基于灌於土滑移特性吊杯式移栽機(jī)傳動配比分析

金 旭，李旭英，李 祥，張永志，郭文斌，宗哲英

(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

河套地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)多為黃河水常年灌溉形成的灌於土，農(nóng)業(yè)上多采取旱地覆膜移栽的方法來保溫、保墑[1-2]，已有超過60%以上的蔬菜品種采用育苗移栽的種植方式[3]。移栽工作屬于勞動密集型的生產(chǎn)方式，手工移栽浪費(fèi)人力，增加生產(chǎn)成本，不利于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，降低了農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，減少了農(nóng)民的收入，并且移栽時難以保證較高的移栽速度和移栽質(zhì)量[4]。移栽機(jī)的引進(jìn)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)向集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，在提高了生產(chǎn)率的同時，也降低了成本。

吊杯式移栽機(jī)是集覆膜、打穴、移栽、覆土于一體的移栽機(jī)械，在移栽缽苗時，直接由吊杯打穴，吊杯杯嘴張開，缽苗落入穴中，然后覆土輪覆土[5-7]。由于整個移栽過程中不需要開溝器開溝，這使得吊杯型移栽機(jī)可以進(jìn)行膜上移栽。使用吊杯式移栽機(jī)可以避免加重破壞表層土壤，減輕地表土壤風(fēng)蝕狀況，有效減少了土壤水分和有機(jī)物質(zhì)的損失[8-9]。

因吊杯式移栽機(jī)在膜上移栽時受到其土壤特性的影響，會導(dǎo)致運(yùn)動特征參數(shù)變化較大，從而導(dǎo)致膜口尺寸及株距等變化較大。針對移栽機(jī)作業(yè)土壤特性不同，導(dǎo)致實(shí)際栽植株距大于理論栽植效果的問題，根據(jù)吊杯式移栽機(jī)的栽植原理，測試移栽機(jī)在河套地區(qū)灌於土壤特性下的實(shí)際栽植效果，計算出灌於土壤的土壤滑移率；并通過調(diào)整鏈輪齒數(shù)配比的方法，使運(yùn)動特征參數(shù)λ>1，減少滑移對栽植效果的影響，以達(dá)到提高吊杯式移栽機(jī)栽植在河套地區(qū)的栽植效果的目的[10]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)分析

1.1 移栽機(jī)傳動結(jié)構(gòu)

移栽機(jī)傳動機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.移栽盤 2.鏈輪Z4 3.右地輪 4.鏈輪Z1 5.鏈輪Z2 6.鏈輪Z3圖1 移栽機(jī)傳動機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 The drive sketch of transplanter

其中，右地輪與鏈輪Z1同在軸I上，鏈輪Z2同鏈輪Z3同在軸Ⅱ上，鏈輪Z4和移栽裝置同在軸III上。當(dāng)移栽機(jī)進(jìn)行移栽作業(yè)時，移栽機(jī)的右地輪直接帶動鏈輪Z1轉(zhuǎn)動，鏈輪Z1通過鏈條帶動鏈輪Z2；然后鏈輪Z3通過鏈條帶動鏈輪Z4，通過這樣的一個傳動方式，把動力由地輪傳遞給移栽裝置，從而實(shí)現(xiàn)移栽。試驗(yàn)鏈輪的齒數(shù)分別為Z1=15齒，Z2=18齒,Z3=19齒，Z4=15齒，在工作時可通過更換鏈輪Z2來達(dá)到調(diào)節(jié)傳動比的目的。

1.2 滑移率的測定

移栽機(jī)在進(jìn)行移栽作業(yè)時，通過地輪帶動移栽裝置轉(zhuǎn)動。由于移栽機(jī)地輪為充氣輪胎，其滾動半徑比實(shí)際半徑小，且與土壤接觸時會發(fā)生一定的變形，所以移栽機(jī)地輪在工作時，會產(chǎn)生一定的滑移。

滑移率是指移栽機(jī)在移栽作業(yè)時地輪轉(zhuǎn)動幾圈后，地輪滑動部分的距離占移栽機(jī)實(shí)際行走距離的百分比。由于地輪在轉(zhuǎn)過幾圈后實(shí)際所走的距離比理論轉(zhuǎn)過的周長距離要長，所以移栽機(jī)的滑移率ε可表示為

(1)

式中s理論—移栽機(jī)地輪理論行走的距離(m)；

s實(shí)際—移栽機(jī)地輪實(shí)際行走的距離(m)。

2017年5月，在巴彥淖爾市杭錦后旗進(jìn)行試驗(yàn)，選用泰山牌33kW四輪驅(qū)動拖拉機(jī)，試驗(yàn)采用在地輪的一點(diǎn)上做特殊標(biāo)記，在垂直方向的灌於土上插一面旗幟的方法。在移栽機(jī)完全運(yùn)行時，標(biāo)記位置每次與地面接觸時都在相應(yīng)的垂直地面位置插一面旗幟作為記號，每組秧苗栽植完成后通過卷尺測量兩個旗幟之間的距離，兩旗幟之間的距離就是移栽機(jī)在工作過程中實(shí)際行走的距離，實(shí)際數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 地輪旋轉(zhuǎn)1周行走距離Table 1 The tire rotates about the walking distance

若在沒有滑移率的情況下，兩旗幟之間的距離應(yīng)與地輪的周長相同。試驗(yàn)使用移栽機(jī)地輪為6.00-12型地輪，理論旋轉(zhuǎn)直徑為57.4cm，考慮到移栽機(jī)自身質(zhì)量，其實(shí)際旋轉(zhuǎn)直徑為54.7cm，則旋轉(zhuǎn)周長為171.4cm。通過觀察數(shù)據(jù)，可以看出相鄰兩旗幟之間的距離范圍在180～190cm之間，較實(shí)際周長值明顯偏大，偏大部分即為滑移產(chǎn)生的距離。

通過式(1)計算，可以得出地輪每行走1周時的滑移率數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 地輪行走1周滑移率值Table 2 The slip rate of the tire during one week of walking %

續(xù)表2

通過表2可以看出：滑移率值范圍在3.31%～16.97%之間，將7組數(shù)據(jù)的滑移率均值做算術(shù)平均值為8.48%。在以四驅(qū)的拖拉機(jī)牽引的情況下，灌於土對移栽機(jī)產(chǎn)生的滑移仍有較大影響，若在普通兩驅(qū)拖拉機(jī)牽引的條件下產(chǎn)生的影響會更大。

1.3 滑移對運(yùn)動特性參數(shù)λ的影響

封俊教授等人通過對移栽機(jī)栽植機(jī)理的研究，提出了保證移栽機(jī)的正常工作的必要前提條件為運(yùn)動特征參數(shù)λ>1[11]。特征參數(shù)λ為移栽機(jī)吊杯的速度與移栽機(jī)的前進(jìn)速度的比值，即為

(2)

式中v吊—吊杯相對移栽機(jī)的線速度(m/s);

v機(jī)—移栽機(jī)相對地面的前進(jìn)速度(m/s)。

將式(1)進(jìn)行變換，得到理想條件(不考慮滑移情況)下移栽機(jī)的運(yùn)動特征參數(shù)與吊杯旋轉(zhuǎn)半徑、傳動比和地輪半徑間的關(guān)系，即

(3)

式中R吊—吊杯旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；

r地—移栽機(jī)地輪的半徑(mm)；

i13—地輪軸Ⅰ到移栽裝置軸Ⅲ的傳動比。

當(dāng)考慮滑移率時，通過將式(1)和式(3)進(jìn)行變換可以得到滑移率與吊杯旋轉(zhuǎn)半徑、傳動比、地輪半徑與運(yùn)動特征參數(shù)間的關(guān)系為

(4)

由式(4)可以看出：運(yùn)動特征參數(shù)和滑移率存在反比關(guān)系，移栽機(jī)正常作業(yè)時，要求運(yùn)動特征參數(shù)λ>1；隨著滑移率的增大，λ值在逐漸減小，當(dāng)其值小于1時，秧苗的直立度、株距及膜口尺寸等都會受到影響。

1.4 滑移率與栽植株距的關(guān)系

在不考慮移栽機(jī)栽植過程中產(chǎn)生滑移的情況下，當(dāng)移栽機(jī)控制盤轉(zhuǎn)動X周時，地輪轉(zhuǎn)動的次數(shù)為X·i13周，地輪行走的距離為X·i13+1株，此時秧苗的栽植株距式為

(5)

式中N—吊杯的數(shù)量。

在考慮移栽時滑移率ε的情況下，由滑移率計算式(1)可得

(6)

在移栽機(jī)控制盤轉(zhuǎn)過X周時，移栽機(jī)栽植株距的計算公式為

(7)

從式(6)中可以看出：株距的值不僅與吊杯的數(shù)量及地輪的半徑有關(guān)，與傳動機(jī)構(gòu)的配比及滑移率的大小也有很大的關(guān)系。目前，移栽機(jī)使用的地輪基本采用6.00-12型輪胎，則工作過程中移栽機(jī)的地輪半徑是固定的，對于栽植株距進(jìn)行較大范圍的改變可以通過更換吊杯的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，而對于滑移產(chǎn)生的株距變化則需通過對傳動系統(tǒng)中鏈輪Z2的齒數(shù)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)微調(diào)。

2 傳動系統(tǒng)配比的調(diào)節(jié)

2.1 原傳動系統(tǒng)參數(shù)計算

在河套地區(qū)進(jìn)行移栽機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，土壤為灌於土。計算基于灌於土的滑移率，根據(jù)式(5)、式(7)分別計算出在滑移率最小值、最大值和均值時懸掛不同吊杯個數(shù)時的株距，如表3所示。

表3 懸掛不同吊杯數(shù)時的株距Table 3 Plant spacing when hanging different number of hanging cups cm

在原有的傳動系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過式(3)計算移栽機(jī)滑移率為均值8.48%和最大值16.97%時，運(yùn)動特征參數(shù)λ為0.722與0.824，不滿足運(yùn)動特征參數(shù)λ>1的要求。因此，需要對原傳動系統(tǒng)的鏈輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

試驗(yàn)栽植過程中使用的為番茄秧苗，查閱文獻(xiàn)，番茄的栽植農(nóng)藝要求為株距在40cm范圍左右[12]。試驗(yàn)使用的移栽機(jī)傳動系統(tǒng)參數(shù)雖在栽植農(nóng)藝上符合要求，但不滿足運(yùn)動特征參數(shù)λ>1的要求，在栽植過程中會導(dǎo)致秧苗的直立度降低及膜口尺寸過大，不利于秧苗生長。因此，需在保證運(yùn)動特征參數(shù)λ>1及栽植農(nóng)藝的要求下，優(yōu)化移栽機(jī)原有傳動系統(tǒng)中的各鏈輪齒數(shù)。

在改變傳動系統(tǒng)中鏈輪齒數(shù)時，鏈輪若齒數(shù)過少，則增加運(yùn)動的不均勻性和動載荷，鏈條與鏈輪嚙合時，鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角增大，鏈傳動的圓周力增大，加快了鏈條和鏈輪的磨損。因此，小鏈輪的齒數(shù)不應(yīng)過少，一般最小齒數(shù)Z≥17；鏈輪的齒數(shù)也不能過大，在傳動比一定時，鏈輪齒數(shù)的增加不僅增大了傳動的整體尺寸，而且容易發(fā)生跳鏈和脫鏈，從而減少了鏈條的使用壽命[13]。將最小鏈輪Z4的齒數(shù)調(diào)整為17齒，Z3的齒數(shù)增加到23齒，此時Z3與Z4的傳動比與原來接近，未改變傳動的整體尺寸，根據(jù)以往試驗(yàn)可知運(yùn)動特征參數(shù)λ的范圍在1.038～1.294之間栽植效果最優(yōu)[14]，利用式(4)可知鏈輪Z1和Z2的齒數(shù)傳動比范圍。

優(yōu)化后的傳動系統(tǒng)中以鏈輪Z1的齒數(shù)23齒，鏈輪Z2的齒數(shù)20齒作為基礎(chǔ)，滑移率為8.48%時，相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 優(yōu)化后的栽植株距Table 4 Optimized plant spacing cm

在滑移率為8.48%時運(yùn)動特征參數(shù)λ=1.17，滿足移栽機(jī)栽植的基本要求，對于株距的微調(diào)也有了更大的范圍。優(yōu)化后的鏈輪參數(shù)配比有效減少了灌於土壤特性對移栽產(chǎn)生的影響，使秧苗直立度提高，減少了膜口尺寸，提高了成活率，且優(yōu)化了栽植株距，滿足番茄秧苗的栽植農(nóng)藝。

在移栽過程中針對不同種類秧苗的栽植農(nóng)藝可以通過更換吊杯的數(shù)量進(jìn)行較大株距的調(diào)節(jié)，對于相同種類的秧苗在不同土壤條件下造成的株距上差異可以通過改變鏈輪Z2的齒數(shù)來抵銷，使移栽機(jī)的適用范圍更加廣泛。

3 結(jié)論

1)通過理論分析指出了在移栽機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，滑移率和傳動比是影響吊杯的運(yùn)動特征參數(shù)的主要因素，提出了通過增大移栽機(jī)的傳動比的方式來抵消滑移率對運(yùn)動特征參數(shù)的影響。

2)對傳動系統(tǒng)的鏈輪齒數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，滿足運(yùn)動特征參數(shù)λ>1，且使其調(diào)整范圍較寬。針對河套地區(qū)灌於土壤，移栽機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時，以鏈輪Z2齒數(shù)20為基數(shù)，根據(jù)農(nóng)藝要求選擇吊杯數(shù)，然后調(diào)節(jié)鏈輪Z2齒數(shù)滿足株距等性能要求，可以達(dá)到更好的栽植效果。