播種機關鍵部件性能測試平臺設計與應用

王 磊 廖慶喜 廖宜濤 肖文立 朱龍圖 張青松

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一。播種機作業(yè)可以完成旋耕、開溝、施肥、播種、覆土等相關環(huán)節(jié)[1-2]。播種機作業(yè)時，其各系統(tǒng)模塊作業(yè)性能均會影響播種機整體作業(yè)效果，為有效評估各串并聯(lián)系統(tǒng)模塊的性能指標，播種機進行田間試驗前需通過室內臺架試驗系統(tǒng)開展排種系統(tǒng)[3]、排肥系統(tǒng)[4]、氣力系統(tǒng)[5]、傳動系統(tǒng)[6]等播種機關鍵部件的測試分析，以確定播種機各關鍵部件較優(yōu)的結構及運行參數(shù)，為改進優(yōu)化播種機關鍵部件及提高播種機作業(yè)效果提供參數(shù)分析與測試依據(jù)。

播種機測試試驗主要包括臺架試驗和田間試驗，田間試驗通過機具田間作業(yè)，檢驗播種機各部件的參數(shù)匹配和整機性能[7-8]；臺架試驗主要通過搭建的整機測試平臺測試各關鍵部件協(xié)同工作性能或針對排種器、排肥器等單一部件開展性能試驗。國內外學者為檢測播種機關鍵部件作業(yè)性能指標，開展了平整地表作業(yè)條件下播種機及其關鍵部件測試試驗平臺研究[9-14]，但系統(tǒng)測試播種機在不同地表坡度作業(yè)時排種與排肥系統(tǒng)及其關鍵裝置運行參數(shù)匹配及性能指標方面的研究不足。而播種機結構與運行參數(shù)對排種與排肥性能影響顯著，亟需系統(tǒng)測試分析播種機關鍵部件參數(shù)和性能指標以提高其作業(yè)性能。

針對缺少系統(tǒng)測試播種機關鍵部件運行參數(shù)和性能指標測試平臺的問題，擬設計一種播種機關鍵部件性能測試平臺，確定其種肥量檢測系統(tǒng)、氣流供給與檢測模塊、地輪驅動模塊、三點懸掛模塊、液壓動力模塊、顯示與控制系統(tǒng)的結構及關鍵參數(shù)，并以Stewart類自由度并聯(lián)結構設計模擬地表坡度的6自由度運動框架，實現(xiàn)高速排種與排肥過程中導種管和導肥管內種肥排出信號及種肥質量檢測。

1 總體結構與工作過程

1.1 總體結構

播種機關鍵部件性能測試平臺主要由氣流供給與檢測模塊、種肥量檢測系統(tǒng)、地輪驅動模塊、后輸出軸驅動模塊、三點懸掛模塊、運動框架、液壓動力模塊、顯示與控制系統(tǒng)、電力供應系統(tǒng)、播種機起吊裝置等組成，其主要結構如圖1所示，主要技術參數(shù)如表1所示。

圖1 播種機關鍵部件性能測試平臺構成圖Fig.1 Composition diagram of performance test platform of key components for planter1.氣流供給與檢測模塊 2.種肥量檢測系統(tǒng) 3.地輪驅動模塊 4.后輸出軸驅動模塊 5.三點懸掛模塊 6.運動框架 7.液壓動力模塊 8.顯示與控制系統(tǒng) 9.電力供應系統(tǒng) 10.播種機起吊裝置

1.2 工作過程

以油麥兼用型寬幅高速氣送式播種機測試為例，當播種機關鍵部件性能測試平臺工作時，三點懸掛模塊液壓缸與播種機掛接裝置連接，掛接播種機；后輸出軸驅動模塊馬達與播種機動力輸入軸連接，為風機等裝置提供動力；地輪驅動模塊馬達與播種機排種和排肥傳動鏈輪連接，帶動排種軸和排肥軸轉動；氣流供給與檢測模塊風機與排種、排肥氣流輸送管道連接，提供高速排種與排肥過程所需輸送氣流；氣流供給與檢測模塊壓力傳感器和流量傳感器測試風機出口、導種管及導肥管中輸送氣流流量和壓力；種肥量檢測系統(tǒng)檢測導種管與導肥管中種肥排出信號及種肥質量。

表1 播種機關鍵部件性能測試平臺主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of performance test platform of key components for planter

測試平臺工作時，可以在顯示與控制系統(tǒng)終端設置運動框架前后和側向傾斜、單向擺動及往復擺動角度，模擬播種機在不同地表坡度作業(yè)；同時，三點懸掛模塊液壓缸長度、后輸出軸馬達轉速、地輪驅動模塊馬達轉速、氣流供給與檢測模塊風機流量、液壓動力模塊快速接頭輸出液壓流量，可以通過顯示與控制系統(tǒng)終端進行調節(jié)，以適應不同播種機懸掛掛接尺寸、動力輸入轉速、排種排肥轉速、排種與排肥系統(tǒng)流量、液壓動力輸入流量的要求，并且顯示與控制系統(tǒng)終端可以實時顯示后輸出軸馬達轉速和轉矩，地輪驅動模塊馬達轉速和轉矩，氣流供給與檢測模塊風機壓力、流量、轉速及轉矩，氣流供給與檢測模塊壓力傳感器和流量傳感器的壓力和流量，種肥量檢測系統(tǒng)排出種肥信號及種肥質量。顯示與控制系統(tǒng)終端還可以控制測試平臺啟停、液壓系統(tǒng)中馬達的正反轉動、液壓缸的伸縮、運動框架模擬角度調整及響應時間設置。

2 播種機關鍵部件性能測試平臺設計

2.1 運動框架設計

為模擬地表坡度對播種機作業(yè)性能的影響，設計通過PLC控制的可沿播種機作業(yè)方向前后與側向定點傾斜、單向擺動及往復組合擺動，上下往復運動的運動框架。根據(jù)運動框架的運動特性，以Stewart類自由度并聯(lián)結構設計運動框架[15-16]，主要由動方架、變長桿件、靜方架組成，其結構如圖2所示。

圖2 運動框架結構圖Fig.2 Structural diagram of motion frame1.動方架 2.變長桿件 3.靜方架

設計運動框架承載質量為5 000 kg，為滿足承載質量需求，選用承載能力較大的液壓系統(tǒng)作為運動框架的驅動動力，以滿足響應快速、頻繁變速換向平穩(wěn)等要求，并為運動框架配有獨立的液壓泵和控制元件。變長桿件以液壓缸為主體組成，動方架和靜方架分別通過6個虎克鉸鏈與變長桿件連接，則運動框架自由度σ計算式[17]為

(1)

式中m——活動構件總數(shù)

n——運動副總數(shù)

pi——第i個運動副的限制自由度

運動框架活動構件數(shù)為13，運動副為12個虎克鉸鏈、6個液壓缸，其中虎克鉸鏈和液壓缸限制的自由度數(shù)均為4，代入式(1)可得運動框架自由度為6。

根據(jù)液壓驅動的6自由度并聯(lián)運動框架結構，可得運動框架結構圖如圖3所示。

圖3 運動框架結構原理圖Fig.3 Schematic diagrams of motion frame

根據(jù)圖3建立靜方架慣性坐標系mxayaza和動方架坐標系nxbybzb，初始位置時動方架坐標系平行于慣性坐標系。

動方架各鉸接點Bi在動坐標系中的坐標[19]分別為

(2)

其中

式中rb——動方架鉸鏈六邊形外接圓半徑，mm

βb——直線nB1與nB6間的夾角，(°)

靜方架各鉸接點Ai在慣性坐標系中的坐標分別為

(3)

式中ra——靜方架鉸鏈六邊形外接圓半徑，mm

βa——直線mA5與mA6間的夾角，(°)

由式(2)、(3)可確定運動框架運動過程中各鉸點的位置矢量。

基于對播種機實際作業(yè)地表坡度分析及播種機關鍵部件性能測試平臺設計要求，確定運動框架主要技術參數(shù)如表2所示。

2.2 種肥量檢測系統(tǒng)設計

種肥量檢測系統(tǒng)主要由種肥檢測裝置與稱量裝置組成，種肥量檢測系統(tǒng)構成如圖4所示。

種肥檢測裝置可同時檢測排種與排肥系統(tǒng)8路導種管或導肥管中種肥排出信號，用以表征排種與排肥過程導種管或導肥管堵塞情況及種肥滯留問題，其主要由光纖傳感器(KEYENCE公司生產(chǎn)，型號FU-49U+FS-N41P，響應時間小于64 ms)、連接管、STM32F103ZET6單片機、顯示控制界面組成。

表2 運動框架主要技術參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of motion frame

圖4 種肥量檢測系統(tǒng)構成圖Fig.4 Composition diagram of seed and fertilizer quality detection system1.導種管 2.光纖傳感器 3.連接管 4.稱量盒 5.微型拉壓力傳感器 6.固定支架 7.單片機 8.顯示控制界面

以排種過程為例，導種管內有種子排出時，光纖傳感器光纖單元發(fā)射的光束接觸種子后反射再次進入光纖單元時光強度將發(fā)生變化，變化的光信號經(jīng)光纖放大器處理后由單片機采集，可反映排種時導種管堵塞情況和種子滯留問題，并在顯示控制界面上顯示。

稱量裝置用于稱量導種管和導肥管排出的種肥質量，可同時稱量8路導種管或導肥管排出的種肥質量，其主要由STM32F103ZET6單片機、微型拉壓力傳感器(合肥力智傳感器公司生產(chǎn)，型號LZ-WS1，量程0～5 kg，精度0.05 g)、稱量盒、固定支架組成。以排種過程為例，導種管內種子落入稱量盒內，微型拉壓力傳感器檢測種子質量，并由單片機采集，在顯示控制界面上顯示，完成稱量。

2.3 氣流供給與檢測模塊設計

氣流供給與檢測模塊用于提供氣力式排種器排種時所需正負氣壓及氣流，并提供氣送式排肥器輸送顆粒肥料時所需氣流，主要由大流量風機、正壓旋渦風機、負壓旋渦風機、壓力傳感器、流量傳感器組成，其結構組成如圖5所示。

圖5 氣流供給與檢測模塊組成Fig.5 Air supply and test module1.大流量風機 2.旋渦風機 3.壓力傳感器 4.流量傳感器

大流量風機可提供寬幅高速氣送式播種機氣送式排種與排肥系統(tǒng)所需的輸送氣流，根據(jù)氣送式排種與排肥工作原理，大流量風機產(chǎn)生的輸送氣流流量[19]為

(4)

式中Qc——大流量風機產(chǎn)生的輸送氣流流量，m3/h

r——大流量風機出風口半徑，mm

va——輸送氣流速度，m/s

由式(4)可知，大流量風機產(chǎn)生的輸送氣流流量與出風口半徑、輸送氣流速度成正比。實際大流量風機選型應滿足氣送式排種與排肥最大排量需求。適用于油菜等小粒徑種子氣送式排種的輸送氣流速度為15～25 m/s[20]、適用于小麥等大粒徑種子氣送式排種的輸送氣流速度為18～30 m/s，氣送式排肥的輸送氣流速度為18～26 m/s[21-22]，常規(guī)氣送式排種與排肥系統(tǒng)管道半徑不大于65 mm，根據(jù)式(4)計算可知，大流量風機同時滿足油菜等小粒徑種子高速氣送式排種和排肥時輸送氣流流量為1 576.85～2 436.89 m3/h，滿足小麥等大粒徑種子高速氣送式排種和排肥時輸送氣流流量為1 720.16～2 675.88 m3/h。為同時滿足高速氣送式排種與排肥系統(tǒng)對輸送氣流流量需求，選用奧地博田Terrasem C4型大流量風機，適用于油菜等小粒徑種子排種與排肥額定轉速為2 000～2 500 r/min，產(chǎn)生的輸送氣流流量為1 700～2 100 m3/h；適用于小麥等大粒徑種子排種與排肥額定轉速為2 500～3 100 r/min，產(chǎn)生的輸送氣流流量為2 100～2 600 m3/h。

正壓旋渦風機主要用于提供小型氣送式播種機排種與排肥系統(tǒng)所需的輸送氣流及正負氣壓組合式排種器所需投種正壓；負壓旋渦風機主要用于提供氣吸式排種器及正負氣壓組合式排種器所需吸種負壓。根據(jù)文獻[23-24]中各類排種器和排肥器對風機壓力和流量的需求，確定正壓旋渦風機和負壓旋渦風機均選用HG-300-C型旋渦風機，正常使用壓力為±24 kPa、流量為280 m3/h。

為有效測定大流量風機、旋渦風機、導種管及導肥管的壓力及輸送氣流流量，選用5個壓力量程為0～30 kPa和9個壓力量程為-30～0 kPa的Asmik MIK-P300型壓力變送器；選用1個流量量程為382～4 133 m3/h、2個流量量程為35～294 m3/h及11個流量量程為10.6～88 m3/h的Asmik LUGB-MIK型渦街流量計。

2.4 地輪驅動模塊設計

地輪驅動模塊用于驅動排種軸和排肥軸轉動，主要由霍爾式轉速傳感器、磁性轉盤、傳動鏈輪、地輪驅動馬達、開關式磁力座組成，其結構如圖6所示。

圖6 地輪驅動模塊Fig.6 Ground wheel drive module1.霍爾式轉速傳感器 2.磁性轉盤 3.傳動鏈輪 4.地輪驅動馬達 5.開關式磁力座

驅動排種軸和排肥軸轉動時，通過開關式磁力座將地輪驅動模塊固定在播種機相應位置，通過顯示與控制系統(tǒng)調整地輪驅動馬達的壓力油流量以改變傳動鏈輪轉速，利用霍爾式轉速傳感器測定傳動鏈輪轉速。

根據(jù)排種器和排肥器實際排量要求，設計地輪驅動模塊的轉速范圍為20～120 r/min，傳動鏈輪為21齒時，為滿足傳動鏈輪轉速采集要求，計算可得霍爾式轉速傳感器采樣時間應小于0.023 8 s，選用OMDHON NJK-5002C型霍爾式轉速傳感器，采樣精度可達1×10-4s，滿足地輪驅動模塊轉速采樣要求。為保證開關式磁力座滿足不同排種器和排肥器傳動需求，確定開關磁力座吸力為2 000 N。

2.5 三點懸掛模塊設計

三點懸掛模塊主要由下拉桿、提升桿液壓缸、抬升臂液壓缸、上拉桿液壓缸及抬升臂組成，其結構如圖7所示。

圖7 三點懸掛模塊Fig.7 Three-point suspension module1.下拉桿 2.提升桿液壓缸 3.抬升臂液壓缸 4.上拉桿液壓缸 5.抬升臂

根據(jù)作業(yè)幅寬為2～4.8 m的2BQFX-6/8型、2BFL-6/8型、2BFMQ-18型油菜和小麥播種機及油麥兼用型寬幅高速氣送式播種機三點懸掛架的設計尺寸，下懸掛桿離地高度為440～580 mm、兩根下懸掛桿掛接點間距為780～929 mm、上懸掛桿掛接點與下懸掛桿掛接點間的垂直距離和前后距離分別為617～850 mm和23.5～30 mm，結合JB/T 1593—2015《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機后置式三點懸掛裝置0、1 N、1、2 N、2、3 N、3、4 N和4類》對后置式三點懸掛裝置懸掛點尺寸、提升高度及提升行程范圍的要求，設計上拉桿液壓缸、提升桿液壓缸、抬升臂液壓缸有效行程分別為200、120、150 mm時，可實現(xiàn)的三點懸掛模塊下拉桿的離地高度調節(jié)范圍為400～620 mm、兩根下拉桿掛接點間距調節(jié)范圍為700～1 000 mm、上拉桿掛接點與下拉桿掛接點間的垂直距離和前后距離調節(jié)范圍分別為500～1 000 mm和0～100 mm，滿足不同播種機掛接要求。

2.6 液壓動力模塊設計

液壓動力模塊為地輪驅動模塊馬達、氣流供給與檢測模塊中大流量風機馬達、后輸出軸驅動模塊馬達、三點懸掛模塊液壓缸提供壓力油，并可通過快速接頭實現(xiàn)液壓動力輸出，液壓動力模塊的液壓系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 液壓動力模塊液壓系統(tǒng)簡圖Fig.8 Hydraulic system diagram of hydraulic power module1.先導式電磁溢流閥 2.單向閥 3.油箱 4.柱塞泵 5.電機 6.壓力表 7.壓力傳感器 8.轉速傳感器 9.液壓馬達 10.轉矩傳感器 11.開環(huán)比例換向閥 12.后輸出軸 13.電液比例換向閥 14.高壓球閥 15.減壓閥 16.電磁換向閥 17.液壓缸 18.快速接頭 19.流量傳感器 Ⅰ.液壓站 Ⅱ.地輪驅動馬達區(qū)域 Ⅲ.大流量風機馬達區(qū)域 Ⅳ.后輸出軸馬達區(qū)域 Ⅴ.三點懸掛調節(jié)液壓缸區(qū)域 Ⅵ.動力輸出區(qū)域

液壓動力模塊采用開式回路方式，根據(jù)液壓動力模塊設計要求，系統(tǒng)壓力為1.6×104kPa、流量應大于35 L/min，變量泵選用德國力士樂柱塞泵(型號A10VS0140DRS)，公稱壓力為2.8×104kPa、流量為140 L/min、最高轉速為1 800 r/min；為滿足變量泵轉速要求，電機選用湖北萬邦瑞利特電機(型號Y2-280S-4)，轉速為1 490 r/min，當液壓系統(tǒng)中的壓力保持在1.6×104kPa時，流量調節(jié)范圍為35～115 L/min，滿足液壓動力模塊所需壓力和流量需求。

液壓動力模塊工作時，變量泵在電機帶動下為液壓動力模塊提供壓力油，壓力油經(jīng)單向閥(型號HD-S30P1.0B、最大工作壓力為3.15×104kPa、最大流量為400 L/min)進入測試平臺各模塊的執(zhí)行元件后回流入油箱。變量泵出口油路中安裝有先導式電磁溢流閥(型號HD-DBW20B-1-50B，最大工作壓力為3.5×104kPa、最大流量為500 L/min)、壓力傳感器及壓力表，檢測液壓系統(tǒng)壓力并限制其最高壓力。

以驅動后輸出軸驅動模塊的液壓元件設計為例，根據(jù)實際拖拉機后輸出軸輸出功率要求，確定后輸出軸驅動模塊最大功率為20 kW，后輸出軸最高轉速為1 400 r/min，可得后輸出軸馬達排量為

(5)

式中Vm——后輸出軸馬達排量，L/r

Pm——后輸出軸驅動模塊功率，kW

nm——后輸出軸最高轉速，r/min

p——后輸出軸馬達工作壓力，取1.6×104kPa

pb——回油背壓，取1×103kPa

ηm——后輸出軸馬達機械效率，取0.9

由式(5)可得后輸出軸馬達排量為0.063 5 L/r，根據(jù)后輸出軸馬達排量可得輸入后輸出軸馬達的最大流量為

(6)

式中qm——輸入后輸出軸馬達最大流量，L/min

ηv——后輸出軸馬達容積效率，取0.9

由式(6)可得輸入后輸出軸馬達最大流量為98.77 L/min。根據(jù)后輸出軸馬達排量和輸入后輸出軸馬達最大流量的要求，選用中航力源公司的軸向柱塞定量馬達(型號A2FM107W2P2)，最大排量為1.067 L/r、最高轉速為4 000 r/min、最大輸入流量為427 L/min。為實現(xiàn)后輸出軸轉速在140～1 400 r/min可調，采用華德液壓公司的HD-4WRZE16W6-150-7X/6E型電液比例換向閥(最大工作壓力為3.5×104kPa、最大流量為460 L/min)和HD-3DREPE6C-2X/25型三通比例減壓閥(最大工作壓力為2.5×103kPa、最大流量為15 L/min)，實現(xiàn)后輸出軸馬達壓力與流量控制，同時后輸出軸馬達安裝有壓力、轉速及轉矩傳感器，可測定壓力油壓力、后輸出軸轉速及轉矩。

為實現(xiàn)地輪驅動模塊鏈輪轉速在20～120 r/min范圍可調，地輪驅動馬達選用鎮(zhèn)江大力公司擺線液壓馬達(型號BMP100-2AD，最大排量為0.096 2 L/r、最高轉速為650 r/min、最大輸入流量為55 L/min)，并配有直動型減壓閥(型號HD-DR10DP2-40B，最大工作壓力為2.1×104kPa、最大流量為80 L/min)和電磁比例換向閥(型號HD-4WRAE10W30-2X，最大工作壓力為3.15×104kPa、最大流量為75 L/min)控制地輪驅動馬達的壓力與流量；地輪驅動馬達安裝有轉速和轉矩傳感器，可測定鏈輪轉速和轉矩。

為實現(xiàn)氣流供給與檢測模塊中大流量風機轉速在2 000～3 100 r/min范圍可調，根據(jù)大流量風機自帶馬達輸入流量不低于35 L/min的要求，選用意大利ARON公司的開環(huán)比例換向閥(型號XDP5A03N3G，最大工作壓力為3.2×104kPa、最大流量為601 L/min)，控制大流量風機轉速；開環(huán)比例換向閥大流量風機馬達安裝有轉速和轉矩傳感器，可測定大流量風機轉速和轉矩。

驅動三點懸掛模塊掛接播種機時，為有效控制三點懸掛調節(jié)液壓缸伸長量，選用4套軟切換型電磁換向閥(型號HD-4WE6J61B，最大工作壓力為3.15×104kPa、最大流量為60 L/min)和直動型減壓閥(型號HD-DR10DP2-40B，最大工作壓力為2.1×104kPa、最大流量為80 L/min)，實現(xiàn)壓力與流量控制。

液壓動力輸出時，執(zhí)行元件通過快速接頭插入輸出接口，實現(xiàn)液壓動力輸出，用于寬幅播種機機架的展開與折疊，并為需要液壓驅動的排種器和排肥器提供驅動力。

2.7 顯示與控制系統(tǒng)設計

顯示與控制系統(tǒng)通過計算機終端軟件顯示播種機關鍵部件性能測試平臺各模塊工作參數(shù)，并根據(jù)不同播種機測試需求，調整控制各模塊工作參數(shù)，由主控顯示區(qū)域和運動框架控制區(qū)域組成，基于力控科技公司通用監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl V7.2進行主控顯示區(qū)域設計，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機終端軟件與PLC控制器的實時通訊。主控顯示區(qū)域可以控制和顯示播種機關鍵部件性能測試平臺啟停，大流量風機和旋渦風機的轉速、轉矩、壓力及流量，后輸出軸轉速和轉向，地輪驅動模塊馬達轉速和轉向，液壓動力輸出流量，冷卻器啟停，三點懸掛模塊液壓缸伸縮量，種肥檢測裝置種肥排出信號，稱量裝置種肥質量。運動框架控制區(qū)域可以控制運動框架中動方架的前后、側向及前后與側向組合的傾斜，單向擺動及往復擺動，垂直于地面方向往復運動，并可顯示相關角度、運動量及對應時間。顯示與控制系統(tǒng)操作界面如圖9所示。

圖9 顯示與控制系統(tǒng)界面Fig.9 Computer display and control system interface

顯示與控制系統(tǒng)主控制器以SIMATIC S7-1215C為核心，其硬件框圖如圖10所示。PLC通過以太網(wǎng)與計算機通訊，通過UART與數(shù)據(jù)采集器通訊。該主控制器支持RS485串口通訊，可滿足對播種機關鍵部件性能測試平臺大流量風機轉速等參數(shù)的設置與監(jiān)控以及各路排種與排肥量顯示的要求。

圖10 顯示與控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.10 Hardware block diagram of computer display and control system

運動框架傾斜及擺動時，其控制原理如圖11所示。通過計算機顯示屏上的運動框架控制界面設置運動框架的傾斜及擺動角度，控制軟件將信號通過RS-485接口傳輸給PLC后，PLC利用PID技術控制伺服比例閥按比例控制液壓油流量，當運動框架因負載偏載導致液壓缸壓力及流量不足時，液壓缸實際行程與控制軟件設定行程存在偏差，ktc-500型位移傳感器連續(xù)以電壓信號向PLC反饋液壓缸行程，PLC根據(jù)液壓缸實際行程與控制軟件設定行程的偏差調整液壓油流量，以滿足運動框架設定的傾斜及擺動角度。

圖11 運動框架控制原理圖Fig.11 Control schematic of motion frame

3 工作性能測試試驗

為檢測播種機關鍵部件性能測試平臺功能，并利用其測試播種機性能，開展播種機關鍵部件性能測試平臺空載性能測試試驗，以及顯示與控制系統(tǒng)、液壓動力模塊、后輸出軸驅動模塊、氣流供給與檢測模塊、地輪驅動模塊、運動框架模擬地表坡度的工作性能測試試驗。

3.1 試驗設備

試驗設備為播種機關鍵部件性能測試平臺，測試機具為油麥兼用型寬幅高速氣送式播種機，試驗材料為華油雜62油菜種子、鄭麥9023小麥種子、芭田復合肥，試驗儀器為秒表、電子天平(精度0.05 g)、YIOU風壓風量儀(壓力精度1 Pa、風速精度0.01 m/s)、維特HWT9052-485型角度傳感器(精度0.001°)，試驗裝置如圖12所示。

圖12 播種機關鍵部件性能測試平臺Fig.12 Performance test platform of key components for planter

3.2 試驗方法

為檢驗播種機關鍵部件性能測試平臺運行的穩(wěn)定性，通過計算機啟動播種機關鍵部件性能測試平臺，顯示屏上設置各系統(tǒng)模塊相應參數(shù)，觀測顯示屏上數(shù)值變化及各系統(tǒng)模塊執(zhí)行元件的運動。分別在運動框架承載質量為3 600、4 300、5 000 kg時，輸入運動框架不同傾斜及擺動角度，連續(xù)測試6 h，觀測運動框架液壓油路工作情況。

為檢測播種機關鍵部件性能測試平臺各系統(tǒng)模塊工作性能，將油麥兼用型寬幅高速氣送式播種機安裝于播種機關鍵部件性能測試平臺，測試播種機關鍵部件性能測試平臺及播種機的運行參數(shù)和性能指標，具體試驗如下：

測試液壓動力模塊驅動后輸出軸驅動模塊工作性能時，將后輸出軸驅動模塊與播種機傳動軸連接，設置后輸出軸轉速為520～720 r/min，每個水平間隔為40 r/min，試驗重復5次，測定后輸出軸驅動模塊轉矩。

測試液壓動力模塊驅動大流量風機工作性能并檢測氣流供給與檢測模塊測量壓力與流量準確性時，步驟為：①將氣流供給與檢測模塊中大流量風機轉速范圍設置為2 000～3 000 r/min，每個水平間隔為200 r/min，試驗重復5次，測試大流量風機出風口流量與壓力。②將大流量風機接入氣送式排種與排肥系統(tǒng)氣流管道，分別設置適宜于油菜排種的大流量風機轉速為2 400 r/min、小麥排種的大流量風機轉速為3 000 r/min，試驗重復5次，測定大流量風機不同轉速下出風口的流量與壓力。③將氣流供給與檢測模塊中壓力傳感器和流量傳感器安裝于導肥管末端，測定未排肥時導肥管內輸送氣流的壓力與流量以分析各導肥管間壓力與流量間的關系，試驗重復5次，并分析通過YIOU風壓風量儀測量輸送氣流壓力和速度與通過氣流供給與檢測模塊測量輸送氣流壓力和速度的偏差率。

測試液壓動力模塊驅動地輪驅動模塊工作性能時，將地輪驅動模塊固定在播種機上為氣送式排種與排肥系統(tǒng)提供驅動力，設置地輪驅動模塊轉速為20～120 r/min，每個水平間隔為10 r/min，試驗重復5次，統(tǒng)計60 s內不同轉速排種與排肥時總排量和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

測試種肥量檢測系統(tǒng)工作性能時，將種肥檢測裝置安裝在導種管和導肥管末端，檢測大流量風機和地輪驅動模塊穩(wěn)定工作時導種管和導肥管中種子和肥料顆粒排出信號，并分析通過電子天平稱量的種肥質量與通過稱量裝置稱量的種肥質量的偏差率。

測試運動框架模擬不同地表坡度工作性能試驗時，設置地輪驅動模塊轉速為30 r/min，用尼龍網(wǎng)袋收集分配裝置60 s內各導種口油菜種子質量，計算運動框架傾斜和擺動時的總排量和各行排量一致性變異系數(shù)；并將維特HWT9052-485型角度傳感器安裝在運動框架的動方架上，對比分析運動框架設置的傾斜和擺動角度與實際傾斜和擺動角度的偏差。運動框架傾斜和擺動的狀態(tài)為：①運動框架沿播種機作業(yè)方向前后傾斜角為-5°～5°，每間隔1°為一個水平，試驗重復5次。②運動框架沿播種機作業(yè)方向前后與側向組合往復擺動，擺動周期為8 s，試驗水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗重復5次，并用秒表記錄擺動周期。

3.3 結果與分析

3.3.1平臺功能分析

顯示屏上設置各系統(tǒng)模塊相應參數(shù)后，各系統(tǒng)模塊執(zhí)行元件均可根據(jù)設定的參數(shù)值執(zhí)行相應動作，對應系統(tǒng)模塊的壓力、流量、轉速及轉矩等參數(shù)均可在顯示屏上實時顯示。

運動框架承載質量分別為3 600、4 200、5 000 kg時，輸入運動框架不同傾斜及擺動角度，連續(xù)測試6 h，運動框架運行正常。

3.3.2平臺各系統(tǒng)模塊測試性能分析

圖13 后輸出軸轉矩隨轉速變化曲線Fig.13 Variation curve of the rear output shaft torque with rotating speed

圖13為測試液壓動力模塊驅動后輸出軸驅動模塊工作性能試驗中后輸出軸驅動模塊轉矩隨轉速變化曲線。由圖可知，后輸出軸轉矩隨轉速在520～720 r/min之間增加而由60.25 N·m逐漸減小到43.2 N·m，且轉矩變化與后輸出軸轉速增加為線性相關，線性決定系數(shù)為0.993 3，表明后輸出軸驅動模塊工作穩(wěn)定，并可有效測定播種機傳動系統(tǒng)的轉矩。

圖14為測試液壓動力模塊驅動流量風機工作性能并測試氣流供給與檢測模塊測量壓力與流量準確性試驗，大流量風機轉速為2 000～3 000 r/min時出風口流量和壓力。由圖可知，出風口流量和壓力隨大流量風機轉速增加而在1 699.2～2 557.5 m3/h和0.9～2.2 kPa內逐漸增大。通過YIOU風壓風量儀測量輸送氣流壓力和速度與通過氣流供給與檢測模塊測量輸送氣流壓力和速度的偏差率低于1.86%。試驗結果表明，其風機流量與壓力滿足油麥兼用型寬幅高速氣送式播種機排種與排肥對輸送氣流速度和流量的要求，且可用于實時測試輸送氣流流量與壓力。

圖14 大流量風機流量和壓力隨轉速變化曲線Fig.14 Variation curves of flow and pressure of large flow fan with rotating speed

表3為測試液壓動力模塊驅動大流量風機工作性能并測試氣流供給與檢測模塊測量壓力與流量準確性試驗中導肥管內輸送氣流壓力、流量及流速。由表3可知，氣送式排種與排肥系統(tǒng)未排肥，大風量風機轉速分別為2 400、3 000 r/min時，導肥管內輸送氣流的壓力、流量及流速有明顯差異；大風量風機轉速一定時，由于導肥管長度、布局及在分配裝置上的安裝位置差異，大風量風機轉速為2 400 r/min時，各導肥管輸送氣流壓力和流速變化范圍為0.15～0.25 kPa和6.6～10.07 m/s；大風量風機轉速為3 000 r/min時，各導肥管輸送氣流壓力和流速變化范圍為0.30～0.42 kPa和10.73～13.72 m/s。通過YIOU風壓風量儀測量輸送氣流壓力和速度與通過氣流供給與檢測模塊測量輸送氣流壓力和速度的偏差率為1.95%。根據(jù)流量和流速測試結果，導肥管內輸送氣流保持較高速度有利于氣送式排種與排肥系統(tǒng)長距離寬幅排肥時肥料顆粒的遠距離輸送，表明氣流供給與檢測模塊可用于實時檢測并分析導肥管內壓力與流量。

圖15為測試液壓動力模塊驅動地輪驅動模塊工作性能試驗結果。由圖可知，地輪驅動模塊轉速為20～120 r/min時，通過稱量裝置測定得油菜、小麥、顆粒肥料總排量隨轉速增加而分別在176.64～1 086.24 g、6 093.6～36 301.13 g和7 425.24～41 928.08 g 范圍內逐漸線性增大，線性決定系數(shù)分別為0.997 4、0.995 9和0.995 4；油菜、小麥及肥料顆粒總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為0.98%～1.13%、1.16%～1.28%、1.53～1.92%，表明地輪驅動模塊可為高速氣送式排種與排肥系統(tǒng)提供轉速穩(wěn)定的驅動力，大流量風機流量可滿足不同排種與排肥量對輸送氣流流量的要求。

表3 導肥管內輸送氣流的物理特性參數(shù)Tab.3 Physical characteristic parameters of conveying airflow in fertilizer guiding pipe

圖15 總排量和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)變化曲線Fig.15 Variation curves of total seeding and variation coefficient of total seeding stability of rapeseed and wheat seed

測試種肥量檢測系統(tǒng)工作性能試驗結果表明：導種管和導肥管中有種子和肥料顆粒排出時，通過種肥檢測裝置可實時檢測導種管和導肥管中種子和肥料顆粒排出信號；采用稱量裝置測定的各導種管和導肥管內排種與排肥質量與采用電子天平測定的各導種管和導肥管內排種與排肥質量的偏差率低于1.04%，稱量裝置稱量準確性較高。

3.3.3運動框架模擬地表坡度性能分析

圖16為運動框架設置的傾斜和擺動角度及角度傳感器測定的傾斜和擺動角度。由圖可知，角度傳感器測定的傾斜和擺動角度與運動框架設置的傾斜和擺動角度為線性關系；運動框架設置的傾斜角度與角度傳感器測定的傾斜角度偏差率為0～0.25%、往復擺動角度偏差率為0～0.275%，表明運動框架模擬地表坡度中傾斜及擺動角度的準確性較高。

圖16 運動框架和角度傳感器測定的傾斜和擺動角度Fig.16 Tilt and reciprocating oscillation angle of motion frame and angle sensor measurement

圖17a為沿播種機作業(yè)方向前后傾斜-5°～5°對排種性能的影響。由圖可知，總排量隨沿播種機作業(yè)方向前后傾斜角在-5°～5°的增加而在222.45～503.72 g內逐漸減小，各行排量一致性變異系數(shù)隨傾斜角度絕對值的增加而在4.89%～14.98%內逐漸增大。

圖17b為沿播種機作業(yè)方向前后與側向組合往復擺動0°～10°變化范圍對排種性能的影響。由圖可知，沿播種機作業(yè)方向前后與側向組合往復擺動在0°～10°范圍內時，總排量相對平整地表的變化量為6.36%～24.46%；隨往復擺動角度在0°～10°范圍內的增加，導種管內平均排量逐漸增大，各行排量一致性變異系數(shù)在4.86%～10.48%內逐漸增大。顯示屏上顯示的前后與側向組合往復擺動周期與秒表測定的擺動周期偏差率小于0.625%。根據(jù)運動框架的傾斜和往復擺動對氣送式集排器排種性能影響分析可知，運動框架可用于模擬地表坡度對播種機排種性能的影響。

圖17 傾斜和往復擺動對排種性能的影響Fig.17 Effect of tilt and reciprocating oscillation on seeding performance

綜合上述播種機關鍵部件性能測試平臺功能分析、平臺各系統(tǒng)模塊測試性能分析及運動框架模擬地表坡度性能分析可知，該平臺可實現(xiàn)不同排種量與排肥量時導種管和導肥管內種肥排出信號及種肥質量檢測，可提供高速排種與排肥量時氣送式排種與排肥所需的輸送氣流流量，測試排種與排肥環(huán)節(jié)氣流壓力與流量、播種機傳動系統(tǒng)轉速與轉矩值及模擬不同地表坡度對播種機排種性能影響的功能。

4 結論

(1)設計了一種播種機關鍵部件性能測試平臺，通過顯示與控制系統(tǒng)控制液壓動力模塊可實現(xiàn)運動框架沿播種機作業(yè)方向在-5°～5°范圍內前后與側向的傾斜、單向擺動、往復擺動、前后與側向組合單向及往復擺動，實現(xiàn)后輸出軸轉速在140～1 400 r/min范圍可調、地輪驅動模塊轉速在20～120 r/min范圍可調，可實現(xiàn)播種機關鍵部件性能測試與分析。

(2)播種機關鍵部件性能測試平臺功能性試驗表明：各系統(tǒng)模塊可根據(jù)設定的參數(shù)值執(zhí)行相應動作；輸入運動框架不同傾斜擺動角度，連續(xù)測試6 h，運動框架運行正常。該平臺各系統(tǒng)模塊工作性能測試試驗結果表明：該平臺可實現(xiàn)高速排種與排肥過程中8路導種管和導肥管內種肥排出信號和種肥質量檢測，可提供排種軸與排肥軸轉速為20～120 r/min時，氣送式排種與排肥所需流量為1 699.2～2 557.5 m3/h的輸送氣流，并可測試排種與排肥環(huán)節(jié)氣流壓力與流量、播種機傳動系統(tǒng)轉速與轉矩值。

(3)運動框架模擬地表坡度對排種性能影響試驗結果表明：運動框架設置的傾斜及往復擺動角度與角度傳感器測定的傾斜角度偏差率為0～0.25%、往復擺動角度偏差率為0～0.275%；顯示屏上顯示的前后與側向組合往復擺動周期與秒表測定的擺動周期誤差小于0.625%，可用于模擬地表坡度對播種機排種性能的影響。