小型電動覆膜機設計與試驗

符德龍　王震　吳雪君　張富貴　吳雪梅　黃蘭

摘要：貴州煙區煙草種植多采用人工方式覆膜，作業成本高、勞動強度大、機械化水平低。為解決這一問題，根據貴州煙草種植農機農藝融合要求，研制了一款小型電動覆膜機，并簡述了覆膜機的結構和工作原理。覆膜機采用主動培土方式實現覆土，分析了培土刀刀軸軸線與水平面夾角對覆膜質量的影響；通過EDEM軟件對培土刀的入土過程進行仿真分析，確定了培土機構的結構和工作參數。田間試驗結果表明，當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、透光面寬度的穩定性系數均大于80%，斷條率小于5%。

關鍵詞：覆膜機；電動；主動覆土；田間試驗

中圖分類號：S223.5文獻標志碼：A地膜覆蓋技術在提高土地利用率、水分利用效率和農作物產量方面具有廣泛應用［1］。但人工覆膜存在效率低、作業成本高、勞動強度大等問題，已逐漸轉向機械化作業。覆膜機類型眾多，結構不同?？梢詮慕Y構和功能上將其分為單一型和聯合型［2］。單一型覆膜機主要由機架、動力傳動系統、覆膜機構、壓膜機構和覆土機構等組成。其中，石鐵等［3］設計的1M-1型大小壟通用覆膜機適合山區、小田塊地區使用。聯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］設計的1MLQS-40/70型全膜雙壟溝鋪膜機比4人力作業組效率提高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，能夠調節覆土量，機具能夠連續平穩作業［6］。

貴州植煙區土壤板結嚴重、土塊大，導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藝要求，存在機具笨重、操作調試復雜等問題［8］。為了減輕煙農的勞動強度、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整機結構與工作原理

1.1整機結構及性能參數

小型電動覆膜機的結構如圖1所示，該機器采用行走輪和限深輪作為支撐，設有支模架、壓膜輪、耕深調節架、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、驅動電機、傳動軸、傳動鏈等組成，用于覆膜機行走。耕深調節架和限深輪可調節培土深度和轉向。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。覆膜機的作業參數如表1所示。

1.2工作原理

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

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

2主動培土裝置設計與仿真分析

2.1主動培土裝置的設計

貴州山區土壤黏性大，土塊團聚［9］，采用覆土輪覆土，覆土高度和寬度達不到要求，本設計采用主動培土裝置實現兩側地膜覆土，主動培土刀主要由碎土刀和勺刀組成，結構如圖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質量。為了探究這個因素對培土量的影響，設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量。

2.2.1仿真參數設置

根據試驗仿真要求，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。將土壤顆粒半徑設置為4 mm，并在0.8～1.5倍半徑范圍內隨機生成土壤顆粒。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JKR表面能取值分別為7.91和5.5［13］。

前期試驗表明，當行走速度為0.45 m/s、培土刀轉速為400 r/min、培土深度為4.5 cm、刀壟距離為2.5 cm時，培土質量較好。通過離散元模擬主動培土裝置在田間作業過程，以培土質量為評價指標，并在行走速度、培土刀轉速、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，確定最優夾角。

2.2.2仿真結果與分析

單因素仿真試驗結果如表2所示。在整機仿真試驗參數條件下，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，收集的土壤質量最高，即此參數下的覆膜質量最佳。

2.2.3主動培土過程仿真分析

以培土刀轉速為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°的整機作業參數為例，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，仿真結束，壟溝中的土壤顆粒受兩側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，達到覆膜效果，只有少量土壤被拋送至地壟上側，如圖3（d）所示。符合覆膜機在田間作業時的實際作業狀況。

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性能，在貴州省平壩區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

參考文獻［14］，覆膜質量檢測指標主要有6個：壟高、壟基寬度、壟頂寬度、覆土寬度、透光面寬和斷條率。要求指標均符合煙草種植農藝標準，并保持穩定系數大于等于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后，對測點處的壟進行切割，然后對覆膜后的各個參數進行測量并逐個記錄，覆膜后地壟參數如圖4所示，田間試驗效果如圖5、6所示。

4結論

以小型電動覆膜機為研究對象，通過EDEM仿真分析，確定了最優整機作業參數以及培土刀機構參數，并對田間試驗結果進行了分析統計。研究結果表明，刀盤與刀片角度為5°時作業效果最佳。從田間試驗中獲得的相關指標表明，電動覆膜機符合山地覆膜作業農藝技術要求。盡管對自走式電動覆膜機進行了整機結構設計和關鍵部件仿真模擬，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提供參考。參考文獻：

[1]普匡， 陳旭， 楊加珍. 壟溝覆膜對烤煙生長發育及產量品質性狀的影響［J］. 西南農業學報， 2020， 33（9）： 1905-1910.

［2］ 尚曉明， 張娟利， 吳愛茹， 等. 貴州省煙草田間生產機械化發展現狀及分析［J］. 興義民族師范學院學報， 2021， 132（2）： 115-120.

［3］ 石鐵， 許劍平， 孫文峰. 1M-1型大小壟通用覆膜機的研究設計［J］. 農機化研究， 2000（4）： 74-76.

［4］ 安世才， 張勇， 王赟， 等. 機械化全膜雙壟溝鋪膜機的應用與推廣［J］. 農業機械， 2009（18）： 89-90.

［5］ 王淑紅. 1QLFM-2型甘薯起壟覆膜機的生產試驗與檢測［J］. 農業機械， 2012（8）： 68-71.

［6］ 趙春祥， 張三強， 丁永清， 等. 2BSKQM-2型雙壟開溝全覆膜播種機［J］. 農機科技推廣， 2014（1）： 45-46， 48.

［7］ 吳長兵， 李再軍， 張富貴， 等. 起壟機械研究現狀及其在丘陵山區煙葉生產中的應用［J］. 現代農業科技， 2022， 819（13）： 100-107.

［8］ 王震， 吳長兵， 張富貴， 等. 山地丘陵煙草機械化研究現狀及建議［J］. 農業工程， 2021， 11（12）： 20-25.

［9］ 周婧， 吳利. 湘中低山丘陵區土壤侵蝕時空變化及其對環境干擾的響應［J］. 水土保持研究， 2022， 29（5）： 40-47.

［10］樂初枝. 2MZ-1型自走式鋪膜機的設計［J］. 福建農機， 2010（4）： 36-38.

［11］樂初枝. 2MZ-1型自走式鋪膜機拋土壓膜裝置的設計［J］. 福建農機， 2011（2）： 38-41.

［12］王震， 吳長兵， 李再軍， 等. 不同作業參數對覆膜機培土量的影響研究［J］. 農機化研究， 2023， 45（10）： 143-150.

［13］何彬濤， 戚江濤， 蒙賀偉， 等. 基于EDEM的開溝機導流裝置性能分析及參數優化［J］. 中國農機化學報， 2019， 40（10）： 25-29，41.

［14］戚源明， 張富貴. 現代山地煙葉生產機械化技術［M］. 北京：中國農業出版社， 2018.

（責任編輯：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