一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置

摘要

本发明公开了一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置，本发明之方法采用忽略松散表土层所产生阻力的方法进行阻力测试和计算，采用扭转弹簧和绝对角位移传感器所组成的测试装置进行测量。测试装置的深松部件与主轴固定连接，主轴上左右安装两个扭转弹簧，通过测量深松部件进行深松作业时主轴转动的角度，经扭转弹簧转矩与转角之间的关系，由力学分析换算出深松部件稳定作业时的总阻力大小。本发明对松散表土层进行忽略阻力的处理方法，能更好的拟合耕作层中阻力的分布情况。

权利要求

1.一种深松部件阻力测试装置，其特征在于：是由深松部件(1)、护套(2)、螺栓副Ⅰ(3)、螺栓副Ⅱ(4)、螺栓副Ⅲ(7)、方钢(5)、主轴(6)、扭转弹簧Ⅰ(10)、扭转弹簧Ⅱ(11)、带座轴承Ⅰ(9)、带座轴承Ⅱ(12)、固定架(14)和角位移传感器(13)组成；其中深松部件(1)与护套(2)通过螺栓副Ⅰ(3)连接，护套(2)与护板(8)经焊接固定，护板(8)与方钢(5)经螺栓副Ⅱ(4)连接；主轴(6)穿过方钢(5)经螺栓副Ⅲ(7)固接，主轴(6)两端分别与带座轴承Ⅰ(9)和带座轴承Ⅱ(12)连接，扭转弹簧Ⅰ(10)内端与方钢(5)一侧固接，扭转弹簧Ⅰ(10)外端与固定架(14)连接，扭转弹簧Ⅱ(11)内端与方钢(5)另一侧固接，扭转弹簧Ⅱ(11)外端与固定架(14)连接，主轴(6)一端与角位移传感器(13)连接。

说明书

一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置

技术领域

[0001] 本发明属农业机械测试技术领域，特别涉及一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置。

背景技术

[0002] 土壤深松是保护性耕作模式下的一项重要技术，土壤深松能打破犁底层，疏松土壤，优化土壤成分，提高土壤通透性，排涝蓄水保墒。深松作业能耗高，工作阻力大，深松阻力是衡量土壤深松部件作业性能的重要参数，为了分析深松部件的受力规律，对深松阻力的测量变得迫切需要。

[0003] 测量深松阻力的方法国内外都有研究，各方面研究成果如下：

[0004] 吉林农业大学工程技术学院王景立等，利用八角环传感器测试原理，对弧形深松铲在耕作过程中所受水平、竖直方向的阻力以及扭矩进行测试分析，研究弧形深松铲在不同耕深、耕速条件下所受阻力的变化情况。试验结果表明:八角环传感器测试系统测得的深松阻力与理论计算值基本相符，测量误差较小且在允许范围内，耕深变化对于阻力影响较大。该试验方法具有较好的可靠性和准确性，所测得的结果为弧形深松铲的进一步优化设计提供数据。

[0005] 西北农学院农机系邵维民等，研制了组合式L型四分力测试装置。该装置的特点：结构简单，工作可靠，可基本上不改变土作部件的原安装位置和联接方法；传感器的精度高，非线性等各项误差均小于1％；传感器的结构形式较好,可精确的测出作用于铲子上的四个分力，并可确定出合力的大小、方向和作用位置。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置，本发明旨在采用忽略松散表土层所产生阻力的方法进行阻力测试和计算，采用扭转弹簧和绝对角位移传感器所组成的测试装置进行测量。

[0007] 本发明提出的可忽略阻力的松散表土层，在该松散表土层深度，土壤对深松部件的工作阻力相对深松部件稳定工作时所受的总阻力忽略不计。其深度h1满足以下数学表达式：

[0008] h1＝k1×log2h，1≤k1≤2

[0009] 其中，如图1所示，h1为不产生阻力的松散表土层垂直深度，h2为产生阻力的耕作层深度，h为机具在工作状态下的耕深；k1为深松部件形状系数，与部件形状有关。L为旋转中心到深松部件末端的长度，θ0为是初始状态下深松部件与水平方向上的夹角，θ为通过角位移传感器测出深松部件旋转角。

[0010] 本发明针对目前的深松阻力测试方法提出一种通过测量扭转弹簧的扭转角度所测得深松部件总耕作阻力的计算方法。深松部件水平方向所受到的力与其作用点到旋转中心距离的乘积等于扭转弹簧所受的转矩，简化为深松部件水平方向所受到的总阻力F总与其名义受力平面图形M的形心到旋转中心距离的乘积。所测得深松部件总耕作阻力的计算方法满足如下数学表达式：

[0011]

[0012] 其中θ为通过角位移传感器测量得到的深松部件转角，N(θ)为扭转弹簧所承载的扭矩，是关于θ的函数，xc为总阻力的名义受力作用点。

[0013] 本计算方法，耕深阻力在耕作层中满足以下函数关系式：y＝k2(x-b)2；如图2所示，x坐标轴为深松部件旋转中心到深松部件末端的铅垂距离，y坐标轴为深松部件在对应耕深所受的阻力。初始状态时x0＝Lsinθ0，工作状态时x1＝Lsin(θ0+θ)。A为函数y与x坐标轴所围平面图形M的面积， xc为平面图形M的形心x轴坐标；Sy为平面图形M对y轴的静距；形心x轴坐标： b为h0与h1的总和，b＝h0+k1×log2h，h0为地面到深松部件旋转中心的铅垂距离。k2为函数系数，与土壤质地有关。

[0014] 扭转弹簧属于螺旋弹簧，端部固定后随着主轴绕弹簧中心轴线旋转产生扭矩，扭转弹簧的扭矩N是关于转角θ的函数，N＝N(θ)；角度测量装置主要是由角位移传感器组成，输出工作过程中主轴转动的角度。

[0015] 本发明之方法所用的测试装置是由深松部件、护套、螺栓副Ⅰ、螺栓副Ⅱ、螺栓副Ⅲ、方钢、主轴、扭转弹簧Ⅰ、扭转弹簧Ⅱ、带座轴承Ⅰ、带座轴承Ⅱ、固定架和角位移传感器组成；其中深松部件与护套通过螺栓副Ⅰ连接，护套与护板焊接固定，护板与方钢经螺栓副Ⅱ连接；主轴穿过方钢经螺栓副Ⅲ固接，主轴两端分别与带座轴承Ⅰ和带座轴承Ⅱ连接，扭转弹簧Ⅰ内端与方钢一侧固接，扭转弹簧Ⅰ外端与固定架连接，扭转弹簧Ⅱ内端与方钢另一侧固接，扭转弹簧Ⅱ外端与固定架连接，主轴一端与角位移传感器连接。

[0016] 本发明的有益效果

[0017] 本发明对松散表土层进行忽略阻力的处理方法，能更好的拟合耕作层中阻力的分布情况。通过采用扭转弹簧和绝对角位移传感器所组成的测试装置进行测量，其测试装置田间试验实施方便，测试简单有效。

附图说明

[0018] 图1为可忽略阻力的松散表土层和产生阻力的耕作层的示意图.

[0019] 图2为深松部件在产生阻力的耕作层中阻力分布的示意图。

[0020] 图3为测试系统受力分析示意图。

[0021] 图4为测试装置的主视图。

[0022] 图5为测试装置的侧视图。

[0023] 图中：1.深松部件；2.护套；3.螺栓副Ⅰ；4.螺栓副Ⅱ；5.方钢；6.主轴；7.螺栓副Ⅲ；8.护板；9.带座轴承Ⅰ；10.扭转弹簧Ⅰ；11.扭转弹簧Ⅱ；12.带座轴承Ⅱ；13.角位移传感器；
14.固定架。

具体实施方式

[0024] 如图1、图2和图3所示，本发明提出的可忽略阻力的松散表土层，在该松散表土层深度，土壤对深松部件的工作阻力相对深松部件稳定工作时所受的总阻力忽略不计。其深度h1满足以下数学表达式：

[0025] h1＝k1×log2h，1≤k1≤2

[0026] 其中，如图1所示，h1为不产生阻力的松散表土层垂直深度，h2为产生阻力的耕作层深度，h为机具在工作状态下的耕深；k1为深松部件形状系数，与部件形状有关。L为旋转中心到深松部件末端的长度，θ0为是初始状态下深松部件与水平方向上的夹角，θ为通过角位移传感器测出深松部件旋转角。

[0027] 本发明针对目前的深松阻力测试方法提出一种通过测量扭转弹簧的扭转角度所测得深松部件总耕作阻力的计算方法。深松部件水平方向所受到的力与其作用点到旋转中心距离的乘积等于扭转弹簧所受的转矩，简化为深松部件水平方向所受到的总阻力F总与其名义受力平面图形M的形心到旋转中心距离的乘积。所测得深松部件总耕作阻力的计算方法满足如下数学表达式：

[0028]

[0029] 其中θ为通过角位移传感器测量得到的深松部件转角，N(θ)为扭转弹簧所承载的扭矩，是关于θ的函数，xc为总阻力的名义受力作用点。

[0030] 本计算方法，耕深阻力在耕作层中满足以下函数关系式：y＝k2(x-b)2；如图2所示，x坐标轴为深松部件旋转中心到深松部件末端的铅垂距离，y坐标轴为深松部件在对应耕深所受的阻力。初始状态时x0＝Lsinθ0，工作状态时x1＝Lsin(θ0+θ)。A为函数y与x坐标轴所围平面图形M的面积， xc为平面图形M的形心x轴坐标；Sy为平面图形M对y轴的静距；形心x轴坐标： b为h0与h1的总和，b＝h0+k1×log2h，h0为地面到深松部件旋转中心的铅垂距离。k2为函数系数，与土壤质地有关。

[0031] 扭转弹簧属于螺旋弹簧，端部固定后随着主轴绕弹簧中心轴线旋转产生扭矩，扭转弹簧的扭矩N是关于转角θ的函数，N＝N(θ)；角度测量装置主要是由角位移传感器组成，输出工作过程中主轴转动的角度。

[0032] 经试验研究表明，耕作深度与阻力之间的关系如图2所示，可计算出深松部件的名义受力位置，建立受力平衡力系如图3所示，因此，通过测量与深松部件相连的扭转弹簧的转角可测量深松部件的阻力，其阻力满足以下数学表达式：F总×xc＝2N(θ)。

[0033] 本发明为实现上述测量计算方法，设计了相应的测试装置；其结构如图4和图5所示，测试装置是由深松部件1、护套2、螺栓副Ⅰ3、螺栓副Ⅱ4、螺栓副Ⅲ7、方钢5、主轴6、扭转弹簧Ⅰ10、扭转弹簧Ⅱ12、带座轴承Ⅰ9、带座轴承Ⅱ12、固定架14和角位移传感器13组成；其中深松部件1与护套2通过螺栓副Ⅰ3连接，护套2与护板8经焊接固定，护板8与方钢5经螺栓副Ⅱ4连接；主轴6穿过方钢5经螺栓副Ⅲ7固接，主轴6两端分别与带座轴承Ⅰ9和带座轴承Ⅱ12连接，扭转弹簧Ⅰ10内端与方钢5一侧固接，扭转弹簧Ⅰ10外端与固定架14连接，扭转弹簧Ⅱ12内端与方钢5另一侧固接，扭转弹簧Ⅱ12外端与固定架14连接，主轴6一端与角位移传感器13连接。