吊杯式移栽機地輪與土壤相互作用力的試驗研究

徐 坤，李旭英，何生根，劉雪寧，侯占峰

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

內蒙古地區是我國農業發展主要區域，當地幼苗的移栽多為人工移栽，移栽進度慢，人力物力投資巨大。2ZB-2型吊杯式移栽機是一種集打孔、栽苗、覆土等一系列功能為一體的農業機械產品，栽植速度較快且可保證栽植質量[1]。

吊杯式移栽機工作工程中，地輪所受的力直接決定了移栽機的效果，株距、膜口尺寸、秧苗直立度等都會受到影響[2]。如果能實時了解移栽機地輪與土壤的相互作用力，就能為移栽機穩定性控制提供有用信息、提高栽植性能、保證栽植質量[3]，對機械化移栽技術的大面積推廣有著推進作用。

綜上所述，地輪-土壤接觸區域的受力分析對移栽機栽植性能穩定性的研究具有重要意義。本文對試驗田進行區域劃分，對不同區域進行壓實并做土壤硬度參數的采集，并利用薄膜式壓力傳感器和數據采集卡構建的采集系統對地輪-土壤接觸區域相互作用力進行了測量。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 吊杯式移栽機工作原理

本文所研制的移栽機為2ZB-2型吊杯式移栽機，適用于青椒、番茄、甜菜、玉米、生菜、紅辣椒等大量經濟作物的移栽，其結構組成如圖1所示。

1.苗盤支架 2.苗盤 3.地輪升降機構 4.鏈條罩 5.地輪 6.栽植裝置 7.吊杯 8.座椅 9.鎮壓輪 10.鎮壓輪升降機構

通過輪式拖拉機三點懸掛為移栽機提供牽引力，拖拉機前進過程中帶動移栽機的地輪轉動，右地輪轉動的同時通過鏈傳動機構為移栽裝置提供動力；移栽盤轉動的同時帶動吊杯栽植器向下運動將秧苗移栽到壟上，覆土鎮壓輪完成覆土工作[4]。

1.2 試驗設備、儀器及試驗條件

1)試驗設備選型。移栽機型號：2ZB-2型吊杯式移栽機；拖拉機型號：TS300型山拖泰山拖拉機；薄膜式壓力傳感器型號：IMS-00004-C20，最大測距范圍20kg；感應區直徑20mm；最大測量感應區面積314mm2；傳感器厚度0.2mm。

2)土壤硬度測量設備：TYD-2型土壤硬度測試儀。

3)試驗地點選擇在內蒙古農業大學機械廠試驗田內，試驗土壤類型為砂壤土。

1.3 地輪結構受力分析

吊杯式移栽機在工作過程中某一瞬時情況下，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為滾動摩擦系數，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、移栽裝置傳動的工作力矩、地輪滾動過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

由于土壤質地不均勻、地面不平、土壤變形嚴重等因素，地輪消耗能量較大。假設rd=r，當RXr足夠大時才能克服總阻力矩和重力阻力矩的和，使地輪轉動帶動移栽機構，進而完成移栽過程。相同情況下，如果能改變土壤參數a使其變小同樣可以使地輪轉動，完成栽植工作[5-6]。

1.4 土壤的物理特性及參數測量

土壤的物理特性與土壤的力學特性相關，本文以土壤硬度為主。移栽機在工作過程中，土壤硬度的不同對地輪與土壤的相互作用力大小有影響[7]。本次試驗設計把試驗田分為5個區域進行試驗，分別對每一塊試驗田進行不同程度的壓實，且成一個逐漸增大的趨勢。采用TYD-2型土壤硬度測試儀對土壤進行測試，測量0～25cm之間的土壤硬度，每隔5cm記錄一次硬度數據。

2 地輪-土壤接觸區內正壓力測試

本次試驗采用壓力傳感器測試法，精度高，操作方便快捷，適用于本次試驗地輪壓力的采集[8]。

2.1 數據采集系統

本次試驗使用的數據采集系統是由一個可以采集8通道的數據采集模塊及PC端數據采集配套軟件和薄膜式壓力傳感器組成。將傳感器與數據采集卡相連，給予傳感器一定載荷的力，在軟件窗口能讀出數值。

2.2 薄膜式壓力傳感器排布

本次試驗采用8個傳感器，與數據采集模塊的8個通道相連。傳感器與土壤接觸的一面用橡膠墊(直徑20mm的圓片)保護以防觸碰尖銳小石塊影響實驗數據，排布方式如圖3所示。移栽機向前移動，傳感器逐漸與土壤接觸，測得地輪與土壤接觸區內的正壓力。當傳感器與地面接觸的動作完成，完成一次正壓力數據采集。

圖3 薄膜式壓力傳感器排布圖

3 田間試驗與其結果分析

在充分了解2ZB-2型吊杯式移栽機的工作原理和結構特征的基礎上，將薄膜壓力式傳感器安裝在移栽機右地輪上，由拖拉機牽引開始準備田間作業。

3.1 試驗數據分析

3.1.1土壤硬度的數據處理和分析

將每塊試驗田測得的硬度實驗數據進行分析，如圖4所示。

圖 4 1-5號試驗田土壤硬度對比

對梯形圖中土壤硬度均值數據分析可知：在土壤采集點深度值為相同數值情況下，每一塊試驗田的土壤硬度均值呈階梯式增長

3.1.2 地輪-土壤接觸區內正壓力數據處理與分析

在1號試驗田一次地輪與土壤接觸過程中，1～8號傳感器采集的地輪對土壤的正壓力，利用EXCEL表格對其進行處理得到應力變化曲線，如圖5所示。

圖 5 1號試驗田土壤與地輪之間應力變化曲線圖

圖5是在土壤平均硬度為127.49N/cm2時，地輪-土壤接觸區的正壓力變化曲線圖。移栽機地輪移動過程中，1號傳感器最先與土壤相接觸，當傳感器與土壤接觸時測得地輪-土壤的正壓力為RY；由拖拉機牽引移栽機，地輪向前繼續移動，獲得地輪-土壤接觸區內不同位置的正壓力值，當薄膜傳感器位于地輪的正下方時rd=r，正壓力最大。8個傳感器數據變化規律基本一樣，地輪與土壤接觸區內的正壓力為非均勻載荷，均表現為先緩慢上升，然后達到最高點之后逐漸下降；數值上升和下降速率跟移栽機移動速度有關。

通過圖6可知：隨著土壤硬度的增加，每個傳感器采集到的最大應力值也逐漸增大，應力值從0.19N/mm2增大到0.26N/mm2。

(a) 2號試驗田土壤與地輪之間應力變化曲線圖

(b) 3號試驗田土壤與地輪之間應力變化曲線圖

(c) 4號試驗田土壤與地輪之間應力變化曲線圖

(d) 5號試驗田土壤與地輪之間應力變化曲線圖

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：移栽機在同一種土壤硬度下，地輪在與土壤接觸區同一截面上應力變化規律基本相同，都是隨時間先增加達到最高點之后下降，從數值大小上來比較，在峰值處大小基本相同。可以得出同一硬度，同一截面上應力大小及應力變化規律幾乎一致，可以推測出地輪在整個運動過程中輪心位置與土壤接觸時應力大小變化趨勢。

3.1.4 地輪-土壤接觸區正壓力與土壤硬度的關系

由表1可知：隨著試驗田土壤硬度的增加，地輪-土壤接觸區1～8號傳感器應力值逐漸增大呈上升趨勢。 移栽機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，應力值變大。

圖7 同一土壤硬度下地輪中心位置應力值對比分析

試驗田硬度均值/N·cm-2最大應力值/N·cm-21號傳感器2號傳感器3號傳感器4號傳感器5號傳感器6號傳感器7號傳感器8號傳感器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號傳感器為例，對分別在5塊試驗田采集的應力值進行擬合，圖像如圖8所示。

圖8 3號傳感器最大應力與土壤硬度相互關系擬合曲線

擬合關系式為

y=-2×10-6x2+0.0016x-0.0631

相關系數

R2=0.9622

由圖8可知：隨著土壤硬度的增加應力值逐漸增大，呈上升趨勢。

4 結論

1)一定條件下通過試驗研究獲得了移栽機地輪與土壤接觸區正壓力變化曲線，在接觸區內的正壓力為非均勻載荷，表現為先緩慢上升，然后達到最高點之后逐漸下降。

2)建立了地輪-土壤接觸區正壓力與土壤硬度關系模型，隨著土壤硬度的增加，地輪與土壤間的應力均呈現快速增長趨勢。在地輪-土壤接觸區內，移栽機地輪滾動過程中，土壤硬度的變化對地輪上每點正壓力隨時間的變化規律無明顯影響；但對具體數值影響較大，隨著土壤硬度增加，最大應力值增大。