王華澤 李光 李明森 侯錫彬 趙春凱 楊晶

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130021)

引言

保護性耕作技術(shù)具有防止土壤風(fēng)蝕水蝕，增加有機質(zhì)含量，培肥地力，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保護耕地生態(tài)環(huán)境的作用[1,2]。隨著保護性耕作進程的深入和推進，保護性耕作由原來單一的免耕技術(shù)向著包括條帶耕作、覆混耕作、垂直耕作等少免耕技術(shù)進行多樣性發(fā)展，對相應(yīng)的配套機具作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率提出更高的要求[3]。

圓盤耙片作為耕整地機械的關(guān)鍵部件，具有切割、側(cè)推、翻轉(zhuǎn)和松碎土垡的作用，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著機具作業(yè)的整體效果[4,5]。耙片偏角作為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，對圓盤耙整機的耕深穩(wěn)定性和耙片的入土性能有著顯著影響[6,7]。為了進一步提高整機的作業(yè)性能和工作效果，需要了解圓盤耙單體工作過程中所受土壤三向反力隨著不同偏角條件變化的規(guī)律。本文通過設(shè)計具有偏角調(diào)節(jié)功能的圓盤耙單體，在土槽實驗室進行力學(xué)試驗，利用三分力傳感器獲取耙片所受土壤三向力變化情況數(shù)據(jù)，為耙片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和聯(lián)合整地機設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

1 耙片單體設(shè)計

1.1 單體結(jié)構(gòu)

為了讓圓盤耙單體在具有偏角調(diào)節(jié)功能同時，也具備良好的通過性、緩沖性、安裝便捷性，本圓盤耙單體設(shè)計時分為7個部分，分別由上蓋板、限位板、角度主板、C型彈簧、傳感器、下合板、耙片組成，如圖1所示。

圖1 圓盤耙單體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

傳感器和下合板通過4個長螺栓固定在主梁上，角度調(diào)節(jié)板通過內(nèi)六角螺栓與傳感器連接，然后用一根螺栓將上蓋板、限位板、C型彈簧和角度調(diào)節(jié)板連接，作為角度調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸，再用螺栓將C型彈簧和限位板固定，作為一個連接整體一起圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，最后利用螺栓將限位板后端調(diào)節(jié)孔和角度調(diào)節(jié)板的調(diào)節(jié)孔進行連接，如圖1所示。角度主板上有不同調(diào)節(jié)孔位，每一個孔位代表一個度數(shù)，當(dāng)需要調(diào)解時，使限位板后端孔位與角度調(diào)節(jié)板上所需孔位對齊即可完成調(diào)節(jié)，如圖2所示。圓盤耙單體與傳感器屬剛性連接，耙片工作過程中所受土壤反力通過C型彈簧的變形及受力被傳感器感知與收集。

圖2 角度調(diào)節(jié)板示意圖

1.3 試驗臺架

設(shè)計制造試驗臺架作為機車與圓盤耙單體連接平臺，完成圓盤耙片單體的力學(xué)測試試驗。根據(jù)耙片試驗要求，試驗臺架結(jié)構(gòu)參數(shù)：三點懸掛尺寸、高度調(diào)節(jié)范圍、耙片偏角調(diào)節(jié)范圍總體符合土槽作業(yè)條件，試驗臺架示意圖如圖3。

圖3 試驗臺架示意圖

1.4 工作特點

圓盤耙片通過偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)耙片的偏角的調(diào)節(jié)功能，結(jié)構(gòu)參數(shù)偏角的不同使得耙片可以調(diào)節(jié)入土性能和切割土垡的效果。

圓盤耙片與C型彈簧連接通過帶角度的過度板進行連接，使得耙片具有固定的傾角，傾角保證耙片在工作過程中具有側(cè)翻性能。

圓盤耙單體通過C型彈簧將耙片與主梁進行連接，使得圓盤耙與主機架之間的連接不是純剛性連接，而是柔性連接，起到緩沖、減震的作用，解決耙片在遇到較硬土壤或者有石塊的耕地作業(yè)時對耙片造成的損壞，提高圓盤耙片的使用壽命。

圓盤耙單體的工作深度的調(diào)節(jié)依靠機車的液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)試驗臺架三點懸掛點來實現(xiàn)。

1.5 工作參數(shù)

設(shè)計的圓盤耙片單體安裝在試驗臺架上組成圓盤耙試驗樣機，其工作參數(shù)如表1。

表1 試驗樣機參數(shù)

1.6 采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共由三分力傳感器，如圖4，三通道信號放大器，USB數(shù)據(jù)采集卡，24V直流電源和筆記本電腦組成，如圖5。

圖4 三分力傳感器

圓盤耙單體在采集土壤三向力的過程中，先通過傳感器將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化成電壓值信號，然后通過三通道放大器，將轉(zhuǎn)化的電壓信號進行放大，再將放大后的信號傳輸進USB數(shù)據(jù)采集卡中，最后通過數(shù)據(jù)采集卡傳入到PC筆記本中，利用PC端軟件完成三向力的測量，以及數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)保存，如圖6、圖7。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖

圖6 控制示意圖

圖7 控制流程圖

2 試驗

2.1 試驗條件及設(shè)備

本次試驗地點選擇在吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院土槽實驗室，土槽長寬分別為50m和3m；動力牽引裝置為土槽試驗車，總牽引動力110kW；試驗臺架幅寬1.2m，如圖8。土槽實驗室土壤環(huán)境條件如表2所示。

表2 試驗前土壤檢測指標(biāo)

圖8 土槽試驗臺架

本次力學(xué)測試選用的圓盤耙片為意大利馬斯齊奧的耙片[8]，直徑610mm，厚度6mm,曲率半徑為850mm,缺口大小90mm×44mm，連接方式為C型彈簧連接，如圖9。

圖9 耙片

2.2 試驗方案

試驗方案采用保持作業(yè)速度V=5km·h-1，作業(yè)深度H=100mm 2個作業(yè)影響因素不變的情況下，讓耙片偏角等梯度增加，測試土壤三向反力隨耙片偏角變化的規(guī)律。耙片偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)的偏角調(diào)節(jié)范圍為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，每調(diào)節(jié)一個偏角，試驗重復(fù)3次取平均值[9,10]。

土槽實驗室內(nèi)的土槽總長度共50m，牽引機車在土槽里運動分為3個階段：加速階段、穩(wěn)定階段、剎停階段。通過測量，牽引機車從起始點到加速到5km·h-1大約需要20m，剎停距離大約需要10m，每次數(shù)據(jù)采集位置為起始點開始25m處，打開數(shù)據(jù)采集軟件開始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過10m的采集距離后，結(jié)束數(shù)據(jù)采集，并保存數(shù)據(jù)。待機車剎停之后，安裝臺架連同裝置一同抬起，并反向運動到起始點，將調(diào)節(jié)裝置在安裝橫梁上進行450mm橫向串動，避開上次測量時留下的深溝，并準(zhǔn)備好下一次試驗。每2次試驗后對土槽內(nèi)的土壤進行平整鎮(zhèn)壓，并對土壤相關(guān)指標(biāo)進行測量，保證每次試驗條件的一致性。

2.3 結(jié)果與分析

將采集好的數(shù)據(jù)進行處理，去除無效數(shù)值，求取3次試驗的平均值，如表3。在V=5m·s-1,H=100mm保持不變的條件下，土壤的牽引阻力Fx隨著偏角的增加先減少后增加，在偏角a=25°左右達到穩(wěn)定值，如圖10；土壤的側(cè)向力Fy隨著偏角的增加而增加，在偏角a=25°左右達到穩(wěn)定值，如圖11；土壤的垂直反力Fz隨著偏角的增加而減少，如圖12。土壤反力與偏角之間的曲線關(guān)系說明,在滿足耙片入土性能和耕深穩(wěn)定性前提下，應(yīng)該使用最小的偏角，以減少總功率消耗。

表3 不同偏角條件下的土壤三向反力

圖10 V=5m·s-1,H=100mm土壤牽引阻力隨偏角變化曲線

分析產(chǎn)生原因，耙片所受土壤牽引阻力和側(cè)向力隨著偏角加大，切土寬度增加，耙片背部與土壤接觸面積增大，來自土壤的反向擠壓力增加，消耗總功率增大，造成牽引阻力和側(cè)向力增加。隨著耙片偏角增加，在機具總重量不變的條件下，耙片切土性能增強了，說明垂直反力在減小。耙片在偏角a=-25°左右范圍作業(yè)時，耙片所受土壤三向反力與背部承受土壤壓力達到相對平衡，可使耙片保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖11 V=5m·s-1,H=100mm土壤側(cè)向力隨偏角變化曲線

圖12 V=5m·s-1,H=100mm土壤垂直反力力隨偏角變化曲線

3 結(jié)論

利用C型彈簧、角度調(diào)節(jié)板、壓板、限位板和三分力傳感器組成的耙片連接件與缺口耙片組成圓盤耙單體，此圓盤耙單體可以實現(xiàn)0°～30°范圍偏角調(diào)節(jié)功能。

通過在土槽實驗室進行耙片單體偏角對土壤反力影響規(guī)律的試驗，得出在作業(yè)速度V=5km·h-1，作業(yè)深度為100mm條件下,土壤三向反力隨耙片偏角的變化規(guī)律為土壤的牽引阻力Fx隨著偏角的增加先減少后增加，在偏角a=25°左右達到穩(wěn)定值；土壤的側(cè)向力Fy隨著偏角的增加而增加，在偏角a=25°左右達到穩(wěn)定值；土壤的垂直反力Fz隨著偏角的增加而減少。耙片在偏角a=-25°左右范圍作業(yè)時，可使耙片保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。土壤反力與偏角之間的曲線關(guān)系說明，在滿足耙片入土性能和耕深穩(wěn)定性前提下，應(yīng)該使用最小的偏角，以減少總功率消耗。此結(jié)論為耙片單體的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和整機設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。