微耕機(jī)車(chē)輪在水田壤中的牽引性能試驗(yàn)

曾劍輝，黎 靜，2，李 瀾，邱浩輝，吳重玖，包有剛，劉木華，2，薛 龍，2*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

【研究意義】水稻是我國(guó)最主要的糧食作物之一，江西省作為我國(guó)重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，其水稻種植面積和總產(chǎn)均位居全國(guó)第三[1]，因而提高水田作業(yè)的機(jī)械化水平，有利于提高江西省水稻的產(chǎn)量以及提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[2]。微耕機(jī)具有質(zhì)量輕、機(jī)型小巧、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，配上不同的農(nóng)機(jī)具，可進(jìn)行犁耕、旋耕、平整等多種田間作業(yè)，是南方水田耕作的主要?jiǎng)恿C(jī)械。但常規(guī)微耕機(jī)車(chē)輪在水田表面行駛和作業(yè)時(shí)，由于車(chē)輛嚴(yán)重沉陷、打滑，導(dǎo)致附著力很小、行駛阻力大，存在通過(guò)性差、效率低、能耗大及無(wú)法行駛的問(wèn)題。因此，開(kāi)展微耕機(jī)在水田中的牽引性能研究，不僅可以提高其在水田土壤表面的通過(guò)性，還能為新型仿生水田輪的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[3-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】為了提高動(dòng)力機(jī)械的行駛通過(guò)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量松軟路面的輪壤試驗(yàn)研究[5-6]，M.G.Bekker 最早指出由于土壤形變所導(dǎo)致的前進(jìn)阻力、車(chē)輪滑轉(zhuǎn)會(huì)影響車(chē)輛的通過(guò)性，他對(duì)車(chē)輪下陷和前進(jìn)阻力進(jìn)行了大量研究，經(jīng)過(guò)M.G.Beeker、A.R.Reece、J.Y.Wong 以及Hermawan 等一系列學(xué)者對(duì)“地面—車(chē)輛系統(tǒng)分析”以及拖拉機(jī)車(chē)輪和土壤間相互作用的研究[7-10]。我國(guó)對(duì)于土壤和車(chē)輛通過(guò)性能的研究起步相對(duì)較晚，1957 年，陳秉聰?shù)萚11]建立模型試驗(yàn)土槽，針對(duì)土壤開(kāi)展大量的試驗(yàn)，建立土壤—車(chē)輛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，取得了突出的成果。1972年到1976 年間，農(nóng)業(yè)機(jī)械部為了解決農(nóng)業(yè)機(jī)械在松軟地面作業(yè)時(shí)的滑移率大、下陷深的問(wèn)題[12]，對(duì)履帶的運(yùn)動(dòng)性能與土壤參數(shù)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。與此同時(shí)，莊繼德等[13]對(duì)沙地試驗(yàn)、模型試驗(yàn)展開(kāi)了大量的研究，1995年，王慶年[14]通過(guò)對(duì)車(chē)輛通過(guò)性能的大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤的模型參數(shù)會(huì)隨著車(chē)輛通過(guò)次數(shù)的增加而發(fā)生改變，但是土壤模型卻不會(huì)受到影響。1997年，樊惠文[15]對(duì)沙漠中行駛的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，分析得到影響輪胎運(yùn)動(dòng)性能的參數(shù)。近十幾年，吉林大學(xué)則掀起了星球輪壤作用研究的熱潮，2007 年，李建橋、鄒猛等[16]建立月壤—車(chē)輪土槽試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了輕載荷條件下車(chē)輪的牽引性能。2009 年，彭劍波[17]對(duì)剛性輪在模擬月壤上行走時(shí)的相互作用進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，分析月球車(chē)的通過(guò)性能。之后，金大瑋[18]對(duì)輕載荷條件下的剛性輪沉陷量、扭矩模型進(jìn)行了修正。2017年，黃晗[19]在輕型輪壤土槽試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)篩網(wǎng)輪與松軟月壤間的相互作用進(jìn)行了研究，建立輪壤相互作用的沉陷和掛鉤牽引力預(yù)測(cè)模型。同年，薛龍[20-21]應(yīng)用研制的火星壤，在輕載土槽測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行輪壤相互作用試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得的扭矩、位移、滑轉(zhuǎn)率、輪載和掛鉤牽引力等參數(shù)，對(duì)火星壤承壓和剪切參數(shù)進(jìn)行反演，從而對(duì)火星車(chē)輛的通過(guò)性做出預(yù)測(cè)。水田壤作為一種典型的松軟地面，其黏性大，土壤內(nèi)部之間的作用也相對(duì)復(fù)雜，其力學(xué)特性對(duì)含水率及壓實(shí)度等比較敏感，含水率等的稍微變化就可能給水田壤性能帶來(lái)很大的變化，潘君拯等[22]是我國(guó)最早將流變學(xué)應(yīng)用到地面力學(xué)中的人，對(duì)我國(guó)南方多省的水田土壤進(jìn)行了試驗(yàn)，繼而姬長(zhǎng)英等[23-28]繼續(xù)對(duì)我國(guó)南方流變態(tài)水田壤進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究，分析了含水率對(duì)水田土壤物理力學(xué)參數(shù)的影響，建立水田壤流變模型，對(duì)拖拉機(jī)等車(chē)輛的通過(guò)性能進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)，為我國(guó)水田壤力學(xué)方面的研究做出了重大貢獻(xiàn)。

【本研究切入點(diǎn)】本文以微耕機(jī)車(chē)輪為研究對(duì)象，在搖臂式水田壤單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)改變輪上載荷和掛鉤牽引力的大小，測(cè)量車(chē)輪扭矩和滑轉(zhuǎn)率等通過(guò)性參數(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期對(duì)車(chē)輪的牽引性能進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)為新型水田輪的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水田壤

土槽中的土壤取自江西省新建縣聯(lián)圩鎮(zhèn)，取深度0～20 cm 的耕作層土壤，通過(guò)添加水分將土槽中水田壤的含水率調(diào)至30%。

1.2 單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)

單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)（5 000 mm×1 200 mm×1 200 mm）包括土槽體、滑動(dòng)導(dǎo)軌、平整機(jī)構(gòu)、加固框架以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)車(chē)輪選用直徑為40 cm，寬度為10 cm 的微耕機(jī)橡膠輪，如圖1所示。單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)用微耕機(jī)橡膠輪Fig.1 Rubber wheel of micro-cultivator for test

圖2 單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Single wheel soil bin platform

為防止水田壤中的水泄露，土槽體由防水布組成，并在兩端安裝有排水裝置，以便調(diào)節(jié)土槽中水的含量；滑動(dòng)導(dǎo)軌安裝在加固框架上，并保證兩根導(dǎo)軌相互平行；導(dǎo)軌上分別安裝上平整機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，平整機(jī)構(gòu)的主要作用是土壤整備后用于刮平土槽中的水田壤。擺臂式的測(cè)試系統(tǒng)如圖3 所示，該系統(tǒng)可獲得車(chē)輪前進(jìn)的速度、車(chē)輪的轉(zhuǎn)速和扭矩、以及掛鉤牽引力等多個(gè)參數(shù)。通過(guò)改變搖臂裝置上的砝碼，可以改變車(chē)輪的輪上載荷，車(chē)輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)車(chē)軸之間加裝一個(gè)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器（JN-DN 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，100 N·m）；單輪的滑轉(zhuǎn)率由分別安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)車(chē)軸上的兩個(gè)編碼器A、B 計(jì)算獲得；整個(gè)系統(tǒng)尾部通過(guò)定滑輪掛有砝碼盤(pán)，通過(guò)改變砝碼盤(pán)上的砝碼質(zhì)量測(cè)定系統(tǒng)的掛鉤牽引力。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of test system

1.3 水田壤的整備

將土壤靜置于土槽中讓其自然沉降30 d，深度1 m，放水浸泡至表層土完全松軟，放出多余水，使得土壤表面沒(méi)有明顯積水，浸泡后的土壤如圖4（a）所示。試驗(yàn)前用旋耕機(jī)旋耕2次將水田土耕整均勻，控制旋耕機(jī)前進(jìn)速度約0.2 m/s，旋耕深度在10～12 cm，水田壤含水率在30%（相差不超過(guò)1%），用平整機(jī)構(gòu)刮平土壤，旋耕后的土壤和刮平后的土壤分別如圖4（b）、（c）所示。

圖4 不同階段的土壤狀態(tài)Fig.4 The soil state of different stages

1.4 數(shù)據(jù)采集與換算

滑轉(zhuǎn)率是衡量車(chē)輪行駛性能的主要參數(shù)，主要是通過(guò)車(chē)輪的實(shí)際位移增量和車(chē)輪的理論位移增量換算得到。試驗(yàn)中編碼器A 與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸，編碼器B 與驅(qū)動(dòng)車(chē)軸接觸，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)兩個(gè)編碼器分別記錄碼數(shù)并轉(zhuǎn)換為行駛的距離，進(jìn)而應(yīng)用式（1）計(jì)算得到滑轉(zhuǎn)率i，式中的△St和△Sr分別為理論位移增量和實(shí)際位移增量。

通過(guò)改變搖臂上砝碼的質(zhì)量從而改變?cè)囼?yàn)車(chē)輪的輪上載荷，試驗(yàn)前在搖臂上增加不同的砝碼，并用電子秤稱(chēng)量輪上載荷，得到輪上載荷與搖臂上的砝碼質(zhì)量成線性關(guān)系，如式（2）所示：

式中W為輪上載荷，N；m1為砝碼質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m·s-2。

車(chē)輪扭矩通過(guò)扭矩傳感器直接獲取。掛鉤牽引力通過(guò)增加或減少定滑輪組上砝碼質(zhì)量來(lái)獲得。

1.5 試驗(yàn)方法

微耕機(jī)耕整水田通常是針對(duì)小地塊或者梯田，而且在打土的過(guò)程中需要人員推動(dòng)來(lái)增加微耕機(jī)的行走速度，因此其工作速度約在0.2～1.39 m/s。在室內(nèi)土槽試驗(yàn)中，出于安全考慮，設(shè)定微耕機(jī)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速為0.25 r/s，換算直線行駛速度為0.314 m/s，滑轉(zhuǎn)率范圍為0%～100%；試驗(yàn)中輪上載荷的大小共有6個(gè)，分別為：78.40、115.64、152.88、190.12、227.36和264.6 N，其中264.6 N為試驗(yàn)條件下車(chē)輪的最大輪上載荷；試驗(yàn)中掛鉤牽引力的大小共有4個(gè)，包括1.96、11.76、21.56和31.36 N，其中31.36 N是試驗(yàn)條件下最大掛鉤牽引力。為了保證試驗(yàn)的重復(fù)性，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值為最終的測(cè)試結(jié)果，最終得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)24組。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪上載荷對(duì)滑轉(zhuǎn)率的影響

車(chē)輪在水田壤中行進(jìn)時(shí)受到承載力、剪切力和車(chē)輪滑轉(zhuǎn)等因素會(huì)產(chǎn)生沉陷，不同的輪上載荷所產(chǎn)生的沉陷也不同。

圖5（a）和圖5（b）分別為輪上載荷為78.4 N 的車(chē)轍與輪上載荷為227.36 N 的車(chē)轍，當(dāng)輪上載荷為78.4 N 時(shí)，車(chē)轍形態(tài)完好，車(chē)輪沉陷較淺；當(dāng)輪上載荷為227.36時(shí)，車(chē)輪的沉陷加深且由于滑轉(zhuǎn)率的影響車(chē)轍形態(tài)變?yōu)橐粭l深溝。圖5（c）為輪上載荷為264.6 N 時(shí)的壅土現(xiàn)象，由于車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率增加，與車(chē)輪接觸部分的水田壤被車(chē)輪剪切并隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷地往后移動(dòng)，造成車(chē)輪正下方土壤越來(lái)越少，承載力下降，車(chē)輪沉陷加深，另外由于水田壤的粘附性，部分水田壤會(huì)隨著車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)被帶到前方并堆積，從而形成壅土現(xiàn)象，這進(jìn)一步的增加了車(chē)輪的行駛阻力，最后導(dǎo)致車(chē)輪失去行走能力?？梢?jiàn)根據(jù)土壤的承載能力來(lái)設(shè)計(jì)水田輪，并降低壅土現(xiàn)象是設(shè)計(jì)新型水田輪的驅(qū)動(dòng)力。

圖5 不同輪上載荷下的行走狀況Fig.5 Walking conditions under different wheel loads

圖6為產(chǎn)生不同掛鉤牽引力時(shí)輪上載荷對(duì)滑轉(zhuǎn)率的影響，可見(jiàn)滑轉(zhuǎn)率隨著車(chē)輪輪上載荷的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且普遍在0.6以上；當(dāng)輪上載荷小于152.88 N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率隨輪上載荷的變化趨勢(shì)較快；而當(dāng)輪上載荷超過(guò)152.88 N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率隨輪上載荷的變化趨勢(shì)趨于平緩。需要說(shuō)明的是輪上載荷為78.4 N且掛鉤牽引力為31.36 N的數(shù)據(jù)點(diǎn)缺失，這是因?yàn)樵摋l件下車(chē)輪向前行駛的驅(qū)動(dòng)力不足以提供31.36 N的掛鉤牽引力，致使車(chē)輪受拉向后移動(dòng)，得到的滑轉(zhuǎn)率出現(xiàn)大于1的情況，沒(méi)有任何實(shí)際意義，因此該數(shù)據(jù)缺失。

圖6 輪上載荷對(duì)滑轉(zhuǎn)率的影響Fig.6 Effect of wheel load on slip ratio

2.2 輪上載荷對(duì)驅(qū)動(dòng)扭矩的影響

車(chē)輪前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)扭矩直接影響著車(chē)輪的牽引力和通過(guò)性能[29]。圖7為產(chǎn)生不同掛鉤牽引力時(shí)，輪上載荷對(duì)車(chē)輪扭矩的影響，由圖可知，當(dāng)輪上載荷在78.4～227.36 N 時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩隨著輪上載荷的增加而增加，峰值為25.74 N·m，隨后車(chē)輪扭矩減小至21 N·m 左右；另一個(gè)現(xiàn)象是當(dāng)掛鉤牽引力增加時(shí)，隨著輪上載荷的改變車(chē)輪所能提供的扭矩范圍逐漸變小，當(dāng)掛鉤牽引力從1.96 N 變化到31.36 N 時(shí)，扭矩的變化范圍從4.15～25.74 N 縮小到14.2～23.65 N，縮小率達(dá)到56.3%，由此可見(jiàn)，掛鉤牽引力越大時(shí)，扭矩受輪上載荷的影響就越小。當(dāng)輪上載荷超過(guò)227.36 N 時(shí)，隨著輪上載荷的增加其驅(qū)動(dòng)扭矩反而出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明車(chē)輪扭矩幾乎全部用于克服車(chē)輪與土壤的剪切阻力。

圖7 輪上載荷對(duì)車(chē)輪扭矩的影響Fig.7 Effect of wheel load on torque

2.3 滑轉(zhuǎn)率和輪上載荷對(duì)掛鉤牽引力的影響

掛鉤牽引力是評(píng)價(jià)車(chē)輪通過(guò)性能的重要指標(biāo)[19]，圖8為不同輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率下掛鉤牽引力變化的三維圖像，根據(jù)圖像的變化趨勢(shì)可知，隨著輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率的增加，車(chē)輪所能提供的掛鉤牽引力也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)?；D(zhuǎn)率相同時(shí)，輪上載荷越大，其掛鉤牽引力越??；輪上載荷相同時(shí)，滑轉(zhuǎn)率越大，掛鉤牽引力也就越大；且隨著輪上載荷減小，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化越明顯，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率小于0.6 時(shí)，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化趨勢(shì)較慢，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率超過(guò)0.6時(shí)，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化速度明顯變快。

圖8 不同輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率下的掛鉤牽引力變化Fig.8 The change of drawbar pull under different wheel loads and slip ratios

從圖中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪上載荷達(dá)到152.88 N 以上時(shí)，其滑轉(zhuǎn)率普遍都達(dá)到0.6 以上，在水田的行駛通過(guò)性不高，功耗很大，可見(jiàn)該試驗(yàn)條件下橡膠輪所承受的微耕機(jī)質(zhì)量不能過(guò)大；當(dāng)掛鉤牽引力達(dá)到31.36 N 時(shí)，不論輪上載荷如何變化，其滑轉(zhuǎn)率都在0.9以上，車(chē)輪幾乎失去行走能力，說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下，地面所能提供給車(chē)輪的最大牽引力達(dá)到最大，為31.36 N。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)水田常用的微耕機(jī)橡膠輪，搭建了適合室內(nèi)進(jìn)行輪壤試驗(yàn)的單輪土槽試驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括硬件部分和測(cè)控系統(tǒng)，可以對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的采集。

（2）測(cè)量了不同輪上載荷下的滑轉(zhuǎn)率、車(chē)輪扭矩以及掛鉤牽引力，探究了不同掛鉤牽引力下輪上載荷對(duì)車(chē)輪扭矩的影響以及掛鉤牽引力在輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率的共同作用下的變化情況。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，由于松軟水田壤承載能力和抗剪切能力較弱，該微耕機(jī)的車(chē)輪所能承受的最大載荷為227.36 N，此時(shí)所能提供的最大掛鉤牽引力為31.36 N，滑轉(zhuǎn)率為0.88，這說(shuō)明該類(lèi)型車(chē)輪在水田中的行駛性能較弱，車(chē)輛的能源主要消耗在克服車(chē)輪行駛阻力上。

（4）本文對(duì)小型水田微耕機(jī)橡膠輪在特定含水率下的通過(guò)性能進(jìn)行了初步探究，試驗(yàn)結(jié)果可以為今后新型水田輪的設(shè)計(jì)提供一定理論基礎(chǔ)。

致謝：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（NDYC2020-S006）同時(shí)對(duì)本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！