農(nóng)田耕整阻力測試方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳偉　曹光喬　袁棟　丁艷　姚克恒　夏敏

摘要：農(nóng)田耕整是作物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，作業(yè)質(zhì)量直接影響作物產(chǎn)量。土壤耕整過程也是占用生產(chǎn)全程能源較大比重的環(huán)節(jié)，其作業(yè)過程實際也是克服土壤機械阻力的過程，科學(xué)利用耕整能耗能夠顯著提高種植效益。耕整載荷準確、實時測量是實現(xiàn)作業(yè)精準調(diào)控的前提。通過列舉國內(nèi)外常用的載荷測試方法，分析優(yōu)缺點，介紹幾種新型測量方法，并研究國內(nèi)外關(guān)于測試系統(tǒng)開發(fā)和預(yù)測模型的過程。對我國耕整載荷測試方法進行總結(jié)，指出存在缺乏專用傳感器、耕作阻力模型研究較少以及測試方案落后等問題。最后提出開展多維力傳感器在測試方法中的應(yīng)用研究，開展小尺寸、大量程、高強度的傳感元件研究，加強耕作阻力預(yù)測模型的研究，加強載荷不變式傳遞結(jié)構(gòu)的研發(fā)等發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：耕整地載荷；農(nóng)用傳感器；節(jié)能；預(yù)測模型；精準農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S222文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11002105

Current situation and development trend of testing methods for tillage resistance

Chen Wei， Cao Guangqiao， Yuan Dong， Ding Yan， Yao Keheng， Xia Min

（Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：Farmland tillage is an important link in crop production， and the quality of operation directly affects crop yield. Soil tillage is also a process that occupies a large proportion of energy in the whole production process， and its operation process is actually a process to overcome soil mechanical resistance. Scientific use of tillage energy can significantly improve planting efficiency. Accurate and real-time measurement of tillage load is the prerequisite for realizing accurate operation control. This paper enumerated the commonly used load test methods at home and abroad， analyzed their advantages and disadvantages， introduced several new measurement methods， and studied the research process of test system development and prediction model at home and abroad， summarized the tillage load test methods in China， pointed out the lack of special sensors， research on tillage resistance model and the backward test program， and finally given development suggestions： research on the application of multi-dimensional force sensors in test methods， research on small size， large range and high strength sensing elements， strengthening the research of tillage resistance prediction model， strengthening the research and development of load invariant transfer structure.

Keywords：tillage load; agricultural sensor; energy saving; predictive models; precision agriculture

0引言

土壤耕整作業(yè)質(zhì)量是影響種床質(zhì)量的主要因素之一，通過土壤耕整作業(yè)，可以增加土壤耕作深度，改善土地透氣性，提高耕作層營養(yǎng)成分，使耕層厚而疏松，增加土壤的孔隙度，提高土層蓄水保墑能力，利于作物生根發(fā)芽［1］。我國土壤資源有限，有效利用土壤顯得尤為重要，而土壤機械阻力的大小，直接影響著耕整作業(yè)質(zhì)量及土壤利用效果［2］。

常規(guī)作物種植的土壤耕整環(huán)節(jié)主要包括翻耕、深松、碎土，特色作物種植還包括起壟、開溝等。主要作業(yè)參數(shù)為耕深、速度、工作幅寬、土壤屬性（濕度、強度）等，是農(nóng)田耕整阻力的主要影響因素。農(nóng)田耕整環(huán)節(jié)是全程機械化生產(chǎn)過程中占比很大的動力消耗環(huán)節(jié)，能源消耗是耕作效果的評價指標之一。隨著能源成本的迅速增加，功率優(yōu)化是許多農(nóng)業(yè)裝備的共同目標。準確繪制農(nóng)田耕整阻力圖是精準農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一，可用作耕作和播種機具調(diào)節(jié)的依據(jù)。

近年來相關(guān)研究人員、農(nóng)場管理人員和顧問圍繞農(nóng)田耕整阻力測試技術(shù)與方法開展了較多研究。主要包括耕整阻力測試系統(tǒng)和預(yù)測模型研究。耕整阻力測試系統(tǒng)裝置于機組上對作業(yè)載荷進行實時測量。預(yù)測模型是通過研究土壤物理特征、入土部件結(jié)構(gòu)和動力學(xué)參數(shù)，建立理論模型對耕整阻力進行預(yù)測。本文詳細介紹耕整作業(yè)載荷分析、耕整阻力測試方法、耕整阻力預(yù)測模型的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢等，并針對實際應(yīng)用過程中存在的問題提出研究建議與展望，可為農(nóng)田節(jié)本增效、精準農(nóng)業(yè)提供應(yīng)用指導(dǎo)。

1耕整作業(yè)載荷簡單分析

常規(guī)的土壤耕整過程涉及翻耕、深松、碎土等，主要使用犁、深松機和旋耕機來完成，也可以根據(jù)當?shù)氐霓r(nóng)藝、地理環(huán)境選擇圓盤耙來完成碎土作業(yè)。在詳細介紹阻力預(yù)測模型和實測方法研究現(xiàn)狀前，本節(jié)以旋耕機為例，分析機具作業(yè)時需要克服的阻力，如圖1所示。

普通臥式旋耕機設(shè)計耕深在12～15cm左右，但大多農(nóng)戶實際作業(yè)耕深不會超過12cm，且大多為連作農(nóng)田，淺層土壤較為疏松，相對于犁翻、深松等大耕深作業(yè)過程，耕深淺引起的耕作阻力較小，但操作或設(shè)計不合理，容易出現(xiàn)壅土、重復(fù)切削現(xiàn)象，這會大幅度增加作業(yè)阻力。旋耕機除了需要克服前進阻力，也需要克服切削土壤的阻力，因此需要兩種不同的設(shè)備分別測量牽引功耗和切削功耗。牽引功耗測量設(shè)備一般通過聯(lián)接懸掛點，替代懸掛銷或直接改進懸掛機構(gòu)來完成，旋耕功耗測量設(shè)備通過聯(lián)接拖拉機動力輸出軸來實現(xiàn)。深松機和犁作業(yè)過程不涉及入土部件旋轉(zhuǎn)過程，只需要測量牽引功耗即可。

2耕整阻力測試方法

2.1傳統(tǒng)測量方法

2.1.1車拉車法（或拖帶法）

由后置拖拉機懸掛農(nóng)機具，由前置拖拉機牽引后置機組，拉力傳感器位于兩臺拖拉機之間，缺陷是測試結(jié)果包含后置拖拉機自身行駛滾動阻力，只能得到近似結(jié)果，滾動阻力需另外測試，且只能測試牽引力。

這種方法不僅需要兩臺拖拉機完成，且需要占用較大行程，操作不方便。孔羿勛等設(shè)計了一種深松耕作阻力測試系統(tǒng)，將拉壓傳感器安裝在深松鏟受振端，通過測得機具的振動變化，擬合負載力與采集力函數(shù)近似描述耕作阻力，簡化了傳統(tǒng)車拉車法的測量工作。

2.1.2測力銷法

測力銷法是一種比較常見的測量方法（圖2），只需要將聯(lián)接拖拉機和機具的三個懸掛銷（FL，F(xiàn)R，F(xiàn)U）替換為力傳感器即可，由于操作簡單，運用比較廣泛。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的侯澤華［3］開展了氣吹式深松機的牽引力測試試驗，采用了測力銷原理進行，共用了三只傳感器替代原有的懸掛件。江蘇大學(xué)韓江義等［4］為了實現(xiàn)拖拉機農(nóng)具組電子控制，需要對牽引力進行實時測量，根據(jù)拖拉機懸掛裝置的結(jié)構(gòu)，提出了一種軸銷式牽引力傳感器。但替換懸掛銷的力傳感器大都為單向載荷傳感器，只能根據(jù)傳感器的安裝方位測試已知方向上的載荷，隨著三點懸掛機構(gòu)的升降（作業(yè)深度調(diào)整），無法分辨所受載荷方向，只能測試牽引力和提升力。

2.1.3五桿測力法（桿件替換法）

將懸掛裝置上下拉桿、提升桿替換為力傳感器，測量過程中需測定桿件的角度和瞬態(tài)位置，用解析法計算出牽引力的數(shù)值。只適用于高度調(diào)節(jié)方式（機具處于浮動狀態(tài)），即將受力機構(gòu)簡化為理想的二力桿受力狀態(tài)，實際情況并不能保證。

2.1.4八角環(huán)傳感器測力框架

由上下兩層子框架組成，使用2個延伸八角環(huán)作為測力傳感元件，可以測試牽引阻力、垂直力及彎矩。吉林大學(xué)的王景立等［5］利用八角環(huán)測試原理，對弧形深松鏟在耕作過程中所受水平、豎直方向的阻力以及扭矩進行測試，測試結(jié)果能夠滿足要求。這種測試方法要求框架平面與地面垂直，實際使用中只能近似垂直，無法嚴格保證垂直。

2.2新型測量方法

上述檢測方法存在功能單一、適應(yīng)性差、操作復(fù)雜等問題，為此研究人員針對不同作業(yè)環(huán)境和測量需求，設(shè)計了種類較多的專用測量設(shè)備。賈洪雷等［6］利用扭轉(zhuǎn)彈簧特性，設(shè)計了一種滑動耕作部件作業(yè)阻力測試裝置（圖3），以雙翼型深松鏟為例，建立一種描述耕作阻力的數(shù)學(xué)模型，模型中包括修正系數(shù)、扭簧參數(shù)、耕深、速度以及土壤物理特征。

這種方法將傳統(tǒng)的測力點從拖拉機的三點懸掛位置轉(zhuǎn)移到農(nóng)機具的機架位置，解決縱向結(jié)構(gòu)尺寸過長問題，且具有耕作阻力過載保護部件的優(yōu)點。

提高農(nóng)用動力機組空間載荷的測量準確度，關(guān)鍵在于維系原懸掛結(jié)構(gòu)不變，在不改變原有結(jié)構(gòu)的前提下，才能保持原作業(yè)過程載荷傳遞特性不變。現(xiàn)有拖拉機農(nóng)機具機組懸掛系統(tǒng)串接的測量設(shè)備或多或少都會改變載荷傳遞特性，導(dǎo)致動態(tài)載荷檢測失真，相關(guān)研究機構(gòu)開展在維系原懸掛結(jié)構(gòu)不變的情況下，進行空間動態(tài)載荷測量，并研制了多種空間動態(tài)載荷檢測傳感裝置。Pijuan等［7］設(shè)計了一種“兩層”型測量機構(gòu)，用于測量牽引力和垂直力。經(jīng)過試驗測量結(jié)果較為準確，但如此復(fù)雜的測量機構(gòu)只用于測量兩個方向力顯的浪費。

Kim等［8］同樣設(shè)計了一種“兩層”型測量機架，將六個單向力傳感單元置于中間進行測量，分別測試牽引力、垂向力和側(cè)向力，并同時設(shè)計了耕深測試機構(gòu)，兩種數(shù)據(jù)達到相互驗證的效果。

這種測量機構(gòu)沒有改變原有載荷傳遞特性，測量的數(shù)據(jù)較為準確，但也存在明顯的缺陷：（1）測量機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了拖拉機懸掛負荷；（2）不能測量力矩，也就無法避免力矩造成的信號串擾，無法適應(yīng)具有偏心力作用的作業(yè)過程。

造成上述缺陷產(chǎn)生的原因在于對于傳感元件的選擇，無論傳統(tǒng)測量方法還是新型測量方法在傳感元件的選擇上，大多還是使用單向測量元件，通過陣列式組合，達到測量目的，但通常只有水平方向和垂直方向上兩個力。很顯然這是不夠的，在耕整作業(yè)過程中，工作部件是被強制執(zhí)行設(shè)計好的動作，但每個物體在空間上均有6個自由度，除去牽引和提升兩個動作，其他4個自由度要么被機構(gòu)聯(lián)接方式限制，要么被土壤限制，但這些最終都會在綜合阻力上得到體現(xiàn)。隨著作業(yè)速度和耕深的增加或機構(gòu)智能控制的細節(jié)化，這些阻力也會成為妨礙機組高效作業(yè)的重要因素。

3耕整阻力測試方法應(yīng)用現(xiàn)狀

拖拉機的性能受作業(yè)負載的影響很大，牽引器—工具組合正確匹配決定了在各種土壤作業(yè)過程中的牽引效率和牽引桿性能。在耕整地作業(yè)過程中，討論耕作阻力時，一般會和耕作深度、速度聯(lián)系在一起，形成協(xié)調(diào)控制機構(gòu)，2020年吉林大學(xué)劉行［9］設(shè)計了一種中耕培土機構(gòu)及其阻力測試機構(gòu)，能夠獲取作業(yè)深度和阻力數(shù)據(jù)。2022年黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院韓喜龍［10］分析了耕整地機械特征與作業(yè)需求，設(shè)計了耕深自動控制的流程與關(guān)鍵技術(shù)以及耕深實時測量的電子軟硬件。一般情況下，在任何土壤中耕整地作業(yè)中牽引需求設(shè)計主要取決于耕作工具的寬度、作業(yè)速度、作業(yè)深度和幾何形狀。

深度和工作幅寬與作業(yè)阻力呈正比例關(guān)系，也有研究證明，速度的增加也會導(dǎo)致阻力增加。若能在機具作業(yè)時候，實時調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，則能明顯降低工作阻力，也能保證動力設(shè)備處于高效輸出狀態(tài)，達到節(jié)能效果。

作物全程機械化生產(chǎn)過程中，各種形式的能源消耗直接影響著種植效益，其中土壤耕整作業(yè)載荷較大，能源消耗尤其明顯。為減少進地次數(shù)，提高作業(yè)效率，大型、高速耕整作業(yè)機具成為發(fā)展趨勢。繁重的耕整作業(yè)會給機具帶來巨大作業(yè)阻力，如何通過調(diào)整作業(yè)參數(shù)來實現(xiàn)降低能源消耗，就需要準確的載荷信息。農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)過程中，用戶根據(jù)工作具體內(nèi)容選擇相應(yīng)的機具，但也無法對機具所受負載信息進行詳細分析和利用，實現(xiàn)精耕細作有一定的難度。由于信息缺乏，制作商大多也是根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計制造機具。拖拉機作為農(nóng)業(yè)裝備的核心組成部分，出廠前必須進行性能試驗。試驗中，大多以靜態(tài)分級載荷的形式對拖拉機各項性能進行加載試驗，這種加載方法輸出的載荷特性并不能反應(yīng)拖拉機作業(yè)時實際受力情況［11］。2014年，Beigi等［12］針對約翰迪爾3140型拖拉機，設(shè)計一種牽引力測試機構(gòu)，測得數(shù)據(jù)用于優(yōu)化拖拉機的設(shè)計。2013年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的許春林等［15］設(shè)計了一種懸掛農(nóng)具作業(yè)動力學(xué)參數(shù)田間實時測試系統(tǒng)，適用于150kW大功率拖拉機配套用的懸掛農(nóng)具。

土壤耕整作業(yè)載荷波動勢必會影響拖拉機發(fā)動機的功率利用及傳動機構(gòu)的可靠性，所用載荷譜必須能真實地反映拖拉機受力情況，因此載荷譜的編制工作也一直是相關(guān)企業(yè)、科研機構(gòu)的研究熱點［14］。為準確獲取作業(yè)信息，可開發(fā)儀器系統(tǒng)分析拖拉機及農(nóng)機具性能。McLaughlin提出組合不同的測量系統(tǒng)和儀器測量拖拉機和農(nóng)具的多個變量：三點懸掛裝置牽引力、軸負載和扭矩、燃料消耗、溫度、發(fā)動機功率、車輪和地面速度等。借助這些信息，分析運行期間功率流，優(yōu)化拖拉機和農(nóng)具工作性能，達到降低農(nóng)場經(jīng)營成本，提高生產(chǎn)率效果。Titus等［15］在上述基礎(chǔ)上集成GPS系統(tǒng)，在獲取信息的同時，標出各類信息坐標，從而獲得土壤特性圖，也可以沿著田地繪制能量需求和燃料消耗圖。

4耕整阻力預(yù)測模型研究現(xiàn)狀

國外對于耕作阻力預(yù)測模型的研究一直保持著相當?shù)臒岫?，主要還是從結(jié)構(gòu)、作業(yè)參數(shù)進行，也有少數(shù)研究將土壤物理特征作為模型變量。

2015年，Li等［16］使用FEM建立了常規(guī)旋耕刀的三維動態(tài)仿真模型，研究轉(zhuǎn)速和耕作阻力的關(guān)系。隨著算法的進步，除去常規(guī)研究方法，耕作阻力預(yù)測模型研究也加入較為先進計算模型。

2019年，Ganesh等［17］對圓盤耙的耕阻力建立的預(yù)測模型，模型參數(shù)包括土壤圓錐指數(shù)、前進速度、作業(yè)深度和前輪傾角，并通過試驗驗證模型的可靠性。

耕作阻力預(yù)測模型的研究一直在進行，采用的設(shè)備和研究方法也在不斷更新，且國外的研究熱度明顯要高于國內(nèi)。在研究的過程中，耕作阻力只是作為預(yù)測模型因素之一，大多還包括其他作業(yè)參數(shù)比如耕作深度和速度等，也有幾項研究把土壤的物理特征作為模型因素，表明耕作阻力的研究逐漸演變成包括動力配置、機具作業(yè)參數(shù)、土壤特征等的綜合性研究。

5存在問題與發(fā)展建議

5.1存在問題

5.1.1缺乏專用傳感器

傳感器質(zhì)量是保障測試精度的基礎(chǔ)，現(xiàn)有關(guān)于農(nóng)田耕整阻力的測量傳感器大多是單向傳感器。面對復(fù)雜的耕整作業(yè)環(huán)境，單向傳感器不能滿足要求，有必要開展多維力傳感器在耕整阻力測試方法中的運用研究。

5.1.2測試方案滯后

國內(nèi)的測試方法大多還是圍繞車拉車法、測力銷法、八角環(huán)法等展開。這幾種方法存在明顯的測量限制，當機具作業(yè)參數(shù)改變幅度較大情況下，一些本來較小的干擾會被放大。國外針對上述情況，已經(jīng)開展了基于懸掛結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷傳遞結(jié)構(gòu)研究，在保證作業(yè)載荷不變的情況下進行測量。

5.1.3耕作阻力預(yù)測模型研究較少

國內(nèi)關(guān)于耕作阻力預(yù)測模型的研究相對較少，大多局限于測量設(shè)備本身的校準試驗，往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計、田間試驗驗證，最后給結(jié)論，對于土壤屬性與機組作業(yè)參數(shù)結(jié)合的研究并不多見。

5.2發(fā)展建議

5.2.1開展多維力傳感器在測試方法中的應(yīng)用研究

獲取準確的載荷信息，是機組智能調(diào)控田間作業(yè)參數(shù)的前提，農(nóng)機作業(yè)工況十分復(fù)雜，給作業(yè)載荷測量帶來嚴重干擾，比如稻、麥輪作區(qū)域的滅茬作業(yè)時，刀輥轉(zhuǎn)速可達3000r/min，由于水稻秸稈的濕度大問題，更容易出現(xiàn)秸稈堵塞現(xiàn)象，大幅度增加了作業(yè)負荷，需要及時調(diào)整機具作業(yè)狀態(tài)，加上農(nóng)田濕滑等情況，所受載荷是不定向的，采用單向傳感設(shè)備不能準確反應(yīng)受力情況；在高速犁耕作業(yè)中，協(xié)調(diào)好耕深、速度和作業(yè)負荷三者之間關(guān)系，才能在滿足耕深的同時，確保機具不超載、高效率作業(yè)，而犁耕負荷對拖拉機存在明顯的力矩作用，此時單向傳感器也不能準確反應(yīng)受力情況。

為減少機具進地作業(yè)次數(shù)，用戶通常選用一體機進行耕整作業(yè)，比如深松旋耕一體機、犁翻旋耕一體機等。由于土壤的不均勻性、機件不平衡慣性力等，機組在作業(yè)過程中始終處于不穩(wěn)定的強負荷狀態(tài)，單向傳感器很難準確測量出拖拉機和農(nóng)機工作時所承受載荷的大小、頻率，無法為機組作業(yè)智能調(diào)控提供可靠依據(jù)。多維力傳感器是農(nóng)機智能化的核心技術(shù)之一，是獲取信息，智能控制的關(guān)鍵，但目前我國高端傳感器大部分靠進口，復(fù)雜環(huán)境下農(nóng)業(yè)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性有待提高，自主研究農(nóng)用多維力傳感器技術(shù)迫在眉睫。

5.2.2開展小尺寸、大量程、高強度的傳感元件研究

相對于其他領(lǐng)域農(nóng)機作業(yè)載荷的測量環(huán)境，易受土壤比阻、耕深以及入土部件的植被纏繞等影響。另外，機具本身重量的影響也不能忽視，比如1套4鏵液壓翻轉(zhuǎn)犁重量超過1t，而大多農(nóng)場使用的5鏵、6鏵液壓翻轉(zhuǎn)犁重量超過1.5t，若使用復(fù)式作業(yè)機具（如犁旋一體，深旋一體等）所涉及的載荷更大。拖拉機懸掛機構(gòu)尺寸限制著測量機構(gòu)大小及結(jié)構(gòu)型式，無法聯(lián)接較大尺寸的傳感元件，所以在保證精度、靈敏度的情況下，傳感元件的尺寸、量程和強度也是重要衡量指標。

5.2.3加強載荷不變式傳遞結(jié)構(gòu)的研發(fā)

現(xiàn)有耕整阻力測試方法主要還是通過改裝懸掛機構(gòu)實現(xiàn)，拖拉機懸掛裝置由多根拉桿組成的空間機構(gòu)，作業(yè)過程中懸掛裝置受力復(fù)雜多變，左、右下拉桿受力大小、方向都不一定相同，上拉桿的受力方向也因農(nóng)機具反作用力作用線的不同而變化，同時機具自身重量以及聯(lián)接副摩擦力帶來的影響亦不能忽視。所以，在傳感元件工作之前應(yīng)保證機組結(jié)構(gòu)能準確反映載荷信息。

5.2.4加強耕作阻力預(yù)測模型的研究

通過田間實測的方法獲得數(shù)據(jù)是最直接，能夠保證準確度的方法。但要是給每一塊農(nóng)田、每一種機具都進行實測是不現(xiàn)實的。如果選出農(nóng)田和機具的代表，構(gòu)建出阻力預(yù)測模型就十分可行，通過模型解決對不同種田塊耕作需要的機具、動力匹配問題。

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