滑移率对吊杯式移栽机膜上穴口长度影响分析

何生根，李旭英，侯占峰，杨　媛，王　璐

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



滑移率对吊杯式移栽机膜上穴口长度影响分析

何生根，李旭英，侯占峰，杨媛，王璐

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：针对2ZB-2型吊杯式移栽机在膜上移栽过程中出现的穴口长度过大的问题，通过对移栽机运动特征参数、传动比和地轮滑移率之间的关系进行推导，得到了它们之间的关系式。同时，利用MatLab建立了膜上穴口长度计算程序，分析了滑移率、传动比对运动特征参数和膜上栽植穴口长度的影响，得出滑移率在10%～20%范围内及移栽机结构一定的情况下，随移栽机传动比的增大，膜上穴口尺寸变化具有相同规律，即膜口尺寸表现为先减小后增大的趋势，存在最小膜上穴口尺寸，并提出了通过改变传动比的方法来减小膜上穴口长度的方案。田间试验表明：当滑移率为10%～20%、传动比为0.698～0.852时，穴口长度变化范围最小，此研究为移栽机的后续改进提供了参考。

关键词：吊杯式移栽机；滑移率；膜上；穴口长度；运动特征参数

0引言

目前，国内幼苗向田间移栽基本全靠人力完成，而人工移栽费力、耗时、成本高。为了使移栽工作能够大面积地推广展开，必须使用机械化移栽来代替传统的人工作业方式[1-2]。移栽技术可以将作物的生育期提前10～15天左右，并且能够使作物有利地避开倒春寒、早春低温、冰雹等灾害性气候的影响[3-5]。尤其是膜上移栽技术，采用机械化移栽，可以短时间内进行大面积移栽作业，一次性完成打穴、移栽、镇压覆土等操作，提高作业效率，不仅保证了栽植质量，而且有效地抑制了土壤风蚀和减少土壤水分、养分及有机质的损失[6-7]，便于作物快速生根，使作物缓苗期大大缩短，最终获得稳产和高产。因此，移栽机在全国的推广是十分必要的，尤其在我国内蒙等北方及东北等省，存在着大面积的耕地，人工劳动已基本不能满足生产要求，吊杯式移栽机的应用推广对发展农业经济、调整农业产业结构和帮助农民增收具有重要的意义[8]。

随着移栽技术的发展，移栽机经过引进、分析及自主研发阶段，已经取得了迅猛的发展[9-10]；但针对移栽机栽植穴口长度和滑移率方面进行系统的研究很少。由于吊杯式移栽机在实际使用中一直存在的膜上打穴口长度过大的问题，这样就破坏了地膜保持水分、温度的作用[11-12]，无法满足农艺的要求。因此，在考虑滑移率的基础上，研究移栽机膜上的穴口长度对移栽机的改进设计和性能优化具有一定的意义。

12ZB-2型移栽机简介

1.1　移栽机的总体结构

2ZB-2型移栽机是一种双行吊杯式半自动移栽机械，集打穴、栽苗、覆土于一体。工作时，由链轮传动机构把动力传递到移栽装置，移栽盘带动吊杯完成栽植工作，覆土轮完成覆土工作。鸭嘴式吊杯栽植器的使用免除了传统的开沟器，因此可以进行膜上栽植，同时增大了移栽机的适用范围，能够适用于大多数的蔬菜和经济作物钵苗，如番茄、青椒、甜菜、向日葵、玉米等，甚至有些树木类的钵苗也可以使用吊杯式移栽机进行移栽[13]。移栽机构中使用了双圆盘偏心机构，使得吊杯在移栽过程中始终保持与地面垂直的状态，有助于提高秧苗的直立度和成活率。2ZB-2移栽机的结构图如图1所示。

1.2　移栽机栽植装置

移栽机的栽植装置主要由安装盘、吊杯、控制盘及主轴等组成，如图2所示。其中,吊杯式栽植器是整个移栽机中的关键部件，移栽时可以根据株距的不同来选择安装在安装盘上的吊杯数目；打穴过程由吊杯完成，吊杯开口的时间由空间凸轮控制。

1.传动机构　2.主架　3.座椅　4.移栽装置　5.苗盘支架

1.吊杯式栽植器　2.安装槽　3.栽植装置主轴　4.安装铁圈

1.3　移栽机的传动机构

2ZB-2型吊杯式移栽机采用了链传动，结构简单，便于维修。当移栽机正常工作时，由土壤同地轮间的摩擦阻力带动地轮转动，然后与其同轴的链轮Z1通过链条带动链轮Z2，链轮Z2同链轮Z3同轴，链轮Z3通过链条带动链轮Z4，最后链轮Z4带动移栽盘转动，完成移栽作业。传动机构结构简图如图3所示。

图3　传动装置结构简图

2移栽机的滑移率

2.1　滑移率

移栽机进行移栽作业时，由地轮传递力矩到移栽机的栽植装置主轴，带动栽植装置实现移栽。因此，地轮在转动时，除了克服滚动阻力之外，还要传递工作力矩。由于耕作土壤受压时会发生变形，所以移栽机地轮在工作时会产生滑移。移栽机的滑移率是指移栽机在移栽过程中轮子转过几圈后，实际所走的距离S实际比理论距离S理论(即周长乘转数)要长，所以移栽机的滑移率ε为

(1)

式中s实际—移栽机地轮实际行走距离(m)；

s理论—移栽机地轮理论行走距离(m)。

2.2　运动特征参数与滑移率和传动比的关系

移栽机吊杯的运动特征参数λ是移栽机的正常工作的重要参数，定义为移栽机正常工作时吊杯的水平速度与移栽机的前进速度比值。移栽机正常工作时要求运动特征参数λ≥1，则

(2)

式中v吊—移栽机吊杯相对移栽机的线速度(mm/s)；

v机—移栽机相对地面的前进速度(mm/s)。

在理想状态下(不考虑滑移时)，有

(3)

式中i13—地轮轴I到移栽装置主轴III的传动比。

R吊—吊杯左右梁中心到移栽装置主轴中心的距离，称为吊杯旋转半径(mm)；

r地—移栽机地轮的半径(mm)。

由公式(1)和公式(3)可以得到在实际情况下(即在考虑滑移率时)运动特征参数λ与滑移率ε之间的关系式为

(4)

公式(4)同公式(3)比较，可以发现：在地轮直径、吊杯旋转半径、移栽机传动比一定的情况下，移栽机滑移率ε对运动特征参数λ会产生的直接影响。在数学上，滑移率ε在[0,1]内变化，与运动特征参数λ成反比关系。即当ε值变大时，λ变小，从而影响移栽机的栽植性能；而在移栽机实际作业时，由于地表不平度，土壤硬度等因素均导致滑移率ε发生较大变化，致使移栽时的株距、秧苗直立度、栽植速率及穴口长度等不稳定。

3滑移率对栽植穴口长度的影响

3.1　建立栽植穴口长度计算程序

对于2ZB-2型吊杯式移栽机，由移栽机以前的测试数据可知，其滑移率一般在11%左右。为了研究移栽机在不同土壤硬度(即不同滑移率)下的变化规律，利用MatLab软件编制计算程序，对吊杯运动轨迹进行仿真，分析滑移率为10%、15%、20%时栽植穴口长度的变化，以便找出在滑移率为10%～20%时不同传动比下的穴口长度变化规律。

移栽机的栽植穴口长度可分为由吊杯运动轨迹在土壤中的最大距离形成的轨迹穴口长度b和由吊杯本身的结构特征导致的穴口长度的增量k，栽植穴口长度l可表示为二者之和，根据k和b的关系可以在MatLab中编程，栽植穴口长度的计算程序界面如图4所示。此时，输入滑移率数值、再选择不同齿数就得到了不同传动比下的栽植穴口长度值。

图4　栽植穴口长度计算程序

3.2　基于MatLab仿真分析

移栽机滑移率和传动比的改变都会对运动特征参数造成一定的影响。当滑移率在10%～20%，传动比在0.635～0.984之间变化时运动特征参数λ值的变化如表1所示。

表1　不同传动比、滑移率情况下的运动特征参数λ

从表1可以看出：当Z2齿数一定，即传动比固定不变时，随着滑移率的增大，运动特征参数λ值在逐渐减小；而当滑移率不变时，随着传动比的增加，λ值也在逐渐减小。Z2为28、30、31齿时，随着滑移率、传动比的增大，特征参数λ值逐渐由大于1变为小于1，此时已不满足移栽机正常工作时λ>1的必要条件。可见滑移率、传动比对运动特征参数λ有显著的影响。为了进一步探索其影响规律，选取滑移率分别为10%、15%、20%的情况下，用MatLab仿真时不同传动比时栽植穴口长度的变化，如表2所示。

表2　不同传动比、滑移率情况下的膜上穴口长度

表2中的仿真数据表明：在移栽机结构一定的情况下，滑移率在10%～20%范围内，随移栽机传动比的增大，膜上穴口尺寸变化具有相同规律，即膜口尺寸表现为先减小后增大的趋势，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸数值还与滑移率有关，随滑移率增大，产生最小膜口尺寸所需的传动比减小。根据移栽机正常工作时λ>1的必要条件，滑移率在10%～20%范围内，对于2ZB-2型吊杯式移栽机作业时，适宜的传动比为0.698～0.852。因此，可通过更换Z2(22、24、26齿)满足移栽性能的要求，使穴口长度变化范围最小。为了进一步验证滑移率对膜上穴口长度影响，需要进行田间试验。

4田间试验

试验地点为内蒙古农业大学试验田，所用拖拉机为山拖泰山拖拉机,功率为22kW，移栽机为内蒙古农业大学制造的2ZB-2型吊杯式移栽机。田间试验的秧苗为番茄苗和辣椒苗，秧苗平均高度120mm。试验时平均栽植深度80mm，栽植穴口长度用使用卷尺测量，滑移率通过测量移栽机实际行驶的距离和地轮的转动圈数通过计算获得。

对试验时的滑移率进行整理可知：滑移率的大小在5%~20%之间变动，平均值为11.33%。对Z2为20~30齿时的栽植穴口长度数据进行整理，结果如图5所示。

图5　不同齿数时的栽植穴口长度

由图5可以看出：在平均滑移率为11.89%，Z2为20、22、23、24齿时，也就是随着传动比的增加，栽植穴口长度呈现逐渐减小的趋势；Z2为24齿时，栽植穴口长度平均值维持在87.5mm最小；而26～30齿时，传动比继续增加，除了26齿时穴口长度为108.8mm外，其他都呈逐渐增大的趋势。试验穴口长度与前文的仿真数据基本吻合。不同滑移率下的仿真穴口长度和试验穴口长度对比及相对误差如表3所示。

从表3可以看出：链轮Z2为23齿时，误差最小，为11.7%；链轮Z2为22齿时，误差最大，为31.9%；其误差的均值保持在18%左右。虽然试验数据相比仿真的数据来说略为偏大，但能反映出不同滑移率下穴口长度的变化趋势，即24齿时穴口长度变化最小。这说明，用MatLab对栽植穴口长度的仿真具有一定的参考价值。

表3　栽植穴口长度对比

5结论

1)分析表明：移栽机的滑移率、传动比对运动特征参数λ有显著的影响。

2)在移栽机结构一定的情况下，滑移率在10%～20%范围内时，随移栽机传动比的增大，膜上穴口尺寸变化具有相同规律，即膜口尺寸表现为先减小后增大的趋势，存在最小膜口尺寸；而最小膜口尺寸数值还与滑移率有关，随着滑移率的增大，出现最小膜口尺寸所需的传动比减小。

3)滑移率在10%～20%时，对于2ZB-2型吊杯式移栽机作业时，适宜的传动比为0.698～0.852。通过调整链轮Z2齿数(22、24、26齿)，可满足移栽性能的要求，使穴口长度变化范围最小。此研究也为移栽机的后续改进提供了一定的参考。

参考文献：

[1]孙荣国.旱地钵苗移栽机的设计与试验研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2006.

[2]王君玲,高玉芝,李成华.蔬菜移栽生产机械化现状与发展方向[J].农机化研究,2004(3):42-43.

[3]卢勇涛，李亚雄，刘洋，等.国内外移栽机及移栽技术研究现状[J].新疆农机化，2011(3)：29-32.

[4]刘洋，李亚雄，李斌，等.新疆地区作物移栽与移栽机研究现状[J].广东农业科学，2013(9)：189-191,196.

[5]张冕，姬江涛，杜新武，等. 国内外移栽机研究现状与展望[J].农业工程学报，2012，2(2)：21-23.

[6]王晓东,封俊. 国内外膜上移栽机械化的发展状况[J].中国农机化,2005(3):25-28.

[7]周建忠.土壤风蚀及保护性耕作减轻沙尘暴的试验研究[D].北京：中国农业大学,2004.

[8]迟明路. 覆膜施肥移栽机的设计与试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2013.

[9]贺智涛，郑治华，刘剑君，等. 膜上移栽机的发展现状及存在的问题[J].农机化研究，2014,36(9)：252-255.

[10]吴美珍，阿力木.鸭嘴式膜上移栽机存在问题与解决方法[J].新疆农机化，2012(3):14-16.

[11]郝金魁，张西群，齐 新，等.我国栽植机械研制现状及发展建议[J].农机化研究，2011,33(7)：222-224.

[12]武科,陈永成,毕新胜.新疆育苗移栽机械化的发展趁势[J].农机化研究,2010,32(1):230-232.

[13]夏连明，耿端阳，王相友，等.免耕播种机行星啮合式防滑地轮设计与试验[J]．农业机械学报，2012，43(8)：56-60.

Analysis of the Impact on the Film Hole Length of the Dibble-type Transplanter Base on Slip Rate

He shenggen, Li Xuying, Hou Zhanfeng, Yang Yuan, Wang Lu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In view of the problem that the length of the punching hole is too long in the process of transplanting of the 2ZB-2 type hanging cup type transplanting machine, the relationship between the motion parameters, the ratio of the transmission and the slip rate of the model was deduced, and the relationship between them was obtained. And in the Matlab, the calculation program of the planting hole length is established. The analysis of the effect on the film hole length and motion feature parameters by the slip rate and transmission ratio. Under the condition that the slip rate is 10% to 20%, the structure of the transplanting machine is certain, and the transmission ratio is increased, the size of the hole first decreased then increased. That is, the size of the film exist the minimum value. A scheme for reducing the length of the membrane by changing the ratio of transmission is proposed. And the field experiments verify showed that when the slip rate is 10% ~ 20% and the transmission ratio is 0.698~ 0.852, the film hole length variation range is minimum, which provides reference for the follow-up of the transplant machine.

Key words：dibble-type transplanter; slip rate; film; planting hole length; motion characteristic parameter

中图分类号：S223.9

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0042-05

作者简介：何生根(1991-)，男，河南信阳人，硕士研究生，(E-mail)747799459@qq.com。通讯作者：李旭英(1963-)，女，内蒙古巴彦淖尔人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465048);内蒙古自治区高等学校研究项目 (NJZY050);内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-09-30