全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程仿真分析与试验

张仕林，赵武云，戴 飞，宋学锋，瞿江飞，张锋伟

全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程仿真分析与试验

张仕林，赵武云，戴 飞※，宋学锋，瞿江飞，张锋伟

（甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070）

为深入研究全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程中不同工作参数对机具运行及种床构建质量的影响，该文利用ABAQUS软件建立镇压装置轮组与种床土壤互作的三维有限元模型，模拟镇压作业过程中触土部件与土壤相互作用的动态过程。采用三因素三水平 Box-Behnken 试验设计方法，建立载荷、机具前进速度、土壤含水率与垄面沉陷量、水平牵引阻力及渗水孔偏移量之间的数学模型，寻求覆膜机镇压轮组的最优作业参数组合。仿真试验中采用基于ALE算法的自适应网格划分技术解决网格畸变导致的仿真中断问题。仿真结果确定了3种不同土壤条件下较优的作业参数组合，并进行田间验证试验。结果表明，土壤含水率为15%条件下，机具前进速度为1.01 m/s，施加载荷为100 N时镇压轮组所受水平牵引阻力均值为44.15 N，大垄垄面平均沉陷量为11.82 mm，渗水孔平均偏移量为8.25 mm，试验结果满足全膜双垄沟种床构建质量要求。本文建立的三维有限元模型可用于预测镇压装置工作过程中的作业情况，可为机械化双垄沟种床构建作业方式及起垄覆膜机镇压装置的设计提供参考。

农业机械；有限元法；仿真；全膜双垄沟；种床构建；镇压过程

0 引 言

旱地全膜双垄沟栽培技术是在传统地膜覆盖种植模式上发展起来的一项新技术，该技术通过旋耕松土、开沟起垄、全膜覆盖和覆土镇压的方式完成种床构建，配合在膜下垄沟内施肥播种以保证降水能被作物充分利用，该技术具有地膜抑蒸、垄面集流、膜下积温的特点，能够达到蓄水保墒、集雨抗旱、增加种床温度、提高水肥利用率的效果[1-3]。自2003年起，旱地全膜双垄沟栽培技术迅速在中国西北地区大面积推广。全膜双垄沟分为“秋覆膜”和“顶凌覆膜”两种类型，2017年仅甘肃省采用全膜双垄沟栽培技术的示范推广面积就达1.07×105hm2[4]。近年来，随着全膜双垄沟栽培技术在西北旱区应用面积的不断扩大，针对旱地全膜双垄沟栽培技术的特点而研制的起垄覆膜机种类也日趋丰富。

镇压装置轮组作为起垄覆膜机具的关键部件之一，在简易式起垄覆膜机、起垄覆膜联合作业机等机具中均有设置，通过镇压轮与打孔轮配合工作，在机械化双垄沟种床构建过程中完成垄面压实、沟内覆土、打渗水孔等作业，其作业性能的优劣不仅直接影响垄体、地膜受力后形状的变化，而且影响垄沟土壤紧实度的大小以及肥料颗粒与土壤接触的紧密程度，关系到起垄覆土质量和后续播种作业质量，进而影响到作物生长及其产量效应[5]。

目前，现有农机装备耕整部件与种床互作规律的研究大多依靠土槽试验台与实际田间试验来测定相关数据，然而该方式存在试验周期长、加工成本高等弊端，同时对于如载荷、作业加速度、土壤阻力等物理量难以精确控制和测定，导致试验结果与实际作业效果之间误差较大[6]。随着计算机三维仿真软件计算能力的不断提高和土壤本构模型的逐步完善，有限元法已被广泛应用于农机具触土部件与土壤相互作用的研究中。佟金等[7]结合有限元方法与仿生学理论设计了一种仿生镇压辊，并通过运用ABAQUS仿真分析研究其作业性能；刘宏俊等[8]基于SPH算法在LS-DYNA软件中建立刚性轮与丘陵地区土壤互作三维模型，并通过仿真试验得出机具的最优作业参数组合；贾洪雷等[9]设计研制了一种弹性可覆土镇压轮并通过三维有限元仿真分析研究其工作性能。上述研究主要针对丘陵地区及平原地区平作种植模式下的镇压器设计及作业性能研究，而西北干旱地区主要采用全膜双垄沟种植模式，在该模式下进行覆土镇压作业要考虑到对双垄沟种床垄体形状与地膜位置变化的影响，目前针对镇压装置在旱地全膜双垄沟种植模式下的工作性能及作业效果研究鲜有报道，可参考和借鉴的研究结论较少。在实际构建双垄沟种床和后续镇压作业时，要尽量避免镇压装置施力不均而导致垄体结构变形以及打孔轮作业时发生的撕膜、挑膜现象，这对机具在工作时的行走速度、所受载荷及土壤情况要求相对较高。

本文结合有限元仿真方法与实际田间试验，在前期研究成果的基础上，建立覆膜机镇压装置与双垄沟种床土壤相互作用的三维有限元模型，模拟镇压装置触土部件工作时的动态过程，应用自适应网格划分技术解决网格单元大变形问题，借助因素水平试验与响应曲面法得到镇压轮组所受载荷、机具前进速度及土壤含水率与垄面沉陷量、推土阻力及渗水孔偏移量之间的数学模型，寻求覆膜机镇压作业时的最优作业参数组合，通过实际田间试验验证仿真结果的有效性，分析探讨不同作业参数对镇压装置工作性能与双垄沟种床构建质量的影响，以期为全膜双垄沟种床机械化构建作业方式及覆膜机镇压装置的设计与性能优化提供参考。

1 覆膜机结构及镇压工作原理

旱地全膜双垄沟起垄覆膜机主要由悬挂装置、旋耕装置、起垄装置、覆土装置、镇压装置、施肥装置和喷药装置等部分组成[10]，镇压装置通过螺栓连接及仿形机构与覆膜机机架相连（图1）。主要技术参数如表1所示。

1.机架 2.悬挂装置 3.喷药装置 4.施肥装置 5.覆土装置 6.镇压装置 7.地轮 8.起垄装置 9.旋耕装置 10.镇压轮 11.镇压轮架 12.仿形弹簧 13.打孔轮架 14.打孔轮

覆膜机作业时由四轮拖拉机牵引，动力通过变速箱传递至旋耕刀轴并带动旋耕刀组将种床土壤旋耕疏松，同时取土铲随着整机前进完成对疏松种床的开沟起垄；农用地膜在展膜辊的辅助下均匀铺设于小垄垄体并向两侧大垄中部延伸，土壤在旋耕刀组和取土铲的配合工作下经刮板式输送器输送至覆土罩壳并沿溜土槽均匀落入垄沟完成覆土作业[11]。镇压作业是双垄沟种床构建过程中的关键环节，通过装置中部的打孔轮和两侧的镇压轮配合完成，镇压装置轮组在两侧仿形弹簧作用下始终将镇压轮及打孔轮压实在垄面及垄沟，使地膜与土壤紧密接触，以消除地膜与种床土壤间的空隙，从而提高覆膜种床的构建质量、减少水分蒸发。

表1 起垄覆膜机的主要技术参数

全膜双垄沟栽培主要包括种床构建、垄体覆膜、覆土镇压和膜上播种4个步骤，在机械化构建种床时要求一次性完成大垄垄体（垄宽700 mm、垄高100～150 mm）与小垄垄体（垄宽400 mm，垄高150～200 mm）相间的异形垄体覆膜种床[4]。进行覆膜作业时，要求以小垄垄体为中心，使用宽度为1 200 mm的白（黑）色地膜（厚度为0.01 mm）进行覆盖铺设，即单次覆膜需完成对小垄垄体及两侧垄沟的整体覆盖，并分别向两侧1/2大垄垄体处均等延伸铺设，待下一组小垄垄体完成覆膜，实现在大垄垄体中心处完成膜边对接，保证对整个种床的全膜覆盖[12]。覆土镇压作业为机具两侧和中部覆土导流槽及镇压装置的共同配合作业，其中镇压轮在垄面滚动前进将土壤压实，同时打孔轮在垄沟内完成膜上打孔，以便集雨入渗。依照 NY/T 986－2006《覆膜机作业质量》和DB62/T 1935－2010《全膜双垄沟覆膜机操作规程及作业质量验收》标准要求，机具覆土镇压作业应当尽力避免种床结构由于镇压轮组作用而出现下沉、变形，全膜双垄沟种床构建农艺技术要求如图2所示。

1.垄沟覆土 2.小垄覆膜 3.大垄垄面覆土 4.大垄覆膜

1.Soil covering in furrow 2.Film covering on small ridge 3.Soil covering on large ridge surface 4.Film covering on large ridge

注：R为大垄高度，mm；r为小垄高度，mm；R、r分别为大、小垄体宽度，mm。

Note:Ris height of large ridge, mm;ris height of small ridge, mm;Randrare width of large and small ridge, mm.

图2 全膜双垄沟种床构建农艺技术要求示意图

Fig.2 Agronomic requirements of seedbed construction with full-film double-furrow

2 镇压装置轮组作业阻力分析

镇压轮组与种床土壤间的相互作用可近似为刚性轮的滚动，镇压轮与打孔轮分别对垄面及垄沟内土壤有压实和推移作用，因此镇压轮组受到种床土壤的推土阻力、压实阻力以及土壤粘附力[13]。

根据镇压轮组与双垄沟种床土壤的相互作用（图3），结合受力分析可得镇压轮、打孔轮受力平衡方程为

式中c为镇压轮（打孔轮）所受前进方向的土壤压实阻力，N；为镇压轮（打孔轮）垂直方向的载荷，N；为镇压轮、打孔轮宽度，mm；0、为镇压轮、打孔轮缘与土壤接触面所包含的角度，(°)；为镇压轮（打孔轮）半径，mm；镇压轮单位面积所受的径向土壤反作用力，N。

注：Q为镇压轮、打孔轮所受垂直方向的载荷，N；Fc为镇压轮、打孔轮所受前进方向的土壤压实阻力，N；δ为镇压轮单位面积所受的径向土壤反作用力，N；Z0为最大土壤沉陷量，mm；Z为任意时刻土壤沉陷量，mm；α0、α为土壤沉陷量Z0、Z对应的圆心角，(°)；lt为镇压轮（打孔轮）与土壤接触前缘与圆心间的距离，mm；D为镇压轮（打孔轮）直径，mm；r为镇压轮（打孔轮）半径，mm；x为单位土壤作用力作用点与镇压轮（打孔轮）圆心间的距离，mm。

参考文献[14]镇压轮组在克服土壤压实阻力时所消耗的功与镇压轮在作业时形成土壤轮辙或坑孔所消耗的功相等，即c的值直接与土壤沉陷量有关[7]，由式（2）可得

结合图3可得镇压轮组所受的压实阻力c为

西北地区旱地双垄沟种床土壤为黄绵土，土体较为疏松并有一定团粒结构，镇压轮组在作业时轮体前端将推动土壤，导致在接触面前端形成前缘波，即壅土现象。镇压轮为克服土壤前缘波隆起所消耗的阻力b为

式中为土壤内摩擦角，(°)；为粘聚系数；cr为土壤承载能力系数；s为土壤密度，g/cm3[15]。

由于黄绵土对镇压轮组粘附力较小，相较于压实阻力与推土阻力可忽略不计，因此镇压轮组作业过程中所受土壤阻力为

=b+c（9）

3 镇压轮组-双垄沟种床互作有限元模型

3.1 镇压装置组有限元模型

根据全膜双垄沟种床构造要求，镇压轮组包括镇压轮及打孔轮各1对，其中镇压轮直径200 mm，轮宽80 mm；打孔轮直径180 mm，轮宽60 mm，且在轮缘处均匀设有打孔齿，齿高35 mm，齿根部截面圆直径为10 mm。考虑镇压轮及打孔轮的材料强度远大于种床土壤强度，故在相互作用过程中无形变发生，因此在ABAQUS仿真前处理时将镇压轮及打孔轮分别设置为离散刚体，同时在2种轮体的质心设置参考点并添加转动惯量以便于后续载荷加载和运算。应用Mesh模块中的自由网格划分对镇压轮及打孔轮分别进行网格单元划分，其中镇压轮采用8节点六面体减缩积分单元（C3D8R），数量为1 340；打孔轮在打孔齿及轮体分别采用3节点三维三角形刚体单元（R3D3）网格及4节点三维四边形双线性刚体单元（R3D4）网格数量分别为282和6 227。图4为镇压轮及打孔轮的网格划分结果。

注：Bd为1/2大垄垄面宽度，Bd=350 mm；Bx为1/2小垄垄面宽度，Bx=120 mm；Hd、Hx为土壤模型两侧高度，Hd=400 mm，Hx=420 mm；L为土壤宽度，L=650 mm；模型总长2 000 mm。

3.2 双垄沟土壤有限元模型

为缩短仿真运算时间，根据模型对称性采用简化后的1/2镇压轮组-双垄沟种床互作模型（图4c）。

对双垄沟种床土壤模型进行结构分割并对接触的部分采用结构化网格划分法以提高网格单元密度，土壤模型所采用的网格单元类型为8节点六面体减缩积分单元（C3D8R），网格单元总数为50 568，节点总数为55 440。根据“秋覆膜”及“顶凌覆膜”时期土壤含水率大致在10%～20%之间，结合西北旱区耕地黄绵土特性，采用ABAQUS提供的修正Drucker-Prager模型，构建3种不同含水率双垄沟土壤模型，所需土壤参数见表2[16]。

3.3 有限元模型边界条件及接触设置

在ABAQUS前处理模块中，土壤模型底面定义全局约束，由于镇压轮及打孔轮的材料属性相较于土壤模型可视为刚体，因此在镇压轮及打孔轮质心处分别设置参考点，该参考点即后续工作中载荷、边界条件及旋转惯量施加点。由于旱地全膜双垄沟种床机械化构建作业过程中，拖拉机前进速度一般为2.6～5.0 km/h[5,16]，因此对镇压轮及打孔轮依次施加前进速度0.8、1.0及1.2 m/s，通过测定不同工作条件下镇压装置中弹簧力的大小，创建大小60、80和100 N的竖直载荷分别施加至镇压轮及打孔轮。在Interaction模块中分别定义“镇压轮-垄面”和“打孔轮-垄沟”接触，其接触属性为通用接触。各接触对中切向、法向作用方式分别为“Penalty”法与“硬”接触，镇压装置轮组与土壤间的摩擦因数设置为0.42[17]。

起垄覆膜机镇压轮组在垄沟进行打孔作业时，垄沟土壤渗水孔处会发生局部的大变形，运用ALE自适应网格划分技术优化仿真过程中种床网格的变形程度[18-24]。

3.4 作业过程仿真

为探究覆膜机镇压轮组作业对双垄沟种床垄体和地膜形状的影响，通过仿真模拟得到大垄垄面下沉量与渗水孔参考点偏移量，来反映镇压轮组作业过程中垄体的尺寸变化以及打孔轮是否对垄沟地膜有“撕挑作用”，由于在不同工况下，垄面沉陷与地膜撕挑程度不尽相同，但其变化规律与作业后的种床状态基本相似[23]。参考文献[24]中的方法，选择机具前进速度1.0 m/s、土壤含水率15%、镇压轮组所受载荷100 N时的仿真结果进行数据分析。

镇压轮组工作时，镇压轮在大垄垄面行走并对其有一定压实作用，由于壅土现象镇压轮与土壤间接触应力最大值出现在镇压轮前端（图5）。打孔轮与垄沟土壤间作用力最大值则出现在打孔齿扎入土壤时，伴随部分打孔齿对土壤的撕挑作用，在渗水孔形成处出现最明显的应力集中。应力变化随镇压装置轮组在双垄沟种床表面持续作业不断趋于稳定，但土壤纵向扰动范围逐渐增加，垄面土壤受镇压轮作用后提高紧实度，可以保证种子与种床紧密接触和垄上覆膜的平整。

图5 镇压轮组-双垄沟种床互作应力云图

3.4.1 镇压轮牵引阻力变化

镇压轮所受阻力主要来自大垄垄面。由图6可知，该力在前进方向上的分力即为牵引阻力，运用ABAQUS后处理模块提取大垄垄面在前进方向（方向）上作用力CFT3的变化曲线，。在仿真开始0.12 s之前，镇压轮只受大小为100 N的竖直载荷，此时镇压轮与大垄垄面间相互作用为静摩擦，故在0.12 s前镇压轮所受牵引阻力为0，随着边界条件及载荷按逐渐加载，镇压轮与土壤开始接触并沿轴正方向滚动前进，牵引阻力由于前缘壅土在0.12 s后迅速上升并一直保持在一稳定范围内波动，该过程中镇压轮所受平均牵引阻力为45.73 N，最大牵引阻力为65.79 N。

图6 镇压轮所受牵引阻力随时间变化曲线

3.4.2 大垄垄面沉降量变化

覆膜机镇压轮组的主要作用为压实垄体表面土壤，以防止地膜与垄体间空隙过大而导致土壤水分蒸发，也可以避免风蚀地膜，同时对垄沟内土壤进行适当镇压，有利于种子发芽和作物生长[25-27]。但镇压轮组对土壤压实力过大会在大垄表面形成沟壑，严重的垄面下沉会影响“垄面集雨”效果，阻碍雨水入渗种床，从而降低全膜双垄沟种床的集雨保墒能力[28-29]。因此通过分析镇压轮样点的竖直位移来反映镇大垄垄面沉降量随时间变化情况，结果如图7所示，0～0.012 s内镇压轮竖直方向（方向）上的位移增涨明显，0.018～0.042 s由于镇压轮在垄面滚动前进初始存在滑移现象，垄面沉降量变化曲线在该时间段内无明显增长。0.12 s开始至仿真结束，镇压轮竖直方向位移量均稳定在11.60 mm，即镇压轮滚动压实导致大垄垄面及种床覆膜下沉11.60 mm，结合地膜材料特性，可知，在镇压轮组前进速度1.0 m/s、土壤含水率15%、镇压轮组所受载荷100 N时，镇压轮作业对种床及其表面覆膜无明显影响。

图7 大垄垄面沉降量随时间变化曲线

3.4.3 渗水孔偏移量变化

垄沟内打孔是镇压作业的必要环节，相邻渗水孔间距及孔径大小直接关系到后续积蓄雨水能否顺利入渗至种床，从而影响全膜双垄沟种床的蓄水保墒能力。由于打孔齿齿尖运动轨迹为余摆线，因此对地膜存在一定的撕扯、挑拉作用，本研究通过分析渗水孔处所设样点在水平方向的位移变化来推测打孔作业中可能出现的撕膜、挑膜情况[25]。

通过打孔轮在垄沟内滚动前行，设置于轮缘表面的打孔齿刺穿垄沟膜土形成间距基本一致的渗水孔。根据所设渗水孔样点水平位移变化曲线（图8）可知，各样点位移在仿真伊始0.12 s内无明显变化，此后由于打孔轮受到载荷作用开始与土壤发生接触并对垄沟土壤产生一定扰动，导致各样点水平位移开始逐渐增加。通过计算可得渗水孔平均水平偏移量为9.85 mm，方向与机具前进方向相同。其中样点1、样点2、样点6及样点7的平均位移均大于10 mm，可以预测打孔作业时，打孔齿对垄沟地膜存在一定的撕挑，但其程度均处在合理范围内[28]。

对比仿真结果与前期研究中的实际作业效果[24]，镇压轮竖直位移、镇压轮所受水平阻力和渗水孔偏移量3项指标均能较准确地反映实际田间作业过程中大垄垄面沉降量、水平牵引阻力变化及地膜撕挑情况，因此可通过模型进行优化试验，进一步得到覆膜机最优工作参数。

图8 渗水孔样点水平位移变化曲线

4 数值模拟优化试验

4.1 Box-behnken试验设计

运用ABAQUS/Explicit软件模拟镇压轮组在不同试验因素（土壤含水率、机具前进速度和载荷）下的工作情况，得到相应的试验数据，应用Design-Expert 8.060软件分析上述因素对水平牵引阻力、大垄垄面沉陷量和渗水孔偏移量的影响规律。根据西北旱区全膜双垄沟种床构建时间，确定西北旱区土壤含水率取值范围为10%～20%，结合覆膜机实际作业情况确定机具前进速度范围为0.8～1.2 m/s，镇压轮组所受载荷大小为60～100 N。仿真试验根据Box-behnken试验原理，选择三因素三水平的试验组合进行，因素水平编码如表3所示，共实施17组响应曲面分析试验。

表3 因素水平编码

4.2 试验结果与分析

4.2.1 回归模型的建立及检验

数值模拟试验结果如表4所示，利用Design-Expert 8.060软件对试验结果进行分析，分别获得水平牵引阻力1、大垄垄面沉降量2和渗水孔偏移量3的二次回归模型：

1=45.98+2.481−0.192+0.273−0.9312+0.02513−

0.8023+2.2912+11.7422−3.4932（10）

2=11.22−0.0831−0.212−0.173−0.2012+

0.1413−0.2123（11）

3=7.47−0.491+3.622+0.763+0.3212−0.9913+

0.1123+0.5412+2.0122+0.4132（12）

式中1为土壤含水率编码水平值，%；2为机具前进速度编码水平值，m/s；3为镇压装置轮组所受竖直载荷编码水平值，N。

4.2.2 回归方程方差分析

对上述二次回归模型进行方差分析和回归系数显著性检验，其中大垄垄面沉降量回归模型＞0.05，表明获得的回归模型不显著，由表4可知，大垄垄面沉降量变化范围为9.90～11.67 mm，与实际田间试验结果相符且均符合覆膜机作业要求，说明机具前进速度、土壤含水率及载荷均对大垄垄面沉降量影响较小，故在方差分析和回归性显著性检验中不对该指标做分析，本研究分析重点针对水平牵引阻力及渗水孔偏移量二次回归模型，其结果如表4、表5所示。

表4 试验方案与结果

由表5可知，回归模型<0.01，表明获得的水平牵引阻力二次回归模型极其显著；失拟项>0.05，失拟不显著，说明模型所拟合的二次回归方程与数值模拟试验结果相符合，能正确反映出水平牵引阻力1与1、2和3之间的关系，回归模型可以较好地对优化试验中各种试验结果进行预测。其中模型的一次项1（土壤含水率）影响显著，而2（机具前进速度）与3（载荷）影响均不显著；模型的交互项12、13及23影响均不显著；模型的二次项22影响极显著，二次项12及32影响均不显著。由模型各因素回归系数的大小可得，各因素的影响主次顺序为1、3、2，即土壤含水率、镇压装置轮组所受竖直载荷、机具前进速度。

表5 水平牵引阻力模型方差分析

注：* 显著（＜0.05），** 极显著（＜0.01），下同。

Note: * mean significant (＜0.05), ** mean highly significant (＜0.01), the same below.

由表6可知，回归模型<0.01，表明获得的渗水孔偏移量二次回归模型极显著；失拟项>0.05，失拟不显著，说明模型所拟合的二次回归方程与数值模拟试验结果相符合，能正确反映出渗水孔偏移量3与1、2和3之间的关系，回归模型可以较好地对优化试验中各种试验结果进行预测。其中模型的一次项2（机具前进速度）影响极显著，3（载荷）影响显著，而1（土壤含水率）对模型影响不显著；模型的交互项12、13及23影响均不显著；模型的二次项22影响极显著，二次项12及32影响均不显著。根据模型各因素回归系数的大小，可得到各因素的影响主次顺序为2、3、1，即机具前进速度、镇压装置轮组所受竖直载荷、土壤含水率。

表6 渗水孔偏移量模型方差分析

4.2.3 模型交互项的解析

为了分析试验因素不同交互水平对各指标的相对影响程度，根据得到的二次回归模型，分别绘制土壤含水率、机具前进速度和载荷三因素不同交互水平对水平牵引阻力和渗水孔偏移量的响应曲面图（图9、图10）。

图9 交互因素对水平牵引阻力的影响

如图9a所示，当镇压轮组所受竖直载荷一定时，随着机具前进速度不断增大，水平牵引阻力先减小后增加，这主要是由于镇压轮与垄面土壤接触时前进速度较低，镇压轮前端处壅土较多导致水平牵引阻力较大，随后逐渐降低，前进速度至0.83 m/s后，水平作业阻力随之逐渐增加至最大值；当土壤含水率增加时，水平牵引阻力缓慢增加且增幅较小。故在相同载荷条件下，机具前进速度对水平作业阻力影响较土壤含水率显著。如图9b所示，机具前进速度一定时，水平牵引阻力与载荷趋于线性关系，同时水平牵引阻力随土壤含水率增加而不断增大，但上述土壤含水率及载荷变化时，水平牵引阻力变化不明显。如图9c所示，当土壤含水率在某一水平，机具前进速度由0.8 m/s向1.2 m/s逐渐增加时，水平牵引阻力同样呈现出先减小后增大的趋势，当载荷由60 N逐渐增加至100 N时，水平牵引阻力逐渐增加。故土壤条件一定时，机具前进速度对水平作业阻力影响较载荷明显。

通过探究3种因素间交互作用对渗水孔偏移量的影响，可以预测镇压作业过程中打孔轮对地膜的“撕挑”作用程度。由图10a可知，当土壤含水率一定且覆膜机作业速度由0.8 m/s向1.2 m/s增加时，渗水孔偏移量呈线性增长趋势，同时当镇压轮组所受载荷由60 N增加至100 N时，渗水孔偏移量也随之增加至最大值，故两种因素都对渗水孔偏移量有显著影响。由图10b可知，当镇压轮组所受载荷一定时，随着机具前进速度增加，渗水孔偏移量显著增加，而当机具前进速度稳定在某一值时，随土壤含水率由10%增加至20%，渗水孔偏移量缓慢减小至最小值，故土壤含水率变化对渗水孔偏移量影响较小。由图10c可知，当机具前进速度一定时，土壤含水率变化对渗水孔偏移量无显著影响，而随着镇压装置轮组所受载荷不断增加，渗水孔偏移量也逐渐增加。

图10 交互因素对渗水孔偏移量的影响

借助响应面优化式（10）与式（12），以水平牵引阻力、渗水孔偏移量为目标，确保覆膜机镇压轮组在田间镇压作业时运行平稳并避免严重“撕膜、挑膜”现象发生（1、3目标值均为最小值），对回归方程模型进行优化求解，得到旱地全膜双垄沟起垄覆膜机镇压装置轮组在不同作业工况（土壤含水率）下的最优工作参数及作业结果合集，如表7。

表7 最优工作参数及作业结果合集

以因素水平试验中试验3、17为例，对比一般工作参数与最优工作参数下的镇压轮组与双垄沟种床互作仿真模拟结果，由所得应力云图（图11）可知，最优工作参数下镇压轮与大垄垄面土壤间作用力主要集中轮缘前端而两侧受作用力较小，镇压轮对轮体正下方土壤无集中作用力。一般工作参数下镇压轮与大垄垄面土壤间作用力除在轮缘前端有轻微集中外，其作用范围分布于整个镇压轮行走路径表面，并对垄面土壤有一定扰动。因此可以推测覆膜机在一般工作参数下作业所造成的大垄垄面下沉量大于最优工作参数，同时对垄体结构的规整性也存在较大影响。对比打孔轮作业所形成的渗水孔可知，一般工作参数下渗水孔变形与垄沟土壤所受作用力明显大于最优工作参数，可以判断以最优工作参数作业时，打孔轮对地膜的“撕挑”作用小于一般工作参数，能够保证地膜的完整性与覆膜质量，一定程度上延长了地膜寿命。

图11 种床土壤应力云图对比

5 田间验证试验

为进一步验证最优参数下全膜双垄沟起垄覆膜机镇压轮组的工作性能，2019年6月在甘肃省定西市临洮县洮河拖拉机制造有限公司试验田进行了试验（图12）。试验地土壤为黄绵土，含水率为16.86%，土壤容重1 300 kg/m3，坚实度<0.20 MPa，田面较平整、疏松且前茬作物较少[30]。参照NY/T 986-2006《覆膜机作业质量》标准试验方法，测定计算旱地起垄覆膜机田间作业后的大垄垄面沉降量、镇压装置轮组水平牵引阻力及渗水孔偏移量。通过选择不同刚度系数的仿形弹簧，测量其工作时的伸长量，结合第2节中镇压过程受力分析，则镇压轮组水平牵引阻力s为

式中为仿形弹簧刚度系数；s为仿形弹簧伸长量，mm；为镇压轮自重，N；b、c为镇压轮推土阻力与压实阻力，N。

渗水孔偏移量为

式中St为相邻渗水孔间距，mm。

覆膜机调整至其最优工作参数进行9次田间覆土镇压作业试验，参考试验地实际土壤含水率，选择土壤含水率为15%条件下的最优参数水平，即机具前进速度为1.01 m/s，施加载荷为100 N。

田间验证试验结果（表8）显示，旱地全膜双垄沟起垄覆膜机镇压装置轮组作业过程中，平均大垄垄面沉陷量为11.82 mm，平均水平牵引阻力为44.15 N，平均渗水孔偏移量为8.25 mm。田间试验所得3项指标均符合全膜双垄沟种床构建要求[31-32]，同时在田间实际观测中无严重“撕膜、挑膜”现象发生，镇压轮组运行平稳，垄体结构无过度变形，表明在该优化工作参数条件下能够完成膜上覆土镇压作业，回归模型可靠。

表8 田间试验结果

6 结 论

1）针对旱地全膜双垄沟起垄覆膜机镇压装置的作业特点，建立覆膜机镇压轮组与土壤动态相互作用模型，分析得出镇压轮组工作时的主要阻力为推土阻力和压实阻力。结合全膜双垄沟种床构建农艺要求，应用ABAQUS有限元软件建立镇压轮组与双垄沟种床土壤相互作用三维模型。分析了镇压装置轮组与土壤间的相互作用，并运用基于ALE算法的自适应网格划分技术控制网格畸变，保证仿真运算能够顺利进行。

2）结合Box-Behnken试验设计原理，采用三因素三水平响应曲面分析方法，进行不同工作参数下镇压轮组作业仿真试验，借助Design-Expert 8.060软件获得水平牵引阻力、大垄垄面沉降量和渗水孔偏移量的二次回归模型。分析了机具前进速度、镇压装置轮组所受载荷及土壤含水率对水平牵引阻力和渗水孔偏移量的影响，分别得到3组不同土壤含水率（10%、15%、20%）条件下覆膜机最优工作参数组合，分别为机具前进速度0.96、1.01和0.99 m/s，镇压轮组施加载荷100、100、60 N。

3）通过田间实际试验验证所得覆膜机最优工作参数，土壤含水率为15%条件下，机具前进速度为1.01 m/s，施加载荷为100 N时，试验结果显示平均大垄垄面沉陷量为11.82 mm，平均水平牵引阻力为44.15 N，平均渗水孔偏移量为8.25 mm，3项指标与仿真试验结果间误差分别为1.39 N、0.81 mm和0.61 mm。表明镇压装置轮组作业时对地膜均无严重“撕膜、挑膜”现象发生，渗水孔在垄沟内分布均匀，大垄垄面沉降量对双垄沟垄体结构无较大影响，镇压轮组在整个作业过程中运行平稳，证明仿真试验结果合理，该有限元模型能够准确预测相关作业效果，所得的最优工作参数组合可以作为旱地全膜双垄沟起垄覆膜机实际镇压作业依据。

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Simulation analysis and test on suppression operation process of ridging and film covering machine with full-film double-furrow

Zhang Shilin, Zhao Wuyun, Dai Fei※, Song Xuefeng, Qu Jiangfei, Zhang Fengwei

(,,730070,)

Raised bed cropping coupled with full film mulching is a cultivation method for arid and semi-arid regions to improve water use efficiency, which is usually constructed mechanically using machine. The purpose of this paper is to analyze how different combinations of working parameters of the machine affect such seedbeds constructed with a double-furrow ridge. The interaction between the soil-compact component in the machine and the soil surface was simulated using a three-dimensional finite element model in the ABAQUS software. Based on the three-factor and three-level Box-Behnken design, a mathematical model was proposed to describe how the applied load, forward speed of the machine and soil moisture content combined to affect compression of the ridge, horizontal traction resistance and offset of the infiltrating hole in attempts to find the optimal operating parameters. An adaptive meshing method based on the ALE algorithm was used to alleviate a possible mesh distortion caused by soil compression in the finite element simulation. In the analysis, the vertical displacement of the suppression wheels in the machine was used as a reference to quantify the seedbed subsidence. The reference horizontal traction was calculated assuming that the machine moved forward, and the offset of the infiltrating hole was used as a reference for the extent to which the plastic film was torn. The optimal working parameters under different soil conditions were determined by comparing the three references, and they were then verified against field experiments. The results showed that the average horizontal traction to the soil-compact wheels was 44.15 N, the average subsidence of the wider ridge was 11.82 mm, and the average offset of the infiltrating hole was 8.25 mm. These met the requirements for raised seedbed with double- furrow and full film mulching, and proved that the three-dimensional finite element model was able to predict operation of the machine. It was also found that the size of the ridge did not change significantly and the film tearing was in acceptable range. The suppression wheels ran smoothly and only moderately compacted the soil. The methods and the results presented in this paper provide references for designing and developing machines for mechanically constructing raised seedbed with double-furrow and full film mulching.

agricultural machinery; finite element method; simulation; full-film double-furrow; seedbed construction; suppression process

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003

S226.9

A

1002-6819(2020)-01-0020-11

张仕林，赵武云，戴 飞，宋学锋，瞿江飞，张锋伟. 全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程仿真分析与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：20－30.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003 http://www.tcsae.org

Zhang Shilin, Zhao Wuyun, Dai Fei, Song Xuefeng, Qu Jiangfei, Zhang Fengwei. Simulation analysis and test on suppression operation process of ridging and film covering machine withfull-film double-furrow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 20－30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003 http://www.tcsae.org

2019-09-14

2019-12-21

国家自然科学基金资助项目（51775115，51405086）

张仕林，主要从事农业工程技术与装备。Email：619647034@qq.com

戴飞，博士生，副教授，主要从事西北旱区膜土-机器-植物互作系统研究。Email：daifei@gsau.edu.cn

中国农业工程学会高级会员：戴 飞（E041201169S）