旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曾 榮 李東東 祝英豪 夏俊芳

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070)

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、保護(hù)性耕作對(duì)新型土壤耕作機(jī)具的研發(fā)提出了更高要求［1-4］。為適應(yīng)新型土壤耕作機(jī)具的研發(fā)，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備性能和測(cè)試功能的要求越來(lái)越高。以旋耕機(jī)旋耕刀輥、秸稈粉碎機(jī)粉碎刀輥為代表的旋轉(zhuǎn)耕作部件，其性能受自身工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及土壤特性參數(shù)的綜合影響［5-13］，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)耕作部件設(shè)計(jì)以及最優(yōu)工作參數(shù)確定時(shí)，需進(jìn)行多因素多水平的機(jī)具與土壤交互試驗(yàn)。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)耕作部件特性試驗(yàn)通常在田間或室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺(tái)上完成。田間試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃从掣鳈C(jī)械的實(shí)際性能及土壤的響應(yīng)［14］，主要通過(guò)拖拉機(jī)懸掛旋轉(zhuǎn)耕作部件完成。該方式存在耕深不穩(wěn)定、機(jī)具振動(dòng)強(qiáng)烈、工作參數(shù)控制精度差的弊端。此外，田間試驗(yàn)時(shí)刀輥的互換性差、工作效能差，不利于開(kāi)展多因素多水平試驗(yàn)。土槽試驗(yàn)平臺(tái)可為旋耕部件的研發(fā)提供準(zhǔn)確有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于農(nóng)機(jī)減阻降耗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計(jì)，以及土壤耕作部件松碎土機(jī)理探索具有重要的意義，是進(jìn)行土壤耕作部件研發(fā)的有效裝置［15-16］。傳統(tǒng)的土槽試驗(yàn)臺(tái)通常在室內(nèi)搭建，占地面積大、制造和維護(hù)成本高、軟件封裝無(wú)法擴(kuò)展，不具備可移動(dòng)性［17-19］。此外，驅(qū)動(dòng)方式和控制方式落后，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試手段、測(cè)試方法、測(cè)試功能、測(cè)試裝置的性能等不能滿足新型耕作機(jī)具試驗(yàn)測(cè)試任務(wù)及測(cè)試要求。

針對(duì)上述田間試驗(yàn)和室內(nèi)土槽試驗(yàn)存在的問(wèn)題，許多高校及科研院所開(kāi)展了田間原位測(cè)試系統(tǒng)的研制，開(kāi)發(fā)了基于現(xiàn)有室內(nèi)土槽的土壤耕作試驗(yàn)裝置。田間原位測(cè)試系統(tǒng)可以反映田間真實(shí)作業(yè)狀態(tài)，同時(shí)也帶來(lái)了土壤環(huán)境因素不可控的問(wèn)題，對(duì)于研究新型耕作部件的特性及確定最優(yōu)工作參數(shù)帶來(lái)了困難［14，20-21］?；谕敛鄣脑囼?yàn)裝置保證了試驗(yàn)的可重復(fù)性，但同時(shí)存在測(cè)控方式落后、耕深調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確及刀輥更換不便等問(wèn)題，對(duì)于旋轉(zhuǎn)耕作部件的測(cè)試針對(duì)性不強(qiáng)，測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差，測(cè)試功能不夠完善［22-25］。

因此，根據(jù)旋轉(zhuǎn)耕作部件性能試驗(yàn)的需求，本文設(shè)計(jì)一臺(tái)專門用于旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)，以兼顧田間試驗(yàn)及室內(nèi)土槽試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的土槽試驗(yàn)臺(tái)占地面積大、設(shè)備維護(hù)成本高、控制策略復(fù)雜，對(duì)旋轉(zhuǎn)耕作部件的性能測(cè)試針對(duì)性和專用性不強(qiáng)。本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)盡可能緊湊合理、維護(hù)方便、占地面積小;要求試驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)方便;可對(duì)旋耕刀輥扭矩、轉(zhuǎn)速和功率以及試驗(yàn)臺(tái)前進(jìn)速度等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該試驗(yàn)臺(tái)主要由軌道系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)車及搭載在試驗(yàn)臺(tái)車上的旋耕部件、耕深調(diào)節(jié)部件、土壤鎮(zhèn)壓部件、控制柜等主體結(jié)構(gòu)組成。軌道系統(tǒng)鋪設(shè)在地面，可模擬土槽功能，同時(shí)可在特定田塊鋪設(shè)成多行，以實(shí)現(xiàn)田間測(cè)試;試驗(yàn)臺(tái)車采用自驅(qū)動(dòng)行走的方式沿軌道運(yùn)行，且同時(shí)完成旋耕作業(yè);旋耕作業(yè)、耕深調(diào)節(jié)均采用電力拖動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，其中耕深調(diào)節(jié)采用伺服驅(qū)動(dòng)的方式，參數(shù)調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定、精確，且可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。上述方式可避免田間試驗(yàn)由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的土壤物性的改變，也可避免目前室內(nèi)土槽常采用的三點(diǎn)懸掛加驅(qū)動(dòng)軸的連接方式，旋耕刀輥互換性強(qiáng)，耕作深度調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。試驗(yàn)臺(tái)可保證一定的作業(yè)幅寬從而適應(yīng)不同刀輥的需求，同時(shí)也可保證有效的作業(yè)距離。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic of test bench

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)為試驗(yàn)臺(tái)車的行走提供支撐。為適應(yīng)不同作業(yè)長(zhǎng)度，且保證可移動(dòng)性，軌道系統(tǒng)采用拼接式設(shè)計(jì)。目前的軌道系統(tǒng)采用三段拼接而成，長(zhǎng)度分別為2、4、6 m，軌道跨度為1.2 m，如圖2 所示。2 m 軌道可作為試驗(yàn)臺(tái)車的移動(dòng)裝置，下方設(shè)置萬(wàn)向輪，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)車被移動(dòng)至2 m 軌道上時(shí)，可人力推動(dòng)2 m 軌道，將試驗(yàn)臺(tái)車移動(dòng)至其他位置。每段軌道可通過(guò)端面連接板進(jìn)行連接，當(dāng)需要增大作業(yè)距離時(shí)，可在6 m 軌道端部進(jìn)行拼接。軌道系統(tǒng)可鋪設(shè)于特定場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)土槽測(cè)試功能，此時(shí)多段軌道固定拼接，通過(guò)每段軌道下方的地腳調(diào)節(jié)高度并保持軌道系統(tǒng)平衡。軌道系統(tǒng)也可鋪設(shè)于特定田塊，此時(shí)需在田塊鋪設(shè)多行軌道，田塊尾部硬化處理，單行耕作結(jié)束后借助2 m 軌道將試驗(yàn)臺(tái)車移動(dòng)至下一行繼續(xù)進(jìn)行耕作，從而實(shí)現(xiàn)田間測(cè)試。軌道系統(tǒng)可鋪設(shè)于旱地及水田，滿足不同物性土壤條件下的測(cè)試需求。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)車

圖2 軌道系統(tǒng)組成Fig.2 Structure of track system

試驗(yàn)臺(tái)車由車體及搭載于車體上的旋耕部件、耕深調(diào)節(jié)及鎮(zhèn)壓部件等主要工作部件組成。試驗(yàn)臺(tái)車由前進(jìn)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)車體兩側(cè)安裝的行走輪與軌道系統(tǒng)上的鋼軌配合，保證行走的穩(wěn)定性。針對(duì)旋耕機(jī)正旋切土條件下產(chǎn)生的寄生牽引力，前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用剎車制動(dòng)電機(jī)，同時(shí)通過(guò)加速度控制對(duì)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證臺(tái)車啟動(dòng)與剎車平穩(wěn)。為測(cè)量臺(tái)車前進(jìn)速度，在行走輪軸端安裝編碼器，通過(guò)編碼器測(cè)量行走輪轉(zhuǎn)速。臺(tái)車行走主要依靠行走輪與軌道上的鋼軌之間的滾動(dòng)，由于鋼材料的接觸過(guò)程中滑動(dòng)摩擦可以忽略不計(jì)，因而可由行走輪轉(zhuǎn)速獲得臺(tái)車前進(jìn)速度。由于旋耕作業(yè)時(shí)牽引阻力非常小，尤其正向旋耕時(shí)，其牽引阻力可以忽略不計(jì)，選用驅(qū)動(dòng)功率為3 kW 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)臺(tái)車行走。

試驗(yàn)臺(tái)車車體與旋耕部件之間采用分體式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)旋耕刀輥的耕作深度的調(diào)節(jié)。通過(guò)安裝于車體上的導(dǎo)軌、旋耕部件上的滑塊對(duì)旋耕部件的上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向，通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)渦輪蝸桿升降機(jī)驅(qū)動(dòng)旋耕部件的上下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用數(shù)顯式扭矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪測(cè)定升降機(jī)驅(qū)動(dòng)旋耕部件升降所需的最大扭矩，選用功率為2.3 kW、額定扭矩為15 N·m 的伺服電機(jī)作為耕作深度調(diào)節(jié)的動(dòng)力。旋耕動(dòng)力由三相異步電機(jī)提供，經(jīng)由轉(zhuǎn)向器、側(cè)邊傳動(dòng)傳遞至刀輥;刀輥通過(guò)法蘭與旋耕部件連接，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)耕作部件的快速更換。為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)耕作過(guò)程的動(dòng)態(tài)扭矩、功率測(cè)量，在側(cè)邊傳動(dòng)前端直連扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。為實(shí)現(xiàn)多種刀輥的功耗適應(yīng)性［26-28］，使試驗(yàn)臺(tái)滿足多種土壤物性下的碎土、碎茬、秸稈還田等測(cè)試需求，選擇驅(qū)動(dòng)功率為11 kW 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)以土槽功能工作時(shí)，鎮(zhèn)壓部件可用于多次重復(fù)試驗(yàn)的土壤恢復(fù)。鎮(zhèn)壓部件與旋耕部件之間采用嵌套式設(shè)計(jì)，通過(guò)鎮(zhèn)壓渦輪蝸桿升降機(jī)對(duì)鎮(zhèn)壓高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。土壤恢復(fù)主要依靠?jī)?nèi)部帶叉狀輪轂的鎮(zhèn)壓滾筒與土壤之間的擠壓實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)合適的鎮(zhèn)壓深度，通過(guò)臺(tái)車行走帶動(dòng)滾筒在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生被動(dòng)滾動(dòng)，與土壤之間進(jìn)行擠壓，從而實(shí)現(xiàn)土壤鎮(zhèn)壓。

耕作深度是多因素多水平試驗(yàn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，由于地面在每次試驗(yàn)之后，其絕對(duì)高度均會(huì)發(fā)生一定的差異，因而設(shè)計(jì)了兩種標(biāo)記耕作深度的方式。第1 種為手動(dòng)觀察方式，借助于布置在車架上的標(biāo)尺及布置于旋耕裝置上的指針，觀察刀輥距離地面的高度，其工作原理如圖3 所示。當(dāng)觀察到旋耕刀與地面將要接觸時(shí)，標(biāo)記為位置1，記錄此時(shí)標(biāo)尺上的刻度，根據(jù)所要調(diào)節(jié)的耕深h 繼續(xù)調(diào)節(jié)直至指針到達(dá)位置2，該方法操作簡(jiǎn)單，較為可靠。第2 種為自動(dòng)方式，該方式借助于安裝在刀軸固定端的距離傳感探頭，在每次試驗(yàn)準(zhǔn)備期間，按下耕深自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)運(yùn)動(dòng)至耕深預(yù)定值(保證每次耕深調(diào)節(jié)前刀輥與地面之間的高度為預(yù)定值)，暫停2 s，伺服電機(jī)再次啟動(dòng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)升降機(jī)向下運(yùn)動(dòng)至設(shè)定的所需耕深;該方式取決于傳感器的精度，而傳感器在使用過(guò)程中(尤其當(dāng)前次試驗(yàn)耕深較大時(shí))容易粘附土壤，造成檢測(cè)不準(zhǔn)確，影響耕深調(diào)節(jié)過(guò)程，因而在使用時(shí)需人為監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)。

圖3 耕作深度標(biāo)記原理圖Fig.3 Schematic of tillage depth marking

通過(guò)設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)臺(tái)車的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)車技術(shù)參數(shù)Tab.1 Performance parameters of test trolley

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)功能的關(guān)鍵組成部分，其中控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)工作參數(shù)的調(diào)節(jié)，測(cè)試系統(tǒng)用于性能參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)分別進(jìn)行闡述。

3.1 基于PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需完成臺(tái)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋耕驅(qū)動(dòng)電機(jī)及耕深調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)不同前進(jìn)速度、旋耕轉(zhuǎn)速及耕作深度等作業(yè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)多因素多水平試驗(yàn)需求。

控制系統(tǒng)以PLC 作為控制單元，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各項(xiàng)控制。臺(tái)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與旋耕驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為三相異步電機(jī)，采用變頻器對(duì)其進(jìn)行控制;同時(shí)為了提高系統(tǒng)的可控性和集成度，變頻器與PLC 之間實(shí)現(xiàn)Modbus 通訊。耕深調(diào)節(jié)電機(jī)為伺服電機(jī)，由PLC 的脈沖輸出端口實(shí)現(xiàn)定位控制。控制系統(tǒng)的輸入包括:啟動(dòng)、停止等數(shù)字量控制輸入以及前進(jìn)速度、旋耕轉(zhuǎn)速、需求耕深、距離傳感器等模擬量控制輸入;距離傳感器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與控制器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取;前進(jìn)速度、旋耕轉(zhuǎn)速、需求耕深等參數(shù)通過(guò)文本控制器進(jìn)行輸入，可在每一次試驗(yàn)前(停機(jī)狀態(tài))進(jìn)行文本輸入。試驗(yàn)臺(tái)車的運(yùn)行狀態(tài)及作業(yè)參數(shù)的調(diào)節(jié)需在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行，因而控制試驗(yàn)臺(tái)車的操縱裝置須在無(wú)線下操作，以方便試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)臺(tái)車的控制?；贚oRa 無(wú)線射頻控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了無(wú)線按鈕盒，將常用操縱按鈕集成于無(wú)線按鈕盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的無(wú)線輸入，控制按鈕與無(wú)線按鈕盒內(nèi)的ZKD-(12I12SO)-LoRa 無(wú)線模塊進(jìn)行有線連接;無(wú)線傳輸另一側(cè)PLC 控制器同樣與另一無(wú)線模塊進(jìn)行連接，由兩個(gè)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該無(wú)線控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、遠(yuǎn)距離、低功耗控制。控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 Composition of control system

圖5 邏輯控制流程圖Fig.5 Flow chart of logical control

控制系統(tǒng)軟件分為整機(jī)運(yùn)行的邏輯程序、PLC與變頻器之間的通信程序及PLC 與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的定位控制程序。整機(jī)運(yùn)行的邏輯控制流程如圖5所示，整機(jī)工作分為自動(dòng)模式(工作模式)和手動(dòng)模式，自動(dòng)模式用于正常試驗(yàn)的控制，手動(dòng)模式用于調(diào)試或出現(xiàn)故障后的各項(xiàng)檢修。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)旋耕刀輥在0 ～340 r/min 范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)節(jié)，此時(shí)變頻器輸出頻率范圍為0 ～47.62 Hz;控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)車在0 ～1.17 m/s 范圍內(nèi)的前進(jìn)速度連續(xù)調(diào)節(jié)，此時(shí)變頻器輸出的頻率范圍為0 ～42.65 Hz;控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)耕作深度在0 ～30 cm 范圍內(nèi)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

3.2 基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬儀器利用高精度的傳感器、高性能的數(shù)據(jù)采集硬件、方便高效的采集軟件完成測(cè)試工作［29-30］。基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)無(wú)需實(shí)際的數(shù)據(jù)處理與分析硬件，借助于軟件即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理、存儲(chǔ)與顯示。該試驗(yàn)臺(tái)使用LabVIEW 軟件平臺(tái)，借助相應(yīng)的采集硬件，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。

3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)完成試驗(yàn)臺(tái)車的作業(yè)參數(shù)測(cè)量和旋耕刀輥的性能參數(shù)測(cè)量。目前，主要實(shí)現(xiàn)旋耕刀輥的作業(yè)轉(zhuǎn)速、扭矩、作業(yè)功耗及試驗(yàn)臺(tái)車的前進(jìn)速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。采用動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)旋耕刀輥的作業(yè)扭矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量以獲得功耗，采用編碼器對(duì)臺(tái)車行走輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量以獲得前進(jìn)速度。各傳感器的輸出信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，構(gòu)建多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);通過(guò)LabVIEW 圖形化編程軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。由于傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間必須有線連接，而傳感器均安裝于臺(tái)車上并隨臺(tái)車行走，因而將數(shù)據(jù)采集卡布置于控制柜內(nèi)。為方便測(cè)試工作，在計(jì)算機(jī)(LabVIEW 測(cè)試軟件)與數(shù)據(jù)采集卡之間構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)，應(yīng)用無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線傳輸。測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)如表2 所示，測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖6 所示。

表2 測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of measurement system

圖6 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成Fig.6 Structure of test system

3.2.2 測(cè)試原理

測(cè)試原理為測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基于LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)，測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)旋耕刀輥工作轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗及前進(jìn)速度的實(shí)時(shí)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能。

通過(guò)測(cè)試扭矩、轉(zhuǎn)速獲取功率是常用方法之一［31］。旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗M(kW)、扭矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速n(r/min)之間關(guān)系為

旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)扭矩、轉(zhuǎn)速由安裝于側(cè)邊傳動(dòng)裝置前端的動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測(cè)量。傳感器的扭矩信號(hào)以電壓脈沖或頻率信號(hào)為輸出;經(jīng)標(biāo)定，扭矩與脈沖頻率之間呈線性關(guān)系，即

式中 fT——扭矩脈沖信號(hào)頻率，kHz

傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)同樣以電壓脈沖或頻率信號(hào)為輸出，由表2 可知，轉(zhuǎn)速傳感器分辨率為60 pulse/r，即每轉(zhuǎn)一圈輸出60 個(gè)脈沖，由此可知轉(zhuǎn)速測(cè)試值與轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中 fn——轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)頻率，Hz

臺(tái)車前進(jìn)速度由行走輪線速度確定，通過(guò)編碼器測(cè)量行走輪轉(zhuǎn)速并換算成線速度以獲得前進(jìn)速度。編碼器以電壓脈沖或頻率作為輸出信號(hào)，由于其分辨率為1 000 pulse/r，則臺(tái)車行走速度與編碼器脈沖信號(hào)頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中 v——臺(tái)車行走速度，m/s

r——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m

fv——編碼器脈沖信號(hào)頻率，Hz

4 旋耕刀輥功耗試驗(yàn)

使用設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展旋耕刀輥功耗應(yīng)用試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》要求，旋耕試驗(yàn)指標(biāo)包括秸稈掩埋率、秸稈粉碎率、碎土率和功耗等。由于本試驗(yàn)主要目的是對(duì)耕作性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，因此主要以功耗作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

應(yīng)用上述試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展通用旋耕刀輥功耗試驗(yàn)及組合旋耕刀輥功耗試驗(yàn)。試驗(yàn)研究工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋耕刀輥的功耗影響，可減少土壤不均勻性等因素對(duì)結(jié)果的影響，因而試驗(yàn)臺(tái)以土槽工作方式布置于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)室外土槽田塊。試驗(yàn)分別于2019 年3 月和2019 年5 月進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)車及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7 所示。試驗(yàn)土壤類型為壤土，經(jīng)測(cè)定，0 ～12 cm 土壤干基含水率為14.0%，5 ～17 cm 土壤干基含水率為16.1%;15 cm 深處土壤堅(jiān)實(shí)度為605.2 kPa，10 cm 深處土壤堅(jiān)實(shí)度為1 240.67 kPa，20 cm 深處土壤堅(jiān)實(shí)度為1 852.3 kPa。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)車及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Test trolley and test site

4.1 通用旋耕刀輥功耗試驗(yàn)

試驗(yàn)刀輥長(zhǎng)度為690 mm，每個(gè)回轉(zhuǎn)面布置2 把IT245 標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀，共18 把旋耕刀，旋耕刀在刀軸上的排列展開(kāi)如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)刀輥旋耕刀排列展開(kāi)圖Fig.8 Developed view of arrangement of blades on tested rotor

根據(jù)小麥播種、油菜和水稻直播深度要求，結(jié)合GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》與現(xiàn)有旋耕刀輥性能試驗(yàn)的研究成果［32-33］，確定試驗(yàn)耕作深度為10 ～18 cm，前進(jìn)速度為0.4 ～1 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為220 ～300 r/min。

設(shè)計(jì)三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗為試驗(yàn)指標(biāo)，研究刀輥轉(zhuǎn)速、耕作深度與前進(jìn)速度三因素對(duì)刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗的影響。試驗(yàn)因素編碼如表3 所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表4 所示(X1、X2、X3為因素編碼值)，其中零水平試驗(yàn)設(shè)定為6 次，共進(jìn)行20 組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行3 次，取功耗平均值。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)編制的測(cè)試軟件對(duì)扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集與分析，設(shè)定采樣頻率為60 000 Hz，分別記錄每次試驗(yàn)的功耗。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Coding of test factors

運(yùn)用Design-Expert 軟件對(duì)表4 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得各因素對(duì)通用旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗P1影響的三元二次回歸方程

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表5 所示。根據(jù)表5可知，上述回歸模型的擬合度極顯著(P ＜0.01)，失擬不顯著(P ＞0.05)，表明在試驗(yàn)參數(shù)選取范圍內(nèi)，所建立的回歸方程可用，回歸模型可用。功耗回歸方程的樣本決定系數(shù)R2=0.959，表明回歸方程與實(shí)際情況擬合良好，通過(guò)此方程能較好地對(duì)通用旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)式(5)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可知，影響通用旋耕刀輥功耗的因素主次順序分別為:耕作深度、前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的交互。

4.2 組合旋耕刀輥功耗試驗(yàn)

組合旋耕刀輥在通用旋耕刀輥基礎(chǔ)上加入螺旋橫刀與彎刀，以達(dá)到秸稈埋覆和防堵防纏的耕作效果［28］。本試驗(yàn)以組合旋耕刀輥為試驗(yàn)對(duì)象，其幅寬為370 mm，研究螺旋橫刀寬度(以下簡(jiǎn)稱刀寬)b 及安裝螺旋角(以下簡(jiǎn)稱安裝角)θ 對(duì)組合旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗P2的影響;組合旋耕刀輥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)用螺旋橫刀如圖9 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，安裝角選取4 個(gè)水平分別為55°、45°、35°、25°，刀寬選取3 個(gè)水平分別為25、30、35 mm，試驗(yàn)過(guò)程中工作參數(shù)選定為:前進(jìn)速度為0.6 m/s、旋耕轉(zhuǎn)速為240 r/min、耕作深度為15 cm。在上述兩因素不同水平下開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)中分別記錄每次試驗(yàn)的平均功耗，結(jié)果如表6 所示。

圖9 組合旋耕刀輥及試驗(yàn)用螺旋橫刀Fig.9 Combined rotary tillage roller and experimental helical blades

表6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.6 Experimental design and results

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式曲面擬合，調(diào)整多項(xiàng)式參數(shù)獲得最佳擬合結(jié)果，得擬合方程

功耗與刀寬、安裝角的擬合曲面如圖10 所示。其擬合優(yōu)度結(jié)果顯示，此時(shí)誤差的平方和與均方根分別為0.004 569 及0.047 59，均趨近于0;決定系數(shù)與調(diào)整決定系數(shù)分別為0.997 7 和0.988 3，均趨近于1，說(shuō)明擬合效果較好，擬合方程能夠描述功耗隨刀寬與安裝角之間的變化趨勢(shì)。

圖10 擬合曲面Fig.10 Fitting surface

上述試驗(yàn)結(jié)果表明螺旋橫刀刀寬和安裝角均對(duì)組合旋耕刀輥的作業(yè)功耗影響顯著。當(dāng)?shù)秾挷蛔?，組合旋耕刀輥功耗隨著安裝角的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì);當(dāng)安裝角不變，組合旋耕刀輥功耗隨著刀寬的增加而增大。上述結(jié)果受動(dòng)態(tài)切土角及切土面積影響，可用于指導(dǎo)組合刀輥螺旋橫刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)采用輪軌運(yùn)轉(zhuǎn)式，集旋耕作業(yè)、耕深調(diào)節(jié)、土壤恢復(fù)等功能于一體，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小，具備可移動(dòng)性。以PLC 為主控單元，采用無(wú)線輸入的方式，以電力拖動(dòng)及伺服控制實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)功能，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無(wú)級(jí)調(diào)速，前進(jìn)速度調(diào)節(jié)范圍為0 ～1.17 m/s，旋耕工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0 ～340 r/min，耕深調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)最大30 cm 的深度調(diào)節(jié)。

(2)設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)通道可擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)特性好、操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)旋耕轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、旋耕扭矩以及作業(yè)功耗的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析等多項(xiàng)功能，滿足田間動(dòng)力參數(shù)測(cè)試需求。

(3)以前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速及耕作深度為因素，以作業(yè)功耗為指標(biāo)，對(duì)通用旋耕刀輥開(kāi)展了三元二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，分析了影響通用旋耕刀輥功耗的顯著性因素，并建立了功耗回歸方程。三因素對(duì)功耗的影響顯著性存在差異，顯著性由大到小分別為耕作深度、前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的交互。

(4)以螺旋橫刀刀寬、安裝角為因素，以作業(yè)功耗為指標(biāo)，對(duì)組合旋耕刀輥開(kāi)展了試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了曲面擬合，獲得了功耗與兩因素的二元三次曲面擬合方程。結(jié)果表明，螺旋橫刀刀寬及安裝角對(duì)功耗的影響顯著，當(dāng)?shù)秾挷蛔儠r(shí)，刀輥功耗隨著安裝角的增加呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢(shì)，當(dāng)安裝角不變時(shí)，刀輥功耗隨著刀寬的增加而增大。