2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)田間作業(yè)動(dòng)力適配分析

魯國(guó)成，李旭英，張　波，王玉偉

(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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2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)田間作業(yè)動(dòng)力適配分析

魯國(guó)成，李旭英，張波，王玉偉

(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：為解決2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)由于質(zhì)量較大造成的動(dòng)力適配困難問(wèn)題，對(duì)2ZP-2型移栽機(jī)的提升和栽植過(guò)程進(jìn)行了田間受力試驗(yàn)研究，獲得了提升力和牽引力數(shù)據(jù)。根據(jù)農(nóng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)移栽機(jī)動(dòng)力適配功率進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：移栽機(jī)正常工作時(shí)，要求配套的拖拉機(jī)功率大于0.82kW，提升時(shí)要求拖拉機(jī)的功率大于15.63kW，而原始計(jì)算的配套動(dòng)力功率22kW明顯偏大。這些數(shù)據(jù)為2ZP-2型移栽機(jī)的動(dòng)力適配提供可靠的依據(jù)，同時(shí)也為移栽機(jī)的后續(xù)研究提供了科學(xué)、精確的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；動(dòng)力適配；提升力；牽引力

0引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的普及，很多勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)發(fā)生了變化。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，育苗、移栽一直是提高幼苗成活率和提高產(chǎn)量的一種方法。育苗可以提早農(nóng)作物的栽種期，長(zhǎng)大的幼苗同種子相比，對(duì)自然界的寒潮、大風(fēng)及干旱有著更強(qiáng)的抵抗力。直接移栽幼苗不僅可以節(jié)省播種量，而且大大提高了農(nóng)作物的成活率，有效縮短了作物的生長(zhǎng)期，在增加產(chǎn)量的同時(shí)也為農(nóng)戶(hù)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。但是，移栽過(guò)程中存在著移栽速度慢、移栽質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題，移栽機(jī)的引進(jìn)可解決這些問(wèn)題。使用移栽機(jī)移栽秧苗速度快、質(zhì)量好、成活率高，同時(shí)減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度[3-7]。

2ZP-2型移栽機(jī)與其他農(nóng)業(yè)機(jī)械一樣，存在質(zhì)量偏大的問(wèn)題。移栽機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的配套動(dòng)力偏大，要求配套動(dòng)力功率大于22kW；而在實(shí)際移栽作業(yè)中，使用雷豹TE254型拖拉機(jī)(功率18kW)即可滿(mǎn)足運(yùn)輸和移栽正常作業(yè)。在農(nóng)村，鑒于農(nóng)藝的要求，移栽機(jī)一般均與22kW以下拖拉機(jī)配套。如果選用較小功率的拖拉機(jī)與2ZP-2型移栽機(jī)配套使用，則移栽機(jī)不能被正常提起，大功率的拖拉機(jī)又不滿(mǎn)足農(nóng)田的農(nóng)藝要求，產(chǎn)生動(dòng)力浪費(fèi)，提高了土地種植成本?，F(xiàn)在市場(chǎng)上拖拉機(jī)品牌眾多，各廠家的拖拉機(jī)性能參數(shù)又存在差異，造成了移栽機(jī)動(dòng)力選擇時(shí)的困難，也給移栽機(jī)在農(nóng)村的推廣加大了難度。因此，2ZP-2型移栽機(jī)的配套動(dòng)力該怎么選擇才能滿(mǎn)足農(nóng)藝的要求、達(dá)到節(jié)約的目的，已經(jīng)成為移栽機(jī)的使用人員和設(shè)計(jì)人員必須要解決的問(wèn)題。

1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.12ZP-2型移栽機(jī)介紹

2ZP-2型移栽機(jī)是一種雙行吊杯式移栽機(jī)械(見(jiàn)圖1)，集成打穴、栽苗、覆土于一體。移栽機(jī)在工作時(shí)，由地輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳給移栽機(jī)構(gòu)，然后移栽盤(pán)帶動(dòng)吊杯實(shí)現(xiàn)移栽動(dòng)作[8-9]。吊杯式栽植器適用性強(qiáng)，適合于大多數(shù)的蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物缽苗(如西紅柿、向日葵等)，甚至有些育好的樹(shù)類(lèi)缽苗也能夠用其進(jìn)行移栽。由于吊杯在完成移栽動(dòng)作時(shí)不需要提前開(kāi)溝，所以吊杯式移栽機(jī)也適用于膜上移栽。另外，移栽機(jī)使用了偏心圓盤(pán)機(jī)構(gòu)，使吊杯在栽植過(guò)程中始終保持與地面垂直的狀態(tài)，提高了秧苗的直立度、成活率和移栽質(zhì)量。移栽機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)量移栽機(jī)的提升力和牽引力的試驗(yàn)設(shè)備采用由黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀，設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。使用遙測(cè)儀的主要部件有上拉桿、左懸掛銷(xiāo)和右懸掛銷(xiāo)。測(cè)量移栽機(jī)速度使用AM—2020G的GPS速度測(cè)試儀，精度為0.01m/s。拖拉機(jī)為約翰迪爾JDT654型拖拉機(jī)，功率為48kW，下懸掛點(diǎn)后610mm處額定提升力13kN。

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

參數(shù)單位數(shù)值配套動(dòng)力kW≥22牽引方式三點(diǎn)后懸掛作業(yè)速度km/h1～2行距mm400株距mm184～1836可調(diào)栽植深度mm80～120適應(yīng)苗高mm50～300作業(yè)行數(shù)行2適用膜寬mm700～800漏栽率%≤5%傷苗率%≤2%生產(chǎn)率hm2/h2～15外形尺寸/長(zhǎng)×寬×高mm2500×2700×2000整機(jī)質(zhì)量kg435

表2　田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀主要參數(shù)

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1遙測(cè)儀軟件設(shè)置

試驗(yàn)前，對(duì)遙測(cè)儀軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通道和拉力轉(zhuǎn)換公式設(shè)置，遙測(cè)儀傳感器已按照設(shè)備說(shuō)明書(shū)進(jìn)行了零點(diǎn)漂移軟件補(bǔ)償。

1.3.2移栽所需的提升力測(cè)量

移栽機(jī)提升力的測(cè)量地點(diǎn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠內(nèi)。測(cè)量提升力時(shí)，移栽機(jī)被緩慢提起落下。移栽機(jī)被提升到最高點(diǎn)時(shí)移栽機(jī)的上升速度迅速減小到0，會(huì)造成提升力瞬間突變。所以，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了6次移栽機(jī)提升力試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均確保移栽機(jī)被正常提起，取每次試驗(yàn)提升力的最大值作為單次試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3移栽機(jī)所需牽引力測(cè)量

移栽機(jī)牽引力的測(cè)量地點(diǎn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，田地已經(jīng)被翻耕平整過(guò)；拖拉機(jī)牽引移栽機(jī)從靜止到勻速運(yùn)動(dòng)，再到靜止。

2試驗(yàn)結(jié)果

提升力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)時(shí)，每次提升的速度不同，導(dǎo)致單次提升力試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在差異。牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。栽植過(guò)程中，由于土地硬度、土壤不平度等原因造成了牽引力的變化。GPS速度測(cè)試儀測(cè)得移栽機(jī)水平運(yùn)動(dòng)階段的平均速度為0.26m/s。

表3　提升力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

32ZP-2型移栽機(jī)適配動(dòng)力計(jì)算

3.1拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛受力分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 209-2006《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，拖拉機(jī)廠家給出的最大提升力作用在距下懸掛點(diǎn)610mm處[10]。拖拉機(jī)測(cè)試提升力示意圖如圖3所示。圖3中，懸掛架在下拉桿和上拉桿共同作用下達(dá)到平衡狀態(tài)。由于上拉桿的一端同懸掛架鉸接，另一端同拖拉機(jī)上連接點(diǎn)鉸接，所以上拉桿、下連接桿、液壓提升桿和懸掛架就成了一個(gè)支架，用來(lái)測(cè)試距下懸掛點(diǎn)610mm處的最大提升力，使其能夠圍繞下連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的力只有拖拉機(jī)的液壓提升力和距下懸掛點(diǎn)610mm處的重力。

圖2　牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.距下懸掛處610mm點(diǎn)　2.下懸掛點(diǎn)　3.懸掛架　4.下拉桿

3.2提升功率計(jì)算

對(duì)拖拉機(jī)后懸掛進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后受力分析，如圖4所示。圖4中，A點(diǎn)表示拖拉機(jī)的下連接點(diǎn)，B點(diǎn)表示下懸掛點(diǎn)，C點(diǎn)為距下懸掛點(diǎn)610mm的點(diǎn)；F1表示距下懸掛點(diǎn)610mm處的最大提升力，F(xiàn)2表示左右懸掛點(diǎn)所受到的壓力；a為下懸掛點(diǎn)到下連接點(diǎn)的力臂大小。在平衡狀態(tài)下,對(duì)A點(diǎn)取矩，由力矩平衡公式可以得到

F1×(a+610)-F2×a=0

(1)

其中，F(xiàn)1為距離下懸掛點(diǎn)610mm處最大提升力(N)；F2為下懸掛點(diǎn)處所受的壓力( N)。

由于6次提升力試驗(yàn)均把移栽機(jī)正常提升,為增加計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)，提升力選取6次試驗(yàn)的最大值，即F2=5662N。將式(1)變換得到

(2)

根據(jù)NY/T 209-2006《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)提升力的要求有[10]

F1=0.75×300×P額(垂直)

(3)

其中，P額(垂直)為提升功率計(jì)算時(shí)拖拉機(jī)的額定功率(kW)。

測(cè)得約翰迪爾JDT654型拖拉機(jī)下懸掛到下連接點(diǎn)的距離為1 000mm。力臂a取最大值，即a=1 000mm，求得最大提升力為3 517N。然后，根據(jù)式(3)可以計(jì)算出P額(垂直)=15.63kW。所以，要求提升移栽機(jī)時(shí)拖拉機(jī)功率大于15.63kW。

圖4　拖拉機(jī)后懸掛簡(jiǎn)化受力分析圖

3.3牽引功率計(jì)算

根據(jù)NY/T 209-2006《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，拖拉機(jī)的牽引功率不小于標(biāo)定功率的0.75倍[10]。所以，拖拉機(jī)的栽植牽引功率為

P牽=0.75×P額(水平)

(4)

其中，P牽為拖拉機(jī)最小牽引力 (N)；P額(水平)為牽引功率計(jì)算時(shí)拖拉機(jī)額定功率(kW)。

為保證移栽機(jī)在水平力的牽引下正常工作，應(yīng)選擇牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最大值作為移栽機(jī)正常工作時(shí)需要的最小水平牽引力，即F牽=2 366N。將式(4)變換可得

(5)

代入F牽=2366N、v=0.26m/s，得到P額(水平)=0.82W。

由以上分析可知：移栽機(jī)工作狀態(tài)需要拖拉機(jī)功率大于0.82kW，運(yùn)輸狀態(tài)需要拖拉機(jī)功率大于15.63kW。因此，移栽機(jī)匹配動(dòng)力功率大于15.63kW。

4結(jié)論和討論

1)分析計(jì)算結(jié)果表明：牽引2ZP-2型移栽機(jī)正常工作時(shí)，需要拖拉機(jī)功率大于0.82kW；運(yùn)輸提升移栽機(jī)時(shí)，要求拖拉機(jī)功率大于15.63 kW，最大提升力大于3.52kN。因此，移栽機(jī)說(shuō)明書(shū)中的配套動(dòng)力功率22kW確實(shí)偏大。

2)根據(jù)NY/T 209-2006行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村常見(jiàn)的18kW拖拉機(jī)可以與2ZP-2型移栽機(jī)配套使用，這樣就解決了移栽機(jī)動(dòng)力適配的問(wèn)題，并滿(mǎn)足農(nóng)藝的要求，避免了使用大功率拖拉機(jī)造成浪費(fèi)的問(wèn)題。

3)由于不同功率的拖拉機(jī)后懸掛存在差異，試驗(yàn)中拖拉機(jī)為Ⅱ型后懸掛，而農(nóng)村最多使用的功率為18kW 的250、254型拖拉機(jī)，為Ⅰ型后懸掛，其后懸掛下拉桿尺寸小于Ⅱ型，所以Ⅱ型計(jì)算結(jié)果同樣適用于Ⅰ型。

4)2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)需要的水平牽引功率僅為0.82kW，建議可以改成以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的自走式移栽機(jī)。

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Reserch on Power Matching of Dibble-type Transplanter

Lu Guocheng, Li Xuying, ZhongBo, Wang Yuwei

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

Abstract：Choosing a matching power tractor for the 2zp-2 dibble-type transplanter is difficult, because it is a higher-mass agricultural machinery and the matching power calculated is bigger than needed when the transplanter is designed, which takes user unnecessary waste. Solving the matching power problem and how much power is matchable for the transplanter are the purpose of this article. The experiment of lifting force and tractive force is done to provide data to calculate the matching power for transplanter according to the industry standards. The result show that the matching power must be higher than 0.82 kW when only pull the transplanter to work and if lifting up the transplanter, the matching power must be higher than 15.63 kW, which is smaller than 22 kW printed in the manual. All the data can be used to decide whether the matching power is suitable for the transplanter and improve transplanter in the following study.

Key words：transplanter; power matching; lifting force; tractive force

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0209-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：魯國(guó)成(1986-)，男，河北灤縣人，碩士研究生，(E-mail)675488025@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，(E-mail)lixuy2000@yahoo.com.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)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：2015-03-31