劉曉紅，邱立春

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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基于LABVIEW的振動(dòng)深松機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

劉曉紅1,2，邱立春1

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

為了提高深松機(jī)作業(yè)過(guò)程中土壤疏松效果，降低機(jī)具的工作阻力，選用1SZ型振動(dòng)式深松機(jī)，在土槽試驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行了相應(yīng)的振動(dòng)減阻機(jī)理試驗(yàn)研究。首先設(shè)計(jì)了基于LABVIEW的軟件測(cè)試系統(tǒng)，選取了扭矩、拉力、角度傳感器等傳感器及NI主機(jī)，基于五桿測(cè)力原理，構(gòu)建了測(cè)試硬件系統(tǒng)，并選取機(jī)具的前進(jìn)速度V0、振幅a=Rsinε和振動(dòng)角β這3個(gè)主要因素進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：振動(dòng)角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大；得出的回歸方程表明：當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度0.75m/s、振動(dòng)幅值為7.5mm、振動(dòng)角度為-15°時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)機(jī)具工作阻力達(dá)到最小值3.975kN。

振動(dòng)式深松機(jī)；正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)；振動(dòng)角；減阻

0 引言

為完成振動(dòng)式深松機(jī)相關(guān)試驗(yàn)和性能測(cè)試，構(gòu)建室內(nèi)土槽試驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)，可有效彌補(bǔ)田間試驗(yàn)的周期長(zhǎng)、不可重復(fù)等諸多不足，從而有效地控制農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的研制及投產(chǎn)的時(shí)間成本，降低研發(fā)成本，對(duì)促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要意義。深松機(jī)具是我國(guó)旱地耕作保墑關(guān)鍵農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，其能耗、耕作頻率、性能又是保護(hù)性耕作研究的重點(diǎn)[1-2]。

為了研究深松機(jī)耕作過(guò)程中的特性，獲得實(shí)際工況下影響機(jī)具能效的關(guān)鍵因素，為振動(dòng)式深松機(jī)的參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，在現(xiàn)有的土槽試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套測(cè)控系統(tǒng)。在該測(cè)控系統(tǒng)的控制下，土槽臺(tái)車前進(jìn)速度、臺(tái)車后懸掛輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)并可實(shí)現(xiàn)按特定曲線工況工作，行進(jìn)過(guò)程中的行進(jìn)速度、后懸掛輸出功率、土壤耕作阻力等信號(hào)高速可實(shí)時(shí)采集與顯示。在測(cè)控平臺(tái)上，分別對(duì)影響深松效果和機(jī)具作業(yè)阻力因素，如機(jī)具的前進(jìn)速度V0、振幅a=Rsinε和振動(dòng)角進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，用以分析各因素對(duì)期望——機(jī)具工作阻力的影響順序，并獲得因素最佳組合。

1 基于LABVIEW的軟件測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)軟件作為土槽試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，可將系統(tǒng)中各部分的功能有機(jī)結(jié)合，在相互協(xié)作和數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中起決定作用，保證整個(gè)系統(tǒng)有效、穩(wěn)定地運(yùn)行。測(cè)試軟件在LabVIEW環(huán)境下編寫(xiě)，包括前面板和程序圖兩部分，調(diào)試完成后可以打包生成獨(dú)立的可執(zhí)行性文件。前面板是系統(tǒng)的顯示界面，包含儀器功能的按鈕及顯示窗口等，優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)過(guò)程中方便實(shí)用、易于操作。LABVIEW主要通過(guò)程序框圖完成整個(gè)程序的源代碼編寫(xiě)，標(biāo)準(zhǔn)模塊完成信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出配置，特殊模塊的調(diào)用完成信號(hào)采集及分析處理。測(cè)量系統(tǒng)軟件的作用是完成傳感器標(biāo)定、電壓信號(hào)的采集、土槽臺(tái)車狀態(tài)監(jiān)控、相關(guān)數(shù)據(jù)分析和測(cè)量結(jié)果的讀寫(xiě)任務(wù)。

該系統(tǒng)的前面板主要由3大塊組成：一是試驗(yàn)表頭填寫(xiě)，有助于后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理；二是操作按鈕的設(shè)置，包括程序的開(kāi)始采集、停止、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)回放、保存及濾波設(shè)置等按鈕；三是數(shù)據(jù)保存路徑的設(shè)置；四是采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示包括采集時(shí)間、采集數(shù)量和采集值的圖形顯示；五是傳感器模式下的數(shù)據(jù)標(biāo)定，如圖1和圖2所示。

土槽臺(tái)車檢測(cè)系統(tǒng)由NI的PXI主機(jī)、兩塊PXI-6133同步采集卡和USB6008數(shù)據(jù)采集卡組成。系統(tǒng)程序主要使用了DAQ Assistant、AI Config.vi、AI Start.vi、AI Read.vi及AI Clear.vi等4個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)同步采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的多通道采集任務(wù)，采用了VISAConfigure Serial Port.vi、VISA Read.vi及VISA Close.v等3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB數(shù)據(jù)采集卡完成相關(guān)測(cè)量結(jié)果的讀取，使用了New Directory.vi、Open/Create/ReplacFile.vi、Write File.vi、Close File.vi等節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建測(cè)試日志文件并完成測(cè)量結(jié)果的寫(xiě)操作(陳錫輝和張銀洪，2007)。

圖1 基于LABVIEW的測(cè)試系統(tǒng)軟件前面板測(cè)力顯示界面

圖2 基于LABVIEW的測(cè)試系統(tǒng)軟件前面板數(shù)據(jù)分析界面

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)深松機(jī)土壤切削測(cè)試工作，在土槽臺(tái)車基礎(chǔ)上搭建了測(cè)控系統(tǒng)，主要由傳感器組(包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、拉壓力傳感器)、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件和基于LabVIEW的測(cè)試系統(tǒng)軟件等組成。該系統(tǒng)中傳感器組的作用是將扭矩、速度、力、角度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其中，拉力傳感器的信號(hào)為毫伏級(jí)信號(hào)。為與數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號(hào)匹配，此部分信號(hào)再通過(guò)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)(由直流穩(wěn)壓源和電壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)成)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，數(shù)據(jù)采集卡分別選用了NI公司的PXI-6133同步數(shù)據(jù)采集卡和USB接口形式的6008數(shù)據(jù)采集卡。前者接收來(lái)自傳感器組(測(cè)力傳感器、角度傳感器和扭矩傳感器)的信號(hào)并經(jīng)過(guò)調(diào)理后送至PXI主機(jī)，后者接收來(lái)自土槽臺(tái)車前進(jìn)速度和限制土槽臺(tái)車不沖出軌道的兩個(gè)傳感器(即兩個(gè)霍爾接近開(kāi)關(guān))的信號(hào)，此信號(hào)為數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離調(diào)整后送至PXI主機(jī)。最后，所有的信號(hào)都被送至基于LabVIEW軟件的測(cè)試系統(tǒng)中，力矩、轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、機(jī)具牽引阻力等測(cè)試數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表和曲線的形式實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 農(nóng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

拖拉機(jī)的后液壓懸掛機(jī)構(gòu)與農(nóng)機(jī)具配套后構(gòu)成懸掛機(jī)組，本文以應(yīng)用最廣的后懸掛方式作為振動(dòng)式深松機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)[3-8]。模塊式桿架傳感測(cè)力裝置不破壞原后懸掛系統(tǒng)中的5個(gè)桿件(兩個(gè)提上桿、一個(gè)上拉桿、兩個(gè)下拉桿)的連接尺寸，僅改動(dòng)連接配件，安裝相應(yīng)傳感器的測(cè)試方式[9-11]。振動(dòng)式深松機(jī)切削試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

圖4 振動(dòng)式深松機(jī)切削試驗(yàn)設(shè)備

3 振動(dòng)式深松鏟土壤切削正交試驗(yàn)

由現(xiàn)有文獻(xiàn)和筆者前期研究可知：機(jī)具的前進(jìn)速度V0、振動(dòng)頻率f=ω/(2π)、振幅a=Rsinε和振動(dòng)角β配置不同，運(yùn)動(dòng)曲線不同，運(yùn)動(dòng)過(guò)程的切削阻力也不同。由于拖拉機(jī)后懸掛輸出動(dòng)力固定為720r/min和540r/min，即輸出振動(dòng)頻率為12Hz和9Hz兩種，因此在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，固定振動(dòng)頻率為12Hz，選取機(jī)具的前進(jìn)速度V0、振幅a=Rsinε和振動(dòng)角β這4個(gè)主要因素進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。

表1 因素水平編碼

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案，選取關(guān)鍵因素(前進(jìn)速度、振動(dòng)幅值、振動(dòng)角度)的上下限值(xj1、xj2)，并根據(jù)如下公式計(jì)算各影響因素的零水平(xj0)和變化間隔Δj，得出表1所示因素水平編碼。

Δj=xj2-xj0=xj0-xj1

根據(jù)試驗(yàn)因素?cái)?shù)m=3，選擇正交表L8(27)進(jìn)行變換，二水平試驗(yàn)次數(shù)mc=8，星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)mγ=6，零水平試驗(yàn)次數(shù)m0=9，可得γ=1.682。試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

根據(jù)三元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)的要求，將平方項(xiàng)分別進(jìn)行中心化，得到試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3 試驗(yàn)結(jié)果

將表3中數(shù)據(jù)導(dǎo)入minitab進(jìn)行回歸分析(見(jiàn)表4)，得到阻力均值與各因素關(guān)系的回歸方程為

Y=5.00-0.183z1-0.154z2+0.335z3+

0.1366z1z2-0.0329z1z3+0.0001z2z3-

(1)

可得回歸方程為

表4 方差分析表

F0.05(1，2)=18.51，F(xiàn)0.01(1，2)=98.49，F(xiàn)0.05(9，13)=2.71，F(xiàn)0.01(9，13)=4.19。

Y=5.00-0.183z1-0.154z2+0.335z3+

表5 第2次方差分析表

F0.05(3，19)=3.90，F(xiàn)0.01(3，19)=5.01。

本試驗(yàn)中，根據(jù)計(jì)算和查表可得零水平試驗(yàn)次數(shù)mc=9，應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)的失擬性檢驗(yàn)，相關(guān)的計(jì)算為

SSe1=0.2134

SSLf=SSe-SSe1=0.65507-0.2134=0.44167

dfe1=m0-1=8

dfLf=dfe-dfe1=8

查表可知：FLf=2.069

由二次項(xiàng)中心化公式可得

將其代入回歸方程得

Y=5.197-0.183z1-0.154z2+0.335z3+

將編碼公式代入回歸方程得

整理后得到

Y=4.7068-0.9942x1-0.269x2+0.3586x1x2-

4 結(jié)論

在土槽試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了基于LabView的測(cè)試系統(tǒng)，并根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)機(jī)具的前進(jìn)速度V0、振幅a=Rsinε和振動(dòng)角進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。分析的3個(gè)因素中，影響因素順序?yàn)椋赫駝?dòng)角度>前進(jìn)速度>振幅，試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了因素之間的交互作用。通過(guò)minitab數(shù)據(jù)分析處理，得出機(jī)具前進(jìn)速度0.75m/s、振動(dòng)幅值為7.5mm、振動(dòng)角度為-15°時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)機(jī)具工作阻力達(dá)到最小值3.975kN。由此可見(jiàn)，振動(dòng)式深松機(jī)作業(yè)作業(yè)過(guò)程中，小型拖拉機(jī)就可以滿足其動(dòng)力需求，最小工作阻力下的參數(shù)為深松機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)和耕作模式提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] 北京農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)院．農(nóng)機(jī)測(cè)試技術(shù)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1983．

[2] 王國(guó)華．基于虛擬儀器的農(nóng)機(jī)土槽測(cè)控系統(tǒng)[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002.

[3] 于艷，龔麗農(nóng)，尚書(shū)旗．農(nóng)機(jī)土槽試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的研制[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011(S1)：323-326．

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[11] 楊然兵，柴恒輝，尚書(shū)旗．花生播種機(jī)傾斜圓盤(pán)碟式排種器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(6)：79-86．

Experimental Design and Analysis of an Oscillating Subsoiler Based on LABVIEW

Liu Xiaohong1,2, Qiu Lichun1

(1.Shenyang Agricultural University, College of Engineering, Shenyang 110161, China; 2.Qingdao Agricultural University, Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao 266109, China)

The 1SZ oscillating subsoiler was used to research on the mechanism of vibration reduction mechanism in the test platform in order to improve the soil porosity in the process of deep loosing machine, and reduce the working resistance of the machine. The software testing system was designed based on LABVIEW, and the sensor of the torque, tension, angle sensor and NI host were selected. Based on the principle of the five bars, the hardware system was constructed. The forward speedV0, amplitude a=Rsinε and vibration angle β of the three elements of the machine were selected to carry out the orthogonal rotation experiment of Tri Quadric. The experimental results show that the influence of vibration angle is the most important. And the regression equation was obtained, and when the speed of the machine forward speed was 0.75m/s, the vibration amplitude was 7.5mm, and the vibration angle was -15°, the working resistance of the experiment was minimum 3.975kN.

an oscillating subsoiler; orthogonal rotating experiment; vibration angle; drag reduction

2015-12-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175354)

劉曉紅(1980-)，女，山東青島人，博士研究生，(E-mail)lxh964@126.com。

邱立春(1957-)，男，沈陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)qlccn@126.com。

S222.3

A

1003-188X(2017)02-0128-05