賈智博，侯加林,2，劉敬偉，邵 偉，吳彥強(qiáng)，牛子儒

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的迅速發(fā)展，深入研究農(nóng)業(yè)工程涉及的農(nóng)業(yè)物料力學(xué)問(wèn)題，愈益顯得重要[1-2]。大蔥作為我國(guó)重要的香辛、保健蔬菜，已經(jīng)成為我國(guó)區(qū)域規(guī)模種植的經(jīng)濟(jì)作物之一，有著不可代替的地位[3]。隨著我國(guó)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和大蔥種植規(guī)模的增大，農(nóng)民對(duì)大蔥收獲機(jī)械化的要求也越來(lái)越高。目前，大蔥聯(lián)合收獲機(jī)一般包括挖掘、夾持輸送、去土及收集等幾個(gè)工作過(guò)程[4]。為了給大蔥收獲機(jī)夾持輸送裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，需要研究大蔥莖稈的相關(guān)力學(xué)特性[5-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于大蔥莖稈力學(xué)性能的試驗(yàn)研究很少，莖稈力學(xué)性能指標(biāo)的研究也主要依靠于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及一些小型試驗(yàn)儀器[6-7]。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)雖然是一種高精度的測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用范圍較廣，但體積龐大、造價(jià)昂貴，只能在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法大規(guī)模使用，限制了試驗(yàn)地點(diǎn)。小型試驗(yàn)儀器雖然可以進(jìn)行莖稈力學(xué)特性的測(cè)量，但由于其精度較低，手動(dòng)控制較多，人為造成的誤差較大，且試驗(yàn)地點(diǎn)要求受限，只能在特定的環(huán)境中使用。

針對(duì)上述問(wèn)題，同時(shí)考慮到大蔥莖稈的起拔力特性，設(shè)計(jì)了一套適用于田間試驗(yàn)的大蔥莖稈起拔力測(cè)試系統(tǒng)，研究大蔥在收獲期的起拔力特性，通過(guò)傳感器與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)起拔力的采樣與記錄，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到大蔥力學(xué)性能的變化規(guī)律，有效地提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)收獲機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)對(duì)莖稈產(chǎn)生的主要力學(xué)形式，設(shè)計(jì)制作了大蔥莖稈力學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息采集及人機(jī)交互界面4部分，如圖1所示。信息采集模塊由拉壓力傳感器及其變送器組成，可采集試驗(yàn)過(guò)程中大蔥莖稈的力學(xué)特性數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)由STM32主控制器和上位機(jī)組成，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩相四線的步進(jìn)電機(jī)完成；人機(jī)交互界面主要進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、導(dǎo)程絲杠、拉壓力傳感器及夾持裝置等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.支撐柱 2.步進(jìn)電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.配重柱 5.導(dǎo)程絲杠 6.導(dǎo)柱 7.支撐桿 8.拉壓力傳感器 9.夾持裝置 10.調(diào)節(jié)旋鈕 11.底板

2.1.1 夾持部分設(shè)計(jì)

如何夾持是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的核心，直接影響到試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)?？紤]到大蔥莖稈本身清脆的特性及大蔥收獲時(shí)莖稈的受力情況，設(shè)計(jì)加工了如圖3所示的夾持裝置。

圖3 夾持裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該夾持裝置設(shè)計(jì)為U型槽結(jié)構(gòu)，U型槽內(nèi)兩側(cè)各設(shè)有1個(gè)夾持墊片，一側(cè)的夾持墊片固定，另一側(cè)的夾持墊片可活動(dòng)連接在U型槽上。通過(guò)調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)兩個(gè)夾持墊片之間的間距，以適應(yīng)不同直徑大蔥莖稈的夾持。為了減小大蔥莖稈在試驗(yàn)過(guò)程中的損傷，夾持墊片上相對(duì)設(shè)有橡膠墊。

2.1.2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)采用導(dǎo)程絲杠加螺栓固定的方式帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和傳感器運(yùn)動(dòng)工作，導(dǎo)程絲杠下方通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)連接。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.導(dǎo)程絲杠 2.聯(lián)軸器 3.步進(jìn)電機(jī) 4.夾持裝置 5.傳感器

設(shè)導(dǎo)程絲杠間距為L(zhǎng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)角為α，電動(dòng)機(jī)的控制頻率為P，試驗(yàn)速度設(shè)為V，行程位移設(shè)置為S，夾持起拔的線速度計(jì)算公式可表示為

式中T—試驗(yàn)所需時(shí)間(s)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用來(lái)控制試驗(yàn)平臺(tái)的啟動(dòng)與停止，并可對(duì)大蔥莖稈起拔狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與信息傳送，主要由基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103增強(qiáng)型單片機(jī)完成[8-9]。該單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)[10]，同時(shí)搭載的3.2寸TFT液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過(guò)程中力學(xué)特性的變化規(guī)律。圖5為該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示框圖。

2.2.1 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

信號(hào)放大電路由負(fù)電壓產(chǎn)生電路和信號(hào)放大器組成[11]。

負(fù)電壓產(chǎn)生電路由78L08穩(wěn)壓芯片和ICL7660S電壓變換器組成。該芯片具有線性度和穩(wěn)定的增益，能夠滿足電壓轉(zhuǎn)換的需求。

信號(hào)放大器采用OP07芯片組建。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路[12]，其低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性適用于放大傳感器的微弱信號(hào)。拉壓力傳感器輸出電壓振幅范圍0～20mV，而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為3.3V，因此放大環(huán)節(jié)要有165倍左右的增益。差動(dòng)放大電路如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 差動(dòng)放大電路

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路選用AD0809芯片設(shè)計(jì)。AD0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口，將信號(hào)放大器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳到上位機(jī)顯示。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要是上位機(jī)通訊程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境和C#等編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接收界面[13-14]。通過(guò)STM32主控制器與上位機(jī)之間的串口通信，能在上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接收界面實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢(xún)、數(shù)據(jù)下載、曲線繪制等功能，可以通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接收界面實(shí)時(shí)觀察大蔥莖稈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和受力狀態(tài)。上位機(jī)界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)界面

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

大蔥莖稈起拔力試驗(yàn)使用上述自制莖稈力學(xué)特性測(cè)試儀進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 大蔥莖稈起拔力測(cè)試儀主要技術(shù)參數(shù)

為了測(cè)定起拔力模塊的精度，選用不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，分別在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和該測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2 起拔力模塊精度測(cè)試

由表2可知：該測(cè)試儀起拔力模塊的測(cè)量精度為0.90%，優(yōu)于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量精度；但是，在穩(wěn)定性方面，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的誤差波動(dòng)更小。

試驗(yàn)樣品選取山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔥姜蒜試驗(yàn)站收獲期的元藏大蔥，取樣時(shí)間為2016年10月20號(hào)到11月16號(hào)，每隔5天進(jìn)行1次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)樣品稱(chēng)重，然后將其放入烘干機(jī)干燥，計(jì)算其含水率。圖8是大蔥莖稈含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖8 莖稈含水率的變化

由圖8可知：這段時(shí)間內(nèi)，大蔥莖稈含水率下降約10%。這表明，距收獲期越近，大蔥莖稈的含水率越低。其原因是：天氣比較干燥，土壤含水率相對(duì)較低，植株逐漸老化。

進(jìn)行起拔力試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)土壤的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，包括土壤硬度、含水率及容重。測(cè)得的結(jié)果為土壤硬度155psi(磅/平方英寸)、含水率22.23%、容重1.25g/cm3。

在實(shí)際測(cè)量中，選取直徑為14.5mm(±0.2mm)的大蔥莖稈為試驗(yàn)對(duì)象，在松土的前提下，使用起拔力測(cè)試儀測(cè)量不同加載速度下大蔥莖稈受力的變化規(guī)律。速度分別設(shè)定為20、30、40mm/min，F(xiàn)-T曲線如圖9所示。

圖9 不同加載速度大蔥莖稈的F-T曲線

由圖9可知：在一定范圍內(nèi)，隨著加載速度的增大，起拔力從110N增大到160N，拔取大蔥所需的時(shí)間逐漸變短。這是由于大蔥植株的纖維化程度越來(lái)越高，使大蔥莖稈的韌性、強(qiáng)度不斷增大。

在取樣期間內(nèi)，針對(duì)不同含水率的大蔥莖稈，在松土的前提下，選取直徑相同的大蔥進(jìn)行起拔力試驗(yàn)，加載速度統(tǒng)一設(shè)定為30mm/min。結(jié)果顯示：隨著生長(zhǎng)期的增長(zhǎng)，大蔥莖稈的起拔力逐漸增大。為進(jìn)一步反應(yīng)莖稈起拔力變化的規(guī)律，將大蔥莖稈生長(zhǎng)時(shí)間因素轉(zhuǎn)換為含水率，通過(guò)MatLab軟件擬合出莖稈起拔力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式，即

F=0.07856X2-12.615X+568.24

R=0.986

式中F—大蔥莖稈起拔力(N)；

X—大蔥莖稈含水率(%)；

R—擬合系數(shù)。

由函數(shù)關(guān)系式可知：大蔥莖稈的起拔力與含水率之間大致呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合系數(shù)為0.986。

4 結(jié)論

1)針對(duì)大蔥在輸送夾持中的斷莖、堵塞等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了便攜式數(shù)控大蔥起拔力測(cè)試系統(tǒng)，采用拉壓力傳感器、夾持裝置、控制器一體化的結(jié)構(gòu)，有效減小了試驗(yàn)臺(tái)的體積與質(zhì)量，可以帶到大蔥生長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的加載速度和夾持裝置根據(jù)需要均可調(diào)節(jié)，采集數(shù)據(jù)的測(cè)試精度0.90%，滿足試驗(yàn)要求。

2)通過(guò)Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境和C#等編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接收界面，較好地完成了試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，減輕了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)通過(guò)對(duì)大蔥莖稈的相關(guān)試驗(yàn)可以看出：大蔥莖稈的含水率隨收獲期的臨近而降低，并且隨著受力速度及含水率的不同而呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。對(duì)于直徑相同的大蔥，在一定范圍內(nèi)，受力速度增大，拔取大蔥的起拔力增大；含水率降低，拔取大蔥的起拔力增大。