深松鏟平面阻力測試系統的設計

黃佳瑜，張大斌

（550000 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

土壤機械阻力是土壤的一個重要力學性質，與土壤的水分含量、耕性、容重、可塑造性等土壤的物理特性密切相關，而土壤的相關物理特性又與農作物產量有著直接的聯系，并且對農業機械的使用性能有很大的影響[1]。所以對土壤機械阻力的測試是非常有必要的。

各種農機具在耕作時，耕作部件向前運動會使土壤產生多種復合的形變，如壓縮、扭轉、剪切等，土壤就會反作用于耕作部件上，即土垡變形阻力；鏟刃切入土壤時，使土壤分離，出現各種形式的破裂，即鏟刃的切削阻力；耕作部件運動時，土垡隨之運動，在它們的接觸面上產生動壓和內摩擦等阻力；耕作部件離開土壤時，在其表面的土垡會被拋射一定的距離而產生阻力；耕作時，耕作層的土壤會和下層的土壤產生位移變換，這一過程會產生阻力。這些阻力共同構成了土壤機械阻力，作用在耕作部件上，影響其耕作作業[2]。

目前測量土壤機械阻力的方法有4 種：非連續測量法、連續測量法、遙測法以及間接測量法。非連續測量法：Tollner 等[3]研制出由計算機控制的圓錐儀，可測量圓錐指數和應力松弛度；Prather等[4]開發了一種可單人操作的土壤圓錐指數儀，可連續測量與記錄；胥芳等[5]結合已有成果，研制出了一種機電一體式的靜載土壤承壓儀，它能消除側向力，從而更加精確地測量出土壤的機械阻力。連續測量法：Keen 等[6]通過測量拉桿牽引裝置在犁上的牽引力，測量土壤的機械阻力；Adamchuk等[7]通過粘貼在垂直刀片上的應變片測量土壤的機械阻力；Sirjacobs 等[8]通過八角環力傳感器測量土壤耕作部件的水平力、垂直力以及彎矩。遙測法：Wells 等[9]嘗試利用此方法測得土壤機械阻力，測量結果波動較大，不能確定具體數值；羅錫文等[10]利用微波反射效應，通過發射微波和接收反射波測量土壤的機械阻力，由示波器顯示并記錄測量數據。間接測量法：Ohu 等[11]通過測量土壤的顆粒密度、容重、水分含量以及體積系數來間接測算土壤的機械阻力；Koostra 等[12]則通過測量土壤的通氣率從而間接測算土壤機械阻力。

現今采用的土壤機械阻力測量方法都會對土壤的表面造成破壞，影響后續耕作。在4 種測量方法中，最常用的是連續測量法，而遙測法和間接測量法還處于理論研究階段。隨著科技不斷發展以及精準農業對土壤阻力的要求，遙測法和間接測量法將不斷得到應用，因為這2 種方法不接觸土壤，不會對土壤表面造成破壞，比連續和非連續測量法更具優勢。

本文分析了國內外土壤機械阻力測量的各種方法，通過試驗對比，并結合平面力的測量原理、虛擬儀器技術和單片機技術，使用連續測量法設計了一種基于STM32F103 單片機控制，由應變片傳感器、惠斯登電橋、放大電路、A/D 轉換等模塊構成的深松鏟工作平面阻力測量系統。

1 深松鏟工作平面阻力測量方法及對比試驗

1.1 深松鏟平面阻力測量方法

深松鏟所受到的平面阻力為彎矩，彎矩的計算有2 種方法：

（1）測量方法1（直接計算法）

由材料力學可知[13]，彎矩M有

式中：F——外力；d——力臂。

（2）測量方法2（連續測量法）

先測量得到所測對象的應變，再根據彎矩和應力應變的關系求得彎矩為[13]

式中：E——彈性模量；ε——應變；b——被測對象截面的寬度；h——被測對象截面的厚度。

測量方法2 為本測量系統的原理，先使用應變片傳感器測得深松鏟的應變值，再計算得到彎矩。

1.2 彎矩測量對比實驗

根據彎矩測量的兩種方法設計了一個試驗，對這2 種方法測量得到的彎矩進行對比分析。由于鋤頭的中軸線與受力點不平行，受壓時會產生彎矩，所以選取鋤頭為測試對象，對其進行壓縮試驗，計算得到鋤頭所受的最大彎矩。

1.2.1 試驗設備

試驗中使用的儀器設備如圖1 所示，包括：貴州大學機械工程學院實驗室的力學試驗機及相關設備、鋤頭、刻度尺。

1.2.2 試驗過程

試驗選取4 000 N的力作用在鋤刃和鋤柄連接處，使其產生彎曲變形。利用力學試驗機測量鋤刃應變，試驗過程：（1）啟動試驗機，運行EVOTest；（2）選擇試驗標準為“壓縮試驗”；（3）新建試驗，輸入鋼號、試驗批號、試驗日期、試驗人、試件形狀和尺寸等相關信息；（4）安裝試件，將鋤頭的工作頭部放置在下夾頭，鋤刃和鋤柄連接處放置在上夾頭；（5）調節橫梁到合適位置，橫梁向上移動為正方向，位移增加，反之減?。唬?）選擇閉環力控制方式。根據試驗要求，設置力保持值為4 000 N，并對力的速度和預緊速度進行設置，如圖2 所示；（7）試驗開始，按下控制面板上的“開始”按鈕；（8）試驗結束，系統給出力-變形、變形-時間、力-時間、應力-應變等曲線。其中力-變形、應力-應變曲線分別如圖3、圖4 所示。

圖2 力值保持控制Fig.2 Force holding control

圖3 力-變形曲線Fig.3 Force-deformation curve

圖4 應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve

當鋤頭受到最大力4 003.2 N 時，通過EVOTest 系統得到的曲線及數據可知，鋤頭為彈性變形，并且沒有出現明顯拐點，應變隨應力呈階梯式增長，產生了最大變形量ΔLmax=0.8 mm、最大應力σmax=40 MPa。

1.2.3 試驗數據與分析

（1）采用方法1 計算彎矩：鋤頭受力彎曲的截面可以看作矩形，故鋤頭受到的最大彎矩Mmax=F×h/2=8.01 N·m。

（2）采用方法2 計算彎矩：鋤頭中心截面寬度b=57.2 mm,厚度h=4.0 mm,ΔLmax=0.8 mm,σmax=40 MPa。由于鋤頭是彈性變形，則有

式中：L——鋤頭長度，L=167.0 mm。

可得彎矩Mmax=6.10 N·m

對比方法1、方法2 測得的彎矩值可知，方法1 的彎矩較大。這是因為方法2 的參數較多，結果受到多種因素的影響：（1）彈性模量。不同材料的彈性模量不同，如碳鋼的彈性模量為196～ 216 GPa、合金鋼的為186～206 GPa、灰鑄鐵的為78.5～157 GPa 等[14]；（2）溫度。溫度上升抗拉伸壓縮變形能力變弱、彈性模量降低，導致總體力學性能降低；（3）鋤頭表面損傷程度。從外觀上可以看出鋤頭的表面受到銹蝕，銹蝕損傷使得金屬表面產生其他成分，如Fe2O3會大大降低鋤頭的力學性能，導致鋤頭彈性模量的計算值比實際金屬材料的彈性模量值低[14]。以上諸多因素導致計算的彎矩值小。

除了上述影響因素外，儀器誤差和測量誤差也會對最終計算的彎矩值產生一定影響。但對于方法1，只需要知道載荷大小和力臂即可算出彎矩值，其值偏理想化，不太適用于實際的彎矩計算。對于深松鏟工作平面阻力的測量，由于是在田間測量并且深松鏟的種類多樣，所以采用先測得應變再計算得到彎矩值的方法更加精準。

2 深松鏟工作平面阻力測試系統設計

2.1 深松鏟工作平面阻力測試系統的工作原理

系統工作原理圖如圖5 所示。深松鏟在工作時，可視為多個力施加在深松鏟與土壤的接觸面上，這些力產生的應變會在深松鏟上某一點處產生疊加，所以在該點處粘貼應變片即可測量出土壤應力從土層表面向下到深松鏟尖端引起的應變[15]，即

圖5 系統工作原理圖Fig.5 System working principle diagram

測得的電阻相對變化ΔR/R非常小，一般是μV 級別，需用測量電路將對電阻相對變化的測量轉換成對電壓或電流的測量。本系統采用的是半橋差動電橋測量電路，得到電橋輸出電壓為[16-17]

由于輸出的電橋信號十分微弱，為μV 級電壓信號，需使用放大器將信號放大，以便精確測量。放大電路輸出的電壓U0為

經放大電路放大的信號是模擬信號，需經A/D轉換器將其轉換為數字信號，數字信號發送至STM32 單片機，經單片機計算分析，結果存儲在SD 卡，通過通訊電路將結果發送至計算機[18-20]。

最終測得應變為

由材料力學公式知[13]

可得彎矩M為

2.2 系統組成

深松鏟工作平面阻力測試系統示意圖如圖6 所示，系統由硬件和軟件系統組成，具有數據采集、信號調理、數據存儲、通信和數據分析等功能。系統硬件部分主要有深松鏟、應變片傳感器、放大器、A/D 轉換器、SD 卡、RS-485 通信和計算機等。軟件部分，程序采用C 語言編寫，主要包含初始化程序、A/D 轉換程序、SD 卡存儲程序以及RS-485通訊系統程序設計等。

圖6 深松鏟工作平面阻力測試系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of deep subsoiling shovel working plane resistance test system

3 結論

（1）本文基于深松鏟的結構和工作原理，結合虛擬儀器技術和單片機技術，設計一種由硬件和軟件組成的深松鏟阻力測試設備。測試系統是以STM32F103為控制中心的測量裝置數據采集系統，利用應變片工作原理，通過測量電路將電阻相對變化轉換成電壓信號，最后利用軟件將電壓信號轉換成所要測得的物理數據，將數據存儲在SD 卡并顯示于計算機，實現深松鏟阻力實時測量及存儲功能。

（2）根據深松鏟工作時的受力分析，對比2種測量彎矩方法，得出先測應變再得到彎矩值的方法即連續測量法更好，設計出由硬件和軟件系統組成的深松鏟工作平面阻力測試系統，通過改變傳感器，就可實現功率、溫度、轉速等數據的采集。

由于時間和條件的限制，本系統未能進行現場測試，在以后的工作中還需進一步完善研究。