曾 榮 李東東 祝英豪 夏俊芳

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢430070;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢430070)

0 引言

精準農(nóng)業(yè)、保護性耕作對新型土壤耕作機具的研發(fā)提出了更高要求［1-4］。為適應(yīng)新型土壤耕作機具的研發(fā)，對試驗測試設(shè)備性能和測試功能的要求越來越高。以旋耕機旋耕刀輥、秸稈粉碎機粉碎刀輥為代表的旋轉(zhuǎn)耕作部件，其性能受自身工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及土壤特性參數(shù)的綜合影響［5-13］，在進行旋轉(zhuǎn)耕作部件設(shè)計以及最優(yōu)工作參數(shù)確定時，需進行多因素多水平的機具與土壤交互試驗。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)耕作部件特性試驗通常在田間或室內(nèi)土槽試驗臺上完成。田間試驗?zāi)軌蛑苯臃从掣鳈C械的實際性能及土壤的響應(yīng)［14］，主要通過拖拉機懸掛旋轉(zhuǎn)耕作部件完成。該方式存在耕深不穩(wěn)定、機具振動強烈、工作參數(shù)控制精度差的弊端。此外，田間試驗時刀輥的互換性差、工作效能差，不利于開展多因素多水平試驗。土槽試驗平臺可為旋耕部件的研發(fā)提供準確有效的試驗數(shù)據(jù)，對于農(nóng)機減阻降耗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計，以及土壤耕作部件松碎土機理探索具有重要的意義，是進行土壤耕作部件研發(fā)的有效裝置［15-16］。傳統(tǒng)的土槽試驗臺通常在室內(nèi)搭建，占地面積大、制造和維護成本高、軟件封裝無法擴展，不具備可移動性［17-19］。此外，驅(qū)動方式和控制方式落后，試驗臺測試系統(tǒng)的測試手段、測試方法、測試功能、測試裝置的性能等不能滿足新型耕作機具試驗測試任務(wù)及測試要求。

針對上述田間試驗和室內(nèi)土槽試驗存在的問題，許多高校及科研院所開展了田間原位測試系統(tǒng)的研制，開發(fā)了基于現(xiàn)有室內(nèi)土槽的土壤耕作試驗裝置。田間原位測試系統(tǒng)可以反映田間真實作業(yè)狀態(tài)，同時也帶來了土壤環(huán)境因素不可控的問題，對于研究新型耕作部件的特性及確定最優(yōu)工作參數(shù)帶來了困難［14，20-21］。基于土槽的試驗裝置保證了試驗的可重復性，但同時存在測控方式落后、耕深調(diào)節(jié)不準確及刀輥更換不便等問題，對于旋轉(zhuǎn)耕作部件的測試針對性不強，測試系統(tǒng)動態(tài)特性較差，測試功能不夠完善［22-25］。

因此，根據(jù)旋轉(zhuǎn)耕作部件性能試驗的需求，本文設(shè)計一臺專門用于旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測試的試驗平臺，以兼顧田間試驗及室內(nèi)土槽試驗的優(yōu)點。

1 試驗臺總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的土槽試驗臺占地面積大、設(shè)備維護成本高、控制策略復雜，對旋轉(zhuǎn)耕作部件的性能測試針對性和專用性不強。本試驗臺設(shè)計要求控制系統(tǒng)控制策略簡單可靠，結(jié)構(gòu)盡可能緊湊合理、維護方便、占地面積小;要求試驗臺移動方便;可對旋耕刀輥扭矩、轉(zhuǎn)速和功率以及試驗臺前進速度等多項參數(shù)進行測試。根據(jù)上述設(shè)計要求對試驗臺進行了總體設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該試驗臺主要由軌道系統(tǒng)、試驗臺車及搭載在試驗臺車上的旋耕部件、耕深調(diào)節(jié)部件、土壤鎮(zhèn)壓部件、控制柜等主體結(jié)構(gòu)組成。軌道系統(tǒng)鋪設(shè)在地面，可模擬土槽功能，同時可在特定田塊鋪設(shè)成多行，以實現(xiàn)田間測試;試驗臺車采用自驅(qū)動行走的方式沿軌道運行，且同時完成旋耕作業(yè);旋耕作業(yè)、耕深調(diào)節(jié)均采用電力拖動方式，可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，其中耕深調(diào)節(jié)采用伺服驅(qū)動的方式，參數(shù)調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定、精確，且可實現(xiàn)閉環(huán)控制。上述方式可避免田間試驗由拖拉機驅(qū)動帶來的土壤物性的改變，也可避免目前室內(nèi)土槽常采用的三點懸掛加驅(qū)動軸的連接方式，旋耕刀輥互換性強，耕作深度調(diào)節(jié)準確。試驗臺可保證一定的作業(yè)幅寬從而適應(yīng)不同刀輥的需求，同時也可保證有效的作業(yè)距離。

圖1 試驗臺示意圖Fig.1 Schematic of test bench

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)為試驗臺車的行走提供支撐。為適應(yīng)不同作業(yè)長度，且保證可移動性，軌道系統(tǒng)采用拼接式設(shè)計。目前的軌道系統(tǒng)采用三段拼接而成，長度分別為2、4、6 m，軌道跨度為1.2 m，如圖2 所示。2 m 軌道可作為試驗臺車的移動裝置，下方設(shè)置萬向輪，當試驗臺車被移動至2 m 軌道上時，可人力推動2 m 軌道，將試驗臺車移動至其他位置。每段軌道可通過端面連接板進行連接，當需要增大作業(yè)距離時，可在6 m 軌道端部進行拼接。軌道系統(tǒng)可鋪設(shè)于特定場地實現(xiàn)土槽測試功能，此時多段軌道固定拼接，通過每段軌道下方的地腳調(diào)節(jié)高度并保持軌道系統(tǒng)平衡。軌道系統(tǒng)也可鋪設(shè)于特定田塊，此時需在田塊鋪設(shè)多行軌道，田塊尾部硬化處理，單行耕作結(jié)束后借助2 m 軌道將試驗臺車移動至下一行繼續(xù)進行耕作，從而實現(xiàn)田間測試。軌道系統(tǒng)可鋪設(shè)于旱地及水田，滿足不同物性土壤條件下的測試需求。

2.2 試驗臺車

圖2 軌道系統(tǒng)組成Fig.2 Structure of track system

試驗臺車由車體及搭載于車體上的旋耕部件、耕深調(diào)節(jié)及鎮(zhèn)壓部件等主要工作部件組成。試驗臺車由前進三相異步電動機驅(qū)動，通過車體兩側(cè)安裝的行走輪與軌道系統(tǒng)上的鋼軌配合，保證行走的穩(wěn)定性。針對旋耕機正旋切土條件下產(chǎn)生的寄生牽引力，前進驅(qū)動電機選用剎車制動電機，同時通過加速度控制對制動過程進行調(diào)節(jié)，以保證臺車啟動與剎車平穩(wěn)。為測量臺車前進速度，在行走輪軸端安裝編碼器，通過編碼器測量行走輪轉(zhuǎn)速。臺車行走主要依靠行走輪與軌道上的鋼軌之間的滾動，由于鋼材料的接觸過程中滑動摩擦可以忽略不計，因而可由行走輪轉(zhuǎn)速獲得臺車前進速度。由于旋耕作業(yè)時牽引阻力非常小，尤其正向旋耕時，其牽引阻力可以忽略不計，選用驅(qū)動功率為3 kW 的驅(qū)動電機實現(xiàn)臺車行走。

試驗臺車車體與旋耕部件之間采用分體式設(shè)計，實現(xiàn)兩者之間的相對運動，從而實現(xiàn)旋耕刀輥的耕作深度的調(diào)節(jié)。通過安裝于車體上的導軌、旋耕部件上的滑塊對旋耕部件的上下運動進行導向，通過伺服電機實現(xiàn)渦輪蝸桿升降機驅(qū)動旋耕部件的上下運動。運用數(shù)顯式扭矩扳手轉(zhuǎn)動渦輪測定升降機驅(qū)動旋耕部件升降所需的最大扭矩，選用功率為2.3 kW、額定扭矩為15 N·m 的伺服電機作為耕作深度調(diào)節(jié)的動力。旋耕動力由三相異步電機提供，經(jīng)由轉(zhuǎn)向器、側(cè)邊傳動傳遞至刀輥;刀輥通過法蘭與旋耕部件連接，實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)耕作部件的快速更換。為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)耕作過程的動態(tài)扭矩、功率測量，在側(cè)邊傳動前端直連扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。為實現(xiàn)多種刀輥的功耗適應(yīng)性［26-28］，使試驗臺滿足多種土壤物性下的碎土、碎茬、秸稈還田等測試需求，選擇驅(qū)動功率為11 kW 的驅(qū)動電機。

當試驗臺以土槽功能工作時，鎮(zhèn)壓部件可用于多次重復試驗的土壤恢復。鎮(zhèn)壓部件與旋耕部件之間采用嵌套式設(shè)計，通過鎮(zhèn)壓渦輪蝸桿升降機對鎮(zhèn)壓高度進行調(diào)節(jié)。土壤恢復主要依靠內(nèi)部帶叉狀輪轂的鎮(zhèn)壓滾筒與土壤之間的擠壓實現(xiàn)。在進行重復試驗時，首先調(diào)節(jié)合適的鎮(zhèn)壓深度，通過臺車行走帶動滾筒在直線運動時產(chǎn)生被動滾動，與土壤之間進行擠壓，從而實現(xiàn)土壤鎮(zhèn)壓。

耕作深度是多因素多水平試驗中的一項關(guān)鍵因素，由于地面在每次試驗之后，其絕對高度均會發(fā)生一定的差異，因而設(shè)計了兩種標記耕作深度的方式。第1 種為手動觀察方式，借助于布置在車架上的標尺及布置于旋耕裝置上的指針，觀察刀輥距離地面的高度，其工作原理如圖3 所示。當觀察到旋耕刀與地面將要接觸時，標記為位置1，記錄此時標尺上的刻度，根據(jù)所要調(diào)節(jié)的耕深h 繼續(xù)調(diào)節(jié)直至指針到達位置2，該方法操作簡單，較為可靠。第2 種為自動方式，該方式借助于安裝在刀軸固定端的距離傳感探頭，在每次試驗準備期間，按下耕深自動調(diào)節(jié)按鈕，伺服電機驅(qū)動升降機運動至耕深預(yù)定值(保證每次耕深調(diào)節(jié)前刀輥與地面之間的高度為預(yù)定值)，暫停2 s，伺服電機再次啟動運行驅(qū)動升降機向下運動至設(shè)定的所需耕深;該方式取決于傳感器的精度，而傳感器在使用過程中(尤其當前次試驗耕深較大時)容易粘附土壤，造成檢測不準確，影響耕深調(diào)節(jié)過程，因而在使用時需人為監(jiān)測傳感器狀態(tài)。

圖3 耕作深度標記原理圖Fig.3 Schematic of tillage depth marking

通過設(shè)計，該試驗臺車的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗臺車技術(shù)參數(shù)Tab.1 Performance parameters of test trolley

3 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)是實現(xiàn)試驗臺功能的關(guān)鍵組成部分，其中控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)各項工作參數(shù)的調(diào)節(jié)，測試系統(tǒng)用于性能參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理。對試驗臺的控制系統(tǒng)與測試系統(tǒng)分別進行闡述。

3.1 基于PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)需完成臺車驅(qū)動電機、旋耕驅(qū)動電機及耕深調(diào)節(jié)伺服電機的控制，實現(xiàn)不同前進速度、旋耕轉(zhuǎn)速及耕作深度等作業(yè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)多因素多水平試驗需求。

控制系統(tǒng)以PLC 作為控制單元，實現(xiàn)整機的各項控制。臺車驅(qū)動電機與旋耕驅(qū)動電機均為三相異步電機，采用變頻器對其進行控制;同時為了提高系統(tǒng)的可控性和集成度，變頻器與PLC 之間實現(xiàn)Modbus 通訊。耕深調(diào)節(jié)電機為伺服電機，由PLC 的脈沖輸出端口實現(xiàn)定位控制?？刂葡到y(tǒng)的輸入包括:啟動、停止等數(shù)字量控制輸入以及前進速度、旋耕轉(zhuǎn)速、需求耕深、距離傳感器等模擬量控制輸入;距離傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與控制器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取;前進速度、旋耕轉(zhuǎn)速、需求耕深等參數(shù)通過文本控制器進行輸入，可在每一次試驗前(停機狀態(tài))進行文本輸入。試驗臺車的運行狀態(tài)及作業(yè)參數(shù)的調(diào)節(jié)需在試驗過程中進行，因而控制試驗臺車的操縱裝置須在無線下操作，以方便試驗人員對試驗臺車的控制?；贚oRa 無線射頻控制技術(shù)，設(shè)計了無線按鈕盒，將常用操縱按鈕集成于無線按鈕盒，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的無線輸入，控制按鈕與無線按鈕盒內(nèi)的ZKD-(12I12SO)-LoRa 無線模塊進行有線連接;無線傳輸另一側(cè)PLC 控制器同樣與另一無線模塊進行連接，由兩個無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該無線控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、遠距離、低功耗控制?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 Composition of control system

圖5 邏輯控制流程圖Fig.5 Flow chart of logical control

控制系統(tǒng)軟件分為整機運行的邏輯程序、PLC與變頻器之間的通信程序及PLC 與伺服驅(qū)動器之間的定位控制程序。整機運行的邏輯控制流程如圖5所示，整機工作分為自動模式(工作模式)和手動模式，自動模式用于正常試驗的控制，手動模式用于調(diào)試或出現(xiàn)故障后的各項檢修。對控制系統(tǒng)進行聯(lián)機調(diào)試，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)旋耕刀輥在0 ～340 r/min 范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)節(jié)，此時變頻器輸出頻率范圍為0 ～47.62 Hz;控制系統(tǒng)能實現(xiàn)試驗臺車在0 ～1.17 m/s 范圍內(nèi)的前進速度連續(xù)調(diào)節(jié)，此時變頻器輸出的頻率范圍為0 ～42.65 Hz;控制系統(tǒng)能實現(xiàn)耕作深度在0 ～30 cm 范圍內(nèi)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

3.2 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)設(shè)計

虛擬儀器利用高精度的傳感器、高性能的數(shù)據(jù)采集硬件、方便高效的采集軟件完成測試工作［29-30］?；谔摂M儀器的測試系統(tǒng)無需實際的數(shù)據(jù)處理與分析硬件，借助于軟件即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理、存儲與顯示。該試驗臺使用LabVIEW 軟件平臺，借助相應(yīng)的采集硬件，構(gòu)建測試系統(tǒng)。

3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)完成試驗臺車的作業(yè)參數(shù)測量和旋耕刀輥的性能參數(shù)測量。目前，主要實現(xiàn)旋耕刀輥的作業(yè)轉(zhuǎn)速、扭矩、作業(yè)功耗及試驗臺車的前進速度等參數(shù)的實時測量。采用動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器對旋耕刀輥的作業(yè)扭矩與轉(zhuǎn)速進行測量以獲得功耗，采用編碼器對臺車行走輪轉(zhuǎn)速進行測量以獲得前進速度。各傳感器的輸出信號由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，構(gòu)建多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);通過LabVIEW 圖形化編程軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、實時顯示與存儲。由于傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間必須有線連接，而傳感器均安裝于臺車上并隨臺車行走，因而將數(shù)據(jù)采集卡布置于控制柜內(nèi)。為方便測試工作，在計算機(LabVIEW 測試軟件)與數(shù)據(jù)采集卡之間構(gòu)成無線局域網(wǎng)，應(yīng)用無線以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)與計算機之間的無線傳輸。測試系統(tǒng)性能參數(shù)如表2 所示，測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖6 所示。

表2 測試系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of measurement system

圖6 測試系統(tǒng)構(gòu)成Fig.6 Structure of test system

3.2.2 測試原理

測試原理為測試系統(tǒng)程序設(shè)計的基礎(chǔ)，基于LabVIEW 軟件設(shè)計，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)旋耕刀輥工作轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗及前進速度的實時采集、分析、顯示與存儲等多項功能。

通過測試扭矩、轉(zhuǎn)速獲取功率是常用方法之一［31］。旋耕刀輥作業(yè)功耗M(kW)、扭矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速n(r/min)之間關(guān)系為

旋耕刀輥作業(yè)扭矩、轉(zhuǎn)速由安裝于側(cè)邊傳動裝置前端的動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器進行測量。傳感器的扭矩信號以電壓脈沖或頻率信號為輸出;經(jīng)標定，扭矩與脈沖頻率之間呈線性關(guān)系，即

式中 fT——扭矩脈沖信號頻率，kHz

傳感器的轉(zhuǎn)速信號同樣以電壓脈沖或頻率信號為輸出，由表2 可知，轉(zhuǎn)速傳感器分辨率為60 pulse/r，即每轉(zhuǎn)一圈輸出60 個脈沖，由此可知轉(zhuǎn)速測試值與轉(zhuǎn)速脈沖信號頻率之間的對應(yīng)關(guān)系為

式中 fn——轉(zhuǎn)速脈沖信號頻率，Hz

臺車前進速度由行走輪線速度確定，通過編碼器測量行走輪轉(zhuǎn)速并換算成線速度以獲得前進速度。編碼器以電壓脈沖或頻率作為輸出信號，由于其分辨率為1 000 pulse/r，則臺車行走速度與編碼器脈沖信號頻率之間的對應(yīng)關(guān)系為

式中 v——臺車行走速度，m/s

r——驅(qū)動輪半徑，m

fv——編碼器脈沖信號頻率，Hz

4 旋耕刀輥功耗試驗

使用設(shè)計的試驗臺開展旋耕刀輥功耗應(yīng)用試驗。根據(jù)GB/T 5668—2008《旋耕機》要求，旋耕試驗指標包括秸稈掩埋率、秸稈粉碎率、碎土率和功耗等。由于本試驗主要目的是對耕作性能試驗臺進行應(yīng)用驗證，因此主要以功耗作為試驗的評價指標。

應(yīng)用上述試驗臺，開展通用旋耕刀輥功耗試驗及組合旋耕刀輥功耗試驗。試驗研究工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋耕刀輥的功耗影響，可減少土壤不均勻性等因素對結(jié)果的影響，因而試驗臺以土槽工作方式布置于華中農(nóng)業(yè)大學室外土槽田塊。試驗分別于2019 年3 月和2019 年5 月進行，試驗臺車及試驗現(xiàn)場如圖7 所示。試驗土壤類型為壤土，經(jīng)測定，0 ～12 cm 土壤干基含水率為14.0%，5 ～17 cm 土壤干基含水率為16.1%;15 cm 深處土壤堅實度為605.2 kPa，10 cm 深處土壤堅實度為1 240.67 kPa，20 cm 深處土壤堅實度為1 852.3 kPa。

圖7 試驗臺車及試驗現(xiàn)場Fig.7 Test trolley and test site

4.1 通用旋耕刀輥功耗試驗

試驗刀輥長度為690 mm，每個回轉(zhuǎn)面布置2 把IT245 標準旋耕刀，共18 把旋耕刀，旋耕刀在刀軸上的排列展開如圖8 所示。

圖8 試驗刀輥旋耕刀排列展開圖Fig.8 Developed view of arrangement of blades on tested rotor

根據(jù)小麥播種、油菜和水稻直播深度要求，結(jié)合GB/T 5668—2008《旋耕機》與現(xiàn)有旋耕刀輥性能試驗的研究成果［32-33］，確定試驗耕作深度為10 ～18 cm，前進速度為0.4 ～1 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為220 ～300 r/min。

設(shè)計三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以刀輥作業(yè)功耗為試驗指標，研究刀輥轉(zhuǎn)速、耕作深度與前進速度三因素對刀輥作業(yè)功耗的影響。試驗因素編碼如表3 所示，試驗設(shè)計與結(jié)果如表4 所示(X1、X2、X3為因素編碼值)，其中零水平試驗設(shè)定為6 次，共進行20 組試驗，每組試驗分別進行3 次，取功耗平均值。試驗過程中通過編制的測試軟件對扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的信號進行采集與分析，設(shè)定采樣頻率為60 000 Hz，分別記錄每次試驗的功耗。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Coding of test factors

運用Design-Expert 軟件對表4 中試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，獲得各因素對通用旋耕刀輥作業(yè)功耗P1影響的三元二次回歸方程

回歸方程的顯著性檢驗如表5 所示。根據(jù)表5可知，上述回歸模型的擬合度極顯著(P ＜0.01)，失擬不顯著(P ＞0.05)，表明在試驗參數(shù)選取范圍內(nèi)，所建立的回歸方程可用，回歸模型可用。功耗回歸方程的樣本決定系數(shù)R2=0.959，表明回歸方程與實際情況擬合良好，通過此方程能較好地對通用旋耕刀輥作業(yè)功耗進行預(yù)測。通過對式(5)回歸系數(shù)的檢驗可知，影響通用旋耕刀輥功耗的因素主次順序分別為:耕作深度、前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速和前進速度的交互。

4.2 組合旋耕刀輥功耗試驗

組合旋耕刀輥在通用旋耕刀輥基礎(chǔ)上加入螺旋橫刀與彎刀，以達到秸稈埋覆和防堵防纏的耕作效果［28］。本試驗以組合旋耕刀輥為試驗對象，其幅寬為370 mm，研究螺旋橫刀寬度(以下簡稱刀寬)b 及安裝螺旋角(以下簡稱安裝角)θ 對組合旋耕刀輥作業(yè)功耗P2的影響;組合旋耕刀輥結(jié)構(gòu)及試驗用螺旋橫刀如圖9 所示。試驗過程中，安裝角選取4 個水平分別為55°、45°、35°、25°，刀寬選取3 個水平分別為25、30、35 mm，試驗過程中工作參數(shù)選定為:前進速度為0.6 m/s、旋耕轉(zhuǎn)速為240 r/min、耕作深度為15 cm。在上述兩因素不同水平下開展試驗。試驗中分別記錄每次試驗的平均功耗，結(jié)果如表6 所示。

圖9 組合旋耕刀輥及試驗用螺旋橫刀Fig.9 Combined rotary tillage roller and experimental helical blades

表6 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.6 Experimental design and results

對上述結(jié)果進行多項式曲面擬合，調(diào)整多項式參數(shù)獲得最佳擬合結(jié)果，得擬合方程

功耗與刀寬、安裝角的擬合曲面如圖10 所示。其擬合優(yōu)度結(jié)果顯示，此時誤差的平方和與均方根分別為0.004 569 及0.047 59，均趨近于0;決定系數(shù)與調(diào)整決定系數(shù)分別為0.997 7 和0.988 3，均趨近于1，說明擬合效果較好，擬合方程能夠描述功耗隨刀寬與安裝角之間的變化趨勢。

圖10 擬合曲面Fig.10 Fitting surface

上述試驗結(jié)果表明螺旋橫刀刀寬和安裝角均對組合旋耕刀輥的作業(yè)功耗影響顯著。當?shù)秾挷蛔?，組合旋耕刀輥功耗隨著安裝角的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;當安裝角不變，組合旋耕刀輥功耗隨著刀寬的增加而增大。上述結(jié)果受動態(tài)切土角及切土面積影響，可用于指導組合刀輥螺旋橫刀的優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計的旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測試試驗臺采用輪軌運轉(zhuǎn)式，集旋耕作業(yè)、耕深調(diào)節(jié)、土壤恢復等功能于一體，其結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小，具備可移動性。以PLC 為主控單元，采用無線輸入的方式，以電力拖動及伺服控制實現(xiàn)試驗臺各項運動功能，可實現(xiàn)平穩(wěn)無級調(diào)速，前進速度調(diào)節(jié)范圍為0 ～1.17 m/s，旋耕工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0 ～340 r/min，耕深調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)最大30 cm 的深度調(diào)節(jié)。

(2)設(shè)計的基于虛擬儀器及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的測試系統(tǒng)通道可擴展、動態(tài)特性好、操作簡單，可實現(xiàn)旋耕轉(zhuǎn)速、前進速度、旋耕扭矩以及作業(yè)功耗的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)實時分析等多項功能，滿足田間動力參數(shù)測試需求。

(3)以前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速及耕作深度為因素，以作業(yè)功耗為指標，對通用旋耕刀輥開展了三元二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，分析了影響通用旋耕刀輥功耗的顯著性因素，并建立了功耗回歸方程。三因素對功耗的影響顯著性存在差異，顯著性由大到小分別為耕作深度、前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥轉(zhuǎn)速和前進速度的交互。

(4)以螺旋橫刀刀寬、安裝角為因素，以作業(yè)功耗為指標，對組合旋耕刀輥開展了試驗，對試驗結(jié)果進行了曲面擬合，獲得了功耗與兩因素的二元三次曲面擬合方程。結(jié)果表明，螺旋橫刀刀寬及安裝角對功耗的影響顯著，當?shù)秾挷蛔儠r，刀輥功耗隨著安裝角的增加呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢，當安裝角不變時，刀輥功耗隨著刀寬的增加而增大。