旋轉(zhuǎn)式圓環(huán)形土槽試驗臺設(shè)計

馬君　孫先明　楊存志　余濤

摘 要：針對固定式土槽的諸多不足，設(shè)計可連續(xù)運轉(zhuǎn)圓環(huán)形土槽試驗臺。包括以變頻調(diào)速電機為動力，采用鏈傳動、齒輪傳動的形式，保證土槽轉(zhuǎn)數(shù)可調(diào)且穩(wěn)定，配備兩種制動方式。設(shè)計基于PLC可編程序的控制系統(tǒng)以及按試驗要求開發(fā)的管理和控制軟件，轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)可自動采集、顯示、存儲及按格式打印。配置水稻插秧試驗裝置、旱田秧苗移栽試驗裝置、土壤整理試驗裝置等被測試裝備。

關(guān)鍵詞：土槽;試驗臺;圓環(huán)形

中圖分類號：S220.2文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.002Open Science Identity（OSID）

基金項目：黑龍江省屬科研院所基礎(chǔ)科研經(jīng)費項目（2018-74）

作者簡介：馬君（1970-），男，黑龍江肇源人，研究員級高級工程師，研究方向：農(nóng)機實驗室設(shè)備，農(nóng)機及其智能化，E-mail：majun7111@sina.com。

0 引言

實驗室土槽試驗臺模擬試驗是新型農(nóng)機具整機和部件研發(fā)的重要手段，與田間試驗相比優(yōu)勢明顯。土槽試驗臺模擬試驗不受季節(jié)、氣候、試驗地塊距離、土壤理化性質(zhì)、耕整地質(zhì)量狀況等因素的制約，既可以實現(xiàn)部件測試也可以進行整機測試，試驗基礎(chǔ)條件、試驗變量控制精準、便捷，研發(fā)效率高，效果好。自1889年高瑞艾肯率先提出“土槽”這一概念以來，得到國內(nèi)外農(nóng)機科研工作者廣泛應用的同時，土槽試驗臺自身技術(shù)水平也迅速提升。

按土槽是否固定，土槽試驗臺可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。固定式即土槽相對地面固定，土槽試驗臺（包括驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、被測試裝備在土槽固定的導軌上運動。旋轉(zhuǎn)式即土槽相對地面做回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)除部分與土槽集成一體外，土槽試驗臺（部分驅(qū)動系統(tǒng)、部分制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、被測試裝備不移動，被測試裝備自身可做回轉(zhuǎn)、升降運動。按土槽形狀，固定式分為條形土槽固定式試驗臺和環(huán)形土槽固定式試驗臺。條形土槽固定式試驗臺土槽寬度方向各點速度一致，適合各種農(nóng)機試驗;除去啟動和制動段，實際有效試驗距離有限且只能單方向作業(yè)返向退回，無法連續(xù)試驗，無法進行可靠性試驗;檢測儀器與試驗臺一起移動，影響檢測精度;占地面積大。環(huán)形土槽固定式試驗臺可連續(xù)試驗考核可靠性，直線段寬度方向各點速度相同，但圓弧段速度不同且存在側(cè)向阻力，試驗項目受限;檢測儀器隨被測試裝備移動，檢測精度受影響。本旋轉(zhuǎn)式圓環(huán)形土槽試驗臺可連續(xù)試驗;檢測儀器不隨圓環(huán)形土槽移動，檢測精度不受影響;占地面積小;由于寬度方向各點速度不同和存在側(cè)向阻力，只適合插秧和移栽試驗。

1 總體設(shè)計

本試驗臺采用圓環(huán)形土槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓環(huán)形上軌道、內(nèi)齒圈與圓環(huán)形土槽同心固裝為圓環(huán)形土槽總成。圓環(huán)形下軌道與圓環(huán)形土槽總成中上軌道為同心等徑，上軌道（即圓環(huán)形土槽總成）與下軌道間均勻配置土槽滾輪。變頻調(diào)速電機通過驅(qū)動小齒輪未驅(qū)動內(nèi)齒圈，帶動圓環(huán)形土槽總成通過土槽滾輪在下軌道上做回轉(zhuǎn)運動。被選定的土壤盛裝在圓環(huán)形土槽總成內(nèi)即可做一定角速度的回轉(zhuǎn)運動。被測試裝備安裝在橫跨圓環(huán)形土槽的龍門架上，可完成試驗任務。本試驗臺采用鏈條、齒輪傳動，避免靠橡膠輪摩擦傳動發(fā)生打滑而引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、不一致，影響試驗數(shù)據(jù)的準確性，使檢測質(zhì)量下降，無法對試驗部件作出科學準確評價的情況。

主要技術(shù)指標：圓環(huán)形土槽外徑：5 m;土槽寬度：0.4 m;深度：0.5 m;轉(zhuǎn)速：0～8.7 r·min-1，無級可調(diào);驅(qū)動電機功率：5.5 kW;環(huán)形土槽自重（包括槽內(nèi)填充物）：10 t。

2 主要機構(gòu)

2.1 驅(qū)動機構(gòu)

圓環(huán)形土槽總成在下軌道上做圓周回轉(zhuǎn)運動，為了保證不脫軌，于內(nèi)齒圈的圓柱延伸外壁面均勻裝配6個中心定位滾輪，中心定位滾輪固定于與地基座固接的下軌道支架上。驅(qū)動機構(gòu)由變頻調(diào)速電機、換向變速箱、鏈傳動、齒輪傳動組成。變頻調(diào)速電機軸心線與土槽水平直徑平行，并向上偏移一定距離。驅(qū)動小齒輪安裝在回轉(zhuǎn)座上，與變頻調(diào)速電機軸心線成一定角度。當開始驅(qū)動內(nèi)齒圈及圓環(huán)形土槽總成時，內(nèi)齒圈對驅(qū)動小齒輪的作用力能促進此對齒輪進入嚙合狀態(tài)，實現(xiàn)運轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。

2.2 制動機構(gòu)

本試驗臺設(shè)計兩種制動方式：常規(guī)制動和緊急制動。常規(guī)制動可以通過手動調(diào)節(jié)控制臺中“轉(zhuǎn)盤控制”中變頻電機轉(zhuǎn)速調(diào)整旋鈕，緩慢減少轉(zhuǎn)速直至停止回轉(zhuǎn);或直接按下控制臺中“轉(zhuǎn)盤控制”的“STOP”鍵也可制動;緊急制動主要用于當發(fā)生突發(fā)事件或存在安全隱患時，快速按下緊急制動按鈕。無論按“STOP”鍵或緊急制動按鈕，均啟動制動機構(gòu)。本制動機構(gòu)（如圖2）采用摩擦片式制動器，3套制動機構(gòu)均布于內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面，且與中心定位滾輪相對部位處。每個制動機構(gòu)和相對的中心定位滾輪固裝在同一個下軌道支架上。制動機構(gòu)架上鉸鏈安裝制動驅(qū)動缸和摩擦片座，制動摩擦片固定在摩擦片座上。在制動狀態(tài)下，依靠制動驅(qū)動缸驅(qū)動制動凸輪，制動凸輪驅(qū)動摩擦片座回轉(zhuǎn)，帶動制動摩擦片與內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面接觸產(chǎn)生摩擦力實現(xiàn)土槽總成制動。解除制動狀態(tài)，制動驅(qū)動缸帶動制動凸輪復位，摩擦片座在回位彈簧的作用下將制動摩擦片復位，保持與內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面的預先設(shè)定間隙。在制動啟動時，由于圓環(huán)形土槽總成的慣性，與其為一體的內(nèi)齒圈與驅(qū)動小齒輪存在速度差的情況，為了防止齒輪副嚙合跳齒甚至損壞齒輪，制動驅(qū)動缸動作的同時回轉(zhuǎn)座驅(qū)動缸也收縮，帶動驅(qū)動小齒輪與內(nèi)齒圈脫離。解除制動狀態(tài)時，制動驅(qū)動缸復位的同時回轉(zhuǎn)座驅(qū)動缸也復位拉伸，回轉(zhuǎn)座在復位彈簧的拉力作用下，帶動小齒輪回到與內(nèi)齒圈嚙合狀態(tài)。

2.3 圓環(huán)形土槽

圓環(huán)形土槽內(nèi)土壤可模擬旱地或水田作業(yè)狀況，無論在水田或旱田作業(yè)模式下，可通過更換紅壤、黑土等實現(xiàn)不同土壤試驗狀態(tài)。為了由水田作業(yè)狀況向旱田作業(yè)狀況轉(zhuǎn)換，圓環(huán)形土槽設(shè)置排水系統(tǒng)。設(shè)計三級過濾，目的保證排水系統(tǒng)通暢。圓環(huán)形土槽底板設(shè)計若干排水口，每個排水口上方固裝100目不銹鋼過濾網(wǎng)。土槽內(nèi)土壤分三層，下層為直徑0.5～1 mm的砂石，鋪設(shè)厚度為100 mm;中間層為直徑1.5～2 mm的砂石，鋪設(shè)厚度為100 mm;最上層為紅壤或黑土或其他需要試驗的土壤，鋪設(shè)厚度為200 mm。經(jīng)排水試驗證明，排出的水清澈無雜質(zhì)。

2.4 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制器，精準控制試驗臺及其被測試裝備的全部動作如下：

① 圓環(huán)形土槽啟動：驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)有編碼器，經(jīng)換算在工作站電腦直接顯示當前轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)盤控制”上的變頻器旋鈕（如圖3所示），使圓環(huán)形土槽試驗臺達到試驗所需轉(zhuǎn)速。另外也可在工作站電腦直接輸入所需轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)會自動調(diào)整圓環(huán)形土槽達到試驗所需轉(zhuǎn)速。自動調(diào)整啟動時，預留達到手工所輸入轉(zhuǎn)速的啟動時間，避免不必要的沖擊。

② 圓環(huán)形土槽制動：分常規(guī)制動和緊急制動。常規(guī)制動其一手動調(diào)節(jié)控制臺中“轉(zhuǎn)盤控制”中變頻電機轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整旋鈕，緩慢減少轉(zhuǎn)速直至停止回轉(zhuǎn);其二直接按下控制臺中“轉(zhuǎn)盤控制”中“STOP”鍵也可制動。緊急制動主要用于當發(fā)生突發(fā)事件或存在安全隱患時，快速按下控制臺緊急制動按鈕，啟動制動機構(gòu)并按預留制動時間使圓環(huán)形土槽靜止。以下動作同時完成：自動切斷圓環(huán)形土槽驅(qū)動電機、各被測試裝備回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機電源;自動將所有被測試裝備提升到最高點;啟動回轉(zhuǎn)座驅(qū)動缸使驅(qū)動小齒輪與內(nèi)齒圈嚙合脫離。

③ 被測試裝備回轉(zhuǎn)啟動：回轉(zhuǎn)軸設(shè)有編碼器，通過調(diào)節(jié)控制臺相應的變頻器轉(zhuǎn)速旋鈕，使被測試裝備回轉(zhuǎn)部件達到試驗所需轉(zhuǎn)速，并在工作站電腦直接顯示當前轉(zhuǎn)速。

④ 被測試裝備回轉(zhuǎn)制動：同圓環(huán)形土槽常規(guī)制動。

⑤ 被測試裝備升降：由變頻調(diào)速電機驅(qū)動電動推桿伸縮帶動被測試裝備在龍門架導軌上垂直升降。最高點、最低點由限位開關(guān)控制。實現(xiàn)快速提升，緩慢下降。

3 被測試裝備

本設(shè)計方案在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所落地，被測試裝備包括水稻插秧試驗裝置、旱田秧苗移栽試驗裝置、土壤整理試驗裝置。所有試驗裝置安裝在龍門架上，可實現(xiàn)上下平移。龍門架橫跨在圓環(huán)形土槽的上方，試驗裝置除工作部件做回轉(zhuǎn)運動、升降運動外整機相對地面靜止，圓環(huán)形土槽即土壤做圓周運動。如此試驗裝置和圓環(huán)形土槽啟動，達到正常工作狀態(tài)后，可以下降試驗裝置達到所需耕深或種植深度，大大縮短調(diào)試距離或時間。

水稻插秧試驗裝置實現(xiàn)水稻插秧關(guān)鍵技術(shù)試驗研究，具體技術(shù)參數(shù)為：①動力功率：0.75 kW變頻調(diào)速電機;②分插機構(gòu)動力軸轉(zhuǎn)速：0～500 r·min-1;③分插機構(gòu)位置相對秧箱的秧門前后方向移動范圍：-20～+80 mm（方向向后為正），上下方向移動范圍：-20～+80 mm（方向向下為正）;④秧門寬度：14～23 mm無級可調(diào);⑤分插試驗單元高度調(diào)節(jié)范圍：0～300 mm;⑥秧箱橫向移箱次數(shù)：12、16、18、20、24可調(diào)，縱向送秧量：8～17 mm無級可調(diào);⑦箱傾斜角度：45°～65°無級可調(diào)。

旱田秧苗移栽試驗裝置實現(xiàn)旱田秧苗移栽關(guān)鍵技術(shù)試驗研究，具體技術(shù)參數(shù)為：①動力功率：1.5 kW變頻調(diào)速電機;②分插機構(gòu)轉(zhuǎn)速：0～200 r·min-1;③秧箱橫向移箱次數(shù)：6、8、10可調(diào);④取苗針夾角20°～40°無級可調(diào)。

土壤整理試驗裝置使圓環(huán)形土槽內(nèi)上層土壤達到所要求的試驗狀態(tài)，具體技術(shù)參數(shù)為：①動力功率：3 kW變頻調(diào)速電機;②刀輥軸轉(zhuǎn)速：200～400 r·min-1;③旋耕深度：150～200 mm;④工作幅寬：250～300 mm;⑤刀片型號：T245;⑥刀片數(shù)量：8片;⑦鎮(zhèn)壓方式：彈簧壓緊式鎮(zhèn)壓板。

為了方便操作人員檢修圓環(huán)形土槽內(nèi)部部件，設(shè)計跨越土槽的跨越步梯。

4 管理和控制軟件

根據(jù)圓環(huán)形土槽運行及被測試裝備試驗要求，硬件為研華工控機和研華PCI1711L模擬量采集卡，設(shè)計開發(fā)了管理和控制軟件。本軟件可以對圓環(huán)形土槽運行轉(zhuǎn)速、水稻插秧分插機構(gòu)、旱田秧苗移栽動力軸、土壤整理刀輥軸轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)進行采集、顯示以及存儲。土槽轉(zhuǎn)速實時曲線，被測試裝備動力輸出軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率實時曲線，并按試驗大綱要求打印數(shù)據(jù)表格。

5 結(jié)論

（1）圓環(huán)形土槽試驗臺結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，上下軌道及中間土槽滾輪組成運動副，轉(zhuǎn)速可調(diào)且平穩(wěn)，可模擬旱地和水田作業(yè)模式并可轉(zhuǎn)換，可更換土壤種類，實現(xiàn)不同試驗所需理化指標。

（2）設(shè)置水稻插秧試驗裝置、旱田秧苗移栽試驗裝置、土壤整理試驗裝置等被測試裝備，本土槽試驗臺采用模塊式設(shè)計，可根據(jù)需要增加新款被測試裝備。

（3）基于PLC可編程控制器、集成變頻器、變頻調(diào)速電機、編碼器、限位開關(guān)等的控制系統(tǒng)。根據(jù)圓環(huán)形土槽運行及被測試裝備試驗要求，設(shè)計開發(fā)了管理和控制軟件。

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