何生根，李旭英，侯占峰，楊　媛，王　璐

(內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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滑移率對吊杯式移栽機膜上穴口長度影響分析

何生根，李旭英，侯占峰，楊媛，王璐

(內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：針對2ZB-2型吊杯式移栽機在膜上移栽過程中出現的穴口長度過大的問題，通過對移栽機運動特征參數、傳動比和地輪滑移率之間的關系進行推導，得到了它們之間的關系式。同時，利用MatLab建立了膜上穴口長度計算程序，分析了滑移率、傳動比對運動特征參數和膜上栽植穴口長度的影響，得出滑移率在10%～20%范圍內及移栽機結構一定的情況下，隨移栽機傳動比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現為先減小后增大的趨勢，存在最小膜上穴口尺寸，并提出了通過改變傳動比的方法來減小膜上穴口長度的方案。田間試驗表明：當滑移率為10%～20%、傳動比為0.698～0.852時，穴口長度變化范圍最小，此研究為移栽機的后續(xù)改進提供了參考。

關鍵詞：吊杯式移栽機；滑移率；膜上；穴口長度；運動特征參數

0引言

目前，國內幼苗向田間移栽基本全靠人力完成，而人工移栽費力、耗時、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、冰雹等災害性氣候的影響[3-5]。尤其是膜上移栽技術，采用機械化移栽，可以短時間內進行大面積移栽作業(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，不僅保證了栽植質量，而且有效地抑制了土壤風蝕和減少土壤水分、養(yǎng)分及有機質的損失[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)產和高產。因此，移栽機在全國的推廣是十分必要的，尤其在我國內蒙等北方及東北等省，存在著大面積的耕地，人工勞動已基本不能滿足生產要求，吊杯式移栽機的應用推廣對發(fā)展農業(yè)經濟、調整農業(yè)產業(yè)結構和幫助農民增收具有重要的意義[8]。

隨著移栽技術的發(fā)展，移栽機經過引進、分析及自主研發(fā)階段，已經取得了迅猛的發(fā)展[9-10]；但針對移栽機栽植穴口長度和滑移率方面進行系統(tǒng)的研究很少。由于吊杯式移栽機在實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]，無法滿足農藝的要求。因此，在考慮滑移率的基礎上，研究移栽機膜上的穴口長度對移栽機的改進設計和性能優(yōu)化具有一定的意義。

12ZB-2型移栽機簡介

1.1　移栽機的總體結構

2ZB-2型移栽機是一種雙行吊杯式半自動移栽機械，集打穴、栽苗、覆土于一體。工作時，由鏈輪傳動機構把動力傳遞到移栽裝置，移栽盤帶動吊杯完成栽植工作，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，因此可以進行膜上栽植，同時增大了移栽機的適用范圍，能夠適用于大多數的蔬菜和經濟作物缽苗，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進行移栽[13]。移栽機構中使用了雙圓盤偏心機構，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移栽機的結構圖如圖1所示。

1.2　移栽機栽植裝置

移栽機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移栽機中的關鍵部件，移栽時可以根據株距的不同來選擇安裝在安裝盤上的吊杯數目；打穴過程由吊杯完成，吊杯開口的時間由空間凸輪控制。

1.傳動機構　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　移栽機的傳動機構

2ZB-2型吊杯式移栽機采用了鏈傳動，結構簡單，便于維修。當移栽機正常工作時，由土壤同地輪間的摩擦阻力帶動地輪轉動，然后與其同軸的鏈輪Z1通過鏈條帶動鏈輪Z2，鏈輪Z2同鏈輪Z3同軸，鏈輪Z3通過鏈條帶動鏈輪Z4，最后鏈輪Z4帶動移栽盤轉動，完成移栽作業(yè)。傳動機構結構簡圖如圖3所示。

圖3　傳動裝置結構簡圖

2移栽機的滑移率

2.1　滑移率

移栽機進行移栽作業(yè)時，由地輪傳遞力矩到移栽機的栽植裝置主軸，帶動栽植裝置實現移栽。因此，地輪在轉動時，除了克服滾動阻力之外，還要傳遞工作力矩。由于耕作土壤受壓時會發(fā)生變形，所以移栽機地輪在工作時會產生滑移。移栽機的滑移率是指移栽機在移栽過程中輪子轉過幾圈后，實際所走的距離S實際比理論距離S理論(即周長乘轉數)要長，所以移栽機的滑移率ε為

(1)

式中s實際—移栽機地輪實際行走距離(m)；

s理論—移栽機地輪理論行走距離(m)。

2.2　運動特征參數與滑移率和傳動比的關系

移栽機吊杯的運動特征參數λ是移栽機的正常工作的重要參數，定義為移栽機正常工作時吊杯的水平速度與移栽機的前進速度比值。移栽機正常工作時要求運動特征參數λ≥1，則

(2)

式中v吊—移栽機吊杯相對移栽機的線速度(mm/s)；

v機—移栽機相對地面的前進速度(mm/s)。

在理想狀態(tài)下(不考慮滑移時)，有

(3)

式中i13—地輪軸I到移栽裝置主軸III的傳動比。

R吊—吊杯左右梁中心到移栽裝置主軸中心的距離，稱為吊杯旋轉半徑(mm)；

r地—移栽機地輪的半徑(mm)。

由公式(1)和公式(3)可以得到在實際情況下(即在考慮滑移率時)運動特征參數λ與滑移率ε之間的關系式為

(4)

公式(4)同公式(3)比較，可以發(fā)現：在地輪直徑、吊杯旋轉半徑、移栽機傳動比一定的情況下，移栽機滑移率ε對運動特征參數λ會產生的直接影響。在數學上，滑移率ε在[0,1]內變化，與運動特征參數λ成反比關系。即當ε值變大時，λ變小，從而影響移栽機的栽植性能；而在移栽機實際作業(yè)時，由于地表不平度，土壤硬度等因素均導致滑移率ε發(fā)生較大變化，致使移栽時的株距、秧苗直立度、栽植速率及穴口長度等不穩(wěn)定。

3滑移率對栽植穴口長度的影響

3.1　建立栽植穴口長度計算程序

對于2ZB-2型吊杯式移栽機，由移栽機以前的測試數據可知，其滑移率一般在11%左右。為了研究移栽機在不同土壤硬度(即不同滑移率)下的變化規(guī)律，利用MatLab軟件編制計算程序，對吊杯運動軌跡進行仿真，分析滑移率為10%、15%、20%時栽植穴口長度的變化，以便找出在滑移率為10%～20%時不同傳動比下的穴口長度變化規(guī)律。

移栽機的栽植穴口長度可分為由吊杯運動軌跡在土壤中的最大距離形成的軌跡穴口長度b和由吊杯本身的結構特征導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k和b的關系可以在MatLab中編程，栽植穴口長度的計算程序界面如圖4所示。此時，輸入滑移率數值、再選擇不同齒數就得到了不同傳動比下的栽植穴口長度值。

圖4　栽植穴口長度計算程序

3.2　基于MatLab仿真分析

移栽機滑移率和傳動比的改變都會對運動特征參數造成一定的影響。當滑移率在10%～20%，傳動比在0.635～0.984之間變化時運動特征參數λ值的變化如表1所示。

表1　不同傳動比、滑移率情況下的運動特征參數λ

從表1可以看出：當Z2齒數一定，即傳動比固定不變時，隨著滑移率的增大，運動特征參數λ值在逐漸減小；而當滑移率不變時，隨著傳動比的增加，λ值也在逐漸減小。Z2為28、30、31齒時，隨著滑移率、傳動比的增大，特征參數λ值逐漸由大于1變?yōu)樾∮?，此時已不滿足移栽機正常工作時λ>1的必要條件?？梢娀坡?、傳動比對運動特征參數λ有顯著的影響。為了進一步探索其影響規(guī)律，選取滑移率分別為10%、15%、20%的情況下，用MatLab仿真時不同傳動比時栽植穴口長度的變化，如表2所示。

表2　不同傳動比、滑移率情況下的膜上穴口長度

表2中的仿真數據表明：在移栽機結構一定的情況下，滑移率在10%～20%范圍內，隨移栽機傳動比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現為先減小后增大的趨勢，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸數值還與滑移率有關，隨滑移率增大，產生最小膜口尺寸所需的傳動比減小。根據移栽機正常工作時λ>1的必要條件，滑移率在10%～20%范圍內，對于2ZB-2型吊杯式移栽機作業(yè)時，適宜的傳動比為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。為了進一步驗證滑移率對膜上穴口長度影響，需要進行田間試驗。

4田間試驗

試驗地點為內蒙古農業(yè)大學試驗田，所用拖拉機為山拖泰山拖拉機,功率為22kW，移栽機為內蒙古農業(yè)大學制造的2ZB-2型吊杯式移栽機。田間試驗的秧苗為番茄苗和辣椒苗，秧苗平均高度120mm。試驗時平均栽植深度80mm，栽植穴口長度用使用卷尺測量，滑移率通過測量移栽機實際行駛的距離和地輪的轉動圈數通過計算獲得。

對試驗時的滑移率進行整理可知：滑移率的大小在5%~20%之間變動，平均值為11.33%。對Z2為20~30齒時的栽植穴口長度數據進行整理，結果如圖5所示。

圖5　不同齒數時的栽植穴口長度

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

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

表3　栽植穴口長度對比

5結論

1)分析表明：移栽機的滑移率、傳動比對運動特征參數λ有顯著的影響。

2)在移栽機結構一定的情況下，滑移率在10%～20%范圍內時，隨移栽機傳動比的增大，膜上穴口尺寸變化具有相同規(guī)律，即膜口尺寸表現為先減小后增大的趨勢，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸數值還與滑移率有關，隨著滑移率的增大，出現最小膜口尺寸所需的傳動比減小。

3)滑移率在10%～20%時，對于2ZB-2型吊杯式移栽機作業(yè)時，適宜的傳動比為0.698～0.852。通過調整鏈輪Z2齒數(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。此研究也為移栽機的后續(xù)改進提供了一定的參考。

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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：S223.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0042-05

作者簡介：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，內蒙古巴彥淖爾人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465048);內蒙古自治區(qū)高等學校研究項目 (NJZY050);內蒙古農業(yè)大學科技創(chuàng)新團隊項目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-09-30