免耕播種機地輪摩擦力與滑移率試驗研究

趙艷忠，張晨光，王運興，禹棟棟，楊陽

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

免耕播種機地輪摩擦力與滑移率試驗研究

趙艷忠，張晨光，王運興，禹棟棟，楊陽

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

針對免耕播種機地輪摩擦力不足、滑移率偏大，造成漏播、空穴等問題，文章以秸稈覆蓋量為試驗因素，地輪摩擦力和滑移率為試驗指標，對比六種地輪（平板、直齒、斜齒、“V”齒、鉤齒、鼠籠形）試驗效果。結(jié)果表明，秸稈覆蓋量0～400 g·m-2時，鉤齒地輪防滑效果最好，秸稈覆蓋量400～800 g·m-2時，“V”齒地輪防滑效果最好。對比選取防滑效果最佳“V”齒地輪，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗優(yōu)化“V”齒地輪相關參數(shù)（防滑齒齒數(shù)、防滑齒齒高、垂直載荷）。結(jié)果表明，各參數(shù)影響摩擦力和滑移率主次順序為垂直載荷＞防滑齒齒高＞防滑齒齒數(shù)；當齒數(shù)為20、齒高為36 mm、載荷為457 N時摩擦力最大且滑移率最小。為免耕播種機地輪選擇與設計提供參考，對改善免耕播種機性能、研制高質(zhì)量免耕播種機具有參考價值。

免耕播種機；地輪；摩擦力；滑移率

趙艷忠,張晨光,王運興,等.免耕播種機地輪摩擦力與滑移率試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(10):58-66.

Zhao Yanzhong,Zhang Chenguang,Wang Yunxing,et al.Study on friction and slip rate of no-tillage seeder ground wheels [J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):58-66.(in Chinese with English abstract)

地輪是免耕播種機關鍵部件，帶動傳動系統(tǒng)，為排種、施肥系統(tǒng)提供動力，當?shù)剌喤c土壤間摩擦力不足時滑移率偏大，使排種器排種輪轉(zhuǎn)速下降或停止轉(zhuǎn)動，導致排種量減少或停止排種作業(yè)，排肥量減少或停止排肥作業(yè)，造成漏播、空穴和施肥量不足等問題，單位面積保苗率低，產(chǎn)量下降。因此增大地輪摩擦力、減小地輪滑移率對保證播種質(zhì)量、提高播種施肥機研發(fā)設計水平有重要意義。

高玉璐在地輪上增設防滑齒，作防滑齒高度、垂直載荷等試驗[1]；夏連明等設計行星嚙合式地輪以減小地輪滑移率[2]。此外，夏連明行星嚙合式地輪試驗證明土地秸稈覆蓋量、土壤含水率會顯著影響地輪滑移[3]；劉林研究鼠籠形地輪摩擦力與滑移率，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]；于英杰等證明土壤壓實度等影響滑移率[5-7]。但對秸稈覆蓋量和地輪輪型研究較少。

本試驗以秸稈覆蓋量為試驗因素研究六種地輪（平板、直齒、斜齒、“V”齒、鉤齒、鼠籠形）防滑特性，還在六種輪型中選出防滑效果最好“V”齒地輪，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗優(yōu)化“V”齒地輪相關參數(shù)（防滑齒齒數(shù)、防滑齒齒高、垂直載荷），使地輪在最佳參數(shù)下工作。為免耕播種機地輪選擇與設計提供參考，對改善免耕播種機性能、研制高質(zhì)量且工作可靠免耕播種機提供參考。

1 測試裝置及原理

圖1 摩擦力試驗裝置Fig.1Friction force testing device

1.1 地輪最大摩擦力測試裝置及原理

1.1.1 測試裝置

摩擦力測試裝置見圖1。

測試作業(yè)時，利用主橫梁5上懸掛架7將本測試裝置懸掛裝配在拖拉機三點懸掛上，拖拉機牽拉測試裝置向前方運動，在地輪2與地面接觸產(chǎn)生摩擦力作用下，地輪2產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，通過主軸10帶動卷輪9轉(zhuǎn)動，使柔性拉繩11不斷纏繞在卷輪9上，柔性拉繩11經(jīng)拉力彈簧12拉動拉力傳感器13，傳感器及時反映出柔性拉繩11拉力值。當?shù)剌?由滾動變?yōu)榛瑒訒r，拉力傳感器13拉力值最大。記錄此最大值即可計算出地輪最大摩擦力Fxmax。加載前配重調(diào)節(jié)物6可消除地輪自重對測試影響，更改后配重調(diào)節(jié)物改變地輪2與地面間壓力，實現(xiàn)不同載荷下地輪2摩擦力和滑移率測定。

1.1.2測試原理

本試驗中摩擦力測試裝置卷輪與地輪安裝在同一水平軸上，兩者轉(zhuǎn)矩相同。

計算公式為

式中，F(xiàn)xmax為最大水平摩擦力（N）；fmax為卷輪所受最大拉力值（N）；r為卷輪半徑（m）；R為地輪半徑（m）。

試驗中記錄傳感器數(shù)值得到fmax，利用公式（2）計算得地輪與地面最大摩擦力值。

1.2 地輪滑移率測試裝置及原理

1.2.1 測試裝置

根據(jù)測試需開發(fā)滑移率測試電子系統(tǒng)，原理如圖2所示。

圖2 滑移率測試電子系統(tǒng)原理Fig.2Slip rate test electronic system

1.2.2 測試原理

地輪滑移率公式：

式中，η為滑移率（%）；S1為地輪實際行駛距離（m）；S2為地輪理論行駛距離（m）。

由式（3）可知，地輪滑移率取決于地輪理論行駛距離和實際行駛距離。

由圖3可知，在拖拉機行駛方向每隔一段距離設置一定數(shù)量標識，在地輪機架上安裝一光電傳感器，拖拉機前進過程中經(jīng)過標識時，標識反射光電傳感器發(fā)射光產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)所得脈沖數(shù)量可計算地輪實際行駛距離。在地輪軸上安裝一旋轉(zhuǎn)編碼器，地輪轉(zhuǎn)1周時編碼器會產(chǎn)生若干脈沖信號，在一定范圍內(nèi)計數(shù)脈沖信號測地輪理論行駛距離。

圖3 滑移率測試原理Fig.3Slip rate test principle

根據(jù)上述測試原理，先設定實際距離，當?shù)剌喰旭傔^實際距離后記錄旋轉(zhuǎn)編碼器釋放脈沖數(shù)（本測試系統(tǒng)所使用旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)1周可釋放1 000個脈沖信號），可得：

式中，D為地輪直徑（m）；N為顯示模塊上現(xiàn)實脈沖數(shù)；S2為地輪理論行駛距離（m）。

可算得地輪行駛理論距離，得到實際距離與理論距離，根據(jù)公式（3）求得滑移率。

具體測量方法：試驗前在單片機程序中設定好計數(shù)次數(shù)（本試驗設定計數(shù)次數(shù)為11次），根據(jù)計數(shù)次數(shù)在需測定實際距離間設置等間距標識（試驗中實際距離為50 m，在此范圍內(nèi)每隔5 m立一根標識，共11根標識）。按下開始鍵，光電傳感器記下1個數(shù)同時旋轉(zhuǎn)編碼器開始記數(shù)，當?shù)剌喰旭傔^設定實際距離后（50 m，記數(shù)11次之后），光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器均立刻停止記數(shù)，在顯示模塊上顯示旋轉(zhuǎn)編碼器所記脈沖數(shù)。按下復位鍵，顯示模塊計數(shù)清零，按下開始鍵后再次開始計數(shù)。

1.3 試驗儀器

1.3.1 摩擦力測試裝置

寧波484拖拉機，發(fā)動機功率為48馬力。數(shù)顯式推拉力計，型號為HG-10K，量程為10 kN。

1.3.2 滑移率測試裝置

ATMEGA16最小系統(tǒng)，光電傳感器，型號為滬工E3F-DS60C4，檢測距離60 cm。旋轉(zhuǎn)編碼器，型號為歐姆龍E6B2-CWZ6C（1000 P/R）。八位共陽極數(shù)碼管顯示模塊，采用2片74HC595驅(qū)動。

1.3.3 其他測試工具

卷尺、標識、柔性繩等。

2 試驗設計與結(jié)果分析

2.1 秸稈覆蓋量對摩擦力及滑移率影響

2.1.1 試驗區(qū)自然條件

試驗區(qū)位于東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗田，土壤條件如表1所示。

表1 土壤參數(shù)Table 1Soil parameters

2.1.2 地輪輪型參數(shù)

不同輪型地輪如圖4所示。

由圖4可知，所有地輪直徑均為610 mm，寬度均為125 mm[4]。具有防滑齒地輪齒數(shù)均為18個，齒高均為20 mm，斜齒輪和“V”齒地輪傾角均為13°[6]。地輪輪型變化引起地輪質(zhì)量變化，為消除地輪質(zhì)量變化對試驗影響，試驗中利用杠桿原理在前配重加載區(qū)施加與地輪質(zhì)量相同載荷以保證試驗因素單一性。

2.1.3 試驗結(jié)果與分析

研究秸稈覆蓋量對摩擦力及滑移率影響，秸稈覆蓋量在0～800 g·m-2變化，根據(jù)試驗田秸稈覆蓋情況選取試驗水平：0、200、400、600、800 g·m-2，每個水平3次重復試驗，求平均值結(jié)果見圖5、6。

圖4 不同輪型地輪Fig.4Different wheel type of groung wheel

圖5 摩擦力試驗結(jié)果Fig.5Test results of friction force

圖6 滑移率試驗結(jié)果Fig.6Test results of slip rate

由圖5、6可知，具有防滑齒的地輪摩擦力明顯大于平板輪和鼠籠形輪，而滑移率明顯低于平板輪和鼠籠形輪。平板輪和鼠籠型輪由于無防滑齒，摩擦力隨秸稈覆蓋量增加而減小。在0～400 g·m-2時，與其他地輪相比，鉤齒輪防滑齒扎入土壤深度較大，因此摩擦力最大，隨秸稈覆蓋量增加鉤齒輪扎入土壤深度逐漸減小，摩擦力呈下降趨勢。直齒輪、斜齒輪摩擦力在一定范圍內(nèi)波動。斜齒輪在軸向力作用下會將秸稈推向一側(cè)，增大與土壤接觸面積，在400 g·m-2時摩擦力大于其他地輪。“V”齒地輪齒形可以抵消軸向力，因此摩擦力變化曲線較平穩(wěn)，隨秸稈覆蓋量增加呈微升趨勢。在秸稈覆蓋量較大情況下“V”齒地輪摩擦力明顯大于其他地輪，可見“V”齒地輪對秸稈覆蓋量不敏感。各種地輪滑移率變化趨勢與摩擦力相反。

2.2 輪型單因素試驗

為研究不同輪型對摩擦力及滑移率影響，將秸稈覆蓋量固定為為400 g·m-2。對六種輪型單因素試驗，每次測量重復3次。對不同輪型重復3次試驗求平均值結(jié)果見圖7、8。

由圖7、8可知，防滑齒地輪具有更大摩擦力和更好防滑效果。斜齒輪摩擦力最大，其值為33.13 N，鼠籠型輪摩擦力最小，其值為22.23 N；“V”齒地輪滑移率最小，其值為3.02%，平板輪滑移率最大，其值為6.56%。綜合摩擦力和滑移率兩項指標后“V”齒地輪防滑效果最好。

圖7 輪型對摩擦力影響Fig.7Effect of wheel type on friction force

圖8 輪型對滑移率影響Fig.8Effect of wheel type on slip rate

不同輪型摩擦力和滑移率方差分析，結(jié)果見表2、3。由方差分析可知，輪型變化會顯著影響摩擦力和滑移率。

表2 摩擦力方差分析Table 2Variance analysis of friction

注：*P＜0.0.05表示差異顯著，下表同。

Note:*P＜0.05 indicated significant difference,the same as below.

表3 滑移率方差分析Table 3Variance analysis of Slip rate

2.3 “V”齒地輪多因素試驗

秸稈覆蓋量和輪型單因素試驗均表明，在秸稈覆蓋量較大情況下，“V”齒地輪防滑效果最好。因此本文多因素試驗以“V”齒地輪為研究對象，選取防滑齒齒數(shù)、防滑齒齒高、垂直載荷為試驗因素，摩擦力和滑移率為試驗指標進行3因素5水平2次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，探索試驗因素顯著性及不同因素對地輪摩擦力和滑移率影響程度，并選出“V”齒地輪相關參數(shù)最佳組合。

2.3.1 多因素試驗條件

試驗區(qū)位于在東北農(nóng)業(yè)大學向陽實驗基地，土壤條件如表4所示。

表4 土壤參數(shù)Table 4Soil parameters

2.3.2 多因素試驗結(jié)果及分析

2.3.2.1 多因素試驗設計

通過計算，防滑齒齒數(shù)范圍應在12～24，根據(jù)現(xiàn)有文獻，防滑齒齒高范圍應在20～40 mm，垂直載荷范圍應在100～500 N。因素水平編碼見表5。

2.3.2.2 多因素試驗結(jié)果

在試驗過程中每組試驗重復5次，取平均值后結(jié)果如表6所示。

表5 因素水平編碼Table 5Coding table of factor and level

表6 多因素試驗因素結(jié)果Table 6Test results of Multivariate factor

2.3.3 回歸模型建立與顯著性檢查

利用Design-Expert 8.0.6.1對試驗數(shù)據(jù)多元回歸擬合并作F檢驗。

①摩擦力Y1回歸模型建立與顯著性檢驗

各因素與摩擦力Y1回歸方程如式（5）。

回歸方程顯著性檢驗見表7。

通過對式（6）回歸系數(shù)檢驗可知，影響滑移率因素主次順序為載荷＞齒高＞齒數(shù)。

②滑移率Y2回歸模型建立與顯著性檢驗

各因素與滑移率Y1回歸方程如式（7）。

回歸方程顯著性檢驗如表8所示。

表7 摩擦力方差分析Table 7Variance analysis of friction

表8 滑移率方差分析Table 8Variance analysis of Slip rate

通過對式（8）回歸系數(shù)檢驗可知，影響滑移率因素主次順序為載荷＞齒高＞齒數(shù)。

2.3.4 響應曲面分析

由表7、8方差分析可知，齒數(shù)、齒高交互作用對摩擦力和滑移率影響均顯著，齒高和載荷交互作用對滑移率影響顯著，響應曲面如圖9。

圖9 不同因素交互對摩擦力和滑移率影響Fig.9Response surface of different factors to the influence of friction and slip ratio

由圖9a可知，當齒高為30 mm時，摩擦力隨齒數(shù)增加先增后減，原因是齒數(shù)超過極限值之后會使地輪變成多邊形，傳動平穩(wěn)性下降，滑移率增大。最佳齒數(shù)為19；當齒數(shù)為18時，摩擦力隨齒高增大而先增后減，原因是齒高超過極限值之后地輪輪緣不再與地面接觸，地輪與地面接觸面積減小，滑移率增大。最佳齒高為36 mm。在齒數(shù)和齒高交互作用中，影響摩擦力主要因素是齒高。由圖9b可知，齒數(shù)和齒高對滑移率影響規(guī)律與上述規(guī)律相反。由圖9c可知，當齒高為30 mm時，滑移率隨載荷增加而減小，原因是摩擦力與正壓力成正比，正壓力增加，摩擦力隨之增加，滑移率減小。最佳載荷在應結(jié)合拖拉機消耗功率選擇；當載荷為300 N時，滑移率隨著齒高增加先減后增，最佳齒高應為36 mm。在齒數(shù)和齒高交互作用中，影響滑移率主要因素是載荷。

2.3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

為得到“V”齒地輪各個試驗因素最優(yōu)參數(shù)組合，列出試驗指標目標函數(shù)和試驗因素約束條件：

目標函數(shù)：maxY1（x1,x2,x3），minY2（x1,x2,x3）

約束條件：12≤X1≤24，20≤X2≤40，100≤X3≤500

結(jié)合上述目標函數(shù)和約束條件，利用Design-Expert 8.0.6.1優(yōu)化求解各試驗因素與摩擦力和滑移率回歸方程，得到最佳參數(shù)組合為齒數(shù)20、齒高36 mm、載荷457 N，此時摩擦力為44.9 N，滑移率為0.57%。

試驗驗證優(yōu)化后理論值。相同試驗條件重復驗證試驗10次。摩擦力平均值為43.8 N、滑移率平均值為0.62%，與理論優(yōu)化結(jié)果一致。

3 結(jié)論

a.通過試驗得出六種地輪摩擦力和滑移率與秸稈覆蓋量間關系曲線，分析產(chǎn)生上述關系曲線原因。通過單因素試驗選出防滑效果最好“V”齒地輪，方差分析得出輪型變化對摩擦力和滑移率影響程度。通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗得出地輪相關參數(shù)與摩擦力和滑移率間相關性和相關性主次順序，優(yōu)化各相關參數(shù)值。

b.不同秸稈覆蓋量試驗結(jié)果表明，秸稈覆蓋量對摩擦力與滑移率影響因輪型不同而不同，應根據(jù)實際需要選擇合適輪型。當秸稈覆蓋量在0～400 g·m-2

時，鉤齒地輪防滑效果最好；秸稈覆蓋量在400～800 g·m-2時，“V”齒地輪防滑效果最好。防滑齒地輪可顯著增大摩擦力并減小滑移率。

c.通過多因素試驗可知，地輪相關參數(shù)中影響摩擦力和滑移率因素主次順序為防滑齒齒數(shù)＞防滑齒齒高＞垂直載荷。利用Design-Expert 8.0.6.1最優(yōu)化功能，以摩擦力和滑移率為目標函數(shù)，對回歸方程優(yōu)化求解，獲得最佳優(yōu)化組合：防滑齒齒數(shù)20，防滑齒齒高36 mm，直載荷457 N，此時摩擦力44.9 N，滑移率0.57%。

[1] 高玉璐.免耕播種機地輪滑移現(xiàn)象的研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)

[2] 夏連明,耿端陽,王相友.行星嚙合式防滑地輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(10):53-58.

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Study on friction and slip rate of no-tillage seeder ground wheels

ZHAO Yanzhong,ZHANG Chenguang,WANG Yunxing,YU Dongdong,YANG Yang(School of Engineering, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

No-tillage seeder lack of friction to cause slip rate too large,and then cause leakage,sowing hole,for these problems,take the amount of straw cover as experimental factors,take friction and slip rate as test indicator,six kinds of wheel type(flat groung,straight teeth,helical teeth,V teeth,hook teeth,squirrelcage type)were tested,the results showed that,when the straw mulching amount was 0-400 g·m-2,the hook teeth ground wheel had best non-slip effect,when the straw mulching amount was 400-800 g·m-2,V teeth ground wheel had best non-slip effect.After comparing selected the V teeth ground wheel which had best non-slip effect,to optimize the relevant parameters of V teeth ground wheel(number of non-slip teeth,height of non-slip teeth,vertical loads)by two regression orthogonal rotation combination test,let ground wheel work at optimal parameters.The results showed that,the order of primary factors to friction an slip ratio was the number of teeth,the height of teeth,vertical load.When the number of teeth was 20,the height of teeth was 36 mm and the vertical load was 457 N,the frictional was the maximum and slip rate was minimum. Above the results could provide a basis for the choose and design of ground wheel,it also had important

no-tillage seeder;ground wheel;friction;slip rate

S223.2

A

1005-9369（2016）10-0058-09

時間2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.010.html

2016-07-08

十二五國家科技支撐計劃項目（2014BAD11B01）

趙艷忠（1967-），女，副教授，碩士，碩士生導師，研究方向為保護性耕作機具。E-mail:yzzhao89723@163.com

reference value of improving of no tillage seeder performance and studying high quality and worked reliable no tillage seeding machine.