吊籃式移栽機(jī)膜上成穴運(yùn)動(dòng)特性分析與試驗(yàn)

劉 洋，毛罕平，李亞雄，王 濤，李 斌（.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆　石河子　83000；.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院）

吊籃式移栽機(jī)膜上成穴運(yùn)動(dòng)特性分析與試驗(yàn)

劉 洋1，毛罕平2，李亞雄1，王 濤1，李 斌1
（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子832000；2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院）

吊籃式移栽機(jī)具有成穴和移栽一次完成的優(yōu)點(diǎn)，滿足了新疆地區(qū)作物穴盤苗膜上成穴移栽的要求。但是當(dāng)?shù)趸@式移栽機(jī)栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡取不同形狀時(shí)，會(huì)出現(xiàn)栽植器掛膜、撕膜現(xiàn)象，膜面開口較大而影響移栽質(zhì)量。通過對(duì)吊籃式移栽機(jī)栽植器成穴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析和移栽番茄穴盤苗試驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)趸@式移栽機(jī)栽植器的運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)λ取值為1.22時(shí)，在保證穴盤苗膜上移栽直立率的同時(shí)，膜面穴口較小。

移栽機(jī)；地膜；栽植器；運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)

新疆地區(qū)光照充足，非常適合加工番茄和制干辣椒的種植，近些年，新疆加工番茄種植面積始終保持在6.67萬hm2以上，制干辣椒達(dá)到4萬hm2，成為新疆種植的主要農(nóng)作物［1］。育苗移栽技術(shù)能有效避開早春低溫、霜凍、雷雨等災(zāi)害性天氣的影響，有效延長(zhǎng)作物生育期，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。新疆加工番茄和制干辣椒已經(jīng)開始大面積使用育苗移栽技術(shù)，為了降低勞動(dòng)力成本，提高移栽效率，機(jī)械化移栽在新疆得到推廣和應(yīng)用。新疆地區(qū)由于獨(dú)特的氣候條件，決定作物種植普遍采用滴灌加鋪膜的種植模式，這使得作物育苗移栽需采用膜上成穴的方法［2］。在各種形式的移栽機(jī)中，吊籃式移栽機(jī)具有成穴和移栽一次完成的優(yōu)點(diǎn)［3］，所以吊籃式移栽機(jī)在新疆地區(qū)得到了使用。目前吊籃式移栽機(jī)移栽理論主要是針對(duì)裸地移栽，只注重移栽后保證直立度和移栽深度，沒有考慮膜面穴口尺寸的因素［4，5］，如應(yīng)用于覆膜移栽，會(huì)出現(xiàn)栽植器掛膜、撕膜現(xiàn)象，降低地膜保墑和保溫的作用。因此，有必要對(duì)吊籃式移栽機(jī)的關(guān)鍵部件栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)得到較為合理的栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)。

1　栽植器運(yùn)動(dòng)分析

吊籃式移栽機(jī)工作時(shí)，栽植器在繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，隨拖拉機(jī)沿水平方向勻速運(yùn)動(dòng)，所以栽植器的運(yùn)動(dòng)是拖拉機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和栽植器圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

式中 Vt—拖拉機(jī)行駛速度；ω—栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)的角

式中 Vd—栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

圖1　栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)參考文獻(xiàn)6的研究結(jié)論，栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀取決于λ值的大小，圖1是λ取不同值時(shí)，栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡曲線上各切點(diǎn)的方向就是栽植器絕對(duì)速度的方向。從圖1中可知，只有當(dāng)λ＞1時(shí)，余擺線環(huán)扣的下半部分具有與拖拉機(jī)前進(jìn)方向相反的水平速度分量，才能實(shí)現(xiàn)零速投苗，防止穴盤苗傾倒。因此λ＞1是吊籃式移栽機(jī)正常工作的必要條件。但是，當(dāng)λ＞1取較大值時(shí)，余擺線環(huán)扣會(huì)變大，并出現(xiàn)栽植器掛膜現(xiàn)象，嚴(yán)重影響移栽質(zhì)量。因此，λ＞1的取值應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，在保證移栽穴盤苗直立的情況下，研究地膜開口的大小。圖2為栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為22.5 cm時(shí)，λ取不同值的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀。

圖2　不同λ值時(shí)栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡

吊籃式移栽機(jī)工作時(shí)，栽植器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與傳動(dòng)輪的直徑、栽植器回轉(zhuǎn)半徑及鏈輪傳動(dòng)比有關(guān)，因?yàn)閭鲃?dòng)輪及栽植器回轉(zhuǎn)半徑在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，不可以調(diào)整，只有通過更換傳動(dòng)鏈輪調(diào)整傳動(dòng)比來實(shí)現(xiàn)栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)速度的改變。

圖4是吊籃式移栽機(jī)的鏈傳動(dòng)示意圖，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過固定在傳動(dòng)輪軸上的鏈輪1向固定在移栽機(jī)構(gòu)主軸上的鏈輪4傳動(dòng)。

圖3　栽植器結(jié)構(gòu)

圖4　鏈傳動(dòng)示意圖

鏈輪的傳動(dòng)比為

式中 D—傳動(dòng)輪直徑；n1—地輪轉(zhuǎn)速；n4—移栽單體轉(zhuǎn)速。將公式4代入公式5得：

式中 Q—常數(shù)；由公式4可知，λ與傳動(dòng)比i成反比。

2　田間試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了研究不同運(yùn)動(dòng)軌跡情況下，移栽質(zhì)量和膜面穴口尺寸，我們通過調(diào)整鏈輪4的齒數(shù)改變傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整。分別對(duì)特征系數(shù)λ為1.08、1.22和1.27時(shí)進(jìn)行田間生產(chǎn)性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整移栽機(jī)構(gòu)后方的鎮(zhèn)壓輪升降螺桿來調(diào)整栽植器入土深度［7］，使栽植器入土深度保持在6 cm。

2.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用移栽機(jī)為課題組研制的2ZML-2膜上移栽機(jī)［8，9］（圖5），試驗(yàn)分別在新疆石河子145團(tuán)和新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)前已整地并鋪設(shè)好地膜，土地干燥；試驗(yàn)用苗為128穴孔塑料軟盤培育的加工番茄穴盤苗，苗株高平均16 cm。

2.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得特征系數(shù)λ為1.08、1.22和1.27時(shí)，膜面穴口縱向尺寸12.6 cm、10.3 cm和14.2 cm，橫向尺寸區(qū)別不大，都約為6 cm。這表明，調(diào)整特征系數(shù)λ對(duì)膜面穴口縱向尺寸的影響較為明顯，對(duì)橫向尺寸的影響不顯著，分析原因橫向尺寸的大小與栽植器入土后最大張開尺寸有關(guān)；三種情況下，都無掛膜現(xiàn)象，番茄穴盤苗直立度都達(dá)到了要求；在λ為1.22膜面穴口縱向尺寸較小，試驗(yàn)結(jié)果如圖6。

圖5　2ZML-2膜上移栽機(jī)

圖6　田間試驗(yàn)效果

3　討論與分析

（1）吊籃式移栽機(jī)栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響到移栽質(zhì)量，通過在不同運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)λ下膜上移栽番茄穴盤苗證明，當(dāng)λ為1.22時(shí)，可以在保證移栽直立率的情況下，膜面穴口尺寸較小。

（2）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膜面穴口尺寸與土地表層土壤的緊實(shí)度有關(guān)，當(dāng)土壤較為松軟，移栽機(jī)在行駛時(shí)地輪滑移現(xiàn)象較為明顯，膜面穴口會(huì)增大，因此應(yīng)降低移栽機(jī)的滑移；當(dāng)土地表面耕整平整，地表土壤較為細(xì)碎，作物殘茬較少，地膜與地表土壤接觸較為緊密時(shí)，膜面穴口較小，而較多的大顆粒土壤和作物殘茬會(huì)將地膜頂起，栽植器在破膜成穴時(shí)，地膜變形較大，會(huì)加大地膜的撕裂程度。因此，提高移栽用地整地和鋪膜質(zhì)量，可以有效降低地膜撕裂破損。

（3）吊籃式移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線形狀，這種特點(diǎn)使得吊籃式移栽機(jī)膜上成穴移栽時(shí)，在保證移栽直立率和膜面穴口較小的同時(shí)只有通過調(diào)整移栽機(jī)構(gòu)上栽植器的數(shù)量來改變株距，受移栽機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，移栽機(jī)上栽植器數(shù)量的調(diào)整是有限的［6］，一般為4～6個(gè)，移栽株距很難小于26 cm，而一些地區(qū)的加工番茄和制干辣椒種植因?yàn)榉N植方式和土地條件的原因，移栽株距要求小于20 cm，為了解決這個(gè)問題，新疆中糧屯河番茄種植基地曾引進(jìn)新型的意大利Ferrari移栽機(jī)，該機(jī)具將兩組吊籃式移栽機(jī)構(gòu)縱向并排串聯(lián)，兩組移栽機(jī)構(gòu)之間用鏈條鏈接，使它們之間的運(yùn)動(dòng)始終保持同步，在前一組移栽機(jī)構(gòu)膜上成穴移栽后，后一組移栽機(jī)構(gòu)在前一組成穴移栽的兩株苗之間再進(jìn)行膜上成穴移栽，這樣就實(shí)現(xiàn)了減小株距的目的，移栽株距可以達(dá)到15 cm。但是這種移栽機(jī)因?yàn)槭莾山M移栽機(jī)構(gòu)前后并排連接，機(jī)具整體重心較為靠后，對(duì)牽引拖拉機(jī)的配套動(dòng)力要求較高，功耗大，使用成本較高。

［1］新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局.新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2015［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2015.

［2］劉洋，李斌，李亞雄，王濤，盧勇濤.新疆作物移栽與移栽機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.新疆農(nóng)機(jī)化，2013（1）：20～23.

［3］于曉旭，趙勻，陳寶成，周脈樂，張昊，張智超.移栽機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（8）：44～53

［4］崔巍，趙亮，宋建農(nóng)，林金天.吊杯式移栽機(jī)栽植器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（S1）：35～39.

［5］李旭英，王玉偉，魯國(guó)成，張波，張海軍.吊杯式栽植器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（14）：58～64.

［6］封俊，秦貴，宋衛(wèi)堂等.移栽機(jī)的吊杯運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（5）：48～50.

［7］劉洋，李亞雄，李斌，盧勇濤，王濤.吊籃式膜上移栽機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（3）：79～86.

［8］李斌，李亞雄，王濤等.2ZML2型膜上移栽機(jī)的研制［J］.新疆農(nóng)機(jī)化，2009（6）：16～17.

［9］李亞雄，劉洋，李斌等.膜上移栽機(jī)：中國(guó)，ZL 20112015917 8.2［P］.2012-01-04.

The Analysis and Test on the Characteristics of the Cavitation Motion on the Film of the Basket-type Transplanter

Liu Yang1，Mao Hanping2，Li Yaxiong1，Wang Tao1，Li Bin1
（1.Machinery and Equipment Research Institute，Xinjiang Academy of Agriculture and Reclamation Sciences，Shihezi Xinjiang 832000；2.School of Agricultural Equipment Engineering，Jiangsu University）

The basket-type transplanter has the advantage of completing by cavitating and transplanting once，It just meets the needs of plug seedlings transplanting on the film in Xinjiang.But when the trajectories of the transplanter are different，it will present the phenomenon of tearing and hanging the film，it will influence the transplanting quality because of the big holes.By the analysisand test on the characteristicsof the cavitation motion on the film of the machine，it prensentsif λ=1.22，it can not only improve the vertical rate ofthe plug seedlings，but also make small holeson the film.

transplanter；film；cavitation motion

1007-7782（2016）03-0019-03

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.007

S223.9

A

2016-05-17

中組部“西部之光”訪問學(xué)者資助項(xiàng)目；新疆兵團(tuán)“兵團(tuán)英才”人才培養(yǎng)工程速度；t—時(shí)間；h—栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)軸距栽植器成穴底部的高度；R—栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；λ—運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)