不同滑移率下吊杯式移栽機株距仿真分析及試驗

何生根，李旭英，劉雪寧，徐　坤

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

0　引言

育苗移栽技術(shù)不但縮短了秧苗的栽植期，而且提高了秧苗的成活率及秧苗生長的抗災(zāi)抗逆能力，在保證作物獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和提高產(chǎn)品品質(zhì)等方面效果突出。因此，移栽技術(shù)一直是國內(nèi)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的重點[1]。

目前，國內(nèi)大多地方在育苗移栽方面基本靠人力完成，不但增加了勞動成本及勞動強度，效率也較機械化移栽明顯偏低，且栽植深度、秧苗直立度、株距等得不到保證，短時間內(nèi)很難完成大面積的移栽作業(yè)。我國是個農(nóng)業(yè)大國，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機械化是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然趨勢[2-3]。2ZB-2型吊杯式移栽機是能夠在膜上移栽的半自動移栽機械，可完成打穴、栽苗及覆土等工作。膜上移栽技術(shù)優(yōu)點突出，可以達(dá)到保持土壤養(yǎng)分、防止病蟲害、保溫及保水等效果[4-5]，最終使農(nóng)作物獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

吊杯式移栽機在使用過程中由于各地區(qū)土壤的物理特性不同，以及移栽時出現(xiàn)的滑移率過大的問題，會導(dǎo)致栽植株距不穩(wěn)定[6]，且對于不同種類的農(nóng)作物，對株距的要求不同，因此在考慮滑移想情況下研究移栽機的株距，不僅能為移栽機栽植性能的提高提供理論依據(jù)，而且對于移栽機推廣應(yīng)用、促進(jìn)農(nóng)民增收、發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)具有重要的意義[7]。

1　吊杯式移栽機移栽裝置

2ZB-2型移栽機的移栽裝置是整個移栽機的核心部件，主要由吊杯式栽植器(吊杯)、控制盤、安裝盤、安裝鐵圈、安裝槽等組成，如圖1所示。

1.吊杯式栽植器　2.安裝盤　3.安裝鐵圈4.安裝盤連桿　5.安裝槽　6.控制盤

吊杯的偏心連板與控制盤通過滾輪軸承相連，安裝鐵圈在此起到加固的作用，主要是為了保證安裝盤的平面度。其中，控制盤、安裝盤、吊杯的固定轉(zhuǎn)臂組成了雙圓盤偏心機構(gòu)，使得吊杯在移栽過程中始終保持與地面垂直的狀態(tài)，能夠保證移栽過程缽苗的直立度[8]。移栽裝置在設(shè)計時已為用戶考慮到株距調(diào)節(jié)的問題，用戶可以在安裝盤上安裝1～6個吊杯來調(diào)整株距。

2　移栽機各參數(shù)之間的關(guān)系

2.1　運動特征參數(shù)λ

移栽機吊杯的運動特征參數(shù)λ是移栽機的正常工作的重要參數(shù)[9]，正常工作時要求運動特征參數(shù)λ>1，公式為

(1)

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(jìn)速度(mm/s)。

2.2　滑移率

移栽機的滑移率是指移栽機在移栽過程中輪子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)數(shù))要長。移栽機的滑移率ε計算公式為

(2)

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)。

由公式(1)和公式(2)可得到在考慮滑移率時運動特征參數(shù)λ與滑移率ε之間的關(guān)系式，即

(3)

式中R吊—吊杯旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；

r地—移栽機地輪的半徑(mm)；

i13—地輪軸I到移栽裝置主軸III的傳動比。

2.3　移栽機株距與滑移率的關(guān)系

在不考慮移栽機滑移率的情況下，當(dāng)移栽盤轉(zhuǎn)過X圈時，地輪轉(zhuǎn)過X·i13圈，地輪所走的理論距離為X·i13·2πr地，此時株距計算公式為

(4)

式中N—吊杯數(shù)量。

若將移栽過程的滑移率ε考慮進(jìn)去，由公式(2)可知

(5)

(6)

由此可見，株距的大小不僅與吊杯數(shù)量、地輪半徑有關(guān)，還與傳動比和滑移率有關(guān)。當(dāng)移栽機的地輪選定后，地輪半徑就確定了，更換吊杯數(shù)量可以較大范圍的改變株距值，改變鏈輪Z2的值來改變傳動比，能對株距起到微調(diào)的作用。

3　不同滑移率與傳動比下株距仿真分析

將移栽裝置在三維制圖軟件Pro/E中建模，并進(jìn)行各機構(gòu)之間的裝配，然后以*.x_ t格式導(dǎo)入到仿真軟件Adams中，并為移栽裝置各機構(gòu)間添加所需要的約束[10]。吊杯的運動是其在前進(jìn)運動的同時并繞移栽裝置主軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)以往試驗可知，移栽機前進(jìn)速度在208.3～250.0mm/s之間，取移栽裝置前進(jìn)速度為220mm/s，之后再添加吊杯轉(zhuǎn)動的角速度。在仿真時，將移栽裝置前進(jìn)的速度v機等同于地輪的線速度v地，通過將公式(1)和公式(3)進(jìn)行變換，可以得到吊杯角速度ω吊、移栽裝置前進(jìn)速度v地、移栽裝置傳動比i13、滑移率ε和地輪半徑r地之間的關(guān)系，即

(7)

根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，v地與r地保持不變，以滑移率ε為自變量，從零開始改變滑移率的值，ω吊也發(fā)生變化，將不同傳動比與不同滑移率下吊杯的角速度依次添加到移栽裝置上，就可以對移栽裝置進(jìn)行仿真分析。以吊杯杯嘴下方中心點為參考點，其運動軌跡能反映吊杯的運動軌跡；每次仿真結(jié)束之后，通過Adams中的添加曲線功能，可以依次作出在21齒至25齒下不同滑移率的吊杯運動軌跡曲線。然后，在吊杯運動軌跡曲線的交點上建立一個Marker點，同一條軌跡線的下一個交點再建立一個Marker點，測量兩點之間的距離即可得到不同滑移率及傳動比下的株距值，如圖2所示。

由于仿真時安裝1個吊杯，而實際移栽過程中一般都安裝4個吊杯，因此測量值的1/4就是仿真株距值。不同滑移率、傳動比下的株距值如表1所示。

圖2　株距仿真曲線

滑移率/%株距/mmZ2=21i13=0.667Z2=22i13=0.698Z2=23i13=0.730Z2=24i13=0.762Z2=25i13=0.7940284.63 299.81 313.56 327.31 340.31 4296.81 312.19 326.50 340.56 354.56 8309.69 325.63 340.50 355.38 370.44 12323.75 340.69 355.94 371.44 387.25 16339.38 356.81 373.06 389.31 405.13 20356.44 374.69 392.31 408.81 425.56 24375.31 394.31 411.94 430.31 447.94

由表1中可以看出：傳動比一定時，當(dāng)滑移率從0～24%逐漸增大時，株距值在逐漸增大；當(dāng)滑移率一定時，隨著傳動比的增大，株距值也在逐漸增大。當(dāng)傳動比為0.667～0.794、滑移率在24%范圍內(nèi)時，株距的值從284.63mm變化到447.94mm?？梢?，滑移率和傳動比對株距都有一定的影響。若要保持合適的株距值，當(dāng)滑移率較小時可選擇較大的傳動比，滑移率較大時可選擇較小的傳動比。

4　田間試驗

試驗地點為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機械廠北側(cè)試驗田，所用設(shè)備有：2ZB-2型吊杯式移栽機、TS300型山拖泰山22kW拖拉機、TYD-2型土壤硬度計及鋼尺等。試驗用苗為榆樹苗，平均苗高16cm。試驗前，先調(diào)節(jié)好5塊硬度不同的試驗地塊，分別做不同傳動比下的試驗，通過更換鏈輪Z2來改變傳動比，Z2從21齒到25齒；試驗后用卷尺測量株距值。

試驗時，用GPS速度測試儀測定移栽機前進(jìn)速度，每組試驗測得的速度均值如表2所示。

表2移栽機前進(jìn)速度

Table 2Transplanting speed km/h

組別移栽機前進(jìn)速度均值第1組0.750.720.750.770.760.750第2組0.910.840.790.740.780.812第3組0.820.750.770.790.840.794第4組0.710.790.780.830.770.776第5組0.820.780.760.790.810.792

由表2可知：移栽機前進(jìn)速度基本保持在0.8km/h(即0.222m/s)左右，與仿真初始設(shè)定值相吻合。實際滑移率的值通過測量移栽機所走的實際距離并根據(jù)理論距離求得，在Adams中再根據(jù)試驗滑移率對移栽機構(gòu)進(jìn)行仿真求得其試驗滑移率對應(yīng)的株距值，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比如表3所示。

表3　仿真與試驗株距對比

齒數(shù)Z2傳動比i13試驗滑移率均值/%13.32仿真值/mm試驗值/mm相對誤差/%13.15仿真值/mm試驗值/mm相對誤差/%210.067329.63355.967.40329.00356.647.75220.698345.69347.560.54344.94344.640.09230.730361.19363.640.67360.44361.440.28240.762376.63376.360.07375.94363.923.30250.794392.88384.482.18392.06382.922.39

由表3可以看出：隨著試驗滑移率的增大，Z2為21、22、23齒的株距值有逐漸增大的趨勢，但增大的不明顯；而Z2為24齒和25齒，隨著滑移率的增大，其株距值增大得較為明顯。可見，Z2從21齒到25齒的試驗株距值整體變化趨勢相同，都隨著滑移率和傳動比的增大而增大。從二者的相對誤差中可以看出：Z2為21齒時相對誤差最大，為7.75%；Z2為24齒時相對誤差最小，為0.07%?？梢?，仿真株距與實際值吻合程度很大，驗證了仿真的可行性。

5　結(jié)論

1)對株距的仿真與試驗表明：滑移率和傳動比對移栽機的栽植株距有著顯著的影響。

2)在移栽機作業(yè)滑移率為24%以內(nèi)時，隨著傳動比的增大，移栽機株距呈逐漸增大趨勢。通過仿真和試驗株距的對比可知：當(dāng)滑移率為12%～16%、傳動比為0.667～0.794、Z2為21齒時，株距波動較大，最大誤差為7.75%；Z2為24齒時，相對誤差最小，為0.07%，在移栽時可以優(yōu)先選擇。

3)2ZB-2型吊杯式移栽機在移栽過程中，當(dāng)λ>1時，滑移率較大的情況下可以選擇較小的傳動比，滑移率較小的情況下可以選擇較大的傳動比，這樣可將株距調(diào)整在合適的區(qū)間。