水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗研究

付 威，丁 凱，張志元，楊文武，張慧明

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗研究

付 威1，丁 凱1，張志元1，楊文武2，張慧明1

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

對自主研發的水稻旱直播機地輪進行滾動阻力和地輪滑移率等方面的理論研究，確定滾動阻力、滑移率和工作參數(機器行走速度、扭矩、彈簧預緊力)三者之間的關系，以獲得地輪工作的最佳工作參數。同時，采用三因素五水平二次回歸旋轉正交組合試驗的設計方法，對地輪工作參數進行試驗研究。通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據分析求解，建立回歸方程，確定最優參數組合，得到影響因素最佳參數組合方案。結果表明：各組方案中的影響因素編碼值和響應指標數值均在優化區域，可為播種機地輪傳遞動力提供理論依據和播種作業工作參數選取提供指導。

水稻旱直播機；地輪；動力傳遞；正交試驗

0 引言

水稻是我國主要糧食農作物之一，種植面積約占全國谷物種植總面積的40%左右。我國水資源短缺、人均水資源占有量較少，傳統的耗水量較大的水稻種植方式不能滿足節約水資源的要求，因此近年來我國水稻旱直播面積不斷增加[1-2]。

地輪作為水稻旱直播機的關鍵部件，具有帶動傳動系統并為排種、施肥系統提供動力的作用。目前，國內直播機主要研究的方向是排種排肥裝置、防堵裝置、開溝裝置及對其工作性能進行檢測的機電一體化系統等方面，而對直播機地輪深入研究的人員較少[3-5]。我國直播機的排種排肥系統動力大多來自地輪，作業時地輪依靠與土壤間的摩擦力轉動通過鏈輪鏈條傳動，將扭矩傳遞給排種排肥裝置。地輪轉動穩定性受地輪滑移、地輪滾動阻力等因素影響，當土壤與地輪間的摩擦力不足時滑移會偏大，導致地輪轉速降低或者停止旋轉。滾動阻力的存在使得機器行走速度不穩定，地輪轉速也處于不穩定狀態，使依靠地輪轉動提供動力的排種排肥裝置的旋轉會受到較大影響，所以地輪工作穩定性對直播機排種排肥均勻性具有顯著的影響[6-8]。

本文對影響水稻旱直播機地輪轉動穩定性的因素進行分析研究，尋求工作參數、地輪滑移率、地輪滾動阻力三者間最佳組合方案。為尋得最佳工作組合參數，試驗方案采用三因素五水平二次回歸旋轉正交組合試驗設計方法，最終得到的結果為直播機地輪工作參數選取提供參考。

1 地輪的受力分析及計算

1.1 地輪結構

本機采用地輪傳動，經過二級鏈輪鏈條傳動將地輪行走轉動所產生的動力傳遞給排種排肥裝置，完成水稻旱直播機的施肥排種作業，其結構如圖1所示。

1.地輪 2.懸掛架 3.彈簧支撐架 4.地輪壓簧圖1 地輪結構簡圖Fig.1 The structure of land wheel

1.2 地輪滾動阻力的計算

如圖2所示，輪子以速度v做勻速直線運動，得到其靜力學平衡方程[9-11]為

G-Ry=0

(1)

F-Rx=0

(2)

假設z0-z≈0時，則

G·x+M-Rx·r=0

(3)

根據式(2)、式(3)可知：當x、Rx、r分別為常數時，假設牽引阻力F等于地輪滾動阻力Rx，F∝M。

圖2 滾動阻力Fig.2 Rolling resistance

2 試驗儀器和方法

2.1 試驗儀器

地輪動力傳遞性能試驗所用的試驗材料包括卷尺(50m)、鋼直尺、游標卡尺及秒表等，主要儀器和設備如表1所示。

采用TDR300 土壤水分探測器測定土壤含水率，SC-900數顯式土壤堅實度儀測定土壤堅實度，NJTY3田間機械動力學參數遙測儀測試雙圓盤開溝阻力。

2.2 試驗方法

田間機械動力學參數遙測儀掛接在拖拉機兩個下懸掛點，遙測儀牽引板中間與播種機掛接，通過水分探測器和土壤堅實度儀測定土壤特性，如圖3所示。

2.2.1 影響因素的選取與調整

為了評價地輪動力傳遞效果和質量，通過理論分析和播種機作業要求，確定地輪動力傳遞過程中各影響參數的范圍為：作業速度2.8～3.6km/h，扭矩10～30N·m，彈簧預緊力940～1 410N。

表1 儀器和設備參數

圖3 地輪傳遞性能田間測試Fig.3 Field test of land wheel transmission performance

2.2.2 響應指標的選取與測定

播種作業時的牽引阻力，主要反映地輪在不同作業參數時地輪的滾動阻力?；坡蚀笮≈苯佑绊懖シN機作業的成穴效果。

牽引力阻力的測定采用NJTY3田間機械動力學參數遙測儀，每組試驗重復3次，取平均值；測定滑移率時，選取地輪直徑D=600mm，每組試驗重復3次。滑移率計算公式為

(4)

3 多因子試驗設計

試驗采用二次正交旋轉組合設計試驗方案，研究各影響因素不同的組合對響應指標的影響。選取作業速度、地輪扭矩和彈簧預緊力3個影響因素進行多因子試驗，以牽引阻力和滑移率為響應指標，按三因子五水平安排試驗，制定的因子水平編碼表，如表2所示。根據編碼表，制定二次正交旋轉組合設計的試驗方案，結果如表3所示。

表2 因子水平編碼

續表2

表3 二次旋轉正交組合試驗方案及結果

3.1 牽引阻力的方差分析

根據表3的試驗數據，采用Design-Expert8.0.6軟件得出牽引阻力的方差分析結果，如表4所示。

表4 各影響因素對牽引阻力的方差分析

y1=1566.73-416.27x1+53.98x2-0.57x3-

(5)

3.2 滑移率的方差分析

根據表3的試驗數據，采用Design-Expert8.0.6軟件得到滑移率的方差分析結果，如表5所示。

表5 各影響因素對滑移率的方差分析

續表5

y2=60.26-12.40x1-0.45x2-0.03x3+

0.41x1x2+0.47×10-2x1x3-0.46×10-3x2x3+

(6)

3.3 各影響因素對牽引阻力和滑移率的影響分析

各影響因素對牽引阻力和滑移率的影響分析如圖4～圖9所示。

圖4 作業速度與扭矩對牽引阻力的影響Fig.4 Effects of opreating speed and torque on tractive resistance

圖5 作業速度與彈簧預緊力對牽引阻力的影響Fig.5 Effects of opreating speed and initial tension ofspring on tractive resistance

圖6 扭矩與彈簧預緊力對牽引阻力的影響Fig.6 Effects of torque and initial tension of spring on tractive resistance

圖7 作業速度與扭矩對滑移率的影響Fig.7 Effects of opreating speed and torque on slip rate

圖8 作業速度與彈簧預緊力對滑移率的影響Fig.8 Effects of opreating speed and initial tension of spring on slip rate

圖9 扭矩與彈簧預緊力對滑移率的影響Fig.9 Effects of torque and initial tension of spring on slip rate

由圖4可知：當彈簧預緊力在0水平(x3=1 175N)時，牽引阻力隨播種機作業速度增大而減小，隨扭矩增大而增大；響應曲面沿x2方向變化較快，而沿x1方向變化較慢；在試驗水平下，扭矩對牽引阻力的影響要比作業速度的影響顯著。

由圖5可知：當扭矩在0水平(x2=10N·m)時，牽引阻力隨作業速度增大而減小，隨彈簧預緊力增大而增大；響應曲面沿x1方向變化較快，而沿x3方向變化較慢；在試驗水平下，作業速度對牽引阻力的影響要比彈簧預緊力的影響顯著。

由圖6可知:當作業速度在0水平時，牽引阻力隨扭矩增大而增大，隨彈簧預緊力增大而增大；響應曲面沿x3方向變化較快，而沿x2方向變化較慢；在試驗水平下，彈簧預緊力對牽引速度的影響要比扭矩的影響顯著。

由圖7可知:當彈簧預緊力在0水平時，滑移率隨作業速度增大而減小，滑移率隨扭矩增大而增大；響應曲面沿x1方向變化較快，而沿x2方向變化較慢；在試驗水平下，作業速度對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

由圖8可知：當扭矩在0水平(x2=10N·m)時，滑移率隨作業速度增大而減小，隨彈簧預緊力增大而減??；響應曲面沿x3方向變化較快，而沿x1方向變化較慢；在試驗水平下，彈簧預緊力對滑移率的影響要比作業速度的影響顯著。

由圖9可知：當作業速度在0水平時，滑移率隨扭矩增大而增大，隨彈簧預緊力增大而減??；響應曲面沿x2方向變化較快，而沿x3方向變化較慢；在試驗水平下，扭矩對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

3.4 最佳參數優化

根據地輪動力傳遞性能的要求，本試驗采用多目標優化方法進行尋優，采用Design-Expert8.0.6軟件進行優化求解。分別以牽引阻力、滑移率作為響應指標函數，參照國標GB9478─88谷物條播機試驗方法及田間試驗數據，設定約束條件，進行模型優化，確定滿足響應指標的最佳參數組合，即

y1=1566.73-416.27x1+53.98x2-0.57x3-

其中，y1∈[650，800]，x1∈[-1，1]，x2∈[-1，1]，x3∈[-1，1]。

y2=60.26-12.40x1-0.45x2-0.03x3+0.41x1x2+

其中，y2∈[10，15]，x1∈[-1，1]，x2∈[-1，1]，x3∈[-1，1]。

由于牽引阻力和地輪滑移率在實際作業過程中是多變的，受外界條件影響較大，目標約束不宜取某一目標值(最大或最小)值，應取某一區間值，所以本試驗y1、y2的目標約束分別為y1∈[650，800]，y2∈[10，15]。

優化分析圖如圖10所示。圖10中，當x1、x2、x3分別固定在0水平時，其他影響因素在約束條件下，針對牽引阻力和地輪滑移率在目標約束條件下進行全局尋優。圖中黃色的區域滿足各響應指標要求，該區域內為影響因素選擇的最佳區域。

x3=1 175N(0水平) x1=3.2km/h(0水平)圖10 優化分析圖Fig. 10 Analytical picture of optimization

4 結論

1)水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗的方法，分別

建立了各因素(工作參數)和牽引阻力、各因素(工作參數)和滑移率之間關系的數學回歸模型，并分析了諸影響因素對評價指標的影響。

2)彈簧預緊力為1 175N時，牽引阻力隨著直播機速度增加而降低，地輪所受扭矩越大，牽引阻力越大，在試驗水平下扭矩對牽引阻力的影響比直播機速度更為顯著；滑移率隨作業速度增大而減小，滑移率隨扭矩增大而增大,在試驗水平下作業速度對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

3)經過優化分析，獲得最佳優化區間，得到關于滾動阻力、滑移率和工作參數之間最優組合，可滿足實際生產試驗選取。

[1] 趙凌,趙春芳,周麗慧,等.中國水稻生產現狀與發展趨勢[J].江蘇農業科學,2015,43(10):105-107.

[2] 牛琪,王士國,陳學庚.膜下滴灌水稻穴直播機研究[J].農業機械學報,2016,47(S1):90-95，102.

[3] 劉林.免耕播種機地輪設計與試驗研究[D].哈爾濱:東北農業大學,2015.

[4] 夏連明,耿端陽,王相友.行星嚙合式防滑地輪結構參數的優化及性能試驗[J].農業工程學報,2012,28(10):53-58.

[5] 廉光赫,劉宏新,王曉林.大型機具行走帶雙軸地輪設計[J].農機化研究,2010,32(2):110-112.

[6] 高玉璐.免耕播種機地輪滑移現象的研究[D].北京：中國農業大學,2001.

[7] 周向榮.作業與運輸功能兼具型地輪設計與應用研究[D].哈爾濱：東北農業大學,2014.

[8] 王業成,邱立春,張文嬌.摩擦型立式圓盤精密排種器的設計與試驗[J].新疆農村機械化,2012,28(3):22-26.

[9] 曾峰,夏連明,張緒鳳.基于Atmega16的播種機地輪滑移率測試系統設計[J].農機化研究,2012，34(5):136-138.

[10] 劉水利,薛永增,王學力,等.精密播種機變徑地輪的設計與應用[J].農機化研究,2013，35(5):143-146.

[11] 王次年,夏連明,張緒鳳.免耕播種防滑地輪的設計與研究[J].農機化研究,2012，34(1):139-141.

[12] 徐向宏,何明珠.試驗設計與Design-Expert、SPSS應用[M].北京:科學出版社,2010.

[13] 葛宜元.試驗設計方法與Design-Expert軟件應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2015.

Experimental Study on the Performance of Land Wheel Power Transmission of Rice Direct Seeder for Dry Land

Fu Wei1, Ding Kai1, Zhang Zhiyuan1, Yang Wenwu2, Zhang Huiming1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China； 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

This paper researched on the rolling resistance and slip rate of land wheel of rice direct seeder for dry land that independent research and development, and determined the relationship among the rolling resistance, slip rate and working parameters (machine walking speed, torque and spring preload) to obtain the best working parameters of the land wheel. The working parameters of land wheel was researched by three factors and five levels quadratic regression rotation orthogonal combination test. The experimental data were analyzed by Design-Expert 8.0.6 to establish regression equation, determine the optimal parameter combination,and obtain optimal parameter combination scheme of influencing factors, the influence factor coding value and response index value in each group scheme were all in the optimized region position, and provided theoretical basis for land wheel power transmission of seeder and guidance for selection of seeding operation parameters.

rice direct seeder for dry land; land wheel; power transmission; orthogonal design

2017-01-24

公益性行業(農業)科研專項(201203059);重慶大學機械傳動國家重點實驗室開放項目(SKLMT-KFKT-201612)

付 威(1977-)，男(滿)，黑龍江五常人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

張慧明(1977-)，女，新疆石河子人，實驗師，碩士，(E-mail)a_an_07@qq.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0141-07