吊杯式移栽機(jī)地輪與土壤相互作用力的試驗(yàn)研究

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(guó)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(huì)受到影響[2]。如果能實(shí)時(shí)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(duì)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(duì)移栽機(jī)栽植性能穩(wěn)定性的研究具有重要意義。本文對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)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(duì)地輪-土壤接觸區(qū)域相互作用力進(jìn)行了測(cè)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(pán)支架 2.苗盤(pán) 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(guò)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(guò)程中帶動(dòng)移栽機(jī)的地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，右地輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過(guò)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為移栽裝置提供動(dòng)力；移栽盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)吊杯栽植器向下運(yùn)動(dòng)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(hào)：2ZB-2型吊杯式移栽機(jī)；拖拉機(jī)型號(hào)：TS300型山拖泰山拖拉機(jī)；薄膜式壓力傳感器型號(hào)：IMS-00004-C20，最大測(cè)距范圍20kg；感應(yīng)區(qū)直徑20mm；最大測(cè)量感應(yīng)區(qū)面積314mm2；傳感器厚度0.2mm。

2)土壤硬度測(cè)量設(shè)備：TYD-2型土壤硬度測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)田內(nèi)，試驗(yàn)土壤類(lèi)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(guò)程中某一瞬時(shí)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(dòng)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(dòng)的工作力矩、地輪滾動(dòng)過(guò)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(shí)才能克服總阻力矩和重力阻力矩的和，使地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)，進(jìn)而完成移栽過(guò)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(dòng)，完成栽植工作[5-6]。

1.4 土壤的物理特性及參數(shù)測(cè)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(guò)程中，土壤硬度的不同對(duì)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(jì)把試驗(yàn)田分為5個(gè)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)每一塊試驗(yàn)田進(jìn)行不同程度的壓實(shí)，且成一個(gè)逐漸增大的趨勢(shì)。采用TYD-2型土壤硬度測(cè)試儀對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(cè)試

本次試驗(yàn)采用壓力傳感器測(cè)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(gè)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(gè)傳感器，與數(shù)據(jù)采集模塊的8個(gè)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(dòng)，傳感器逐漸與土壤接觸，測(cè)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(dòng)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(kāi)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(cè)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(hào)試驗(yàn)田土壤硬度對(duì)比

對(duì)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(zhǎng)

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

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

圖5是在土壤平均硬度為127.49N/cm2時(shí)，地輪-土壤接觸區(qū)的正壓力變化曲線(xiàn)圖。移栽機(jī)地輪移動(dòng)過(guò)程中，1號(hào)傳感器最先與土壤相接觸，當(dāng)傳感器與土壤接觸時(shí)測(cè)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(dòng)，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(shí)rd=r，正壓力最大。8個(gè)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(dòng)速度有關(guān)。

通過(guò)圖6可知：隨著土壤硬度的增加，每個(gè)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(hào)試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線(xiàn)圖

(b) 3號(hào)試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線(xiàn)圖

(c) 4號(hào)試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線(xiàn)圖

(d) 5號(hào)試驗(yàn)田土壤與地輪之間應(yīng)力變化曲線(xiàn)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(shí)間先增加達(dá)到最高點(diǎn)之后下降，從數(shù)值大小上來(lái)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(cè)出地輪在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輪心位置與土壤接觸時(shí)應(yīng)力大小變化趨勢(shì)。

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(hào)傳感器應(yīng)力值逐漸增大呈上升趨勢(shì)。 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(duì)比分析

試驗(yàn)田硬度均值/N·cm-2最大應(yīng)力值/N·cm-21號(hào)傳感器2號(hào)傳感器3號(hào)傳感器4號(hào)傳感器5號(hào)傳感器6號(hào)傳感器7號(hào)傳感器8號(hào)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(hào)傳感器為例，對(duì)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(hào)傳感器最大應(yīng)力與土壤硬度相互關(guān)系擬合曲線(xiàn)

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(shì)。

4 結(jié)論

1)一定條件下通過(guò)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(xiàn)，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(zhǎng)趨勢(shì)。在地輪-土壤接觸區(qū)內(nèi)，移栽機(jī)地輪滾動(dòng)過(guò)程中，土壤硬度的變化對(duì)地輪上每點(diǎn)正壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律無(wú)明顯影響；但對(duì)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。