基于灌於土滑移特性吊杯式移栽機傳動配比分析

金 旭，李旭英，李 祥，張永志，郭文斌，宗哲英

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

河套地區土壤結構多為黃河水常年灌溉形成的灌於土，農業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方式，手工移栽浪費人力，增加生產成本，不利于生產規模的擴大，降低了農產品的經濟效益，減少了農民的收入，并且移栽時難以保證較高的移栽速度和移栽質量[4]。移栽機的引進促進了農業向集約型經濟發展的步伐，在提高了生產率的同時，也降低了成本。

吊杯式移栽機是集覆膜、打穴、移栽、覆土于一體的移栽機械，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可以進行膜上移栽。使用吊杯式移栽機可以避免加重破壞表層土壤，減輕地表土壤風蝕狀況，有效減少了土壤水分和有機物質的損失[8-9]。

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

1 整機結構及試驗分析

1.1 移栽機傳動結構

移栽機傳動機構簡圖如圖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 移栽機傳動機構示意圖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。當移栽機進行移栽作業時，移栽機的右地輪直接帶動鏈輪Z1轉動，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，從而實現移栽。試驗鏈輪的齒數分別為Z1=15齒，Z2=18齒,Z3=19齒，Z4=15齒，在工作時可通過更換鏈輪Z2來達到調節傳動比的目的。

1.2 滑移率的測定

移栽機在進行移栽作業時，通過地輪帶動移栽裝置轉動。由于移栽機地輪為充氣輪胎，其滾動半徑比實際半徑小，且與土壤接觸時會發生一定的變形，所以移栽機地輪在工作時，會產生一定的滑移。

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

(1)

式中s理論—移栽機地輪理論行走的距離(m)；

s實際—移栽機地輪實際行走的距離(m)。

2017年5月，在巴彥淖爾市杭錦后旗進行試驗，選用泰山牌33kW四輪驅動拖拉機，試驗采用在地輪的一點上做特殊標記，在垂直方向的灌於土上插一面旗幟的方法。在移栽機完全運行時，標記位置每次與地面接觸時都在相應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在工作過程中實際行走的距離，實際數據如表1所示。

表1 地輪旋轉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與地輪的周長相同。試驗使用移栽機地輪為6.00-12型地輪，理論旋轉直徑為57.4cm，考慮到移栽機自身質量，其實際旋轉直徑為54.7cm，則旋轉周長為171.4cm。通過觀察數據，可以看出相鄰兩旗幟之間的距離范圍在180～190cm之間，較實際周長值明顯偏大，偏大部分即為滑移產生的距離。

通過式(1)計算，可以得出地輪每行走1周時的滑移率數據，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組數據的滑移率均值做算術平均值為8.48%。在以四驅的拖拉機牽引的情況下，灌於土對移栽機產生的滑移仍有較大影響，若在普通兩驅拖拉機牽引的條件下產生的影響會更大。

1.3 滑移對運動特性參數λ的影響

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

(2)

式中v吊—吊杯相對移栽機的線速度(m/s);

v機—移栽機相對地面的前進速度(m/s)。

將式(1)進行變換，得到理想條件(不考慮滑移情況)下移栽機的運動特征參數與吊杯旋轉半徑、傳動比和地輪半徑間的關系，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到移栽裝置軸Ⅲ的傳動比。

當考慮滑移率時，通過將式(1)和式(3)進行變換可以得到滑移率與吊杯旋轉半徑、傳動比、地輪半徑與運動特征參數間的關系為

(4)

由式(4)可以看出：運動特征參數和滑移率存在反比關系，移栽機正常作業時，要求運動特征參數λ>1；隨著滑移率的增大，λ值在逐漸減小，當其值小于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系

在不考慮移栽機栽植過程中產生滑移的情況下，當移栽機控制盤轉動X周時，地輪轉動的次數為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)

在移栽機控制盤轉過X周時，移栽機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量及地輪的半徑有關，與傳動機構的配比及滑移率的大小也有很大的關系。目前，移栽機使用的地輪基本采用6.00-12型輪胎，則工作過程中移栽機的地輪半徑是固定的，對于栽植株距進行較大范圍的改變可以通過更換吊杯的數量來實現，而對于滑移產生的株距變化則需通過對傳動系統中鏈輪Z2的齒數調節來實現微調。

2 傳動系統配比的調節

2.1 原傳動系統參數計算

在河套地區進行移栽機進行試驗，土壤為灌於土。計算基于灌於土的滑移率，根據式(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時的株距，如表3所示。

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

在原有的傳動系統參數基礎上，通過式(3)計算移栽機滑移率為均值8.48%和最大值16.97%時，運動特征參數λ為0.722與0.824，不滿足運動特征參數λ>1的要求。因此，需要對原傳動系統的鏈輪參數進行優化。

2.2 傳動系統參數優化

試驗栽植過程中使用的為番茄秧苗，查閱文獻，番茄的栽植農藝要求為株距在40cm范圍左右[12]。試驗使用的移栽機傳動系統參數雖在栽植農藝上符合要求，但不滿足運動特征參數λ>1的要求，在栽植過程中會導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，需在保證運動特征參數λ>1及栽植農藝的要求下，優化移栽機原有傳動系統中的各鏈輪齒數。

在改變傳動系統中鏈輪齒數時，鏈輪若齒數過少，則增加運動的不均勻性和動載荷，鏈條與鏈輪嚙合時，鏈節間的相對轉角增大，鏈傳動的圓周力增大，加快了鏈條和鏈輪的磨損。因此，小鏈輪的齒數不應過少，一般最小齒數Z≥17；鏈輪的齒數也不能過大，在傳動比一定時，鏈輪齒數的增加不僅增大了傳動的整體尺寸，而且容易發生跳鏈和脫鏈，從而減少了鏈條的使用壽命[13]。將最小鏈輪Z4的齒數調整為17齒，Z3的齒數增加到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，根據以往試驗可知運動特征參數λ的范圍在1.038～1.294之間栽植效果最優[14]，利用式(4)可知鏈輪Z1和Z2的齒數傳動比范圍。

優化后的傳動系統中以鏈輪Z1的齒數23齒，鏈輪Z2的齒數20齒作為基礎，滑移率為8.48%時，相關參數如表4所示。

表4 優化后的栽植株距Table 4 Optimized plant spacing cm

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

在移栽過程中針對不同種類秧苗的栽植農藝可以通過更換吊杯的數量進行較大株距的調節，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的齒數來抵銷，使移栽機的適用范圍更加廣泛。

3 結論

1)通過理論分析指出了在移栽機結構參數一定的條件下，滑移率和傳動比是影響吊杯的運動特征參數的主要因素，提出了通過增大移栽機的傳動比的方式來抵消滑移率對運動特征參數的影響。

2)對傳動系統的鏈輪齒數進行優化，滿足運動特征參數λ>1，且使其調整范圍較寬。針對河套地區灌於土壤，移栽機進行田間作業時，以鏈輪Z2齒數20為基數，根據農藝要求選擇吊杯數，然后調節鏈輪Z2齒數滿足株距等性能要求，可以達到更好的栽植效果。