基于LABVIEW的振動深松機試驗設計與分析

劉曉紅，邱立春

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110161；2.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

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基于LABVIEW的振動深松機試驗設計與分析

劉曉紅1,2，邱立春1

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110161；2.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

為了提高深松機作業過程中土壤疏松效果，降低機具的工作阻力，選用1SZ型振動式深松機，在土槽試驗平臺中進行了相應的振動減阻機理試驗研究。首先設計了基于LABVIEW的軟件測試系統，選取了扭矩、拉力、角度傳感器等傳感器及NI主機，基于五桿測力原理，構建了測試硬件系統，并選取機具的前進速度V0、振幅a=Rsinε和振動角β這3個主要因素進行三元二次回歸正交旋轉組合試驗。試驗表明：振動角對試驗結果影響最大；得出的回歸方程表明：當機具前進速度0.75m/s、振動幅值為7.5mm、振動角度為-15°時，試驗指標機具工作阻力達到最小值3.975kN。

振動式深松機；正交旋轉組合試驗；振動角；減阻

0 引言

為完成振動式深松機相關試驗和性能測試，構建室內土槽試驗測控平臺，可有效彌補田間試驗的周期長、不可重復等諸多不足，從而有效地控制農業機械設備的研制及投產的時間成本，降低研發成本，對促進技術創新和新產品的開發具有重要意義。深松機具是我國旱地耕作保墑關鍵農業機械之一，其能耗、耕作頻率、性能又是保護性耕作研究的重點[1-2]。

為了研究深松機耕作過程中的特性，獲得實際工況下影響機具能效的關鍵因素，為振動式深松機的參數優化提供依據，在現有的土槽試驗平臺的基礎上設計了一套測控系統。在該測控系統的控制下，土槽臺車前進速度、臺車后懸掛輸出轉速連續可調并可實現按特定曲線工況工作，行進過程中的行進速度、后懸掛輸出功率、土壤耕作阻力等信號高速可實時采集與顯示。在測控平臺上，分別對影響深松效果和機具作業阻力因素，如機具的前進速度V0、振幅a=Rsinε和振動角進行三元二次回歸正交旋轉組合試驗，用以分析各因素對期望——機具工作阻力的影響順序，并獲得因素最佳組合。

1 基于LABVIEW的軟件測試系統

測試系統軟件作為土槽試驗系統的核心部分，可將系統中各部分的功能有機結合，在相互協作和數據傳遞過程中起決定作用，保證整個系統有效、穩定地運行。測試軟件在LabVIEW環境下編寫，包括前面板和程序圖兩部分，調試完成后可以打包生成獨立的可執行性文件。前面板是系統的顯示界面，包含儀器功能的按鈕及顯示窗口等，優點是試驗過程中方便實用、易于操作。LABVIEW主要通過程序框圖完成整個程序的源代碼編寫，標準模塊完成信號數據的輸入和輸出配置，特殊模塊的調用完成信號采集及分析處理。測量系統軟件的作用是完成傳感器標定、電壓信號的采集、土槽臺車狀態監控、相關數據分析和測量結果的讀寫任務。

該系統的前面板主要由3大塊組成：一是試驗表頭填寫，有助于后期試驗數據整理；二是操作按鈕的設置，包括程序的開始采集、停止、參數設置、數據回放、保存及濾波設置等按鈕；三是數據保存路徑的設置；四是采集數據的實時顯示包括采集時間、采集數量和采集值的圖形顯示；五是傳感器模式下的數據標定，如圖1和圖2所示。

土槽臺車檢測系統由NI的PXI主機、兩塊PXI-6133同步采集卡和USB6008數據采集卡組成。系統程序主要使用了DAQ Assistant、AI Config.vi、AI Start.vi、AI Read.vi及AI Clear.vi等4個節點通過同步采集卡實現對電壓的多通道采集任務，采用了VISAConfigure Serial Port.vi、VISA Read.vi及VISA Close.v等3個節點通過USB數據采集卡完成相關測量結果的讀取，使用了New Directory.vi、Open/Create/ReplacFile.vi、Write File.vi、Close File.vi等節點創建測試日志文件并完成測量結果的寫操作(陳錫輝和張銀洪，2007)。

圖1 基于LABVIEW的測試系統軟件前面板測力顯示界面

圖2 基于LABVIEW的測試系統軟件前面板數據分析界面

2 試驗設計

為實現深松機土壤切削測試工作，在土槽臺車基礎上搭建了測控系統，主要由傳感器組(包括扭矩傳感器、轉速傳感器、拉壓力傳感器)、信號調理系統、數據采集與處理系統硬件和基于LabVIEW的測試系統軟件等組成。該系統中傳感器組的作用是將扭矩、速度、力、角度等物理量轉換為電信號。其中，拉力傳感器的信號為毫伏級信號。為與數據采集卡的輸入信號匹配，此部分信號再通過信號調理系統(由直流穩壓源和電壓轉換器構成)轉換為標準的電壓信號。根據系統的實際需要，數據采集卡分別選用了NI公司的PXI-6133同步數據采集卡和USB接口形式的6008數據采集卡。前者接收來自傳感器組(測力傳感器、角度傳感器和扭矩傳感器)的信號并經過調理后送至PXI主機，后者接收來自土槽臺車前進速度和限制土槽臺車不沖出軌道的兩個傳感器(即兩個霍爾接近開關)的信號，此信號為數字信號經過隔離調整后送至PXI主機。最后，所有的信號都被送至基于LabVIEW軟件的測試系統中，力矩、轉速、前進速度、機具牽引阻力等測試數據以數據表和曲線的形式實時顯示和存儲。試驗測試系統框圖如圖3所示。

圖3 農機測試系統組成框圖

拖拉機的后液壓懸掛機構與農機具配套后構成懸掛機組，本文以應用最廣的后懸掛方式作為振動式深松機的動力驅動[3-8]。模塊式桿架傳感測力裝置不破壞原后懸掛系統中的5個桿件(兩個提上桿、一個上拉桿、兩個下拉桿)的連接尺寸，僅改動連接配件，安裝相應傳感器的測試方式[9-11]。振動式深松機切削試驗設備如圖4所示。

圖4 振動式深松機切削試驗設備

3 振動式深松鏟土壤切削正交試驗

由現有文獻和筆者前期研究可知：機具的前進速度V0、振動頻率f=ω/(2π)、振幅a=Rsinε和振動角β配置不同，運動曲線不同，運動過程的切削阻力也不同。由于拖拉機后懸掛輸出動力固定為720r/min和540r/min，即輸出振動頻率為12Hz和9Hz兩種，因此在正交試驗設計過程中，固定振動頻率為12Hz，選取機具的前進速度V0、振幅a=Rsinε和振動角β這4個主要因素進行三元二次回歸正交旋轉組合試驗。

表1 因素水平編碼

根據二次回歸正交旋轉組合設計方案，選取關鍵因素(前進速度、振動幅值、振動角度)的上下限值(xj1、xj2)，并根據如下公式計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

根據試驗因素數m=3，選擇正交表L8(27)進行變換，二水平試驗次數mc=8，星號試驗次數mγ=6，零水平試驗次數m0=9，可得γ=1.682。試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

根據三元二次回歸正交組合設計的要求，將平方項分別進行中心化，得到試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

續表3 試驗結果

將表3中數據導入minitab進行回歸分析(見表4)，得到阻力均值與各因素關系的回歸方程為

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，F0.01(1，2)=98.49，F0.05(9，13)=2.71，F0.01(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，F0.01(3，19)=5.01。

本試驗中，根據計算和查表可得零水平試驗次數mc=9，應該進行相關的失擬性檢驗，相關的計算為

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 結論

在土槽試驗平臺上設計了基于LabView的測試系統，并根據正交旋轉組合試驗的設計方法，針對機具的前進速度V0、振幅a=Rsinε和振動角進行三元二次回歸正交旋轉組合試驗。分析的3個因素中，影響因素順序為：振動角度>前進速度>振幅，試驗設計過程中考慮了因素之間的交互作用。通過minitab數據分析處理，得出機具前進速度0.75m/s、振動幅值為7.5mm、振動角度為-15°時，試驗指標機具工作阻力達到最小值3.975kN。由此可見，振動式深松機作業作業過程中，小型拖拉機就可以滿足其動力需求，最小工作阻力下的參數為深松機的機械設計和耕作模式提供了設計依據。

[1] 北京農業機械化學院．農機測試技術[M]．北京：中國農業出版社，1983．

[2] 王國華．基于虛擬儀器的農機土槽測控系統[D]．北京：中國農業大學，2002.

[3] 于艷，龔麗農，尚書旗．農機土槽試驗動力學參數測試系統的研制[J]．農業工程學報，2011(S1)：323-326．

[4] 王瑞麗，李寶筏，牛彥，等．行間深松部件的試驗研究[J].農機化研究，2006(7)：133-135．

[5] 李霞，付俊峰，張東興，等．基于振動減阻原理的深松機牽引阻力試驗[J].農業工程學報，2012,28(1)：32-36．

[6] 張璐．深松鏟減阻技術研究[D]．長春：吉林大學，2013．

[7] 徐宗保．振動式深松中耕作業機的設計與試驗研究[D]．哈爾濱：東北農業大學，2009．

[8] 邱立春，李寶筏．自激振動深松機減阻試驗研究[J]．農業工程學報，2000，16(6)：72-75．

[9] 王佳偉，楊亞非，錢玉恒．基于扭轉振動裝置的PID實驗設計[J]．實驗技術與管理，2014，3(31):59-62．

[10] 王金武，唐漢，周文琪，等．指夾式精量玉米排種器改進設計與試驗[J].農業機械學報，2015，46(9)：68-76．

[11] 楊然兵，柴恒輝，尚書旗．花生播種機傾斜圓盤碟式排種器設計與性能試驗[J].農業機械學報，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

國家自然科學基金項目(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，沈陽人，教授，博士生導師，(E-mail)qlccn@126.com。

S222.3

A

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