提土-全膜面覆土裝置作業參數優化與試驗

戴 飛 趙武云 宋學鋒 辛尚龍 劉鳳軍 辛兵幫

(1.甘肅農業大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司， 酒泉 735000)

提土-全膜面覆土裝置作業參數優化與試驗

戴 飛1趙武云 宋學鋒1辛尚龍1劉鳳軍2辛兵幫2

(1.甘肅農業大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司， 酒泉 735000)

為進一步研究提土-全膜面覆土裝置作業參數對其覆土性能及質量的影響，解析膜頂覆土過程與規律，建立了提土-覆土過程關鍵參數方程，確定了試驗因素及其取值范圍。以刮板升運帶式提土器線速度、聯合機前進速度和水平雙向螺旋覆土裝置轉速為自變量，覆土合格率為響應值，進行二次旋轉正交組合試驗，構建各因素與覆土合格率之間的數學模型，并結合響應曲面對各因素交互作用進行分析，探知試驗因素對覆土合格率影響的主次順序為水平雙向螺旋覆土裝置轉速、刮板升運帶式提土器線速度和聯合機前進速度，獲得提土-全膜面覆土裝置最優作業參數：水平雙向螺旋覆土裝置轉速為432 r/min，刮板升運帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯合機前進速度為0.50 m/s。田間驗證試驗表明，提土-全膜面覆土裝置覆土合格率均值為99.6%，較優化前有顯著提升；應用離散單元法進行提土-全膜面覆土裝置在最優參數條件下的“提土-輸土-覆土”動態作業過程模擬，仿真結果與田間試驗驗證工況基本一致，表明該裝置作業參數的優化計算準確可靠。

馬鈴薯； 提土-全膜面覆土裝置； 離散單元法； 參數優化

引言

馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術適宜于馬鈴薯大壟雙行覆膜種植模式，即馬鈴薯壟作施肥播種覆膜后，在壟體頂部膜面上覆蓋一層厚度為35～45 mm的土壤，使得植株幼苗依靠覆土重力作用而自行穿破地膜完成出苗[1-3]。該農藝技術能夠避免人工二次放苗，節省勞力，有效保證種植馬鈴薯出苗整齊、青薯率低且增產效果顯著。已有研究表明，壟體膜面覆土厚度及其質量是影響該項農藝栽培技術作業效果的關鍵因素之一[3]。

國外馬鈴薯種植機械化程度高，基本無鋪膜覆土作業工序，但其機型大、價格昂貴，不適宜在我國西北旱地馬鈴薯產區應用[4-5]。國內研制了中小型系列化馬鈴薯壟作種植作業機，但關于樣機攜有膜頂全覆土裝置鮮見報道，現有機型均不符合馬鈴薯大壟雙行膜上覆土自然破膜出苗栽培種植新技術要求[6]。目前，覆膜種植機、鋪膜機膜上相關覆土機構主要包括實現交叉排土、孔穴覆蓋、條帶覆蓋功能的內螺旋覆土滾筒，應用于小麥全膜覆土穴播技術的前旋耕鏈板輸土式覆土機構，與玉米全膜雙壟溝播技術相結合的雙壟耕作提土分流覆土機構，與馬鈴薯全膜雙壟溝種植技術配套的刮板升運帶式膜上覆土裝置，由于上述覆土裝備僅能實現在覆膜膜面局部、壟溝和膜側完成覆土作業，因此均達不到在壟作模式下對壟體全膜面覆土的農藝技術條件[7-11]。

本文在研制的全膜面覆土式馬鈴薯播種聯合作業機基礎上，進一步研究聯合作業機相關提土-全膜面覆土裝置工作過程中的提土、輸土與覆土質量，尋求各作業參數對壟體膜頂合格覆土厚度的影響規律，以期達到最優覆土質量的目的，為進一步推廣馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術提供保障。

1 作業過程與建模

1.1 結構組成

全膜面覆土式馬鈴薯播種聯合作業機的結構如圖1所示，主要由提土-全膜面覆土裝置、排肥系統、鏈勺式排種系統、壟體整形裝置、壟體覆膜裝置等部件組成[12]。

圖1 全膜面覆土式馬鈴薯播種聯合作業機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of potato planter combined machine for covering soil on top of full film surface1.懸掛架 2.肥箱 3.排種裝置 4.種箱 5.補種座 6.提土-全膜面覆土裝置 7.膜側覆土圓盤 8.展膜輪 9.覆膜掛接裝置 10.起土鏟 11.壟體整形裝置 12.地輪 13.施肥開溝器

提土-全膜面覆土裝置如圖2所示，位于補種座后方，水平橫跨至聯合作業機后側。該裝置主要由左、右對稱布置的刮板升運帶式提土器，中間橫向連接的水平雙向螺旋覆土器，起土鏟、輸土罩殼及動力傳動系統等組成。

圖2 提土-全膜面覆土裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagrams of mechanism with elevating and covering soil on plastic-film1.左螺旋葉片 2.右螺旋葉片 3.水平雙向螺旋覆土器 4.輸土罩殼 5.刮板升運帶式提土器 6.動力右半軸 7.動力左半軸 8.起土鏟 9.溜土槽

圖3 膜頂覆土作業過程Fig.3 Schematic diagram of operation process of covering soil on plastic-film1.起土鏟 2.刮板升運帶式提土器 3.溜土槽 4.輸土罩殼 5.壟體膜頂覆土層

1.2 作業過程

當聯合機前進作業時(圖3)，提土-全膜面覆土裝置傳動系統促使動力左、右半軸轉動進而帶動刮板升運帶式提土器運轉，并將起土鏟前行所掘起的田間土壤傾斜提升與輸送。當升運土壤輸送至裝置輸土罩殼兩側時，其在水平雙向螺旋覆土器雙側螺旋葉片的居中作用下變向推送，使得土壤順著中置溜土槽不斷滑落，并均勻鋪撒覆蓋至大壟壟體膜頂部位。壟頂覆土寬度要求為800 mm，覆土厚度需保持在35～45 mm之間。

1.3 提土-覆土過程建模

如圖3膜頂覆土作業過程所示，單位時間內壟頂覆土量除與刮板升運帶式提土器線速度、水平雙向螺旋覆土器轉速有關外，聯合機前進速度也是影響覆土合格率的關鍵因素。聯合機前進速度過大，起土鏟與田間土壤互作時間縮短，提土升運量不足，達不到覆土厚度要求，且易引起對覆蓋地膜的拉扯，導致鋪膜覆土作業失效；當聯合機行進較慢時，壟體膜頂容易出現土壤堆積而使得覆土厚度不均勻。課題組前期試驗研究表明，聯合機作業速度控制在0.4～0.6 m/s時，作業性能較高且覆土質量相對穩定[12]。

為進一步解析膜頂覆土作業過程，獲得提土-全膜面覆土裝置作業參數取值范圍，建立其作業過程相關參數方程。

壟體膜頂覆土量[12]為

Q=γlbh

(1)

其中

l=vt

式中Q——壟體膜頂覆土量，kg/h

v——聯合機前進速度，取0.4～0.6 m/s

t——覆膜單位時間，取1 h

γ——土壤(黃綿土)容重，取1 300 kg/m3[11]

l——單位時間內膜頂覆土長度，m

b——膜頂覆土寬度，取0.80 m

h——膜頂覆土厚度，取0.035～0.045 m

由式(1)計算可得Q為52 416～101 088 kg/h。

依據提土-全膜面覆土裝置對稱布置的刮板升運帶式提土結構，結合壟體膜頂覆土量，建立刮板升運帶式提土器、水平雙向螺旋覆土器聯合作業參數與輸土量之間的關系方程[12-13]為

(2)

式中Q1——裝置左側提土、螺旋輸土量，kg/h

Q2——裝置右側提土、螺旋輸土量，kg/h

v1——刮板升運帶式提土器線速度，m/s

B——刮板升運帶寬度，取0.21 m

H——刮板高度，取0.06 m

φ1——刮板升運帶式提土器填充系數，取均值為0.86[13]

k——傾斜系數，刮板升運帶式提土器傾斜角度為45°，查表取0.40[13]

n——水平雙向螺旋覆土裝置轉速，r/min

D——水平雙向螺旋葉片外徑，取0.16 m

S——水平雙向螺旋覆土裝置螺距，取0.10 m

φ2——水平雙向螺旋覆土裝置填充系數，查表取0.50[13]

ε——傾斜輸送系數，取1[13]

由式(2)得出Q1=Q2，為26 208～50 544 kg/h，v1為1.29～2.49 m/s，n為335～646 r/min。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

2016年4月20日，在甘肅省定西市安定區香泉鎮應用全膜面覆土式馬鈴薯播種聯合作業機進行馬鈴薯大壟雙行覆膜種植試驗，對樣機攜有的提土-全膜面覆土裝置作業參數進行試驗優化。選取試驗地面積為0.62 hm2，地勢平坦、無雜草，土壤為黃綿土，含水率為16.86%，土壤容重約為1 300 kg/m3，堅實度小于0.20 MPa。聯合作業機配套動力為29.4 kW的常林沭河SH404型輪式拖拉機，作業速度控制在0.4～0.6 m/s，試驗前對聯合作業機進行調試，將提土-全膜面覆土裝置起土鏟傾角調整為15°，在覆膜掛接裝置上安裝(白色)卷狀地膜(厚度為0.01 mm)，并將膜側覆土圓盤傾角調整至35°進行試驗[12]。

2.2 試驗方法

試驗參照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業質量》標準和馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術對全膜面覆土作業效果的要求(膜頂土壤覆蓋厚度在35～45 mm之間，符合該條件為覆土合格)，以提土-全膜面覆土裝置的覆土合格率為評價指標，進行壟體膜頂覆土試驗。選取100 m×4 m試驗田為測試區，在壟體膜頂選取20 mm×20 mm的面積為一個測試點，應用游標卡尺進行壟體膜頂覆土合格率測定。覆土合格率測定計算式為[7]

(3)

式中Y——覆土合格率，%

K0——覆土合格測試點數，個

K1——總試驗測試點數，個

2.3 試驗設計

依據式(2)計算結果，選取刮板升運帶式提土器線速度x1(1.29～2.49 m/s)、聯合機前進速度x2(0.4～0.6 m/s)和水平雙向螺旋覆土裝置轉速x3(335～646 r/min)作為試驗因素，以覆土合格率Y作為評價指標。試驗采用三因素五水平正交旋轉中心組合優化試驗方法，選取各試驗因素編碼如表1所示，共實施20組響應面分析試驗(表2，x1、x2、x3為因素編碼值)，每組試驗重復進行5次，取5次測試結果的平均值作為試驗結果，通過應用Design-Expert 8.06進行數據處理分析[14-15]。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of factors

3 試驗結果與分析

3.1 回歸模型的建立及檢驗

試驗結果如表2所示，提土-全膜面覆土裝置作業后覆土合格率可達70.8%～96.8%，但其覆土性能及質量變化波動較大。

表2 正交試驗設計分析結果Tab.2 Results of response surface analysis

借助Design-Expert 8.06軟件對試驗結果進行分析，獲得覆土合格率Y的二次回歸模型為

(4)

對式(4)二次回歸模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗，結果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示顯著(Plt;0.05)，** 表示極顯著(Plt;0.01)。

試驗過程中發現，聯合作業機中置溜土槽排出土壤量的多少直接決定了壟體膜面的覆土厚度與質量，因此水平雙向螺旋覆土裝置轉速對溜土槽內合格覆土量的保障至關重要。而刮板升運帶式提土器的左、右對稱布置能夠保證進入水平雙向螺旋覆土裝置的土壤流均勻，使得膜頂覆蓋土壤的厚度適中，對滿足覆土合格率要求起到促進作用。同時，提土-全膜面覆土裝置可根據聯合機前進速度的變化對升運帶式提土器線速度、水平雙向螺旋覆土裝置轉速進行調整，以確保覆土量的合格與穩定。

3.2 模型交互項的解析

根據二次回歸模型式(4)作出各因素之間關系的響應面圖，響應曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱[10,16]，結果如圖4～6所示。

圖5 刮板升運帶式提土器線速度與水平雙向螺旋覆土裝置轉速對覆土合格率的影響Fig.5 Impact of soil elevating scraper belt device speed and level of two-way spiral filling device speed on qualified rate of soil cover

圖6 聯合機前進速度與水平雙向螺旋覆土裝置轉速對覆土合格率的影響Fig.6 Impact of operation machine speed and level of two-way spiral filling device speed on qualified rate of soil cover

由圖4可知，當提土-全膜面覆土裝置作業時，刮板升運帶式提土器線速度在1.30～1.90 m/s之間，聯合機前進速度為0.50～0.60 m/s時，覆土合格率處于較大區域。由響應曲面變化趨勢看出刮板升運帶式提土器線速度對覆土合格率影響明顯大于聯合機前進速度的影響。這主要是在覆土作業過程中刮板升運帶式提土器合理的線速度保證了充足且適宜量土壤的提升、運送，能夠滿足壟體膜頂覆土厚度35～45 mm需求；而聯合機前進速度主要是在覆土厚度滿足要求的前提下盡量保證覆土作業的一致性與均勻性。兩試驗因素對覆土合格率影響權重有所差異，這與方差分析結果相一致。

由圖5可以看出，當刮板升運帶式提土器線速度控制在0.50～0.56 m/s、水平雙向螺旋覆土裝置轉速為398～490 r/min時，裝置覆土合格率較高，由偏回歸分析可以看出，刮板升運帶式提土器線速度和水平雙向螺旋覆土裝置轉速的交互作用對覆土合格率影響并不顯著，與方差分析結果相同。

由圖6可以看出，當聯合機前進速度固定在某一水平，水平雙向螺旋覆土裝置轉速由335 r/min遞增至645 r/min時，覆土合格率呈現出先增大、后減小的總體變化趨勢。產生該現象的主要原因是當水平雙向螺旋覆土裝置轉速逐漸增大時，加快了對提升土壤的輸送速率；在一定轉速范圍內，使得充足土壤通過中置溜土槽滑落對壟體膜頂進行固定與覆蓋，保障了覆土合格率的穩定性。

試驗中發現，水平雙向螺旋覆土裝置在旋轉和隨聯合機前進的同時，沿其軸向兩端同步向中置溜土槽輸送土壤，其運動過程相對復雜。為了進一步分析其作業原理，以該裝置為參考系，規定x軸為輸土方向，y軸為聯合機前進方向，對水平雙向螺旋覆土裝置輸土運動學進行分析(圖7，圖中各變量下標1、2分別表示裝置左側和右側螺旋葉片處)[17-18]。

圖7 水平雙向螺旋覆土裝置速度分解圖Fig.7 Speed decomposition of level of two-way spiral filling device1.左側螺旋葉片 2.右側螺旋葉片 3.左葉片泥土顆粒 4.右葉片泥土顆粒

根據圖7建立水平雙向螺旋覆土裝置輸土運動方程[18]為

(5)

式中vZ——輸送土壤軸向分速度，m/s

vt——輸送土壤周向分速度，m/s

μ——泥土顆粒與螺旋面摩擦因數

r——輸送土壤所在螺旋線的半徑，m

由式(5)可知，當水平雙向螺旋覆土裝置轉速進一步增大時，螺旋輸送土壤的周向分速度變大，容易在垂直于輸送方向產生跳躍翻滾，出現不均勻的“脈動現象”，使得覆土合格率有所降低，這與圖6響應曲面分析結果一致。由偏回歸分析與等高線密度可以得出，水平雙向螺旋覆土裝置轉速對覆土合格率的影響大于聯合機前進速度的影響。

3.3 作業參數優化與試驗驗證

為保證提土-全膜面覆土裝置作業時壟體膜頂覆土合格率為100%，應用Design-Expert 8.06軟件中Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型進行該目標下優化求解，得到提土-全膜面覆土裝置最優作業參數：水平雙向螺旋覆土裝置轉速為432 r/min，刮板升運帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯合機前進速度為0.50 m/s。

為驗證模型式(4)的可靠性，采用提土-全膜面覆土裝置的最優作業參數進行6次覆土性能試驗。試驗結果表明，驗證試驗的覆土合格率均值為99.6%，較優化前覆土合格率(70.8%～96.8%)有明顯提升，表明在優化作業參數條件下能夠避免壟體膜頂覆土厚度的不均勻及“脈動現象”產生，符合馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術要求，因此該回歸模型是可靠的。

4 覆土作業過程仿真

4.1 參數設置

為進一步研究提土-全膜面覆土裝置在應用最優作業參數時的提土、輸土、覆土動態工作特性，采用離散單元法EDEM對裝置覆土作業過程進行數值模擬。其中，覆土土壤顆粒選取球體顆粒建模，其直徑設定為3 mm，土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-升運帶式刮板、壁面接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)，仿真試驗參數如表4所示[19-21]。

仿真時間步長1.405×10-5s，是瑞利時間步的40%，仿真共進行4 s。根據提土-全膜面覆土裝置結構設計，刮板升運帶式提土器單側刮板為10個，兩刮板間距離設置為130 mm，運動通過EDEM中coupling server面板，由動力學耦合來控制，依據作業參數優化值，線速度設為1.56 m/s。在Geometry面板給水平雙向螺旋覆土裝置添加線性旋轉運動，轉速設為432 r/min。顆粒工廠是160 mm×180 mm的長方形平面。單側顆粒工廠每秒生成土壤顆粒數為1.447×107個。

表4 物性及接觸參數Tab.4 Parameters of materials and contact

4.2 提土-全膜面覆土仿真

圖8所示為提土-全膜面覆土裝置在最優作業參數設置下的膜頂覆土仿真過程。

圖8 提土-全膜面覆土過程仿真模擬Fig.8 Simulation operation process of elevating and covering soil on plastic-film

在提土-全膜面覆土模擬仿真前0.5 s內為顆粒生成與刮板升運帶式提土器填充時段。當仿真時間為0.58 s時(圖8c)，刮板升運帶上方土壤已經足量填充并開始逐漸進入水平雙向螺旋覆土裝置；1.02 s時(圖8d)覆土裝置中置溜土槽處出現少量、不連續的土壤顆粒流，此時輸土罩殼內的土壤填充不均勻，水平雙向螺旋覆土裝置兩側土壤堆積較多，而中間部分僅有小部分土壤留存；1.66～2.36 s時(圖8e、8f)中置溜土槽覆土土壤逐步形成連貫顆粒流，且土壤顆粒流量逐漸增大；3.12 s時(圖8g)水平雙向螺旋覆土裝置趨于穩定的覆土輸送狀態，此時同一高度的土壤顆粒流厚度相對均勻一致；3.86 s時(圖8h)水平雙向螺旋覆土裝置達到穩定的工作狀態，經中置溜土槽作用的覆土土壤顆粒流最終呈“幕簾狀”下落，達到壟體膜頂覆土的作業要求。提土-全膜面覆土過程仿真模擬與田間覆土合格率驗證試驗(圖9)基本一致，表明相關參數的優化計算可靠有效。

圖9 覆土合格率驗證試驗Fig.9 Verification test of qualified rate of soil cover

5 結論

(1) 建立了提土-全膜面覆土裝置作業過程關鍵參數方程，確定出優化試驗因素組成及其取值范圍。采用二次旋轉正交組合試驗方法，進行提土-全膜面覆土裝置作業參數優化與試驗，通過試驗優化結果獲得影響覆土合格率的因素由大到小依次為水平雙向螺旋覆土裝置轉速、刮板升運帶式提土器線速度和聯合機前進速度。

(2) 建立了覆土合格率與水平雙向螺旋覆土裝置轉速、刮板升運帶式提土器線速度、聯合機前進速度的二次多項式回歸模型。以壟體膜頂覆土全部合格(Y=100%)為目標，獲得提土-全膜面覆土裝置最優作業參數：水平雙向螺旋覆土裝置轉速為432 r/min，刮板升運帶式提土器線速度為1.56 m/s，聯合機前進速度為0.50 m/s。田間驗證試驗表明，提土-全膜面覆土裝置覆土合格率均值為99.6%，較優化前有明顯提升。

(3)應用離散單元法進行提土-全膜面覆土裝置在最優參數條件下的“提土-輸土-覆土”動態作業過程模擬，仿真結果與田間試驗驗證工況基本一致，表明該裝置作業參數的優化計算可靠有效，作業性能符合馬鈴薯壟作膜上覆土自然破膜出苗栽培技術要求。

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OperatingParameterOptimizationandExperimentofDevicewithElevatingandCoveringSoilonPlastic-film

DAI Fei1ZHAO Wuyun1SONG Xuefeng1XIN Shanglong1LIU Fengjun2XIN Bingbang2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2.JiuquanZhulongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Jiuquan735000,China)

The objectives were to study on operating parameters influence of the covering soil performance and covering soil quality with the device, and analyzing the process and regulation of covering soil on plastic-film, setting up the key parameters equation of process of elevating and covering soil on plastic-film, and determining the test factors and its scope. Quadratic rotation orthogonal combination experiment was carried out. Parameters such as soil elevating scraper belt device speed, operation machine speed, level of two-way spiral filling device speed were selected as independent variables, which would influence qualified rate of soil cover. The mathematical model was established, and then the effects of various parameters and their interactions were analyzed as well. The test results showed that effects order of three parameters on qualified rate of soil cover were as follows: level of two-way spiral filling device speed, soil elevating scraper belt device speed and operation machine speed. The optimal working parameters of device were level of two-way spiral filling device speed of 432 r/min, soil elevating scraper belt device speed of 1.56 m/s and operation machine speed of 0.50 m/s. Confirmatory tests showed that the average value of qualified rate of soil cover was 99.6%, which was promoted significantly compared with that before optimization. Discrete element method was applied to simulate the device with elevating and covering soil on plastic-film dynamic operation process under the condition of optimal parameters of elevating, conveying and covering soil. The simulation result was consistent with the field test conditions, which showed that the device optimization operation parameters calculation was accurate and reliable.

potato; device with elevating and covering soil on plastic-film; discrete element method; parameters optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.011

S223.2

A

1000-1298(2017)11-0088-09

2016-12-18

2017-01-19

農業部公益性行業科研專項(201503105)和甘肅省科技重大專項計劃項目(143NKDF016)

戴飛(1987—)，男，講師，博士生，主要從事北方旱區作物生產裝備工程研究，E-mail: daifei@gsau.edu.cn

趙武云(1966—)，男，教授，博士生導師，主要從事北方旱區作物生產裝備工程研究，E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn