單側筑埂機鎮壓筑埂裝置工作動力學參數測試與試驗

王金峰 林南南 王金武 黃會男 沈紅光 楊文盼

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

單側筑埂機鎮壓筑埂裝置工作動力學參數測試與試驗

王金峰 林南南 王金武 黃會男 沈紅光 楊文盼

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

為獲得筑埂作業時土壤對其關鍵部件鎮壓筑埂裝置的作用力，以1DSZ-350型懸掛式水田單側旋耕鎮壓修筑埂機筑埂裝置為研究載體，采用應變傳感器設計了鎮壓筑埂裝置動力學參數測試系統，并搭建動力學測試試驗臺。對鎮壓筑埂裝置的工作參數進行測試，以鎮壓筑埂裝置前進速度和轉速為試驗因素，以田埂成型過程中土壤對彈性羽片作用力和田埂堅實度為性能指標進行單因素試驗，獲得彈性羽片受土壤作用力、田埂堅實度與鎮壓筑埂裝置前進速度、轉速之間的關系。試驗結果表明：當鎮壓筑埂裝置轉速一定時，隨著機具前進速度的增加，土壤對彈性羽片作用力平均值增大，田埂堅實度減小，變化范圍分別為：2 838.1～5 695.2 N和2 250～1 680 kPa；當機具前進速度一定時，隨著鎮壓筑埂裝置轉速的增加，土壤對彈性羽片的作用力平均值與所筑田埂堅實度均增大，變化范圍分別為：3 203.8～5 990.3 N和1 460～2 180 kPa。經試驗驗證，工作參數測試系統的設計符合實際要求，為類似結構裝置的相關參數測試提供了參考。

筑埂機； 鎮壓筑埂裝置； 動力學測試； 試驗

引言

我國水稻種植需對大量水田進行灌溉和修筑田埂。田埂是水稻田間修筑的梯形土堤，用來分界和蓄水。筑埂是水稻生產過程中的耕整地環節，是水稻生產機械化的重要組成部分[1-2]?，F階段國內外學者對田埂的成型方法進行了一系列研究，張道林等[3]研制的1ZX-1型筑埂機，利用與梯形田埂相吻合的振壓成型輪對田埂進行壓實，主要依靠成型輪自身質量進行壓實，設計的振壓輪具有較大的質量；田麗梅等[4]針對鎮壓輥作業時的土壤粘附現象，設計出仿生的鎮壓輥，但這種鎮壓輥加工成本較高，鎮壓后土壤的緊實度不均勻、滾動阻力較大。郭志軍等[5]對不同觸土工作部件的力學特性進行性能研究，結果表明耕作部件觸土曲面準線和縱深比是影響工作阻力的2個重要因素。李寧等[6]設計研究的1ZG-320型水田筑埂機，通過筑埂輪上的筑埂盤片和筑埂輥對土壤進行壓實，筑埂輪按照田埂的外形設計，但田埂的堅實度難以保證。鎮壓筑埂裝置在實際作業時，會與土壤產生相對摩擦，并將關系到動力學研究，但現有文獻中很少有關于鎮壓筑埂裝置在工作過程中動力學參數測定的相關報道。

本文以1DSZ-350型懸掛式水田單側旋耕鎮壓修筑埂機為基礎，以鎮壓筑埂裝置為研究載體，綜合分析鎮壓筑埂裝置的結構、作業參數和土壤條件，設計鎮壓筑埂裝置工作參數的動力學測試試驗臺，測試其相關動力學參數，利用傳感器測試原理，獲得在滿足田埂堅實度的要求下，土壤對鎮壓筑埂裝置彈性羽片作用力的變化規律，建立數學模型，以探究鎮壓筑埂裝置在修筑田埂時，土壤與彈性羽片作用力、田埂堅實度與鎮壓筑埂裝置工作參數之間的關系，為整機設計及動力學求解提供試驗基礎。

1 鎮壓筑埂裝置動力學參數分析

1.1 鎮壓筑埂裝置的結構設計

鎮壓筑埂裝置主要由10片大小、形狀相同的彈性羽片(以下簡稱羽片)和壓土輥組成，如圖1所示。組合的羽片側面與所修筑田埂的側面相吻合，能更好地修筑田埂，確保其形狀；相鄰羽片之間呈臺階式均勻地疊加分布在鎮壓筑埂裝置的整個圓周上，在均衡了鎮壓筑埂裝置附著性與耐磨性的同時起到一定的振動壓實作用。

圖1 鎮壓筑埂裝置結構示意圖Fig.1 Structure diagram of compacting ridge device1.彈性羽片 2.壓土輥

由于筑埂機在潮濕、松軟且土壤含水率較高的水田田間作業，當鎮壓筑埂裝置上疊加的羽片旋轉接觸到土壤時，在其表面與土壤間切向力的作用下，羽片產生較大的切向彈性變形，隨著切向力的增加，切向變形相應增大，進一步增強了羽片與土壤接觸面間的“摩擦作用”，進而通過鎮壓筑埂裝置自身重力和旋轉動力將土壤壓實成具有一定形狀和一定堅實度的田埂，并且羽片的疊加對田埂側面實現周期性的振動拍打，進一步提高了所筑田埂的堅實度，滿足水田作業實際的農藝要求[7-9]。

根據文獻[10]，水田田埂標準上頂寬為300～400 mm，田埂高度為250～350 mm，下底寬為650～750 mm。結合農藝要求，設計鎮壓筑埂裝置的結構參數為：壓土輥直徑180 mm，鎮壓筑埂裝置外圓直徑800 mm，羽片厚度4 mm，單個羽片彎折角度150°。

1.2 鎮壓筑埂裝置的動力學分析

鎮壓筑埂裝置作業時由變速箱驅動作回轉運動，當鎮壓筑埂裝置勻速前進時，其受力情況如圖2所示。

圖2 鎮壓筑埂裝置受力分析示意圖Fig.2 Stress analysis of compacting ridge device

設壓土輥的長度為C，羽片和壓土輥的厚度為s，壓土輥的重力為W1，羽片組合體的重力為W2，則

W1=2πr1Csgρ

(1)

W2=2π(r1+r2)L1sρg+2π(r2+r3)Lsρg

(2)

式中ρ——鎮壓筑埂裝置材料密度，kg/m3r1——壓土輥半徑，mmr2——羽片彎折點繞z軸轉動回轉半徑，mm

r3——羽片端點繞z軸轉動的回轉半徑，mm

L1——羽片第Ⅰ段彎折區長度，mm

L——羽片第Ⅱ段彎折區長度，mm

為保證鎮壓筑埂裝置能夠向前滾動且無滑動，應滿足條件

Md>N1e+R1h+R2k+R3l+Mf

(3)

R1+R2+R3>T

(4)

其中R1=μ1N1R2=μ2N2sinθR3=μ3N3sinθ3

式中Md——鎮壓筑埂裝置主動力矩，N·mmT——機具對鎮壓筑埂裝置的作用力，NMf——軸承的摩擦力矩，N·mmR1——壓土輥與土壤接觸產生的摩擦力，NR2——羽片第Ⅰ段彎折區與土壤接觸產生的摩擦力，N

R3——羽片第Ⅱ段彎折區與土壤接觸產生的摩擦力，N

N1——土壤對壓土輥的壓力，N

N2——土壤對羽片第Ⅰ段彎折區的壓力，N

N3——土壤對羽片第Ⅱ段彎折區的壓力，N

e——N1作用點到y軸的距離，mm

h——R1作用點到x軸的距離，mm

k——R2作用點到x軸的距離，mm

l——R3作用點到x軸的距離，mm

θ——羽片第Ⅰ段彎折區與壓土輥端面的夾角，(°)

θ3——羽片第Ⅱ段彎折區與第Ⅰ段彎折區端面夾角，(°)

μ1——土壤與壓土輥之間的摩擦因數

μ2——土壤與羽片第Ⅰ段彎折區的摩擦因數

μ3——土壤與羽片第Ⅱ段彎折區的摩擦因數

羽片與土壤接觸面產生的摩擦力和土壤對羽片的作用力需要通過試驗獲得，土壤反作用力的測取對鎮壓筑埂裝置的強度校核、材料的選擇及結構的優化意義重大，所以為了研究土壤反作用力的變化規律，設計鎮壓筑埂裝置工作參數動力學測試系統。通過對鎮壓筑埂裝置進行動力學測試，為鎮壓筑埂裝置結構的優化和整機結構設計提供參考依據。

2 鎮壓筑埂裝置工作動力學參數測試系統

鎮壓筑埂裝置在修筑田埂實際過程中，由于其外側旋轉接觸土壤，土壤對其產生一定的摩擦力，因此，在動力學測試時很難將測試應變片粘貼在鎮壓筑埂裝置與土壤直接接觸一側上。羽片由平行于軸曲線的眾多縱向纖維組成，在發生彎曲變形時必然會引起靠近羽片內側的纖維伸長，靠近外側的纖維縮短，所對應的伸長量與縮短量大小相等。為了測試數據的穩定，選擇將應變片粘貼在鎮壓筑埂裝置內壁背離土壤一側，組成惠斯通全橋電路，通過感應的電壓變化量得到羽片受土壤作用力的變化情況。

2.1 動力參數測試系統設計

2.1.1 試驗儀器

試驗儀器包括由東方振動和噪聲技術研究所生產的型號為INV3018C-24的8通道信號采集儀與INV1861A型便攜式應變調理儀共同組成的信號采集處理系統；深圳市森瑞普電子有限公司生產的24通道過孔集流環連接傳感器導線，有利于信號的傳遞和防止連線纏繞。信號采集儀配有DASP-10軟件，便于輸出數據和曲線。

將鎮壓筑埂裝置工作動力學參數測試系統與土槽車連接，利用土槽車控制鎮壓筑埂裝置前進速度和轉速，如圖3所示。

圖3 鎮壓筑埂裝置工作動力學參數測試系統Fig.3 Test system of kinetic parameters of compacting ridge device1.TCC-Ⅲ型計算機監控輔助測試試驗土槽牽引車 2.三點懸掛裝置 3.鎮壓筑埂裝置 4.過孔集流環 5.INV1861A型便攜式應變調理儀 6.INV3018C-24型數據采集儀 7.計算機

當鎮壓筑埂裝置修筑田埂時受到土壤的作用力并使彈性羽片產生微小變形時，應變片傳感器組將變化的電壓信號傳至集流環，通過集流環將信號傳遞到INV1861A型便攜式應變調理儀上，經INV3018C-24型數據采集儀傳至上位機配套的DASP-10軟件獲得相應的應變曲線，分析作業過程中羽片受到土壤作用力的變化情況。

圖4所示為工作參數測試系統信號流圖，測試過程中，首先對鎮壓筑埂裝置羽片進行應變片的粘貼，為了獲得較高的測試靈敏度，應用全橋測試電路，依照單側鎮壓筑埂裝置作業時的實際工作狀況，對羽片受土壤作用力進行測試。

圖4 工作參數測試系統信號流圖Fig.4 Signal flow chart of test system of operating parameters

2.2 傳感器設計

通過對鎮壓筑埂裝置羽片的受力分析，選用單軸式應變片?？紤]羽片的應力分布狀態、作用力區域變化范圍等因素，為獲得較高的測試精度，正確地反映出被測點的真實應變，選用柵長尺寸較小的BX120-5AA型應變片[11]，其主要參數為：電阻(120±0.2)Ω，敏感柵尺寸5 mm×3 mm，靈敏系數(2.08±0.1)%。

為保證測試的精確性，設計的信號采集系統由5組BX120-5AA型應變片全橋式連接而成。由于鎮壓筑埂裝置在修筑田埂過程中，所筑田埂呈梯形，田埂側面對田埂的堅實度與穩定性起到重要的作用，因此，選用田埂中性面進行受力測試，應變片的布片位置位于鎮壓筑埂裝置羽片外邊緣至其半徑突變處的中心位置，采用劃線方式進行標準的定位并標號，如圖5所示。

圖5 鎮壓筑埂裝置應變片分布示意圖Fig.5 Distribution diagram of strain gauge of compacting ridge device

傳感器電橋連接方式如圖5a所示， R1、R2、R3、R4為相互補償的工作片，U1和U2分別為輸入和輸出電壓，通過電壓的變化反映鎮壓筑埂裝置羽片的應變，由于鎮壓筑埂裝置采用10片大小、形狀相同的羽片疊加而成，為了充分證明測試的廣泛性及減少相鄰羽片間測試信號的干擾，通過間隔式布片方式對5片羽片進行應變片的粘貼，圖5b為應變片貼片實物圖。

2.3 鎮壓筑埂裝置測試系統的標定

對梨花女子大學的課程設置進行分析，其中通識必修課程36學分，專業基礎課程22學分，專業深化課程60學分，專業必修課程9學分。在梨花女子大學教育工程學又分為不同的方向，每個方向學習的具體課程又有所不同。

為確保測試的正確性和準確性，減少測試過程中的系統誤差，在進行試驗之前需對傳感器進行靜態標定，確定標定曲線、靈敏度和各項交叉干擾度。

圖6所示為靜止狀態下鎮壓筑埂裝置動力學測試系統的標定。標定時，將鎮壓筑埂裝置安裝在筑埂機上，借助土槽車的三點懸掛將其升起離地面一定高度，并保持相對穩定。在被測羽片應變片粘貼位置的中心處，按土壤對羽片作用力的方向布置一根低彈性的線，通過調節線的方向與角度保持其與被測羽片垂直，模擬土壤對羽片作用力的實際方向。采用逐級加載法進行加載，開啟數據采集系統，逐級添加砝碼，每增加一個砝碼產生力F的增量ΔF。最后取力和應變增量的平均值計算理論值，尋找應變和力之間的對應關系。

圖6 鎮壓筑埂裝置測試系統標定Fig.6 Calibration diagram of test system of compacting ridge device

對采集的數據進行分析，得到的標定數據如表1所示。

表1 鎮壓筑埂裝置測試系統標定試驗數據Tab.1 Test data of calibration of test system of compacting ridge device

根據表1中的測試數據，得到施加力與應變平均值之間的變化關系，如圖7所示。施加力與應變平均值之間的關系式為

A=0.005b+0.102

(5)

式中A——應變平均值b——加載力，N

圖7 加載力與應變平均值關系曲線Fig.7 Relationship curve between loading force and strain mean value

應用式(5)可將儀器測量值轉換為鎮壓筑埂裝置工作過程中土壤對羽片的作用力。

3 土槽試驗

3.1 試驗材料與方法

本次試驗在黑龍江省農業機械工程科學研究院土槽實驗室內進行，為便于動力學參數的測定，根據水田的土壤狀況，處理土槽土壤堅實度為130～200 kPa，含水率為20%～30%。

為分析不同工作參數下鎮壓筑埂裝置羽片受土壤作用力變化規律，本文進行單因素試驗，選取鎮壓筑埂裝置前進速度和轉速為試驗因素，土壤對羽片作用力和田埂堅實度為性能指標。

3.2 鎮壓筑埂裝置應變測試曲線分析

試驗時，鎮壓筑埂裝置修筑田埂時受到土壤的作用力使彈性羽片產生微小變形，通過動態應變儀實時傳至上位機，運用DASP-10軟件顯示相應的受力波形，獲得應變與運動時間之間的變化曲線。

對測試得到的應變曲線加以分析，圖8所示為機具前進速度0.8 km/h和鎮壓筑埂裝置轉速320 r/min，采樣時間為2.0～4.5 s時，獲得1～5號羽片的應變曲線。分析可得，鎮壓筑埂裝置旋轉一周時，由于羽片與土壤接觸產生應變的變化，測試羽片受土壤作用力從零增加到最大再逐漸減小到零，因此，土壤對羽片的作用力只存在于羽片與土壤接觸這段時間。

圖8 鎮壓筑埂裝置1～5號羽片受土壤作用力應變曲線Fig.8 Strain curves of soil on pinnae 1～5 of compacting ridge device

圖9為5號羽片應變曲線，應變周期約0.4 s。一個周期前0.2 s測試羽片未與土壤接觸，應變在一個穩定值附近波動，后0.2 s羽片瞬間與土壤產生接觸，應變隨著接觸面積的增加應變值逐漸變大。

圖9 鎮壓筑埂裝置5號羽片受土壤作用力應變曲線Fig.9 Strain curve of force of soil on pinna 5 of compacting ridge device

由于后一個羽片開始接觸土壤時，前一羽片尚未完全脫離土壤，相鄰測試羽片之間產生了力的擾動，導致應變峰值有一個瞬間跳躍階段，羽片入土最深、接觸面積最大時產生的應變最大，羽片出土應變的變化與入土過程恰好相反。由式(5)可知，羽片在與土壤接觸面積最大且入土最深時受到土壤的作用力最大。

4 試驗結果與分析

4.1 前進速度對羽片受土壤作用力和田埂堅實度的影響

當鎮壓筑埂裝置轉速為320 r/min，前進速度為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 km/h時，土壤對羽片作用力平均值和田埂堅實度，如表2所示。

表2 不同前進速度下羽片受土壤作用力平均值與田埂堅實度Tab.2 Average values of force of soil on pinna and ridge solidity at different forward speeds

試驗結果表明，隨前進速度的增加，羽片受土壤作用力平均值增大，田埂堅實度減小。當前進速度為0.8～1.2 km/h時，羽片受土壤作用力平均值增加和田埂堅實度降低的趨勢均比前進速度為0.4～0.8 km/h時較為緩慢。

土壤對羽片作用力隨前進速度變化的回歸方程為

y=-3 051x2+8 365x+6.76 (R2=0.996)

(6)

田埂堅實度隨前進速度變化的回歸方程為

y=303.5x2-1 180x+2 664 (R2=0.994)

(7)

當前進速度變化時，鎮壓筑埂裝置羽片受土壤作用力隨前進速度增加而增大，田埂堅實度隨前進速度增加而減小。

4.2 轉速對羽片受土壤作用力和田埂堅實度的影響

當鎮壓筑埂裝置前進速度為0.8 km/h，轉速為280、300、320、340、360 r/min時，土壤對羽片作用力平均值和田埂堅實度，如表3所示。

表3 不同轉速下羽片受土壤作用力平均值與田埂堅實度Tab.3 Average values of force of soil on pinna and ridge solidity at different rotation speeds

試驗結果表明，鎮壓筑埂裝置羽片受土壤作用力和田埂堅實度均隨轉速的增加而增大。

羽片受土壤作用力隨轉速變化的回歸方程為

y=-0.153x2+131.0x-21 377 (R2=0.983)

(8)

田埂堅實度隨轉速變化的回歸方程為

y=-0.010x2+16.25x-2 266 (R2=0.992)

(9)

當鎮壓筑埂裝置轉速變化時，羽片受土壤作用力和田埂堅實度均隨著轉速的增加而增大。

綜上所述，通過動力學參數測試系統對鎮壓筑埂裝置進行動力學參數測定和分析，獲得了羽片受土壤作用力的變化規律。土壤對羽片的作用力反映在田埂堅實度上，當鎮壓筑埂裝置轉速一定時，隨著前進速度的增加，羽片在單位距離上對田埂振動拍打次數減少使得堅實度較小，但受到土壤的作用力因收集土量的增加而增大；當鎮壓筑埂裝置前進速度一定時，隨著轉速的增加，羽片在單位距離上對田埂振動拍打次數增多使得田埂的堅實度增大，受土壤作用力也相應增大。

5 結論

(1)設計了鎮壓筑埂裝置工作參數動力學測試系統，以單側鎮壓筑埂裝置為研究對象，驗證了系統的適用性和可靠性，為鎮壓筑埂裝置動力學參數的獲取與材料的選擇提供了可行的方法和依據。

(2)利用設計的鎮壓筑埂裝置工作參數動力學測試系統對鎮壓筑埂裝置進行動力學參數測試，以鎮壓筑埂裝置前進速度和轉速為試驗影響因素，獲得了土壤對羽片的作用力、田埂堅實度與因素之間的變化規律。試驗結果表明：隨著前進速度的增加，土壤對羽片作用力平均值增大，田埂的堅實度減小，變化范圍分別為2 838.1～5 695.2 N和2 250～1 680 kPa；隨著轉速的增加，土壤對羽片作用力平均值與所筑田埂堅實度均增大，變化范圍分別為3 203.8～5 990.3 N和1 460～2 180 kPa。在滿足田埂堅實度的條件下，轉速對羽片受土壤作用力的影響較顯著。

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Design and Experiment on Working Dynamics Parameters of Single-side Ridger

WANG Jinfeng LIN Nannan WANG Jinwu HUANG Huinan SHEN Hongguang YANG Wenpan

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

The object was to obtain the forces of soil on compacting ridge device of ridger when operating. Taking 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field as research carrier, a kinetic parameters measurement system was designed for compacting ridge device using strain sensor, and a kinetic test bench was set up. The operation parameters of compacting ridge device were measured, and the variation rules of the force of soil on pinnae, and the relationships between ridge compaction and forward speed and rotation speed of compacting ridge device were obtained, which was carried out through single factor experiment with the forward speed and rotation speed of compacting ridge device as experiment factors, the force of soil on pinnae and the compaction of ridge in the process of building ridge as experiment indicators. The results showed that when the rotation speed of compacting ridge device was fixed , with the increase of forward speed of machinery, the average value of force of soil on pinnae was increased, and the compaction of ridge was decreased, which was in the range of 2 838.1～5 695.2 N and 2 250～1 680 kPa, respectively. When the forward speed of machinery was fixed, the average value of force of soil on pinnae and the compaction of ridge were increased with the increase of rotation speed of compacting ridge device, which was in the range of 3 203.8～5 990.3 N and 1 460～2 180 kPa, respectively. According to the test results, the test system for operation parameters of compacting ridge device can meet the requirements, which can provide important reference for the relevant parameters test of similar device.

ridger； compaction ridge device； kinetic test； experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.008

2017-01-20

2017-02-06

國家重點研發計劃項目(2017YFD0701105、2016YFD0300909-04)和東北農業大學“學術骨干”項目(16XG09)

王金峰(1981—)，男，副教授，博士，主要從事田間作業機械研究，E-mail： jinfeng_w@126.com

王金武(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事田間作業機械和可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

S222.5+3

A

1000-1298(2017)08-0081-06