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

(內蒙古農業大學　機電工程學院，呼和浩特　010018)

0　引言

育苗移栽技術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抗逆能力，在保證作物獲得穩產高產和提高產品品質等方面效果突出。因此，移栽技術一直是國內農業技術研究的重點[1]。

目前，國內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，短時間內很難完成大面積的移栽作業。我國是個農業大國，隨著社會的發展和科技的進步，農業機械化是發展現代農業的必然趨勢[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。膜上移栽技術優點突出，可以達到保持土壤養分、防止病蟲害、保溫及保水等效果[4-5]，最終使農作物獲得穩產、高產。

吊杯式移栽機在使用過程中由于各地區土壤的物理特性不同，以及移栽時出現的滑移率過大的問題，會導致栽植株距不穩定[6]，且對于不同種類的農作物，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，而且對于移栽機推廣應用、促進農民增收、發展農業經濟具有重要的意義[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、吊杯的固定轉臂組成了雙圓盤偏心機構，使得吊杯在移栽過程中始終保持與地面垂直的狀態，能夠保證移栽過程缽苗的直立度[8]。移栽裝置在設計時已為用戶考慮到株距調節的問題，用戶可以在安裝盤上安裝1～6個吊杯來調整株距。

2　移栽機各參數之間的關系

2.1　運動特征參數λ

移栽機吊杯的運動特征參數λ是移栽機的正常工作的重要參數[9]，正常工作時要求運動特征參數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(即周長乘轉數)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λ與滑移率ε之間的關系式，即

(3)

式中R吊—吊杯旋轉半徑(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系

在不考慮移栽機滑移率的情況下，當移栽盤轉過X圈時，地輪轉過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—吊杯數量。

若將移栽過程的滑移率ε考慮進去，由公式(2)可知

(5)

(6)

由此可見，株距的大小不僅與吊杯數量、地輪半徑有關，還與傳動比和滑移率有關。當移栽機的地輪選定后，地輪半徑就確定了，更換吊杯數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，并進行各機構之間的裝配，然后以*.x_ t格式導入到仿真軟件Adams中，并為移栽裝置各機構間添加所需要的約束[10]。吊杯的運動是其在前進運動的同時并繞移栽裝置主軸轉動，根據以往試驗可知，移栽機前進速度在208.3～250.0mm/s之間，取移栽裝置前進速度為220mm/s，之后再添加吊杯轉動的角速度。在仿真時，將移栽裝置前進的速度v機等同于地輪的線速度v地，通過將公式(1)和公式(3)進行變換，可以得到吊杯角速度ω吊、移栽裝置前進速度v地、移栽裝置傳動比i13、滑移率ε和地輪半徑r地之間的關系，即

(7)

根據以上設置的參數，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，當滑移率從0～24%逐漸增大時，株距值在逐漸增大；當滑移率一定時，隨著傳動比的增大，株距值也在逐漸增大。當傳動比為0.667～0.794、滑移率在24%范圍內時，株距的值從284.63mm變化到447.94mm?？梢姡坡屎蛡鲃颖葘χ昃喽加幸欢ǖ挠绊?。若要保持合適的株距值，當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

試驗地點為內蒙古農業大學機械廠北側試驗田，所用設備有：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，先調節好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移栽機前進速度

Table 2Transplanting speed km/h

組別移栽機前進速度均值第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：移栽機前進速度基本保持在0.8km/h(即0.222m/s)左右，與仿真初始設定值相吻合。實際滑移率的值通過測量移栽機所走的實際距離并根據理論距離求得，在Adams中再根據試驗滑移率對移栽機構進行仿真求得其試驗滑移率對應的株距值，將兩者數據進行對比如表3所示。

表3　仿真與試驗株距對比

齒數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)在移栽機作業滑移率為24%以內時，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%，在移栽時可以優先選擇。

3)2ZB-2型吊杯式移栽機在移栽過程中，當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，這樣可將株距調整在合適的區間。