水平折叠式棉花宽幅铺膜播种机关键部件的设计与试验

Design and experiment of horizontal folding wide-width cotton film-laying seed drill

摘要

针对宽幅棉花铺膜播种机道路运输通过性差、地头转弯困难以及复杂地表适应性低等问题，本研究设计了一种水平折叠式宽幅铺膜播种机。阐述了整机结构及工作原理，对折叠机架、举升装置、平行四杆仿形机构和液压系统等关键部件进行了理论分析，确定了各部件的主要尺寸及抬升过程中连杆的受力变化规律。利用ANSYS-ADAMS软件建立整机刚柔耦合模型，对举升过程进行动态仿真，获得了折叠机架最大应力点位置及举升装置的变形曲线。通过多通道信号调理系统对动态折叠过程中关键部位进行应力测试，各测点拟合后的仿真曲线与实测曲线拟合后，相关系数均高于0.88，剩余标准差与曲线幅值误差在15%以内。田间试验结果表明：空穴率为2.4%，单粒率为96%，穴距合格率为97.1%，破损率为0.57%，膜下播种深度合格率为95.4%，膜边覆土厚度合格率为96.22%，膜边覆土宽度合格率97.32%，地膜纵向拉伸率5.11%，采光面宽度合格率为91.8%，地膜采光面展平度为98.8%，滴灌带纵向拉伸率为0.76%。各项作业指标均达到国家和行业标准要求。

Abstract

Aiming at the problems of poor road transport clearance， difficult headland turning， and low adaptability to complex terrain of wide-width cotton film-laying seed drills， a horizontally folding wide-width film-laying seed drill was designed in this study. The overall structure and working principle were described， and theoretical analyses were carried out on key components such as the folding frame， lifting mechanism， parallelogram profiling mechanism， and hydraulic system. The main dimensions of each component and the force variation pattern of the connecting rods during lifting were determined. A rigid-flexible coupled model of the whole machine was established using ANSYS-ADAMS， and dynamic simulation of the lifting process was conducted to obtain the location of the maximum stress point on the folding frame and the deformation curves of the lifting device. Stress tests on key positions during the dynamic folding process were performed with a multi-channel signal conditioning system. The correlation coefficients between the fitted simulation curves and the measured curves at all test points were above 0.88， and both the residual standard deviations and the amplitude errors remained within 15%. Field trial results showed： a void rate of 2.4%， a single-seed rate of 96%， a seed spacing qualification rate of 97.1%， a seed damage rate of 0.57%， a qualified rate of sowing depth under film of 95.4%， a qualified rate of soil cover thickness at film edge of 96.22%， a qualified rate of soil cover width at film edge of 97.32%， a longitudinal elongation of the plastic film of 5.11%， a qualified rate of width of the daylighting surface of 91.8%， a flatness of the daylighting surface of 98.8%， and a longitudinal elongation of the drip tape of 0.76%. All operation indicators met the requirements of national and professional standards.

Graphical abstract

关键词

棉花 / 铺膜播种机 / 宽幅 / 水平折叠 / 刚柔耦合

Key words

cotton / mulch-sowing machine / wide / horizontal folding / coupling of stiffness and flexibility

棉花是我国重要的战略物资和经济作物，其生产直接影响国民经济发展^［1-2］。2024年，新疆棉花种植面积达2.45万 hm²，占全国棉花种植面积的85%；产量568.6万 t，占全国92.2%，新疆已成为全国最大的棉花生产区^［3-5］。播种是棉花生产的关键环节，提高机械化播种质量和效率对推动棉花产业发展具有重要的意义^［6-7］。宽幅播种技术能有效提高作业效率、降低人工成本。随着大功率拖拉机的应用及农业种植规模化、集约化的发展，宽幅精量播种机是现代播种装备的重要发展方向^［8］。然而，幅宽超过7 m的播种机普遍面临道路运输不便，田间地头转向困难，复杂地形适应性差等问题，因此，宽幅精量播种机必须具备良好的折叠功能。

自20世纪50年代以来，欧美许多发达国家棉花播种装备开始向自动化方向发展，播种机经历了从半精量窄幅到精量宽幅的演进。现有宽幅折叠方式可分为前置折叠式、对折式（垂直翻转）以及水平折叠式三类。德国John Deere公司开发的455谷物播种机采用前置折叠式，两侧机架在液压机构驱动下沿拖拉机前进方向折叠；意大利Maschio Gaspardo SpA公司研发的Pinta系列气吹式条播机与德国HORSCH公司研发的Avatar系列圆盘式播种机采用对折式，左右两侧播种机架在液压油缸作用下向内翻转；德国Kverneland公司研发的甜菜播种机采用水平折叠式，通过液压机构驱动两侧机架抬升实现水平折叠。上述国外折叠式播种机均未设计覆膜与铺带功能，其折叠机构不适用于棉花铺膜播种机。

国内学者针对不同地理环境与种植模式开展了大量研究。宋德平等^［9］设计了折叠式棉花覆膜播种机，但田间换向时人力成本高、作业效率低；康艳等^［10］设计的油菜宽幅折叠式浅旋精量联合播种机采用侧翻折叠技术，整机重心较高、稳定性较差；史增录等^［11］设计的折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机采用两侧边播种机架向中对称收缩、中间组件抬升的折叠方案，操作复杂、效率较低；王星等^［12］设计的前置侧向种床整备装置通过液压油缸控制两侧边清洁装置实现折叠。棉花播种机一次作业需完成种床整形、宽膜覆盖、铺设滴灌带、膜上覆土、精量播种等多道工序。对折式折叠易造成棉种、膜卷、滴灌带洒落，不适用于铺膜播种机；前置折叠式转弯半径大、重心后移，影响悬挂性能，同样不适用；水平折叠式播种机折叠后重心居中、稳定性强，且在折叠及运输过程中可避免辅料洒落，更能满足棉花铺膜播种需求。

本研究基于新疆棉花铺膜种植农艺要求，针对现有宽幅铺膜播种机存在的问题，设计了一种水平折叠式棉花铺膜播种机。折叠机架采用液压驱动，实现两侧铺膜播种组件同步水平升降，并可独立调整以满足不同幅宽地块的播种需求。采用ANSYS-ADAMS刚柔耦合仿真和物理试验相结合的方法对举升装置进行分析，并通过田间试验验证播种机的作业性能，以期为宽幅棉花铺膜播种机的设计提供参考。

1　整机结构与工作原理

1.1　整机结构

水平折叠式棉花宽幅铺膜播种机主要由折叠机架、仿形装置、框架、膜床整形装置、开沟装置、铺膜铺带装置、覆土装置、精量播种装置等组成（图1）。仿形装置将每组铺膜播种组件的框架与折叠机架连接，液压驱动系统将液压油缸的往复运动转换为折叠机架的上下平动，实现两侧铺膜播种组件的平稳升降。

1.2　工作原理

播种机采用三点悬挂装置与拖拉机挂接。作业前，液压油缸收缩驱动两侧铺膜播种组件下降至与中间组件平齐并触地，由运输状态转换为工作状态。拖拉机牵引前进时，镇压滚筒压实种床，开沟装置开出沟槽，铺膜铺带装置将地膜和滴灌带铺于种床，覆土装置将碎土撒在膜面，精量穴播器在膜面上开出种穴完成播种。作业完成后，液压油缸伸出，两侧组件水平抬升至中间组件正上方，转换为运输状态，便于拖拉机转场。主要的技术参数见表1。

2　关键部件的设计与参数确定

2.1　农艺要求

新疆棉花种植模式主要为“一膜六行”（660 mm+100 mm）的宽窄行机采棉模式（图2），窄行间铺设滴灌带实现水肥一体化。该模式具有保温保墒、节水节肥、增产抑盐等效果^［13-14］。

播种作业幅宽需根据行距和行数确定。本机工作状态为3膜18行，采用3组铺膜播种组件，以单组铺膜播种组件框架宽度为基础确定作业幅宽。本研究选取常规660 mm+100 mm机采棉模式，单组件作业幅宽B为：

B=\mathrm{3}(I+L)（1）

式中：I为机采棉模式窄行距，mm；L为机采棉模式宽行距，mm。

由（1）式计算得，单组铺膜播种组件作业幅宽为2 280 mm。单组铺膜播种组件框架宽度即地膜宽度，等于该组件作业幅宽减去两侧地膜覆土宽度。取两侧地膜覆土宽度为150 mm，则铺膜播种组件框架宽度为2 130 mm，本研究取为2 050 mm。

2.2　折叠机架结构及参数

折叠机架的主要作用包括：在道路运输及田间地头转向时，执行两侧边铺膜播种组件的抬升，使播种机由展开作业状态转换为运输状态，满足运输条件；在田间作业过程中带动铺膜播种组件前进并随地形浮动，在有起伏的地块上，折叠机架具有一定范围的活动余量，使铺膜播种组件更好地与地面贴合。

折叠机架如图3所示，由悬挂架、液压油缸、举升装置、主梁、左梁、右梁及连接卡等组成。举升装置为双摇杆机构，主动摇杆设计为V形以增大液压油缸的安装角度，避开机械死点。主梁前端焊接矩形插接管与悬挂架刚性连接，提高整机稳定性。各部件通过销轴-套筒的方式构成转动副。液压油缸有杆腔端通过销轴与举升装置主动摇杆连接，无杆腔端同样以销轴-套筒安装在悬挂架上；左右梁与副梁通过连接卡连接，构成了整个折叠机架。

宽幅铺膜播种机折叠时，液压机构驱动两侧铺膜播种组件水平抬升，折叠后播种机宽度即为两侧铺膜播种组件的宽度。单个组件框架宽度为2 050 mm，交接行宽度为300 mm。据此设计的中间主梁长度为2 250 mm，左右梁长度为2 500 mm。

2.3　举升装置设计

2.3.1　几何参数确定

举升装置为由液压油缸驱动的双摇杆机构（图4），其抬升范围及所需推力取决于各铰点的位置，需对铰点尺寸进行分析。

举升装置下连接点与铺膜播种机组件连接，该点应接近组件中心位置，以保证左右平衡和水平抬升。举升装置过长时，在两侧组件重量作用下，易使摇杆发生变形；过短时，两侧组件易与中间组件产生干涉。为使举升装置具有较好的传力条件，同时满足举升装置抬升角度0~70°的需求，需对举升装置和液压油缸与悬挂架的铰接点进行设计。考虑到两侧组件较重、抬升速度较低，根据前期试验，取低速工作机构的最小允许传动角μ=20°，为使运输状态下举升装置保持竖直，液压油缸、举升装置与悬挂架铰接点的水平距离c应小于垂直距离e。举升装置尺寸条件为：

\left\{\begin{array}{l}a\ge B/\mathrm{2}+\mathrm{300}\\ b\le B/\mathrm{2}-\mathrm{300}\\ c\approx e-\mathrm{100}\\ \mathrm{240}\mathrm{m}\mathrm{m}\le e\le \mathrm{250}\mathrm{m}\mathrm{m}\end{array}\right.（2）

式中：a为举升装置的长度，mm；b为举升装置上铰点与液压油缸铰接点之间的距离，mm；c为举升装置与悬挂架、液压油缸铰接点的水平距离，mm；e为举升装置与悬挂架、液压油缸铰接点的竖直距离，mm；B为播种机的单组幅宽，mm。下同。

播种机为运输状态时，液压油缸完全伸出，两侧铺膜组件平行举升并位于中间组件上方，举升装置应处于竖直状态。参考液压油缸设计准则，在极限位置下液压油缸安装孔轴心距离l₂≤2S+270，S为油缸行程，此时，S=b+e-l₁，液压缸内具备足够的长度容纳缩回的活塞杆。

\left\{\begin{array}{l}{l}_{\mathrm{2}}\le \mathrm{2}\left(b+e-l_{\mathrm{1}}\right)+\mathrm{270}\\ l_{\mathrm{2}}\approx e+b\end{array}\right.（3）

式中：l₁为液压油缸初始长度，mm；l₂为液压油缸展开全长，mm；e为悬挂架上举升装置铰与液压油缸铰的垂直距离，mm，下同。

由公式（2）、（3）联合计算出棉花宽幅播种机的举升装置尺寸：a为1 500 mm，b为695 mm，c为145 mm，e为245 mm。

2.3.2　运动与受力分析

为分析举升装置抬升过程中各构件的运动规律，以举升装置和液压油缸所在安装位置建立xOy坐标系，简化模型如图5所示。

由几何条件可得摇杆角速度为：

{\omega }_{\mathrm{1}}=\frac{V_B}{b}（4）

其中：

V_B=\frac{V_{PB}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mu }（5）

\mu =arcos\frac{b^{\mathrm{2}}+L_{PB}^{\mathrm{2}}-L_{AP}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}b{l}_{PB}}（6）

L_{PB}=l_{\mathrm{1}}+V_{PB}t（7）

式中：V_B 为铰链B的速度，m/s；V_PB 为液压油缸伸长速度，m/s；l_PB 为液压油缸伸长后长度，mm；t为伸长时间，s；l₁为液压油缸初始长度，mm；l_AP 为举升装置与悬挂架、液压油缸铰接点之间的距离，mm；μ为传动角（°）。

根据点的速度合成定理，液压油缸的角速度ω₂为：

{\omega }_{\mathrm{2}}=\frac{{\omega }_{\mathrm{1}}b\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mu }{L_{PB}}（8）

由式（8）可知，在抬升过程中，当油缸角速度一定时，随着油缸伸出长度增加，传动角变大，举升装置的角速度会逐渐减小；在降落过程中，随着液压油缸伸出距离减小，传动角变小，举升装置角速度逐渐增大。

为分析抬升过程中举升装置连杆的受力特性，将举升装置视为平面铰链四杆机构。当举升装置转角为\alpha时，举升装置受力分析如图6所示。

取AB杆为研究对象，则有：

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=\mathrm{0}\\ F_{A\mathrm{x}}+F_{C\mathrm{x}}+F_{P}cos\beta =\mathrm{0}\\ \sum F_{\mathrm{y}}=\mathrm{0}\\ F_{A\mathrm{y}}+F_{C\mathrm{y}}+F_{P}sin\beta =\mathrm{0}\\ \sum M_A=\mathrm{0}\\ F_{P}b\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\beta -\alpha )+a(F_{Cy}cos\alpha -F_{Cx}sin\alpha )=\mathrm{0}\end{array}\right.（9）

式中：F_p 为液压油缸对举升装置的支持力，N；F_Ax 、F_Ay 分别为铰接点A处力在水平、竖直分力，N；F_Cx 、F_Cy 分别为铰接点C处力的水平、竖直分力，N；α为举升装置旋转角度，（°）；β为举升油缸与水平线所夹锐角，（°）。

取BC杆为研究对象，则有：

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=\mathrm{0}\\ -F_{\mathrm{C}\mathrm{x}}+F_{\mathrm{D}\mathrm{x}}=\mathrm{0}\\ \sum F_{\mathrm{y}}=\mathrm{0}\\ -F_{\mathrm{C}\mathrm{y}}+F_{\mathrm{D}\mathrm{y}}+G=\mathrm{0}\\ \sum M_B=\mathrm{0}\\ F_{\mathrm{D}\mathrm{x}}{l}_{CD}sin\sigma -F_{D\mathrm{y}}{l}_{CD}cos\sigma -Gl/\mathrm{2}=\mathrm{0}\end{array}\right.（10）

式中：F_Cx 、F_Cy 分别为铰接点C处力在水平、竖直分力，N；F_Dx 、F_Dy 分别为铰接点D处力在水平方向、竖直方向上的分力，N；G为铺膜播种组件的重量，N；l_CD 为铰接点C与铰接点D之间的距离，mm；\sigma为举升装置连杆焊合件之间的夹角，（°）。

取DE杆为研究对象，DE杆只受2个力，可视为二力杆：

\left\{\begin{array}{l}{F}_{D\mathrm{x}}=F_{E\mathrm{x}}\\ F_{D\mathrm{y}}=F_{E\mathrm{y}}\end{array}\right.（11）

式中：F_Ex 、F_Ey 分别为铰接点E处力在水平、竖直分力，N。

由式（9）、（10）、（11）化简可得：

F_P=\frac{Glcos\alpha +G{l}_{CD}cos(\sigma +\alpha )}{\mathrm{2}bsin(\beta -\alpha )}（12）

由式（12）可知，液压油缸的受力和举升装置抬升角度的关系，随着抬升角度的增大，受力逐渐减小，在举升的起始阶段受力最大。

2.4　平行四杆仿形结构设计

仿形机构可使播种机在不平整的地面上作业时，保持种床整形、覆盖、铺管、播种等项工序的作业质量一致性^［15-17］。本机采用平行四杆仿形结构，如图7所示。

总仿形量H的计算公式为：

H=H_{\mathrm{1}}+H_{\mathrm{2}}=Lsin({\epsilon }_{\mathrm{0}}+{\epsilon }_{\mathrm{1}})+Lsin{\epsilon }_{\mathrm{2}}（13）

式中：H为平行四杆仿形机构的总仿形量，mm；H₁为上仿形量，mm；H₂为下仿形量，mm；L为拉杆长度，mm；ε₁为上仿形变化角，（°）；ε₂为下仿形变化角，（°）。

由式（13）可知：总仿形量一定时，拉杆越短，仿形角度变化范围越大；拉杆越长，变化范围越小。增加拉杆长度可减小牵引角变化范围，同时增大机具纵向尺寸，使重心降低并后移，有利于提高稳定性，但纵向尺寸过大则影响悬挂稳定性。因此需合理选取连杆长度及仿形角度。

综合考虑整机播种质量与悬挂稳定性，取拉杆牵引角为5°，下仿形量为100 mm，上仿形变化角为10°，下仿形变化角为15°。代入式（13）计算得：拉杆长度L=395.37 mm，上仿形量H₁=104.30 mm。上仿形量在70~110 mm范围内，满足设计要求。

2.5　液压折叠系统设计

2.5.1　液压系统工作原理

液压折叠系统如图8所示，主要由手动三位四通换向阀、溢流阀、单向阀、调速阀及液压油缸等组成，油缸为执行元件。

液压动力由拖拉机油泵提供，通过手动O型三位四通换向阀控制油缸动作。播种机从运输状态转换为工作状态时，将2个换向阀同时切换到右位，压力油通过单向阀进入有杆腔，活塞杆缩回，两侧铺膜播种组件下降至地面。播种作业完成后，将2个换向阀同时切换到左位，压力油进入无杆腔，活塞杆伸出，两侧播种铺膜组件平稳上升；回油路上的调速阀用来调节折叠速度，保证升降平稳。作业过程中，可根据需要单独控制左或右侧油缸，实现单侧抬升及作业幅宽调节。

播种机处于道路运输状态时，2个O型三位四通换向阀均处于中位，液压油缸无法执行伸缩动作，两组铺膜播种组件在运输过程中始终保持水平状态位于中间组件正上方，保证了运输的稳定性。

2.5.2　液压油缸设计

液压系统工作压力根据外载荷确定。在折叠过程中，单个伸缩油缸需克服单组铺膜播种组件（含种子、地膜和滴灌带）、举升装置、折叠梁等总重约6 800 N。根据载荷选择系统工作压力1.8 MPa。折叠时油缸活塞杆伸出，压力作用于无杆腔。无杆腔活塞工作面积S₁及活塞直径D分别为：

F=p_{\mathrm{1}}{S}_{\mathrm{1}}-p_{\mathrm{2}}{S}_{\mathrm{2}}（14）

S_{\mathrm{1}}=\frac{F+P_{\mathrm{2}}{S}_{\mathrm{2}}}{P_{\mathrm{1}}}（15）

D=\sqrt[]{\frac{\mathrm{4}F}{\pi \left[P_{\mathrm{1}}-P_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}-{(\mathrm{0.5})}^{\mathrm{2}}\right)\right]}}（16）

式中：F为活塞杆有效负载，N；S₁为无杆腔活塞工作面积，m²；S₂为有杆腔活塞工作面积，m²；P₁为液压油缸进油压力，MPa；P₂为液压油缸回油压力，MPa；D为活塞直径，mm

当工作压力小于5 MPa时，活塞杆直径取0.50~0.55 D，本研究选取d=0.5 D。由式（16）计算得到D=81.27 mm，根据已有研究^［18］，选取活塞D=90 mm，活塞杆径d=45 mm。

3　折叠机架刚柔耦合仿真

3.1　刚柔耦合模型构建

在SolidWorks中建立折叠播种机三维模型，经简化后导入ADAMS软件^［19-21］。设置模型各部件材料为钢材，添加相应约束以模拟实际运动。

将举升装置模型保存为.X_T格式导入有限元分析软件ANSYS中，采用六面体和四面体单元混合的方式划分网格，在各铰接孔中心利用Mass单元建立外部节点及节点之间的网状刚性区域，便于传递力或力矩。举升装置材料为Q235钢（密度为7 850 kg/m³、弹性模量为207 GPa、泊松比为0.29），生成模态中性文件（.mnf）替换ADAMS中的刚性体，构建刚柔耦合模型（图9）。设置步长为0.01，仿真时间为12 s，进行求解计算。

3.2　仿真结果分析

举升装置应力云图（图10）显示，抬升过程中应力随着抬升角度的增大逐渐减小，较大应力集中在主动摇杆、从动摇杆两端及主动摇杆与液压油缸铰接的耳板处。最大应力为144 MPa，位于主动摇杆与液压油缸铰接的耳板上，小于材料的许用应力157 MPa，强度满足要求。

如图11所示，举升装置主动摇杆与从动摇杆的变形主要集中在X轴和Z轴方向。其中，Z方向变形较大，范围在0~35 mm。这是由于铺膜播种组件纵向尺寸大，使播种机重心后移，举升过程中机具产生绕X轴的侧转力矩。在油缸伸缩的过程中，两侧机架发生了X方向的挠度变化，举升装置在X方向变形范围在0~20 mm。Y方向因举升装置自重及铺膜播种组件重力作用产生轴向压缩变形，变形量较小。

在举升装置与悬挂架铰接点、油缸铰接点、副梁铰接点处分别取标记点325、1 169和991。因主动摇杆为柔性体，举升过程中振动较大，其受力数据经拟合如图12（a）所示。举升装置受力与其摇杆长度及转动角度有关，转动角度范围为0~70°。随着抬升角增大，举升装置受力逐渐减小。最大受力点出现在液压油缸与举升装置主动摇杆铰接点P处，最大受力为2.75×10⁷ N，具体见图12（b）。在机具由展平状态向折叠状态转换的起始瞬间，油缸受力最大。

4　折叠机架应力测试

4.1　应力测试方法

为验证仿真模型的准确性，搭建了折叠机架应力测试系统。系统由CT5304动静态应变仪（上海澄科）、NI6001数据采集卡、120-3CA应变片、120 Ω精密电阻、测试软件及电脑组成。采用1/4电桥接线，应变仪的输出信号经采集卡模数转换后传输至电脑。基于LabVIEW采集数据，实时显示并储存。应力测试系统如图13所示。

根据仿真结果，在举升装置应力集中位置布置测点（图14）：主动摇杆设置两组测点（A、B），从动摇杆设置三组测点（C、D、E），每组两处。应变片对称粘贴，试验前对系统进行标定。播种机满载（添加种子、地膜和滴灌带）进行测试。

4.2　试验结果与仿真结果对比

对各测点采集的应变信号进行处理，消除传感器异常值、趋势项及电磁噪声，经计算得到各测点应力数值。以主动摇杆测点B₁和从动摇杆测点D₁为例，仿真与实测结果对比如图15所示。

分别对仿真结果和实测结果进行多项式拟合，采用两曲线相关系数及剩余标准差评价拟合误差^［22-23］。以主动摇杆测点B₁和从动摇杆测点D₁为例，拟合后的仿真与实测结果对比如图16所示。

由图16可知，测点B₁的仿真曲线与实测曲线相关系数为0.966 4，剩余标准差为2.357 3，误差4.37%；测点D₁的仿真曲线与实测曲线的相关系数为0.989 0，剩余标准差为0.410 2，误差为6.67%。其余测点均采用相同方法进行拟合对比，对比结果如表2所示。

由表2可知，各测点仿真应力曲线与实测曲线呈现高度相关，剩余标准差与曲线幅值误差均在15%以内，说明仿真分析结果与实际受载情况吻合度较高。各测点中B₁、B₂所受载荷最大，因其位于举升装置与液压油缸铰接处，抬升过程中不仅承受铺膜播种组件的重力、自身重力，还承受油缸推力及转动过程中所产生的附加力。该处载荷-时间历程曲线（图15（a））显示，该点处载荷波动明显，因此应力集中，容易导致耳板变形或裂纹。可将耳板材料由Q235钢改为45钢，提高强度与刚度，增强折叠与展开的稳定性。

5　田间性能试验

5.1　试验条件

2025年4月在新疆生产建设兵团二师铁门关市第13连开展田间试验（图17）。试验前对田地进行犁、耙、平、耕整作业，确保试验田上实下虚满足播种作业要求^［24］，测得土壤坚实度为466 kPa，平均含水率为9.8%。试验选用新疆地区广泛种植的棉花品种‘新陆早 68号’，其千粒质量为97 g，含水率为6.6%。地膜宽为2 050 mm，厚度为0.01 mm。播种机作业时由东方红LF1504型拖拉机牵引，试验设备包括土壤坚实度测量仪、直尺、卷尺、挖种勺及记号笔等。

5.2　试验方案和方法

折叠机架是播种机的主要承载与连接部件，其性能可通过整机作业性能间接反映。因此，分别从播种性能、铺膜性能和铺带性能3个方面选取评价指标进行田间试验，综合评价作业效果。

参照GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》^［25］测定播种性能，包括穴距合格率、播种深度合格率、单粒率、空穴率、破损率的试验数值如表3所示。

膜下播种深度合格率、穴矩合格率、空穴率的测定方法：在往返2个单程上交错选定4个测试小区，每区长为10 m，测5行，每行20穴。垂直切开种床土壤，在剖面上测量播种深度、棉种间距和空穴数。

K_{\mathrm{1}}=\frac{m_{\mathrm{1}}}{m_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（17）

K_{\mathrm{2}}=\frac{m_{\mathrm{2}}}{m_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（18）

K_{\mathrm{3}}=\frac{m_{\mathrm{3}}}{m_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（19）

式中：K₁为播种深度合格率，%；K₂为穴距合格率，%；K₃为空穴率，%；m₁为播种深度合格数，个；m₂为棉种间距合格数，个；m₃为空穴数，个；m₀为总测量数，个。

种子破损率为穴播器排出口种子破损率减去种子的自然破损率。种子自然破损率的测定方法：从待播种子中取样5次，每次100 g，拣出破碎的种籽粒称出质量，称量精度不低于0.1 g，求出平均值。穴播器排出口种子破损率的测定方法：机具在正常作业速度下匀速转动穴播器，在5个穴播器排出口处接取500 g种子样本，称出样本质量和样本中破损种子质量，称量精度不低于0.1 g，求取平均值。

Z_{p\mathrm{1}}=\frac{t_{\mathrm{1}}}{t_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（20）

Z_{p\mathrm{2}}=\frac{t_{\mathrm{3}}}{t_{\mathrm{2}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（21）

Z_P=Z_{P\mathrm{2}}-Z_{P\mathrm{1}}（22）

式中：Z _p1为种子自然破损率，%；Z _p2为穴播器排出口种子破损率，%；Z _p 为种子破损率，%；t₁为待播种子样本中破损种子质量，g；t₀为待播种子样本种子质量，g；t₃为穴播器排出口种子样本中破损种子质量，g；t₂为穴播器排出口种子样本质量，g。

参照JB/T 7732—2023《铺膜播种机》^［26］对播种机铺膜性能进行测定，测定地膜纵向拉伸率、采光面宽度合格率、地膜采光面展平度、种行覆土宽度合格率、种行覆土厚度合格率，试验数值如表4所示。

地膜拉伸率测定方法：试验前记录测试所用地膜的厚度和此时膜卷的周长，随后在地膜卷中部轴向划一长约10 mm的标示线。作业完成后，从某一标示线起，连续数出M个标示线，测量测区内N个标示线首尾两线的中心距S。中心距在地膜卷上的原始长度L按式（23）计算。

L=\left(N-\mathrm{1}\right)\left[A-\left(\mathrm{2}M-N-\mathrm{1}\right)\cdot \pi \cdot \delta \right]（23）

式中：L为中心距S在地膜卷上的原始长度，mm；M为查定的标示线总数，个；N为查定的测区内的标示线数，个；\delta为测试用的地膜厚度，mm；A为第一条标示线对应的膜卷周长，mm，下同。

地膜纵向拉伸率按式（24）计算：

\lambda =\frac{L_{\mathrm{1}}-L}{L}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（24）

式中：\lambda为地膜纵向拉伸率，%；L为测定的地膜原始长度，mm；L₁为作业后测定的地膜长度，mm。

地膜采光面合格率测定方法：在往返2个单程上交错选定4个测试小区，每个小区长度为10 m。采用对角线等距随机选取法，共选取了5个测量膜段，每段长5 m。在每个测量膜段内随机选择10个测点，以测试区的测定平均值为测试结果。

\tau =\frac{N_{\mathrm{1}}}{N_{\mathrm{2}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（25）

式中：\tau为采光面宽度合格率，%；N₁为采光面宽度合格的检测点数，个；N₂为采光面宽度检测总数，个。

膜边覆土宽度合格率、膜边覆土厚度合格率测定方法：随机选取测定点，在每个测点上测定覆土宽度和覆土厚度，求取平均值。

\omega =\frac{k_{\mathrm{1}}}{k_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（26）

K=\frac{k_{\mathrm{2}}}{k_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（27）

式中：\omega为膜边覆土宽度合格率，%；K为膜边覆土厚度合格率，%；k₀为总测定数，个；k₁为膜边覆土宽度合格数，个；k₂为膜边覆土厚度合格数，个。

参照NY/T 1559—2007《滴灌铺管铺膜精密播种机质量评价技术规范》^［27］对播种机铺膜性能进行测定，测定滴灌带纵向拉伸合格率。滴灌带纵向拉伸率测定方法：试验前需要将测试所用滴灌带从带盘上转出，每隔1 m沿滴灌带径向画上标示记号，标示长度≥20 m，选取不相邻的2组。卷回原状后，在测试区随机选择一段含5个标示线的样本，测量首尾拉伸后长度。

\eta =\frac{S_g-\mathrm{5}\mathrm{000}}{\mathrm{5}\mathrm{000}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（28）

式中：η为滴灌带纵向拉伸率，%；S_g 为测试区内5个标示记号首尾之间拉伸后的长度，mm。

对测试区的滴灌带5个样本进行统计，滴灌带纵向拉伸率分别为0.73%、0.64%、0.78%、0.83%、0.82%。宽幅可折叠铺膜播种机检测性能要求及工作性能检测结果如表5所示。

田间试验表明，折叠式棉花宽幅铺膜播种机的空穴率为2.4%，单粒率为96%，穴距合格率为97.1%，破损率为0.57%，膜下播种深度合格率为95.4%，地膜纵向拉伸率为5.11%，采光面宽度合格率为91.8%。地膜采光面展平度为98.8%，膜边覆土厚度合格率为96.22%，膜边覆土宽度合格率为97.32%，滴灌带纵向拉伸率为0.76%，均达到国家和行业标准要求，满足新疆棉花铺膜播种农艺需求。

6　结 论

1）设计了一种水平折叠式宽幅铺膜精量播种机，阐述了其整机结构及工作原理，对抬升过程的主要工作部件进行设计分析。通过运动学与动力学分析，得到各部件主要参数以及影响折叠过程的相关因素。

2）建立了ANSYS-ADAMS刚柔耦合仿真模型，模拟了播种机折叠过程。结果表明，举升装置的最大受力和最大变形位置位于液压油缸与举升装置铰接处，最大变形为33 mm，起始阶段瞬间受力最大为2.75×10⁷ N。折叠机架的强度满足播种机作业要求。

3）通过多通道信号调理系统对动态折叠过程中关键部位进行了应力测试。关键测点拟合后的仿真曲线与实测曲线呈现高度相关性，剩余标准差与曲线幅值误差在15%以内，证明刚柔耦合仿真结果可靠有效。

4）田间试验结果表明，折叠式棉花宽幅铺膜播种机的空穴率为2.4%、单粒率为96%、穴距合格率为97.1%、破损率为0.57%、膜下播种深度合格率为95.4%、地膜纵向拉伸率5.11%、采光面宽度合格率为91.8%、地膜采光面展平度为98.8%、膜边覆土厚度合格率为96.22%、膜边覆土宽度合格率97.32%、滴灌带纵向拉伸率为0.76%，各项指标均达到国家和行业标准要求。

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