2ZP-2型吊杯式移栽機田間作業動力適配分析

魯國成，李旭英，張　波，王玉偉

(內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特　010018)

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2ZP-2型吊杯式移栽機田間作業動力適配分析

魯國成，李旭英，張波，王玉偉

(內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特010018)

摘要：為解決2ZP-2型吊杯式移栽機由于質量較大造成的動力適配困難問題，對2ZP-2型移栽機的提升和栽植過程進行了田間受力試驗研究，獲得了提升力和牽引力數據。根據農機行業標準，對移栽機動力適配功率進行了計算。結果表明：移栽機正常工作時，要求配套的拖拉機功率大于0.82kW，提升時要求拖拉機的功率大于15.63kW，而原始計算的配套動力功率22kW明顯偏大。這些數據為2ZP-2型移栽機的動力適配提供可靠的依據，同時也為移栽機的后續研究提供了科學、精確的數據。

關鍵詞：移栽機；動力適配；提升力；牽引力

0引言

隨著農業機械的普及，很多勞動力密集型產業發生了變化。在農業生產中，育苗、移栽一直是提高幼苗成活率和提高產量的一種方法。育苗可以提早農作物的栽種期，長大的幼苗同種子相比，對自然界的寒潮、大風及干旱有著更強的抵抗力。直接移栽幼苗不僅可以節省播種量，而且大大提高了農作物的成活率，有效縮短了作物的生長期，在增加產量的同時也為農戶創造了更多的經濟效益[1-2]。但是，移栽過程中存在著移栽速度慢、移栽質量參差不齊等問題，移栽機的引進可解決這些問題。使用移栽機移栽秧苗速度快、質量好、成活率高，同時減輕了勞動者的勞動強度[3-7]。

2ZP-2型移栽機與其他農業機械一樣，存在質量偏大的問題。移栽機在設計時計算的配套動力偏大，要求配套動力功率大于22kW；而在實際移栽作業中，使用雷豹TE254型拖拉機(功率18kW)即可滿足運輸和移栽正常作業。在農村，鑒于農藝的要求，移栽機一般均與22kW以下拖拉機配套。如果選用較小功率的拖拉機與2ZP-2型移栽機配套使用，則移栽機不能被正常提起，大功率的拖拉機又不滿足農田的農藝要求，產生動力浪費，提高了土地種植成本。現在市場上拖拉機品牌眾多，各廠家的拖拉機性能參數又存在差異，造成了移栽機動力選擇時的困難，也給移栽機在農村的推廣加大了難度。因此，2ZP-2型移栽機的配套動力該怎么選擇才能滿足農藝的要求、達到節約的目的，已經成為移栽機的使用人員和設計人員必須要解決的問題。

1試驗設備及試驗方法

1.12ZP-2型移栽機介紹

2ZP-2型移栽機是一種雙行吊杯式移栽機械(見圖1)，集成打穴、栽苗、覆土于一體。移栽機在工作時，由地輪和傳動機構把動力傳給移栽機構，然后移栽盤帶動吊杯實現移栽動作[8-9]。吊杯式栽植器適用性強，適合于大多數的蔬菜和經濟作物缽苗(如西紅柿、向日葵等)，甚至有些育好的樹類缽苗也能夠用其進行移栽。由于吊杯在完成移栽動作時不需要提前開溝，所以吊杯式移栽機也適用于膜上移栽。另外，移栽機使用了偏心圓盤機構，使吊杯在栽植過程中始終保持與地面垂直的狀態，提高了秧苗的直立度、成活率和移栽質量。移栽機主要性能參數如表1所示。

1.2試驗設備

測量移栽機的提升力和牽引力的試驗設備采用由黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的田間機械動力學參數遙測儀，設備主要參數如表2所示。使用遙測儀的主要部件有上拉桿、左懸掛銷和右懸掛銷。測量移栽機速度使用AM—2020G的GPS速度測試儀，精度為0.01m/s。拖拉機為約翰迪爾JDT654型拖拉機，功率為48kW，下懸掛點后610mm處額定提升力13kN。

1.傳動機構　2.主架　3.座椅　4.移栽裝置

參數單位數值配套動力kW≥22牽引方式三點后懸掛作業速度km/h1～2行距mm400株距mm184～1836可調栽植深度mm80～120適應苗高mm50～300作業行數行2適用膜寬mm700～800漏栽率%≤5%傷苗率%≤2%生產率hm2/h2～15外形尺寸/長×寬×高mm2500×2700×2000整機質量kg435

表2　田間機械動力學參數遙測儀主要參數

1.3試驗方法

1.3.1遙測儀軟件設置

試驗前，對遙測儀軟件進行數據通道和拉力轉換公式設置，遙測儀傳感器已按照設備說明書進行了零點漂移軟件補償。

1.3.2移栽所需的提升力測量

移栽機提升力的測量地點在內蒙古農業大學機械廠內。測量提升力時，移栽機被緩慢提起落下。移栽機被提升到最高點時移栽機的上升速度迅速減小到0，會造成提升力瞬間突變。所以，為保證試驗數據的準確性，進行了6次移栽機提升力試驗，每次試驗均確保移栽機被正常提起，取每次試驗提升力的最大值作為單次試驗結果。

1.3.3移栽機所需牽引力測量

移栽機牽引力的測量地點在內蒙古農業大學試驗田內。試驗時，田地已經被翻耕平整過；拖拉機牽引移栽機從靜止到勻速運動，再到靜止。

2試驗結果

提升力試驗數據如表3所示。試驗時，每次提升的速度不同，導致單次提升力試驗數據存在差異。牽引力試驗數據如圖2所示。栽植過程中，由于土地硬度、土壤不平度等原因造成了牽引力的變化。GPS速度測試儀測得移栽機水平運動階段的平均速度為0.26m/s。

表3　提升力試驗數據

32ZP-2型移栽機適配動力計算

3.1拖拉機三點懸掛受力分析

根據行業標準NY/T 209-2006《農業輪式拖拉機質量評價技術規范》中規定，拖拉機廠家給出的最大提升力作用在距下懸掛點610mm處[10]。拖拉機測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到平衡狀態。由于上拉桿的一端同懸掛架鉸接，另一端同拖拉機上連接點鉸接，所以上拉桿、下連接桿、液壓提升桿和懸掛架就成了一個支架，用來測試距下懸掛點610mm處的最大提升力，使其能夠圍繞下連接點轉動的力只有拖拉機的液壓提升力和距下懸掛點610mm處的重力。

圖2　牽引力試驗數據

1.距下懸掛處610mm點　2.下懸掛點　3.懸掛架　4.下拉桿

3.2提升功率計算

對拖拉機后懸掛進行簡化，然后受力分析，如圖4所示。圖4中，A點表示拖拉機的下連接點，B點表示下懸掛點，C點為距下懸掛點610mm的點；F1表示距下懸掛點610mm處的最大提升力，F2表示左右懸掛點所受到的壓力；a為下懸掛點到下連接點的力臂大小。在平衡狀態下,對A點取矩，由力矩平衡公式可以得到

F1×(a+610)-F2×a=0

(1)

其中，F1為距離下懸掛點610mm處最大提升力(N)；F2為下懸掛點處所受的壓力( N)。

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

(2)

根據NY/T 209-2006《農業輪式拖拉機質量評價技術規范》對提升力的要求有[10]

F1=0.75×300×P額(垂直)

(3)

其中，P額(垂直)為提升功率計算時拖拉機的額定功率(kW)。

測得約翰迪爾JDT654型拖拉機下懸掛到下連接點的距離為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，根據式(3)可以計算出P額(垂直)=15.63kW。所以，要求提升移栽機時拖拉機功率大于15.63kW。

圖4　拖拉機后懸掛簡化受力分析圖

3.3牽引功率計算

根據NY/T 209-2006《農業輪式拖拉機質量評價技術規范》中規定，拖拉機的牽引功率不小于標定功率的0.75倍[10]。所以，拖拉機的栽植牽引功率為

P牽=0.75×P額(水平)

(4)

其中，P牽為拖拉機最小牽引力 (N)；P額(水平)為牽引功率計算時拖拉機額定功率(kW)。

為保證移栽機在水平力的牽引下正常工作，應選擇牽引力試驗數據中的最大值作為移栽機正常工作時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：移栽機工作狀態需要拖拉機功率大于0.82kW，運輸狀態需要拖拉機功率大于15.63kW。因此，移栽機匹配動力功率大于15.63kW。

4結論和討論

1)分析計算結果表明：牽引2ZP-2型移栽機正常工作時，需要拖拉機功率大于0.82kW；運輸提升移栽機時，要求拖拉機功率大于15.63 kW，最大提升力大于3.52kN。因此，移栽機說明書中的配套動力功率22kW確實偏大。

2)根據NY/T 209-2006行業標準，農村常見的18kW拖拉機可以與2ZP-2型移栽機配套使用，這樣就解決了移栽機動力適配的問題，并滿足農藝的要求，避免了使用大功率拖拉機造成浪費的問題。

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

4)2ZP-2型吊杯式移栽機需要的水平牽引功率僅為0.82kW，建議可以改成以汽油發動機為動力的自走式移栽機。

參考文獻：

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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：1003-188X(2016)04-0209-04

中圖分類號：S223.9

文獻標識碼：A

作者簡介：魯國成(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，內蒙古巴彥淖爾人，教授，碩士生導師，(E-mail)lixuy2000@yahoo.com.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465048);內蒙古自治區高等學校研究項目(NJZY050);內蒙古農業大學科技創新團隊項目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-03-31