小型電動覆膜機設(shè)計與試驗

符德龍　王震　吳雪君　張富貴　吳雪梅　黃蘭

摘要：貴州煙區(qū)煙草種植多采用人工方式覆膜，作業(yè)成本高、勞動強度大、機械化水平低。為解決這一問題，根據(jù)貴州煙草種植農(nóng)機農(nóng)藝融合要求，研制了一款小型電動覆膜機，并簡述了覆膜機的結(jié)構(gòu)和工作原理。覆膜機采用主動培土方式實現(xiàn)覆土，分析了培土刀刀軸軸線與水平面夾角對覆膜質(zhì)量的影響；通過EDEM軟件對培土刀的入土過程進行仿真分析，確定了培土機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。田間試驗結(jié)果表明，當(dāng)覆膜機培土刀刀軸軸線與水平面夾角為5°時，覆膜后壟基寬、壟頂寬、壟高、覆土寬度、透光面寬度的穩(wěn)定性系數(shù)均大于80%，斷條率小于5%。

關(guān)鍵詞：覆膜機；電動；主動覆土；田間試驗

中圖分類號：S223.5文獻標(biāo)志碼：A地膜覆蓋技術(shù)在提高土地利用率、水分利用效率和農(nóng)作物產(chǎn)量方面具有廣泛應(yīng)用［1］。但人工覆膜存在效率低、作業(yè)成本高、勞動強度大等問題，已逐漸轉(zhuǎn)向機械化作業(yè)。覆膜機類型眾多，結(jié)構(gòu)不同?？梢詮慕Y(jié)構(gòu)和功能上將其分為單一型和聯(lián)合型［2］。單一型覆膜機主要由機架、動力傳動系統(tǒng)、覆膜機構(gòu)、壓膜機構(gòu)和覆土機構(gòu)等組成。其中，石鐵等［3］設(shè)計的1M-1型大小壟通用覆膜機適合山區(qū)、小田塊地區(qū)使用。聯(lián)合型覆膜機常見的有施肥覆膜機、起壟覆膜機和播種覆膜機等。安世才等［4］設(shè)計的1MLQS-40/70型全膜雙壟溝鋪膜機比4人力作業(yè)組效率提高30多倍。1QLFM-2型甘薯起壟覆膜機的起壟覆膜效果比人工高出15%，甘薯整體品質(zhì)提升20%［5］。2BSKQM-2型雙壟開溝全覆膜施肥精量播種機采用膜上扎孔播種，能夠調(diào)節(jié)覆土量，機具能夠連續(xù)平穩(wěn)作業(yè)［6］。

貴州植煙區(qū)土壤板結(jié)嚴(yán)重、土塊大，導(dǎo)致起壟后的壟體不飽滿［7］。已有的覆膜機覆膜高度和厚度達不到煙草種植農(nóng)藝要求，存在機具笨重、操作調(diào)試復(fù)雜等問題［8］。為了減輕煙農(nóng)的勞動強度、降低用工成本、減少燃油廢氣排放，研制了一款小型電動覆膜機，可拆卸式的充電電池組減輕了整機重量。

1整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

小型電動覆膜機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機器采用行走輪和限深輪作為支撐，設(shè)有支模架、壓膜輪、耕深調(diào)節(jié)架、壟體整形裝置、主動培土裝置、扶手裝置、電池儲存裝置以及行走裝置。其中，限深輪、壓膜輪和行走輪均配備左右對稱的兩個。行走裝置主要由電池、驅(qū)動電機、傳動軸、傳動鏈等組成，用于覆膜機行走。耕深調(diào)節(jié)架和限深輪可調(diào)節(jié)培土深度和轉(zhuǎn)向。支膜架用于掛接地膜。壓膜輪用于壓緊地膜。培土裝置主要由培土電機、培土刀架支撐板和培土刀組成，用于主動培土。覆膜機的作業(yè)參數(shù)如表1所示。

1.2工作原理

電動覆膜機作業(yè)時，驅(qū)動軸通過鏈傳動帶動驅(qū)動輪前進，同時兩個培土刀電機帶動培土刀旋轉(zhuǎn)，將地壟兩側(cè)土壤進一步打碎并拋至地壟邊緣，以完成培土作業(yè)功能。

作業(yè)開始時，拉出一段地膜，壓入土中，隨后啟動機器，地膜卷開始轉(zhuǎn)動并將地膜平鋪于壟體上方，壓膜輪在地壟兩側(cè)壓著地膜邊緣。同時，培土刀將壟溝內(nèi)部土壤拋到地膜兩側(cè)邊緣。完成一壟作業(yè)后，切膜刀切斷膜，再進行下一壟作業(yè)。

2主動培土裝置設(shè)計與仿真分析

2.1主動培土裝置的設(shè)計

貴州山區(qū)土壤黏性大，土塊團聚［9］，采用覆土輪覆土，覆土高度和寬度達不到要求，本設(shè)計采用主動培土裝置實現(xiàn)兩側(cè)地膜覆土，主動培土刀主要由碎土刀和勺刀組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。碎土刀與勺刀各兩個，對稱安裝于刀盤上。其中，碎土刀的切削刃可切碎土塊并防止雜草纏繞刀具；勺刀形如勺子，可將土壤向中間匯聚，從而減少土壤四處飛濺［10-11］。

2.2培土刀培土質(zhì)量仿真分析

文獻［12］研究表明，影響覆膜機覆土性能的主要因素有行走速度、培土刀轉(zhuǎn)速、入土深度等因素。此外，培土刀刀軸軸線與水平面的夾角也會影響覆膜機的作業(yè)質(zhì)量。為了探究這個因素對培土量的影響，設(shè)置培土刀刀軸軸線與水平面夾角為0°、5°、10°、15°、20°，并通過EDEM軟件進行仿真，得到不同夾角下的培土質(zhì)量。

2.2.1仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)試驗仿真要求，在EDEM中建立地壟簡化模型。壟溝尺寸為2 000 mm×200 mm×80 mm（長×寬×高），其中，土壤覆蓋整個壟溝模型。將土壤顆粒半徑設(shè)置為4 mm，并在0.8～1.5倍半徑范圍內(nèi)隨機生成土壤顆粒。顆粒與顆粒、顆粒與培土刀之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin with JKR模型，對應(yīng)JKR表面能取值分別為7.91和5.5［13］。

前期試驗表明，當(dāng)行走速度為0.45 m/s、培土刀轉(zhuǎn)速為400 r/min、培土深度為4.5 cm、刀壟距離為2.5 cm時，培土質(zhì)量較好。通過離散元模擬主動培土裝置在田間作業(yè)過程，以培土質(zhì)量為評價指標(biāo)，并在行走速度、培土刀轉(zhuǎn)速、培土深度、刀壟距離一定的情況下對培土刀刀軸軸線與水平面夾角進行分析，確定最優(yōu)夾角。

2.2.2仿真結(jié)果與分析

單因素仿真試驗結(jié)果如表2所示。在整機仿真試驗參數(shù)條件下，隨著培土刀刀軸軸線與水平面夾角角度的增加，土壤質(zhì)量呈先上升后下降的趨勢，且在角度為5°時，達到峰值。表明培土刀刀軸軸線與水平面夾角為5°時，收集的土壤質(zhì)量最高，即此參數(shù)下的覆膜質(zhì)量最佳。

2.2.3主動培土過程仿真分析

以培土刀轉(zhuǎn)速為400 r/min、培土深度為4.5 cm、刀壟距離為2.5 cm、行走速度為0.45 m/s以及培土刀刀軸軸線與水平面夾角為5°的整機作業(yè)參數(shù)為例，觀察覆膜機培土刀主動培土過程仿真試驗，培土過程如圖3所示。

仿真時長為0 s時，地壟模型的壟溝中未生成土壤顆粒，培土刀靜止放置于地壟模型右端，如圖3（a）所示；2 s后，土壤顆粒已生成，培土刀刀片與土壤顆粒接觸并開始旋轉(zhuǎn)運動，如圖3（b）所示；4 s 后，土壤顆粒在培土刀的作用下被拋起，由于刀罩的遮擋，大部分土壤顆粒被培土刀拋送至培土刀上方，地壟兩側(cè)的土壤顆粒被拋至地壟上，且不同大小的土壤顆粒被拋送的速度也不同，如圖3（c）所示；第8 s，仿真結(jié)束，壟溝中的土壤顆粒受兩側(cè)培土刀作用向地壟中間運動，大部分土壤被拋送至地壟兩側(cè)，達到覆膜效果，只有少量土壤被拋送至地壟上側(cè)，如圖3（d）所示。符合覆膜機在田間作業(yè)時的實際作業(yè)狀況。

3田間試驗

3.1試驗條件

為驗證所研制的覆膜機的覆膜作業(yè)性能，在貴州省平壩區(qū)馬場煙草種植試驗田開展田間性能測試。

3.2試驗方案

3.2.1試驗指標(biāo)

參考文獻［14］，覆膜質(zhì)量檢測指標(biāo)主要有6個：壟高、壟基寬度、壟頂寬度、覆土寬度、透光面寬和斷條率。要求指標(biāo)均符合煙草種植農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，并保持穩(wěn)定系數(shù)大于等于80%，斷條率不得超過5%。

3.2.2試驗方法

小型電動覆膜機完成作業(yè)后，對測點處的壟進行切割，然后對覆膜后的各個參數(shù)進行測量并逐個記錄，覆膜后地壟參數(shù)如圖4所示，田間試驗效果如圖5、6所示。

4結(jié)論

以小型電動覆膜機為研究對象，通過EDEM仿真分析，確定了最優(yōu)整機作業(yè)參數(shù)以及培土刀機構(gòu)參數(shù)，并對田間試驗結(jié)果進行了分析統(tǒng)計。研究結(jié)果表明，刀盤與刀片角度為5°時作業(yè)效果最佳。從田間試驗中獲得的相關(guān)指標(biāo)表明，電動覆膜機符合山地覆膜作業(yè)農(nóng)藝技術(shù)要求。盡管對自走式電動覆膜機進行了整機結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵部件仿真模擬，并對樣機進行了田間試驗，但仍存在一些不足，需要進一步研究，如培土刀的輕量化設(shè)計等。本文的研究成果可為類似的自走式電動覆膜機的研發(fā)提供參考。參考文獻：

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（責(zé)任編輯：曾晶）

Design and Test of a Small Motor Drive Mulching Applicator

FU Delong WANG Zhen WU Xuejun ZHANG Fugui WU Xueme HUANG Lan

（1.Guizhou Tobacco Company Bijie City Company， Bijie 551700， China;

2.School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： Cultivation of tobacco in Guizhou tobacco growing area mostly uses manual mulch covering， which is characterized by high operating cost， high labor intensity and low mechanization level. In order to solve this problem， a small motor drive mulching applicator was developed according to the integration of agricultural machinery and agronomy for tobacco cultivation in Guizhou. The structure and working principle of the mulching applicator were briefly described. It adopts active soil covering mechanism to complete the soil cover operation. The paper analyzes the influence of the angle between the axis of the soil tillage knife and the horizontal plane on the mulch covering quality. Through the simulation analysis of the soil tilling process by the tillage knife with the EDEM software， the structure and working parameters of the soil covering mechanism are determined. The field test results showed that when the angle between the axis of the blade and the horizontal plane was 5°， the stability coefficients of the width of the ridge base， the width of the ridge top， the height of the ridge， the width of the soil covering， and the width of the transparent surface after mulching were all greater than 80%， and the broken strip rate was less than 5%.

Key words： mulch covering applicator; motor drive; active soil covering; field experiment