懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試技術(shù)探究

靳曉燕，孫士明，于曉波，龐愛國，趙麗平，馮喜玲

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

2017年，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平達(dá)到66.5%，已經(jīng)達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的中級(jí)末期，很快就要步入高級(jí)發(fā)展階段。隨著新產(chǎn)品開發(fā)步伐進(jìn)一步加快，檢測工作量必將大幅增加。

2016年12月20日，國務(wù)院發(fā)布“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案通知要求，緊緊圍繞“五位一體”總體布局和“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局，牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能，推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村節(jié)能，加快淘汰老舊農(nóng)業(yè)機(jī)械，推廣農(nóng)用節(jié)能機(jī)械、設(shè)備和漁船，逐步淘汰高油耗的農(nóng)業(yè)機(jī)械[1]。可見，降低能源消耗、提高能源的有效利用率及工作效率，是近年來農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域創(chuàng)新開發(fā)的主題。耕整播種機(jī)械化作為農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要組成部分，占農(nóng)業(yè)機(jī)械化的權(quán)重高達(dá)0.7，創(chuàng)新開發(fā)推廣節(jié)能型的耕整播種機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械節(jié)能減排的重要方面。耕整播種機(jī)械與拖拉機(jī)的配套方式主要是三點(diǎn)后懸掛式，影響耕整播種機(jī)械作業(yè)能耗的主要因素是作業(yè)阻力。因此，研究準(zhǔn)確、方便、快捷、高效的懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試技術(shù)，對揭示生境—機(jī)器—作物系統(tǒng)優(yōu)化自適應(yīng)節(jié)能增效、降耗減排匹配規(guī)律及研發(fā)推廣節(jié)能型的耕整播種機(jī)械具有重要意義。

1 懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試現(xiàn)狀及問題

耕整播種機(jī)械的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)有I型、II型、III型3種規(guī)格型號(hào)，其三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的下拉桿寬度、立柱高度和懸掛銷軸直徑尺寸各不相同；而耕整播種機(jī)械研發(fā)時(shí)由于受機(jī)具結(jié)構(gòu)的限制，不同型號(hào)耕整播種機(jī)械產(chǎn)品的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)尺寸千差萬別，導(dǎo)致作業(yè)阻力測試儀器通用性差；再加上耕整播種機(jī)械田間作業(yè)條件惡劣，影響生境—機(jī)器(耕整播種機(jī)械)—作物系統(tǒng)的耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力的因素異常復(fù)雜且變化無常，給懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試帶來了很大障礙。因此，目前懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試主要使用拉力計(jì)的拖帶法，用更大牽引力的拖拉機(jī)通過拉力計(jì)牽引拖拉機(jī)配套耕整播種機(jī)械機(jī)組測機(jī)組作業(yè)阻力，再用更大牽引力的拖拉機(jī)通過拉力計(jì)牽引卸掉機(jī)具的拖拉機(jī)空駛測空駛阻力，用機(jī)組作業(yè)阻力減去空駛阻力差的方式得到作業(yè)阻力，使得懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試過程繁瑣、環(huán)節(jié)多、耗時(shí)長、效率低、精度差。耕整播種機(jī)械的試驗(yàn)往往受季節(jié)性限制，在科研過程中占有獨(dú)特的地位，因而許多國家不懈努力，將科學(xué)技術(shù)新成果應(yīng)用到農(nóng)機(jī)測試科學(xué)研究，改進(jìn)試驗(yàn)方法和測試技術(shù)。因此，研制更加高效的測試方法、測試儀器和設(shè)備，加速農(nóng)機(jī)科研和產(chǎn)品開發(fā)，一直是我國乃至世界各國農(nóng)機(jī)科研部門普遍重視的問題[2]。

2 懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試技術(shù)分析

2.1 測力框架法

測力框架法是20世紀(jì)80年代我國研究開發(fā)較多的懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力測試技術(shù)裝置，框架形式較多，主要包括以下幾種。

2.1.1 三點(diǎn)合力測力裝置

三點(diǎn)合力測力裝置如圖1所示。其安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置與懸掛式農(nóng)機(jī)具懸掛架之間，拖拉機(jī)的1個(gè)上拉桿、2個(gè)下拉桿掛結(jié)點(diǎn)與測試裝置的前面3點(diǎn)A、B、C分別相連，測試裝置后面的3點(diǎn)A’、B’、C’與農(nóng)機(jī)具的上、下掛結(jié)點(diǎn)相連；連接下拉桿的兩個(gè)水平分力以鉸鏈點(diǎn)為杠桿支點(diǎn)傳到合力作用線O-O’上，使測合成力的傳感器受壓，作用在上拉桿的水平分力通過連桿也傳到同一作用線上，但反方向力使測力傳感器受壓。用一個(gè)測力通道把三點(diǎn)力進(jìn)行了機(jī)械合成，由于測力傳感器上測試的數(shù)值是三點(diǎn)力的合成結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試。

2.1.2 八角環(huán)傳感器測力框架

八角環(huán)傳感器測力裝置安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置與農(nóng)機(jī)具懸掛架之間，由上下兩層框架組成。上層框架形狀為Ⅱ形，下層子框架形狀呈倒Y形，如圖2所示。

圖2 八角環(huán)傳感器測力框架的組成

其中，上層框架中的3點(diǎn)1、2、3分別與拖拉機(jī)的上拉桿、下拉桿的3個(gè)掛結(jié)點(diǎn)連接，下層框架中的3點(diǎn)4、5、6分別與農(nóng)機(jī)具的懸掛點(diǎn)掛接，且下層框架的兩側(cè)立柱是活動(dòng)連接，能夠分別對框架和農(nóng)機(jī)具進(jìn)行單獨(dú)上下位置調(diào)節(jié)，保證農(nóng)機(jī)具和測力元件測力時(shí)均在正常的作業(yè)狀態(tài)及測力準(zhǔn)確度。在框架的左右兩根立柱上分別安裝八角環(huán)傳感器，將上、下兩層子框連結(jié)起來，機(jī)組作業(yè)受力時(shí)八角環(huán)傳感器變形即可測量出農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力。

2.1.3 門架式六分力測力機(jī)構(gòu)

門架式六分力測力機(jī)構(gòu)安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置與懸掛式農(nóng)機(jī)具懸掛架之間，有前門架和后門架。拖拉機(jī)的上拉桿和下拉桿掛接點(diǎn)與前門架的三點(diǎn)相連，農(nóng)機(jī)具的上、下掛接點(diǎn)與后門架的三點(diǎn)相連。前門架和后門架之間安裝6個(gè)拉壓力傳感器，測量農(nóng)機(jī)具作業(yè)的3個(gè)方向上的牽引力：水平方向安裝3個(gè)拉壓力傳感器，量程一般為3～5t；縱方向安裝2個(gè)拉壓力傳感器，量程一般為3t；側(cè)方向安裝1個(gè)拉壓力傳感器，量程一般為4t。農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測量時(shí)PAC通過模擬量模塊采集六分力輸出電流，將其轉(zhuǎn)換為工程值輸出到數(shù)據(jù)庫中[3];或?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集，完成懸掛農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力測試。

2.1.4 平行四邊形測力裝置

平行四邊形測力裝置也叫BJ測力裝置，該裝置把拖拉機(jī)的下拉桿掛結(jié)銷、上拉桿掛接孔、牽引農(nóng)具掛接孔與后橋殼體分離，另設(shè)在一個(gè)空間平行四邊形機(jī)構(gòu)的平動(dòng)邊及剛性延伸部分上，保持各點(diǎn)與拖拉機(jī)后橋殼體原有的相對位置不變[4]。平行四邊形測力裝置測出的力就是懸掛式農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力，可根據(jù)拖拉機(jī)不同調(diào)整使用不同的力傳感器和連接件相配套，保證通用性。

2.1.5 五桿測力裝置

五桿測力裝置連接在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置上，五桿分別連接拖拉機(jī)的上懸掛桿、兩個(gè)下懸掛桿及兩個(gè)提升桿。測試裝置的5個(gè)桿上均配有拉壓力傳感器1個(gè)、角度傳感器1個(gè)，用以測試各桿受到的拉壓力及角度值，并根據(jù)五桿受力的情況與角度變化情況，測試出農(nóng)機(jī)具的受力情況。拖拉機(jī)配帶懸掛式農(nóng)機(jī)具行走作業(yè)時(shí)，五桿上的傳感器分別測出拉壓力值與角度變化值，通過計(jì)算得出作業(yè)阻力的水平分力和垂直分力，完成懸掛農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力測試。

2.1.6 測力框架技術(shù)裝置存在的問題

測力框架技術(shù)裝置研發(fā)較早，使用時(shí)安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置與農(nóng)機(jī)具懸掛架之間，由于存在著各種各樣的問題，沒有得到大批量普及應(yīng)用。其主要表現(xiàn)出體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多及精度較差等問題。測力框架裝置一般體積較大，安裝后拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)具間的距離加長了，農(nóng)機(jī)具的重心位置后移，機(jī)組的縱向穩(wěn)定性變差，加大了拖拉機(jī)后輪胎負(fù)重，對拖拉機(jī)的后輪胎和懸掛提升系統(tǒng)損害較大。由于懸掛式農(nóng)機(jī)具三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)具有多樣性，測力框架裝置為了適應(yīng)各種不同的懸掛參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，盡管采取了一些方法，但不可能與所有懸掛式農(nóng)機(jī)具都連接上，有些懸掛式農(nóng)機(jī)具仍然不能使用，加之通用性差，影響了推廣應(yīng)用。測力框架裝置的結(jié)構(gòu)桿件較多，各桿件的空間位置受力測量方法不完善，受力桿件封裝的應(yīng)變片需反復(fù)標(biāo)定，數(shù)據(jù)采集不同步，處理比較復(fù)雜；連接環(huán)節(jié)較多，累計(jì)誤差大，容易改變懸掛式農(nóng)機(jī)具的設(shè)計(jì)作業(yè)參數(shù)，影響作業(yè)性能和測試結(jié)果。

2.2 三銷求和測力法

為了簡化測試裝置，提高測試精度，科研人員一直在努力研究新型的、先進(jìn)的、測試準(zhǔn)確、安裝方便的測試裝置，探討減少拖拉機(jī)與懸掛農(nóng)機(jī)具間復(fù)雜的連接部件。三銷求和測力法是這一階段懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試技術(shù)的代表。

三銷求和測力法是采用貼有應(yīng)變片的特制測力銷作為測力元件，并與恰當(dāng)電路相結(jié)合的一種測力方法。測力銷的基本要求是能夠分別測出機(jī)組的水平拉力和垂直力，一般都安裝在農(nóng)機(jī)具掛接點(diǎn)上，銷的斷面采用圓形[5]。三銷求和測力法的拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置上懸掛銷傳感器裝在上拉桿上，上拉桿傳感器組件兩端為螺紋連接部分，中間是拉壓力傳感器、角度傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元。上拉桿拉壓力傳感器測量上拉桿軸向拉壓力，角度傳感器則采集上拉桿軸向與水平面的夾角，兩者結(jié)合可計(jì)算出上拉桿受力的水平分力與垂直分力[6]。農(nóng)機(jī)具兩個(gè)下懸掛銷傳感器組件根據(jù)農(nóng)機(jī)具懸掛銷是否固定分為桿式和彎臂式兩種。桿式下懸掛銷傳感器組件(見圖3)，一端與拖拉機(jī)下拉桿銷孔相連接，另一端與農(nóng)機(jī)具懸掛臂銷孔相連接，中間是拉力傳感器以及信號(hào)轉(zhuǎn)換單元；彎臂式測力銷傳感器組件(見圖4)，一端通過彎臂與農(nóng)機(jī)具懸掛臂銷軸相連接，另一端與拖拉機(jī)的下拉桿銷孔相連接，中間是拉力傳感器以及信號(hào)轉(zhuǎn)換單元；農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，角度傳感器采集下拉桿軸向與水平面的夾角，農(nóng)機(jī)具兩個(gè)下懸掛銷拉力傳感器測量下拉桿軸向拉力，兩者結(jié)合可計(jì)算出下拉桿受力的水平分力與垂直分力，將上拉桿和下拉桿3個(gè)水平力求和完成懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試。

三銷求和測力法在拖拉機(jī)與農(nóng)機(jī)具之間沒有測試框架，精簡了結(jié)構(gòu)，減少了連接線路，合成計(jì)算數(shù)據(jù)量少，安裝方便。存在的主要問題：由于懸掛銷軸受應(yīng)變片封裝結(jié)構(gòu)要求限制，拖拉機(jī)與農(nóng)機(jī)具的掛接位置發(fā)生了變化，改變了農(nóng)機(jī)具懸掛銷軸的受力狀況，形成更大的剪切力與剪切力矩，影響測量結(jié)果。

圖3 桿式測力銷結(jié)構(gòu)示意圖

1.應(yīng)變片 2.測力銷 3.彎骨 4.懸掛銷

2.3 磁致伸縮式測力法

懸掛銷測力傳感器除了電阻應(yīng)變片式和壓電式兩種主要方法外，還有磁致伸縮式傳感器。磁致伸縮式阻力傳感器的原理：在力的作用下，磁致伸縮材料內(nèi)部磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，導(dǎo)致材料內(nèi)部及其周圍的磁通密度發(fā)生變化，從而引起傳感器的輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化[7]。磁致伸縮式阻力傳感器由于具有輸出功率大、安裝方便及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著廣闊的市場需求。

懸掛式農(nóng)機(jī)具磁致伸縮式阻力傳感器設(shè)計(jì)為銷軸式，安裝在拖拉機(jī)下拉桿與機(jī)體連接處，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體的空心截面圓軸。懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，作業(yè)阻力通過下拉桿作用于磁致伸縮式阻力傳感器上，輸出與剪切力相關(guān)的電壓信號(hào)，完成懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試。

3 軸銷剪切式測力傳感器設(shè)計(jì)

自20世紀(jì)90年代以來，電子衡器技術(shù)開始逐漸脫離傳統(tǒng)的零部件組裝式結(jié)構(gòu)，主要向承載器與稱重傳感器合成一體的集成化結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。承載器作為專用的稱重傳感器，綜合了多種混合測力機(jī)構(gòu)，直接將軸上的力變換成4～20mA或者其他多種工業(yè)信號(hào)。其技術(shù)性能完全符合要求，且結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便[8]。近年來，美國VISHAY-Nobel公司和德國Batarow公司將軸銷剪切式稱重傳感器成功地應(yīng)用于電子稱重系統(tǒng)。在電子吊秤、行車電子秤、起重機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械及承重車輛等設(shè)備測試中，有不同的測力產(chǎn)品和應(yīng)用。最近幾年，承載式的軸銷式傳感器在我國的起吊稱重行業(yè)、軌道稱重行業(yè)有所應(yīng)用，都取得了較好的測試結(jié)果。

軸銷剪切式稱重傳感器在電子衡器方面應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是測力傳感器為一根承載剪力作用的空心圓軸，應(yīng)變計(jì)嵌在中心孔內(nèi)凹槽中心，通過組橋測量方法，分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)，也可將兩個(gè)凹槽處的應(yīng)變計(jì)共同組成一個(gè)惠斯通電橋來完成測量。軸銷剪切式稱重傳感器可作為連接軸，通過軸上的受力直接反應(yīng)軸上元件的受力情況，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直接測力的要求。

利用軸銷剪切式稱重傳感器可以直接測力的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)人員研制了一種測試拖拉機(jī)牽引力的軸銷式傳感器，進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。拖拉機(jī)牽引力的軸銷式傳感器外形為圓軸，安裝在下拉桿與拖拉機(jī)機(jī)體的鉸接點(diǎn)上，代替原有下拉桿與拖拉機(jī)機(jī)體的鉸接軸，用螺釘對軸銷牽引力傳感器進(jìn)行限位。當(dāng)拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力通過軸銷的應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)檢測[9]。由于軸銷式傳感器安裝在下拉桿與拖拉機(jī)機(jī)體的鉸接點(diǎn)上，導(dǎo)致通用性差；另外，只研制了下拉桿作業(yè)阻力測試軸銷式傳感器，沒有考慮上拉桿力的測試方法，不能完成懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試。

在國內(nèi)外懸掛式耕整播種機(jī)械作業(yè)阻力主要測試技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了用軸銷剪切式測力傳感器測量懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試系統(tǒng)技術(shù)方案。依據(jù)拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)車型由小到大不同有I型、II型、III型3種規(guī)格型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，懸掛式農(nóng)機(jī)具的懸掛銷尺寸是按這3種規(guī)格型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。按懸掛式農(nóng)機(jī)具的3種規(guī)格型號(hào)懸掛銷尺寸設(shè)計(jì)3套軸銷剪切式測力傳感器，每套軸銷剪切式測力傳感器有上拉桿和下拉桿兩種，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.銷軸 2.傳感器 3.固定孔 4.信號(hào)線引出

軸銷剪切式測力傳感器是一根能夠承受剪切力的空心圓軸，中間位置承受拖拉機(jī)的力，兩側(cè)承受懸掛式農(nóng)機(jī)具的力。電阻式應(yīng)變片組成的傳感器安裝在圓軸凹槽內(nèi)部的中心位置，外部孔密封，內(nèi)部充滿惰性氣體，以保護(hù)軸內(nèi)電阻式應(yīng)變片不受外部環(huán)境影響。當(dāng)拖拉機(jī)與懸掛式農(nóng)機(jī)具聯(lián)接后，固定孔放入卡銷，將安裝在懸掛點(diǎn)的軸銷傳感器固定，避免軸銷傳感器活動(dòng)，影響測量結(jié)果。傳感器測量出的3個(gè)懸掛點(diǎn)的力通過軸頭信號(hào)線引出裝置傳送到接收儀器，經(jīng)過計(jì)算得出3個(gè)懸掛點(diǎn)作業(yè)阻力水平分力合，完成懸掛農(nóng)機(jī)具的作業(yè)阻力測試。

4 結(jié)論

軸銷剪切式測力傳感器測量懸掛式農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力測試技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)先進(jìn)、通用性好，很有發(fā)展前景。缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝難度大，需要較多專用的噴砂處理、劃線貼片及加壓固化等工具與裝備，對制造商要求很高。