平移式噴灌機行走阻力的確定及驗證

李 丹，朱德蘭，劉柯楠，王方同，祝 鵬

平移式噴灌機行走阻力的確定及驗證

李 丹1,2，朱德蘭1,2※，劉柯楠3，王方同4，祝 鵬5

（1. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；3. 甘肅農業大學機電工程學院，蘭州 730070；4. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；5. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

行走阻力對平移式噴灌機的動力配置具有重要影響，為了確定不同土壤條件下噴灌機的行走阻力，為機組提供合理的動力配置依據。針對黃綿土和塿土2種土壤類型，以土壤含水率和容重為因素，選取表征機組行走阻力的5個土壤力學參數即土壤黏聚變形模數、摩擦變形模數、沉陷指數、黏聚力和內摩擦角為指標，采用二元二次通用旋轉組合試驗設計，通過平板沉陷試驗與直接剪切試驗，建立了2種土壤類型含水率、容重與5個參數間的回歸模型，從而得出噴灌機所需行走阻力，并以此為依據對噴灌機行走驅動系統進行配置和田間行走試驗。結果表明，含水率、容重和二者交互作用對2種土壤的5個參數均有顯著影響（＜0.05）；隨著含水率和容重增加，黃綿土黏聚變形模數呈減小趨勢而塿土呈先增大后減小趨勢，且2種土壤的摩擦變形模數均減小，沉陷指數均呈先減小后增大趨勢，黏聚力與內摩擦角均增大。采用上述方法進行的驅動系統配置滿足噴灌機動力需求，由5個參數的回歸模型所得驅動功率計算值與田間試驗功率實測值最大相對誤差分別為6.43%、7.73%，模型合理。研究可為平移式噴灌機動力配置提供依據。

噴灌機；含水率；土壤；力學參數；容重；行走阻力；動力配置

0 引 言

噴灌技術具有灌水均勻、高效、節水等優點[1-2]，尤其在中國西北干旱地區應用廣泛，平移式噴灌機是重要噴灌裝備之一，其為四輪獨立驅動輪式機械，然而目前其行走動力配置僅依靠經驗，缺乏科學指導，在不同土壤阻力條件下常使電機功率配置過大而浪費電力或配置過小而降低工作效率[3]。因此，確定不同土壤條件下噴灌機的行走阻力，對合理配置其動力、提升工作效率、加快其推廣應用具有重要意義。

輪式機械松軟地面運行阻力是影響其工作性能的主要因素之一，阻力越大則所需配置的驅動功率越大，諸多文獻探討了輪胎阻力影響因素[4]、阻力計算[5-6]及建模方法[7-8]等，韓愈等[9]提出了基于滾動阻力實時監測的松軟地面識別方法，提高了車輛運行性能；Taghavifar等[10]發現松軟地面輪胎滾動阻力受輪胎氣壓和垂直載荷的影響較大；王憲良等[11]分析了松軟地面輪胎土壤接觸特性，結果表明合適的氣壓與軸載有助于提升農機運行性能。然而，上述研究側重于輪式機械本身參數對運行阻力的影響，較集中于農機具結構優化在工作阻力降低方面的應用[12-13]，土壤條件變化對土壤阻力影響方面的研究尤其缺乏。含水率、容重及土壤類型是不同灌溉區域土壤阻力不同的主要影響因素[14]，不同含水率、容重的土壤下噴灌機行走功率消耗存在較大差別，而表征輪胎土壤阻力的土壤力學參數主要有黏聚變形模數、摩擦變形模數、沉陷指數、黏聚力和內摩擦角等5種參數[15-17]；現有研究雖探討了土壤條件變化對部分土壤力學性能的影響，如土壤含水率對土壤抗剪強度等的效應[18-19]，以及農業機械不同作業工況對土壤力學參數的影響等[20]，但上述5種參數在不同含水率、容重及土壤類型等條件下的變化規律尚未探明，且此5種參數在噴灌機運行阻力及動力配置方面的研究應用鮮有報道。平移式噴灌機為田間自走式噴灌機，其作業時行走速度極其緩慢，輪胎滾動阻力為其動力系統功耗主要因素[21-23]，土壤條件不同而使滾動阻力變化時，則需考慮含水率與容重對其所需動力配置的影響，噴灌機質量、作業幅寬等對其行走阻力雖有影響，但其為噴灌機自身參數且較為復雜，后期將單獨考慮。

本文主要利用二元二次通用旋轉組合試驗設計方法，通過平板沉陷試驗與直接剪切試驗，研究西北干旱地區主要土壤類型黃綿土、塿土的含水率和容重對黏聚變形模數、摩擦變形模數、沉陷指數、黏聚力和內摩擦角的影響，建立回歸模型，以此確定噴灌機在不同土壤條件下的行走阻力，并以平移式噴灌機為平臺進行動力配置的應用與驗證，以期為平移式噴灌機動力系統配置提供合理依據。

1 平移式噴灌機行走阻力理論分析

平移式噴灌機結構示意圖如圖1a所示，其行走系統主要由4個相同的驅動輪、直流電機、減速器及控制器組成；其中電機是驅動系統關鍵部件，機組運行時需依據不同土壤條件合理配置驅動電機，才能使驅動系統性能達到最佳。

1.直流電機 2.驅動輪 3.控制器 4.噴頭 5.桁架 6.光伏板 7.蓄電池

1.DC motor 2.Driving wheel 3.Controller 4.Nozzle 5.Truss 6.Photovoltaic panel 7.Battery

a. 平移式噴灌機整體結構圖

a. Overall structure of lateral move sprinkling machine

b. 驅動輪-土壤受力分析圖

b. Force analysis of driving wheel in soil

注：為驅動輪行走速度，為驅動輪扭矩，為噴灌機重力，F噴灌機行走阻力，F為壓實阻力，F為推土阻力。

Note:is driving speed of drive wheel,is torque of drive wheel,is weight of sprinkling machine,Fis driving resistance of sprinkling machine,Fis compaction resistance,Fis bulldozing resistance.

圖1 平移式噴灌機整體結構及驅動輪-土壤受力分析圖

Fig.1 Overall structure of lateral move sprinkling machine and force diagram of driving wheel in soil

平移式噴灌機以勻速狀態工作，驅動力與阻力相等，行走阻力主要為土壤壓實阻力、推土阻力及輪胎彈滯阻力，該噴灌機工作于松軟土壤中，驅動輪可近似為剛性輪胎，彈滯阻力影響極小，本文不予以考慮，僅研究壓實阻力與推土阻力。

同時，因作業要求，平移式噴灌機勻速行走速度最大為0.083 3 m/s，因此忽略空氣阻力和加速阻力[24-26]，則噴灌機行走阻力F為推土阻力F與壓實阻力F之和，其受力分析如圖1b所示；F和F計算公式如式（1）、（3）所示[27]。

式中為驅動輪寬度，m；為黏聚力，kPa；為內摩擦角，（o）；N、N為土壤承載能力系數；為土壤沉陷量，m；為土壤單位體積重力，kN/m3。

其中土壤沉陷量與壓力滿足關系式

式中為土壤單位面積所受壓力，kN/m2；K為土壤黏聚變形模數，kN/m+1；K為土壤摩擦變形模數，kN/m+2；為沉陷指數。