農(nóng)機鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力測試系統(tǒng)設計與試驗

中圖分類號：S224.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0001-07

Abstract：Aimingattheproblemsofdifficultyincolectingresistance during theoperation ofagricultural machinery pressing parts （such as pressing rollers，pressing plates，etc.），as well as the complex structure and weak universality of relatedresistance testing devices，asetofresistancetesting system forpresing parts is designed.The systemis mainlycomposed of bench，motor drive system，resistance measurement and control system and hinged structure.The force measurement system is selected，and thekey structureis designedandanalyzed.The forceanalysis of the overall structure iscarredout，and the mechanical analysis modelisestablished.The measuredvalueof the sensorand theactual working resistanceiscalibrated，thefunctionalrelationshipbetweenthemisobtained.Taking theself-made pressing parts as an example，thethree-factorand thre-level Box—Benhnken test was carriedout.The working resistance of thepresing parts was taken as thetest index，the influenceof the forward speed，the typeof pressing rollerand thecompression amount on the working resistance wasanalyzed.The primaryand secondary order of the factors ffecting the working resistance was obtained as the forward speed，the compression amount and the typeof pressingroller. Through the analysis of Design—Expert software，the best combination of working parameters for the operation of the pressing parts is as follows：the forward speed of 0.6m/s ，bionic convex hull type pressing roller，compression amount of 10mm ，whilethe theoretical working resistance is343.3 N.The verification test of the optimal parameter combination shows that the working resistance of the suppression part is 357.3N ，and the relative error with the theoretical resistance value is 4.1% . This study can provide a reference for the optimization design of suppression parts and the research of working resistance.

Keywords：resistance testing system；repression；working resistance；orthogonal test；agricultural machiner

0 引言

鎮(zhèn)壓作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，主要是通過鎮(zhèn)壓輥或者鎮(zhèn)壓板等農(nóng)機部件在播種或起壟之后進行作業(yè)[1，2]。鎮(zhèn)壓作業(yè)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤堅實度，使種子或作物根系與周圍土壤密切接觸，提高水分吸收能力，起到蓄水、提、保墑和供熵的作用，為農(nóng)作物生長或移栽提供良好的苗床條件[3]

鎮(zhèn)壓部件在設計制造時，作業(yè)阻力是衡量其性能的主要技術(shù)指標之一。因此，鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力的測量對鎮(zhèn)壓部件的優(yōu)化設計至關(guān)重要[4-6]

為精確測量農(nóng)機部件的作業(yè)阻力，國內(nèi)外有關(guān)學者進行了許多關(guān)于阻力測試的研究。賈洪雷等[8]提出了一種基于土壤堅實度的鎮(zhèn)壓力實時測量方法，可通過數(shù)學模型實現(xiàn)對鎮(zhèn)壓力的準確量化和實時測量，應用扭轉(zhuǎn)彈簧特性和角位移傳感器設計滑動式耕作部件阻力測試裝置，建立測試系統(tǒng)中的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)與修正系數(shù)的換算關(guān)系，對比試驗表明，該裝置可以實現(xiàn)精準測試阻力，與標準值誤差低于 5% 。劉行設計的阻力測試掛接裝置可以在測試耕作阻力大小的同時對耕作深度進行監(jiān)測，適用于其他耕作部件。趙金輝等[10基于PLC、六分力測試裝置與液壓系統(tǒng)設計了開溝器力學性能測試裝置，實現(xiàn)了開溝器的空間力學性能參數(shù)測試，測試精度能夠保證要求。趙偉博設計了一種基于單片機技術(shù)的深松鏟工作阻力實時測試系統(tǒng)，可以在田間作業(yè)時對深松鏟工作阻力等信息進行在線監(jiān)測。鄔立巖等12基于土槽試驗臺和電機驅(qū)動系統(tǒng)設計了觸土部件前行阻力測試裝置，以插秧機船板為例，測試農(nóng)機關(guān)鍵觸土部件的受力情況，為田間觸土部件所受前行阻力的分析提供條件。

上述研究對阻力測試裝置的發(fā)展做出很大貢獻，但通常只能測試特定的農(nóng)機部件，存在結(jié)構(gòu)復雜、普適性不強等問題。針對這些問題，本文設計一種阻力測試系統(tǒng)?；谧灾频淖枇y試系統(tǒng)，對鎮(zhèn)壓部件進行參數(shù)優(yōu)化，為鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力測試和鎮(zhèn)壓部件的優(yōu)化設計提供參考。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)主要針對壟作物壟型鎮(zhèn)壓裝置進行阻力測試，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由臺架、電機驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、無紙記錄儀和鉸接結(jié)構(gòu)等組成。臺架總長1150mm 寬 1070mm 高 770mm ，包括鏈軸、地輪、機架。機架采用規(guī)格為 50mm×50mm 的方管作為支撐整體結(jié)構(gòu)的重要部分，各構(gòu)件采用焊接和緊固螺栓連接，保證其具有足夠的強度和穩(wěn)定性。懸臂梁固定在臺架下方的軸承座中，鎮(zhèn)壓部件通過自身的連接桿與懸臂梁連接，在其受到工作阻力時懸臂梁發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)與臺架之間的鉸連接。S形拉壓傳感器一端固定在傳感器基座，另一端通過螺桿與鎮(zhèn)壓部件相連，鎮(zhèn)壓部件前進時的作業(yè)阻力通過螺桿直接作用到傳感器，實現(xiàn)傳感器對力的測量。傳感器基座通過U形螺栓與機架相連接，可對傳感器起到導向和保護作用。

圖1阻力測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.傳動結(jié)構(gòu)2.電機3.鏈軸4.懸臂梁5.仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥 6.記錄儀7.傳感器基座8.傳感器9.臺架 10.鎮(zhèn)壓部件11.軸承座

1. 2 工作原理

在進行試驗時，臺架沿著土槽方向運動，鎮(zhèn)壓部件對土槽進行鎮(zhèn)壓。鎮(zhèn)壓裝置通過鉸連接結(jié)構(gòu)與臺架相連接，理論上，在鎮(zhèn)壓部件工作時會受到來自土槽的作業(yè)阻力產(chǎn)生彎矩，以鉸接點為圓心，以連接桿為半徑向反方向做圓周運動。實際上，通過調(diào)整傳感器前端螺桿和鎮(zhèn)壓部件之間相對位置，使鎮(zhèn)壓裝置與螺桿直接接觸，限制其移動，實現(xiàn)剛性連接；試驗過程中，鎮(zhèn)壓裝置受到作業(yè)阻力后被傳感器直接測量并通過記錄儀記錄。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)采用鏈條一鏈輪傳動。電機采用固定板和螺栓直接固定在機架上，作為動力來源。鏈軸通過軸承座固定在機架上，與鏈條、鏈輪相配合，將動力傳遞到地輪上。由于試驗中需要滿足不同的速度要求，同時要能夠?qū)崿F(xiàn)臺架的前進后退，因此，采用可編程控制器（PLC）控制步進電機。該系統(tǒng)工作時，通過可編程控制器發(fā)出指令控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來調(diào)整測試系統(tǒng)運動的速度和方向，其中速度可在 0～ 1.8m/s 內(nèi)連續(xù)變化，滿足試驗需求。

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由S型拉壓傳感器、傳感器基座、220V 交流電源及無紙記錄儀等部分組成。傳感器采用DYLY一102型傳感器，S形梁體結(jié)構(gòu)，量程為 0～ 5000N ，供電電壓為 220V ，測量精度高、穩(wěn)定性好。傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連，記錄儀將傳感器測得的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號并記錄，記錄間隔為1s，記錄數(shù)值可精確到小數(shù)點后三位。該記錄儀具有16通道，為保證試驗的準確性，在試驗過程中僅保留第1通道記錄阻力數(shù)值。在測控系統(tǒng)工作時，通過記錄儀顯示界面可以實時觀測阻力數(shù)值的變化，試驗完成后將記錄儀儲存數(shù)據(jù)通過USB端口導出，利用與數(shù)據(jù)記錄儀相匹配的軟件DataManagement作為分析軟件進行分析，該軟件可記錄每秒測定的數(shù)值并自動生成折線圖。

2.2.1 傳感器基座設計

為防止工作阻力過大時傳感器位置發(fā)生偏移和傳感器自身受損，將傳感器通過螺栓固定在傳感器基座的“凹\"型結(jié)構(gòu)內(nèi)，如圖2所示。傳感器距凹字型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的距離 h₁ 為 40mm ，距底部的距離 h₂ 為 8mm .在方便安裝的前提下保證傳感器在水平和垂直方向上不發(fā)生較大偏移；雙螺栓固定保證前后螺桿同軸度小于 0.03mm ，可起到導向作用。

圖2傳感器基座結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2Schematic diagram of sensor base structure

1.螺桿2.傳感器3.記錄儀

2.2.2傳感器位置設定

為更清楚地表達鎮(zhèn)壓部件的工作阻力，將傳感器與鎮(zhèn)壓部件的接觸位置選擇在鎮(zhèn)壓部件最上方，如圖3所示。此時傳感器作用力與懸臂梁之間的力臂 L₂ 小于實際工作阻力與懸臂梁之間的力臂 L₁ ，因此，傳感器所測得的力大于實際工作阻力，可更清楚地觀察試驗過程中的阻力變化。

在試驗開始前使鎮(zhèn)壓部件與傳感器頂部相接觸，保證傳感器作用力 F_n 和工作阻力 F_f 在水平方向上相平行，同時保證 F_n 與力臂 L 之間的夾角始終呈 90^° ，此時傳感器作用力與工作阻力產(chǎn)生的彎矩近似相等，可減少因摩擦力產(chǎn)生的誤差。

圖3測力系統(tǒng)受力模型 Fig.3Force model of force measuring system

2.2.3 測力系統(tǒng)受力分析

在鉸接點支持力和軸承所受摩擦力忽略不計的情況下，傳感器的作用力與鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力所產(chǎn)生的彎矩可以近似看作作用力與反作用力，二者方向相反，大小與力臂長短成反比關(guān)系，如式（1）所示。

M₁=F_fL₁=F_nL₂=M₂

式中： M₁ 一 作業(yè)阻力產(chǎn)生的彎矩， N?m ·M₂ 1 傳感器反作用力產(chǎn)生的彎矩， N?m F_f T 作業(yè)阻力，N；F_n 一 傳感器反作用力，N；L₁ 作業(yè)阻力到鉸接點的距離， m L₂ 一反作用力到鉸接點的距離， m 。

3 作業(yè)阻力標定

考慮在計算過程中軸承摩擦力等不確定因素產(chǎn)生的誤差，為更準確地測定實際作業(yè)阻力，進行標定試驗。假設鎮(zhèn)壓部件在工作過程中所受阻力在同一方向上大小相等，用彈簧秤的拉力代替實際工作阻力。將螺桿焊接在鎮(zhèn)壓部件中間位置的正下方，之后通過手拉彈簧秤給螺桿施加不同的拉力，并將記錄儀對應顯示的數(shù)值記錄下來，對顯示數(shù)值與實際受力之間的關(guān)系進行標定。在標定過程中，保持拉力方向與阻力方向一致?？紤]到彈簧秤的量程，人工調(diào)整拉力的大小，在 0～70N 內(nèi)，每間隔 10N 記錄1次記錄儀顯示的數(shù)值，記錄5次取平均值[13]。阻力數(shù)值標定方法如圖4所示，標定數(shù)據(jù)見表1。

圖4阻力數(shù)值標定方法

1.記錄儀2.彈簧秤3.鎮(zhèn)壓部件4.傳感器5.傳感器基座

表1阻力數(shù)值標定數(shù)據(jù)

Tab.1 Calibration data of resistancevalues

通過Origin軟件中的擬合工具對測定數(shù)值與實際阻力之間進行線性擬合，可以看出，測定數(shù)值與實際阻力之間正相關(guān)線性關(guān)系較好，如圖5所示。得到的實際阻力與顯示數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系如式（2）所示。

Y=2X+0.64

式中： Y 一 測定阻力數(shù)值，N；X ——實際作業(yè)阻力，N。力數(shù)值20102030，40506070實際作業(yè)阻力/N

基于圖5中實際作業(yè)阻力與測定數(shù)值的關(guān)系，可以根據(jù)記錄儀的數(shù)值計算實際作業(yè)阻力。

4試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗儀器設備

圖5實際作業(yè)阻力標定擬合直線 Fig.5 Actual working resistance calibration fitting line

試驗設備有鎮(zhèn)壓部件阻力測試系統(tǒng)； TYY-2 型土壤堅實度測試儀（測量深度為 400mm ，量程為500kPa） ；卷尺（量程為 5m ；土壤含水率測試儀；彈簧秤（量程為 100N） ；電腦（Windows7操作系統(tǒng)）；傳統(tǒng)光滑鎮(zhèn)壓輥（直徑 D₁ 為 140mm ，寬度 H₁ 為 270mm） ，如圖6（a）所示；仿生凸包型鎮(zhèn)壓輥（直徑 D₂ 為 140mm 寬度 H₂ 為 270mm ），其中仿生凸包基圓直徑 D₃ 為15mm ，高度 H₃ 為 2.5mm ，在鎮(zhèn)壓輥上呈菱形排布，共12列，如圖6（b）所示。

4.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

為檢驗阻力測試系統(tǒng)的可行性，進行臺架試驗。試驗以自制鎮(zhèn)壓部件為例，為盡可能還原田間真實情況，對自制土槽進行人工翻整，并在每次試驗后重新翻整確保試驗前土槽條件差別較?。辉囼炌敛坶L 3m ，土壤為褐土。在試驗時保留中間 2m 區(qū)域作為數(shù)據(jù)穩(wěn)定區(qū)，其余兩端各留 0.5m 作為緩沖區(qū)，如圖7所示。每次試驗后在數(shù)據(jù)收集區(qū)范圍內(nèi)，用五點法確定取樣點位（間隔為 20cm ），測量土槽的含水率和土壤堅實度，結(jié)果分別如表2和表3所示。

圖6鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6Schematic diagram of pressing roller structure

表2土槽不同深度的含水率Tab.2Water content of soil trench at different depth：

表3土槽不同深度的堅實度Tab.3Firmness of soil trenchatdifferent depths

4.3 正交試驗設計

臺架試驗為基于Box—Benhnken試驗設計的響應曲面法的三因素三水平試驗，每組試驗重復3次，取平均值作為試驗結(jié)果。臺架試驗的目的是求出最佳工作參數(shù)，對比仿生鎮(zhèn)壓部件與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓部件之間的性能，并探尋各個因素對作業(yè)阻力的影響規(guī)律。分別以前進速度、鎮(zhèn)壓輥類型和鎮(zhèn)壓輥壓縮量為試驗因素。每個因素取3個水平[14]。其中，鎮(zhèn)壓輥類型為傳統(tǒng)光滑鎮(zhèn)壓輥和仿生凸包型鎮(zhèn)壓輥；鎮(zhèn)壓輥壓縮量 R 為兩側(cè)鎮(zhèn)壓輥向內(nèi)壓縮的距離，可通過螺栓手動調(diào)節(jié)， R 調(diào)節(jié)范圍為 0～30mm ，如圖8所示。

圖8鎮(zhèn)壓輥壓縮量示意圖

Fig.8Diagram of pressing roller compression

結(jié)合田間實際作業(yè)情況選取前進速度為 0.6～ 1.0m/s 。因素水平見表4。

表4試驗因素水平編碼Tab.4Encoding of experimental factor levels

根據(jù)Design—Expert軟件中的響應面法進行試驗方案設計，以作業(yè)時鎮(zhèn)壓部件所受到的作業(yè)阻力為試驗指標，試驗總次數(shù)為17次，其中12組為析因點，5組為零點，零點試驗重復多次，以估計試驗誤差。試驗方案和結(jié)果如表5所示， A，B，C 分別為前進速度、鎮(zhèn)壓輥類型和壓縮量的編碼值。

表5試驗方案與結(jié)果Tab.5Test scheme and results

4.4 方差分析

數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，得出鎮(zhèn)壓部件作業(yè)時的作業(yè)阻力的方差分析結(jié)果，如表6所示。

表6作業(yè)阻力方差分析Tab.6Variance analysis of working resistance

該模型的 F 值為 3705.77，Plt;0.0001 ，說明該模型極顯著；而失擬項的 P 值檢驗結(jié)果不顯著（ P= 0.5034），說明該模型在選擇的參數(shù)范圍內(nèi)擬合程度較好，具有統(tǒng)計學意義。對表6中數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力對編碼自變量的二次多元回歸方程，如式（3）所示。

Y=495.8+62.38A+0.37B+40.25C- 0.25AB+AC-0.27A²-50.78B²-0.53C²

由表6可知， A，C 和 B² 對作業(yè)阻力影響極顯著，其他項不顯著。各自變量對作業(yè)阻力的顯著性由大到小依次為前進速度、壓縮量、鎮(zhèn)壓輥類型。

4.5 響應面分析

應用響應面法分析各因素對作業(yè)阻力的影響。固定3個因素中的1個因素為0水平，考察另外2個因素對作業(yè)阻力的影響。

1）鎮(zhèn)壓輥類型和前進速度對作業(yè)阻力的影響如圖9所示。固定壓縮量為 20mm ，得到鎮(zhèn)壓輥類型和前進速度對作業(yè)阻力的關(guān)系如式（4）所示。

Y=494.97+60.17A+0.17B+0.5AB+ 0.12A²-48.88B²

在前進速度各個水平下，仿生鎮(zhèn)壓輥比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥作業(yè)時產(chǎn)生的作業(yè)阻力更小，這是因為仿生鎮(zhèn)壓輥凸包結(jié)構(gòu)可以造成應力集中，破壞土壤和鎮(zhèn)壓輥之間水膜連續(xù)性，減少土壤黏附量，從而減小作業(yè)時的阻力。在不同的鎮(zhèn)壓輥類型下，前進速度對作業(yè)阻力影響顯著，作業(yè)阻力隨前進速度的增大呈穩(wěn)定上升趨勢。

2）壓縮量和前進速度對作業(yè)阻力的影響見圖10。固定鎮(zhèn)壓輥類型為傳統(tǒng)光滑鎮(zhèn)壓輥，得到壓縮量和前進速度對作業(yè)阻力的關(guān)系如式（5）所示。

Y=495.7+60.8A+40.5C

圖10壓縮量和前進速度對作業(yè)阻力的影響 Fig.1oEffect of compression amount and forward speed onworking resistance

在壓縮量各個水平下，作業(yè)阻力隨前進速度的增大呈直線上升趨勢。在前進速度各個水平下，作業(yè)阻力隨壓縮量增大呈快速上升趨勢。這是因為土壤具有壓縮回彈特性，土壤向外回彈產(chǎn)生與鎮(zhèn)壓部件之間的摩擦力隨壓縮量的增大而增大，導致作業(yè)阻力上升。

3）壓縮量和鎮(zhèn)壓輥類型對作業(yè)阻力的影響如圖11所示。固定前進速度為 0.8m/s ，得到鎮(zhèn)壓輥類型和壓縮量對作業(yè)阻力的關(guān)系如式（6）所示。

Y=495.9-0.33B+39.8C+0.75BC-50.7B²- 0.26C2 （6）

在壓縮量的各個水平下，作業(yè)阻力在鎮(zhèn)壓輥類型為仿生凸包型時更小。在不同鎮(zhèn)壓輥類型下，作業(yè)阻力隨壓縮量的增大呈現(xiàn)較小的上升趨勢。

圖11鎮(zhèn)壓輥類型和壓縮量對作業(yè)阻力的影響 Fig.11Effect of roller type and compression amount on working resistance

4.6 參數(shù)優(yōu)化

在滿足鎮(zhèn)壓作業(yè)效果的前提下以最小作業(yè)阻力為優(yōu)化目標，利用Design—Expert軟件自帶的約束條件優(yōu)化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小作業(yè)阻力的最優(yōu)參數(shù)組合，并進行臺架試驗進行驗證，重復3次取平均值，得到的優(yōu)化方案和試驗驗證結(jié)果如表7所示。在兩種情況下作業(yè)阻力值相對誤差為 4.1% ，表明回歸模型的精度可以滿足鎮(zhèn)壓部件參數(shù)優(yōu)化的需要。由優(yōu)化結(jié)果可以看出，在滿足鎮(zhèn)壓效果的前提下，仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的作業(yè)阻力更小，優(yōu)于傳統(tǒng)光滑鎮(zhèn)壓輥。

表7優(yōu)化方案和試驗驗證結(jié)果 Tab.7 Optimization scheme and experimental validation results

5 結(jié)論

1）針對農(nóng)機鎮(zhèn)壓部件作業(yè)時阻力采集困難和相關(guān)阻力測試裝置結(jié)構(gòu)復雜、普適性不強等問題，設計一種鎮(zhèn)壓部件作業(yè)阻力測試系統(tǒng)，主要包括電機驅(qū)動系統(tǒng)、阻力測控系統(tǒng)和鉸接結(jié)構(gòu)等，能夠準確測定阻力值。

2）對鎮(zhèn)壓部件進行受力分析，得到鎮(zhèn)壓部件與傳感器的受力模型。對傳感器測定的阻力數(shù)值和鎮(zhèn)壓部件受到的阻力之間的關(guān)系進行標定，建立兩者之間的線性比例關(guān)系。

3）設計并進行關(guān)于作業(yè)阻力的響應面試驗，通過方差分析發(fā)現(xiàn)：各因素對作業(yè)阻力的影響顯著性順序依次為前進速度、壓縮量、鎮(zhèn)壓輥類型。通過參數(shù)優(yōu)化得到作業(yè)阻力的最佳工作參數(shù)組合：前進速度為0.6m/s 、仿生凸包鎮(zhèn)壓輥壓縮量為 10mm ，在上述工作參數(shù)下進行驗證試驗，得到的作業(yè)阻力為 357.3N 0與理論值誤差為 4.1% 。

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