農機鎮壓部件作業阻力測試系統設計與試驗

中圖分類號：S224.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0001-07

Abstract：Aimingattheproblemsofdifficultyincolectingresistance during theoperation ofagricultural machinery pressing parts （such as pressing rollers，pressing plates，etc.），as well as the complex structure and weak universality of relatedresistance testing devices，asetofresistancetesting system forpresing parts is designed.The systemis mainlycomposed of bench，motor drive system，resistance measurement and control system and hinged structure.The force measurement system is selected，and thekey structureis designedandanalyzed.The forceanalysis of the overall structure iscarredout，and the mechanical analysis modelisestablished.The measuredvalueof the sensorand theactual working resistanceiscalibrated，thefunctionalrelationshipbetweenthemisobtained.Taking theself-made pressing parts as an example，thethree-factorand thre-level Box—Benhnken test was carriedout.The working resistance of thepresing parts was taken as thetest index，the influenceof the forward speed，the typeof pressing rollerand thecompression amount on the working resistance wasanalyzed.The primaryand secondary order of the factors ffecting the working resistance was obtained as the forward speed，the compression amount and the typeof pressingroller. Through the analysis of Design—Expert software，the best combination of working parameters for the operation of the pressing parts is as follows：the forward speed of 0.6m/s ，bionic convex hull type pressing roller，compression amount of 10mm ，whilethe theoretical working resistance is343.3 N.The verification test of the optimal parameter combination shows that the working resistance of the suppression part is 357.3N ，and the relative error with the theoretical resistance value is 4.1% . This study can provide a reference for the optimization design of suppression parts and the research of working resistance.

Keywords：resistance testing system；repression；working resistance；orthogonal test；agricultural machiner

0 引言

鎮壓作業是農業生產過程中的重要環節，主要是通過鎮壓輥或者鎮壓板等農機部件在播種或起壟之后進行作業[1，2]。鎮壓作業可以改善土壤結構，提高土壤堅實度，使種子或作物根系與周圍土壤密切接觸，提高水分吸收能力，起到蓄水、提、保墑和供熵的作用，為農作物生長或移栽提供良好的苗床條件[3]

鎮壓部件在設計制造時，作業阻力是衡量其性能的主要技術指標之一。因此，鎮壓部件作業阻力的測量對鎮壓部件的優化設計至關重要[4-6]

為精確測量農機部件的作業阻力，國內外有關學者進行了許多關于阻力測試的研究。賈洪雷等[8]提出了一種基于土壤堅實度的鎮壓力實時測量方法，可通過數學模型實現對鎮壓力的準確量化和實時測量，應用扭轉彈簧特性和角位移傳感器設計滑動式耕作部件阻力測試裝置，建立測試系統中的各項結構參數與修正系數的換算關系，對比試驗表明，該裝置可以實現精準測試阻力，與標準值誤差低于 5% 。劉行設計的阻力測試掛接裝置可以在測試耕作阻力大小的同時對耕作深度進行監測，適用于其他耕作部件。趙金輝等[10基于PLC、六分力測試裝置與液壓系統設計了開溝器力學性能測試裝置，實現了開溝器的空間力學性能參數測試，測試精度能夠保證要求。趙偉博設計了一種基于單片機技術的深松鏟工作阻力實時測試系統，可以在田間作業時對深松鏟工作阻力等信息進行在線監測。鄔立巖等12基于土槽試驗臺和電機驅動系統設計了觸土部件前行阻力測試裝置，以插秧機船板為例，測試農機關鍵觸土部件的受力情況，為田間觸土部件所受前行阻力的分析提供條件。

上述研究對阻力測試裝置的發展做出很大貢獻，但通常只能測試特定的農機部件，存在結構復雜、普適性不強等問題。針對這些問題，本文設計一種阻力測試系統。基于自制的阻力測試系統，對鎮壓部件進行參數優化，為鎮壓部件作業阻力測試和鎮壓部件的優化設計提供參考。

1總體結構與工作原理

1.1 總體結構

測試系統主要針對壟作物壟型鎮壓裝置進行阻力測試，整體結構如圖1所示。系統由臺架、電機驅動系統、傳感器、無紙記錄儀和鉸接結構等組成。臺架總長1150mm 寬 1070mm 高 770mm ，包括鏈軸、地輪、機架。機架采用規格為 50mm×50mm 的方管作為支撐整體結構的重要部分，各構件采用焊接和緊固螺栓連接，保證其具有足夠的強度和穩定性。懸臂梁固定在臺架下方的軸承座中，鎮壓部件通過自身的連接桿與懸臂梁連接，在其受到工作阻力時懸臂梁發生轉動，從而實現與臺架之間的鉸連接。S形拉壓傳感器一端固定在傳感器基座，另一端通過螺桿與鎮壓部件相連，鎮壓部件前進時的作業阻力通過螺桿直接作用到傳感器，實現傳感器對力的測量。傳感器基座通過U形螺栓與機架相連接，可對傳感器起到導向和保護作用。

圖1阻力測試系統總體結構

1.傳動結構2.電機3.鏈軸4.懸臂梁5.仿生凸包結構鎮壓輥 6.記錄儀7.傳感器基座8.傳感器9.臺架 10.鎮壓部件11.軸承座

1. 2 工作原理

在進行試驗時，臺架沿著土槽方向運動，鎮壓部件對土槽進行鎮壓。鎮壓裝置通過鉸連接結構與臺架相連接，理論上，在鎮壓部件工作時會受到來自土槽的作業阻力產生彎矩，以鉸接點為圓心，以連接桿為半徑向反方向做圓周運動。實際上，通過調整傳感器前端螺桿和鎮壓部件之間相對位置，使鎮壓裝置與螺桿直接接觸，限制其移動，實現剛性連接；試驗過程中，鎮壓裝置受到作業阻力后被傳感器直接測量并通過記錄儀記錄。

2 關鍵部件設計

2.1 驅動系統

驅動系統采用鏈條一鏈輪傳動。電機采用固定板和螺栓直接固定在機架上，作為動力來源。鏈軸通過軸承座固定在機架上，與鏈條、鏈輪相配合，將動力傳遞到地輪上。由于試驗中需要滿足不同的速度要求，同時要能夠實現臺架的前進后退，因此，采用可編程控制器（PLC）控制步進電機。該系統工作時，通過可編程控制器發出指令控制步進電機的轉速和轉向來調整測試系統運動的速度和方向，其中速度可在 0～ 1.8m/s 內連續變化，滿足試驗需求。

2.2 測控系統

測控系統主要由S型拉壓傳感器、傳感器基座、220V 交流電源及無紙記錄儀等部分組成。傳感器采用DYLY一102型傳感器，S形梁體結構，量程為 0～ 5000N ，供電電壓為 220V ，測量精度高、穩定性好。傳感器與數據記錄儀相連，記錄儀將傳感器測得的壓力信號轉換為電信號并記錄，記錄間隔為1s，記錄數值可精確到小數點后三位。該記錄儀具有16通道，為保證試驗的準確性，在試驗過程中僅保留第1通道記錄阻力數值。在測控系統工作時，通過記錄儀顯示界面可以實時觀測阻力數值的變化，試驗完成后將記錄儀儲存數據通過USB端口導出，利用與數據記錄儀相匹配的軟件DataManagement作為分析軟件進行分析，該軟件可記錄每秒測定的數值并自動生成折線圖。

2.2.1 傳感器基座設計

為防止工作阻力過大時傳感器位置發生偏移和傳感器自身受損，將傳感器通過螺栓固定在傳感器基座的“凹\"型結構內，如圖2所示。傳感器距凹字型結構兩側的距離 h₁ 為 40mm ，距底部的距離 h₂ 為 8mm .在方便安裝的前提下保證傳感器在水平和垂直方向上不發生較大偏移；雙螺栓固定保證前后螺桿同軸度小于 0.03mm ，可起到導向作用。

圖2傳感器基座結構示意圖Fig. 2Schematic diagram of sensor base structure

1.螺桿2.傳感器3.記錄儀

2.2.2傳感器位置設定

為更清楚地表達鎮壓部件的工作阻力，將傳感器與鎮壓部件的接觸位置選擇在鎮壓部件最上方，如圖3所示。此時傳感器作用力與懸臂梁之間的力臂 L₂ 小于實際工作阻力與懸臂梁之間的力臂 L₁ ，因此，傳感器所測得的力大于實際工作阻力，可更清楚地觀察試驗過程中的阻力變化。

在試驗開始前使鎮壓部件與傳感器頂部相接觸，保證傳感器作用力 F_n 和工作阻力 F_f 在水平方向上相平行，同時保證 F_n 與力臂 L 之間的夾角始終呈 90^° ，此時傳感器作用力與工作阻力產生的彎矩近似相等，可減少因摩擦力產生的誤差。

圖3測力系統受力模型 Fig.3Force model of force measuring system

2.2.3 測力系統受力分析

在鉸接點支持力和軸承所受摩擦力忽略不計的情況下，傳感器的作用力與鎮壓部件作業阻力所產生的彎矩可以近似看作作用力與反作用力，二者方向相反，大小與力臂長短成反比關系，如式（1）所示。

M₁=F_fL₁=F_nL₂=M₂

式中： M₁ 一 作業阻力產生的彎矩， N?m ·M₂ 1 傳感器反作用力產生的彎矩， N?m F_f T 作業阻力，N；F_n 一 傳感器反作用力，N；L₁ 作業阻力到鉸接點的距離， m L₂ 一反作用力到鉸接點的距離， m 。

3 作業阻力標定

考慮在計算過程中軸承摩擦力等不確定因素產生的誤差，為更準確地測定實際作業阻力，進行標定試驗。假設鎮壓部件在工作過程中所受阻力在同一方向上大小相等，用彈簧秤的拉力代替實際工作阻力。將螺桿焊接在鎮壓部件中間位置的正下方，之后通過手拉彈簧秤給螺桿施加不同的拉力，并將記錄儀對應顯示的數值記錄下來，對顯示數值與實際受力之間的關系進行標定。在標定過程中，保持拉力方向與阻力方向一致。考慮到彈簧秤的量程，人工調整拉力的大小，在 0～70N 內，每間隔 10N 記錄1次記錄儀顯示的數值，記錄5次取平均值[13]。阻力數值標定方法如圖4所示，標定數據見表1。

圖4阻力數值標定方法

1.記錄儀2.彈簧秤3.鎮壓部件4.傳感器5.傳感器基座

表1阻力數值標定數據

Tab.1 Calibration data of resistancevalues

通過Origin軟件中的擬合工具對測定數值與實際阻力之間進行線性擬合，可以看出，測定數值與實際阻力之間正相關線性關系較好，如圖5所示。得到的實際阻力與顯示數值之間的函數關系如式（2）所示。

Y=2X+0.64

式中： Y 一 測定阻力數值，N；X ——實際作業阻力，N。力數值20102030，40506070實際作業阻力/N

基于圖5中實際作業阻力與測定數值的關系，可以根據記錄儀的數值計算實際作業阻力。

4試驗結果與分析

4.1 試驗儀器設備

圖5實際作業阻力標定擬合直線 Fig.5 Actual working resistance calibration fitting line

試驗設備有鎮壓部件阻力測試系統； TYY-2 型土壤堅實度測試儀（測量深度為 400mm ，量程為500kPa） ；卷尺（量程為 5m ；土壤含水率測試儀；彈簧秤（量程為 100N） ；電腦（Windows7操作系統）；傳統光滑鎮壓輥（直徑 D₁ 為 140mm ，寬度 H₁ 為 270mm） ，如圖6（a）所示；仿生凸包型鎮壓輥（直徑 D₂ 為 140mm 寬度 H₂ 為 270mm ），其中仿生凸包基圓直徑 D₃ 為15mm ，高度 H₃ 為 2.5mm ，在鎮壓輥上呈菱形排布，共12列，如圖6（b）所示。

4.2基礎數據采集

為檢驗阻力測試系統的可行性，進行臺架試驗。試驗以自制鎮壓部件為例，為盡可能還原田間真實情況，對自制土槽進行人工翻整，并在每次試驗后重新翻整確保試驗前土槽條件差別較小；試驗土槽長 3m ，土壤為褐土。在試驗時保留中間 2m 區域作為數據穩定區，其余兩端各留 0.5m 作為緩沖區，如圖7所示。每次試驗后在數據收集區范圍內，用五點法確定取樣點位（間隔為 20cm ），測量土槽的含水率和土壤堅實度，結果分別如表2和表3所示。

圖6鎮壓輥結構示意圖Fig.6Schematic diagram of pressing roller structure

表2土槽不同深度的含水率Tab.2Water content of soil trench at different depth：

表3土槽不同深度的堅實度Tab.3Firmness of soil trenchatdifferent depths

4.3 正交試驗設計

臺架試驗為基于Box—Benhnken試驗設計的響應曲面法的三因素三水平試驗，每組試驗重復3次，取平均值作為試驗結果。臺架試驗的目的是求出最佳工作參數，對比仿生鎮壓部件與傳統鎮壓部件之間的性能，并探尋各個因素對作業阻力的影響規律。分別以前進速度、鎮壓輥類型和鎮壓輥壓縮量為試驗因素。每個因素取3個水平[14]。其中，鎮壓輥類型為傳統光滑鎮壓輥和仿生凸包型鎮壓輥；鎮壓輥壓縮量 R 為兩側鎮壓輥向內壓縮的距離，可通過螺栓手動調節， R 調節范圍為 0～30mm ，如圖8所示。

圖8鎮壓輥壓縮量示意圖

Fig.8Diagram of pressing roller compression

結合田間實際作業情況選取前進速度為 0.6～ 1.0m/s 。因素水平見表4。

表4試驗因素水平編碼Tab.4Encoding of experimental factor levels

根據Design—Expert軟件中的響應面法進行試驗方案設計，以作業時鎮壓部件所受到的作業阻力為試驗指標，試驗總次數為17次，其中12組為析因點，5組為零點，零點試驗重復多次，以估計試驗誤差。試驗方案和結果如表5所示， A，B，C 分別為前進速度、鎮壓輥類型和壓縮量的編碼值。

表5試驗方案與結果Tab.5Test scheme and results

4.4 方差分析

數據經軟件處理后，得出鎮壓部件作業時的作業阻力的方差分析結果，如表6所示。

表6作業阻力方差分析Tab.6Variance analysis of working resistance

該模型的 F 值為 3705.77，Plt;0.0001 ，說明該模型極顯著；而失擬項的 P 值檢驗結果不顯著（ P= 0.5034），說明該模型在選擇的參數范圍內擬合程度較好，具有統計學意義。對表6中數據進行二次多元回歸擬合，得到鎮壓部件作業阻力對編碼自變量的二次多元回歸方程，如式（3）所示。

Y=495.8+62.38A+0.37B+40.25C- 0.25AB+AC-0.27A²-50.78B²-0.53C²

由表6可知， A，C 和 B² 對作業阻力影響極顯著，其他項不顯著。各自變量對作業阻力的顯著性由大到小依次為前進速度、壓縮量、鎮壓輥類型。

4.5 響應面分析

應用響應面法分析各因素對作業阻力的影響。固定3個因素中的1個因素為0水平，考察另外2個因素對作業阻力的影響。

1）鎮壓輥類型和前進速度對作業阻力的影響如圖9所示。固定壓縮量為 20mm ，得到鎮壓輥類型和前進速度對作業阻力的關系如式（4）所示。

Y=494.97+60.17A+0.17B+0.5AB+ 0.12A²-48.88B²

在前進速度各個水平下，仿生鎮壓輥比傳統鎮壓輥作業時產生的作業阻力更小，這是因為仿生鎮壓輥凸包結構可以造成應力集中，破壞土壤和鎮壓輥之間水膜連續性，減少土壤黏附量，從而減小作業時的阻力。在不同的鎮壓輥類型下，前進速度對作業阻力影響顯著，作業阻力隨前進速度的增大呈穩定上升趨勢。

2）壓縮量和前進速度對作業阻力的影響見圖10。固定鎮壓輥類型為傳統光滑鎮壓輥，得到壓縮量和前進速度對作業阻力的關系如式（5）所示。

Y=495.7+60.8A+40.5C

圖10壓縮量和前進速度對作業阻力的影響 Fig.1oEffect of compression amount and forward speed onworking resistance

在壓縮量各個水平下，作業阻力隨前進速度的增大呈直線上升趨勢。在前進速度各個水平下，作業阻力隨壓縮量增大呈快速上升趨勢。這是因為土壤具有壓縮回彈特性，土壤向外回彈產生與鎮壓部件之間的摩擦力隨壓縮量的增大而增大，導致作業阻力上升。

3）壓縮量和鎮壓輥類型對作業阻力的影響如圖11所示。固定前進速度為 0.8m/s ，得到鎮壓輥類型和壓縮量對作業阻力的關系如式（6）所示。

Y=495.9-0.33B+39.8C+0.75BC-50.7B²- 0.26C2 （6）

在壓縮量的各個水平下，作業阻力在鎮壓輥類型為仿生凸包型時更小。在不同鎮壓輥類型下，作業阻力隨壓縮量的增大呈現較小的上升趨勢。

圖11鎮壓輥類型和壓縮量對作業阻力的影響 Fig.11Effect of roller type and compression amount on working resistance

4.6 參數優化

在滿足鎮壓作業效果的前提下以最小作業阻力為優化目標，利用Design—Expert軟件自帶的約束條件優化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小作業阻力的最優參數組合，并進行臺架試驗進行驗證，重復3次取平均值，得到的優化方案和試驗驗證結果如表7所示。在兩種情況下作業阻力值相對誤差為 4.1% ，表明回歸模型的精度可以滿足鎮壓部件參數優化的需要。由優化結果可以看出，在滿足鎮壓效果的前提下，仿生凸包結構鎮壓輥的作業阻力更小，優于傳統光滑鎮壓輥。

表7優化方案和試驗驗證結果 Tab.7 Optimization scheme and experimental validation results

5 結論

1）針對農機鎮壓部件作業時阻力采集困難和相關阻力測試裝置結構復雜、普適性不強等問題，設計一種鎮壓部件作業阻力測試系統，主要包括電機驅動系統、阻力測控系統和鉸接結構等，能夠準確測定阻力值。

2）對鎮壓部件進行受力分析，得到鎮壓部件與傳感器的受力模型。對傳感器測定的阻力數值和鎮壓部件受到的阻力之間的關系進行標定，建立兩者之間的線性比例關系。

3）設計并進行關于作業阻力的響應面試驗，通過方差分析發現：各因素對作業阻力的影響顯著性順序依次為前進速度、壓縮量、鎮壓輥類型。通過參數優化得到作業阻力的最佳工作參數組合：前進速度為0.6m/s 、仿生凸包鎮壓輥壓縮量為 10mm ，在上述工作參數下進行驗證試驗，得到的作業阻力為 357.3N 0與理論值誤差為 4.1% 。

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