小型电动覆膜机设计与试验.pdf

第 卷 第 期贵州大学学报（自然科学版）年月 （）文章编号 （）：小型电动覆膜机设计与试验符德龙，王震，吴雪君，张富贵，吴雪梅，黄兰（贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节 ；贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 ）摘要：贵州烟区烟草种植多采用人工方式覆膜，作业成本高、劳动强度大、机械化水平低。为解决这一问题，根据贵州烟草种植农机农艺融合要求，研制了一款小型电动覆膜机，并简述了覆膜机的结构和工作原理。覆膜机采用主动培土方式实现覆土，分析了培土刀刀轴轴线与水平面夹角对覆膜质量的影响；通过 软件对培土刀的入土过程进行仿真分析，确定了培土机构的结构和工作参数。田间试验结果表明，当覆膜机培土刀刀轴轴线与水平面夹角为 时，覆膜后垄基宽、垄顶宽、垄高、覆土宽度、透光面宽度的稳定性系数均大于 ，断条率小于。关键词：覆膜机；电动；主动覆土；田间试验中图分类号：文献标志码：地膜覆盖技术在提高土地利用率、水分利用效率和农作物产量方面具有广泛应用 。但人工覆膜存在效率低、作业成本高、劳动强度大等问题，已逐渐转向机械化作业。覆膜机类型众多，结构不同。可以从结构和功能上将其分为单一型和联合型 。单一型覆膜机主要由机架、动力传动系统、覆膜机构、压膜机构和覆土机构等组成。其中，石铁等 设计的 型大小垄通用覆膜机适合山区、小田块地区使用。联合型覆膜机常见的有施肥覆膜机、起垄覆膜机和播种覆膜机等。安世才等 设计的 型全膜双垄沟铺膜机比人力作业组效率提高 多倍。型甘薯起垄覆膜机的起垄覆膜效果比人工高出 ，甘薯整体品质提升 。型双垄开沟全覆膜施肥精量播种机采用膜上扎孔播种，能够调节覆土量，机具能够连续平稳作业 。贵州植烟区土壤板结严重、土块大，导致起垄后的垄体不饱满 。已有的覆膜机覆膜高度和厚度达不到烟草种植农艺要求，存在机具笨重、操作调试复杂等问题 。为了减轻烟农的劳动强度、降低用工成本、减少燃油废气排放，研制了一款小型电动覆膜机，可拆卸式的充电电池组减轻了整机重量。整机结构与工作原理 整机结构及性能参数小型电动覆膜机的结构如图 所示，该机器采用行走轮和限深轮作为支撑，设有支模架、压膜轮、耕深调节架、垄体整形装置、主动培土装置、扶手装置、电池储存装置以及行走装置。其中，限深轮、压膜轮和行走轮均配备左右对称的两个。行走装置主要由电池、驱动电机、传动轴、传动链等组成，用于覆膜机行走。耕深调节架和限深轮可调节培土深度和转向。支膜架用于挂接地膜。压膜轮用于压紧地膜。培土装置主要由培土电机、培土刀架支撑板和培土刀组成，用于主动培土。覆膜机的作业参数如表 所示。限深轮；支模架；压膜轮；耕深调节架；垄体整形装置；主动培土装置；扶手装置；电池储存装置；行走装置；行走轮。图 电动覆膜机总体结构 收稿日期：基金项目：贵州省烟草公司毕节市公司科技项目（毕烟技 号 ）作者简介：符德龙（），男，农艺师，研究方向：烟草栽培和烟草农机研发，：通讯作者：吴雪梅，：表 覆膜机参数 项目参数结构形式自走式整机尺寸（长 宽 高）限深轮尺寸 驱动轮尺寸 培土电机 驱动电机 蓄电池 样机质量（含电池）工作原理电动覆膜机作业时，驱动轴通过链传动带动驱动轮前进，同时两个培土刀电机带动培土刀旋转，将地垄两侧土壤进一步打碎并抛至地垄边缘，以完成培土作业功能。作业开始时，拉出一段地膜，压入土中，随后启动机器，地膜卷开始转动并将地膜平铺于垄体上方，压膜轮在地垄两侧压着地膜边缘。同时，培土刀将垄沟内部土壤抛到地膜两侧边缘。完成一垄作业后，切膜刀切断膜，再进行下一垄作业。主动培土装置设计与仿真分析 主动培土装置的设计贵州山区土壤黏性大，土块团聚 ，采用覆土轮覆土，覆土高度和宽度达不到要求，本设计采用主动培土装置实现两侧地膜覆土，主动培土刀主要由碎土刀和勺刀组成，结构如图 所示。碎土刀与勺刀各两个，对称安装于刀盘上。其中，碎土刀的切削刃可切碎土块并防止杂草缠绕刀具；勺刀形如勺子，可将土壤向中间汇聚，从而减少土壤四处飞溅 。图 培土刀 培土刀培土质量仿真分析文献 研究表明，影响覆膜机覆土性能的主要因素有行走速度、培土刀转速、入土深度等因素。此外，培土刀刀轴轴线与水平面的夹角也会影响覆膜机的作业质量。为了探究这个因素对培土量的影响，设置培土刀刀轴轴线与水平面夹角为 、，并通过 软件进行仿真，得到不同夹角下的培土质量。仿真参数设置根据试验仿真要求，在 中建立地垄简化模型。垄沟尺寸为 （长 宽 高），其中，土壤覆盖整个垄沟模型。将土壤颗粒半径设置为 ，并在 倍半径范围内随机生成土壤颗粒。颗粒与颗粒、颗粒与培土刀之间的接触模型均采用 模型，对应 表面能 取 值 分 别 为 和 。前期试验表明，当行走速度为 、培土刀转速为 、培土深度为 、刀垄距离为 时，培土质量较好。通过离散元模拟主动培土装置在田间作业过程，以培土质量为评价指标，并在行走速度、培土刀转速、培土深度、刀垄距离一定的情况下对培土刀刀轴轴线与水平面夹角进行分析，确定最优夹角。仿真结果与分析单因素仿真试验结果如表 所示。在整机仿真试验参数条件下，随着培土刀刀轴轴线与水平面夹角角度的增加，土壤质量呈先上升后下降的趋势，且在角度为 时，达到峰值。表明培土刀刀轴轴线与水平面夹角为 时，收集的土壤质量最高，即此参数下的覆膜质量最佳。表 单因素仿真试验结果 试验序号培土刀刀轴轴线与水平面夹角（）土壤质量 主动培土过程仿真分析以培土刀转速为 、培土深度为 、刀垄距离为 、行走速度为 以及培土刀刀轴轴线与水平面夹角为 的整机作业参数第 期符德龙 等：小型电动覆膜机设计与试验为例，观察覆膜机培土刀主动培土过程仿真试验，培土过程如图 所示。仿真时长为 时，地垄模型的垄沟中未生成土壤颗粒，培土刀静止放置于地垄模型右端，如图 （）所示；后，土壤颗粒已生成，培土刀刀片与土壤颗粒接触并开始旋转运动，如图 （）所示；后，土壤颗粒在培土刀的作用下被抛起，由于刀罩的遮挡，大部分土壤颗粒被培土刀抛送至培土刀上方，地垄两侧的土壤颗粒被抛至地垄上，且不同大小的土壤颗粒被抛送的速度也不同，如图 （）所示；第 ，仿真结束，垄沟中的土壤颗粒受两侧培土刀作用向地垄中间运动，大部分土壤被抛送至地垄两侧，达到覆膜效果，只有少量土壤被抛送至地垄上侧，如图 （）所示。符合覆膜机在田间作业时的实际作业状况。图 仿真过程 田间试验 试验条件为验证所研制的覆膜机的覆膜作业性能，在贵州省平坝区马场烟草种植试验田开展田间性能测试。试验方案 试验指标参考文献 ，覆膜质量检测指标主要有个：垄高、垄基宽度、垄顶宽度、覆土宽度、透光面宽和断条率。要求指标均符合烟草种植农艺标准，并保持稳定系数大于等于 ，断条率不得超过 。试验方法小型电动覆膜机完成作业后，对测点处的垄进行切割，然后对覆膜后的各个参数进行测量并逐个记录，覆膜后地垄参数如图 所示，田间试验效果如图 、所示。图 覆膜后地垄截面示意图 图 主动覆土过程 图 主动覆土后的覆膜效果 垄高、垄基宽度、垄顶宽度、覆土宽度、透光面宽公式如式（）（），测试和计算结果如表 。（）（）槡（）（）（）式中：为测试点稳定性系数，；为测试点变异系数，；为测试点平均值，；为测试点贵州大学学报（自然科学版）第 卷指标值，；为测试点标准差，；为测试点个数，个。断条率是平均百米作业长度内膜边覆土未达到规定覆土宽度的长度。其计算公式如式（）（）。（）（）式中：为总断条个数，个；为第 个断条长度，；为断条总长度，；为覆土断条率，；为总测试长度，。表 覆膜作业质量 测试点指标 垄基宽度垄顶宽度垄高覆土宽度透光面宽度 平均值 标准差 变异系数 稳定系数 标准 检测结果合格合格合格合格合格对覆膜作业效果进行检测，其中，覆膜后垄基宽度、垄顶宽度、垄高、覆土宽度以及透光面宽度稳定性系数分别为 、，断条率为 。各项指标均达到规定要求。结论以小型电动覆膜机为研究对象，通过 仿真分析，确定了最优整机作业参数以及培土刀机构参数，并对田间试验结果进行了分析统计。研究结果表明，刀盘与刀片角度为 时作业效果最佳。从田间试验中获得的相关指标表明，电动覆膜机符合山地覆膜作业农艺技术要求。尽管对自走式电动覆膜机进行了整机结构设计和关键部件仿真模拟，并对样机进行了田间试验，但仍存在一些不足，需要进一步研究，如培土刀的轻量化设计等。本文的研究成果可为类似的自走式电动覆膜机的研发提供参考。参考文献：普匡，陈旭，杨加珍垄沟覆膜对烤烟生长发育及产量品质性状的影响 西南农业学报，（）：尚晓明，张娟利，吴爱茹，等贵州省烟草田间生产机械化发展现状及分析 兴义民族师范学院学报，（）：石铁，许剑平，孙文峰 型大小垄通用覆膜机的研究设计 农机化研究，（）：安世才，张勇，王?，等机械化全膜双垄沟铺膜机的应用与推广 农业机械，（）：王淑红 型甘薯起垄覆膜机的生产试验与检测 农业机械，（）：赵春祥，张三强，丁永清，等 型双垄开沟全覆膜播种机 农机科技推广，（）：，吴长兵，李再军，张富贵，等起垄机械研究现状及其在丘陵山区烟叶生产中的应用 现代农业科技，（）：王震，吴长兵，张富贵，等山地丘陵烟草机械化研究现状及建议 农业工程，（）：周婧，吴利湘中低山丘陵区土壤侵蚀时空变化及其对环境干扰的响应 水土保持研究，（）：乐初枝 型自走式铺膜机的设计 福建农机，（）：乐初枝 型自走式铺膜机抛土压膜装置的设计 福建农机，（）：王震，吴长兵，李再军，等不同作业参数对覆膜机培土量的影响研究 农机化研究，（）：何彬涛，戚江涛，蒙贺伟，等基于 的开沟机导流装置性能分析及参数优化 中国农机化学报，（）：，戚源明，张富贵现代山地烟叶生产机械化技术 北京：中国农业出版社，（责任编辑：曾晶）（下转第 页）第 期符德龙 等：小型电动覆膜机设计与试验 ，（，；，）：，：；（上接第 页），（，；，）：，：；第 期丁旭 等：新型折板式空腹拟扁网壳的动力性能研究