黃佳瑜，張大斌

（550000 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

土壤機械阻力是土壤的一個重要力學性質(zhì)，與土壤的水分含量、耕性、容重、可塑造性等土壤的物理特性密切相關(guān)，而土壤的相關(guān)物理特性又與農(nóng)作物產(chǎn)量有著直接的聯(lián)系，并且對農(nóng)業(yè)機械的使用性能有很大的影響[1]。所以對土壤機械阻力的測試是非常有必要的。

各種農(nóng)機具在耕作時，耕作部件向前運動會使土壤產(chǎn)生多種復合的形變，如壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切等，土壤就會反作用于耕作部件上，即土垡變形阻力；鏟刃切入土壤時，使土壤分離，出現(xiàn)各種形式的破裂，即鏟刃的切削阻力；耕作部件運動時，土垡隨之運動，在它們的接觸面上產(chǎn)生動壓和內(nèi)摩擦等阻力；耕作部件離開土壤時，在其表面的土垡會被拋射一定的距離而產(chǎn)生阻力；耕作時，耕作層的土壤會和下層的土壤產(chǎn)生位移變換，這一過程會產(chǎn)生阻力。這些阻力共同構(gòu)成了土壤機械阻力，作用在耕作部件上，影響其耕作作業(yè)[2]。

目前測量土壤機械阻力的方法有4 種：非連續(xù)測量法、連續(xù)測量法、遙測法以及間接測量法。非連續(xù)測量法：Tollner 等[3]研制出由計算機控制的圓錐儀，可測量圓錐指數(shù)和應(yīng)力松弛度；Prather等[4]開發(fā)了一種可單人操作的土壤圓錐指數(shù)儀，可連續(xù)測量與記錄；胥芳等[5]結(jié)合已有成果，研制出了一種機電一體式的靜載土壤承壓儀，它能消除側(cè)向力，從而更加精確地測量出土壤的機械阻力。連續(xù)測量法：Keen 等[6]通過測量拉桿牽引裝置在犁上的牽引力，測量土壤的機械阻力；Adamchuk等[7]通過粘貼在垂直刀片上的應(yīng)變片測量土壤的機械阻力；Sirjacobs 等[8]通過八角環(huán)力傳感器測量土壤耕作部件的水平力、垂直力以及彎矩。遙測法：Wells 等[9]嘗試利用此方法測得土壤機械阻力，測量結(jié)果波動較大，不能確定具體數(shù)值；羅錫文等[10]利用微波反射效應(yīng)，通過發(fā)射微波和接收反射波測量土壤的機械阻力，由示波器顯示并記錄測量數(shù)據(jù)。間接測量法：Ohu 等[11]通過測量土壤的顆粒密度、容重、水分含量以及體積系數(shù)來間接測算土壤的機械阻力；Koostra 等[12]則通過測量土壤的通氣率從而間接測算土壤機械阻力。

現(xiàn)今采用的土壤機械阻力測量方法都會對土壤的表面造成破壞，影響后續(xù)耕作。在4 種測量方法中，最常用的是連續(xù)測量法，而遙測法和間接測量法還處于理論研究階段。隨著科技不斷發(fā)展以及精準農(nóng)業(yè)對土壤阻力的要求，遙測法和間接測量法將不斷得到應(yīng)用，因為這2 種方法不接觸土壤，不會對土壤表面造成破壞，比連續(xù)和非連續(xù)測量法更具優(yōu)勢。

本文分析了國內(nèi)外土壤機械阻力測量的各種方法，通過試驗對比，并結(jié)合平面力的測量原理、虛擬儀器技術(shù)和單片機技術(shù)，使用連續(xù)測量法設(shè)計了一種基于STM32F103 單片機控制，由應(yīng)變片傳感器、惠斯登電橋、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換等模塊構(gòu)成的深松鏟工作平面阻力測量系統(tǒng)。

1 深松鏟工作平面阻力測量方法及對比試驗

1.1 深松鏟平面阻力測量方法

深松鏟所受到的平面阻力為彎矩，彎矩的計算有2 種方法：

（1）測量方法1（直接計算法）

由材料力學可知[13]，彎矩M有

式中：F——外力；d——力臂。

（2）測量方法2（連續(xù)測量法）

先測量得到所測對象的應(yīng)變，再根據(jù)彎矩和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系求得彎矩為[13]

式中：E——彈性模量；ε——應(yīng)變；b——被測對象截面的寬度；h——被測對象截面的厚度。

測量方法2 為本測量系統(tǒng)的原理，先使用應(yīng)變片傳感器測得深松鏟的應(yīng)變值，再計算得到彎矩。

1.2 彎矩測量對比實驗

根據(jù)彎矩測量的兩種方法設(shè)計了一個試驗，對這2 種方法測量得到的彎矩進行對比分析。由于鋤頭的中軸線與受力點不平行，受壓時會產(chǎn)生彎矩，所以選取鋤頭為測試對象，對其進行壓縮試驗，計算得到鋤頭所受的最大彎矩。

1.2.1 試驗設(shè)備

試驗中使用的儀器設(shè)備如圖1 所示，包括：貴州大學機械工程學院實驗室的力學試驗機及相關(guān)設(shè)備、鋤頭、刻度尺。

1.2.2 試驗過程

試驗選取4 000 N的力作用在鋤刃和鋤柄連接處，使其產(chǎn)生彎曲變形。利用力學試驗機測量鋤刃應(yīng)變，試驗過程：（1）啟動試驗機，運行EVOTest；（2）選擇試驗標準為“壓縮試驗”；（3）新建試驗，輸入鋼號、試驗批號、試驗日期、試驗人、試件形狀和尺寸等相關(guān)信息；（4）安裝試件，將鋤頭的工作頭部放置在下夾頭，鋤刃和鋤柄連接處放置在上夾頭；（5）調(diào)節(jié)橫梁到合適位置，橫梁向上移動為正方向，位移增加，反之減??；（6）選擇閉環(huán)力控制方式。根據(jù)試驗要求，設(shè)置力保持值為4 000 N，并對力的速度和預緊速度進行設(shè)置，如圖2 所示；（7）試驗開始，按下控制面板上的“開始”按鈕；（8）試驗結(jié)束，系統(tǒng)給出力-變形、變形-時間、力-時間、應(yīng)力-應(yīng)變等曲線。其中力-變形、應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖3、圖4 所示。

圖2 力值保持控制Fig.2 Force holding control

圖3 力-變形曲線Fig.3 Force-deformation curve

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve

當鋤頭受到最大力4 003.2 N 時，通過EVOTest 系統(tǒng)得到的曲線及數(shù)據(jù)可知，鋤頭為彈性變形，并且沒有出現(xiàn)明顯拐點，應(yīng)變隨應(yīng)力呈階梯式增長，產(chǎn)生了最大變形量ΔLmax=0.8 mm、最大應(yīng)力σmax=40 MPa。

1.2.3 試驗數(shù)據(jù)與分析

（1）采用方法1 計算彎矩：鋤頭受力彎曲的截面可以看作矩形，故鋤頭受到的最大彎矩Mmax=F×h/2=8.01 N·m。

（2）采用方法2 計算彎矩：鋤頭中心截面寬度b=57.2 mm,厚度h=4.0 mm,ΔLmax=0.8 mm,σmax=40 MPa。由于鋤頭是彈性變形，則有

式中：L——鋤頭長度，L=167.0 mm。

可得彎矩Mmax=6.10 N·m

對比方法1、方法2 測得的彎矩值可知，方法1 的彎矩較大。這是因為方法2 的參數(shù)較多，結(jié)果受到多種因素的影響：（1）彈性模量。不同材料的彈性模量不同，如碳鋼的彈性模量為196～ 216 GPa、合金鋼的為186～206 GPa、灰鑄鐵的為78.5～157 GPa 等[14]；（2）溫度。溫度上升抗拉伸壓縮變形能力變?nèi)?、彈性模量降低，導致總體力學性能降低；（3）鋤頭表面損傷程度。從外觀上可以看出鋤頭的表面受到銹蝕，銹蝕損傷使得金屬表面產(chǎn)生其他成分，如Fe2O3會大大降低鋤頭的力學性能，導致鋤頭彈性模量的計算值比實際金屬材料的彈性模量值低[14]。以上諸多因素導致計算的彎矩值小。

除了上述影響因素外，儀器誤差和測量誤差也會對最終計算的彎矩值產(chǎn)生一定影響。但對于方法1，只需要知道載荷大小和力臂即可算出彎矩值，其值偏理想化，不太適用于實際的彎矩計算。對于深松鏟工作平面阻力的測量，由于是在田間測量并且深松鏟的種類多樣，所以采用先測得應(yīng)變再計算得到彎矩值的方法更加精準。

2 深松鏟工作平面阻力測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 深松鏟工作平面阻力測試系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)工作原理圖如圖5 所示。深松鏟在工作時，可視為多個力施加在深松鏟與土壤的接觸面上，這些力產(chǎn)生的應(yīng)變會在深松鏟上某一點處產(chǎn)生疊加，所以在該點處粘貼應(yīng)變片即可測量出土壤應(yīng)力從土層表面向下到深松鏟尖端引起的應(yīng)變[15]，即

圖5 系統(tǒng)工作原理圖Fig.5 System working principle diagram

測得的電阻相對變化ΔR/R非常小，一般是μV 級別，需用測量電路將對電阻相對變化的測量轉(zhuǎn)換成對電壓或電流的測量。本系統(tǒng)采用的是半橋差動電橋測量電路，得到電橋輸出電壓為[16-17]

由于輸出的電橋信號十分微弱，為μV 級電壓信號，需使用放大器將信號放大，以便精確測量。放大電路輸出的電壓U0為

經(jīng)放大電路放大的信號是模擬信號，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號發(fā)送至STM32 單片機，經(jīng)單片機計算分析，結(jié)果存儲在SD 卡，通過通訊電路將結(jié)果發(fā)送至計算機[18-20]。

最終測得應(yīng)變?yōu)?/p>

由材料力學公式知[13]

可得彎矩M為

2.2 系統(tǒng)組成

深松鏟工作平面阻力測試系統(tǒng)示意圖如圖6 所示，系統(tǒng)由硬件和軟件系統(tǒng)組成，具有數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲、通信和數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)硬件部分主要有深松鏟、應(yīng)變片傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、SD 卡、RS-485 通信和計算機等。軟件部分，程序采用C 語言編寫，主要包含初始化程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、SD 卡存儲程序以及RS-485通訊系統(tǒng)程序設(shè)計等。

圖6 深松鏟工作平面阻力測試系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of deep subsoiling shovel working plane resistance test system

3 結(jié)論

（1）本文基于深松鏟的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和單片機技術(shù)，設(shè)計一種由硬件和軟件組成的深松鏟阻力測試設(shè)備。測試系統(tǒng)是以STM32F103為控制中心的測量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用應(yīng)變片工作原理，通過測量電路將電阻相對變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后利用軟件將電壓信號轉(zhuǎn)換成所要測得的物理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在SD 卡并顯示于計算機，實現(xiàn)深松鏟阻力實時測量及存儲功能。

（2）根據(jù)深松鏟工作時的受力分析，對比2種測量彎矩方法，得出先測應(yīng)變再得到彎矩值的方法即連續(xù)測量法更好，設(shè)計出由硬件和軟件系統(tǒng)組成的深松鏟工作平面阻力測試系統(tǒng)，通過改變傳感器，就可實現(xiàn)功率、溫度、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的采集。

由于時間和條件的限制，本系統(tǒng)未能進行現(xiàn)場測試，在以后的工作中還需進一步完善研究。