賈洪雷 羅曉峰 王文君 趙佳樂 郭明卓 莊 健

(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130025；2.吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院， 長春 130025)

滑動耕作部件作業(yè)阻力測試裝置設計與試驗

賈洪雷1,2羅曉峰1,2王文君1,2趙佳樂1,2郭明卓1,2莊 健1,2

(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130025；2.吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院， 長春 130025)

針對農(nóng)業(yè)機械滑動耕作部件(如深松鏟、起壟鏟等)田間作業(yè)時阻力采集困難和相關(guān)阻力測試裝置結(jié)構(gòu)復雜、維護使用成本高、缺乏過載保護等問題，設計了一種滑動式耕作部件作業(yè)阻力測試裝置(TRTD)。TRTD包括部件安裝庫、扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)主軸、定位盤和編碼器等，并以雙翼型深松鏟為例，建立了包含修正系數(shù)k與扭簧轉(zhuǎn)角θ、耕深H、耕速v、土壤容積密度ρ、深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)等換算關(guān)系的耕作阻力測試方法，與傳統(tǒng)三點式作業(yè)阻力測試系統(tǒng)(TTD)在6組耕作條件下進行了土槽對比試驗。試驗通過F檢驗和T檢驗(α=0.05)得出2種測試裝置測量值總體方差相同和均值一致。精度分析結(jié)果表明TRTD相比于TTD的最大相對誤差為1.34%，波動性分析結(jié)果表明TRTD與TTD的波動幅值比較接近，兩者最大相對偏差都不超過5%。TRTD滿足阻力測試裝置的精度和穩(wěn)定性要求，能保證作業(yè)阻力采集的同時，具有過載保護功能。

耕作阻力; 測試裝置; 深松鏟; 設計; 試驗

引言

耕整作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是以翻耕、深松和起壟等為主要方式進行作業(yè)[1-3]。耕整作業(yè)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤透氣性和透水性，提高土壤肥力等，其主要目的是為農(nóng)作物播種、栽植創(chuàng)造良好的苗床條件[4-6]。

耕整作業(yè)是田間耕作中最基本的作業(yè)，也是機械化作業(yè)中消耗能量最大的作業(yè)項目之一[7-8]。耕作部件設計制造時，作業(yè)阻力是衡量其性能的主要技術(shù)指標[4,9-10]。因此，耕作部件阻力的實時精確測量對于耕作部件的優(yōu)化設計至關(guān)重要。

為了準確測量部件的作業(yè)阻力，國內(nèi)外有許多學者進行了關(guān)于阻力測試裝置的研究。MCKYES等[11]通過壓力計與液壓裝置組合設計了一種多連桿田間測試裝置，對鑿型鏟的水平阻力進行了測試；趙金輝等[12-13]應用六分力測試裝置與液壓系統(tǒng)設計了開溝器性能測試裝置，實現(xiàn)了開溝器的空間力學性能參數(shù)測試；鄭海燕[14]設計了五連桿配套連接的農(nóng)機具入土部件性能測試裝置，通過在柵條上粘貼應變片和搭建測試電橋?qū)ㄉ斋@機柵條的受力情況進行了測試；ARRIVO等[15]設計了一種田間牽引式農(nóng)機具多功能測試裝置，應用應變式傳感器對農(nóng)機具的牽引阻力進行了測試；WATTS等[16]設計了一種移動式阻力測試裝置及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過壓力傳感器能夠測量農(nóng)機具工作時的牽引力；朱克亮[17]研發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的壓力傳感器測力系統(tǒng)，對淺松鏟進行了田間阻力測試；王景立等[18]采用八角環(huán)傳感器測試了弧形深松鏟的受力情況，為弧形深松鏟的進一步優(yōu)化設計提供了依據(jù)；IBRAHMI等[19]設計了一種角度可調(diào)式的阻力測試裝置，用八角環(huán)傳感器進行了犁板的阻力測試。

上述研究對耕作阻力測試裝置的發(fā)展做出了很大貢獻，但仍存在一些不足和問題，如：常用的測力傳感器(壓力傳感器、八角環(huán)傳感器)采用應變式傳感器，需要校準，定期維護，在發(fā)生過載時極易損毀，對使用環(huán)境要求較高，且測試系統(tǒng)往往采用復雜的多連桿結(jié)構(gòu)，縱向尺寸過長。為此，本文基于扭轉(zhuǎn)彈簧特性，設計一種滑動式耕作部件作業(yè)阻力測試裝置(簡稱測試裝置，TRTD)，該裝置采用絕對式角位移傳感器，通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系，進行耕作阻力的測量，將傳統(tǒng)的測力點從拖拉機的三點懸掛位置轉(zhuǎn)移到農(nóng)機具的機架位置，解決縱向結(jié)構(gòu)尺寸過長的問題，且具有耕作阻力過載保護部件的優(yōu)點。

1 測試裝置整體結(jié)構(gòu)設計

測試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由部件安裝庫、扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)主軸、定位盤和編碼器等部分組成。測試裝置通過U型螺栓與作業(yè)機具的機架連接，耕作部件固定在部件安裝庫內(nèi)，部件安裝庫固定設置在旋轉(zhuǎn)主軸上，固定定位盤卡在部件安裝庫的方管內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧設置在固定定位盤和旋轉(zhuǎn)定位盤之間，旋轉(zhuǎn)主軸的一端通過聯(lián)軸器連接編碼器。測試裝置通過對稱設置的扭轉(zhuǎn)彈簧，由絕對式角位移編碼器進行主軸旋轉(zhuǎn)時角度變化量的測量，通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，結(jié)合力學平衡公式，換算出耕作部件作業(yè)時水平耕作阻力的大小。

圖1 耕作部件作業(yè)阻力測試裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of tillage resistance testing device1.機架 2.帶座軸承 3.U型螺栓 4.扭轉(zhuǎn)彈簧 5.絲杠座 6.固定定位盤 7.旋轉(zhuǎn)定位盤 8.主軸 9.編碼器 10.聯(lián)軸器11.部件安裝庫 12.耕作部件

阻力測試裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)會對其工作性能產(chǎn)生顯著影響，因此本文需要合理設計其結(jié)構(gòu)參數(shù)。測試裝置的設計需要確定扭簧、定位盤、編碼器等主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

1.1 扭轉(zhuǎn)彈簧

測試裝置的扭簧參數(shù)是由耕作部件的作業(yè)阻力大小決定的。耕整地作業(yè)時，不同耕作部件具有不同的耕作阻力[4]。同一耕作部件在不同耕深耕速、不同地塊條件下，耕作阻力也有明顯的差異[4,20]。測量耕作阻力時，扭簧剛度系數(shù)太小，容易造成扭簧疲軟，導致耕作部件無法正常工作；而扭簧剛度系數(shù)過大，造成彈簧結(jié)構(gòu)太大使測量精度下降。本文所設計的阻力測試裝置用來測量耕作部件的水平耕作阻力，扭簧參數(shù)應與耕作部件作業(yè)阻力相匹配。因此，可通過耕作部件受力分析確定扭轉(zhuǎn)彈簧的最大工作狀態(tài)。

深松作業(yè)是重要的耕作作業(yè)環(huán)節(jié)，也是作業(yè)阻力最大的滑動耕作環(huán)節(jié)，對深松作業(yè)阻力的監(jiān)測技術(shù)和裝置的需求也最為迫切，因此本文以深松鏟的結(jié)構(gòu)、作業(yè)形式與阻力特性為例，進行測試裝置工作性能的分析，并確定在進行深松作業(yè)阻力測試時系統(tǒng)彈簧元件的參數(shù)。

深松鏟工作時的示意圖如圖2所示。RH為水平耕作阻力，L0為主軸軸心到深松鏟尖的垂直距離，N(θ)為彈簧的最大工作扭矩。因耕作水平阻力的作用點到主軸軸心的垂直距離應小于L0，通過受力分析可得出

RHL=2N(θ) (L

(1)

圖2 深松鏟受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of subsoiler1.旋轉(zhuǎn)主軸 2.部件安裝庫 3.耕作部件

根據(jù)東北地區(qū)農(nóng)藝要求，基本農(nóng)田進行深松作業(yè)時，深松深度一般為250～400 mm[21-23]，本文設計深松鏟最大安裝高度(主軸軸心到深松鏟尖的垂直距離)L0為500 mm，設計最大耕作阻力為8 kN[24]。在此基礎上確定扭轉(zhuǎn)彈簧最大工作狀態(tài)下的扭矩

N(θ)=RH×0.5L0=2 000 N·m

(2)

設計扭轉(zhuǎn)彈簧的最小工作扭矩N′(θ)=0，最大工作扭矩N(θ)=2 000 N·m，工作扭轉(zhuǎn)變形角θ=30°，自由角度為180°，端部為外臂扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)設計要求本文選用Ⅲ類載荷彈簧，材料為彈簧鋼，鋼牌號為60Si2MnA，其鋼絲代號為TDSiMn。初步假設鋼絲直徑20～25 mm。從機械設計手冊[25]表16.1-4查得材料彈性模量E=206 GPa，從表16.1-7查得材料抗拉強度σb為1 500～1 650 MPa，取σb=1 650 MPa，從表16.1-10得，按Ⅲ類載荷取許用彎曲應力σBp=0.8σb=0.8×1 650 MPa=1 320 MPa。

因扭矩旋向和彈簧旋向相同，取曲度系數(shù)K1=1，計算彈簧鋼絲線徑d為

(3)

本文線徑取整，d=25 mm，與假設基本符合。按表16.1-3為使結(jié)構(gòu)緊湊，選取旋繞比C=3.6，則彈簧中徑D=Cd=3.6×25=90 mm，取D=90 mm，彈簧內(nèi)徑D1=D-d=90-25=65 mm，彈簧外徑D2=D+d=90+25=115 mm。彈簧的有效圈數(shù)n為

(4)

考慮到自由角度為180°，彈簧的有效圈數(shù)取n=3.5圈。彈簧剛度T為

69 663.6 N·mm/(°)

(5)

1.2 定位盤

測試裝置通過固定定位盤固定扭簧的一端支出臂，通過旋轉(zhuǎn)定位盤定位扭簧的另一端支出臂。圖3a為固定定位盤結(jié)構(gòu)示意圖，圓盤外圓周分布定位孔，圓周分布角度為30°，孔徑和扭簧線徑相配合，圓盤一端面固定設置有方鋼，可通過方鋼卡在部件安裝庫的矩形方鋼內(nèi)，對固定定位盤進行定位。圖3b為旋轉(zhuǎn)定位盤結(jié)構(gòu)示意圖，圓盤外圓周分布定位孔，圓周分布角度為30°，孔徑和扭簧線徑相配合；圓盤內(nèi)圓周分布銷孔，圓周分布角度為15°，用來固定定位；圓盤一端面固定設置有空心六角鋼，可通過轉(zhuǎn)動六角鋼進行旋轉(zhuǎn)定位盤的定位，從而滿足扭轉(zhuǎn)彈簧一端的安裝和預緊。如圖4所示，測試裝置可通過扭簧受力轉(zhuǎn)動至預緊、工作和過載3種狀態(tài)。

圖3 定位盤Fig.3 Positioning plates

圖4 3種工作狀態(tài)Fig.4 Three kinds of working state

圖5 信號采集電路框圖Fig.5 Frame diagram of signal acquisition circuit

1.3 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)框圖如圖5所示，包括角位移編碼器、PCI-1714U數(shù)據(jù)采集卡、計算機和電源系統(tǒng)。測試裝置通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系進行部件耕作阻力大小的受力分析，在作業(yè)工作中對轉(zhuǎn)角的精確測量至關(guān)重要。本文選用光洋電子生產(chǎn)的TDR-NA1024NW型絕對式角位移編碼器，該編碼器轉(zhuǎn)軸的每個轉(zhuǎn)角都對應有唯一的編碼，角度精度為0.176°，對應的輸出轉(zhuǎn)矩精度為12.26 N·m。

2 測試裝置測試方法

2.1 深松鏟受力分析

雙翼型深松鏟是應用較為廣泛的一種深松鏟，研究者對此型深松鏟的作業(yè)阻力構(gòu)成和運動學行為進行過深入的分析，因此，以雙翼型深松鏟為例，進行測試裝置測試過程中受力分析及測試方法的確定。

雙翼型深松鏟按照我國機械行業(yè)標準JB/T 9788—1999進行設計制造。雙翼型深松鏟尖如圖6所示，其中α=17.2°、β=39°、γ=30°。

圖6 雙翼型深松鏟鏟尖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of double-wings subsoiler

深松鏟由鏟尖和鏟柄兩部分組成，深松工作時，耕作阻力來自于鏟尖和鏟柄抵抗土壤顆粒的作用力。深松鏟工作中所受土壤顆粒的阻力，一方面是來自土壤粘附和摩擦的水平作用力，另一方面是來自豎直方向只對土壤產(chǎn)生壓實作用的垂直作用力[24]。因此，本文分析雙翼型深松鏟水平方向的阻力，雙翼型深松鏟的水平耕作阻力RH由3部分組成：鏟尖正表面作業(yè)阻力RH1、鏟尖側(cè)翼面作業(yè)阻力RH2、鏟柄刃表面作業(yè)阻力RH3。

李范哲等[26]提出了土壤工作部件工作阻力的數(shù)學模型，其中介紹了二面楔子受力的數(shù)學模型，如圖7所示，二面楔子在土壤中沿X軸方向前進時，二面楔子上任一點M受到的楔子表面作用力可以分解為一對正交作用力RH和RV。

圖7 二面楔子上土壤顆粒M受力示意圖Fig.7 Force diagram of soil particle on two-side wedge

楔面上任一質(zhì)量為m的土壤顆粒質(zhì)點M的水平作用力RH可以用該質(zhì)點在相互作用時間Δt內(nèi)水平方向的動量變化來確定，應用沖量定理得

(6)

式中 Δt——土壤顆粒質(zhì)點速度從v0到vt的時間

v0——土壤顆粒質(zhì)點初速度

vt——土壤顆粒質(zhì)點末速度

末速度vt與部件的移動速度v呈正相關(guān)，vt∝v。根據(jù)作用力與反作用力定律，楔面受到來自土壤顆粒質(zhì)點M的水平作用阻力與RH大小相等。在Δt時間內(nèi)，整個楔面受到土壤顆粒作用的水平作用力為

(7)

式中mz——Δt時間內(nèi)通過楔面的土壤顆粒質(zhì)點的總質(zhì)量

雙翼型深松鏟工作時，鏟尖正表面是一個典型的二面楔子。根據(jù)二面楔子受力模型，得到鏟尖正表面所受的水平作業(yè)阻力為

(8)

式中m1——Δt時間內(nèi)通過鏟尖正表面的土壤顆粒質(zhì)點總質(zhì)量

李范哲等[26]提出的數(shù)學模型，也介紹了復合楔子受力的數(shù)學模型，如圖8所示，三面楔子在土壤中沿X軸方向前進時，得到三面楔子楔面前進方向所受的水平作用力為

(9)

圖8 三面楔子上土壤顆粒M受力示意圖Fig.8 Force diagram of soil particle on three-side wedge

雙翼型深松鏟鏟尖單個側(cè)翼面工作表面形態(tài)接近三面楔子表面形態(tài)，在分析鏟尖側(cè)翼面作業(yè)阻力時，通過引入三面楔子受力模型進行分析。得到整個側(cè)翼面工作表面上的水平作用阻力為

(10)

式中m2——Δt時間內(nèi)通過鏟尖單個側(cè)翼面的土壤顆粒質(zhì)點總質(zhì)量

圖9為鏟柄上任一土壤顆粒質(zhì)點M的受力示意圖。深松鏟工作時，鏟柄兩側(cè)刃表面的水平受力相同。鏟柄單側(cè)可看作為一個二面楔子，根據(jù)上述二面楔子受力模型，可以得到鏟柄刃表面所受水平作業(yè)阻力為

(11)

式中m3——Δt時間內(nèi)通過鏟柄單側(cè)刃表面的土壤顆粒質(zhì)點總質(zhì)量

圖9 鏟柄上土壤顆粒M受力示意圖Fig.9 Force diagram of soil particle on shovel surface

Δt時間內(nèi)通過楔子表面有效面積A的土壤顆粒體積Q=vtΔtA，因此Δt時間內(nèi)通過某表面的土壤顆粒質(zhì)點總質(zhì)量為

mz=ρQ=ρvtΔtA

(12)

式中ρ——土壤容積密度

2.2 測試公式計算

通過上述工作，得知雙翼型深松鏟的受力基本情況。可得到雙翼型深松鏟的耕作阻力RH為RH1、RH2和RH3的合力

RH=RH1+RH2+RH3

(13)

測試裝置通過絕對式角位移編碼器采集扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動的角度，根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩N與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系，得出總轉(zhuǎn)矩。根據(jù)圖2所示深松鏟受力分析圖，可得到

(RH1+RH2)(L0-L3/2)+RH3(L1+L2/2)=2N(θ)

(14)

其中

L1=L0-HL2=H-L3

綜合式(8)、(10)、(11)、(12)、(14)得

(15)

式中b0——鏟柄寬度

土壤顆粒質(zhì)點M的末速度vt與部件的移動速度v呈正相關(guān)，vt∝v。田間未耕作的土壤容積密度一般隨深度增加而增加，所以土壤容積密度ρ與耕深H呈正相關(guān)，ρ=ρ(H)。因此，通過增加修正系數(shù)k修正公式(15)，得到

(16)

通過扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系得到修正系數(shù)

(17)

從式(17)可以看出，修正系數(shù)k是關(guān)于扭轉(zhuǎn)彈簧設計參數(shù)(T、θ等)、部件結(jié)構(gòu)參數(shù)(α、β、γ、b、d等)、土壤類型參數(shù)(ρ、ψ等)、部件安裝位置(θ、L等)、耕深H、耕速v等因素的函數(shù)。

RH1=kρ(H)v2bdsin(α0+Δθ)

(18)

RH2=

(19)

RH3=kρ(H)v2b0(H-L3)

(20)

結(jié)合以上各式得到水平耕作阻力

RH=RH1+RH2+RH3=

(21)

綜上所述，測試裝置通過獲取扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)動角度θ，結(jié)合式(17)即可對修正系數(shù)k進行求解，針對不同的部件結(jié)構(gòu)參數(shù)(α、β、γ、b、d等)、作業(yè)深度H、作業(yè)速度v、土壤類型參數(shù)(ρ、ψ等)等因素，均可通過更換扭轉(zhuǎn)彈簧和調(diào)試部件安裝位置(角度θ和高度L)來調(diào)節(jié)計算公式中的k值，實現(xiàn)對水平耕作阻力RH的準確測量。

3 土槽對比試驗

為驗證測試裝置對滑動耕作阻力測試的準確性，將測試裝置TRTD與三點式作業(yè)阻力測試裝置(TTD)進行串聯(lián)，并進行耕作阻力測試試驗，以驗證測試裝置的準確性和可靠性。

三點式作業(yè)阻力測試裝置主要由三點懸掛系統(tǒng)、壓力傳感器、扭力傳感器、信號采集系統(tǒng)和安裝機架構(gòu)成，其主要工作機理為利用試驗臺車前進時由于深松鏟耕作阻力的存在對傳感器產(chǎn)生應變，傳感器將應變信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給位于臺車上的數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)，其測量精度可達0.25%FS[24]。

3.1 試驗設備和試驗方法

試驗在吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院農(nóng)業(yè)工程土槽實驗室的室內(nèi)土槽進行，土槽長30 m，寬2 m，深1 m，土槽土壤為典型東北地區(qū)黑壤土，其粒度均勻，透氣和透水性能良好。試驗前一周對土槽試驗區(qū)進行旋耕機耕翻、鎮(zhèn)壓輥平整，適量澆水滲透，并用塑料薄膜覆蓋。試驗前，用TDR-300型土壤水分測試儀測得土壤體積含水率為21%，用環(huán)刀組件測得土槽各深度的土壤容積密度為：0～100 mm為1.05 g/cm3，100～200 mm為1.13 g/cm3，200～300 mm為1.25 g/cm3，300～400 mm為1.32 g/cm3。土壤溫度為21℃。圖10所示為土槽試驗臺車，自帶液壓懸掛系統(tǒng)，最高速度為3 m/s，單程運行距離為30 m。

圖10 電力變頻四輪驅(qū)動土槽試驗車Fig.10 Four-wheel drive experimental trolley

為減少對比試驗時土壤參數(shù)變化帶來的系統(tǒng)誤差，采用同一次試驗采集兩種阻力測試裝置數(shù)據(jù)的測試方法。如圖11所示，傳統(tǒng)三點式作業(yè)阻力測試裝置通過壓力和扭力傳感器與臺車的三點液壓懸掛裝置相連，設計的測試裝置安裝在TTD裝置的測力架上。

圖11 阻力測試裝置連接圖Fig.11 Connection diagram of tillage resistance testing device

每組試驗重復3次，每次試驗在阻力穩(wěn)定段每隔0.5 s取一觀測值，每次試驗共取5個，每組試驗共15個。為保證試驗的可靠性，每次試驗后對土槽內(nèi)土壤進行旋耕機耕翻、鎮(zhèn)壓輥平整。用SC-900型土壤緊實度儀測試，達到試驗要求的土壤堅實度，同時保證每次試驗前的各土壤參數(shù)誤差在10%以內(nèi)。

3.2 試驗方案

通過控制變量法，在同等耕作條件下，通過兩阻力測試裝置分別測得深松鏟的水平耕作阻力，并探討TRTD測試裝置與TTD測試裝置所測耕作阻力值的差異是否顯著，以及TRTD阻力測試的穩(wěn)定性和精度。

試驗選擇了影響耕作阻力大小的2個主要因素：耕深H和耕速v。耕深H選取250、300、350 mm 3個水平，耕速v選取0.5、0.8 m/s 2個水平。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 TRTD阻力測試裝置的精度分析

采用TRTD和TTD兩種測試裝置進行土槽對比試驗，圖12為兩種測試裝置在6組耕作條件下得到的阻力測試試驗結(jié)果。從圖中可以看出，兩種測試裝置在6組相同條件下測得的水平耕作阻力基本接近；在同一耕深下，隨著耕速從0.5 m/s(v1)增加到0.8 m/s(v2)時，水平耕作阻力略微增加；在同一耕速下，隨著耕深從250 mm(H1)增加到350 mm(H3)時，水平耕作阻力顯著增加。

圖12 水平耕作阻力測試結(jié)果Fig.12 Test results of tillage resistance in horizontal direction

本文通過相對誤差的計算對TRTD測試裝置的測量精度進行分析。其相對誤差公式為

(22)

式中E——相對誤差，%FA——TDTR阻力測試值，NFO——TTD 阻力測試值，N

表1為6組不同耕作條件下相對誤差統(tǒng)計結(jié)果。從表中可以看出，在6組不同耕作條件下，TRTD測試裝置相對于TTD測試裝置的最大相對誤差為1.34%，最小相對誤差為0.24%，說明TRTD測試裝置與TTD測試裝置具有接近的測量精度。

圖13 不同耕作條件下兩種測試裝置的相對偏差Fig.13 Relative deviations of both resistance testing devices under different cultivation conditions

耕作條件耕深H/mm耕速v/(m·s-1)相對誤差/%2500.50.910.81.343000.51.010.80.473500.50.240.80.78

3.3.2 TRTD 阻力測試裝置的波動性分析

通過相對偏差衡量各取樣點阻力測量值對該樣本平均值的偏離程度，本文對TRTD測試裝置和TTD測試裝置的測量波動性進行對比分析。相對偏差公式為

(23)

圖13為2種測試裝置在6組不同耕作條件下的相對偏差結(jié)果?？梢悦黠@看出2種測試裝置在6組耕作條件下的相對偏差最大都不超過5%，多數(shù)測量點低于3%，說明兩者的單項阻力測量值分別相對其平均值的偏離程度較??；且同一耕作條件下相對偏差范圍基本相近，說明兩種測試裝置的波動幅值接近，具有較高的一致性。

3.3.3 試驗結(jié)果的方差齊性和均值一致性分析

本文通過應用F檢驗對2種測試裝置試驗結(jié)果樣本的方差齊性進行分析，表2為本試驗結(jié)果的F檢驗分析。從表2中可以得出，6組耕作條件下的阻力測試數(shù)據(jù)F0.05，說明兩種測試裝置在各組耕作條件下的阻力測量值樣本方差沒有顯著性差異。

將兩種測試裝置在同一耕作條件下的對比數(shù)據(jù)進行二樣本T檢驗，以考察兩種裝置所測樣本的均值是否具有一致性。從上文的F檢驗得知兩種測試方法所測數(shù)據(jù)的樣本方差沒有顯著性差異，即等方差，因此，本文應用雙樣本等方差T檢驗。表3為試驗結(jié)果的T檢驗分析表。由T檢驗結(jié)果得出，各組樣本對比數(shù)據(jù)的P0.05均大于顯著性水平α=0.05，說明兩種方法在同一耕作條件下所測的阻力值沒有顯著性差異，由此進一步說明了兩種測試方法的測試結(jié)果一致性。

表2 試驗結(jié)果的F檢驗

表3 試驗結(jié)果的T檢驗

4 結(jié)論

(1)設計了一種滑動式耕作部件作業(yè)阻力測試裝置。通過理論分析和計算確定了測試裝置的扭簧參數(shù)、定位盤結(jié)構(gòu)和編碼器的選用等。

(2)通過對雙翼型深松鏟進行受力分析，雙翼型深松鏟水平耕作阻力分為鏟尖正表面作業(yè)阻力RH1、鏟尖翼表面作業(yè)阻力RH2和鏟柄刃表面作業(yè)阻力RH3。結(jié)合TRTD測試裝置，建立了包含修正系數(shù)k與扭簧轉(zhuǎn)角θ、耕深H、耕速v、土壤容積密度ρ、深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)等關(guān)系的耕作阻力測試方法。TRTD通過調(diào)節(jié)彈簧預緊狀態(tài)和求解修正系數(shù)k實現(xiàn)對不同耕作條件下的阻力測試，具有可擴展性和適用性的特點，維護成本低，可對機具結(jié)構(gòu)實現(xiàn)有效保護。

(3)TRTD測試裝置與傳統(tǒng)三點式作業(yè)阻力測試裝置進行了土槽對比試驗。通過精度分析結(jié)果表明：TRTD測試裝置相對于TTD測試裝置的最大相對誤差為1.34%，最小相對誤差為0.24%；通過波動性分析結(jié)果表明：2種測試裝置在6組耕作條件下的相對偏差最大都不超過5%。在同一耕作條件下誤差的波動幅值基本相近；通過F檢驗分析得到2種阻力測試裝置在各組耕作條件下的阻力測量值樣本方差沒有顯著性差異；通過T檢驗分析2種阻力測試裝置在各組耕作條件下的阻力測量值樣本的均值沒有顯著性差異。因此，TRTD測試裝置能有效地進行部件水平耕作阻力的測量。

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Design and Experiment of Tillage Resistance Testing Device for Sliding Cultivate Component

JIA Honglei1,2LUO Xiaofeng1,2WANG Wenjun1,2ZHAO Jiale1,2GUO Mingzhuo1,2ZHUANG Jian1,2

(1.KeyLaboratoryofBionicEngineering,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130025,China2.CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China)

Accurate measurement of tillage resistance for cultivate component is critical. The related resistance testing device has complex structure, high maintenance cost, lack of overload protection and difficulty in collection in farmland. Aiming at the problems of the related resistance testing device, the tillage resistance testing device (TRTD) for sliding cultivate component was designed. TRTD consisted of component library, torsional spring, rotation axis, positioning plate and encoder. The force analysis of double-wings subsoiler was carried out. A measurement method of tillage resistance was established which contained the relationship of correction factorkas a function of spring cornerθ, tilling depthH, tilling speedv, soil bulk densityρand subsoiler structure parameters. In order to evaluate the TRTD, a soil bin contrast test with traditional testing device (TTD) was conducted under six tillage condition treatments. The test results showed that the mean and variance of the measured sample from both testing devices had no significant difference. The results of precision analysis showed that the maximum relative error of TRTD was 1.34% compared with TTD. The results of fluctuation analysis showed that the fluctuation amplitude of TRTD was similar with that of TTD and both relative deviations were not more than 5%. TRTD met the requirement of accuracy and stability and possessed the function of overload protection as well as providing condition for acquisition of tillage resistance.

tillage resistance; testing device; subsoiler; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.007

2016-07-17

2016-10-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)、國家自然科學基金項目(51305158)和吉林省科技發(fā)展計劃項目(20160312003ZG、20140307035NY、20140441006SC)

賈洪雷(1957—)，男，教授，博士生導師，主要從事機械化保護性耕作技術(shù)等研究，E-mail： jiahl@vip.163.com

莊健(1981—)，男，高級工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械關(guān)鍵部件研究，E-mail： zhuangjian_2001@163.com

S220.2

A

1000-1298(2017)04-0056-09