)壓輥、掛膜架及展膜輥則隨著機(jī)具前進(jìn)隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)。

圖2 聯(lián)合作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

作業(yè)機(jī)在田間工作時(shí)采用四輪拖拉機(jī)后置三點(diǎn)懸掛方式，將拖拉機(jī)動(dòng)力輸入至變速箱并傳動(dòng)至左側(cè)動(dòng)力軸，帶動(dòng)旋耕刀組將種床土壤切削疏松，將部分土壤高速旋切至刮板式提土裝置表面；而右側(cè)動(dòng)力軸通過傳動(dòng)鏈帶動(dòng)刮板式提土裝置順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并將拋送的土壤傾斜提升至碎土-覆土殼體內(nèi)，且與碎土齒互作撞擊后順著覆土裝置溜土槽向下滑落。與此同時(shí)，壟體整形鎮(zhèn)壓裝置對(duì)旋耕種床土壤進(jìn)行壓實(shí)塑形，后置地膜隨掛接裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在展膜輥的輔助作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)微型壟體均勻覆膜，并在膜邊、壟溝所對(duì)應(yīng)覆土裝置溜土槽內(nèi)分流土壤的掩埋下完成微壟種床的覆膜覆土作業(yè)。

圖3 旱地全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)農(nóng)藝栽培模式

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

旱地全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)農(nóng)藝栽培模式如圖3所示。微壟覆膜種床寬度為320 mm，高度為30～40 mm，應(yīng)用微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)掛接幅寬為1 200 mm的地膜一次性構(gòu)建3組覆膜微型壟體，微壟間的覆土帶寬度為80 mm，實(shí)行大田全域地膜覆蓋，最后在覆膜微壟表面上完成播種作業(yè)。

結(jié)合甘肅省全膜微壟覆膜種床構(gòu)建特點(diǎn)和耕整作業(yè)所需動(dòng)力計(jì)算，微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)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)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與工作參數(shù)分析

2.1 輸土-種床覆土裝置

圖4 輸土-種床覆土裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖4所示，輸土-種床覆土裝置主要由刮板式提土裝置、提土升運(yùn)器張緊裝置、碎土-覆土殼體(殼體下方連接有40根碎土齒，有利于將旋耕升運(yùn)土壤進(jìn)一步觸碰細(xì)化，避免尺寸較大的土石塊落入覆膜壟溝)和覆土裝置(其上設(shè)置有4組V型溜土槽，分別與微壟全覆膜種床膜邊及壟溝相對(duì)應(yīng))等部件組成，覆土裝置能夠根據(jù)覆土效果對(duì)其豎直方向夾角θ進(jìn)行調(diào)整。依據(jù)前期土壤與溜土鋼槽動(dòng)摩擦角測(cè)定均值(21.9°)及對(duì)刮板式覆土裝置拋送土壤后溜土槽的最佳傾角試驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)覆土裝置傾角θ值圓整后應(yīng)保持在42°～68°[13-14]。

如圖5所示，依據(jù)全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)農(nóng)藝要求，進(jìn)行覆膜微壟種床機(jī)械化構(gòu)建。

圖5 種床覆土作業(yè)過程

當(dāng)聯(lián)合機(jī)進(jìn)行覆膜覆土作業(yè)時(shí)，在右側(cè)動(dòng)力軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)刮板式提土裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，前置旋耕刀組將切削的部分土壤拋送至刮板式提土裝置并進(jìn)行順時(shí)針傾斜旋轉(zhuǎn)快速提升。高速升運(yùn)的土壤在刮板式提土裝置輸送至最高處時(shí)被瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)、慣性甩出，并與覆土罩殼上連接等距排布的碎土齒連續(xù)撞擊，使得進(jìn)入覆土裝置的土壤更加細(xì)致均勻。當(dāng)覆膜土壤落入覆土裝置上的V型溜土槽后在其自身重力與覆土裝置傾角的共同作用下落入已覆膜種床的膜邊及壟溝內(nèi)。

2.2 覆膜種床覆土量

覆膜種床覆土量是影響全膜微壟生產(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(duì)其種床構(gòu)建效果產(chǎn)生影響。當(dāng)壟溝內(nèi)覆土量過大時(shí)，覆膜種床有效采光面積減小，微型壟體高度不顯著，嚴(yán)重制約了“增溫集雨”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”的功能失效。因此，為保證作業(yè)機(jī)輸土-種床覆土裝置工作過程中對(duì)微型覆膜種床覆土作業(yè)的一致性與穩(wěn)定性，便于樣機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化選取，需對(duì)其覆土量進(jìn)行計(jì)算。

種床覆土作業(yè)過程如圖5所示，規(guī)定樣機(jī)工作行走1 000 mm為一個(gè)測(cè)試區(qū)域，對(duì)相關(guān)覆土量進(jìn)行計(jì)算，微型覆膜種床的覆土量為

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

(1)

式中Q——覆膜種床的覆土量，kg

Q1、Q2、Q3、Q4——4對(duì)V型溜土槽對(duì)應(yīng)的覆土量，kg

由作業(yè)機(jī)的輸土-種床覆土裝置結(jié)構(gòu)可以看出，4對(duì)V型溜土槽各自的覆土量對(duì)應(yīng)相等，則有

Q1=Q2=Q3=Q4=γL1B1h

(2)

式中γ——土壤(黃綿土)容重，取1 300 kg/m3[15]

L1——樣機(jī)工作行走距離，為1 000 mm

B1——壟溝覆膜土帶寬度，取80 mm

h——覆土厚度，取25 mm

由式(2)計(jì)算分別得出：Q1=Q2=Q3=Q4=2.60 kg。

則計(jì)算得出聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)區(qū)域種床機(jī)械化構(gòu)建所需的覆土量Q=10.40 kg。

2.3 刮板式提土裝置

刮板式提土裝置結(jié)構(gòu)及其工作過程如圖6所示，當(dāng)輸送覆膜土壤填充至刮板式提土裝置中且穩(wěn)定傾斜升運(yùn)時(shí)，在土壤重力作用下，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。

圖6 刮板式提土裝置作業(yè)過程

依據(jù)圖6b所示幾何關(guān)系，可得土壤升運(yùn)刮板高度為

H=L2tan(β-α)

(3)

式中L2——刮板式輸送器土壤升運(yùn)刮板間距，為0.12 m

β——刮板式輸送器傾斜角，選取40°[12]

α——土壤(黃綿土)的內(nèi)摩擦角，取28°[16]

由式(3)計(jì)算得出土壤升運(yùn)刮板高度H=0.03 m。

為保障覆膜微壟種床覆蓋地膜能夠快速沉降，且與整形鎮(zhèn)壓壟體表面充分貼合，聯(lián)合作業(yè)機(jī)刮板式提土裝置應(yīng)升運(yùn)輸送充足的土壤對(duì)種床膜邊、壟溝進(jìn)行均勻連續(xù)覆土。當(dāng)提土裝置線速度過大時(shí)，升運(yùn)土壤翻轉(zhuǎn)慣性大，部分土壤不經(jīng)過V型溜土槽而直接散落至微壟膜面，造成地膜有效采光面積減少，種床增溫效果不顯著。若提土裝置線速度過小時(shí)，升運(yùn)土壤不能有效供給，致使V型溜土槽內(nèi)的覆膜土壤不能形成持續(xù)顆粒流，造成覆膜種床膜邊、壟溝內(nèi)覆土不均勻或者漏覆現(xiàn)象，導(dǎo)致種床覆蓋抑蒸、抗風(fēng)揭膜功能失效。因此，刮板式提土裝置線速度是影響覆膜覆土性能的關(guān)鍵作業(yè)因素。根據(jù)圖5種床覆土過程進(jìn)行分析，作業(yè)機(jī)刮板式提土裝置確保了覆膜種床所需覆土量，則其提升線速度為[17]

(4)

其中

式中v2——刮板式提土裝置提升線速度，m/s

B2——土壤升運(yùn)帶寬度，為1.40 m

φ——刮板式輸送器填充系數(shù)，取0.80[17]

k——傾斜系數(shù)，根據(jù)刮板式提土裝置傾斜角為40°，查表取0.43[17]

t——聯(lián)合作業(yè)機(jī)行走1 000 mm所需時(shí)間，s

v1——聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度，為0.5～0.9 m/s

由式(4)計(jì)算得出刮板式提土裝置提升線速度v2為0.28～0.50 m/s。

2.4 壟體整形鎮(zhèn)壓裝置

聯(lián)合作業(yè)機(jī)壟體整形鎮(zhèn)壓裝置主要由鎮(zhèn)壓軸及其上端設(shè)有的4組整形鎮(zhèn)壓凸齒組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 壟體整形鎮(zhèn)壓裝置

由于構(gòu)建種床為微型壟體，壟體高度僅為30～40 mm，為避免采用傳統(tǒng)覆膜覆土作業(yè)后再進(jìn)行鎮(zhèn)壓所引起的壟體塌陷、地膜架空等問題，在機(jī)械化作業(yè)過程中先應(yīng)用該裝置進(jìn)行整形鎮(zhèn)壓，后完成覆膜覆土作業(yè)工序。依照全膜覆蓋微壟栽培模式，設(shè)計(jì)的壟體整形鎮(zhèn)壓裝置鎮(zhèn)壓軸上相鄰兩凸齒之間的距離L3=320 mm，凸齒寬度B3=80 mm，凸齒高度H1=45 mm。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)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)行了微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間工作性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地面積為0.60 hm2，土壤為黃綿土，土壤含水率14.9%～16.1%，土壤容重1 300 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度小于0.16 MPa，田間表面平整。聯(lián)合作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力為22 kW的洮河304型輪式拖拉機(jī)，作業(yè)速度控制在0.5～0.9 m/s，試驗(yàn)前對(duì)聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在地膜掛接架上安裝(白色)卷狀地膜(厚度為0.01 mm，幅寬為1 200 mm)。

3.2 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》標(biāo)準(zhǔn)[18]和旱地全膜覆蓋微壟膜面種植技術(shù)對(duì)覆膜種床構(gòu)建作業(yè)效果的要求[19](種床起壟高度為30～40 mm，起壟寬度為315～325 mm，覆土寬度為75～85 mm，覆土厚度為20～30 mm，采光面地膜機(jī)械破損程度小于等于50 mm/m2，符合該條件確定為種床構(gòu)建合格)，以微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)種床構(gòu)建合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行樣機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[14-15]。選取10 m×1.6 m試驗(yàn)田為測(cè)試區(qū)，在覆膜微型壟體上選取0.2 m×1.6 m的面積為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，應(yīng)用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺進(jìn)行種床構(gòu)建合格率測(cè)定。種床構(gòu)建合格率測(cè)定計(jì)算式為[20]

(5)

式中Y——種床構(gòu)建合格率，%

N1——種床構(gòu)建合格測(cè)試點(diǎn)數(shù)，個(gè)

N——總試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)數(shù)，個(gè)

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與工作參數(shù)分析結(jié)果，分別選取聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度x1(0.5～0.9 m/s)、刮板式提土裝置線速度x2(0.28～0.50 m/s)和覆土裝置傾角x3(42°～68°)作為試驗(yàn)因素，以種床構(gòu)建合格率Y作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析方法，選取各試驗(yàn)因素編碼如表2所示，共實(shí)施17組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(表3)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，通過應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析[21-22]。

表2 試驗(yàn)因素編碼

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 回歸模型建立與檢驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值，微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)的種床構(gòu)建合格率可達(dá)65.8%～92.2%。其中，種床構(gòu)建合格率在80%以上的試驗(yàn)組占試驗(yàn)總組數(shù)的70.59%，表明微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)總體的覆膜覆土工作性能良好，但試驗(yàn)過程中其覆膜覆土性能穩(wěn)定性及種床機(jī)械化構(gòu)建質(zhì)量變化波動(dòng)較大。

表3 響應(yīng)面分析結(jié)果

借助Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得種床構(gòu)建合格率Y二次回歸模型為

(6)

對(duì)上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 回歸方程方差分析

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，覆土裝置溜土槽排出土壤量、均勻程度及覆土裝置傾角都直接關(guān)系到種床壟溝、膜邊覆土質(zhì)量，是影響種床構(gòu)建合格率的關(guān)鍵因素。同時(shí)，輸土-種床覆土裝置可根據(jù)聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度的變化對(duì)刮板式提土裝置線速度、覆土裝置傾角進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)整，以確保種床覆土量的適宜與穩(wěn)定。

4.2 模型交互項(xiàng)的解析

根據(jù)式(6)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖(圖8～10)，響應(yīng)曲面的形狀能夠反映交互因素作用的強(qiáng)弱。

圖8 聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與刮板式提土裝置線速度對(duì)種床構(gòu)建合格率的影響

由圖8可知，當(dāng)微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度在0.7～0.9 m/s之間、刮板式提土裝置線速度為0.28～0.39 m/s時(shí)，種床構(gòu)建合格率相對(duì)較低，基本保持在65%～79%之間，且由響應(yīng)曲面變化趨勢(shì)看出刮板式提土裝置線速度對(duì)種床構(gòu)建合格率的影響明顯大于聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度。這主要是在微壟種床機(jī)械化構(gòu)建過程中，聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度加快時(shí)種床壟體整形、覆膜速率相應(yīng)增大，因此需要充足且適宜的土壤對(duì)壟溝、膜邊進(jìn)行覆蓋，但此時(shí)所對(duì)應(yīng)的刮板式提土裝置線速度較低，無法及時(shí)將所需覆膜土壤后置拋送，影響了覆膜覆土作業(yè)的協(xié)同性與可靠性。

圖9 聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與覆土裝置傾角對(duì)種床構(gòu)建合格率的影響

由圖9可以看出，當(dāng)聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度控制在0.5～0.7 m/s之間、覆土裝置傾角為55°～68°時(shí)，種床構(gòu)建合格率相對(duì)較高(79%～86%)，由偏回歸分析可以看出，聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與覆土裝置傾角的交互作用對(duì)微壟覆膜種床構(gòu)建合格率影響并不顯著，這與方差分析結(jié)果相同。

圖10 刮板式提土裝置線速度與覆土裝置傾角對(duì)種床構(gòu)建合格率的影響

由圖10可以看出，當(dāng)聯(lián)合作業(yè)機(jī)覆土裝置傾角為68°，刮板式提土裝置線速度由0.28 m/s遞增至0.50 m/s時(shí)，其種床構(gòu)建合格率呈現(xiàn)出持續(xù)遞增的總體變化趨勢(shì)(由71.2%線性遞增至92.2%)。通過響應(yīng)曲面變化趨勢(shì)可得刮板式提土裝置線速度對(duì)種床構(gòu)建合格率的影響顯著高于覆土裝置傾角。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是刮板式提土裝置線速度不斷增大時(shí)，不僅加快了其對(duì)旋耕土壤的升運(yùn)輸送速率，而且使覆膜土壤向后拋擲的慣性力增加，加劇了覆膜土壤與罩殼碎土齒的充分互作效應(yīng)，使覆膜土壤顆粒度進(jìn)一步細(xì)化，保障了種床構(gòu)建合格率的持續(xù)穩(wěn)定性。

4.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作時(shí)種床構(gòu)建合格率為100%，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件中Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行該目標(biāo)下的優(yōu)化求解，得到聯(lián)合作業(yè)機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)：聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為0.71 m/s、刮板式提土裝置線速度為0.50 m/s、覆土裝置傾角為68°。

為驗(yàn)證式(6)的可靠性，采用微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)在最優(yōu)作業(yè)參數(shù)配置下進(jìn)行種床構(gòu)建中覆膜覆土作業(yè)性能驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)的種床構(gòu)建合格率均值為95.6%，較優(yōu)化前種床構(gòu)建合格率(65.8%～92.2%)有明顯提升，表明在優(yōu)化作業(yè)參數(shù)條件下能夠改善微壟種床壟溝、膜邊的覆土質(zhì)量，降低采光面地膜機(jī)械破損程度，緩解覆土作業(yè)過程中普遍出現(xiàn)的土壤顆粒流“飛濺、脈動(dòng)”現(xiàn)象，符合旱地全膜覆蓋微壟膜面栽培技術(shù)要求，因此該回歸模型是可靠的。

5 覆土作業(yè)過程模擬

5.1 參數(shù)設(shè)置

為進(jìn)一步研究微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)置最優(yōu)工作參數(shù)后所呈現(xiàn)出的“提土-輸土-覆土”動(dòng)態(tài)工作特性，采用離散單元法對(duì)樣機(jī)覆土作業(yè)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，覆土土壤顆粒選取球體顆粒建模，其直徑設(shè)定為3 mm，土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-提土裝置刮板、壁面接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)，仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表5所示[13,23]。

表5 物性及接觸參數(shù)

仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1.405×10-5s，是瑞利時(shí)間步的40%，仿真共進(jìn)行2.5 s。根據(jù)輸土-種床覆土裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刮板式提土裝置上設(shè)置有20個(gè)刮板，兩刮板間距為0.12 m，刮板高度為0.03 m，運(yùn)動(dòng)通過EDEM中coupling server面板，由動(dòng)力學(xué)耦合來控制。依據(jù)樣機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化值，刮板式提土裝置線速度設(shè)置為0.50 m/s，模型的覆土裝置傾角設(shè)置為68°。仿真過程中顆粒工廠為1 400 mm×180 mm的長(zhǎng)方形平面，顆粒工廠生成土壤顆粒數(shù)為5.80×107個(gè)/s。

5.2 輸土-種床覆土仿真

圖11所示為微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)在最優(yōu)工作參數(shù)下的輸土-種床覆土仿真模擬過程。

圖11 輸土-種床覆土過程仿真模擬

在聯(lián)合作業(yè)機(jī)輸土-種床覆土過程模擬仿真的前0.30 s時(shí)間段為土壤顆粒持續(xù)生成與刮板式提土裝置開始逐步填充階段(圖11a)。當(dāng)仿真時(shí)間為0.60 s 時(shí)(圖11b)，已經(jīng)填充足量土壤顆粒的刮板式提土裝置開始逐漸進(jìn)入碎土-覆土殼體，可以看出刮板式提土裝置線速度是直接決定種床覆土量的關(guān)鍵因素。在作業(yè)過程持續(xù)至0.90 s時(shí)(圖11c)，與碎土齒相互作用后的少量覆膜土壤顆粒緩緩出現(xiàn)在4組V型溜土槽上，形成不連續(xù)的土壤顆粒流。由圖11d可以看出，在仿真時(shí)間為1.20 s時(shí)種床表面已經(jīng)開始出現(xiàn)較為穩(wěn)定均勻的覆土帶，并在1.50 s左右罩殼碎土齒部位逐步形成連貫的土壤顆粒流，且流量逐漸增大。當(dāng)1.80～2.40 s時(shí)(圖11f～11h)整個(gè)輸土-種床覆土過程趨于穩(wěn)定的覆土輸送狀態(tài)，此時(shí)同一高度的土壤顆粒流厚度相對(duì)均勻一致，刮板式提土裝置表面僅有少數(shù)飛濺土壤顆粒。所以，刮板式提土裝置線速度與覆土裝置傾角的匹配至關(guān)重要，當(dāng)土壤傳輸線速度一定、覆土裝置傾角較大時(shí)，覆膜土壤會(huì)在V型溜土槽內(nèi)滯留，造成覆土帶不連續(xù)，覆土量不均勻；而當(dāng)覆土裝置傾角一定、土壤傳輸線速度不斷增大時(shí)，覆膜土壤瞬時(shí)劇增，導(dǎo)致在碎土-覆土殼體內(nèi)出現(xiàn)堵塞而不能持續(xù)排出，使得V型溜土槽內(nèi)無充足覆土顆粒流，影響覆土作業(yè)質(zhì)量。因此，適宜的刮板式提土裝置線速度與覆土裝置傾角交互選取，使得覆膜土壤顆粒流最終呈現(xiàn)出“幕簾狀”而不斷持續(xù)下落，達(dá)到種床構(gòu)建合格的覆土作業(yè)要求[24]。聯(lián)合作業(yè)機(jī)輸土-種床覆土過程仿真模擬與實(shí)際種床構(gòu)建合格率驗(yàn)證試驗(yàn)(圖12a)基本一致，由種床構(gòu)建實(shí)際效果(圖12b)表明相關(guān)工作參數(shù)的優(yōu)化選取可靠有效。

圖12 種床構(gòu)建合格率驗(yàn)證試驗(yàn)

6 結(jié)論

(1)通過融合旱地全膜覆蓋微壟膜面種植農(nóng)藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)，確定了樣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其輸土-種床覆土裝置、刮板式提土裝置結(jié)構(gòu)及壟體整形鎮(zhèn)壓裝置等關(guān)鍵作業(yè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)作業(yè)性能要求，完成了覆膜種床覆土量、刮板式提土裝置線速度等關(guān)鍵工作參數(shù)的分析計(jì)算。

(2)應(yīng)用響應(yīng)曲面分析法，建立種床構(gòu)建合格率與聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、刮板式提土裝置線速度、覆土裝置傾角的二次多項(xiàng)式回歸模型。以種床構(gòu)建完全合格(Y=100%)為目標(biāo)，獲得微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)：聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為0.71 m/s、刮板式提土裝置線速度為0.50 m/s、覆土裝置傾角為68°。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，聯(lián)合作業(yè)機(jī)的種床構(gòu)建合格率均值為95.6%，較優(yōu)化前有明顯提升。

(3)應(yīng)用離散單元法進(jìn)行微壟式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)下“提土-輸土-覆土”動(dòng)態(tài)作業(yè)過程模擬，仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明該聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算可靠、有效，樣機(jī)作業(yè)性能符合旱地全膜覆蓋微壟膜面種植農(nóng)藝技術(shù)要求。