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        吊杯式移栽機(jī)地輪與土壤相互作用力的試驗(yàn)研究

        2018-08-10 10:58:12李旭英何生根劉雪寧侯占峰
        農(nóng)機(jī)化研究 2018年9期
        關(guān)鍵詞:接觸區(qū)試驗(yàn)田硬度

        徐 坤,李旭英,何生根,劉雪寧,侯占峰

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

        0 引言

        內(nèi)蒙古地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展主要區(qū)域,當(dāng)?shù)赜酌绲囊圃远酁槿斯ひ圃?,移栽進(jìn)度慢,人力物力投資巨大。2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)是一種集打孔、栽苗、覆土等一系列功能為一體的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品,栽植速度較快且可保證栽植質(zhì)量[1]。

        吊杯式移栽機(jī)工作工程中,地輪所受的力直接決定了移栽機(jī)的效果,株距、膜口尺寸、秧苗直立度等都會受到影響[2]。如果能實(shí)時了解移栽機(jī)地輪與土壤的相互作用力,就能為移栽機(jī)穩(wěn)定性控制提供有用信息、提高栽植性能、保證栽植質(zhì)量[3],對機(jī)械化移栽技術(shù)的大面積推廣有著推進(jìn)作用。

        綜上所述,地輪-土壤接觸區(qū)域的受力分析對移栽機(jī)栽植性能穩(wěn)定性的研究具有重要意義。本文對試驗(yàn)田進(jìn)行區(qū)域劃分,對不同區(qū)域進(jìn)行壓實(shí)并做土壤硬度參數(shù)的采集,并利用薄膜式壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建的采集系統(tǒng)對地輪-土壤接觸區(qū)域相互作用力進(jìn)行了測量。

        1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

        1.1 吊杯式移栽機(jī)工作原理

        本文所研制的移栽機(jī)為2ZB-2型吊杯式移栽機(jī),適用于青椒、番茄、甜菜、玉米、生菜、紅辣椒等大量經(jīng)濟(jì)作物的移栽,其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

        1.苗盤支架 2.苗盤 3.地輪升降機(jī)構(gòu) 4.鏈條罩 5.地輪 6.栽植裝置 7.吊杯 8.座椅 9.鎮(zhèn)壓輪 10.鎮(zhèn)壓輪升降機(jī)構(gòu)

        通過輪式拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛為移栽機(jī)提供牽引力,拖拉機(jī)前進(jìn)過程中帶動移栽機(jī)的地輪轉(zhuǎn)動,右地輪轉(zhuǎn)動的同時通過鏈傳動機(jī)構(gòu)為移栽裝置提供動力;移栽盤轉(zhuǎn)動的同時帶動吊杯栽植器向下運(yùn)動將秧苗移栽到壟上,覆土鎮(zhèn)壓輪完成覆土工作[4]。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備、儀器及試驗(yàn)條件

        1)試驗(yàn)設(shè)備選型。移栽機(jī)型號:2ZB-2型吊杯式移栽機(jī);拖拉機(jī)型號:TS300型山拖泰山拖拉機(jī);薄膜式壓力傳感器型號:IMS-00004-C20,最大測距范圍20kg;感應(yīng)區(qū)直徑20mm;最大測量感應(yīng)區(qū)面積314mm2;傳感器厚度0.2mm。

        2)土壤硬度測量設(shè)備:TYD-2型土壤硬度測試儀。

        3)試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠試驗(yàn)田內(nèi),試驗(yàn)土壤類型為砂壤土。

        1.3 地輪結(jié)構(gòu)受力分析

        吊杯式移栽機(jī)在工作過程中某一瞬時情況下,地輪與地面的相互作用受力如圖2所示。

        圖2 地輪與地面相互作用力的受力示意圖

        圖2中,P為牽引力;G為地輪輪軸中心載荷;RX為行走阻力;RY為地輪的支撐反力;a為滾動摩擦系數(shù),為垂直反力與支撐直徑的偏移量;r為地輪半徑;rd為反力的合力作用點(diǎn)到輪心的距離;Mm為總阻力矩(地輪軸套間的摩擦力矩、移栽裝置傳動的工作力矩、地輪滾動過程中受到的阻力矩等)。則有

        ∑FX=0,P-RX=0

        ∑FY=0,G-RY=0

        ∑MO=0,RXrd-RYa-Mm=0

        由于土壤質(zhì)地不均勻、地面不平、土壤變形嚴(yán)重等因素,地輪消耗能量較大。假設(shè)rd=r,當(dāng)RXr足夠大時才能克服總阻力矩和重力阻力矩的和,使地輪轉(zhuǎn)動帶動移栽機(jī)構(gòu),進(jìn)而完成移栽過程。相同情況下,如果能改變土壤參數(shù)a使其變小同樣可以使地輪轉(zhuǎn)動,完成栽植工作[5-6]。

        1.4 土壤的物理特性及參數(shù)測量

        土壤的物理特性與土壤的力學(xué)特性相關(guān),本文以土壤硬度為主。移栽機(jī)在工作過程中,土壤硬度的不同對地輪與土壤的相互作用力大小有影響[7]。本次試驗(yàn)設(shè)計把試驗(yàn)田分為5個區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn),分別對每一塊試驗(yàn)田進(jìn)行不同程度的壓實(shí),且成一個逐漸增大的趨勢。采用TYD-2型土壤硬度測試儀對土壤進(jìn)行測試,測量0~25cm之間的土壤硬度,每隔5cm記錄一次硬度數(shù)據(jù)。

        2 地輪-土壤接觸區(qū)內(nèi)正壓力測試

        本次試驗(yàn)采用壓力傳感器測試法,精度高,操作方便快捷,適用于本次試驗(yàn)地輪壓力的采集[8]。

        2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        本次試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由一個可以采集8通道的數(shù)據(jù)采集模塊及PC端數(shù)據(jù)采集配套軟件和薄膜式壓力傳感器組成。將傳感器與數(shù)據(jù)采集卡相連,給予傳感器一定載荷的力,在軟件窗口能讀出數(shù)值。

        2.2 薄膜式壓力傳感器排布

        本次試驗(yàn)采用8個傳感器,與數(shù)據(jù)采集模塊的8個通道相連。傳感器與土壤接觸的一面用橡膠墊(直徑20mm的圓片)保護(hù)以防觸碰尖銳小石塊影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),排布方式如圖3所示。移栽機(jī)向前移動,傳感器逐漸與土壤接觸,測得地輪與土壤接觸區(qū)內(nèi)的正壓力。當(dāng)傳感器與地面接觸的動作完成,完成一次正壓力數(shù)據(jù)采集。

        圖3 薄膜式壓力傳感器排布圖

        3 田間試驗(yàn)與其結(jié)果分析

        在充分了解2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,將薄膜壓力式傳感器安裝在移栽機(jī)右地輪上,由拖拉機(jī)牽引開始準(zhǔn)備田間作業(yè)。

        3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        3.1.1土壤硬度的數(shù)據(jù)處理和分析

        將每塊試驗(yàn)田測得的硬度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖4所示。

        圖 4 1-5號試驗(yàn)田土壤硬度對比

        對梯形圖中土壤硬度均值數(shù)據(jù)分析可知:在土壤采集點(diǎn)深度值為相同數(shù)值情況下,每一塊試驗(yàn)田的土壤硬度均值呈階梯式增長

        3.1.2 地輪-土壤接觸區(qū)內(nèi)正壓力數(shù)據(jù)處理與分析

        在1號試驗(yàn)田一次地輪與土壤接觸過程中,1~8號傳感器采集的地輪對土壤的正壓力,利用EXCEL表格對其進(jìn)行處理得到應(yīng)力變化曲線,如圖5所示。

        圖 5 1號試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線圖

        圖5是在土壤平均硬度為127.49N/cm2時,地輪-土壤接觸區(qū)的正壓力變化曲線圖。移栽機(jī)地輪移動過程中,1號傳感器最先與土壤相接觸,當(dāng)傳感器與土壤接觸時測得地輪-土壤的正壓力為RY;由拖拉機(jī)牽引移栽機(jī),地輪向前繼續(xù)移動,獲得地輪-土壤接觸區(qū)內(nèi)不同位置的正壓力值,當(dāng)薄膜傳感器位于地輪的正下方時rd=r,正壓力最大。8個傳感器數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一樣,地輪與土壤接觸區(qū)內(nèi)的正壓力為非均勻載荷,均表現(xiàn)為先緩慢上升,然后達(dá)到最高點(diǎn)之后逐漸下降;數(shù)值上升和下降速率跟移栽機(jī)移動速度有關(guān)。

        通過圖6可知:隨著土壤硬度的增加,每個傳感器采集到的最大應(yīng)力值也逐漸增大,應(yīng)力值從0.19N/mm2增大到0.26N/mm2。

        (a) 2號試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線圖

        (b) 3號試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線圖

        (c) 4號試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線圖

        (d) 5號試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線圖

        Fig.6 Test curve of stress between soil and ground wheel in 2-5 test ground

        3.1.3 相同土壤硬度下地輪同一截面正壓力分析

        從傳感器的排布方式可以看出:傳感器1、3、5、7在同一列且處在地輪輪胎的最中心位置。圖7上可以看出:移栽機(jī)在同一種土壤硬度下,地輪在與土壤接觸區(qū)同一截面上應(yīng)力變化規(guī)律基本相同,都是隨時間先增加達(dá)到最高點(diǎn)之后下降,從數(shù)值大小上來比較,在峰值處大小基本相同??梢缘贸鐾挥捕?,同一截面上應(yīng)力大小及應(yīng)力變化規(guī)律幾乎一致,可以推測出地輪在整個運(yùn)動過程中輪心位置與土壤接觸時應(yīng)力大小變化趨勢。

        3.1.4 地輪-土壤接觸區(qū)正壓力與土壤硬度的關(guān)系

        由表1可知:隨著試驗(yàn)田土壤硬度的增加,地輪-土壤接觸區(qū)1~8號傳感器應(yīng)力值逐漸增大呈上升趨勢。 移栽機(jī)地輪所受垂直載荷不變的條件下, 隨著土壤硬度增大,地輪下陷量減小,地輪與土壤接觸面積減小,應(yīng)力值變大。

        圖7 同一土壤硬度下地輪中心位置應(yīng)力值對比分析

        試驗(yàn)田硬度均值/N·cm-2最大應(yīng)力值/N·cm-21號傳感器2號傳感器3號傳感器4號傳感器5號傳感器6號傳感器7號傳感器8號傳感器127.490.1251590.1531850.147770.1987260.0914010.172930.1694270.128662184.650.1461780.1659240.1512740.1665610.1121020.2028660.1777070.114331207.950.1627390.1840760.1808920.1761150.1410830.2308920.2073250.14586306.420.195860.2019110.1955410.1799360.1710190.2500010.227070.165924342.020.2133760.2178340.2136940.2047770.1882170.2598730.2462970.201911

        以3號傳感器為例,對分別在5塊試驗(yàn)田采集的應(yīng)力值進(jìn)行擬合,圖像如圖8所示。

        圖8 3號傳感器最大應(yīng)力與土壤硬度相互關(guān)系擬合曲線

        擬合關(guān)系式為

        y=-2×10-6x2+0.0016x-0.0631

        相關(guān)系數(shù)

        R2=0.9622

        由圖8可知:隨著土壤硬度的增加應(yīng)力值逐漸增大,呈上升趨勢。

        4 結(jié)論

        1)一定條件下通過試驗(yàn)研究獲得了移栽機(jī)地輪與土壤接觸區(qū)正壓力變化曲線,在接觸區(qū)內(nèi)的正壓力為非均勻載荷,表現(xiàn)為先緩慢上升,然后達(dá)到最高點(diǎn)之后逐漸下降。

        2)建立了地輪-土壤接觸區(qū)正壓力與土壤硬度關(guān)系模型,隨著土壤硬度的增加,地輪與土壤間的應(yīng)力均呈現(xiàn)快速增長趨勢。在地輪-土壤接觸區(qū)內(nèi),移栽機(jī)地輪滾動過程中,土壤硬度的變化對地輪上每點(diǎn)正壓力隨時間的變化規(guī)律無明顯影響;但對具體數(shù)值影響較大,隨著土壤硬度增加,最大應(yīng)力值增大。

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