杜文斌 楊春雷 楊錦鵬 張青松,3 余 君 廖慶喜，3

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.湖北省煙草科學(xué)研究院， 武漢 430030；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jīng)濟(jì)作物，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，需前期苗床整備，之后人工移栽。目前生產(chǎn)中雪茄煙葉的苗床整備作業(yè)專用農(nóng)機(jī)具缺乏，以人工作業(yè)為主，主要包括畫線施肥(在預(yù)計(jì)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(yè)工序，其過程復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，且壟形不穩(wěn)定、壟體易松垮倒塌、鋪膜覆土不均勻。同時由于各地土壤環(huán)境不同，對壟體高度與壟體堅(jiān)實(shí)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要研制一種可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)的雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜裝備。

國內(nèi)外對苗床整備聯(lián)合作業(yè)進(jìn)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(lián)合作業(yè)機(jī)，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(shè)；林靜等[4]設(shè)計(jì)的1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)可完成深松、滅茬、旋耕、培壟和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)，同時實(shí)現(xiàn)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(jī)采用跨越式膜上覆土裝置將土壤鏟起并越過覆膜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)膜上覆土作業(yè)，機(jī)組一趟作業(yè)形成中間一個小壟和兩側(cè)半個大壟；付乾坤等[6]設(shè)計(jì)的玉米滅茬施肥起壟機(jī)采用復(fù)式起壟方式，實(shí)現(xiàn)滅茬和定向拋土，進(jìn)一步通過覆土器和鏵式培土器起壟作業(yè)，鎮(zhèn)壓輥壟頂鎮(zhèn)壓形成梯形壟；無錫悅田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司研制的YTLM系列起壟鋪膜機(jī)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(jī)械和高壟覆膜機(jī)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(nóng)機(jī)公司研制的RT-112系列起壟覆膜機(jī)單壟作業(yè)，結(jié)構(gòu)較為緊湊。目前，國內(nèi)外對苗床整備聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究主要針對土質(zhì)為沙壤土的作業(yè)環(huán)境，壟高不可調(diào)且起壟方式多為被動起壟，對偏黏性土工況下的聯(lián)合作業(yè)機(jī)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(nóng)藝要求高、工作量大、效率低且專用機(jī)具缺乏，現(xiàn)有苗床整理機(jī)具在我國雪茄煙葉種植區(qū)域土質(zhì)為偏黏性土工況下起壟作業(yè)效果差的問題，設(shè)計(jì)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(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)，以滿足我國雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)對壟高的不同要求。

1 雪茄煙葉苗床整備農(nóng)藝要求

雪茄煙葉根系發(fā)達(dá)，為滿足根系的生長空間需求，種植中常采用起壟的作業(yè)方式來為其提供松軟的土壤環(huán)境。根據(jù)農(nóng)藝要求，壟形為拱形，以滿足后期田間管理中的培土作業(yè)。

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(chǎn)區(qū)中隨機(jī)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(biāo)系并對根系外輪廓進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)采集，如圖1所示。將采集到的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)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(fā)現(xiàn)，雪茄煙葉根系有70%～80%密集于地表下300 mm的土層內(nèi)，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(biāo)點(diǎn)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(guān)文獻(xiàn)及對我國雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)壟體參數(shù)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(chǎn)區(qū)的降雨量、土壤類型及耕層深度差異較大，壟高及壟體堅(jiān)實(shí)度常根據(jù)實(shí)際種植狀況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，如在降雨較多的丘陵地區(qū)，為防止雨水沖刮壟體[9]，會壓低壟體，提高壟體堅(jiān)實(shí)度；在耕層較淺的區(qū)域?yàn)闈M足起壟土量要求，會降低壟體高度，因此壟體高度需適時調(diào)整。

雪茄煙葉生長需要持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分，在湖北省興山和?？档貐^(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，從煙葉長勢和經(jīng)濟(jì)性來看，底肥雙側(cè)深施優(yōu)于底肥環(huán)施和底肥單側(cè)深施[10]。根據(jù)雪茄煙葉根系分布及農(nóng)藝要求，雙側(cè)肥料在壟體內(nèi)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(jìn)土壤中有機(jī)物釋放與根系生長[11-12]。根據(jù)農(nóng)藝要求，地膜需均勻鋪至壟上，膜邊覆土緊實(shí)穩(wěn)定，避免劃膜、扯膜、漏覆等情況造成后期大風(fēng)揭膜的問題。因此同時滿足起壟、深施肥、覆膜等功能，且實(shí)現(xiàn)壟高可調(diào)，以滿足雪茄煙葉不同產(chǎn)區(qū)對壟高的差異化要求是雪茄煙葉苗床機(jī)械化整備作業(yè)的根本要求。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)主要由主機(jī)架、三點(diǎn)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(zhèn)壓裝置、鋪膜覆土裝置等組成，結(jié)構(gòu)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(gòu)成；整形鎮(zhèn)壓裝置由整形鎮(zhèn)壓輥、可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)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(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中旋耕集土起壟裝置可滿足起壟作業(yè)要求，整形鎮(zhèn)壓輥與壟形及壟體質(zhì)量有密切聯(lián)系，可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)壟高可調(diào)的關(guān)鍵，鋪膜覆土裝置保證了壟上鋪膜作業(yè)質(zhì)量。

圖3 雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic of cigar tobacco adjustable seed-plot ridging and film spreading machine1.整形鎮(zhèn)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(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2.2 工作原理

雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)由輪式拖拉機(jī)的動力輸出軸(PTO)提供動力，一次作業(yè)起2條壟。作業(yè)時，機(jī)具兩側(cè)的土壤在兩個收土圓盤作用下向機(jī)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(jīng)排肥管、深施肥鏟條施于規(guī)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(jī)PTO動力通過可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)傳遞至整形鎮(zhèn)壓輥，主動旋轉(zhuǎn)鎮(zhèn)壓初步壟體獲得具有合適平整度和堅(jiān)實(shí)度的壟體；兩側(cè)壟底位置上的土在劃土鏟作用下被推移至外側(cè)，為后續(xù)膜邊覆土做土量儲備；掛膜架上的地膜被動扯出，經(jīng)由展膜輥、弧形壓邊輪和覆土圓盤，實(shí)現(xiàn)地膜壓邊和膜邊覆土，最終完成地膜壟上鋪設(shè)，如圖4所示。

圖4 雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)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(zhèn)壓后壟形 5.帶膜壟體 6.壟溝

3 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

3.1 旋耕集土起壟裝置

旋耕集土起壟裝置是可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)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(jù)雪茄煙葉拱形壟農(nóng)藝要求，結(jié)合雪茄煙葉根系上部外形輪廓為拋物線形，設(shè)計(jì)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(zhèn)壓后壟體高度，H2為農(nóng)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(zhèn)壓后壟體斷面下部梯形面積，S2為鎮(zhèn)壓后壟體斷面上部拋物線區(qū)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(wěn)定性的主要因素，旋耕刀切土節(jié)距對碎土率及壟體質(zhì)量有直接影響[13]，旋耕刀的排列方式不僅可以實(shí)現(xiàn)土壤定向拋撒，滿足成壟需求，還能保持機(jī)組作業(yè)平衡。

3.1.1旋耕集土作業(yè)參數(shù)分析

旋耕深度決定了取土量，由于旋耕作業(yè)對土壤進(jìn)行了疏松，起壟成形板及整形鎮(zhèn)壓輥對土壤又進(jìn)行了壓實(shí)，結(jié)合作業(yè)前后土壤堅(jiān)實(shí)度差異性，得出旋耕取土體積應(yīng)小于等于鎮(zhèn)壓后壟體體積。在理論分析中以旋耕取土及鎮(zhèn)壓后壟體斷面面積進(jìn)行分析計(jì)算。由圖5可得鎮(zhèn)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(dāng)旋耕取土量滿足起壟土量要求時，鎮(zhèn)壓后壟體斷面面積與旋耕取土斷面面積關(guān)系為[14-16]

2S=kakbS′

(5)

式中ka——土壤孔隙度相關(guān)系數(shù)

kb——土壤堅(jiān)實(shí)度相關(guān)系數(shù)

將式(1)～(5)合并整理，可得旋耕深度h應(yīng)滿足

(6)

將鎮(zhèn)壓后壟體相關(guān)參數(shù)代入式(6)中，其中土壤孔隙度系數(shù)ka與旋耕作業(yè)前后土壤容重有關(guān)，常取1.2～1.3[17]，土壤堅(jiān)實(shí)度系數(shù)kb常取0.8～1[18]，根據(jù)農(nóng)藝要求，取鎮(zhèn)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(jī)具作業(yè)時，旋耕刀運(yùn)動為機(jī)具前進(jìn)和自身旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動，其軌跡為余擺線。同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的旋耕刀切削土壤時入土點(diǎn)的距離為切土節(jié)距l(xiāng)s[19]，其計(jì)算公式為

(7)

式中n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

v——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

Z——同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)刀片數(shù)量，把

農(nóng)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(jié)距，如中等黏性土壤的麥田，切土節(jié)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(jié)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(jié)距l(xiāng)s為50～70 mm。

當(dāng)切土節(jié)距一定時，根據(jù)式(7)可得旋耕刀組轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度關(guān)系為

(8)

式(8)可為后續(xù)機(jī)具各部件的運(yùn)行參數(shù)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(yè)性能與旋耕刀片排列方式密切相關(guān)[21]。本設(shè)計(jì)中旋耕刀組采用中間傳動作業(yè)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(diào)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(yè)時可將兩側(cè)土壤側(cè)拋至壟中心區(qū)域；中間10排旋耕刀片采用傳統(tǒng)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(shù)量均為28把，同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)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(yè)性能，結(jié)合旋耕深度，參考GB/T 5669—2017《旋耕機(jī)械 刀和刀座》，選用Ⅱ T245型旋耕刀。

3.2 整形鎮(zhèn)壓輥設(shè)計(jì)

旋耕集土起壟裝置作業(yè)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(wěn)定性較差，壟體土壤易流下且壟面不平整。整形鎮(zhèn)壓輥可對初步壟體鎮(zhèn)壓整形，獲得堅(jiān)實(shí)度合理、壟形穩(wěn)定、壟面平整的壟體。整形鎮(zhèn)壓輥的運(yùn)動狀態(tài)為隨機(jī)具前進(jìn)和自身旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動，其整體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，由兩端鎮(zhèn)壓圓盤和中間鎮(zhèn)壓弧形輥組成，如圖7a所示。

圖7 整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)示意圖Fig.7 Compacting ridging schematics of shaping roller1.鎮(zhèn)壓圓盤 2.中間弧形鎮(zhèn)壓輥

整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)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(qū)域，如圖7b所示。區(qū)域Ⅰ的土壤顆粒在整形鎮(zhèn)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(jìn)而引起壟體下陷；區(qū)域Ⅱ的土壤顆粒由于靠近表層，所受整形鎮(zhèn)壓輥的壓力較小，摩擦力相對較小，同時土壤顆粒間發(fā)生相互擠壓，引起該區(qū)域的土壤顆粒按照逆時針方向移動，導(dǎo)致土壤向前拱起，當(dāng)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(zhèn)壓輥在向前滾動的同時將下滑的土壤顆粒鎮(zhèn)壓，以此形成較為穩(wěn)定的壟形。在整形鎮(zhèn)壓過程中，壟體下陷量越大，區(qū)域Ⅱ的范圍越大[22]，拱土現(xiàn)象越嚴(yán)重，壟體穩(wěn)定性變差，因此整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)前后高度差對壟體穩(wěn)定性有重要影響，同時整形鎮(zhèn)壓輥的外形曲線決定了壟體形狀，其回轉(zhuǎn)半徑也是影響整形鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量的重要因素。

3.2.1外形曲線設(shè)計(jì)

整形鎮(zhèn)壓輥與壟體接觸的曲線為整形鎮(zhèn)壓輥外形曲線，同時也是壟體斷面曲線。根據(jù)上述壟體斷面曲線形狀，設(shè)計(jì)整形鎮(zhèn)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(biāo)系xOz。第1段A′B′選取直線，對應(yīng)左鎮(zhèn)壓圓盤；第2段B′C′D′選取拋物線，對應(yīng)中間鎮(zhèn)壓弧形輥；第3段D′E′選取直線，對應(yīng)右鎮(zhèn)壓圓盤。取各段端點(diǎn)坐標(biāo)為A′(x1,0)、B′(x2,z2)、C′(0,z3)、D′(x4,z2)、E′(x5,0)。

圖8 整形鎮(zhèn)壓輥曲線形狀與參數(shù)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(shù)

綜合圖5與圖8可得

(10)

聯(lián)立方程(9)、(10)可得

(11)

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

3.2.2回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)

圖9 整形鎮(zhèn)壓作業(yè)受力分析Fig.9 Force analyses of compacting ridging assembly

簡化力學(xué)模型，其平衡關(guān)系應(yīng)滿足

(12)

其中

式中Fx——整形鎮(zhèn)壓輥沿x軸方向所受力，N

Fz——整形鎮(zhèn)壓輥沿z軸方向所受力，N

MxOz——整形鎮(zhèn)壓輥在xOz平面所受力矩，N·m

pN1——中間鎮(zhèn)壓弧形輥對壟體頂部壓力，kPa

pN2——鎮(zhèn)壓圓盤對壟體側(cè)面壓力，kPa

S3——中間鎮(zhèn)壓弧形輥與壟體頂部作用面積，mm2

S4——鎮(zhèn)壓圓盤與壟體側(cè)面作用面積，mm2

Mm——整形鎮(zhèn)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(zhèn)壓輥與土壤間摩擦因數(shù)

整形鎮(zhèn)壓輥的轉(zhuǎn)動取決于主動力矩Mm。在鎮(zhèn)壓整形過程中，整形鎮(zhèn)壓輥應(yīng)持續(xù)向前滾動，其所受支持力與摩擦力較為恒定，對其力矩進(jìn)行分析，其關(guān)系應(yīng)滿足條件

(13)

選取整形鎮(zhèn)壓輥極限摩擦力來求解系統(tǒng)主動力矩，假設(shè)

(14)

其中

(15)

式中R1——鎮(zhèn)壓圓盤最大回轉(zhuǎn)半徑，mm

R2——中間鎮(zhèn)壓弧形輥?zhàn)钚』剞D(zhuǎn)半徑，mm

R3——中間鎮(zhèn)壓弧形輥?zhàn)畲蠡剞D(zhuǎn)半徑，mm

δ——中間鎮(zhèn)壓弧形輥及鎮(zhèn)壓圓盤厚度，mm

ρ——整形鎮(zhèn)壓輥材料密度，kg/m3

L——鎮(zhèn)壓圓盤母線長度，mm

g——重力加速度，m/s2

z(y)——中間鎮(zhèn)壓弧形輥在圖9b坐標(biāo)系下的曲線方程

z′(y)——中間鎮(zhèn)壓弧形輥曲線方程的導(dǎo)數(shù)

將式(13)～(15)整理可得

(16)

由式(16)可知，整形鎮(zhèn)壓輥的主動力矩與材料密度ρ、材料厚度δ、整形鎮(zhèn)壓輥-土壤間摩擦因數(shù)μ、整形鎮(zhèn)壓輥的最小回轉(zhuǎn)半徑R2有關(guān)。由于整形鎮(zhèn)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(shù)μ為0.4[17]，因此整形鎮(zhèn)壓輥的主動力矩與最小回轉(zhuǎn)半徑R2呈正相關(guān)關(guān)系。

整形鎮(zhèn)壓輥的回轉(zhuǎn)半徑不僅與主動力矩有關(guān)系，還對壟體質(zhì)量有重要影響，半徑過小，與壟體接觸時間過短，鎮(zhèn)壓不充分，壟體質(zhì)量較差；半徑過大，所需主動力矩增大，且整形鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)及質(zhì)量過大，導(dǎo)致整機(jī)重心后移。為保證整形鎮(zhèn)壓輥與壟體充分接觸，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，選取整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)钚』剞D(zhuǎn)半徑R2=80 mm，e=30 mm，根據(jù)其外形曲線參數(shù)可得R3=180 mm，R1=380 mm，L=250 mm。

3.3 傳動裝置設(shè)計(jì)

3.3.1可調(diào)式傳動裝置結(jié)構(gòu)及壟高調(diào)節(jié)原理

為滿足雪茄煙葉不同產(chǎn)區(qū)對壟高及壟體堅(jiān)實(shí)度的不同要求，本文以苗床高度可調(diào)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由包絡(luò)式護(hù)土板、螺旋調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)橫梁、傳動系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸和左右側(cè)傳動板構(gòu)成。其中，包絡(luò)式護(hù)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(diào)節(jié)桿一端通過銷軸固定于三點(diǎn)懸掛上，另一端與調(diào)節(jié)橫梁連接；調(diào)節(jié)橫梁固定于兩塊側(cè)傳動板之間；左右側(cè)傳動板安裝于主機(jī)架兩側(cè)并可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；傳動系統(tǒng)由萬向聯(lián)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(cè)傳動板上，使傳動系統(tǒng)可隨側(cè)傳動板繞旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動。如圖10a所示。

圖10 整形鎮(zhèn)壓裝置可調(diào)式傳動裝置結(jié)構(gòu)與運(yùn)動簡圖Fig.10 Structure and movement sketches of adjustable drive for shaping device1.左側(cè)傳動板 2.包絡(luò)式護(hù)土板 3.調(diào)節(jié)橫梁 4.螺旋調(diào)節(jié)桿 5.萬向聯(lián)軸器 6.中間傳動軸 7.旋轉(zhuǎn)軸 8.右側(cè)傳動板 9.整形鎮(zhèn)壓輥

整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)高度通過調(diào)節(jié)螺旋調(diào)節(jié)桿長度，控制調(diào)節(jié)橫梁與左右側(cè)傳動板繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，安裝于左右側(cè)傳動板之間的整形鎮(zhèn)壓輥同步以旋轉(zhuǎn)軸為軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)。將可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化分析，如圖10b所示，實(shí)線為可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)原狀態(tài)，雙點(diǎn)畫線為調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)時的狀態(tài)；EP、EP′為調(diào)節(jié)前后螺旋調(diào)節(jié)桿；PN、P′N′為調(diào)節(jié)前后側(cè)傳動板；EG為主機(jī)架；G為旋轉(zhuǎn)軸鉸接點(diǎn)；β為整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)前后對應(yīng)圓心角；γ為整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)時GV′與豎直方向間的夾角；hN為整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)高度。調(diào)節(jié)過程中，將三點(diǎn)懸掛裝置及主機(jī)架簡化為固定件，螺旋調(diào)節(jié)桿長度通過自身螺旋副來改變，但其僅在同一平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動，因此可將其簡化為移動副。該系統(tǒng)中活動桿件數(shù)量為3，4個鉸接點(diǎn)均為低副連接，通過分析計(jì)算機(jī)構(gòu)整體自由度為1，滿足機(jī)械運(yùn)動要求。

整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)高度與旋轉(zhuǎn)軸鉸接點(diǎn)至整形鎮(zhèn)壓輥中心距離lGV、整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)時GV′與豎直方向間夾角γ、整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)前后對應(yīng)圓心角β有關(guān)，根據(jù)圖10b關(guān)系可得，整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)高度hN為

hN=lGV(cosγ-cos(γ+β))

(17)

結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及可調(diào)式傳動裝置調(diào)節(jié)整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)高度范圍，設(shè)計(jì)壟體最低壟高為270 mm，確定lGV=550 mm、γ=62°、β=7°，得整形鎮(zhèn)壓輥調(diào)節(jié)高度hN為60 mm，故壟高范圍為270～330 mm。

3.3.2轉(zhuǎn)速關(guān)系確定及傳動比設(shè)計(jì)

機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕集土起壟作業(yè)轉(zhuǎn)速和整形鎮(zhèn)壓輥轉(zhuǎn)速的速度匹配是影響壟體質(zhì)量的重要因素。鎮(zhèn)壓整形作業(yè)中，若整形鎮(zhèn)壓輥在向前滾動的同時出現(xiàn)相對滑動，則土壤也會被整形鎮(zhèn)壓輥向前拱動，導(dǎo)致整形后壟體凹凸不平，為保證壟形穩(wěn)定，對整形鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。整形鎮(zhèn)壓輥要持續(xù)向前滾動而無相對滑動，應(yīng)滿足條件

ω1R≥v

(18)

式中ω1——整形鎮(zhèn)壓輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

R——整形鎮(zhèn)壓輥回轉(zhuǎn)半徑，mm

由于整形鎮(zhèn)壓輥具有不同回轉(zhuǎn)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(yīng)的線速度最小。為保證整形鎮(zhèn)壓輥持續(xù)滾動，則中間位置處的線速度應(yīng)不小于機(jī)具前進(jìn)速度，將其半徑R2代入式(18)中，可得

(19)

式中n1——整形鎮(zhèn)壓輥轉(zhuǎn)速，r/min

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

(20)

(21)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(21)中，可得整形鎮(zhèn)壓輥轉(zhuǎn)速與旋耕刀組轉(zhuǎn)速比約為1∶2。

雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)總體傳動路線如圖11所示。整機(jī)動力由拖拉機(jī)PTO輸入，經(jīng)萬向聯(lián)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(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)旋耕集土起壟作業(yè)；另外一條由中央齒輪箱側(cè)邊輸出，通過萬向聯(lián)軸器傳遞至中間傳動軸，再經(jīng)鏈條傳動單元傳遞至整形鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)。

圖11 雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)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(lián)軸器 3.鏈條傳動單元 4.整形鎮(zhèn)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(zhèn)壓輥傳動比為

(23)

整理式(22)和式(23)，可得旋耕刀組與整形鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)轉(zhuǎn)速比為

(24)

式中Z1～Z5——中央齒輪箱各齒輪齒數(shù)

Z6、Z7——鏈條傳動單元中鏈輪齒數(shù)

由整形鎮(zhèn)壓輥與旋耕刀組轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系為1∶2對傳動比進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，結(jié)合中央齒輪箱標(biāo)準(zhǔn)要求，選配中央齒輪箱各齒輪齒數(shù)為Z1=14、Z2=24、Z3=13、Z4=35、Z5=17，鏈條傳動單元中鏈輪齒數(shù)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?zhàn)饔孟赂灿趬朋w上，兩邊緣被弧形壓邊輪壓至壟底位置，向兩側(cè)張緊；覆土圓盤被動旋轉(zhuǎn)作業(yè)，將壟溝中的土壤積聚，抬升再翻轉(zhuǎn)至地膜邊緣完成膜邊覆土，其作業(yè)示意圖如圖12所示。

圖12 鋪膜覆土裝置作業(yè)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(jī)架 6.弧形壓邊輪 7.覆土圓盤

3.4.1弧形壓邊輪設(shè)計(jì)

地膜面內(nèi)剛度大，承受剪切形變?nèi)菀滓鹌茡p，為避免壓邊作業(yè)中壓邊輪對地膜造成剪切形變，將壓邊輪設(shè)計(jì)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(yè)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(shè)計(jì)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(guān)。結(jié)合雪茄煙葉種植農(nóng)藝要求、壟形特點(diǎn)及地膜寬度，地膜的最大壓邊寬度By=60 mm。 壓邊輪寬度Bl應(yīng)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(zhì)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(diǎn)連線的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)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(jì)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(dāng)弧形壓邊輪引起下陷量較小時，其下陷量計(jì)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(shù)

α——與土壤特性相關(guān)的系數(shù)

壓邊輪直徑過小會導(dǎo)致壓邊不充分等問題，其合理直徑在200～500 mm中選取[24]。結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸與農(nóng)藝要求，在確保工作穩(wěn)定性和作業(yè)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(guān)系數(shù)α=1.01，將弧形壓邊輪各結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)代入式(27)得總載荷Q=41.84 N。

弧形壓邊輪與地膜的接觸區(qū)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(jì)算式為

Sc=lIJlIT

(28)

其中

(29)

式中l(wèi)IJ——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(dǎo)數(shù)

θ——弧形壓邊輪與地膜接觸區(qū)域?qū)?yīng)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(jì)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(jì)算，弧形壓邊輪作用在地膜上的壓力為12.08 kPa，遠(yuǎn)小于地膜的耐破度[25-27]。

3.4.3覆土圓盤設(shè)計(jì)

覆土圓盤在機(jī)具牽引作用下積聚壟溝土壤并完成土壤側(cè)翻，實(shí)現(xiàn)膜邊覆土。覆土質(zhì)量與圓盤偏角φ、圓盤傾角ξ、圓盤直徑Dy有密切關(guān)系，如圖14所示。圓盤偏角φ是指覆土圓盤與前進(jìn)方向之間的夾角，圓盤偏角越大，翻土、碎土能力越強(qiáng)，但牽引阻力也就越大，其值范圍為40°～45°[20]。結(jié)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(zhì)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(qiáng)。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(shè)計(jì)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(guān)。為保證膜邊覆土質(zhì)量，防止因覆土不嚴(yán)造成大風(fēng)揭膜的情況，要求覆土圓盤的作業(yè)幅寬Bw不小于覆土寬度Bm。由幾何關(guān)系可知，覆土圓盤的作業(yè)幅寬為

(32)

根據(jù)農(nóng)藝及地膜寬度要求，覆土寬度Bm=60 mm，本設(shè)計(jì)中為保證膜邊覆土質(zhì)量，將覆土圓盤作業(yè)幅寬Bw設(shè)計(jì)為70～80 mm，入土深度Zy=15 mm。代入式(32)中，可計(jì)算得出覆土圓盤直徑Dy為206～265 mm，根據(jù)覆土圓盤安裝參數(shù)要求，取Dy=250 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)作業(yè)性能，于2021年5月25日在湖北省丹江口市習(xí)家店鎮(zhèn)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(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)基地(工況2)開展雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)田間試驗(yàn)。其中工況1試驗(yàn)田塊常年種植雪茄煙葉，工況2試驗(yàn)田塊常年種植冬油菜，試驗(yàn)前各田塊工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)田塊工況參數(shù)Tab.2 Working condition parameters of test field

根據(jù)湖北省丹江口雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)農(nóng)藝指導(dǎo)要求，工況1的起壟高度需調(diào)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(shè)定兩種工況下的田間試驗(yàn)起壟高度為280 mm。試驗(yàn)前對可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在肥箱中加入固體顆粒復(fù)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?？烧{(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)配套動力分別為常發(fā)農(nóng)裝CFF1204型和東方紅954型輪式拖拉機(jī)，通過調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和手油門位置，使拖拉機(jī)速度維持在3.0 km/h。

試驗(yàn)按照YC/T 569—2018《煙草田間作業(yè)機(jī)械選型測試規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)組直線行走40 m，如圖15所示，取中間行程30 m作為穩(wěn)定測量區(qū)，沿測區(qū)一側(cè)選取測點(diǎn)并測量記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)指標(biāo)有：壟高、壟基寬、壟距、壟溝寬及膜邊覆土寬度，同時考察可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)旋耕集土起壟裝置、深施肥裝置和鋪膜覆土裝置的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

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

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：旋耕集土起壟裝置與整形鎮(zhèn)壓裝置配合作業(yè)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(shù)的穩(wěn)定性系數(shù)均高于94%；膜邊覆土穩(wěn)定均勻，兩種工況下膜邊覆土寬度分別為71.7、75.6 mm，穩(wěn)定性系數(shù)分別為88.87%、87.00%。試驗(yàn)指標(biāo)均滿足國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該機(jī)具實(shí)現(xiàn)了一次作業(yè)完成多道工序，同時還滿足了雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)對不同起壟高度的要求，其作業(yè)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(yàn)結(jié)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(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)具沿直線勻速穩(wěn)定前進(jìn)時，樣機(jī)各關(guān)鍵裝置性能穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)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(dǎo)致膜邊覆土穩(wěn)定性相對較低的主要因素之一。

5 結(jié)論

(1)在融合雪茄煙葉苗床整備工藝流程及農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，研制了雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)。整機(jī)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(shí)現(xiàn)旋耕、深施肥、起壟、鋪膜及膜邊覆土的一體化作業(yè)，同時還滿足雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)對起壟高度及壟體堅(jiān)實(shí)度的差異性要求。

(2)根據(jù)作業(yè)要求，計(jì)算得出了機(jī)具耕深為115～160 mm，分析了雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)旋耕切土節(jié)距，確定了旋耕刀的排布方式；針對壟形要求，設(shè)計(jì)整形鎮(zhèn)壓輥外形曲線為“直線-拋物線-直線”形，并通過力學(xué)分析確定了整形鎮(zhèn)壓輥回轉(zhuǎn)半徑；為滿足雪茄煙葉產(chǎn)區(qū)對壟高及壟體堅(jiān)實(shí)度可調(diào)的要求，提出了可調(diào)式傳動結(jié)構(gòu)，闡述了調(diào)節(jié)原理，匹配了機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕集土起壟作業(yè)轉(zhuǎn)速及整形鎮(zhèn)壓輥轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，并進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)了傳動系統(tǒng)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(jié)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(yàn)表明，雪茄煙葉可調(diào)式苗床起壟鋪膜機(jī)的旋耕集土起壟裝置與整形鎮(zhèn)壓裝置配合作業(yè)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(shù)的穩(wěn)定性系數(shù)均高于94%；膜邊覆土穩(wěn)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(wěn)定性系數(shù)分別為88.87%、87.00%。試驗(yàn)指標(biāo)均滿足國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，苗床質(zhì)量達(dá)到雪茄煙葉種植要求。