雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機設計與試驗

杜文斌 楊春雷 楊錦鵬 張青松,3 余 君 廖慶喜，3

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.湖北省煙草科學研究院， 武漢 430030；3.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

雪茄煙葉主要分布于湖北、四川、海南等地。作為一種特殊的經濟作物，其生產環節較多，需前期苗床整備，之后人工移栽。目前生產中雪茄煙葉的苗床整備作業專用農機具缺乏，以人工作業為主，主要包括畫線施肥(在預計起壟位置上畫線并沿線施肥)、旋耕碎土、沿線起壟、鋪膜覆土等多道作業工序，其過程復雜，勞動強度大，作業效率低，且壟形不穩定、壟體易松垮倒塌、鋪膜覆土不均勻。同時由于各地土壤環境不同，對壟體高度與壟體堅實度要求也存在較大的差異。人工起壟的局限性與壟體差異性要求制約了雪茄煙葉的產業發展，需要研制一種可實現聯合作業的雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜裝備。

國內外對苗床整備聯合作業進行了大量研究，戴飛等[1-3]針對中國西北旱地的全膜雙壟溝播種植方式研制了橫腰帶覆土式全膜雙壟溝覆膜聯合作業機，可以一次性完成起壟、施肥、噴藥、覆膜和膜上覆土帶的縱向及橫向鋪設；林靜等[4]設計的1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯合作業機可完成深松、滅茬、旋耕、培壟和鎮壓等多項聯合作業，同時實現壟溝和壟臺的互換；孫偉等[5]研制的馬鈴薯施肥播種起壟全膜覆蓋覆土一體機采用跨越式膜上覆土裝置將土壤鏟起并越過覆膜機構實現膜上覆土作業，機組一趟作業形成中間一個小壟和兩側半個大壟；付乾坤等[6]設計的玉米滅茬施肥起壟機采用復式起壟方式，實現滅茬和定向拋土，進一步通過覆土器和鏵式培土器起壟作業，鎮壓輥壟頂鎮壓形成梯形壟；無錫悅田農業機械有限公司研制的YTLM系列起壟鋪膜機起壟高度為10～20 cm；美國Kennoco制造公司研制的草莓高壟耕整機械和高壟覆膜機械通過起壟塑性板被動擠壓起壟，在壤土工況下效果良好；日本久保田農機公司研制的RT-112系列起壟覆膜機單壟作業，結構較為緊湊。目前，國內外對苗床整備聯合作業機的研究主要針對土質為沙壤土的作業環境，壟高不可調且起壟方式多為被動起壟，對偏黏性土工況下的聯合作業機具研究較少。

本文針對我國雪茄煙葉種植苗床整理階段工序繁瑣、農藝要求高、工作量大、效率低且專用機具缺乏，現有苗床整理機具在我國雪茄煙葉種植區域土質為偏黏性土工況下起壟作業效果差的問題，設計一種集旋耕施肥、主動起壟、鋪膜覆土等功能于一體的雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機，以滿足我國雪茄煙葉產區對壟高的不同要求。

1 雪茄煙葉苗床整備農藝要求

雪茄煙葉根系發達，為滿足根系的生長空間需求，種植中常采用起壟的作業方式來為其提供松軟的土壤環境。根據農藝要求，壟形為拱形，以滿足后期田間管理中的培土作業。

為獲取適宜于雪茄煙葉生長的拱形壟尺寸，在人工起壟種植的雪茄煙葉產區中隨機選取10株長勢相同的成熟期雪茄煙葉，垂直于壟的方向挖出壟體斷面，在斷面上建立坐標系并對根系外輪廓進行坐標點采集，如圖1所示。將采集到的坐標點進行外輪廓曲線擬合，得出雪茄煙葉根系上部外形輪廓近似于拋物線形。通過對根系測量發現，雪茄煙葉根系有70%～80%密集于地表下300 mm的土層內，密集寬度范圍為250～700 mm，如圖2所示。

圖1 雪茄煙葉根系坐標點采集Fig.1 Cigar tobacco root coordinate point collection

圖2 壟形及雪茄煙葉根系分布示意圖Fig.2 Distribution schematic of ridge shape and cigar root1.肥料 2.雪茄煙葉根系

壟高和壟寬對雪茄煙葉根系生長有較大影響，通過查閱相關文獻及對我國雪茄煙葉產區壟體參數測量分析得出我國雪茄煙葉種植的適宜壟高在300 mm左右[7-8]，壟基寬度在700 mm左右。雪茄煙葉成熟期葉片長約450 mm，寬約350 mm，為避免生長期因葉片互相遮擋影響吸光均勻性，要求雪茄煙葉種植壟間距為1 200 mm。由于我國不同雪茄煙葉產區的降雨量、土壤類型及耕層深度差異較大，壟高及壟體堅實度常根據實際種植狀況進行相應調整，如在降雨較多的丘陵地區，為防止雨水沖刮壟體[9]，會壓低壟體，提高壟體堅實度；在耕層較淺的區域為滿足起壟土量要求，會降低壟體高度，因此壟體高度需適時調整。

雪茄煙葉生長需要持續供應養分，在湖北省興山和保康地區的試驗結果表明，從煙葉長勢和經濟性來看，底肥雙側深施優于底肥環施和底肥單側深施[10]。根據雪茄煙葉根系分布及農藝要求，雙側肥料在壟體內的施入位置以雪茄煙葉莖稈為中心對稱分布，施入位置距離壟頂約150 mm，如圖2所示。地膜覆蓋有利于保溫保墑，促進土壤中有機物釋放與根系生長[11-12]。根據農藝要求，地膜需均勻鋪至壟上，膜邊覆土緊實穩定，避免劃膜、扯膜、漏覆等情況造成后期大風揭膜的問題。因此同時滿足起壟、深施肥、覆膜等功能，且實現壟高可調，以滿足雪茄煙葉不同產區對壟高的差異化要求是雪茄煙葉苗床機械化整備作業的根本要求。

2 整機結構與工作原理

2.1 整機結構

雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機主要由主機架、三點懸掛裝置、刮土板、液壓裝置、旋耕集土起壟裝置、深施肥裝置、整形鎮壓裝置、鋪膜覆土裝置等組成，結構如圖3所示。其中，旋耕集土起壟裝置由收土圓盤、旋耕刀組、起壟成形板組成；深施肥裝置由肥箱、排肥管、電動排肥器及深施肥鏟構成；整形鎮壓裝置由整形鎮壓輥、可調式傳動結構組成；鋪膜覆土裝置由劃土鏟、掛膜架、展膜輥、弧形壓邊輪、覆土圓盤等組成。該機主要結構參數如表1所示，其中旋耕集土起壟裝置可滿足起壟作業要求，整形鎮壓輥與壟形及壟體質量有密切聯系，可調式傳動結構是實現壟高可調的關鍵，鋪膜覆土裝置保證了壟上鋪膜作業質量。

圖3 雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機結構示意圖Fig.3 Structure schematic of cigar tobacco adjustable seed-plot ridging and film spreading machine1.整形鎮壓輥 2.起壟成形板 3.深施肥鏟 4.液壓裝置 5.收土圓盤 6.排肥管 7.肥箱 8.劃土鏟 9.掛膜架 10.展膜輥 11.弧形壓邊輪 12.覆土圓盤 13.刮土板

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

2.2 工作原理

雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機由輪式拖拉機的動力輸出軸(PTO)提供動力，一次作業起2條壟。作業時，機具兩側的土壤在兩個收土圓盤作用下向機具中間聚攏；旋耕刀切土并向后拋出；電動排肥器同步排肥，肥料經排肥管、深施肥鏟條施于規定深度的土層中；耕后土壤在起壟成形板刮壓作用下覆蓋肥溝并形成初步壟體；拖拉機PTO動力通過可調式傳動結構傳遞至整形鎮壓輥，主動旋轉鎮壓初步壟體獲得具有合適平整度和堅實度的壟體；兩側壟底位置上的土在劃土鏟作用下被推移至外側，為后續膜邊覆土做土量儲備；掛膜架上的地膜被動扯出，經由展膜輥、弧形壓邊輪和覆土圓盤，實現地膜壓邊和膜邊覆土，最終完成地膜壟上鋪設，如圖4所示。

圖4 雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機工作原理圖Fig.4 Working principle for cigar tobacco adjustable seed-plot ridging and film spreading machine1.未耕地表 2.已耕地表 3.初步壟形 4.鎮壓后壟形 5.帶膜壟體 6.壟溝

3 關鍵裝置設計與參數分析

3.1 旋耕集土起壟裝置

旋耕集土起壟裝置是可調式苗床起壟鋪膜機的核心工作部件，可為苗床整備提供所需的土量并形成初步壟體。根據雪茄煙葉拱形壟農藝要求，結合雪茄煙葉根系上部外形輪廓為拋物線形，設計壟體斷面形狀為直線-拋物線-直線形，如圖5所示。圖中H1為鎮壓后壟體高度，H2為農藝中墑面高度(距離壟底2/3壟高)，a為墑面寬度，b為壟基寬度，S1為鎮壓后壟體斷面下部梯形面積，S2為鎮壓后壟體斷面上部拋物線區域面積。

圖5 壟體斷面示意圖Fig.5 Schematic of ridge section

旋耕深度是影響壟高及壟形穩定性的主要因素，旋耕刀切土節距對碎土率及壟體質量有直接影響[13]，旋耕刀的排列方式不僅可以實現土壤定向拋撒，滿足成壟需求，還能保持機組作業平衡。

3.1.1旋耕集土作業參數分析

旋耕深度決定了取土量，由于旋耕作業對土壤進行了疏松，起壟成形板及整形鎮壓輥對土壤又進行了壓實，結合作業前后土壤堅實度差異性，得出旋耕取土體積應小于等于鎮壓后壟體體積。在理論分析中以旋耕取土及鎮壓后壟體斷面面積進行分析計算。由圖5可得鎮壓后壟體斷面面積S為

S=S1+S2

(1)

(2)

(3)

旋耕取土斷面面積為

S′=ch

(4)

式中c——旋耕幅寬，mm

h——旋耕深度，mm

當旋耕取土量滿足起壟土量要求時，鎮壓后壟體斷面面積與旋耕取土斷面面積關系為[14-16]

2S=kakbS′

(5)

式中ka——土壤孔隙度相關系數

kb——土壤堅實度相關系數

將式(1)～(5)合并整理，可得旋耕深度h應滿足

(6)

將鎮壓后壟體相關參數代入式(6)中，其中土壤孔隙度系數ka與旋耕作業前后土壤容重有關，常取1.2～1.3[17]，土壤堅實度系數kb常取0.8～1[18]，根據農藝要求，取鎮壓后壟體高度H1為300 mm，墑面高度H2為200 mm，墑面寬度a為400 mm，壟基寬度b為700 mm，旋耕幅寬c為2 300 mm，最終求得旋耕深度h為115～150 mm。

機具作業時，旋耕刀運動為機具前進和自身旋轉的復合運動，其軌跡為余擺線。同一回轉平面內的旋耕刀切削土壤時入土點的距離為切土節距ls[19]，其計算公式為

(7)

式中n——刀軸轉速，r/min

v——機組前進速度，m/s

Z——同一回轉平面內刀片數量，把

農藝要求中，針對不同土壤類型與含水率的工況會選擇不同的切土節距，如中等黏性土壤的麥田，切土節距在100 mm左右；耕后直播水稻或含水率超過35%的中等黏土稻田，切土節距為60～90 mm[20]。雪茄煙葉苗床整備對碎土率要求較高，取切土節距ls為50～70 mm。

當切土節距一定時，根據式(7)可得旋耕刀組轉速與機具前進速度關系為

(8)

式(8)可為后續機具各部件的運行參數匹配提供參考。

3.1.2旋耕刀片排列方式

旋耕集土起壟作業性能與旋耕刀片排列方式密切相關[21]。本設計中旋耕刀組采用中間傳動作業方式，分左右旋耕刀組，為避免裝配干涉，左右旋耕刀組均采用雙頭螺旋排列。為保證土壤向壟中心線方向遷移，調整左右旋耕刀組兩端各2排旋耕刀片旋向指向壟中心線方向，作業時可將兩側土壤側拋至壟中心區域；中間10排旋耕刀片采用傳統左右旋安裝方式，將土壤向正后方拋撒，刀片排布圖如圖6所示。

圖6 旋耕刀組刀片排布示意圖Fig.6 Structure rotary tillage blade set blade layout

左右旋耕刀組刀片數量均為28把，同一回轉平面內兩把刀夾角取180°，同一螺旋線軸向相鄰兩刀片夾角為65°，間距為75 mm。為提高起壟作業性能，結合旋耕深度，參考GB/T 5669—2017《旋耕機械 刀和刀座》，選用Ⅱ T245型旋耕刀。

3.2 整形鎮壓輥設計

旋耕集土起壟裝置作業后僅靠起壟成形板刮壓耕后聚集的土壤形成的初步壟體穩定性較差，壟體土壤易流下且壟面不平整。整形鎮壓輥可對初步壟體鎮壓整形，獲得堅實度合理、壟形穩定、壟面平整的壟體。整形鎮壓輥的運動狀態為隨機具前進和自身旋轉的合成運動，其整體結構為回轉結構，由兩端鎮壓圓盤和中間鎮壓弧形輥組成，如圖7a所示。

圖7 整形鎮壓輥作業示意圖Fig.7 Compacting ridging schematics of shaping roller1.鎮壓圓盤 2.中間弧形鎮壓輥

整形鎮壓輥作業過程中不考慮滑動的情況下，其與土壤接觸的位置可分為兩個區域，如圖7b所示。區域Ⅰ的土壤顆粒在整形鎮壓輥的摩擦力和向下的壓力作用下按照圖中順時針方向下移，進而引起壟體下陷；區域Ⅱ的土壤顆粒由于靠近表層，所受整形鎮壓輥的壓力較小，摩擦力相對較小，同時土壤顆粒間發生相互擠壓，引起該區域的土壤顆粒按照逆時針方向移動，導致土壤向前拱起，當土壤顆粒拱起角度大于土壤休止角時開始下滑，此時整形鎮壓輥在向前滾動的同時將下滑的土壤顆粒鎮壓，以此形成較為穩定的壟形。在整形鎮壓過程中，壟體下陷量越大，區域Ⅱ的范圍越大[22]，拱土現象越嚴重，壟體穩定性變差，因此整形鎮壓輥作業前后高度差對壟體穩定性有重要影響，同時整形鎮壓輥的外形曲線決定了壟體形狀，其回轉半徑也是影響整形鎮壓作業質量的重要因素。

3.2.1外形曲線設計

整形鎮壓輥與壟體接觸的曲線為整形鎮壓輥外形曲線，同時也是壟體斷面曲線。根據上述壟體斷面曲線形狀，設計整形鎮壓輥外形曲線為直線-拋物線-直線三段式曲線，建立如圖8所示的直角坐標系xOz。第1段A′B′選取直線，對應左鎮壓圓盤；第2段B′C′D′選取拋物線，對應中間鎮壓弧形輥；第3段D′E′選取直線，對應右鎮壓圓盤。取各段端點坐標為A′(x1,0)、B′(x2,z2)、C′(0,z3)、D′(x4,z2)、E′(x5,0)。

圖8 整形鎮壓輥曲線形狀與參數Fig.8 Curve shape and parameters of shaping roller

曲線方程為

(9)

式中k1、c1、p、q、k2、c2——常數

綜合圖5與圖8可得

(10)

聯立方程(9)、(10)可得

(11)

將雪茄煙葉苗床農藝參數代入式(11)中，求出常數k1=1.33，c1=c2=466.67，p=-2.5×10-3，q=300，k2=-1.33，得到整形鎮壓輥外形曲線方程。該方程可為整形鎮壓輥的加工制造提供理論基礎，對于有特殊農藝要求的壟形可根據壟高、壟底寬等相關參數進行調整，以滿足實際需求。

3.2.2回轉半徑設計

圖9 整形鎮壓作業受力分析Fig.9 Force analyses of compacting ridging assembly

簡化力學模型，其平衡關系應滿足

(12)

其中

式中Fx——整形鎮壓輥沿x軸方向所受力，N

Fz——整形鎮壓輥沿z軸方向所受力，N

MxOz——整形鎮壓輥在xOz平面所受力矩，N·m

pN1——中間鎮壓弧形輥對壟體頂部壓力，kPa

pN2——鎮壓圓盤對壟體側面壓力，kPa

S3——中間鎮壓弧形輥與壟體頂部作用面積，mm2

S4——鎮壓圓盤與壟體側面作用面積，mm2

Mm——整形鎮壓輥主動力矩，N·m

hr——Ff1到x軸距離，mm

l——Ff2到x軸距離，mm

μ——整形鎮壓輥與土壤間摩擦因數

整形鎮壓輥的轉動取決于主動力矩Mm。在鎮壓整形過程中，整形鎮壓輥應持續向前滾動，其所受支持力與摩擦力較為恒定，對其力矩進行分析，其關系應滿足條件

(13)

選取整形鎮壓輥極限摩擦力來求解系統主動力矩，假設

(14)

其中

(15)

式中R1——鎮壓圓盤最大回轉半徑，mm

R2——中間鎮壓弧形輥最小回轉半徑，mm

R3——中間鎮壓弧形輥最大回轉半徑，mm

δ——中間鎮壓弧形輥及鎮壓圓盤厚度，mm

ρ——整形鎮壓輥材料密度，kg/m3

L——鎮壓圓盤母線長度，mm

g——重力加速度，m/s2

z(y)——中間鎮壓弧形輥在圖9b坐標系下的曲線方程

z′(y)——中間鎮壓弧形輥曲線方程的導數

將式(13)～(15)整理可得

(16)

由式(16)可知，整形鎮壓輥的主動力矩與材料密度ρ、材料厚度δ、整形鎮壓輥-土壤間摩擦因數μ、整形鎮壓輥的最小回轉半徑R2有關。由于整形鎮壓輥選用材料厚度δ為3 mm，材料密度ρ=7.85×103kg/m3，摩擦因數μ為0.4[17]，因此整形鎮壓輥的主動力矩與最小回轉半徑R2呈正相關關系。

整形鎮壓輥的回轉半徑不僅與主動力矩有關系，還對壟體質量有重要影響，半徑過小，與壟體接觸時間過短，鎮壓不充分，壟體質量較差；半徑過大，所需主動力矩增大，且整形鎮壓輥結構及質量過大，導致整機重心后移。為保證整形鎮壓輥與壟體充分接觸，結合整機結構尺寸，選取整形鎮壓輥最小回轉半徑R2=80 mm，e=30 mm，根據其外形曲線參數可得R3=180 mm，R1=380 mm，L=250 mm。

3.3 傳動裝置設計

3.3.1可調式傳動裝置結構及壟高調節原理

為滿足雪茄煙葉不同產區對壟高及壟體堅實度的不同要求，本文以苗床高度可調為目標，設計了可調式傳動結構。該結構由包絡式護土板、螺旋調節桿、調節橫梁、傳動系統、旋轉軸和左右側傳動板構成。其中，包絡式護土板通過螺栓固定在旋耕集土起壟裝置的出土口位置處，螺旋調節桿一端通過銷軸固定于三點懸掛上，另一端與調節橫梁連接；調節橫梁固定于兩塊側傳動板之間；左右側傳動板安裝于主機架兩側并可繞旋轉軸轉動；傳動系統由萬向聯軸器、中間傳動軸和鏈條傳動單元組成，通過將其固裝于右側傳動板上，使傳動系統可隨側傳動板繞旋轉軸同步轉動。如圖10a所示。

圖10 整形鎮壓裝置可調式傳動裝置結構與運動簡圖Fig.10 Structure and movement sketches of adjustable drive for shaping device1.左側傳動板 2.包絡式護土板 3.調節橫梁 4.螺旋調節桿 5.萬向聯軸器 6.中間傳動軸 7.旋轉軸 8.右側傳動板 9.整形鎮壓輥

整形鎮壓輥作業高度通過調節螺旋調節桿長度，控制調節橫梁與左右側傳動板繞旋轉軸轉動，安裝于左右側傳動板之間的整形鎮壓輥同步以旋轉軸為軸線進行轉動，進而實現上下調節。將可調式傳動結構進行簡化分析，如圖10b所示，實線為可調式傳動結構原狀態，雙點畫線為調節至最低點時的狀態；EP、EP′為調節前后螺旋調節桿；PN、P′N′為調節前后側傳動板；EG為主機架；G為旋轉軸鉸接點；β為整形鎮壓輥調節前后對應圓心角；γ為整形鎮壓輥調節至最低點時GV′與豎直方向間的夾角；hN為整形鎮壓輥調節高度。調節過程中，將三點懸掛裝置及主機架簡化為固定件，螺旋調節桿長度通過自身螺旋副來改變，但其僅在同一平面內實現伸縮運動，因此可將其簡化為移動副。該系統中活動桿件數量為3，4個鉸接點均為低副連接，通過分析計算機構整體自由度為1，滿足機械運動要求。

整形鎮壓輥調節高度與旋轉軸鉸接點至整形鎮壓輥中心距離lGV、整形鎮壓輥調節至最低點時GV′與豎直方向間夾角γ、整形鎮壓輥調節前后對應圓心角β有關，根據圖10b關系可得，整形鎮壓輥調節高度hN為

hN=lGV(cosγ-cos(γ+β))

(17)

結合整機結構尺寸及可調式傳動裝置調節整形鎮壓輥作業高度范圍，設計壟體最低壟高為270 mm，確定lGV=550 mm、γ=62°、β=7°，得整形鎮壓輥調節高度hN為60 mm，故壟高范圍為270～330 mm。

3.3.2轉速關系確定及傳動比設計

機具前進速度、旋耕集土起壟作業轉速和整形鎮壓輥轉速的速度匹配是影響壟體質量的重要因素。鎮壓整形作業中，若整形鎮壓輥在向前滾動的同時出現相對滑動，則土壤也會被整形鎮壓輥向前拱動，導致整形后壟體凹凸不平，為保證壟形穩定，對整形鎮壓輥進行運動學分析。整形鎮壓輥要持續向前滾動而無相對滑動，應滿足條件

ω1R≥v

(18)

式中ω1——整形鎮壓輥旋轉角速度，rad/s

R——整形鎮壓輥回轉半徑，mm

由于整形鎮壓輥具有不同回轉半徑，與壟體接觸位置處的線速度不同，其中中間位置處對應的線速度最小。為保證整形鎮壓輥持續滾動，則中間位置處的線速度應不小于機具前進速度，將其半徑R2代入式(18)中，可得

(19)

式中n1——整形鎮壓輥轉速，r/min

由式(19)可得，在整形鎮壓輥保持滾動的情況下，整形鎮壓輥轉速與機具前進速度成正比。由于雪茄煙葉苗床整備作業對壟體質量要求較高，需保證整形鎮壓輥與壟體充分接觸，為滿足該要求，同時考慮整形鎮壓輥轉速范圍，取整形鎮壓輥轉速與機具前進速度的比值為

(20)

(21)

將相關數據代入式(21)中，可得整形鎮壓輥轉速與旋耕刀組轉速比約為1∶2。

雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機總體傳動路線如圖11所示。整機動力由拖拉機PTO輸入，經萬向聯軸器與中央齒輪箱連接，通過錐齒輪變向分兩條傳動路線，一條傳至中央齒輪箱下方，帶動旋耕刀組轉動，實現旋耕集土起壟作業；另外一條由中央齒輪箱側邊輸出，通過萬向聯軸器傳遞至中間傳動軸，再經鏈條傳動單元傳遞至整形鎮壓輥進行鎮壓作業。

圖11 雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機傳動示意圖Fig.11 Transmission scheme of cigar tobacco adjustable seed-plot ridging and film spreading machine1.中央齒輪箱 2.萬向聯軸器 3.鏈條傳動單元 4.整形鎮壓輥 5.右旋耕刀組 6.左旋耕刀組

動力輸入端與旋耕刀組傳動比為

(22)

動力輸入端與整形鎮壓輥傳動比為

(23)

整理式(22)和式(23)，可得旋耕刀組與整形鎮壓輥作業轉速比為

(24)

式中Z1～Z5——中央齒輪箱各齒輪齒數

Z6、Z7——鏈條傳動單元中鏈輪齒數

由整形鎮壓輥與旋耕刀組轉速匹配關系為1∶2對傳動比進行分析設計，結合中央齒輪箱標準要求，選配中央齒輪箱各齒輪齒數為Z1=14、Z2=24、Z3=13、Z4=35、Z5=17，鏈條傳動單元中鏈輪齒數分別為Z6=14、Z7=36。

3.4 鋪膜覆土裝置

地膜在掛膜架上被動扯出并在展膜輥作用下覆于壟體上，兩邊緣被弧形壓邊輪壓至壟底位置，向兩側張緊；覆土圓盤被動旋轉作業，將壟溝中的土壤積聚，抬升再翻轉至地膜邊緣完成膜邊覆土，其作業示意圖如圖12所示。

圖12 鋪膜覆土裝置作業示意圖Fig.12 Diagram of operation of film mulching device1.壟體 2.展膜輥 3.地膜 4.掛膜架 5.機架 6.弧形壓邊輪 7.覆土圓盤

3.4.1弧形壓邊輪設計

地膜面內剛度大，承受剪切形變容易引起破損，為避免壓邊作業中壓邊輪對地膜造成剪切形變，將壓邊輪設計為弧形壓邊輪，減小膜邊C處的分布載荷，如圖13a所示。

圖13 弧形壓邊輪Fig.13 Curved blank holder wheel1.帶膜壟體 2.弧形壓邊輪

弧形壓邊輪的作業效果由截面曲線形狀與壓力共同決定。將弧形壓邊輪截面曲線形狀設計為拋物線形，如圖13a所示，其曲線方程與最大下陷量Zmax、壓邊寬度By有關。結合雪茄煙葉種植農藝要求、壟形特點及地膜寬度，地膜的最大壓邊寬度By=60 mm。 壓邊輪寬度Bl應不小于地膜壓邊寬度By，取Bl=60 mm。由于弧形壓邊輪作用于耕后土壤，土質較為松軟，取最大下陷量Zmax=10 mm。以弧形壓邊輪截面弧線段兩端點連線的中心為坐標原點建立直角坐標系，其拋物線段方程為

(25)

3.4.2弧形壓邊輪總載荷分析

通過積分計算可得弧形壓邊輪的總載荷Q為

(26)

式中q1——弧形壓邊輪最大分布載荷，N/m

當弧形壓邊輪引起下陷量較小時，其下陷量計算公式為[23]

(27)

其中

K=α(1+0.27Bl)

式中D——壓邊輪直徑，cm

K——土壤特性系數

α——與土壤特性相關的系數

壓邊輪直徑過小會導致壓邊不充分等問題，其合理直徑在200～500 mm中選取[24]。結合整機結構尺寸與農藝要求，在確保工作穩定性和作業性能前提下選取弧形壓邊輪直徑D為225 mm。耕后土壤特性相關系數α=1.01，將弧形壓邊輪各結構及工作參數代入式(27)得總載荷Q=41.84 N。

弧形壓邊輪與地膜的接觸區域僅為弧形壓邊輪上的一段，其接觸情況如圖13b所示。將其接觸面的展開平面近似看作矩形，面積Sc計算式為

Sc=lIJlIT

(28)

其中

(29)

式中lIJ——展開面寬，cm

lIT——展開面長，cm

f′(x)——弧形壓邊輪截面曲線方程的導數

θ——弧形壓邊輪與地膜接觸區域對應接觸角，rad

將式(29)代入式(28)可得

(30)

將弧形壓邊輪直徑D=225 mm、最大下陷量Zmax=10 mm、壓邊輪寬度Bl=60 mm代入式(30)中，計算可得弧形壓邊輪與地膜的接觸面積為Sc=34.64 cm2。

保證地膜不破裂的條件為

(31)

式中Y——地膜耐破度，kPa

通過計算，弧形壓邊輪作用在地膜上的壓力為12.08 kPa，遠小于地膜的耐破度[25-27]。

3.4.3覆土圓盤設計

覆土圓盤在機具牽引作用下積聚壟溝土壤并完成土壤側翻，實現膜邊覆土。覆土質量與圓盤偏角φ、圓盤傾角ξ、圓盤直徑Dy有密切關系，如圖14所示。圓盤偏角φ是指覆土圓盤與前進方向之間的夾角，圓盤偏角越大，翻土、碎土能力越強，但牽引阻力也就越大，其值范圍為40°～45°[20]。結合前期劃土鏟將部分土壤刮至壟溝用作覆土土量儲備，覆土圓盤對壟溝土壤切土，碎土要求質量不高，選取覆土圓盤偏角為φ=40°。圓盤傾角ξ是指覆土圓盤與鉛垂面之間的夾角，傾角越大，越有利于土垡的竄動，膜邊覆土能力越強。其值范圍為15°～25°，由于壟溝土壤較為松軟，切土抬升所需阻力不大，設計圓盤傾角為ξ=15°。

圖14 覆土圓盤工作示意圖Fig.14 Schematic of structural angle of soil covered disc

覆土圓盤直徑Dy與入土深度Zy及膜邊覆土寬度Bm有關。為保證膜邊覆土質量，防止因覆土不嚴造成大風揭膜的情況，要求覆土圓盤的作業幅寬Bw不小于覆土寬度Bm。由幾何關系可知，覆土圓盤的作業幅寬為

(32)

根據農藝及地膜寬度要求，覆土寬度Bm=60 mm，本設計中為保證膜邊覆土質量，將覆土圓盤作業幅寬Bw設計為70～80 mm，入土深度Zy=15 mm。代入式(32)中，可計算得出覆土圓盤直徑Dy為206～265 mm，根據覆土圓盤安裝參數要求，取Dy=250 mm。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為驗證可調式苗床起壟鋪膜機作業性能，于2021年5月25日在湖北省丹江口市習家店鎮五龍池村長城雪茄“醇甜香”品類原料基地(工況1)，2021年6月1日在華中農業大學現代農業科學試驗基地(工況2)開展雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機田間試驗。其中工況1試驗田塊常年種植雪茄煙葉，工況2試驗田塊常年種植冬油菜，試驗前各田塊工況如表2所示。

表2 試驗田塊工況參數Tab.2 Working condition parameters of test field

根據湖北省丹江口雪茄煙葉產區農藝指導要求，工況1的起壟高度需調整至280 mm，由于工況2與工況1土壤墑情及氣候等條件較為一致，設定兩種工況下的田間試驗起壟高度為280 mm。試驗前對可調式苗床起壟鋪膜機進行調試，在肥箱中加入固體顆粒復合肥,在掛膜架上安裝地膜(膜寬1.1 m，厚度0.01 mm)，并牽拉至展膜輥下，貼地展平覆土。可調式苗床起壟鋪膜機配套動力分別為常發農裝CFF1204型和東方紅954型輪式拖拉機，通過調節拖拉機擋位和手油門位置，使拖拉機速度維持在3.0 km/h。

試驗按照YC/T 569—2018《煙草田間作業機械選型測試規程》標準要求，機組直線行走40 m，如圖15所示，取中間行程30 m作為穩定測量區，沿測區一側選取測點并測量記錄相關試驗數據。試驗指標有：壟高、壟基寬、壟距、壟溝寬及膜邊覆土寬度，同時考察可調式苗床起壟鋪膜機旋耕集土起壟裝置、深施肥裝置和鋪膜覆土裝置的工作運轉情況。

圖15 雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機田間試驗效果Fig.15 Field experimental results of cigar tobacco adjustable seed-plot ridging and film spreading machine

4.2 試驗結果與分析

雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機田間試驗結果如表3所示。試驗結果表明：旋耕集土起壟裝置與整形鎮壓裝置配合作業形成的壟體平均壟高為277.4 mm、壟基寬為701.8 mm、壟距為1 230.2 mm、壟溝寬為514.4 mm，各參數的穩定性系數均高于94%；膜邊覆土穩定均勻，兩種工況下膜邊覆土寬度分別為71.7、75.6 mm，穩定性系數分別為88.87%、87.00%。試驗指標均滿足國家及行業相關標準要求。該機具實現了一次作業完成多道工序，同時還滿足了雪茄煙葉產區對不同起壟高度的要求，其作業形成的苗床可滿足雪茄煙葉種植。30 d的雪茄煙葉苗期及成熟期長勢如圖16所示。

表3 田間試驗結果Tab.3 Result of field experiment

圖16 不同時期雪茄煙葉長勢Fig.16 Cigar tobacco growth diagrams at different periods

試驗過程中發現，當機具沿直線勻速穩定前進時，樣機各關鍵裝置性能穩定，運行平穩。當土壤含水率較大時，覆土圓盤因粘土較多，翻土覆膜能力降低，這也是導致膜邊覆土穩定性相對較低的主要因素之一。

5 結論

(1)在融合雪茄煙葉苗床整備工藝流程及農藝要求的基礎上，研制了雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機。整機由旋耕集土起壟裝置、深施肥裝置、鋪膜覆土裝置等組成，可實現旋耕、深施肥、起壟、鋪膜及膜邊覆土的一體化作業，同時還滿足雪茄煙葉產區對起壟高度及壟體堅實度的差異性要求。

(2)根據作業要求，計算得出了機具耕深為115～160 mm，分析了雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機旋耕切土節距，確定了旋耕刀的排布方式；針對壟形要求，設計整形鎮壓輥外形曲線為“直線-拋物線-直線”形，并通過力學分析確定了整形鎮壓輥回轉半徑；為滿足雪茄煙葉產區對壟高及壟體堅實度可調的要求，提出了可調式傳動結構，闡述了調節原理，匹配了機具前進速度、旋耕集土起壟作業轉速及整形鎮壓輥轉速間的關系，并進一步分析設計了傳動系統及傳動比；通過對地膜破裂影響因素的分析，確定了弧形壓邊輪直徑為225 mm，寬度為60 mm，結合膜邊覆土影響因素的研究，確定了覆土圓盤偏角為40°、圓盤傾角為15°、圓盤直徑為250 mm。

(3)田間試驗表明，雪茄煙葉可調式苗床起壟鋪膜機的旋耕集土起壟裝置與整形鎮壓裝置配合作業形成的壟體平均壟高為277.4 mm、壟基寬為701.8 mm、壟距為1 230.2 mm、壟溝寬為514.4 mm，各參數的穩定性系數均高于94%；膜邊覆土穩定均勻，兩種工況下的平均膜邊覆土寬度分別為71.7、75.6 mm，穩定性系數分別為88.87%、87.00%。試驗指標均滿足國家及行業相關標準要求，苗床質量達到雪茄煙葉種植要求。