懸掛式耕整播種機械作業阻力測試技術探究

靳曉燕，孫士明，于曉波，龐愛國，趙麗平，馮喜玲

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

2017年，我國農業機械化作業水平達到66.5%，已經達到農業機械化發展的中級末期，很快就要步入高級發展階段。隨著新產品開發步伐進一步加快，檢測工作量必將大幅增加。

2016年12月20日，國務院發布“十三五”節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“四個全面”戰略布局，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，加強重點領域節能，推進農業農村節能，加快淘汰老舊農業機械，推廣農用節能機械、設備和漁船，逐步淘汰高油耗的農業機械[1]。可見，降低能源消耗、提高能源的有效利用率及工作效率，是近年來農業機械領域創新開發的主題。耕整播種機械化作為農業機械化的重要組成部分，占農業機械化的權重高達0.7，創新開發推廣節能型的耕整播種機械是農業機械節能減排的重要方面。耕整播種機械與拖拉機的配套方式主要是三點后懸掛式，影響耕整播種機械作業能耗的主要因素是作業阻力。因此，研究準確、方便、快捷、高效的懸掛式耕整播種機械作業阻力測試技術，對揭示生境—機器—作物系統優化自適應節能增效、降耗減排匹配規律及研發推廣節能型的耕整播種機械具有重要意義。

1 懸掛式耕整播種機械作業阻力測試現狀及問題

耕整播種機械的三點懸掛機構有I型、II型、III型3種規格型號，其三點懸掛機構的下拉桿寬度、立柱高度和懸掛銷軸直徑尺寸各不相同；而耕整播種機械研發時由于受機具結構的限制，不同型號耕整播種機械產品的三點懸掛機構尺寸千差萬別，導致作業阻力測試儀器通用性差；再加上耕整播種機械田間作業條件惡劣，影響生境—機器(耕整播種機械)—作物系統的耕整播種機械作業阻力的因素異常復雜且變化無常，給懸掛式耕整播種機械作業阻力測試帶來了很大障礙。因此，目前懸掛式耕整播種機械作業阻力測試主要使用拉力計的拖帶法，用更大牽引力的拖拉機通過拉力計牽引拖拉機配套耕整播種機械機組測機組作業阻力，再用更大牽引力的拖拉機通過拉力計牽引卸掉機具的拖拉機空駛測空駛阻力，用機組作業阻力減去空駛阻力差的方式得到作業阻力，使得懸掛式耕整播種機械作業阻力測試過程繁瑣、環節多、耗時長、效率低、精度差。耕整播種機械的試驗往往受季節性限制，在科研過程中占有獨特的地位，因而許多國家不懈努力，將科學技術新成果應用到農機測試科學研究，改進試驗方法和測試技術。因此，研制更加高效的測試方法、測試儀器和設備，加速農機科研和產品開發，一直是我國乃至世界各國農機科研部門普遍重視的問題[2]。

2 懸掛式耕整播種機械作業阻力測試技術分析

2.1 測力框架法

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

2.1.1 三點合力測力裝置

三點合力測力裝置如圖1所示。其安裝在拖拉機三點懸掛裝置與懸掛式農機具懸掛架之間，拖拉機的1個上拉桿、2個下拉桿掛結點與測試裝置的前面3點A、B、C分別相連，測試裝置后面的3點A’、B’、C’與農機具的上、下掛結點相連；連接下拉桿的兩個水平分力以鉸鏈點為杠桿支點傳到合力作用線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。用一個測力通道把三點力進行了機械合成，由于測力傳感器上測試的數值是三點力的合成結果，實現了懸掛式農機具作業阻力測試。

2.1.2 八角環傳感器測力框架

八角環傳感器測力裝置安裝在拖拉機三點懸掛裝置與農機具懸掛架之間，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 八角環傳感器測力框架的組成

其中，上層框架中的3點1、2、3分別與拖拉機的上拉桿、下拉桿的3個掛結點連接，下層框架中的3點4、5、6分別與農機具的懸掛點掛接，且下層框架的兩側立柱是活動連接，能夠分別對框架和農機具進行單獨上下位置調節，保證農機具和測力元件測力時均在正常的作業狀態及測力準確度。在框架的左右兩根立柱上分別安裝八角環傳感器，將上、下兩層子框連結起來，機組作業受力時八角環傳感器變形即可測量出農機具的作業阻力。

2.1.3 門架式六分力測力機構

門架式六分力測力機構安裝在拖拉機三點懸掛裝置與懸掛式農機具懸掛架之間，有前門架和后門架。拖拉機的上拉桿和下拉桿掛接點與前門架的三點相連，農機具的上、下掛接點與后門架的三點相連。前門架和后門架之間安裝6個拉壓力傳感器，測量農機具作業的3個方向上的牽引力：水平方向安裝3個拉壓力傳感器，量程一般為3～5t；縱方向安裝2個拉壓力傳感器，量程一般為3t；側方向安裝1個拉壓力傳感器，量程一般為4t。農機具作業阻力測量時PAC通過模擬量模塊采集六分力輸出電流，將其轉換為工程值輸出到數據庫中[3];或將電流信號轉化為電壓信號，由無線傳感網絡節點采集，完成懸掛農機具的作業阻力測試。

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，該裝置把拖拉機的下拉桿掛結銷、上拉桿掛接孔、牽引農具掛接孔與后橋殼體分離，另設在一個空間平行四邊形機構的平動邊及剛性延伸部分上，保持各點與拖拉機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機具的作業阻力，可根據拖拉機不同調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三點懸掛裝置上，五桿分別連接拖拉機的上懸掛桿、兩個下懸掛桿及兩個提升桿。測試裝置的5個桿上均配有拉壓力傳感器1個、角度傳感器1個，用以測試各桿受到的拉壓力及角度值，并根據五桿受力的情況與角度變化情況，測試出農機具的受力情況。拖拉機配帶懸掛式農機具行走作業時，五桿上的傳感器分別測出拉壓力值與角度變化值，通過計算得出作業阻力的水平分力和垂直分力，完成懸掛農機具的作業阻力測試。

2.1.6 測力框架技術裝置存在的問題

測力框架技術裝置研發較早，使用時安裝在拖拉機三點懸掛裝置與農機具懸掛架之間，由于存在著各種各樣的問題，沒有得到大批量普及應用。其主要表現出體積較大、結構復雜、環節較多及精度較差等問題。測力框架裝置一般體積較大，安裝后拖拉機和農機具間的距離加長了，農機具的重心位置后移，機組的縱向穩定性變差，加大了拖拉機后輪胎負重，對拖拉機的后輪胎和懸掛提升系統損害較大。由于懸掛式農機具三點懸掛機構具有多樣性，測力框架裝置為了適應各種不同的懸掛參數，結構設計得比較復雜，盡管采取了一些方法，但不可能與所有懸掛式農機具都連接上，有些懸掛式農機具仍然不能使用，加之通用性差，影響了推廣應用。測力框架裝置的結構桿件較多，各桿件的空間位置受力測量方法不完善，受力桿件封裝的應變片需反復標定，數據采集不同步，處理比較復雜；連接環節較多，累計誤差大，容易改變懸掛式農機具的設計作業參數，影響作業性能和測試結果。

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、先進的、測試準確、安裝方便的測試裝置，探討減少拖拉機與懸掛農機具間復雜的連接部件。三銷求和測力法是這一階段懸掛式農機具作業阻力測試技術的代表。

三銷求和測力法是采用貼有應變片的特制測力銷作為測力元件，并與恰當電路相結合的一種測力方法。測力銷的基本要求是能夠分別測出機組的水平拉力和垂直力，一般都安裝在農機具掛接點上，銷的斷面采用圓形[5]。三銷求和測力法的拖拉機三點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、角度傳感器和信號轉換單元。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，兩者結合可計算出上拉桿受力的水平分力與垂直分力[6]。農機具兩個下懸掛銷傳感器組件根據農機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)，一端與拖拉機下拉桿銷孔相連接，另一端與農機具懸掛臂銷孔相連接，中間是拉力傳感器以及信號轉換單元；彎臂式測力銷傳感器組件(見圖4)，一端通過彎臂與農機具懸掛臂銷軸相連接，另一端與拖拉機的下拉桿銷孔相連接，中間是拉力傳感器以及信號轉換單元；農機具作業時，角度傳感器采集下拉桿軸向與水平面的夾角，農機具兩個下懸掛銷拉力傳感器測量下拉桿軸向拉力，兩者結合可計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個水平力求和完成懸掛式農機具作業阻力測試。

三銷求和測力法在拖拉機與農機具之間沒有測試框架，精簡了結構，減少了連接線路，合成計算數據量少，安裝方便。存在的主要問題：由于懸掛銷軸受應變片封裝結構要求限制，拖拉機與農機具的掛接位置發生了變化，改變了農機具懸掛銷軸的受力狀況，形成更大的剪切力與剪切力矩，影響測量結果。

圖3 桿式測力銷結構示意圖

1.應變片 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，磁致伸縮材料內部磁疇發生轉動，材料的磁導率發生變化，導致材料內部及其周圍的磁通密度發生變化，從而引起傳感器的輸出電壓發生相應的變化[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等優點，在自動化控制系統中有著廣闊的市場需求。

懸掛式農機具磁致伸縮式阻力傳感器設計為銷軸式，安裝在拖拉機下拉桿與機體連接處，其結構是一個整體的空心截面圓軸。懸掛式農機具作業時，作業阻力通過下拉桿作用于磁致伸縮式阻力傳感器上，輸出與剪切力相關的電壓信號，完成懸掛式農機具作業阻力測試。

3 軸銷剪切式測力傳感器設計

自20世紀90年代以來，電子衡器技術開始逐漸脫離傳統的零部件組裝式結構，主要向承載器與稱重傳感器合成一體的集成化結構方向發展。承載器作為專用的稱重傳感器，綜合了多種混合測力機構，直接將軸上的力變換成4～20mA或者其他多種工業信號。其技術性能完全符合要求，且結構簡單、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用于電子稱重系統。在電子吊秤、行車電子秤、起重機、農業機械及承重車輛等設備測試中，有不同的測力產品和應用。最近幾年，承載式的軸銷式傳感器在我國的起吊稱重行業、軌道稱重行業有所應用，都取得了較好的測試結果。

軸銷剪切式稱重傳感器在電子衡器方面應用已經非常成熟，其結構特點是測力傳感器為一根承載剪力作用的空心圓軸，應變計嵌在中心孔內凹槽中心，通過組橋測量方法，分別組成惠斯通電橋再并聯，也可將兩個凹槽處的應變計共同組成一個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軸上元件的受力情況，并可實時監控，實現直接測力的要求。

利用軸銷剪切式稱重傳感器可以直接測力的結構特點，技術人員研制了一種測試拖拉機牽引力的軸銷式傳感器，進行了相關技術實驗研究。拖拉機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機體的鉸接點上，代替原有下拉桿與拖拉機機體的鉸接軸，用螺釘對軸銷牽引力傳感器進行限位。當拖拉機牽引農機具作業時，農機具的作業阻力通過軸銷的應變來實現檢測[9]。由于軸銷式傳感器安裝在下拉桿與拖拉機機體的鉸接點上，導致通用性差；另外，只研制了下拉桿作業阻力測試軸銷式傳感器，沒有考慮上拉桿力的測試方法，不能完成懸掛式農機具作業阻力測試。

在國內外懸掛式耕整播種機械作業阻力主要測試技術基礎上，提出了用軸銷剪切式測力傳感器測量懸掛式農機具作業阻力測試系統技術方案。依據拖拉機的三點懸掛機構車型由小到大不同有I型、II型、III型3種規格型號標準，懸掛式農機具的懸掛銷尺寸是按這3種規格型號標準設計的。按懸掛式農機具的3種規格型號懸掛銷尺寸設計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，結構如圖5所示。

1.銷軸 2.傳感器 3.固定孔 4.信號線引出

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的力，兩側承受懸掛式農機具的力。電阻式應變片組成的傳感器安裝在圓軸凹槽內部的中心位置，外部孔密封，內部充滿惰性氣體，以保護軸內電阻式應變片不受外部環境影響。當拖拉機與懸掛式農機具聯接后，固定孔放入卡銷，將安裝在懸掛點的軸銷傳感器固定，避免軸銷傳感器活動，影響測量結果。傳感器測量出的3個懸掛點的力通過軸頭信號線引出裝置傳送到接收儀器，經過計算得出3個懸掛點作業阻力水平分力合，完成懸掛農機具的作業阻力測試。

4 結論

軸銷剪切式測力傳感器測量懸掛式農機具作業阻力測試技術方案結構簡單、技術先進、通用性好，很有發展前景。缺點是生產工藝難度大，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。