热熔式地膜打孔机设计与试验

Design and trial of a hot melt mulch film punching machine

摘要

目的 结合农艺要求，本试验设计了一种热熔式地膜打孔机，拟解决西北寒旱区马铃薯全膜覆盖、种行覆土栽培模式膜上土壤板结、幼苗无法穿透出苗等问题。 方法 试验对样机关键部件进行了分析与设计，确定了结构及工作参数，开发了电磁打孔频率控制系统，实现了孔距精准控制、纵向可调等功能。以普通PE黑膜为试验对象，通过试验确定了影响打孔合格率的3个主要因素，即热熔式成孔器温度、膜速（指地膜收卷过程的线速度）、热熔式成孔器和地膜接触距离，建立了打孔合格率与试验因素之间的回归模型，分析了各因素对打孔合格率的影响，各因素对打孔合格率的贡献率大小排序为： 热熔式成孔器和地膜接触距离、膜速、热熔式成孔器温度，并对试验因素进行了综合优化。 结果 最优工作参数组合为：热熔式成孔器温度218 ℃、膜速222 mm/s、热熔式成孔器和地膜接触距离-4.8 mm时，打孔合格率为98.58%。 结论 热熔式地膜打孔机满足设计要求，提高了种植效率。

Abstract

Objective A kind of hot-melt mulch film punching machine has been designed，which is combined with agronomic requirements.In the cold and arid regions of northwest China，potatoes are cultivated that the mode is full mulch mulching and seed row cover soil.Perforated mulch film can effectively solve the problems of soil hardening on the mulch film and seedlings failing to penetrate and emerge. Method The key components of the prototype were analyzed and designed，the structure and working parameters were determined，and the electromagnetic punching frequency control system was developed，which realized the functions of precise control of hole distance and longitudinal adjustment.In addition，the experiment determined three main factors affecting the qualified punching rate，which were the temperature of the hot melt pore-forming device，the mulch film speed （refers to the linear speed of the winding process of the mulch film） and the contact distance between the hot melt pore-forming device and the plastic mulch，established a regression model between the qualified punching rate and the experimental factors，and analyzed the influence of each factor on the qualified punching rate.The contribution rate of each factor to the qualified punching rate was ranked as follows： contact distance between hot melt pore-forming device and plastic mulch，mulch film speed，hot melt pore-forming device. Result The experimental factors were comprehensively optimized，and the optimum combination of working parameters was：when the temperature of the hot-melt hole former was 218 ℃，the speed of the mulch film was 222 mm/s，and the contact distance between the hot-melt hole former and the mulch film was -4.8 mm，the qualified punching rate reached 98.58% by experiment. Conclusion This hot-melt mulch film punching machine meets design requirements and improves the planting efficiency.

Graphical abstract

关键词

带孔地膜 / 热熔式打孔 / 控制系统 / 仿真分析 / 性能试验

Key words

perforated mulch film / hot melt punching / control system / simulation analysis / performance experiment

Author summay

戴桐，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

西北黄土高原旱区地域广阔、降水量少且分布不均，生态环境脆弱。马铃薯因其耐旱、耐寒、耐瘠薄、抗灾的特性，已成为西北地区种植的优势作物和农业支柱产业之一。自然降水是西北旱区旱地农业生产的唯一水源，该区60%~70%的天然降水被无效蒸发^［1］。地膜覆盖在提高水资源利用率方面作用显著^［2］，近些年西北旱区农技工作者将行之有效的传统抗旱措施与现代科学技术结合起来，创造了地膜全域覆盖沟垄栽培模式^［3］，较传统马铃薯栽培模式增产20%以上^［4］。西北寒旱区马铃薯覆膜栽培多采用先播种后覆膜方式，通常在播种覆膜作业后，再向种行上覆盖一层土壤，利用马铃薯发芽时，幼芽不见光其子叶就不散开的特性，依靠膜上覆土的重力和幼芽自然向上生长的特性，使幼苗自动破膜，自然出苗^［5-7］。该方式有效缓解了人工放苗问题，但膜上覆土板结后会造成缺苗。使用带孔地膜能够有效改善膜面上下土壤水气的通透性，解决膜面上土壤板结和缺苗问题。

根据作业工序，可分为覆膜后打孔和覆膜前打孔2种类型。覆膜后打孔较为常见，汪遵元等^［8］设计的鸭嘴式开孔器，通过滚轮盘上滚动的压力在膜面上移动打孔；刘彩玲等^［9］利用平面四杆机构实现了覆膜打孔穴播机中打孔器的垂直工作；马军民^［10］结合槽轮机构和曲柄滑块机构在玉米全膜打孔机上实现了打孔器的垂直工作；王松林^［11］设计的全膜双垄沟气推直插式玉米精密穴播机，通过高压气体推动打孔器高速打孔。这种打孔方式通常和膜上打穴播种作业结合在一起，形成的膜孔容易收缩变形，即形状大小不一致。覆膜前打孔模式通常是用打孔机按农艺要求在膜面上打出一定形状和孔距的孔洞，加工成带有孔洞的膜卷。卢俊杰等^［12］研制的一种地膜打孔机，通过电机驱动杆从而带动环状刀刃对地膜进行打孔；乔宪宾等^［13］研制的一款高效、抗磨损地膜打孔机，依靠磁铁吸力控制打孔冲头上下打孔，通过人工调节滑动座位置调节打孔间距；殷天国等^［14］研制的一种可调式地膜打孔机，可调节打孔刀头间的圆弧距离以满足不同作物的种植需求；李亚芹等^［15］研制的一款智能地膜打孔机，采用PC控制刀筒的运动方式给地膜打孔，可实现多排打孔。由于上述机具采用机械打孔，作业时膜卷角速度恒定，随着卷径减小，地膜线速度增大，膜面上打出的孔距逐步减小，不能实现纵向孔距精准可调。

目前西北黄土高原寒旱区马铃薯栽培采用覆膜后打孔方式，会破坏已形成的垄体、影响种行覆土质量，播种机上附加打孔机构还会增加播种机纵向长度，不利于丘陵山地小地块地头调头作业。直接采用打孔地膜种植可以简化播种机机构、提高作业质量。为此，本研究针对西北黄土高原寒旱区马铃薯大垄双行覆膜栽培模式，设计了一种热熔式地膜打孔机，并进行了试验研究。

1 整机结构与工作原理

1.1 农艺要求

西北黄土高原寒旱区马铃薯普遍采用大垄双行的栽培模式，如图1所示。垄底宽度为900 mm，垄高为200 mm，行距400 mm，垄距1 200 mm，宽度1 200 mm黑膜覆盖，种行覆土厚度40~50 mm，宽度150~200 mm，垄面呈M形，中心有微沟，微沟沟底膜面上打有渗水孔。

覆膜作业时，打孔地膜的孔洞应置于种行上方，并在上面覆盖土壤，避免跑墒和大风揭膜。为此，要求热熔式地膜打孔机可以在1 200 mm宽的地膜上打2排孔洞，2排孔洞在地膜横向对称分布，间距与种行行距一致，为400 mm。在地膜长度方向上，孔洞间距可调。

1.2 整机结构

如图2所示，该机具由固定机架、地膜、驱动膜辊轴、从动膜辊轴、上下展膜辊、电磁打孔装置、计米轮、嵌入式微处理器、电机、主动链轮、从动链轮、三爪卡盘等组成。热熔式地膜打孔机主要技术参数如表1所示。

1.3 工作原理

该机具由三相异步电机提供工作动力，通过电磁打孔频率控制系统精准调节打孔间距，其热熔装置通电由变压器调节热熔成孔温度。作业时，首先将膜卷安装在从动膜辊轴上，地膜拉展依次绕过上展膜辊下方、下展膜辊上方形成打孔平面，计米轮式计米器采集膜卷转动米数，同时电磁打孔频率控制系统通过内部程序处理信号由输出端输出指令给2个电磁推杆打孔装置，精确控制电磁打孔装置间歇性热熔成孔，最终带孔地膜逆向缠绕在驱动膜辊轴完成卷膜工作。

2 主要工作部件设计

2.1 电磁打孔装置

2.1.1 电磁推杆打孔装置

电磁推杆打孔装置主要由外壳体、推杆、线圈轴套、弹性复位件等组成（图3）。绕组线圈通电产生磁场时，推杆在磁力作用下被吸合，相对线圈轴套向内缩进形成缩进运动状态。推杆与外壳体间连接有弹性复位件，绕组线圈失电时，推杆在弹性复位件的作用下相对线圈轴套向外伸出形成伸出运动状态^［16］。电磁推杆打孔装置设置在地膜打孔平面上方，带动热熔装置对地膜实现间隔性打孔。

推拉式电磁铁吸力为：^［17］

F=\frac{{\varphi }^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{\mu }_{\mathrm{0}}S}=\frac{B^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{\mu }_{\mathrm{0}}}S（1）

式中：F为吸力，N；ɸ为气隙磁通量，Wb；μ₀为真空磁导率，H/m；S为磁路截面积，m²；B为磁感应强度，Wb/m²。

忽略漏磁等特殊情况，推拉式电磁铁磁感应强度为：

B=\frac{N·U}{R\delta }{\mu }_{\mathrm{0}}=\frac{NI}{\delta }{\mu }_{\mathrm{0}}（2）

式中：B为磁感应强度，T；N为线圈匝数；I为电流强度，A；R为线圈电阻，R；S为磁路截面积，m²；δ为气隙长度（行程），m。

将式（2）带入式（1）可得：

F=\frac{{(NI)}^{\mathrm{2}}{\mu }_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}{\delta }^{\mathrm{2}}}S（3）

考虑电路中存在漏磁现象，上式表示为：

F=\frac{{(NI)}^{\mathrm{2}}{\mu }_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}{k}_f^{\mathrm{2}}{\delta }^{\mathrm{2}}}S（4）

式中：K_f 为漏磁系数，易受到结构与材料的影响造成取值不稳定，一般选取数值为1.2~5.0。

固定好该装置在机架的位置后，需选择其推杆行程。由预试验确定热熔式成孔器与地膜的接触距离为-2~-6 mm，即最大推杆行程为6 mm。由式（4）计算可得电磁铁吸力需达到50 N。选用的推拉式电磁铁关键技术参数：电压为24 V，推力为50 N，质量为350 g，最短反应时间≤20 ms。

2.1.2 热熔装置

热熔装置主要由热熔式成孔器和电加热管组成，直接影响最终成型的膜孔形状和质量。地膜具有较大的柔韧性，但在受到较大力或温度的影响下易破^［18］。为使得破膜过程不易对地膜形成撕扯，热熔式成孔器与地膜接触面积应尽量小，因此本研究确定热熔式成孔器为圆弧形。同时在其表面喷涂一层特氟龙材料，使其在工作过程中与地膜融化物不易粘连，且表面具有高润滑性等特点^［19-20］。为保证成孔器温度能够达到试验要求，本研究采用小型圆柱形电加热管，其安装在圆弧形外壳内部。圆弧形外壳的直径应略大于加热管的直径，以防止加热管与圆弧形外壳缝隙过大，造成电加热管干烧现象。同时热熔式成孔器与推杆机构连接部分的底座应该具有耐热性，在满足装配条件下尺寸应尽量小。

机具作业时加热与地膜直接接触的热熔式成孔器以及地膜，升温阶段主要功率消耗用于从起始温度至恒温温度的提升，恒温阶段主要功率消耗来自保温和散热^［21］，此时所需功率较小。因而加热功率计算以升温阶段为依据，计算方法按被加热地膜和加热管相关部件质量来计算^［22］。

加热功率为：

P=\frac{GC\mathrm{\Delta }t}{\mathrm{860}\eta }（5）

式中：P为加热功率，W；G为被加热物料总质量，kg；C为物料比热，J/（kg·℃）；Δt为加热前后温度差，200 ℃；η为热效率，50%。

物料比热为：

C=\mathrm{0.5}\times C_{\mathrm{1}}+\mathrm{0.5}\times C_{\mathrm{2}}（6）

式中：C₁为成孔器比热容，600 J/（kg·℃）；C₂为地膜比热容，0.002 J/（kg·℃）。

根据膜孔形状及大小要求，弧形外壳直径约为15 mm，与地膜实际接触长度为40 mm。电加热管规格选用直径10 mm、长度40 mm。试验选用的地膜厚度0.01 mm、宽度1 200 mm、长度750 m，质量约为10 kg。电加热管零件与成孔器尺寸过小，故忽略不计。

经计算加热功率约为1.4 kW，因此选取加热功率为2 kW的小型圆柱形电加热管。

2.2 传动链轮驱动式收卷装置

传动链轮驱动式收卷装置由电机、驱动膜辊轴、从动膜辊轴、上下展平辊等组成，是热熔式地膜打孔机中地膜的回收装置，利用机械配合的方式将完成打孔后的地膜进行收卷。该装置由三相异步电机提供动力，通过主从动链轮配合为驱动膜辊轴提供动力，属主动收卷。一般常见的收卷装置有接触式收卷和中心驱动式收卷^［23］，本研究采用接触式收卷装置，对于地膜具有良好的收卷效果。从动膜辊轴上的地膜展平后输出，经过上下展膜辊传送到驱动膜辊轴，膜卷受压与驱动膜辊轴贴合，逆向缠绕完成收卷工作，传动路线图如图4所示。

为保证传动过程的精确性、平稳性，链条类型选用滚子链，主动链轮选择17齿，从动链轮选择46齿，传动比为2.7，满足传动比在2~3.5的要求。电机作为地膜收卷过程中的驱动部分，型号选择特别关键。

地膜收卷时最大线速度为：

v_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{d_{\mathrm{1}}}{t_{{}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}}（7）

式中：v_max为地膜收卷时最大线速度，m/s；d₁为纵向孔距，为保证地膜打孔后因韧性不足而发生撕裂，其取45 mm；t_min为电磁打孔装置最短反应时间，20 ms。

驱动膜辊轴转速为：

n_{\mathrm{1}}={\frac{v_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\pi D_{\mathrm{0}}}}_{}（8）

式中：D_c为驱动膜辊轴初始直径，41 mm；n₁为驱动膜辊轴转速，r/min。

电机转速为：

n_{\mathrm{2}}=i{n}_{\mathrm{1}}（9）

式中：n₂为电机转速，r/min；i为链传动传动比，2.7。

计算求得地膜收卷时最大线速度为2.25 m/s，驱动膜辊轴的转速为1 048 r/min，电机转速为2 829.6 r/min。通过对照三相异步电机的型号参数表，选择Y80-2型三项异步电机作为收卷电机。其主要技术参数：功率为0.75 kW，额定转速为2 830 r/min，额定电流为1.8 A，最大转矩2.3 N·m，具有型号小、精度高、噪音小、运行平稳等优点，且便于安装和拆卸。

3 电磁打孔频率控制系统

电磁打孔频率控制系统的结构框图如图5所示，由图5可知，旋转编码器采集到的数据以脉冲形式输送到单片机，单片机内部程序与设定值比较，控制继电器闭合、断开，电磁铁得电、失电，实现控制电磁铁的打孔速率的功能。借助集成开发环境Keil Vision5软件编写程序，通过软件和硬件相互作用实现孔距精准控制、纵向可调，提高装置的自动化水平。硬件总电路如图6所示。

3.1 单片机芯片与数据采集模块

本研究采用STM32F103C8T6芯片，工作频率为72 MHz，共有30多个I/O端口，可应用到16个外部中断，能够接收到5 V的电信号，且内部共有3个可以同时生效的通用定时器。数据采集模块是实现孔距精准控制的基础。基于膜卷转动作业方式，本系统采用计米轮式测米器，选用精度为1 000细分，主要由增量式编码器、硅胶轮、T型底座支架等组成，具有精度准、效率高、成本低等优点^［24-25］。膜卷、硅胶轮同步转动时，增量式编码器检测信号并传递到单片机的PB12引脚上，内部程序进行脉冲计数，完成机械运动量到电信号的转换。

计米轮式测米器采集米数为：

N=n/\mathrm{1}\mathrm{000}（10）

式中：N为硅胶轮转动圈数；n为单片机输出的脉冲个数。

膜卷转动米数为：

S=C\times N（11）

式中：S为膜卷在该时间段转动的米数，mm；C为硅胶轮的周长，mm。

3.2 显示与按键模块

为便于实时显示脉冲信号，本系统采用LCD12864屏，采用4位/8位并行、2线或3线串行的方式运行^［26］，具有显示效果好、易控制、耗电量小等优点，主要显示设定值和旋转编码器的数值。按键模块设置设定键、数值+、数值-3个按键，分别与单片机的PA5、PA6、PA7引脚相连。设定数据自动存储到与单片机PA3、PA4引脚相连的AT24C08存储器中，即使系统断电，设定数据依然保存，不用每次上电重新设置距离，可实现孔距纵向可调功能。

3.3 驱动与电源模块

继电器和其他电器共同组成程序控制线路，实现自动化运行。通过内部程序对采集到的米数与设定值比较，相等时，三极管Q1的基极电平为高，Q1导通，控制接在PA8引脚的继电器闭合，电磁铁得电；不等时，继电器断开，电磁铁失电，从而实现对地膜的间歇性打孔。电源模块采用12 V电源给电磁铁供电，同时采用DC-DC变换器将12 V转换成5 V给主板供电。为满足单片机供电要求，主板上安装有AMS电源稳压芯片，其将5 V电压降为3.3 V电压输出给单片机。

4 热熔打孔仿真分析

4.1 试验设计

为研究热熔式成孔器不同温度及其与地膜不同接触距离对地膜应力的影响，采用有限元法进行地膜热熔打孔过程仿真试验。借助ANSYS Workbench仿真软件 Transient-Thermal模块和Static-Structural模块，建立热熔式成孔器-地膜的有限元三维模型进行热结构耦合模拟计算分析。设置热熔式成孔器温度分别为200、210、220 ℃，地膜表面温度22 ℃，热熔式成孔器与地膜接触距离为-6 mm，进行仿真试验研究不同时刻的温度场分布；设置热熔式成孔器与地膜接触距离分别为-2、-4、-6 mm，热熔式成孔器温度为220 ℃，地膜表面温度22 ℃，进行仿真试验研究不同时刻的热应力分布。热熔式成孔器、地膜聚乙烯材料的物理参数，如表2所示^［27-28］。

4.2 结果与分析

4.2.1 瞬态结构耦合温度场计算结果与分析

图7是热熔打孔过程不同时刻地膜表面的温度场云图。由图7可知，开始加热时，热熔式成孔器的温度不能及时传递到地膜，2.5 s时中心处的温度分布不均匀，直到10 s时中心处的温度逐渐均匀分布，T=200、210、220 ℃时，地膜最高温度分别达到98.143、85.31、72.477 ℃。随着时间的变化，热熔式成孔器与地膜的接触时间长，与地膜交互的温度增大。随着热熔式成孔器温度的增大，地膜表面温度随之增大。热熔式成孔器温度达到220 ℃时，地膜表面温度达到熔点。

4.2.2 瞬态热结构耦合热应力计算结果与分析

图8是热熔打孔过程不同时刻地膜表面的热应力云图。由图8可知，考虑位移约束后地膜的应力变化随接触距离增大而增大。交互初期变化较小，应力的轮廓面较不规则。随着时间的变化，热熔式成孔器与地膜的接触面积逐步增大，应力轮廓面呈现椭圆形，且边缘较平整。随着热熔式成孔器与地膜接触距离的增大，地膜应力随之增大。热熔式成孔器与地膜接触距离为-6 mm时，应力集中在接触处可能造成地膜的破裂。从图中可以看出，在热应力的作用下，地膜会发生变形或者破裂，孙伟^［29］研究发现地膜在应力8.49×10⁶ Pa时会发生破裂。

5 实机试验

5.1 试验条件

为验证热熔式地膜打孔机构的作业性能，确定机构最优工作参数组合，在甘肃农业大学机械工程训练中心进行了试验，试验情况如图9所示。试验选用MAX485总线和数据采集模块协调控制变频器的运行频率，精确控制三相异步电机转速，从而保证作业过程卷径逐步增大时膜速恒定。实机试验工作区域开阔，周围无其他设备干扰。工作时，通过变换作业机不同工作参数进行打孔，选用试验材料为普通PE黑膜。按规定的操作方式启动打孔机，待机构稳定运行，连续测量5段，每段测量长度为驱动膜辊轴上方500 mm长度内的膜孔尺寸和间距，测量工具采用直角钢尺。

收卷过程膜速为：

v=\omega \times r（12）

式中：v为地膜收卷过程的线速度，mm/s；ω为驱动膜辊轴转速，r/min；r为缠绕在驱动膜辊轴的膜卷半径，mm。

5.2 试验方案与测定指标

为确定适用于热熔式地膜打孔机构的最优参数组合，根据预试验选择热熔式成孔器温度（200~220 ℃）、膜速（182~259 mm/s）、热熔式成孔器和地膜接触距离（-2~-6 mm）为影响因素，以打孔合格率为评价指标^［30］。采用Box-Behnken中心组合试验设计理论，进行三因素三水平响应面试验，共开展17组响应面分析试验，试验因素水平如表3所示。

通过测定膜孔间距、膜孔长度、单行膜孔长度变异系数、单行膜孔间距变异系数、各行膜孔长度一致性变异系数、各行膜孔间距均匀性变异系数来判断机构打出来的膜孔是否符合要求^［31］。

单行膜孔长度变异系数为：

V_a=\frac{S_a}{X_a}（13）

式中：V_a 为单行膜孔长度变异系数，%；S_a 为单行5次测量膜孔长度的标准差，mm；X_a 为单行膜孔长度平均值，mm。

单行膜孔间距变异系数为：

V_{\mathrm{b}}=\frac{S_{\mathrm{b}}}{X_{\mathrm{b}}}（14）

式中：V_b 为单行膜孔间距变异系数，%；S_b 为单行5次测量膜孔间距的标准差，mm；X_b 为单行膜孔间距平均值，mm。

\left\{\begin{array}{l}{\overline{x}}_j=\frac{\mathrm{1}}{k}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^k}{x}_{ij}\\ S_j=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{k-\mathrm{1}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^k}(x_{ij}-{\overline{x}}_j)}^{\mathrm{2}}}\\ H=\frac{\mathrm{1}}{n}\times {\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}\frac{S_j}{{\overline{x}}_j}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}\end{array}\right\}（15）

式中：{\overline{x}}_j为第j次单行膜孔长度平均值，mm；S_j 为第j次试验膜孔长度标准差，mm；H为各行膜孔长度一致性变异系数，%；X_ij 为第j次第i行的膜孔长度，mm；k为打孔器件工作行数；n为试验总次数，本试验为3次。

\left\{\begin{array}{l}{\overline{m}}_{\mathrm{j}}=\frac{\mathrm{1}}{nk}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}({\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^k}{m}_{ij})\\ {\sigma }_m=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{nk-\mathrm{1}}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(m_{ij}-{\overline{m}}_{\mathrm{j}}{)}^{\mathrm{2}}}\\ K=\frac{{\sigma }_m}{{\overline{m}}_{\mathrm{j}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}\end{array}\right\}（16）

式中：{\overline{m}}_j为第j次单行膜孔间距平均值，mm；σ_m 为第j次试验膜孔间距标准差，mm；K为各行膜孔间距均匀性变异系数，%；m_ij 为第j次第i行的膜孔间距大小，mm。

由公式可知，当膜孔长度在18~30 mm时，其单行膜孔长度变异系数为3.48%~5.21%。膜孔间距在40~60 mm时，单行膜孔间距变异系数为2.31%~5.03%。本试验验证膜孔长度为30 mm、横向膜孔间距为40 mm、纵向膜孔间距为45 mm，其变异系数均在范围内，便可认为膜孔符合要求，试验结果如表4所示。

借助Design-Expert10.0软件对试验结果进行分析，得到表示打孔合格率Y的二次多项式回归模型。并对该模型进行方差分析、回归系数显著性检验，得到结果如表5所示。

Y=88.8-1.87×A-5.37×B-24.00×C-0.50×AB-2.75×AC-11.25×BC+7.85×A²+0.85×B²-19.90×C² （17）

式中：Y为打孔合格率，%；A为热熔式成孔器温度，℃；B为膜速，mm/s；C为热熔式成孔器和地膜接触距离，mm。

由表5可知，回归模型P<0.01，表现为极显著；失拟项P>0.05，表现为不显著，说明模型拟合程度高，能够正确反映Y与A、B、C之间的关系，回归模型可以较好地对性能试验中各种试验结果进行预测。其中因素C、C²的P<0.01，对Y影响极显著；因素BC的P<0.05，对Y影响显著，其余各项均不显著。通过对模型各因素回归系数的检验，可得到各因素对打孔合格率Y的贡献率大小排序为：C、B、A，即热熔式成孔器和地膜接触距离、膜速、热熔式成孔器温度^［32］。

5.3 结果与分析

根据回归模型做出各影响因素之间关系的响应曲面图，试验因素AB、AC交互作用对打孔合格率的影响均不显著，以下重点分析第3个响应曲面，固定A为零水平，分析B、C因素间的交互作用对Y的影响^［33-34］。

图10是A为210 ℃时，B和C对Y交互作用的响应曲面。由图10可知，当热熔装置打孔速度固定在某一水平，接触距离由-2 mm递增至-6 mm时，打孔合格率呈现先增后降的趋势，且幅度较大。当接触距离一定时，打孔合格率随着膜速递增呈现减小趋势，且幅度较小。

以尽量使热熔式地膜打孔机的打孔合格率高的优化原则，运用Design-Expert10.0中Optimization-Numerical功能对回归方程模型进行该目标下的优化求解，得到热熔式地膜打孔机最优工作参数为：热熔式成孔器温度218 ℃，膜速222 mm/s，热熔式成孔器和地膜接触距离-4.8 mm。为了验证优化结果的可靠性，应用热熔式地膜打孔机按照上述最优工作参数进行3次性能试验，试验材料与方法与上述相同，得到打孔合格率为98.58%，表明该回归模型可靠。

6 结论

1） 试验设计了一种热熔式地膜打孔机，采用单片机控制技术、热熔技术和链传动方式，通过软件和硬件相互作用精准控制电磁铁打孔装置速率，实现孔距纵向可调等功能。

2） 通过仿真试验和正交试验对影响打孔合格率的因素（热熔式成孔器温度、膜速、热熔式成孔器和地膜接触距离）进行了研究，采用Box-Behnken试验设计方法，建立了以打孔合格率为响应指标的二次回归模型。运用Design-Expert10.0软件优化回归模型，最优工作参数组合为：热熔式成孔器温度218 ℃，膜速222 mm/s，热熔式成孔器和地膜接触距离-4.8 mm，此时打孔合格率为98.58%，满足地膜打孔机打孔要求。

参考文献

[1] 信乃诠，王立祥.中国北方旱区农业［M］.南京：江苏科学技术出版社，1998.

[2] 张德奇，廖允成，贾志宽.旱区地膜覆盖技术的研究进展及发展前景［J］.干旱地区农业研究，2005，23（1）：208-213.

[3] Hong Zhao， Wang Runyuan， Ma Baoluo，et al.Ridge-furrow with full plastic film mulching improves water use efficiency and tuber yields of potato in a semiarid rainfed ecosystem［J］.Field Crops Research，2014，161： 137-148.

[4] Qin Shuhao， Zhang Junlian， Dai Hailin，et al.Effect of ridge-furrow and plastic-mulching planting patterns on yield formation and water movement of potato in a semi-arid area［J］.Agricultural Water Management，2014，131： 87-94.

[5] 杨来胜，王程，何培洪，等.西北地区马铃薯膜上覆土最佳土层厚度试验［J］.农学学报，2016，6（7）：60-63.

[6] 杨忠娜，唐继军，张立峰.土下覆膜播种方式作物自动破膜出苗效应［J］.干旱地区农业研究，2012，30（5）：61-65.

[7] 唐继军，张静，段叶飞，等.8种作物自动破膜效应研究［J］.中国农学通报，2011，27（12）：244-248.

[8] 汪遵元，胡敦俊，黄聿荣.滚轮式膜上打孔精量播种机［J］.农业机械学报，1988（1）：88-95.

[9] 刘彩玲，宋建农，王继承.花生覆膜穴播机成穴机构研究［J］.中国农业大学学报，2007（3）：61-64.

[10] 马军民.全膜双垄沟播玉米穴播机的设计［D］.兰州：甘肃农业大学，2010.

[11] 王松林.全膜双垄沟气推直插式玉米精密穴播机的研究与设计［D］.兰州：甘肃农业大学，2015.

[12] 卢俊杰，徐东，史晓敏.一种地膜打孔机：CN210610515U［P］.2020-05-26.

[13] 乔宪宾.高效地膜打孔机：CN210999064U［P］.2020-07-14.

[14] 殷天国.一种可调式地膜打孔机：CN106358515B［P］.2019-03-22.

[15] 李亚芹，王俊发，邱新伟，等.智能地膜打孔机CN 108718841A［P］.2018-11-02.

[16] 孙龙，安杰，张嘉哲，等.陶笛演奏机器人的设计［J］.自动化应用，2019（8）：138-139.

[17] 王经仁.基于触觉力反馈的虚拟乒乓球拍的设计与实现［D］.重庆：西南大学，2020.

[18] 农用地膜国家新标出台 地膜厚度不得小于0.010毫米［J］.科学种养，2018（2）：4.

[19] 李诗龙，丁文平，张永林，等.腐竹的机械化生产关键技术研究［J］.农业工程学报，2007（10）：224-228.

[20] 张明玉.特氟龙涂层表面特性对CaCO₃污垢影响的研究［D］.吉林：东北电力大学，2009.

[21] 李萍萍，胡永光.冬季塑料大棚多重覆盖及电加热增温效果研究［J］.农业工程学报，2002（2）：76-79.

[22] 金永奎，赵海瑞，张玲，等.种子干热处理装备设计与试验［J］.中国农机化学报，2021，42（12）：87-94.

[23] 刘亭.薄膜牵引和卷取同步控制研究［D］.北京：北京化工大学，2003.

[24] 齐皇仲，黄伟城.对滚轮式计米器示值误差测量方法的探讨［J］.中国测试，2020，46（S1）：59-63.

[25] 李玉贵，李玉屏.旋转编码器在带钢边缘检测中的应用［J］.山西机械，2002（1）：23-24.

[26] 王潇濛.BTM测试工装软件硬件设计［D］.北京：北京交通大学，2016.

[27] 管聪聪.火灾（高温）下钢框架热力耦合分析及安全评价方法研究［D］.合肥：安徽建筑大学，2013.

[28] 蔡庄立.聚乙烯材料导热性能的粗粒化分子模拟研究［D］.南京：东南大学，2019.

[29] 孙伟.马铃薯自动破膜效应及全膜覆土技术研究［D］.兰州：甘肃农业大学，2014.

[30] 王迪.油菜覆膜打孔精量穴播机设计与试验［D］.武汉：华中农业大学，2020.

[31] 戴飞，赵武云，马明义，等.双垄耕作施肥喷药覆膜机工作参数优化［J］.农业机械学报，2016，47（1）：83-90.

[32] 康家鑫，王修善，谢方平，等.大豆联合收获机对称可调式凹板筛设计与试验［J］.农业工程学报，2022，38（2）：11-22.

[33] 陈兴华，陈学庚，李景彬，等.钉齿滚筒式播前残膜回收装置设计与试验［J］.农业工程学报，2020，36（2）：30-39.

[34] 陈海涛，窦玉宽，王宇，等.小麦秸秆纤维地膜垄上敷设装置设计与试验［J］.农业机械学报，2021，52（6）：117-126.

基金资助

国家自然科学基金项目(52165028)

甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2022CYZC-42)

甘肃省科技计划项目(21CX6NA081)

甘肃省高等学校科技创新项目(2021B-119)

甘肃省高等学校科技创新项目(2021B-137)

甘肃农业大学伏羲人才项目(GAUFX-02J01)