微耕機(jī)土壤耕作部件田間測試平臺(tái)的研制

曾百功，葉進(jìn)，楊仕，柳劍，李明生，陳俊杰

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716；2.工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025)

微耕機(jī)土壤耕作部件田間測試平臺(tái)的研制

曾百功1,2，葉進(jìn)1*，楊仕1，柳劍1，李明生1，陳俊杰1

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716；2.工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025)

針對(duì)室內(nèi)土槽試驗(yàn)難以真實(shí)模擬田間試驗(yàn)的工作狀況，在SR1Z–135型多功能微耕機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了微耕機(jī)土壤耕作部件田間測試平臺(tái)。該平臺(tái)由傳動(dòng)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、試驗(yàn)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成，可在田間實(shí)際工況下對(duì)旋耕刀、深耕刀、防纏刀和起壟器進(jìn)行性能測試，并實(shí)時(shí)顯示和處理這些待測部件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率信息。田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：微耕機(jī)旋耕刀組平均轉(zhuǎn)速為47 r/min時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩為226 N·m，平均功率為1.114 kW；微耕機(jī)旋耕刀組平均轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩為238 N·m，平均功率為2.568 kW，與室內(nèi)土槽試驗(yàn)獲得的旋耕刀組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本一致。測試平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，行駛平穩(wěn)，耕深穩(wěn)定。

微耕機(jī)；耕作部件；田間測試平臺(tái)；工作參數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年中國微耕機(jī)總產(chǎn)量已達(dá)140多萬臺(tái)[1–4]，微耕機(jī)在丘陵山區(qū)得到較廣泛的推廣使用。針對(duì)微耕機(jī)的工作性能、作業(yè)質(zhì)量、可靠性及經(jīng)濟(jì)效益的測試大多在可持續(xù)、穩(wěn)定、可重復(fù)作業(yè)的室內(nèi)土槽試驗(yàn)室進(jìn)行[5–8]，成本較低，有利于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，但由于難以模擬田間復(fù)雜多變的自然狀況，因而測試結(jié)果并不能真實(shí)地反映作業(yè)機(jī)具在田間的實(shí)際工作狀況[9–10]，成為影響微耕機(jī)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)的限制因素。近些年，有關(guān)耕作部件田間測試系統(tǒng)的研究取得了一些進(jìn)展[11–15]。蘇元生等[13]設(shè)計(jì)了半懸掛式土壤工作部件田間測試系統(tǒng)，能夠在田間完成工作部件牽引阻力、垂直反力和耕作深度的測試。BENTAHER等[14]基于三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)建立了耕作阻力測試系統(tǒng)，利用 3個(gè)力傳感器測量耕作阻力在3個(gè)相互垂直方向上的分量。喬曉東等[15]研制了牽引式后懸掛農(nóng)具田間試驗(yàn)平臺(tái)，用于測試后懸掛農(nóng)機(jī)具在田間作業(yè)的工作性能。這些田間測試系統(tǒng)，大都針對(duì)大中型農(nóng)用機(jī)具研發(fā)，由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，無法滿足微耕機(jī)土壤耕作部件的測試需求。

筆者針對(duì)已廣泛應(yīng)用的微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特征、傳動(dòng)形式和技術(shù)要求，參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法[16–17]，以SR1Z–135型多功能微耕機(jī)為基礎(chǔ)，研制了微耕機(jī)土壤耕作部件田間測試平臺(tái)。該平臺(tái)采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量旋耕刀、深耕刀、防纏刀和起壟器一系列待測部件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率，并通過動(dòng)態(tài)測試軟件實(shí)時(shí)顯示和處理待測部件在田間作業(yè)過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為微耕機(jī)土壤耕作部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的優(yōu)化及作業(yè)性能的評(píng)定提供依據(jù)?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 田間測試平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為了真實(shí)地反映土壤耕作部件在田間的作業(yè)狀況，根據(jù)微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能要求和工作流程，以及實(shí)際的加工條件和作業(yè)環(huán)境[18–21]，測試平臺(tái)以SR1Z–135型多功能微耕機(jī)作為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行搭建，由傳動(dòng)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、試驗(yàn)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成，在田間工況下實(shí)現(xiàn)旋耕刀、深耕刀、防纏刀和起壟器一系列待測部件的性能測試，結(jié)構(gòu)如圖1所示。測試系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、動(dòng)態(tài)測試軟件、供電裝置、微型計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。試驗(yàn)系統(tǒng)包括耕深調(diào)節(jié)裝置、支撐組件和連接件。主要對(duì)測試平臺(tái)的測試系統(tǒng)和試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1 微耕機(jī)土壤耕作部件田間測試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of field test platform for tillage components of micro-cultivator

測試平臺(tái)的動(dòng)力傳輸采用齒輪減速器、帶輪傳動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)[22–24]，如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸與減速器輸入端通過帶輪傳動(dòng)相聯(lián)接，減速器設(shè)置多個(gè)檔位來控制輸出軸的轉(zhuǎn)速，通過減速器的減速變向后，一路采用齒輪傳動(dòng)經(jīng)過C1為行走機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)測試平臺(tái)行進(jìn)；另一路經(jīng)過L1、L2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、L3、L4、L5、L6、L7和L8，通過多級(jí)鏈輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳至待測部件，使其正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)工作(旋轉(zhuǎn)方向與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同)，完成對(duì)土壤的作業(yè)。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將待測部件的運(yùn)動(dòng)狀況以數(shù)據(jù)信號(hào)的形式發(fā)送至微型計(jì)算機(jī)，并通過動(dòng)態(tài)測試軟件實(shí)時(shí)顯示待測部件的工作性能參數(shù)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率)對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化曲線，進(jìn)而獲得待測部件在田間作業(yè)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為待測部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的理論分析與試驗(yàn)研究提供依據(jù)。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)的配置Fig.2 Configuration of transmission system

2 主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

測試平臺(tái)采用螺紋圓盤方式緊固待測部件，便于更換不同類型和不同規(guī)格的待測部件，以滿足微耕機(jī)多種土壤耕作部件的性能測試要求。圖3所示為試驗(yàn)系統(tǒng)的耕作深度調(diào)節(jié)裝置，包括調(diào)節(jié)絲桿、鏈條護(hù)板、待測部件軸Z1和傳動(dòng)軸Z2，待測部件的兩端分別加裝了鏈條護(hù)板，鏈條護(hù)板的兩端分別與待測部件軸和傳動(dòng)軸采用軸承聯(lián)接，2鏈條護(hù)板之間通過與待測部件軸平行的支撐件剛性聯(lián)結(jié)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)絲桿改變2鏈條護(hù)板中心線所在面與垂直面的夾角來轉(zhuǎn)動(dòng)待測部件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)待測部件耕作深度的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同耕作深度作業(yè)時(shí)測試其工作性能的需求。

圖3 耕作深度調(diào)節(jié)裝置Fig.3 Adjusting mechanism for tillage depth

為了分析待測部件的耕作深度，以微耕機(jī)旋耕刀(旱地刀)為例，在垂直于地面且平行于測試平臺(tái)前進(jìn)方向的平面內(nèi)研究待測部件的耕作深度，設(shè)傳動(dòng)軸Z2的中心為點(diǎn)O，待測部件軸Z1的中心為點(diǎn)O1，承重輪的中心為 O2，機(jī)組前進(jìn)方向與 X軸正方向保持一致，垂直向下為Y軸正方向，建立坐標(biāo)系XOY，如圖4所示。測試平臺(tái)以速度v沿X軸正方向行進(jìn)，待測部件以轉(zhuǎn)速ω沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由此可得，待測部件耕作深度為H。

H = Dcosα + R1– OO3– R2，其中：H 為耕作深度(mm)；α為2鏈條護(hù)板中心線所在面與垂直面的夾角(o)；D為鏈條護(hù)板中心距(取350 mm)；R1為刀片最大回轉(zhuǎn)半徑(取185 mm)；OO3為中心距OO2在Y軸方向的距離(取 30 mm)；R2為承重輪半徑(取 200 mm)。

圖4 待測部件作業(yè)過程的耕作深度Fig.4 Tillage depth of tillage components in the working process

由于待測部件的耕作深度小于刀片的最大回轉(zhuǎn)半徑，即 0 < H ＜ R1，49o < α < 90o，則 H = 350cosα–45，即旋耕刀耕作深度調(diào)節(jié)范圍為0～185 mm。

2.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器為 ZH07–700Z型，供電電壓為±12 VDC，轉(zhuǎn)矩測量量程為±700 N·m，轉(zhuǎn)矩測量精度為±0.3 % Fs，轉(zhuǎn)速測量范圍為0～4 000 r/min。根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的使用要求，為了盡量減少田間布線，配備±12 VDC的大容量聚合物鋰電池供電。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與安裝有動(dòng)態(tài)測試軟件的微型計(jì)算機(jī)相聯(lián)接，將采集的2路數(shù)據(jù)信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)頻率轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速總線方式信號(hào))傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)，并同步、實(shí)時(shí)監(jiān)測待測部件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化曲線，顯示界面如圖5所示。

圖5 待測部件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩及功率實(shí)時(shí)顯示界面Fig.5 Display interface of speed, torque and power for tillage components to be tested

3 測試平臺(tái)運(yùn)行試驗(yàn)

于2015年11月16—17日，在重慶航天巴山摩托車制造有限公司試驗(yàn)田對(duì)微耕機(jī)旋耕刀組(旱地刀)進(jìn)行了性能測試試驗(yàn)?；谖⒏麢C(jī)的工作技術(shù)要求，選定測試平臺(tái)的平均行進(jìn)速度0.41 m/s，平均耕作深度100 mm，對(duì)測試平臺(tái)進(jìn)行2種工況(ω =47 r/min和ω = 100 r/min)的性能測試試驗(yàn)，每種工況重復(fù)試驗(yàn)3次。結(jié)果取平均值。

在試驗(yàn)過程中，測試平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)顯示旋耕刀組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化曲線，當(dāng)旋耕刀組在平均轉(zhuǎn)速47 r/min下作業(yè)時(shí)，其平均轉(zhuǎn)矩為226 N?m，平均功率為1.114 kW；當(dāng)旋耕刀組在平均轉(zhuǎn)速100 r/min下作業(yè)時(shí)，測得其平均轉(zhuǎn)矩為238 N?m，平均功率為2.568 kW。田間測試結(jié)果與室內(nèi)土槽試驗(yàn)獲得的旋耕刀組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本一致。測試平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，行駛平穩(wěn)，耕深穩(wěn)定，能夠滿足微耕機(jī)土壤耕作部件的田間測試需求。

測試平臺(tái)行進(jìn)速度的多個(gè)檔位轉(zhuǎn)換順暢，耕作深度可以在一定范圍內(nèi)(0～185 mm)連續(xù)調(diào)節(jié)，待測部件升降平滑、耕深穩(wěn)定。

通過動(dòng)態(tài)測試軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測待測部件的作業(yè)狀況，并能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的同步采集和處理。

[1] 閆國琦，張鐵民，徐相華，等．我國微耕機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(25)：11137–11139．

[2] 王帥，曹磊，劉欣，等．微耕機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010，32(12)：63–64．

[3] 朱留憲，楊玲，楊明金，等．我國微型耕耘機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(7)：236–239．

[4] 譚崇靜，楊仕．基于鉆石模型的重慶微耕機(jī)產(chǎn)業(yè)集群競爭力分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(10)：6–10．

[5] 李永磊，宋建農(nóng)，董向前，等．基于土槽試驗(yàn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)耕作部件試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(17)：38–43．

[6] 于艷，龔麗農(nóng)，尚書旗．農(nóng)機(jī)土槽試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)的研制[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(13)：323–328．

[7] 顏華，吳儉敏，林金天．環(huán)形土槽微耕機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(增刊)：68–72．

[8] 夏連慶，趙博，梁學(xué)修，等．農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬現(xiàn)實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2013，56(17)：146–147．

[9] 楊艷山，丁啟朔，丁為民，等．田間原位綜合耕作試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(1)：68–74．

[10] LIU J ，CHEN Y ，LOBB D A ，et al．Soil–straw–tillage tool interaction：field and soil bin study[J].Canadian Biosystems Engineering，2007，49：21–26．

[11] MCKYES E，DESIR F L．Prediction and field measure ments of tillage tool draft forces and efficiency in cohesive soils[J]．Soil and Tillage Research，1984，4(5)：459–470．

[12] WARD L D，NORRIS C P，THOMAS E C. Component interactions in zero–till planters for heavy clay soils of southern Queensland[J]．Soil and Tillage Research，1991，20(1)：19–32．

[13] 蘇元升，高煥文，李汝莘．土壤工作部件田間測試系統(tǒng)的研制[J]．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，4(2)：47–49．

[14] BENTAHER H ，HAMZA E ，KANTCHEV G ，et al.Three–point hitch–mechanism instrumentation for tillage power optimization[J]．Biosystems Engineering，2008，100(1)：24–30．

[15] 喬曉東，王曉燕，顏華，等．后懸掛農(nóng)具田間試驗(yàn)平臺(tái)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(8)：63–68．

[16] JB/T10266.2—2001 微型耕耘機(jī)試驗(yàn)方法[S]．

[17] GB/T5668.3—1995 旋耕機(jī)械試驗(yàn)方法[S]．

[18] 王耀文，葉進(jìn)，曾百功，等．基于 TRIZ理論的煙田小型深耕機(jī)研制[J]．西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(4)：198–204．

[19] 宋彥軍．1GQNMZ230型自推式旋耕機(jī)的研制[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2013，56(15)：145–146．

[20] 張柯柯，盧劍鋒，張富貴．微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(4)：58–68．

[21] 李超軍，葉進(jìn)，薛元鵬．小型多功能聯(lián)合作業(yè)耕耘機(jī)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(11)：150–153．

[22] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))[K]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

[23] 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(上冊(cè))[K]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1994．

[24] 譚慶昌，趙洪志．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Development of field test platform for tillage components of micro-cultivator

ZENG Baigong1, 2, YE Jin1*, YANG Shi1, LIU Jian1, LI Mingsheng1, CHEN Junjie1
(1.College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2.Key Laboratory of Bionic Engineering, Changchun 130025, China)

The real working condition of the field test could not be fully stimulated in the soil bin. Based on the SR1Z–135 multifunctional micro-cultivator, a field test platform with transmission system, measurement system, testing system and walking system, was developed for tillage components of micro–cultivator. This platform could be used to test the working performance of rotary blade, deep tillage blade, anti–wrap blade and ridger in the field. The data of working performance parameters such as speed, torque and power of tillage components could be processed, displayed and analyzed conveniently during the experiment. The field testing results showed that the average torque and power of rotary blades of micro–cultivator were 226 N·m and 1.114 kW at the rotating speed of 47 r/min, and those were 238 N·m and 2.568 kW at the speed of 100 r/min, respectively. They were same as the experimental data of the rotary blades obtained in the soil bin.This platform was operating with smooth operation, steady driving and stable tillage depth in the working process.

micro–cultivator; tillage components; field test platform; working parameters

S222.3

A

1007-1032(2017)04-0456-04

2016–11–17

2017–03–21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31601210)；重慶市科委項(xiàng)目(Cstc2015zdcy–ztzx80006)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(XDJK2017B052)；工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(K201703)

曾百功(1985—)，男，吉林省吉林市人，博士研究生，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生技術(shù)研究，zbg77@swu.edu.cn；*通信作者，葉進(jìn)，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究，yejin@swu.edu.cn