何生根，李旭英，侯占峰，楊　媛，王　璐

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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滑移率對(duì)吊杯式移栽機(jī)膜上穴口長度影響分析

何生根，李旭英，侯占峰，楊媛，王璐

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對(duì)2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)在膜上移栽過程中出現(xiàn)的穴口長度過大的問題，通過對(duì)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)、傳動(dòng)比和地輪滑移率之間的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，得到了它們之間的關(guān)系式。同時(shí)，利用MatLab建立了膜上穴口長度計(jì)算程序，分析了滑移率、傳動(dòng)比對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)和膜上栽植穴口長度的影響，得出滑移率在10%～20%范圍內(nèi)及移栽機(jī)結(jié)構(gòu)一定的情況下，隨移栽機(jī)傳動(dòng)比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，存在最小膜上穴口尺寸，并提出了通過改變傳動(dòng)比的方法來減小膜上穴口長度的方案。田間試驗(yàn)表明：當(dāng)滑移率為10%～20%、傳動(dòng)比為0.698～0.852時(shí)，穴口長度變化范圍最小，此研究為移栽機(jī)的后續(xù)改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：吊杯式移栽機(jī)；滑移率；膜上；穴口長度；運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)

0引言

目前，國內(nèi)幼苗向田間移栽基本全靠人力完成，而人工移栽費(fèi)力、耗時(shí)、成本高。為了使移栽工作能夠大面積地推廣展開，必須使用機(jī)械化移栽來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)方式[1-2]。移栽技術(shù)可以將作物的生育期提前10～15天左右，并且能夠使作物有利地避開倒春寒、早春低溫、冰雹等災(zāi)害性氣候的影響[3-5]。尤其是膜上移栽技術(shù)，采用機(jī)械化移栽，可以短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大面積移栽作業(yè)，一次性完成打穴、移栽、鎮(zhèn)壓覆土等操作，提高作業(yè)效率，不僅保證了栽植質(zhì)量，而且有效地抑制了土壤風(fēng)蝕和減少土壤水分、養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的損失[6-7]，便于作物快速生根，使作物緩苗期大大縮短，最終獲得穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。因此，移栽機(jī)在全國的推廣是十分必要的，尤其在我國內(nèi)蒙等北方及東北等省，存在著大面積的耕地，人工勞動(dòng)已基本不能滿足生產(chǎn)要求，吊杯式移栽機(jī)的應(yīng)用推廣對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和幫助農(nóng)民增收具有重要的意義[8]。

隨著移栽技術(shù)的發(fā)展，移栽機(jī)經(jīng)過引進(jìn)、分析及自主研發(fā)階段，已經(jīng)取得了迅猛的發(fā)展[9-10]；但針對(duì)移栽機(jī)栽植穴口長度和滑移率方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究很少。由于吊杯式移栽機(jī)在實(shí)際使用中一直存在的膜上打穴口長度過大的問題，這樣就破壞了地膜保持水分、溫度的作用[11-12]，無法滿足農(nóng)藝的要求。因此，在考慮滑移率的基礎(chǔ)上，研究移栽機(jī)膜上的穴口長度對(duì)移栽機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有一定的意義。

12ZB-2型移栽機(jī)簡(jiǎn)介

1.1　移栽機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

2ZB-2型移栽機(jī)是一種雙行吊杯式半自動(dòng)移栽機(jī)械，集打穴、栽苗、覆土于一體。工作時(shí)，由鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳遞到移栽裝置，移栽盤帶動(dòng)吊杯完成栽植工作，覆土輪完成覆土工作。鴨嘴式吊杯栽植器的使用免除了傳統(tǒng)的開溝器，因此可以進(jìn)行膜上栽植，同時(shí)增大了移栽機(jī)的適用范圍，能夠適用于大多數(shù)的蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物缽苗，如番茄、青椒、甜菜、向日葵、玉米等，甚至有些樹木類的缽苗也可以使用吊杯式移栽機(jī)進(jìn)行移栽[13]。移栽機(jī)構(gòu)中使用了雙圓盤偏心機(jī)構(gòu)，使得吊杯在移栽過程中始終保持與地面垂直的狀態(tài)，有助于提高秧苗的直立度和成活率。2ZB-2移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2　移栽機(jī)栽植裝置

移栽機(jī)的栽植裝置主要由安裝盤、吊杯、控制盤及主軸等組成，如圖2所示。其中,吊杯式栽植器是整個(gè)移栽機(jī)中的關(guān)鍵部件，移栽時(shí)可以根據(jù)株距的不同來選擇安裝在安裝盤上的吊杯數(shù)目；打穴過程由吊杯完成，吊杯開口的時(shí)間由空間凸輪控制。

1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　2.主架　3.座椅　4.移栽裝置　5.苗盤支架

1.吊杯式栽植器　2.安裝槽　3.栽植裝置主軸　4.安裝鐵圈

1.3　移栽機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)采用了鏈傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修。當(dāng)移栽機(jī)正常工作時(shí)，由土壤同地輪間的摩擦阻力帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后與其同軸的鏈輪Z1通過鏈條帶動(dòng)鏈輪Z2，鏈輪Z2同鏈輪Z3同軸，鏈輪Z3通過鏈條帶動(dòng)鏈輪Z4，最后鏈輪Z4帶動(dòng)移栽盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成移栽作業(yè)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3　傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2移栽機(jī)的滑移率

2.1　滑移率

移栽機(jī)進(jìn)行移栽作業(yè)時(shí)，由地輪傳遞力矩到移栽機(jī)的栽植裝置主軸，帶動(dòng)栽植裝置實(shí)現(xiàn)移栽。因此，地輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，除了克服滾動(dòng)阻力之外，還要傳遞工作力矩。由于耕作土壤受壓時(shí)會(huì)發(fā)生變形，所以移栽機(jī)地輪在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生滑移。移栽機(jī)的滑移率是指移栽機(jī)在移栽過程中輪子轉(zhuǎn)過幾圈后，實(shí)際所走的距離S實(shí)際比理論距離S理論(即周長乘轉(zhuǎn)數(shù))要長，所以移栽機(jī)的滑移率ε為

(1)

式中s實(shí)際—移栽機(jī)地輪實(shí)際行走距離(m)；

s理論—移栽機(jī)地輪理論行走距離(m)。

2.2　運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)與滑移率和傳動(dòng)比的關(guān)系

移栽機(jī)吊杯的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ是移栽機(jī)的正常工作的重要參數(shù)，定義為移栽機(jī)正常工作時(shí)吊杯的水平速度與移栽機(jī)的前進(jìn)速度比值。移栽機(jī)正常工作時(shí)要求運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ≥1，則

(2)

式中v吊—移栽機(jī)吊杯相對(duì)移栽機(jī)的線速度(mm/s)；

v機(jī)—移栽機(jī)相對(duì)地面的前進(jìn)速度(mm/s)。

在理想狀態(tài)下(不考慮滑移時(shí))，有

(3)

式中i13—地輪軸I到移栽裝置主軸III的傳動(dòng)比。

R吊—吊杯左右梁中心到移栽裝置主軸中心的距離，稱為吊杯旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；

r地—移栽機(jī)地輪的半徑(mm)。

由公式(1)和公式(3)可以得到在實(shí)際情況下(即在考慮滑移率時(shí))運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ與滑移率ε之間的關(guān)系式為

(4)

公式(4)同公式(3)比較，可以發(fā)現(xiàn)：在地輪直徑、吊杯旋轉(zhuǎn)半徑、移栽機(jī)傳動(dòng)比一定的情況下，移栽機(jī)滑移率ε對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ會(huì)產(chǎn)生的直接影響。在數(shù)學(xué)上，滑移率ε在[0,1]內(nèi)變化，與運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ成反比關(guān)系。即當(dāng)ε值變大時(shí)，λ變小，從而影響移栽機(jī)的栽植性能；而在移栽機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)，由于地表不平度，土壤硬度等因素均導(dǎo)致滑移率ε發(fā)生較大變化，致使移栽時(shí)的株距、秧苗直立度、栽植速率及穴口長度等不穩(wěn)定。

3滑移率對(duì)栽植穴口長度的影響

3.1　建立栽植穴口長度計(jì)算程序

對(duì)于2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)，由移栽機(jī)以前的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，其滑移率一般在11%左右。為了研究移栽機(jī)在不同土壤硬度(即不同滑移率)下的變化規(guī)律，利用MatLab軟件編制計(jì)算程序，對(duì)吊杯運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，分析滑移率為10%、15%、20%時(shí)栽植穴口長度的變化，以便找出在滑移率為10%～20%時(shí)不同傳動(dòng)比下的穴口長度變化規(guī)律。

移栽機(jī)的栽植穴口長度可分為由吊杯運(yùn)動(dòng)軌跡在土壤中的最大距離形成的軌跡穴口長度b和由吊杯本身的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的穴口長度的增量k，栽植穴口長度l可表示為二者之和，根據(jù)k和b的關(guān)系可以在MatLab中編程，栽植穴口長度的計(jì)算程序界面如圖4所示。此時(shí)，輸入滑移率數(shù)值、再選擇不同齒數(shù)就得到了不同傳動(dòng)比下的栽植穴口長度值。

圖4　栽植穴口長度計(jì)算程序

3.2　基于MatLab仿真分析

移栽機(jī)滑移率和傳動(dòng)比的改變都會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)造成一定的影響。當(dāng)滑移率在10%～20%，傳動(dòng)比在0.635～0.984之間變化時(shí)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ值的變化如表1所示。

表1　不同傳動(dòng)比、滑移率情況下的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ

從表1可以看出：當(dāng)Z2齒數(shù)一定，即傳動(dòng)比固定不變時(shí)，隨著滑移率的增大，運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ值在逐漸減??；而當(dāng)滑移率不變時(shí)，隨著傳動(dòng)比的增加，λ值也在逐漸減小。Z2為28、30、31齒時(shí)，隨著滑移率、傳動(dòng)比的增大，特征參數(shù)λ值逐漸由大于1變?yōu)樾∮?，此時(shí)已不滿足移栽機(jī)正常工作時(shí)λ>1的必要條件?？梢娀坡?、傳動(dòng)比對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ有顯著的影響。為了進(jìn)一步探索其影響規(guī)律，選取滑移率分別為10%、15%、20%的情況下，用MatLab仿真時(shí)不同傳動(dòng)比時(shí)栽植穴口長度的變化，如表2所示。

表2　不同傳動(dòng)比、滑移率情況下的膜上穴口長度

表2中的仿真數(shù)據(jù)表明：在移栽機(jī)結(jié)構(gòu)一定的情況下，滑移率在10%～20%范圍內(nèi)，隨移栽機(jī)傳動(dòng)比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸數(shù)值還與滑移率有關(guān)，隨滑移率增大，產(chǎn)生最小膜口尺寸所需的傳動(dòng)比減小。根據(jù)移栽機(jī)正常工作時(shí)λ>1的必要條件，滑移率在10%～20%范圍內(nèi)，對(duì)于2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，適宜的傳動(dòng)比為0.698～0.852。因此，可通過更換Z2(22、24、26齒)滿足移栽性能的要求，使穴口長度變化范圍最小。為了進(jìn)一步驗(yàn)證滑移率對(duì)膜上穴口長度影響，需要進(jìn)行田間試驗(yàn)。

4田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，所用拖拉機(jī)為山拖泰山拖拉機(jī),功率為22kW，移栽機(jī)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)制造的2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)。田間試驗(yàn)的秧苗為番茄苗和辣椒苗，秧苗平均高度120mm。試驗(yàn)時(shí)平均栽植深度80mm，栽植穴口長度用使用卷尺測(cè)量，滑移率通過測(cè)量移栽機(jī)實(shí)際行駛的距離和地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)通過計(jì)算獲得。

對(duì)試驗(yàn)時(shí)的滑移率進(jìn)行整理可知：滑移率的大小在5%~20%之間變動(dòng)，平均值為11.33%。對(duì)Z2為20~30齒時(shí)的栽植穴口長度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同齒數(shù)時(shí)的栽植穴口長度

由圖5可以看出：在平均滑移率為11.89%，Z2為20、22、23、24齒時(shí)，也就是隨著傳動(dòng)比的增加，栽植穴口長度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；Z2為24齒時(shí)，栽植穴口長度平均值維持在87.5mm最小；而26～30齒時(shí)，傳動(dòng)比繼續(xù)增加，除了26齒時(shí)穴口長度為108.8mm外，其他都呈逐漸增大的趨勢(shì)。試驗(yàn)穴口長度與前文的仿真數(shù)據(jù)基本吻合。不同滑移率下的仿真穴口長度和試驗(yàn)穴口長度對(duì)比及相對(duì)誤差如表3所示。

從表3可以看出：鏈輪Z2為23齒時(shí)，誤差最小，為11.7%；鏈輪Z2為22齒時(shí)，誤差最大，為31.9%；其誤差的均值保持在18%左右。雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比仿真的數(shù)據(jù)來說略為偏大，但能反映出不同滑移率下穴口長度的變化趨勢(shì)，即24齒時(shí)穴口長度變化最小。這說明，用MatLab對(duì)栽植穴口長度的仿真具有一定的參考價(jià)值。

表3　栽植穴口長度對(duì)比

5結(jié)論

1)分析表明：移栽機(jī)的滑移率、傳動(dòng)比對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)λ有顯著的影響。

2)在移栽機(jī)結(jié)構(gòu)一定的情況下，滑移率在10%～20%范圍內(nèi)時(shí)，隨移栽機(jī)傳動(dòng)比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸數(shù)值還與滑移率有關(guān)，隨著滑移率的增大，出現(xiàn)最小膜口尺寸所需的傳動(dòng)比減小。

3)滑移率在10%～20%時(shí)，對(duì)于2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，適宜的傳動(dòng)比為0.698～0.852。通過調(diào)整鏈輪Z2齒數(shù)(22、24、26齒)，可滿足移栽性能的要求，使穴口長度變化范圍最小。此研究也為移栽機(jī)的后續(xù)改進(jìn)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫榮國.旱地缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[2]王君玲,高玉芝,李成華.蔬菜移栽生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].農(nóng)機(jī)化研究,2004(3):42-43.

[3]盧勇濤，李亞雄，劉洋，等.國內(nèi)外移栽機(jī)及移栽技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2011(3)：29-32.

[4]劉洋，李亞雄，李斌，等.新疆地區(qū)作物移栽與移栽機(jī)研究現(xiàn)狀[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013(9)：189-191,196.

[5]張冕，姬江濤，杜新武，等. 國內(nèi)外移栽機(jī)研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，2(2)：21-23.

[6]王曉東,封俊. 國內(nèi)外膜上移栽機(jī)械化的發(fā)展?fàn)顩r[J].中國農(nóng)機(jī)化,2005(3):25-28.

[7]周建忠.土壤風(fēng)蝕及保護(hù)性耕作減輕沙塵暴的試驗(yàn)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

[8]遲明路. 覆膜施肥移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[9]賀智濤，鄭治華，劉劍君，等. 膜上移栽機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014,36(9)：252-255.

[10]吳美珍，阿力木.鴨嘴式膜上移栽機(jī)存在問題與解決方法[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2012(3):14-16.

[11]郝金魁，張西群，齊 新，等.我國栽植機(jī)械研制現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011,33(7)：222-224.

[12]武科,陳永成,畢新勝.新疆育苗移栽機(jī)械化的發(fā)展趁勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(1):230-232.

[13]夏連明，耿端陽，王相友，等.免耕播種機(jī)行星嚙合式防滑地輪設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(8)：56-60.

Analysis of the Impact on the Film Hole Length of the Dibble-type Transplanter Base on Slip Rate

He shenggen, Li Xuying, Hou Zhanfeng, Yang Yuan, Wang Lu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In view of the problem that the length of the punching hole is too long in the process of transplanting of the 2ZB-2 type hanging cup type transplanting machine, the relationship between the motion parameters, the ratio of the transmission and the slip rate of the model was deduced, and the relationship between them was obtained. And in the Matlab, the calculation program of the planting hole length is established. The analysis of the effect on the film hole length and motion feature parameters by the slip rate and transmission ratio. Under the condition that the slip rate is 10% to 20%, the structure of the transplanting machine is certain, and the transmission ratio is increased, the size of the hole first decreased then increased. That is, the size of the film exist the minimum value. A scheme for reducing the length of the membrane by changing the ratio of transmission is proposed. And the field experiments verify showed that when the slip rate is 10% ~ 20% and the transmission ratio is 0.698~ 0.852, the film hole length variation range is minimum, which provides reference for the follow-up of the transplant machine.

Key words：dibble-type transplanter; slip rate; film; planting hole length; motion characteristic parameter

中圖分類號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0042-05

作者簡(jiǎn)介：何生根(1991-)，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)747799459@qq.com。通訊作者：李旭英(1963-)，女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465048);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校研究項(xiàng)目 (NJZY050);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-09-30