2ZP-2型吊杯式移栽机田间作业动力适配分析

鲁国成，李旭英，张　波，王玉伟

(内蒙古农业大学 机电工程学院,呼和浩特　010018)



2ZP-2型吊杯式移栽机田间作业动力适配分析

鲁国成，李旭英，张波，王玉伟

(内蒙古农业大学 机电工程学院,呼和浩特010018)

摘要：为解决2ZP-2型吊杯式移栽机由于质量较大造成的动力适配困难问题，对2ZP-2型移栽机的提升和栽植过程进行了田间受力试验研究，获得了提升力和牵引力数据。根据农机行业标准，对移栽机动力适配功率进行了计算。结果表明：移栽机正常工作时，要求配套的拖拉机功率大于0.82kW，提升时要求拖拉机的功率大于15.63kW，而原始计算的配套动力功率22kW明显偏大。这些数据为2ZP-2型移栽机的动力适配提供可靠的依据，同时也为移栽机的后续研究提供了科学、精确的数据。

关键词：移栽机；动力适配；提升力；牵引力

0引言

随着农业机械的普及，很多劳动力密集型产业发生了变化。在农业生产中，育苗、移栽一直是提高幼苗成活率和提高产量的一种方法。育苗可以提早农作物的栽种期，长大的幼苗同种子相比，对自然界的寒潮、大风及干旱有着更强的抵抗力。直接移栽幼苗不仅可以节省播种量，而且大大提高了农作物的成活率，有效缩短了作物的生长期，在增加产量的同时也为农户创造了更多的经济效益[1-2]。但是，移栽过程中存在着移栽速度慢、移栽质量参差不齐等问题，移栽机的引进可解决这些问题。使用移栽机移栽秧苗速度快、质量好、成活率高，同时减轻了劳动者的劳动强度[3-7]。

2ZP-2型移栽机与其他农业机械一样，存在质量偏大的问题。移栽机在设计时计算的配套动力偏大，要求配套动力功率大于22kW；而在实际移栽作业中，使用雷豹TE254型拖拉机(功率18kW)即可满足运输和移栽正常作业。在农村，鉴于农艺的要求，移栽机一般均与22kW以下拖拉机配套。如果选用较小功率的拖拉机与2ZP-2型移栽机配套使用，则移栽机不能被正常提起，大功率的拖拉机又不满足农田的农艺要求，产生动力浪费，提高了土地种植成本。现在市场上拖拉机品牌众多，各厂家的拖拉机性能参数又存在差异，造成了移栽机动力选择时的困难，也给移栽机在农村的推广加大了难度。因此，2ZP-2型移栽机的配套动力该怎么选择才能满足农艺的要求、达到节约的目的，已经成为移栽机的使用人员和设计人员必须要解决的问题。

1试验设备及试验方法

1.12ZP-2型移栽机介绍

2ZP-2型移栽机是一种双行吊杯式移栽机械(见图1)，集成打穴、栽苗、覆土于一体。移栽机在工作时，由地轮和传动机构把动力传给移栽机构，然后移栽盘带动吊杯实现移栽动作[8-9]。吊杯式栽植器适用性强，适合于大多数的蔬菜和经济作物钵苗(如西红柿、向日葵等)，甚至有些育好的树类钵苗也能够用其进行移栽。由于吊杯在完成移栽动作时不需要提前开沟，所以吊杯式移栽机也适用于膜上移栽。另外，移栽机使用了偏心圆盘机构，使吊杯在栽植过程中始终保持与地面垂直的状态，提高了秧苗的直立度、成活率和移栽质量。移栽机主要性能参数如表1所示。

1.2试验设备

测量移栽机的提升力和牵引力的试验设备采用由黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的田间机械动力学参数遥测仪，设备主要参数如表2所示。使用遥测仪的主要部件有上拉杆、左悬挂销和右悬挂销。测量移栽机速度使用AM—2020G的GPS速度测试仪，精度为0.01m/s。拖拉机为约翰迪尔JDT654型拖拉机，功率为48kW，下悬挂点后610mm处额定提升力13kN。

1.传动机构　2.主架　3.座椅　4.移栽装置

参数单位数值配套动力kW≥22牵引方式三点后悬挂作业速度km/h1～2行距mm400株距mm184～1836可调栽植深度mm80～120适应苗高mm50～300作业行数行2适用膜宽mm700～800漏栽率%≤5%伤苗率%≤2%生产率hm2/h2～15外形尺寸/长×宽×高mm2500×2700×2000整机质量kg435

表2　田间机械动力学参数遥测仪主要参数

1.3试验方法

1.3.1遥测仪软件设置

试验前，对遥测仪软件进行数据通道和拉力转换公式设置，遥测仪传感器已按照设备说明书进行了零点漂移软件补偿。

1.3.2移栽所需的提升力测量

移栽机提升力的测量地点在内蒙古农业大学机械厂内。测量提升力时，移栽机被缓慢提起落下。移栽机被提升到最高点时移栽机的上升速度迅速减小到0，会造成提升力瞬间突变。所以，为保证试验数据的准确性，进行了6次移栽机提升力试验，每次试验均确保移栽机被正常提起，取每次试验提升力的最大值作为单次试验结果。

1.3.3移栽机所需牵引力测量

移栽机牵引力的测量地点在内蒙古农业大学试验田内。试验时，田地已经被翻耕平整过；拖拉机牵引移栽机从静止到匀速运动，再到静止。

2试验结果

提升力试验数据如表3所示。试验时，每次提升的速度不同，导致单次提升力试验数据存在差异。牵引力试验数据如图2所示。栽植过程中，由于土地硬度、土壤不平度等原因造成了牵引力的变化。GPS速度测试仪测得移栽机水平运动阶段的平均速度为0.26m/s。

表3　提升力试验数据

32ZP-2型移栽机适配动力计算

3.1拖拉机三点悬挂受力分析

根据行业标准NY/T 209-2006《农业轮式拖拉机质量评价技术规范》中规定，拖拉机厂家给出的最大提升力作用在距下悬挂点610mm处[10]。拖拉机测试提升力示意图如图3所示。图3中，悬挂架在下拉杆和上拉杆共同作用下达到平衡状态。由于上拉杆的一端同悬挂架铰接，另一端同拖拉机上连接点铰接，所以上拉杆、下连接杆、液压提升杆和悬挂架就成了一个支架，用来测试距下悬挂点610mm处的最大提升力，使其能够围绕下连接点转动的力只有拖拉机的液压提升力和距下悬挂点610mm处的重力。

图2　牵引力试验数据

1.距下悬挂处610mm点　2.下悬挂点　3.悬挂架　4.下拉杆

3.2提升功率计算

对拖拉机后悬挂进行简化，然后受力分析，如图4所示。图4中，A点表示拖拉机的下连接点，B点表示下悬挂点，C点为距下悬挂点610mm的点；F1表示距下悬挂点610mm处的最大提升力，F2表示左右悬挂点所受到的压力；a为下悬挂点到下连接点的力臂大小。在平衡状态下,对A点取矩，由力矩平衡公式可以得到

F1×(a+610)-F2×a=0

(1)

其中，F1为距离下悬挂点610mm处最大提升力(N)；F2为下悬挂点处所受的压力( N)。

由于6次提升力试验均把移栽机正常提升,为增加计算结果的安全系数，提升力选取6次试验的最大值，即F2=5662N。将式(1)变换得到

(2)

根据NY/T 209-2006《农业轮式拖拉机质量评价技术规范》对提升力的要求有[10]

F1=0.75×300×P额(垂直)

(3)

其中，P额(垂直)为提升功率计算时拖拉机的额定功率(kW)。

测得约翰迪尔JDT654型拖拉机下悬挂到下连接点的距离为1 000mm。力臂a取最大值，即a=1 000mm，求得最大提升力为3 517N。然后，根据式(3)可以计算出P额(垂直)=15.63kW。所以，要求提升移栽机时拖拉机功率大于15.63kW。

图4　拖拉机后悬挂简化受力分析图

3.3牵引功率计算

根据NY/T 209-2006《农业轮式拖拉机质量评价技术规范》中规定，拖拉机的牵引功率不小于标定功率的0.75倍[10]。所以，拖拉机的栽植牵引功率为

P牵=0.75×P额(水平)

(4)

其中，P牵为拖拉机最小牵引力 (N)；P额(水平)为牵引功率计算时拖拉机额定功率(kW)。

为保证移栽机在水平力的牵引下正常工作，应选择牵引力试验数据中的最大值作为移栽机正常工作时需要的最小水平牵引力，即F牵=2 366N。将式(4)变换可得

(5)

代入F牵=2366N、v=0.26m/s，得到P额(水平)=0.82W。

由以上分析可知：移栽机工作状态需要拖拉机功率大于0.82kW，运输状态需要拖拉机功率大于15.63kW。因此，移栽机匹配动力功率大于15.63kW。

4结论和讨论

1)分析计算结果表明：牵引2ZP-2型移栽机正常工作时，需要拖拉机功率大于0.82kW；运输提升移栽机时，要求拖拉机功率大于15.63 kW，最大提升力大于3.52kN。因此，移栽机说明书中的配套动力功率22kW确实偏大。

2)根据NY/T 209-2006行业标准，农村常见的18kW拖拉机可以与2ZP-2型移栽机配套使用，这样就解决了移栽机动力适配的问题，并满足农艺的要求，避免了使用大功率拖拉机造成浪费的问题。

3)由于不同功率的拖拉机后悬挂存在差异，试验中拖拉机为Ⅱ型后悬挂，而农村最多使用的功率为18kW 的250、254型拖拉机，为Ⅰ型后悬挂，其后悬挂下拉杆尺寸小于Ⅱ型，所以Ⅱ型计算结果同样适用于Ⅰ型。

4)2ZP-2型吊杯式移栽机需要的水平牵引功率仅为0.82kW，建议可以改成以汽油发动机为动力的自走式移栽机。

参考文献：

[1]郭良,余兵辉.库尔勒垦区棉花穴盘育苗移栽技术[J].新疆农垦科技,2006(6):11.

[2]赖庆辉,陈海涛,于海,等. 我国甜菜育苗移栽机械的研究进展和发展趋势[J].农机化研究,2011,33(2):226-229.

[3]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.

[4]武科.吊杯式棉花移栽机栽植器的研究与分析[D].石河子:石河子大学,2010.

[5]封俊.论我国旱地栽植机械的发展前景与方向[J].中国农机化,2000(4):12-13.

[6]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.

[7]韩占全,封俊,曾爱军.我国早地栽植机械的现状和发展前景[J].现代化农业,2000,8(8): 29-31.

[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]张小志.吊杯式移栽机栽植器的设计分析与试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2014.

[10]国家拖拉机质量监督检验中心(北京)，四川省农业机械鉴定站，山东省农业机械科学研究所.NY/T 209-2006农业轮式拖拉机质量评价技术规范[S].北京:中国农业出版社，2010.

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

文章编号：1003-188X(2016)04-0209-04

中图分类号：S223.9

文献标识码：A

作者简介：鲁国成(1986-)，男，河北滦县人，硕士研究生，(E-mail)675488025@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，(E-mail)lixuy2000@yahoo.com.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：2015-03-31