微垄式覆膜覆土联合作业机设计与试验

戴 飞 宋学锋 赵武云 魏万成 张锋伟 马海军

(1.甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070；2.甘肃洮河拖拉机制造有限公司，定西 730500)

0 引言

长期以来，充分、高效利用天然降雨，确保粮食生产安全和农田生态系统可持续性，是黄土高原雨养区难以破解的理论难题和实践难题，解决问题的关键途径是研发和推广高效、低廉的旱作栽培技术[1-4]。近年来，农技工作者在系统总结西北旱区全膜双垄沟播农艺技术特点的基础上，结合胡麻、小麦等密植作物的种植，集膜面种穴集雨、覆盖抑蒸、雨水富集叠加利用等原理，提出了旱地全膜覆盖微垄膜面种植技术，并开展了试验研究，取得了显著的抗旱增产效果[5-6]。

旱地全膜覆盖微垄膜面种植技术要求完成微垄种床的耕整、垄体覆膜和垄沟与膜边覆土准备，然后在垄体膜面上实施播种作业[7]。微垄覆膜种床在构建过程中产生的地膜破损、膜土耦合失效及微垄种床塌陷等均是影响该项农艺技术可靠推广的关键因素，因此，急需研发切实可行的耕整作业机具，制定配套技术规程。目前，国外种床覆膜覆土机械化程度高、机型先进，单行铺膜幅宽较大或可同步进行多行铺设，趋于向多功能方向发展。但同时受制于农艺要求、产品价格及不同的覆膜作业目的，国外覆膜覆土机械不能够直接应用于西北旱区覆膜种床的构建[8-9]。国内相关科研工作者与企业联合设计了1MLQS-40/70型起垄全铺膜联合作业机、全膜双垄沟播起垄施肥铺膜机、横腰带覆土式全膜双垄沟覆膜联合作业机和旱地小麦全膜覆土穴播联合作业机等多种类型的覆膜覆土联合作业机具[10-12]。但是，上述作业机主要结合旱地玉米全膜双垄沟播、旱地小麦全膜覆土穴播等农艺技术进行配套研制，使得现有覆膜覆土联合作业机的工作性能并不能完全适应于全膜覆盖微垄膜面种植技术的要求[5,12]。

为进一步提高全膜覆盖微垄种床机械化构建的可靠性与规范性，融合全膜覆盖微垄膜面种植农艺技术，同时考虑微型垄镇压易塌陷的特征，设计微垄式覆膜覆土联合作业机，以期有效解决上述问题。

1 整机结构与工作原理

1.1 结构组成

微垄式覆膜覆土联合作业机主要由三点悬挂装置、动力传递系统、旋耕刀组、刮板式提土装置、提土升运器张紧装置、垄体覆膜装置、碎土-覆土装置、垄体整形镇压装置等部件组成，其具体结构如图1所示。

图1 微垄式覆膜覆土联合作业机结构图

其中，联合作业机种床耕整系统由旋耕刀组和垄体整形镇压装置组成；覆膜系统由挂膜架和展膜辊组成；覆土系统由刮板式提土装置、提土升运器张紧装置、碎土-覆土壳体、碎土齿及携有4对V型溜土槽的覆土装置组成。

1.2 传动系统与工作原理

微垄式覆膜覆土联合作业机传动系统如图2所示，机具以三点后悬挂方式与四轮拖拉机联接，并在联轴器和变速箱的共同作用下将动力分别传递至左、右两侧动力轴上。其中，左侧动力轴进一步通过传动链带动刮板式提土装置升运转动作业，而右侧动力轴驱动旋耕刀组作业。后置的凸齿式镇压辊、挂膜架及展膜辊则随着机具前进随动转动作业。

图2 联合作业机传动系统示意图

作业机在田间工作时采用四轮拖拉机后置三点悬挂方式，将拖拉机动力输入至变速箱并传动至左侧动力轴，带动旋耕刀组将种床土壤切削疏松，将部分土壤高速旋切至刮板式提土装置表面；而右侧动力轴通过传动链带动刮板式提土装置顺时针方向转动，并将抛送的土壤倾斜提升至碎土-覆土壳体内，且与碎土齿互作撞击后顺着覆土装置溜土槽向下滑落。与此同时，垄体整形镇压装置对旋耕种床土壤进行压实塑形，后置地膜随挂接装置同步转动，在展膜辊的辅助作用下实现对微型垄体均匀覆膜，并在膜边、垄沟所对应覆土装置溜土槽内分流土壤的掩埋下完成微垄种床的覆膜覆土作业。

图3 旱地全膜覆盖微垄膜面种植技术农艺栽培模式

1.3 主要技术指标

旱地全膜覆盖微垄膜面种植技术农艺栽培模式如图3所示。微垄覆膜种床宽度为320 mm，高度为30～40 mm，应用微垄式覆膜覆土联合作业机挂接幅宽为1 200 mm的地膜一次性构建3组覆膜微型垄体，微垄间的覆土带宽度为80 mm，实行大田全域地膜覆盖，最后在覆膜微垄表面上完成播种作业。

结合甘肃省全膜微垄覆膜种床构建特点和耕整作业所需动力计算，微垄式覆膜覆土联合作业机主要技术参数如表1所示。

表1 作业机主要技术参数

2 关键部件设计与工作参数分析

2.1 输土-种床覆土装置

图4 输土-种床覆土装置结构简图

如图4所示，输土-种床覆土装置主要由刮板式提土装置、提土升运器张紧装置、碎土-覆土壳体(壳体下方连接有40根碎土齿，有利于将旋耕升运土壤进一步触碰细化，避免尺寸较大的土石块落入覆膜垄沟)和覆土装置(其上设置有4组V型溜土槽，分别与微垄全覆膜种床膜边及垄沟相对应)等部件组成，覆土装置能够根据覆土效果对其竖直方向夹角θ进行调整。依据前期土壤与溜土钢槽动摩擦角测定均值(21.9°)及对刮板式覆土装置抛送土壤后溜土槽的最佳倾角试验优化，对覆土装置倾角θ值圆整后应保持在42°～68°[13-14]。

如图5所示，依据全膜覆盖微垄膜面种植技术农艺要求，进行覆膜微垄种床机械化构建。

图5 种床覆土作业过程

当联合机进行覆膜覆土作业时，在右侧动力轴的转动下带动刮板式提土装置运转，前置旋耕刀组将切削的部分土壤抛送至刮板式提土装置并进行顺时针倾斜旋转快速提升。高速升运的土壤在刮板式提土装置输送至最高处时被瞬时翻转、惯性甩出，并与覆土罩壳上连接等距排布的碎土齿连续撞击，使得进入覆土装置的土壤更加细致均匀。当覆膜土壤落入覆土装置上的V型溜土槽后在其自身重力与覆土装置倾角的共同作用下落入已覆膜种床的膜边及垄沟内。

2.2 覆膜种床覆土量

覆膜种床覆土量是影响全膜微垄生产系统功能稳定的关键因素之一，覆土量过大或过小均会对其种床构建效果产生影响。当垄沟内覆土量过大时，覆膜种床有效采光面积减小，微型垄体高度不显著，严重制约了“增温集雨”的生产功能；而当覆土量过小时，覆膜种床不易紧贴地表沉降，难以抵挡外界自然风力揭膜，致使种床“覆盖抑蒸”的功能失效。因此，为保证作业机输土-种床覆土装置工作过程中对微型覆膜种床覆土作业的一致性与稳定性，便于样机工作参数优化选取，需对其覆土量进行计算。

种床覆土作业过程如图5所示，规定样机工作行走1 000 mm为一个测试区域，对相关覆土量进行计算，微型覆膜种床的覆土量为

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

(1)

式中Q——覆膜种床的覆土量，kg

Q1、Q2、Q3、Q4——4对V型溜土槽对应的覆土量，kg

由作业机的输土-种床覆土装置结构可以看出，4对V型溜土槽各自的覆土量对应相等，则有

Q1=Q2=Q3=Q4=γL1B1h

(2)

式中γ——土壤(黄绵土)容重，取1 300 kg/m3[15]

L1——样机工作行走距离，为1 000 mm

B1——垄沟覆膜土带宽度，取80 mm

h——覆土厚度，取25 mm

由式(2)计算分别得出：Q1=Q2=Q3=Q4=2.60 kg。

则计算得出联合作业机进行一个试验区域种床机械化构建所需的覆土量Q=10.40 kg。

2.3 刮板式提土装置

刮板式提土装置结构及其工作过程如图6所示，当输送覆膜土壤填充至刮板式提土装置中且稳定倾斜升运时，在土壤重力作用下，两刮板之间及其填充土壤形成了一个闭合的直角三角形。

图6 刮板式提土装置作业过程

依据图6b所示几何关系，可得土壤升运刮板高度为

H=L2tan(β-α)

(3)

式中L2——刮板式输送器土壤升运刮板间距，为0.12 m

β——刮板式输送器倾斜角，选取40°[12]

α——土壤(黄绵土)的内摩擦角，取28°[16]

由式(3)计算得出土壤升运刮板高度H=0.03 m。

为保障覆膜微垄种床覆盖地膜能够快速沉降，且与整形镇压垄体表面充分贴合，联合作业机刮板式提土装置应升运输送充足的土壤对种床膜边、垄沟进行均匀连续覆土。当提土装置线速度过大时，升运土壤翻转惯性大，部分土壤不经过V型溜土槽而直接散落至微垄膜面，造成地膜有效采光面积减少，种床增温效果不显著。若提土装置线速度过小时，升运土壤不能有效供给，致使V型溜土槽内的覆膜土壤不能形成持续颗粒流，造成覆膜种床膜边、垄沟内覆土不均匀或者漏覆现象，导致种床覆盖抑蒸、抗风揭膜功能失效。因此，刮板式提土装置线速度是影响覆膜覆土性能的关键作业因素。根据图5种床覆土过程进行分析，作业机刮板式提土装置确保了覆膜种床所需覆土量，则其提升线速度为[17]

(4)

其中

式中v2——刮板式提土装置提升线速度，m/s

B2——土壤升运带宽度，为1.40 m

φ——刮板式输送器填充系数，取0.80[17]

k——倾斜系数，根据刮板式提土装置倾斜角为40°，查表取0.43[17]

t——联合作业机行走1 000 mm所需时间，s

v1——联合作业机前进速度，为0.5～0.9 m/s

由式(4)计算得出刮板式提土装置提升线速度v2为0.28～0.50 m/s。

2.4 垄体整形镇压装置

联合作业机垄体整形镇压装置主要由镇压轴及其上端设有的4组整形镇压凸齿组成，其结构如图7所示。

图7 垄体整形镇压装置

由于构建种床为微型垄体，垄体高度仅为30～40 mm，为避免采用传统覆膜覆土作业后再进行镇压所引起的垄体塌陷、地膜架空等问题，在机械化作业过程中先应用该装置进行整形镇压，后完成覆膜覆土作业工序。依照全膜覆盖微垄栽培模式，设计的垄体整形镇压装置镇压轴上相邻两凸齿之间的距离L3=320 mm，凸齿宽度B3=80 mm，凸齿高度H1=45 mm。

3 试验材料与方法

3.1 试验材料

2018年4月，在甘肃省洮河拖拉机制造有限公司-甘肃农业大学临洮旱作农机装备专家大院试验田进行了微垄式覆膜覆土联合作业机田间工作性能试验。试验地面积为0.60 hm2，土壤为黄绵土，土壤含水率14.9%～16.1%，土壤容重1 300 kg/m3，坚实度小于0.16 MPa，田间表面平整。联合作业机配套动力为22 kW的洮河304型轮式拖拉机，作业速度控制在0.5～0.9 m/s，试验前对联合作业机进行调试，在地膜挂接架上安装(白色)卷状地膜(厚度为0.01 mm，幅宽为1 200 mm)。

3.2 试验方法

试验参照NY/T 987—2006《铺膜穴播机作业质量》标准[18]和旱地全膜覆盖微垄膜面种植技术对覆膜种床构建作业效果的要求[19](种床起垄高度为30～40 mm，起垄宽度为315～325 mm，覆土宽度为75～85 mm，覆土厚度为20～30 mm，采光面地膜机械破损程度小于等于50 mm/m2，符合该条件确定为种床构建合格)，以微垄式覆膜覆土联合作业机种床构建合格率为评价指标，进行样机工作参数优化试验[14-15]。选取10 m×1.6 m试验田为测试区，在覆膜微型垄体上选取0.2 m×1.6 m的面积为一个测试点，应用钢卷尺、游标卡尺进行种床构建合格率测定。种床构建合格率测定计算式为[20]

(5)

式中Y——种床构建合格率，%

N1——种床构建合格测试点数，个

N——总试验测试点数，个

3.3 试验设计

依据微垄式覆膜覆土联合作业机关键部件设计与工作参数分析结果，分别选取联合作业机前进速度x1(0.5～0.9 m/s)、刮板式提土装置线速度x2(0.28～0.50 m/s)和覆土装置倾角x3(42°～68°)作为试验因素，以种床构建合格率Y作为评价指标。试验采用三因素三水平响应曲面分析方法，选取各试验因素编码如表2所示，共实施17组响应面分析试验(表3)，每组试验重复进行3次，取3次测试结果的平均值作为试验结果，通过应用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理分析[21-22]。

表2 试验因素编码

4 试验结果与分析

4.1 回归模型建立与检验

试验结果如表3所示，X1、X2、X3为因素编码值，微垄式覆膜覆土联合作业机的种床构建合格率可达65.8%～92.2%。其中，种床构建合格率在80%以上的试验组占试验总组数的70.59%，表明微垄式覆膜覆土联合作业机总体的覆膜覆土工作性能良好，但试验过程中其覆膜覆土性能稳定性及种床机械化构建质量变化波动较大。

表3 响应面分析结果

借助Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析，获得种床构建合格率Y二次回归模型为

(6)

对上述二次回归模型进行方差分析和回归系数显著性检验，结果如表4所示。

表4 回归方程方差分析

注：*表示差异显著(P<0.05)，** 表示差异极显著(P<0.01)。

试验过程中发现，覆土装置溜土槽排出土壤量、均匀程度及覆土装置倾角都直接关系到种床垄沟、膜边覆土质量，是影响种床构建合格率的关键因素。同时，输土-种床覆土装置可根据联合作业机前进速度的变化对刮板式提土装置线速度、覆土装置倾角进行工作参数调整，以确保种床覆土量的适宜与稳定。

4.2 模型交互项的解析

根据式(6)作出各因素之间关系的响应面图(图8～10)，响应曲面的形状能够反映交互因素作用的强弱。

图8 联合作业机前进速度与刮板式提土装置线速度对种床构建合格率的影响

由图8可知，当微垄式覆膜覆土联合作业机前进速度在0.7～0.9 m/s之间、刮板式提土装置线速度为0.28～0.39 m/s时，种床构建合格率相对较低，基本保持在65%～79%之间，且由响应曲面变化趋势看出刮板式提土装置线速度对种床构建合格率的影响明显大于联合作业机前进速度。这主要是在微垄种床机械化构建过程中，联合作业机前进速度加快时种床垄体整形、覆膜速率相应增大，因此需要充足且适宜的土壤对垄沟、膜边进行覆盖，但此时所对应的刮板式提土装置线速度较低，无法及时将所需覆膜土壤后置抛送，影响了覆膜覆土作业的协同性与可靠性。

图9 联合作业机前进速度与覆土装置倾角对种床构建合格率的影响

由图9可以看出，当联合作业机前进速度控制在0.5～0.7 m/s之间、覆土装置倾角为55°～68°时，种床构建合格率相对较高(79%～86%)，由偏回归分析可以看出，联合作业机前进速度与覆土装置倾角的交互作用对微垄覆膜种床构建合格率影响并不显著，这与方差分析结果相同。

图10 刮板式提土装置线速度与覆土装置倾角对种床构建合格率的影响

由图10可以看出，当联合作业机覆土装置倾角为68°，刮板式提土装置线速度由0.28 m/s递增至0.50 m/s时，其种床构建合格率呈现出持续递增的总体变化趋势(由71.2%线性递增至92.2%)。通过响应曲面变化趋势可得刮板式提土装置线速度对种床构建合格率的影响显著高于覆土装置倾角。产生该现象的主要原因是刮板式提土装置线速度不断增大时，不仅加快了其对旋耕土壤的升运输送速率，而且使覆膜土壤向后抛掷的惯性力增加，加剧了覆膜土壤与罩壳碎土齿的充分互作效应，使覆膜土壤颗粒度进一步细化，保障了种床构建合格率的持续稳定性。

4.3 参数优化与试验验证

为保证微垄式覆膜覆土联合作业机工作时种床构建合格率为100%，应用Design-Expert 8.0.6软件中Optimization-Numerical模块对回归方程模型进行该目标下的优化求解，得到联合作业机最优工作参数：联合作业机前进速度为0.71 m/s、刮板式提土装置线速度为0.50 m/s、覆土装置倾角为68°。

为验证式(6)的可靠性，采用微垄式覆膜覆土联合作业机在最优作业参数配置下进行种床构建中覆膜覆土作业性能验证试验。试验结果表明，验证试验的种床构建合格率均值为95.6%，较优化前种床构建合格率(65.8%～92.2%)有明显提升，表明在优化作业参数条件下能够改善微垄种床垄沟、膜边的覆土质量，降低采光面地膜机械破损程度，缓解覆土作业过程中普遍出现的土壤颗粒流“飞溅、脉动”现象，符合旱地全膜覆盖微垄膜面栽培技术要求，因此该回归模型是可靠的。

5 覆土作业过程模拟

5.1 参数设置

为进一步研究微垄式覆膜覆土联合作业机设置最优工作参数后所呈现出的“提土-输土-覆土”动态工作特性，采用离散单元法对样机覆土作业过程进行数值模拟。其中，覆土土壤颗粒选取球体颗粒建模，其直径设定为3 mm，土壤颗粒-土壤颗粒、土壤颗粒-提土装置刮板、壁面接触模型选择Hertz-Mindlin(no-slip)，仿真试验参数设置如表5所示[13,23]。

表5 物性及接触参数

仿真时间步长为1.405×10-5s，是瑞利时间步的40%，仿真共进行2.5 s。根据输土-种床覆土装置结构设计，刮板式提土装置上设置有20个刮板，两刮板间距为0.12 m，刮板高度为0.03 m，运动通过EDEM中coupling server面板，由动力学耦合来控制。依据样机工作参数优化值，刮板式提土装置线速度设置为0.50 m/s，模型的覆土装置倾角设置为68°。仿真过程中颗粒工厂为1 400 mm×180 mm的长方形平面，颗粒工厂生成土壤颗粒数为5.80×107个/s。

5.2 输土-种床覆土仿真

图11所示为微垄式覆膜覆土联合作业机在最优工作参数下的输土-种床覆土仿真模拟过程。

图11 输土-种床覆土过程仿真模拟

在联合作业机输土-种床覆土过程模拟仿真的前0.30 s时间段为土壤颗粒持续生成与刮板式提土装置开始逐步填充阶段(图11a)。当仿真时间为0.60 s 时(图11b)，已经填充足量土壤颗粒的刮板式提土装置开始逐渐进入碎土-覆土壳体，可以看出刮板式提土装置线速度是直接决定种床覆土量的关键因素。在作业过程持续至0.90 s时(图11c)，与碎土齿相互作用后的少量覆膜土壤颗粒缓缓出现在4组V型溜土槽上，形成不连续的土壤颗粒流。由图11d可以看出，在仿真时间为1.20 s时种床表面已经开始出现较为稳定均匀的覆土带，并在1.50 s左右罩壳碎土齿部位逐步形成连贯的土壤颗粒流，且流量逐渐增大。当1.80～2.40 s时(图11f～11h)整个输土-种床覆土过程趋于稳定的覆土输送状态，此时同一高度的土壤颗粒流厚度相对均匀一致，刮板式提土装置表面仅有少数飞溅土壤颗粒。所以，刮板式提土装置线速度与覆土装置倾角的匹配至关重要，当土壤传输线速度一定、覆土装置倾角较大时，覆膜土壤会在V型溜土槽内滞留，造成覆土带不连续，覆土量不均匀；而当覆土装置倾角一定、土壤传输线速度不断增大时，覆膜土壤瞬时剧增，导致在碎土-覆土壳体内出现堵塞而不能持续排出，使得V型溜土槽内无充足覆土颗粒流，影响覆土作业质量。因此，适宜的刮板式提土装置线速度与覆土装置倾角交互选取，使得覆膜土壤颗粒流最终呈现出“幕帘状”而不断持续下落，达到种床构建合格的覆土作业要求[24]。联合作业机输土-种床覆土过程仿真模拟与实际种床构建合格率验证试验(图12a)基本一致，由种床构建实际效果(图12b)表明相关工作参数的优化选取可靠有效。

图12 种床构建合格率验证试验

6 结论

(1)通过融合旱地全膜覆盖微垄膜面种植农艺技术要求，设计了微垄式覆膜覆土联合作业机，确定了样机传动系统，并对其输土-种床覆土装置、刮板式提土装置结构及垄体整形镇压装置等关键作业部件进行设计，结合相关作业性能要求，完成了覆膜种床覆土量、刮板式提土装置线速度等关键工作参数的分析计算。

(2)应用响应曲面分析法，建立种床构建合格率与联合作业机前进速度、刮板式提土装置线速度、覆土装置倾角的二次多项式回归模型。以种床构建完全合格(Y=100%)为目标，获得微垄式覆膜覆土联合作业机最优工作参数：联合作业机前进速度为0.71 m/s、刮板式提土装置线速度为0.50 m/s、覆土装置倾角为68°。田间验证试验表明，联合作业机的种床构建合格率均值为95.6%，较优化前有明显提升。

(3)应用离散单元法进行微垄式覆膜覆土联合作业机最优工作参数下“提土-输土-覆土”动态作业过程模拟，仿真结果与田间试验结果基本一致，表明该联合作业机工作参数的优化计算可靠、有效，样机作业性能符合旱地全膜覆盖微垄膜面种植农艺技术要求。