滑動(dòng)耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷 羅曉峰 王文君 趙佳樂 郭明卓 莊 健

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025；2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025)

滑動(dòng)耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷1,2羅曉峰1,2王文君1,2趙佳樂1,2郭明卓1,2莊 健1,2

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025；2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025)

針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械滑動(dòng)耕作部件(如深松鏟、起壟鏟等)田間作業(yè)時(shí)阻力采集困難和相關(guān)阻力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)使用成本高、缺乏過載保護(hù)等問題，設(shè)計(jì)了一種滑動(dòng)式耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置(TRTD)。TRTD包括部件安裝庫(kù)、扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)主軸、定位盤和編碼器等，并以雙翼型深松鏟為例，建立了包含修正系數(shù)k與扭簧轉(zhuǎn)角θ、耕深H、耕速v、土壤容積密度ρ、深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)等換算關(guān)系的耕作阻力測(cè)試方法，與傳統(tǒng)三點(diǎn)式作業(yè)阻力測(cè)試系統(tǒng)(TTD)在6組耕作條件下進(jìn)行了土槽對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)通過F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)(α=0.05)得出2種測(cè)試裝置測(cè)量值總體方差相同和均值一致。精度分析結(jié)果表明TRTD相比于TTD的最大相對(duì)誤差為1.34%，波動(dòng)性分析結(jié)果表明TRTD與TTD的波動(dòng)幅值比較接近，兩者最大相對(duì)偏差都不超過5%。TRTD滿足阻力測(cè)試裝置的精度和穩(wěn)定性要求，能保證作業(yè)阻力采集的同時(shí)，具有過載保護(hù)功能。

耕作阻力; 測(cè)試裝置; 深松鏟; 設(shè)計(jì); 試驗(yàn)

引言

耕整作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是以翻耕、深松和起壟等為主要方式進(jìn)行作業(yè)[1-3]。耕整作業(yè)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤透氣性和透水性，提高土壤肥力等，其主要目的是為農(nóng)作物播種、栽植創(chuàng)造良好的苗床條件[4-6]。

耕整作業(yè)是田間耕作中最基本的作業(yè)，也是機(jī)械化作業(yè)中消耗能量最大的作業(yè)項(xiàng)目之一[7-8]。耕作部件設(shè)計(jì)制造時(shí)，作業(yè)阻力是衡量其性能的主要技術(shù)指標(biāo)[4,9-10]。因此，耕作部件阻力的實(shí)時(shí)精確測(cè)量對(duì)于耕作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

為了準(zhǔn)確測(cè)量部件的作業(yè)阻力，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于阻力測(cè)試裝置的研究。MCKYES等[11]通過壓力計(jì)與液壓裝置組合設(shè)計(jì)了一種多連桿田間測(cè)試裝置，對(duì)鑿型鏟的水平阻力進(jìn)行了測(cè)試；趙金輝等[12-13]應(yīng)用六分力測(cè)試裝置與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了開溝器性能測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了開溝器的空間力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試；鄭海燕[14]設(shè)計(jì)了五連桿配套連接的農(nóng)機(jī)具入土部件性能測(cè)試裝置，通過在柵條上粘貼應(yīng)變片和搭建測(cè)試電橋?qū)ㄉ斋@機(jī)柵條的受力情況進(jìn)行了測(cè)試；ARRIVO等[15]設(shè)計(jì)了一種田間牽引式農(nóng)機(jī)具多功能測(cè)試裝置，應(yīng)用應(yīng)變式傳感器對(duì)農(nóng)機(jī)具的牽引阻力進(jìn)行了測(cè)試；WATTS等[16]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式阻力測(cè)試裝置及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過壓力傳感器能夠測(cè)量農(nóng)機(jī)具工作時(shí)的牽引力；朱克亮[17]研發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的壓力傳感器測(cè)力系統(tǒng)，對(duì)淺松鏟進(jìn)行了田間阻力測(cè)試；王景立等[18]采用八角環(huán)傳感器測(cè)試了弧形深松鏟的受力情況，為弧形深松鏟的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；IBRAHMI等[19]設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)式的阻力測(cè)試裝置，用八角環(huán)傳感器進(jìn)行了犁板的阻力測(cè)試。

上述研究對(duì)耕作阻力測(cè)試裝置的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，但仍存在一些不足和問題，如：常用的測(cè)力傳感器(壓力傳感器、八角環(huán)傳感器)采用應(yīng)變式傳感器，需要校準(zhǔn)，定期維護(hù)，在發(fā)生過載時(shí)極易損毀，對(duì)使用環(huán)境要求較高，且測(cè)試系統(tǒng)往往采用復(fù)雜的多連桿結(jié)構(gòu)，縱向尺寸過長(zhǎng)。為此，本文基于扭轉(zhuǎn)彈簧特性，設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)式耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置(簡(jiǎn)稱測(cè)試裝置，TRTD)，該裝置采用絕對(duì)式角位移傳感器，通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系，進(jìn)行耕作阻力的測(cè)量，將傳統(tǒng)的測(cè)力點(diǎn)從拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛位置轉(zhuǎn)移到農(nóng)機(jī)具的機(jī)架位置，解決縱向結(jié)構(gòu)尺寸過長(zhǎng)的問題，且具有耕作阻力過載保護(hù)部件的優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由部件安裝庫(kù)、扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)主軸、定位盤和編碼器等部分組成。測(cè)試裝置通過U型螺栓與作業(yè)機(jī)具的機(jī)架連接，耕作部件固定在部件安裝庫(kù)內(nèi)，部件安裝庫(kù)固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)主軸上，固定定位盤卡在部件安裝庫(kù)的方管內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)置在固定定位盤和旋轉(zhuǎn)定位盤之間，旋轉(zhuǎn)主軸的一端通過聯(lián)軸器連接編碼器。測(cè)試裝置通過對(duì)稱設(shè)置的扭轉(zhuǎn)彈簧，由絕對(duì)式角位移編碼器進(jìn)行主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)角度變化量的測(cè)量，通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，結(jié)合力學(xué)平衡公式，換算出耕作部件作業(yè)時(shí)水平耕作阻力的大小。

圖1 耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of tillage resistance testing device1.機(jī)架 2.帶座軸承 3.U型螺栓 4.扭轉(zhuǎn)彈簧 5.絲杠座 6.固定定位盤 7.旋轉(zhuǎn)定位盤 8.主軸 9.編碼器 10.聯(lián)軸器11.部件安裝庫(kù) 12.耕作部件

阻力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)其工作性能產(chǎn)生顯著影響，因此本文需要合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)。測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)需要確定扭簧、定位盤、編碼器等主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

1.1 扭轉(zhuǎn)彈簧

測(cè)試裝置的扭簧參數(shù)是由耕作部件的作業(yè)阻力大小決定的。耕整地作業(yè)時(shí)，不同耕作部件具有不同的耕作阻力[4]。同一耕作部件在不同耕深耕速、不同地塊條件下，耕作阻力也有明顯的差異[4,20]。測(cè)量耕作阻力時(shí)，扭簧剛度系數(shù)太小，容易造成扭簧疲軟，導(dǎo)致耕作部件無(wú)法正常工作；而扭簧剛度系數(shù)過大，造成彈簧結(jié)構(gòu)太大使測(cè)量精度下降。本文所設(shè)計(jì)的阻力測(cè)試裝置用來(lái)測(cè)量耕作部件的水平耕作阻力，扭簧參數(shù)應(yīng)與耕作部件作業(yè)阻力相匹配。因此，可通過耕作部件受力分析確定扭轉(zhuǎn)彈簧的最大工作狀態(tài)。

深松作業(yè)是重要的耕作作業(yè)環(huán)節(jié)，也是作業(yè)阻力最大的滑動(dòng)耕作環(huán)節(jié)，對(duì)深松作業(yè)阻力的監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置的需求也最為迫切，因此本文以深松鏟的結(jié)構(gòu)、作業(yè)形式與阻力特性為例，進(jìn)行測(cè)試裝置工作性能的分析，并確定在進(jìn)行深松作業(yè)阻力測(cè)試時(shí)系統(tǒng)彈簧元件的參數(shù)。

深松鏟工作時(shí)的示意圖如圖2所示。RH為水平耕作阻力，L0為主軸軸心到深松鏟尖的垂直距離，N(θ)為彈簧的最大工作扭矩。因耕作水平阻力的作用點(diǎn)到主軸軸心的垂直距離應(yīng)小于L0，通過受力分析可得出

RHL=2N(θ) (L

(1)

圖2 深松鏟受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of subsoiler1.旋轉(zhuǎn)主軸 2.部件安裝庫(kù) 3.耕作部件

根據(jù)東北地區(qū)農(nóng)藝要求，基本農(nóng)田進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)，深松深度一般為250～400 mm[21-23]，本文設(shè)計(jì)深松鏟最大安裝高度(主軸軸心到深松鏟尖的垂直距離)L0為500 mm，設(shè)計(jì)最大耕作阻力為8 kN[24]。在此基礎(chǔ)上確定扭轉(zhuǎn)彈簧最大工作狀態(tài)下的扭矩

N(θ)=RH×0.5L0=2 000 N·m

(2)

設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)彈簧的最小工作扭矩N′(θ)=0，最大工作扭矩N(θ)=2 000 N·m，工作扭轉(zhuǎn)變形角θ=30°，自由角度為180°，端部為外臂扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求本文選用Ⅲ類載荷彈簧，材料為彈簧鋼，鋼牌號(hào)為60Si2MnA，其鋼絲代號(hào)為TDSiMn。初步假設(shè)鋼絲直徑20～25 mm。從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[25]表16.1-4查得材料彈性模量E=206 GPa，從表16.1-7查得材料抗拉強(qiáng)度σb為1 500～1 650 MPa，取σb=1 650 MPa，從表16.1-10得，按Ⅲ類載荷取許用彎曲應(yīng)力σBp=0.8σb=0.8×1 650 MPa=1 320 MPa。

因扭矩旋向和彈簧旋向相同，取曲度系數(shù)K1=1，計(jì)算彈簧鋼絲線徑d為

(3)

本文線徑取整，d=25 mm，與假設(shè)基本符合。按表16.1-3為使結(jié)構(gòu)緊湊，選取旋繞比C=3.6，則彈簧中徑D=Cd=3.6×25=90 mm，取D=90 mm，彈簧內(nèi)徑D1=D-d=90-25=65 mm，彈簧外徑D2=D+d=90+25=115 mm。彈簧的有效圈數(shù)n為

(4)

考慮到自由角度為180°，彈簧的有效圈數(shù)取n=3.5圈。彈簧剛度T為

69 663.6 N·mm/(°)

(5)

1.2 定位盤

測(cè)試裝置通過固定定位盤固定扭簧的一端支出臂，通過旋轉(zhuǎn)定位盤定位扭簧的另一端支出臂。圖3a為固定定位盤結(jié)構(gòu)示意圖，圓盤外圓周分布定位孔，圓周分布角度為30°，孔徑和扭簧線徑相配合，圓盤一端面固定設(shè)置有方鋼，可通過方鋼卡在部件安裝庫(kù)的矩形方鋼內(nèi)，對(duì)固定定位盤進(jìn)行定位。圖3b為旋轉(zhuǎn)定位盤結(jié)構(gòu)示意圖，圓盤外圓周分布定位孔，圓周分布角度為30°，孔徑和扭簧線徑相配合；圓盤內(nèi)圓周分布銷孔，圓周分布角度為15°，用來(lái)固定定位；圓盤一端面固定設(shè)置有空心六角鋼，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)六角鋼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位盤的定位，從而滿足扭轉(zhuǎn)彈簧一端的安裝和預(yù)緊。如圖4所示，測(cè)試裝置可通過扭簧受力轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)緊、工作和過載3種狀態(tài)。

圖3 定位盤Fig.3 Positioning plates

圖4 3種工作狀態(tài)Fig.4 Three kinds of working state

圖5 信號(hào)采集電路框圖Fig.5 Frame diagram of signal acquisition circuit

1.3 信號(hào)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)框圖如圖5所示，包括角位移編碼器、PCI-1714U數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和電源系統(tǒng)。測(cè)試裝置通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行部件耕作阻力大小的受力分析，在作業(yè)工作中對(duì)轉(zhuǎn)角的精確測(cè)量至關(guān)重要。本文選用光洋電子生產(chǎn)的TDR-NA1024NW型絕對(duì)式角位移編碼器，該編碼器轉(zhuǎn)軸的每個(gè)轉(zhuǎn)角都對(duì)應(yīng)有唯一的編碼，角度精度為0.176°，對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩精度為12.26 N·m。

2 測(cè)試裝置測(cè)試方法

2.1 深松鏟受力分析

雙翼型深松鏟是應(yīng)用較為廣泛的一種深松鏟，研究者對(duì)此型深松鏟的作業(yè)阻力構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)學(xué)行為進(jìn)行過深入的分析，因此，以雙翼型深松鏟為例，進(jìn)行測(cè)試裝置測(cè)試過程中受力分析及測(cè)試方法的確定。

雙翼型深松鏟按照我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9788—1999進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。雙翼型深松鏟尖如圖6所示，其中α=17.2°、β=39°、γ=30°。

圖6 雙翼型深松鏟鏟尖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of double-wings subsoiler

深松鏟由鏟尖和鏟柄兩部分組成，深松工作時(shí)，耕作阻力來(lái)自于鏟尖和鏟柄抵抗土壤顆粒的作用力。深松鏟工作中所受土壤顆粒的阻力，一方面是來(lái)自土壤粘附和摩擦的水平作用力，另一方面是來(lái)自豎直方向只對(duì)土壤產(chǎn)生壓實(shí)作用的垂直作用力[24]。因此，本文分析雙翼型深松鏟水平方向的阻力，雙翼型深松鏟的水平耕作阻力RH由3部分組成：鏟尖正表面作業(yè)阻力RH1、鏟尖側(cè)翼面作業(yè)阻力RH2、鏟柄刃表面作業(yè)阻力RH3。

李范哲等[26]提出了土壤工作部件工作阻力的數(shù)學(xué)模型，其中介紹了二面楔子受力的數(shù)學(xué)模型，如圖7所示，二面楔子在土壤中沿X軸方向前進(jìn)時(shí)，二面楔子上任一點(diǎn)M受到的楔子表面作用力可以分解為一對(duì)正交作用力RH和RV。

圖7 二面楔子上土壤顆粒M受力示意圖Fig.7 Force diagram of soil particle on two-side wedge

楔面上任一質(zhì)量為m的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)M的水平作用力RH可以用該質(zhì)點(diǎn)在相互作用時(shí)間Δt內(nèi)水平方向的動(dòng)量變化來(lái)確定，應(yīng)用沖量定理得

(6)

式中 Δt——土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)速度從v0到vt的時(shí)間

v0——土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)初速度

vt——土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)末速度

末速度vt與部件的移動(dòng)速度v呈正相關(guān)，vt∝v。根據(jù)作用力與反作用力定律，楔面受到來(lái)自土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)M的水平作用阻力與RH大小相等。在Δt時(shí)間內(nèi)，整個(gè)楔面受到土壤顆粒作用的水平作用力為

(7)

式中mz——Δt時(shí)間內(nèi)通過楔面的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)的總質(zhì)量

雙翼型深松鏟工作時(shí)，鏟尖正表面是一個(gè)典型的二面楔子。根據(jù)二面楔子受力模型，得到鏟尖正表面所受的水平作業(yè)阻力為

(8)

式中m1——Δt時(shí)間內(nèi)通過鏟尖正表面的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)總質(zhì)量

李范哲等[26]提出的數(shù)學(xué)模型，也介紹了復(fù)合楔子受力的數(shù)學(xué)模型，如圖8所示，三面楔子在土壤中沿X軸方向前進(jìn)時(shí)，得到三面楔子楔面前進(jìn)方向所受的水平作用力為

(9)

圖8 三面楔子上土壤顆粒M受力示意圖Fig.8 Force diagram of soil particle on three-side wedge

雙翼型深松鏟鏟尖單個(gè)側(cè)翼面工作表面形態(tài)接近三面楔子表面形態(tài)，在分析鏟尖側(cè)翼面作業(yè)阻力時(shí)，通過引入三面楔子受力模型進(jìn)行分析。得到整個(gè)側(cè)翼面工作表面上的水平作用阻力為

(10)

式中m2——Δt時(shí)間內(nèi)通過鏟尖單個(gè)側(cè)翼面的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)總質(zhì)量

圖9為鏟柄上任一土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)M的受力示意圖。深松鏟工作時(shí)，鏟柄兩側(cè)刃表面的水平受力相同。鏟柄單側(cè)可看作為一個(gè)二面楔子，根據(jù)上述二面楔子受力模型，可以得到鏟柄刃表面所受水平作業(yè)阻力為

(11)

式中m3——Δt時(shí)間內(nèi)通過鏟柄單側(cè)刃表面的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)總質(zhì)量

圖9 鏟柄上土壤顆粒M受力示意圖Fig.9 Force diagram of soil particle on shovel surface

Δt時(shí)間內(nèi)通過楔子表面有效面積A的土壤顆粒體積Q=vtΔtA，因此Δt時(shí)間內(nèi)通過某表面的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)總質(zhì)量為

mz=ρQ=ρvtΔtA

(12)

式中ρ——土壤容積密度

2.2 測(cè)試公式計(jì)算

通過上述工作，得知雙翼型深松鏟的受力基本情況。可得到雙翼型深松鏟的耕作阻力RH為RH1、RH2和RH3的合力

RH=RH1+RH2+RH3

(13)

測(cè)試裝置通過絕對(duì)式角位移編碼器采集扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩N與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系，得出總轉(zhuǎn)矩。根據(jù)圖2所示深松鏟受力分析圖，可得到

(RH1+RH2)(L0-L3/2)+RH3(L1+L2/2)=2N(θ)

(14)

其中

L1=L0-HL2=H-L3

綜合式(8)、(10)、(11)、(12)、(14)得

(15)

式中b0——鏟柄寬度

土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)M的末速度vt與部件的移動(dòng)速度v呈正相關(guān)，vt∝v。田間未耕作的土壤容積密度一般隨深度增加而增加，所以土壤容積密度ρ與耕深H呈正相關(guān)，ρ=ρ(H)。因此，通過增加修正系數(shù)k修正公式(15)，得到

(16)

通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系得到修正系數(shù)

(17)

從式(17)可以看出，修正系數(shù)k是關(guān)于扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)(T、θ等)、部件結(jié)構(gòu)參數(shù)(α、β、γ、b、d等)、土壤類型參數(shù)(ρ、ψ等)、部件安裝位置(θ、L等)、耕深H、耕速v等因素的函數(shù)。

RH1=kρ(H)v2bdsin(α0+Δθ)

(18)

RH2=

(19)

RH3=kρ(H)v2b0(H-L3)

(20)

結(jié)合以上各式得到水平耕作阻力

RH=RH1+RH2+RH3=

(21)

綜上所述，測(cè)試裝置通過獲取扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，結(jié)合式(17)即可對(duì)修正系數(shù)k進(jìn)行求解，針對(duì)不同的部件結(jié)構(gòu)參數(shù)(α、β、γ、b、d等)、作業(yè)深度H、作業(yè)速度v、土壤類型參數(shù)(ρ、ψ等)等因素，均可通過更換扭轉(zhuǎn)彈簧和調(diào)試部件安裝位置(角度θ和高度L)來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)算公式中的k值，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平耕作阻力RH的準(zhǔn)確測(cè)量。

3 土槽對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證測(cè)試裝置對(duì)滑動(dòng)耕作阻力測(cè)試的準(zhǔn)確性，將測(cè)試裝置TRTD與三點(diǎn)式作業(yè)阻力測(cè)試裝置(TTD)進(jìn)行串聯(lián)，并進(jìn)行耕作阻力測(cè)試試驗(yàn)，以驗(yàn)證測(cè)試裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。

三點(diǎn)式作業(yè)阻力測(cè)試裝置主要由三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)、壓力傳感器、扭力傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)和安裝機(jī)架構(gòu)成，其主要工作機(jī)理為利用試驗(yàn)臺(tái)車前進(jìn)時(shí)由于深松鏟耕作阻力的存在對(duì)傳感器產(chǎn)生應(yīng)變，傳感器將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給位于臺(tái)車上的數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)，其測(cè)量精度可達(dá)0.25%FS[24]。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程土槽實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)土槽進(jìn)行，土槽長(zhǎng)30 m，寬2 m，深1 m，土槽土壤為典型東北地區(qū)黑壤土，其粒度均勻，透氣和透水性能良好。試驗(yàn)前一周對(duì)土槽試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行旋耕機(jī)耕翻、鎮(zhèn)壓輥平整，適量澆水滲透，并用塑料薄膜覆蓋。試驗(yàn)前，用TDR-300型土壤水分測(cè)試儀測(cè)得土壤體積含水率為21%，用環(huán)刀組件測(cè)得土槽各深度的土壤容積密度為：0～100 mm為1.05 g/cm3，100～200 mm為1.13 g/cm3，200～300 mm為1.25 g/cm3，300～400 mm為1.32 g/cm3。土壤溫度為21℃。圖10所示為土槽試驗(yàn)臺(tái)車，自帶液壓懸掛系統(tǒng)，最高速度為3 m/s，單程運(yùn)行距離為30 m。

圖10 電力變頻四輪驅(qū)動(dòng)土槽試驗(yàn)車Fig.10 Four-wheel drive experimental trolley

為減少對(duì)比試驗(yàn)時(shí)土壤參數(shù)變化帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，采用同一次試驗(yàn)采集兩種阻力測(cè)試裝置數(shù)據(jù)的測(cè)試方法。如圖11所示，傳統(tǒng)三點(diǎn)式作業(yè)阻力測(cè)試裝置通過壓力和扭力傳感器與臺(tái)車的三點(diǎn)液壓懸掛裝置相連，設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置安裝在TTD裝置的測(cè)力架上。

圖11 阻力測(cè)試裝置連接圖Fig.11 Connection diagram of tillage resistance testing device

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次試驗(yàn)在阻力穩(wěn)定段每隔0.5 s取一觀測(cè)值，每次試驗(yàn)共取5個(gè)，每組試驗(yàn)共15個(gè)。為保證試驗(yàn)的可靠性，每次試驗(yàn)后對(duì)土槽內(nèi)土壤進(jìn)行旋耕機(jī)耕翻、鎮(zhèn)壓輥平整。用SC-900型土壤緊實(shí)度儀測(cè)試，達(dá)到試驗(yàn)要求的土壤堅(jiān)實(shí)度，同時(shí)保證每次試驗(yàn)前的各土壤參數(shù)誤差在10%以內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)方案

通過控制變量法，在同等耕作條件下，通過兩阻力測(cè)試裝置分別測(cè)得深松鏟的水平耕作阻力，并探討TRTD測(cè)試裝置與TTD測(cè)試裝置所測(cè)耕作阻力值的差異是否顯著，以及TRTD阻力測(cè)試的穩(wěn)定性和精度。

試驗(yàn)選擇了影響耕作阻力大小的2個(gè)主要因素：耕深H和耕速v。耕深H選取250、300、350 mm 3個(gè)水平，耕速v選取0.5、0.8 m/s 2個(gè)水平。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 TRTD阻力測(cè)試裝置的精度分析

采用TRTD和TTD兩種測(cè)試裝置進(jìn)行土槽對(duì)比試驗(yàn)，圖12為兩種測(cè)試裝置在6組耕作條件下得到的阻力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，兩種測(cè)試裝置在6組相同條件下測(cè)得的水平耕作阻力基本接近；在同一耕深下，隨著耕速?gòu)?.5 m/s(v1)增加到0.8 m/s(v2)時(shí)，水平耕作阻力略微增加；在同一耕速下，隨著耕深從250 mm(H1)增加到350 mm(H3)時(shí)，水平耕作阻力顯著增加。

圖12 水平耕作阻力測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test results of tillage resistance in horizontal direction

本文通過相對(duì)誤差的計(jì)算對(duì)TRTD測(cè)試裝置的測(cè)量精度進(jìn)行分析。其相對(duì)誤差公式為

(22)

式中E——相對(duì)誤差，%FA——TDTR阻力測(cè)試值，NFO——TTD 阻力測(cè)試值，N

表1為6組不同耕作條件下相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，在6組不同耕作條件下，TRTD測(cè)試裝置相對(duì)于TTD測(cè)試裝置的最大相對(duì)誤差為1.34%，最小相對(duì)誤差為0.24%，說(shuō)明TRTD測(cè)試裝置與TTD測(cè)試裝置具有接近的測(cè)量精度。

圖13 不同耕作條件下兩種測(cè)試裝置的相對(duì)偏差Fig.13 Relative deviations of both resistance testing devices under different cultivation conditions

耕作條件耕深H/mm耕速v/(m·s-1)相對(duì)誤差/%2500.50.910.81.343000.51.010.80.473500.50.240.80.78

3.3.2 TRTD 阻力測(cè)試裝置的波動(dòng)性分析

通過相對(duì)偏差衡量各取樣點(diǎn)阻力測(cè)量值對(duì)該樣本平均值的偏離程度，本文對(duì)TRTD測(cè)試裝置和TTD測(cè)試裝置的測(cè)量波動(dòng)性進(jìn)行對(duì)比分析。相對(duì)偏差公式為

(23)

圖13為2種測(cè)試裝置在6組不同耕作條件下的相對(duì)偏差結(jié)果?？梢悦黠@看出2種測(cè)試裝置在6組耕作條件下的相對(duì)偏差最大都不超過5%，多數(shù)測(cè)量點(diǎn)低于3%，說(shuō)明兩者的單項(xiàng)阻力測(cè)量值分別相對(duì)其平均值的偏離程度較?。磺彝桓鳁l件下相對(duì)偏差范圍基本相近，說(shuō)明兩種測(cè)試裝置的波動(dòng)幅值接近，具有較高的一致性。

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果的方差齊性和均值一致性分析

本文通過應(yīng)用F檢驗(yàn)對(duì)2種測(cè)試裝置試驗(yàn)結(jié)果樣本的方差齊性進(jìn)行分析，表2為本試驗(yàn)結(jié)果的F檢驗(yàn)分析。從表2中可以得出，6組耕作條件下的阻力測(cè)試數(shù)據(jù)F0.05，說(shuō)明兩種測(cè)試裝置在各組耕作條件下的阻力測(cè)量值樣本方差沒有顯著性差異。

將兩種測(cè)試裝置在同一耕作條件下的對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行二樣本T檢驗(yàn)，以考察兩種裝置所測(cè)樣本的均值是否具有一致性。從上文的F檢驗(yàn)得知兩種測(cè)試方法所測(cè)數(shù)據(jù)的樣本方差沒有顯著性差異，即等方差，因此，本文應(yīng)用雙樣本等方差T檢驗(yàn)。表3為試驗(yàn)結(jié)果的T檢驗(yàn)分析表。由T檢驗(yàn)結(jié)果得出，各組樣本對(duì)比數(shù)據(jù)的P0.05均大于顯著性水平α=0.05，說(shuō)明兩種方法在同一耕作條件下所測(cè)的阻力值沒有顯著性差異，由此進(jìn)一步說(shuō)明了兩種測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果一致性。

表2 試驗(yàn)結(jié)果的F檢驗(yàn)

表3 試驗(yàn)結(jié)果的T檢驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種滑動(dòng)式耕作部件作業(yè)阻力測(cè)試裝置。通過理論分析和計(jì)算確定了測(cè)試裝置的扭簧參數(shù)、定位盤結(jié)構(gòu)和編碼器的選用等。

(2)通過對(duì)雙翼型深松鏟進(jìn)行受力分析，雙翼型深松鏟水平耕作阻力分為鏟尖正表面作業(yè)阻力RH1、鏟尖翼表面作業(yè)阻力RH2和鏟柄刃表面作業(yè)阻力RH3。結(jié)合TRTD測(cè)試裝置，建立了包含修正系數(shù)k與扭簧轉(zhuǎn)角θ、耕深H、耕速v、土壤容積密度ρ、深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)等關(guān)系的耕作阻力測(cè)試方法。TRTD通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊狀態(tài)和求解修正系數(shù)k實(shí)現(xiàn)對(duì)不同耕作條件下的阻力測(cè)試，具有可擴(kuò)展性和適用性的特點(diǎn)，維護(hù)成本低，可對(duì)機(jī)具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)。

(3)TRTD測(cè)試裝置與傳統(tǒng)三點(diǎn)式作業(yè)阻力測(cè)試裝置進(jìn)行了土槽對(duì)比試驗(yàn)。通過精度分析結(jié)果表明：TRTD測(cè)試裝置相對(duì)于TTD測(cè)試裝置的最大相對(duì)誤差為1.34%，最小相對(duì)誤差為0.24%；通過波動(dòng)性分析結(jié)果表明：2種測(cè)試裝置在6組耕作條件下的相對(duì)偏差最大都不超過5%。在同一耕作條件下誤差的波動(dòng)幅值基本相近；通過F檢驗(yàn)分析得到2種阻力測(cè)試裝置在各組耕作條件下的阻力測(cè)量值樣本方差沒有顯著性差異；通過T檢驗(yàn)分析2種阻力測(cè)試裝置在各組耕作條件下的阻力測(cè)量值樣本的均值沒有顯著性差異。因此，TRTD測(cè)試裝置能有效地進(jìn)行部件水平耕作阻力的測(cè)量。

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Design and Experiment of Tillage Resistance Testing Device for Sliding Cultivate Component

JIA Honglei1,2LUO Xiaofeng1,2WANG Wenjun1,2ZHAO Jiale1,2GUO Mingzhuo1,2ZHUANG Jian1,2

(1.KeyLaboratoryofBionicEngineering,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130025,China2.CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China)

Accurate measurement of tillage resistance for cultivate component is critical. The related resistance testing device has complex structure, high maintenance cost, lack of overload protection and difficulty in collection in farmland. Aiming at the problems of the related resistance testing device, the tillage resistance testing device (TRTD) for sliding cultivate component was designed. TRTD consisted of component library, torsional spring, rotation axis, positioning plate and encoder. The force analysis of double-wings subsoiler was carried out. A measurement method of tillage resistance was established which contained the relationship of correction factorkas a function of spring cornerθ, tilling depthH, tilling speedv, soil bulk densityρa(bǔ)nd subsoiler structure parameters. In order to evaluate the TRTD, a soil bin contrast test with traditional testing device (TTD) was conducted under six tillage condition treatments. The test results showed that the mean and variance of the measured sample from both testing devices had no significant difference. The results of precision analysis showed that the maximum relative error of TRTD was 1.34% compared with TTD. The results of fluctuation analysis showed that the fluctuation amplitude of TRTD was similar with that of TTD and both relative deviations were not more than 5%. TRTD met the requirement of accuracy and stability and possessed the function of overload protection as well as providing condition for acquisition of tillage resistance.

tillage resistance; testing device; subsoiler; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.007

2016-07-17

2016-10-24

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B03)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305158)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20160312003ZG、20140307035NY、20140441006SC)

賈洪雷(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)等研究，E-mail： jiahl@vip.163.com

莊健(1981—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件研究，E-mail： zhuangjian_2001@163.com

S220.2

A

1000-1298(2017)04-0056-09