一种具有镇压力监测功能的镇压轮

摘要

本发明公开了一种具有镇压力监测功能的镇压轮，旨在解决现有镇压轮作业时的土壤粘附与镇压轮镇压力的测量主要依靠人工进行估算的问题，本发明包括中心轴、轴承座、橡胶外套、弹性辐条和轮辋，轮辋套有一层橡胶外套，轮辋由多个圆弧形的弹性钢片组成，弹性钢片首尾依次连接成圆筒形状的轮辋通，弹性钢片与轴承座之间连接有可伸缩弹性辐条，其中一个弹性辐条安装有直线位移传感器和电器盒，一号电源、信号获取与处理电路、一号单片机和无线发射模块安装在电器盒内，还包括一个外置的、用于接收无线发射模块发出的信号的数据接收与显示装置。本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮能实时监测镇压力，同时具有更好的脱附泥土效果。

权利要求

1.一种具有镇压力监测功能的镇压轮,包括一个中心轴(1)、轴承座(3)、橡胶外套(4)、弹性辐条(26)和轮辋，安装有中心轴(1)的轴承座(3)通过弹性辐条(26)与轮辋连接，轮辋的外侧套装有橡胶外套(4)，其特征在于：轮辋由2n个弹性钢片(27)组成，

3≤n≤6，弹性钢片(27)两端的两边设置有铰接耳构成弹性钢片(27)的铰接点，采用一号销轴(29)插入弹性钢片(27)的铰接点中将2n个弹性钢片(27)首尾依次连接成圆筒形状的轮辋，每个铰接点与轴承座(3)之间连接有弹性辐条(26)，在其中一个弹性辐条(26)上安装有数据采集与发射装置，数据采集与发射装置包括一个直线位移传感器(5)和一个电器盒，一号电源(14)、信号获取与处理电路(15)、一号单片机(16)和无线发射模块(17)安装在电器盒(6)内，所述的一种具有镇压力检测功能的镇压轮，还包括一个外置的、用于接收无线发射模块(17)发出的信号的数据接收与显示装置。

2.按照权利要求1所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮,其特征在于：弹性辐条(26)包括支撑杆(8)、一号弹簧(9)、辐条套管(10)、二号弹簧(11)与端盖(22)；支撑杆(8)为阶梯轴式直杆类结构件，两端轴的直径相等并小于中间段轴的直径，两端轴又分为长段轴与短段轴，长段轴的外端沿径向设置有安装二号销轴(30)的通孔；一号弹簧(9)、二号弹簧(11)依次套装在长段轴与短段轴上，安装有一号弹簧(9)、二号弹簧(11)的支撑杆(8)插入辐条套管(10)内，端盖(22)安装在辐条套管(10)的端口处并采用螺栓(13)固定连接，一号弹簧(9)的端面分别与辐条套管底座内侧底面和轴肩接触，二号弹簧(11)的端面分别轴肩与端盖内侧端面接触。

3.按照权利要求2所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮,其特征在于：所述的辐条套管(10)是个一端设置有底座的另一端为开口式的空心管状结构件，辐条套管(10)的底座外侧设置有采用一号销轴(29)使辐条套管(10)与弹性钢片(27)铰接的底座铰接耳，辐条套管(10)的另一端设置有向外翻边的法兰盘，法兰盘上均匀地分布有安装螺栓(13)的法兰盘通孔，端盖(22)和法兰盘通过螺栓(13)固定并将辐条套管(10)封闭。

4.按照权利要求1所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮,其特征在于：所述的电器盒(6)用卡环(7)固定在弹性辐条(26)上，直线位移传感器(5)的外壳用同样的卡环(7)固定在同一根辐条套管(10)上，直线位移传感器的拉杆通过定位杆与支撑杆固连，直线位移传感器(5)信号输出端经电路与一号单片机(16)的信号输入I/O接口连接，一号单片机(16)的信号输出I/O接口与无线发射模块(17)的信号输入端口相连，无线发射模块(17)的信号输出端口外接，一号电源(14)的输出端分别与一号单片机(16)、直线位移传感器(5)、信息获取与处理电路(15)、无线发射模块(17)的电源输入端相连。

5.按照权利要求1所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮,其特征在于：所述的数据接收与显示装置带有显示屏，内部安装有二号电源(21)、无线接收模块(18)、二号单片机(19)与信息显示模块(20)，其中无线接收模块(18)的信号输出端与二号单片机(19)的信号输入I/O接口连接，二号单片机(19)的信号输出I/O接口与信息显示模块(20)的信号输入接口连接；二号电源(21)的输出端分别与无线接收模块(18)、二号单片机(19)与信息显示模块(20)的电源输入端相连。

说明书

一种具有镇压力监测功能的镇压轮

技术领域

[0001] 本发明属于一种农业机械领域的机械装置，尤其是涉及一种具有镇压力监测功能的镇压轮。

背景技术

[0002] 镇压有压实土壤、压碎土块、平整地面的作用，可以增加土壤的密度和硬度，以利于保持土壤湿度和温度，为种子发芽生长创造合适土壤环境，能保证农作物较好的出苗率，使作物苗全、苗壮、苗齐。当耕层土壤过于疏松时，通过镇压可使耕层密实，保持耕层土壤中的水分含量，使种子与土壤紧密接触，根系得到及时喷发与伸长，下扎到深层土壤中。深层土壤中的水分含量较高也相对稳定，即使上层土壤干旱，根系也能从深层土壤中吸收到水分，保证麦苗整齐健壮和抗旱能力。而整地过松，播种后镇压不到位，加之播种过浅、播种量过大、播种过早等情况导致作物越冬时受到旱、冻的危害。因此，此类作物在播种后要做好适当的镇压。适当的镇压力可以在播种的同时减少土壤中的大孔隙，减少水分的蒸发使土壤保墒，可以使种子和土壤紧密接触有利于种子发芽和生长。准确实时获取镇压力后，根据镇压力大小可通过更换不同镇压轮的橡胶外套或者更换不同规格的镇压轮来调节镇压力。目前镇压轮镇压力的测量主要依靠人工进行估算，不准确，且测量数据实时性较差。另外，现有的镇压轮在碾压土壤时，表面容易粘附和粘结土壤，影响作业质量。当镇压轮表面发生严重的土壤粘附现象后，将导致镇压轮牵引阻力增加，增加农业机械的作业能耗，并且影响种子的发芽生长。中国专利公告号为1170467、公告日为2004年10月13日、发明名称为“仿生柔性镇压辊”，依靠橡胶外套的变形可以实现土壤脱附，但其性能受制于橡胶外套的变形，脱附效果不好。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于更好地解决现有镇压轮作业时的土壤粘附与镇压轮镇压力的测量主要依靠人工进行估算的问题，提供一种具有镇压力监测功能和脱去附着在镇压轮表面上的泥土功能的镇压轮。

[0004] 本发明的技术方案如附图所示，一种具有镇压力监测功能的镇压轮，包括一个中心轴、轴承座、橡胶外套、弹性辐条和轮辋，安装在轴承座上的中心轴通过弹性辐条连接轮辋，轮辋套有一层橡胶外套，其特征在于轮辋由2n(3≤n≤6)个圆弧形的弹性钢片组成，圆弧形的弹性钢片两端的两边有铰接耳，铰接耳构成圆弧形弹性钢片的铰接点，采用一号销轴插入弹性钢片的铰接点中将2n个弹性钢片首尾依次连接成圆筒形状的轮辋通，每个铰接点与轴承座之间连接有可伸缩弹性辐条将2n个圆弧形弹性钢片支撑为一个圆筒状的轮辋，在其中一个弹性辐条上安装有数据采集与发射装置，数据采集与发射装置包括一个直线位移传感器和一个电器盒，一号电源、信号获取与处理电路、一号单片机和无线发射模块安装在电器盒内，所述的一种具有镇压力检测功能的镇压轮，还包括一个外置的、用于接收无线发射模块发出的信号的数据接收与显示装置。

[0005] 本发明的进一步技术方案是可伸缩弹性辐条包括支撑杆、一号弹簧、二号弹簧、辐条套管与端盖；支撑杆为阶梯轴式直杆类结构件，两端轴的直径相等并小于中间段轴的直径，两端轴又分为长段轴与短段轴，长段轴的外端沿径向设置有安装二号销轴的通孔；一号弹簧，二号弹簧依次套装在支撑杆的长段轴与短段轴上，安装有一号弹簧、二号弹簧的支撑杆插入辐条套管内，端盖安装在辐条套管的端口处并采用螺栓固定连接，一号弹簧的端面分别与辐条套管底座内侧底面和轴肩接触，二号弹簧的端面分别轴肩与端盖内侧端面接触。

[0006] 所述的辐条套管是个一端设置有底座的另一端为开口式的空心管状结构件，辐条套管的底座外侧设置有采用一号销轴使辐条套管与弹性钢片铰接的底座铰接耳，辐条套管的另一端设置有向外翻边的法兰盘，法兰盘上均匀地分布有安装螺栓的法兰盘通孔，端盖和法兰盘通过螺栓固定并将辐条套管封闭。

[0007] 所述的电器盒用卡环固定在弹性辐条上，直线位移传感器的外壳用同样的卡环固定在同一根辐条套管上，直线位移传感器的拉杆通过定位杆与支撑杆固连，直线位移传感器信号输出端经电路与一号单片机的信号输入I/O接口连接，一号单片机的信号输出I/O接口与无线发射模块的信号输入端口相连，无线发射模块的信号输出端口外接，一号电源的输出端分别与一号单片机、直线位移传感器、信息获取与处理电路、无线发射模块的电源输入端相连。

[0008] 所述的数据接收与显示装置带有显示屏，内部安装有二号电源、无线接收模块、二号单片机与信息显示模块，其中无线接收模块的信号输出端与二号单片机的信号输入I/O接口连接，二号单片机的信号输出I/O接口与信息显示模块的信号输入接口连接；二号电源的输出端分别与无线接收模块、二号单片机与信息显示模块的电源输入端相连。

[0009] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0010] 1.本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮能够实时监测镇压力的大小，从而获取作业时的镇压力，有助于对镇压状况实时了解，准确实时获取镇压力后，根据镇压力大小可通过更换不同镇压轮的橡胶外套或者更换不同规格的镇压轮来调节镇压力。获取适当的镇压力可以在播种的同时减少土壤中的大孔隙，减少水分的蒸发使土壤保墒，可以使种子和土壤紧密接触有利于种子发芽和生长。

[0011] 2.本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮具有更好的脱附泥土效果。镇压轮在进行镇压作业时，镇压力大小会发生变化，会导致轮辋外周变形量发生变化，进而引起橡胶材质的外套发生变形，配合可伸缩辐条和铰接的弹性钢片的震动，达到更好的脱土效果。

[0012] 下面结合附图对本发明作进一步解释和说明。

附图说明

[0013] 图1为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮结构组成的主视图；

[0014] 图2为图1中A-A处的剖视图；

[0015] 图3为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮所采用的弹性辐条和数据采集与发射装置结构组成的主视图；

[0016] 图4为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮的弹性辐条的支撑杆的结构示意图；

[0017] 图5为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮的中心轴处结构组成的主视图；

[0018] 图6为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮所采用的光滑型的橡胶外套的剖视图；

[0019] 图7为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮所采用的凹槽型的橡胶外套的剖视图；

[0020] 图8为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮所采用的月牙型凸起橡胶外套的左视图；

[0021] 图9为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮中数据采集与发射装置的结构原理框图；

[0022] 图10为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮的数据接收与显示装置的结构原理框图。

[0023] 图11为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮的数据接收与显示装置的装置图。

[0024] 图12为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮的数据采集与发射装置中的电器盒的内部结构框图。

[0025] 图中：1.中心轴，2.轴承，3.轴承座，4.橡胶外套,5.直线位移传感器,6.电器盒,7.卡环,8.支撑杆,9.一号弹簧,10.辐条套管,11.二号弹簧,13.螺栓,14.一号电源,15.信息获取与处理电路,16.一号单片机,17.无线发射模块,18.无线接收模块,19.二号单片机,20.信息显示模块,21.二号电源,22.端盖,23.光滑型橡胶外套,24.凹槽型橡胶外套,25.月牙型凸起橡胶外套，26.弹性辐条,27.弹性钢片,28.铰接耳，29.一号销轴，30.二号销轴,31.电路板，32.数据接收与显示装置，33.定位杆

具体实施方式

[0026] 参阅图1、图2，所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮包括机械部分、数据采集与发射装置和数据接收与显示装置。

[0027] 所述的机械部分(镇压轮)包括轮辋、中心轴1、轴承2、轴承座3、橡胶外套4、弹性辐条26，轮辋由2n个弹性钢片27组成，其中：3≤n≤6。实施例中n等于3，即轮辋由六块结构相同的弹性钢片27组成，从镇压轮轴向方向看弹性钢片27为60度角圆弧形，圆弧形的弹性钢片27两端的两边设置有铰接耳，铰接耳构成六个圆弧形的弹性钢片27的铰接点，采用一号销轴29插入弹性钢片27的铰接点中将六个圆弧形的弹性钢片27首尾依次连接成圆筒形状的轮辋，轴承座3外圆周上均布有六个铰接耳28，铰接耳28上设置有铰接孔。

[0028] 两个相邻的圆弧形的弹性钢片27与铰接耳28之间连接有可伸缩的弹性辐条26，所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮中共计采用12个弹性辐条26。

[0029] 所述的弹性辐条26包括支撑杆8、一号弹簧9、辐条套管10、二号弹簧11、螺栓13与端盖22。

[0030] 所述的辐条套管10是个一端设置有底座另一端设置为开口式的空心管状结构件，辐条套管10的底座外侧有底座铰接耳，采用一号销轴29使辐条套管10与弹性钢片27铰接耳铰接，辐条套管10的另一端有一个翻边式法兰盘，法兰盘上均匀地分布有安装螺栓13的法兰盘通孔，端盖22和法兰盘通过螺栓13固定并将辐条套管10封闭。

[0031] 参阅图4，支撑杆8为阶梯轴式直杆类结构件，两端轴的直径相等并小于中间段轴的直径，两端轴又分为长段轴与短段轴，长段轴的外端沿径向设置有安装二号销轴30的通孔。

[0032] 支撑杆8的短段轴上套装有二号弹簧11，二号弹簧11套装在短段轴上，一端面与短段轴和中间段轴所形成的轴肩相接触，另一端面与辐条套管10底座内侧底端面接触连接；一号弹簧9套装在支撑杆8的长段轴，一号弹簧9的端面分别与辐条套管10底座内侧底面和轴肩接触。安装有一号弹簧9与二号弹簧11的支撑杆8插入辐条套管10内，端盖22安装在辐条套管10的端口处并采用螺栓13固定连接，将一号弹簧9与二号弹簧11封闭在辐条套管10中。端盖22和辐条套管10的底座共同限制一号弹簧9与二号弹簧11的向外移动，对支撑杆8和辐条套管10之间的相对滑动的行程起到限位作用。

[0033] 参阅图6至图8，图中为本发明所述的一种具有镇压力监测功能的镇压轮所采用橡胶外套4，即分别为光滑型橡胶外套23、凹槽型橡胶外套24与月牙型凸起橡胶外套25。在轮辋外表面上套装有橡胶材质的橡胶外套4，橡胶材质的橡胶外套4的厚度5mm，橡胶外套4是直接套装在镇压轮的外表面的,不同形态的橡胶外套镇压后土壤的形状、压实的均匀性不相同，作业时可根据作物生长所需要的镇压效果选取不同形态的橡胶外套。

[0034] 对于图7所示的月牙型凸起橡胶外套25上的月牙弧长较小的曲线方程为：

[0035] y＝1.06-0.383x+0.0813x2；

[0036] 月牙弧长较大的曲线方程为：

[0037] y＝0.482-9.438x-5.166x2；

[0038] 其中，x，y分别是横纵坐标，x为镇压轮的轴向，y为镇压轮的滚动前进方向。单位为cm，取值范围为0-4.7。

[0039] 当月牙型凸起橡胶外套25如图8中所示时：两横排之间的距离为30mm，对于每一横排的月牙，其排列为3个时，两月牙间的距离为21mm，距离轮子边缘的距离为10mm；当月牙的排列为2个时，两月牙间的距离为50mm，距离轮子边缘的距离为25mm。

[0040] 参阅图9，所述的数据采集与发射装置包括直线位移传感器5、一号电源14、信息获取与处理电路15、一号单片机16及无线发射模块17。一号电源14、信息获取与处理电路15、一号单片机16及无线发射模块17都安装在电器盒6内，电器盒6用卡环7固定在弹性辐条26上。直线位移传感器5的外壳用同样的卡环7固定在同一根辐条套管10上，直线位移传感器5的拉杆通过定位杆33与支撑杆8固连，镇压力为零，一号弹簧9压缩位移量为零时，直线位移传感器5的拉杆此时处于初始状态，当镇压轮行进时，辐条套管10可以沿着支撑杆8往复相对移动，此时带动直线位移传感器5的拉杆相对直线位移传感器5的外壳往复伸缩，直线位移传感器5会输出相应的电压信号。直线位移传感器5信号输出端经电路与一号单片机16的一输入I/O接口连接，一号单片机16的一输出I/O接口与无线发射模块17的信号输入端口相连，无线发射模块17的信号输出端口外接；一号电源14的输出端分别与一号单片机16、直线位移传感器5、信息获取与处理电路15、无线发射模块17的电源输入端相连。参阅图3和图12,所述的数据采集与发射装置内部位置关系为一号电源
14、信息获取与处理电路15、一号单片机16、无线发射模块17依次在电路板29上沿其长边并距两长边等距离顺序焊接。

[0041] 定位杆33一端是螺纹杆，另一端是螺栓孔。直线位移传感器5的拉杆上有螺纹，螺栓孔用于连接直线位移传感器5的拉杆，螺纹杆能与支撑杆8上的螺纹孔相配合。

[0042] 所述的数据接收与显示装置，包括二号电源21、无线接收模块18、二号单片机19与信息显示模块20。参阅图10，图中所示为本发明的数据接收与显示装置的装置图，其位于监测人员手中，数据接收与显示装置32带有显示屏。其中无线接收模块18的信号输出端与二号单片机19的一输入I/O接口连接，二号单片机19的一输出I/O接口与信息显示模块20的信号输入接口连接；二号电源21的输出端分别与无线接收模块18、二号单片机19与信息显示模块20的电源输入端相连。二号单片机19位于盒体左侧并靠近其短边，二号电源21位于盒体右侧并靠近其短边，无线接收模块18的位于盒体右侧并靠近二号电源
21和右边，信息显示模块20靠近盒体的宽边处。

[0043] 直线位移传感器5将辐条套管10相对于支撑杆8的位移参数模拟信号转换为电压信号，信息获取与处理电路15用于接收电压信号并将电压信号转换成一号单片机16可用的数据信号，一号单片机16按约定的数据格式通过无线发射模块17将数据传送出去，无线发射模块17和无线接收模块18优选zigbee模块。无线接收模块18能够接收前述无线发射模块17发来的信号，二号单片机19通过控制信息显示模块20将数据进行处理并显示出来，信息显示模块20能够实时的显示镇压力的大小，达到监测镇压力的目的。

[0044] 本发明监测镇压力的工作原理如下：

[0045] 参阅图1，在镇压轮中的一个弹性辐条26上安装直线位移传感器5，镇压力为零时，一号弹簧9压缩位移量为零，直线位移传感器5为初始状态。当镇压轮行进时，辐条套管10可以沿着支撑杆8往复移动，此时带动直线位移传感器5的拉杆相对直线位移传感器5的外壳往复伸缩，拉杆的伸缩量与一号弹簧9和二号弹簧11的伸缩量一致。一号弹簧9与二号弹簧11交替压缩，记一号弹簧9压缩位移量为△L，二号弹簧11压缩位移量为-△L。
直线位移传感器5将一号弹簧9压缩位移量为△L转化为模拟信号。△L对应着镇压轮变形量，而变形量与镇压轮的镇压力呈正相关，通过预先测得多组数据，对一号弹簧9压缩位移量△L与镇压轮的镇压力之间的关系进行标定，标定完成后即可投入使用。

[0046] 标定时通过电子秤测量镇压力，测量时电子秤先水平放置并调零，将镇压轮竖直压在电子秤上，并给镇压轮施加不同的压力；同时在信号获取与处理电路后连接数字示波器，数字示波器记录镇压力对应的信号大小。实验时使镇压力从零逐渐增大到最大，测量6组数据，通过电子秤与数字示波器记录镇压力y与信号数据x，并通过MATLAB中的polyfit函数得到镇压力y与信号数据x的函数关系式y＝f(x)，由于变形量与镇压力呈正相关，建立二次函数即可满足要求。将得到镇压y与直线位移传感器5所对应的信号x之间的关系式y＝f(x)通过编程下载到一号单片机16中，一号单片机16在工作时可根据由直线位移传感器5得到并经信息获取与处理电路15转换的信号输出相应的镇压力y信号。

[0047] 由于弹性辐条26两端通过铰接分别与弹性钢片27和轴承座3连接，当镇压轮工作时，一号弹簧9压缩位移量△L最大时并不一定是在中心轴1正下方的位置，可能偏离一定的角度。所以工作时每隔100ms测一次镇压力y，每隔2s求一次镇压力y的最大值ymax，每隔30s求一次最大镇压力ymax的平均值 ，该平均值视为这一段时间(30s)内镇压轮对地面的镇压力。通过无线发射模块17发射给数据接收与显示装置(图10)，作业人员可读取数据，对镇压力的大小进行实时监测。

[0048] 准确实时获取镇压力后，根据镇压力大小可通过更换不同镇压轮的橡胶外套或者更换不同规格的镇压轮来调节镇压力。获取适当的镇压力可以在播种的同时减少土壤中的大孔隙，减少水分的蒸发使土壤保墒，可以使种子和土壤紧密接触有利于种子发芽和生长。