大蔥莖稈起拔力測試系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

賈智博，侯加林,2，劉敬偉，邵 偉，吳彥強，牛子儒

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的迅速發(fā)展，深入研究農(nóng)業(yè)工程涉及的農(nóng)業(yè)物料力學(xué)問題，愈益顯得重要[1-2]。大蔥作為我國重要的香辛、保健蔬菜，已經(jīng)成為我國區(qū)域規(guī)模種植的經(jīng)濟作物之一，有著不可代替的地位[3]。隨著我國種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和大蔥種植規(guī)模的增大，農(nóng)民對大蔥收獲機械化的要求也越來越高。目前，大蔥聯(lián)合收獲機一般包括挖掘、夾持輸送、去土及收集等幾個工作過程[4]。為了給大蔥收獲機夾持輸送裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)，需要研究大蔥莖稈的相關(guān)力學(xué)特性[5-6]。

目前，國內(nèi)外對于大蔥莖稈力學(xué)性能的試驗研究很少，莖稈力學(xué)性能指標(biāo)的研究也主要依靠于萬能試驗機及一些小型試驗儀器[6-7]。萬能試驗機雖然是一種高精度的測量儀器，應(yīng)用范圍較廣，但體積龐大、造價昂貴，只能在室內(nèi)進行試驗，無法大規(guī)模使用，限制了試驗地點。小型試驗儀器雖然可以進行莖稈力學(xué)特性的測量，但由于其精度較低，手動控制較多，人為造成的誤差較大，且試驗地點要求受限，只能在特定的環(huán)境中使用。

針對上述問題，同時考慮到大蔥莖稈的起拔力特性，設(shè)計了一套適用于田間試驗的大蔥莖稈起拔力測試系統(tǒng)，研究大蔥在收獲期的起拔力特性，通過傳感器與上位機實現(xiàn)起拔力的采樣與記錄，可以實時觀測到大蔥力學(xué)性能的變化規(guī)律，有效地提高了試驗數(shù)據(jù)的精度。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)收獲機械在田間作業(yè)時對莖稈產(chǎn)生的主要力學(xué)形式，設(shè)計制作了大蔥莖稈力學(xué)特性測試系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、信息采集及人機交互界面4部分，如圖1所示。信息采集模塊由拉壓力傳感器及其變送器組成，可采集試驗過程中大蔥莖稈的力學(xué)特性數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)由STM32主控制器和上位機組成，完成試驗數(shù)據(jù)的處理和傳輸；執(zhí)行機構(gòu)由兩相四線的步進電機完成；人機交互界面主要進行試驗數(shù)據(jù)的實時顯示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)主要由步進電機、聯(lián)軸器、導(dǎo)程絲杠、拉壓力傳感器及夾持裝置等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.支撐柱 2.步進電機 3.聯(lián)軸器 4.配重柱 5.導(dǎo)程絲杠 6.導(dǎo)柱 7.支撐桿 8.拉壓力傳感器 9.夾持裝置 10.調(diào)節(jié)旋鈕 11.底板

2.1.1 夾持部分設(shè)計

如何夾持是整個試驗過程中的核心，直接影響到試驗的相關(guān)參數(shù)。考慮到大蔥莖稈本身清脆的特性及大蔥收獲時莖稈的受力情況，設(shè)計加工了如圖3所示的夾持裝置。

圖3 夾持裝置結(jié)構(gòu)簡圖

該夾持裝置設(shè)計為U型槽結(jié)構(gòu)，U型槽內(nèi)兩側(cè)各設(shè)有1個夾持墊片，一側(cè)的夾持墊片固定，另一側(cè)的夾持墊片可活動連接在U型槽上。通過調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)兩個夾持墊片之間的間距，以適應(yīng)不同直徑大蔥莖稈的夾持。為了減小大蔥莖稈在試驗過程中的損傷，夾持墊片上相對設(shè)有橡膠墊。

2.1.2 傳動部分設(shè)計

傳動部分的設(shè)計采用導(dǎo)程絲杠加螺栓固定的方式帶動夾持機構(gòu)和傳感器運動工作，導(dǎo)程絲杠下方通過聯(lián)軸器與步進電機連接。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.導(dǎo)程絲杠 2.聯(lián)軸器 3.步進電機 4.夾持裝置 5.傳感器

設(shè)導(dǎo)程絲杠間距為L，步進電動機的步進角為α，電動機的控制頻率為P，試驗速度設(shè)為V，行程位移設(shè)置為S，夾持起拔的線速度計算公式可表示為

式中T—試驗所需時間(s)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)用來控制試驗平臺的啟動與停止，并可對大蔥莖稈起拔狀態(tài)的參數(shù)進行測量與信息傳送，主要由基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103增強型單片機完成[8-9]。該單片機具有高性能、低成本、低功耗的特點[10]，同時搭載的3.2寸TFT液晶屏可以實時顯示試驗過程中力學(xué)特性的變化規(guī)律。圖5為該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示框圖。

2.2.1 信號放大電路設(shè)計

信號放大電路由負電壓產(chǎn)生電路和信號放大器組成[11]。

負電壓產(chǎn)生電路由78L08穩(wěn)壓芯片和ICL7660S電壓變換器組成。該芯片具有線性度和穩(wěn)定的增益，能夠滿足電壓轉(zhuǎn)換的需求。

信號放大器采用OP07芯片組建。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路[12]，其低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性適用于放大傳感器的微弱信號。拉壓力傳感器輸出電壓振幅范圍0～20mV，而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為3.3V，因此放大環(huán)節(jié)要有165倍左右的增益。差動放大電路如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 差動放大電路

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路選用AD0809芯片設(shè)計。AD0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口，將信號放大器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳到上位機顯示。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要是上位機通訊程序的設(shè)計，通過Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境和C#等編程語言設(shè)計開發(fā)了上位機數(shù)據(jù)采集接收界面[13-14]。通過STM32主控制器與上位機之間的串口通信，能在上位機數(shù)據(jù)采集接收界面實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載、曲線繪制等功能，可以通過上位機數(shù)據(jù)采集接收界面實時觀察大蔥莖稈的運動過程和受力狀態(tài)。上位機界面如圖7所示。

圖7 上位機界面

3 試驗與結(jié)果分析

大蔥莖稈起拔力試驗使用上述自制莖稈力學(xué)特性測試儀進行，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 大蔥莖稈起拔力測試儀主要技術(shù)參數(shù)

為了測定起拔力模塊的精度，選用不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，分別在萬能試驗機和該測試系統(tǒng)上進行對比測量，結(jié)果如表2所示。

表2 起拔力模塊精度測試

由表2可知：該測試儀起拔力模塊的測量精度為0.90%，優(yōu)于萬能試驗機的測量精度；但是，在穩(wěn)定性方面，萬能試驗機的誤差波動更小。

試驗樣品選取山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔥姜蒜試驗站收獲期的元藏大蔥，取樣時間為2016年10月20號到11月16號，每隔5天進行1次試驗。每次試驗結(jié)束后，將試驗樣品稱重，然后將其放入烘干機干燥，計算其含水率。圖8是大蔥莖稈含水率隨時間的變化規(guī)律。

圖8 莖稈含水率的變化

由圖8可知：這段時間內(nèi)，大蔥莖稈含水率下降約10%。這表明，距收獲期越近，大蔥莖稈的含水率越低。其原因是：天氣比較干燥，土壤含水率相對較低，植株逐漸老化。

進行起拔力試驗的同時，對土壤的相關(guān)參數(shù)進行了測量，包括土壤硬度、含水率及容重。測得的結(jié)果為土壤硬度155psi(磅/平方英寸)、含水率22.23%、容重1.25g/cm3。

在實際測量中，選取直徑為14.5mm(±0.2mm)的大蔥莖稈為試驗對象，在松土的前提下，使用起拔力測試儀測量不同加載速度下大蔥莖稈受力的變化規(guī)律。速度分別設(shè)定為20、30、40mm/min，F(xiàn)-T曲線如圖9所示。

圖9 不同加載速度大蔥莖稈的F-T曲線

由圖9可知：在一定范圍內(nèi)，隨著加載速度的增大，起拔力從110N增大到160N，拔取大蔥所需的時間逐漸變短。這是由于大蔥植株的纖維化程度越來越高，使大蔥莖稈的韌性、強度不斷增大。

在取樣期間內(nèi)，針對不同含水率的大蔥莖稈，在松土的前提下，選取直徑相同的大蔥進行起拔力試驗，加載速度統(tǒng)一設(shè)定為30mm/min。結(jié)果顯示：隨著生長期的增長，大蔥莖稈的起拔力逐漸增大。為進一步反應(yīng)莖稈起拔力變化的規(guī)律，將大蔥莖稈生長時間因素轉(zhuǎn)換為含水率，通過MatLab軟件擬合出莖稈起拔力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式，即

F=0.07856X2-12.615X+568.24

R=0.986

式中F—大蔥莖稈起拔力(N)；

X—大蔥莖稈含水率(%)；

R—擬合系數(shù)。

由函數(shù)關(guān)系式可知：大蔥莖稈的起拔力與含水率之間大致呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合系數(shù)為0.986。

4 結(jié)論

1)針對大蔥在輸送夾持中的斷莖、堵塞等問題，設(shè)計了便攜式數(shù)控大蔥起拔力測試系統(tǒng)，采用拉壓力傳感器、夾持裝置、控制器一體化的結(jié)構(gòu)，有效減小了試驗臺的體積與質(zhì)量，可以帶到大蔥生長現(xiàn)場進行試驗。試驗系統(tǒng)的加載速度和夾持裝置根據(jù)需要均可調(diào)節(jié)，采集數(shù)據(jù)的測試精度0.90%，滿足試驗要求。

2)通過Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境和C#等編程語言設(shè)計開發(fā)的上位機數(shù)據(jù)采集接收界面，較好地完成了試驗數(shù)據(jù)曲線的實時顯示與存儲，減輕了試驗數(shù)據(jù)處理的勞動強度。

3)通過對大蔥莖稈的相關(guān)試驗可以看出：大蔥莖稈的含水率隨收獲期的臨近而降低，并且隨著受力速度及含水率的不同而呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。對于直徑相同的大蔥，在一定范圍內(nèi)，受力速度增大，拔取大蔥的起拔力增大；含水率降低，拔取大蔥的起拔力增大。