本发明公开了一种船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置及其方法，该装置包括水田土槽、牵引装置、数据采集装置、船体模型，牵引装置设于水田土槽一端，由不同接地角和不同曲率半径系列的船体模型组成船体模型组，通过改变水田土槽中土壤类型、土壤饱和含水量、表层水深和静置时间获得了水田的各中作业条件，能够对不同结构船体模型在不同接地比压、牵引速度和水田环境条件下进行阻力检测，从而获得不同型式船形拖拉机的行走阻力，装置结构紧凑，牵引速度无级可调且与拉力同步记录，满足各种型式船型拖拉机行驶阻力测定要的要求，也可用于水田环境条件、船体结构参数对行驶阻力影响的测定。
1.一种船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于包括水田土槽、牵引装置、数据采集装置、船体模型(9)，牵引装置置于水田土槽一端，船体模型(9)放置在水田土槽中，数据采集装置固定在船体模型(9)上；
水田土槽包括槽箱(1)、基座(2)、泄水管(3)、球阀(4)、纵底梁(5)、等高检测管(7)、胶管(8)、内槽(10)，多支基座(2)横向均布固定于地面，各基座(2)上表面在同一水平面上，槽箱(1)为矩形框架，槽箱(1)底部固定在多支基座(2)上，多支纵底梁(5)纵向固定在基座(2)上表面并在槽箱(1)内均匀分布；内槽(10)固定在槽箱(1)内；泄水管(3)垂直穿过槽箱(1)一侧并于固定在内槽(10)侧壁，泄水管(3)一端与内槽(10)内部相连通；球阀(4)安装在泄水管(3)另一端；多支等高检测管(7)均匀垂直固定在内槽(10)一侧内壁，等高检测管(7)为具有刻度的透明管，各等高检测管(7)的刻度上限在同一水平面上，等高检测管的下端通过三通与同一条胶管(8)相连通；
牵引装置包括机架(11)、卷筒组件(12)、电动机(13)、变频调速器(14)、配电盘(15)、主动链轮(16)、从动链轮(17)、钢丝绳(18)，卷筒组件(12)通过两只轴承座固定在机架(11)前上部，电动机(13)固定在机架(11)中部，卷筒组件(12)的轴线与电动机(13)的轴线平行；变频调速器(14)固定在机架(11)后部，配电盘(15)固定在机架(11)上，变频调速器(14)和配电盘(15)分别与电动机(13)相连；主动链轮(16)安装在电动机(13)输出轴上，从动链轮(17)固定在卷筒组件(12)的卷筒轴一端，主动链轮(16)与从动链轮(17)构成链传动；钢丝绳(18)的一端固定在卷筒组件(12)的圆柱形卷筒上并缠绕在卷筒上；
船体模型(9)包括侧样条板(9-1)、底缘板(9-2)、标准配重块(9-3)、支架(9-4)、标尺(9-5)、牵引滑槽(9-6)，侧样条板(9-1)下缘由倾斜直线段(9-1-1)、弧线段(9-1-2)、水平直线段(9-1-3)构成，侧样条板(9-1)外侧设有标尺(9-5)；底缘板(9-2)两边与两块侧样条板(9-1)垂直固定连接并构成模型主体，底缘板(9-2)成型截面与侧样条板(9-1)一致；牵引滑槽(9-6)固定在底缘板(9-2)前部中心对称面上；在船体主体中放置有多块标准配重块(9-
3)；支架(9-4)固定在底缘板(9-2)后上部；
数据采集装置包括反射板(6)、拉力传感器(19)、激光测速传感器(23)，反射板(6)固定在槽箱(1)的一端，激光测速传感器(23)固定在支架(9-4)上；拉力传感器(19)一端固定在牵引滑槽(9-6)上，拉力传感器(19)另一端与钢丝绳(18)另一端固定连接。
2.根据权利要求1所述的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于船体模型(9)的侧样条板(9-1)下缘的倾斜直线段(9-1-1)与水平直线段(9-1-3)所夹锐角为接地角；所述的船体模型(9)有多个，且具有不同的接地角和不同曲率半径，不同系列的船体模型(9)组成船体模型组；船体模型组中的船体模型(9)接地角为20°～35°，弧线段(9-1-
3.根据权利要求1所述的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于内槽(10)外形尺寸与槽箱(1)内部尺寸一致，内槽(10)紧贴槽箱(1)内壁固定。
4.根据权利要求1所述的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于所述的泄水管(3)有3支，且泄水管(3)的进水口距内槽(10)底面高度不同。
5.根据权利要求1所述的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于，数据采集装置中还设有数据采集卡(21)和计算机(22)，数据采集卡(21)、计算机(22)放置在船体模型(9)内，所述的拉力传感器(19)和激光测速传感器(23)均连接至数据采集卡(21)，数据采集卡(21)和计算机(22)相连。
6.根据权利要求1所述的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其特征在于所述的反射板(6)位于激光测速传感器(23)的激光发射路径上，且板面与激光传输方向垂直，反射板(6)与激光测速传感器(23)构成一个用于测量船体模型(9)行驶速度的测量组件。
7.一种利用如权利要求1所述检测试验装置的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测方法，其特征在于：
第一步：将已知类型及颗粒组成、含水率的土壤填入内槽(10)，对土壤进行碎土、平整处理，使土壤表面呈水平状态，水平状态依据各等高检测管(7)水平液面与内槽土壤表面的距离判定；
第二步：根据试验要求的土壤含水量、土壤表层水深将内槽(10)充入一定量的水，并静置试验规定的时间；
第三步：船体模型(9)停止在水田土槽中远离牵引装置的一端，根据钢丝绳(18)要求线速度计算卷筒组件(12)的卷筒转速，然后计算变频调速器(14)需要的输出频率设定值，并调节变频调速器(14)频率至设定值；
第四步：启动激光测速传感器(23)、数据采集卡(21)、拉力传感器(19)，启动电动机(13)，电动机(13)通过主动链轮(16)带动从动链轮(17)转动，从而使卷筒组件(12)的卷筒以设定的转速度转动，钢丝绳(18)以设定线速度在卷筒上缠绕，当钢丝绳(18)被拉紧时，船体模型(9)被向前拉动，此时激光测速传感器(23)发射激光信息至反射板(6)，通过反射板(6)将反射激信号激光测速传感器(23)接收端，激光测速传感器(23)将距离信号并转换为速度信号传输至数据采集卡(21)，拉力传感器(19)的拉力信号也同步传输至数据采集卡(21)；当船体模型(9)被牵至水田土槽接近牵引装置的一端时，电动机停止工作；在船体模型(9)移动过程中，数据采集卡(21)同步记录的船体模型(9)行驶速度、牵引力数据并传输至计算机(22)保存；完成一次行驶阻力检测；
第五步：更换具有不同的接地角和曲率半径的船体模型(9)，再次设定牵引速度、调节加载标准配重块(9-3)数量，然后重复进行上述行驶阻力检测过程，获得不同结构船体模型(9)在不同速度时当前水田土壤中的行驶阻力。
8.如权利要求7所述的行驶阻力检测方法，其特征在于，更换填入内槽(10)的土壤，重复进行行驶阻力检测过程，获得不同水田土壤条件下船体模型(9)的行驶阻力。
船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业机械领域，涉及一种船形拖拉机在不同工况下行驶阻力检测的试验装置。
背景技术
[0002] 水田是耕田的主要组成部分，但由于上世纪围湖造田、常年泡水的传统耕作习惯以及土地集约化改造，机具功率越来越大，造成“泥脚越深-功率越大-耕底层破坏-泥脚更深”恶性循环，致部分地区水田泥脚越来越深(深度≥40cm)，传统的作业机具无法下田作业，机耕船式拖拉机在背景下生产动力机械。但由于水田壤结构组成多样、作业条件差异大，现有机耕船式拖拉机船体设计均是流体介质进行设计的，而处于液态的水田土壤的力学特性与水的流变特性截然不同，机耕船式拖拉机船体不同的船体结构在水田土壤含水量、土壤中粘粒含量、表层水深不同时行驶阻力差异极大。但当前土槽试验台均是针对旱地作业机具的试验台，不能对水田环境进行模拟，更不能对不结构的船体在不同的水田条件下进行试验。由于船体结构参数选取不合理造成机耕船式拖拉机行驶阻力大、能耗高，特别需要一种能够精确确定不同水田条件下一定船体结构的机耕船式拖拉机行驶阻力的测定试验装置，以优化匹配动力系统，同时试验优化船体的主要结构参数如前缘曲率半径、接地角、接地压力。
发明内容
[0003] 本发明的目的克服传统土槽试验台仅用于旱地土壤作业机具作业性能测试，不能模拟复杂的水田土壤作业条件，不能用于不同结构机耕船式拖拉机船体行驶阻力测定，本发明提供一种船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置及其方法，通过在水田土槽填入测试要求类型的土壤并进行预处理、充水以模拟不同含水量、表层水深等水田作业条件，利用不同结构船体模型在不同在牵引速度、接地压力条件下测定其行驶阻力，为船形拖拉机结构设计、前进阻力测定提供试验检测装置。
[0004] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
[0005] 船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，其包括水田土槽、牵引装置、数据采集装置、船体模型，牵引装置置于水田土槽一端，船体模型放置在水田土槽中，数据采集装置固定在船体模型上；
[0006] 水田土槽包括槽箱、基座、泄水管、球阀、纵底梁、等高检测管、胶管、内槽，多支基座横向均布固定于地面，各基座上表面在同一水平面上，槽箱为矩形框架，槽箱底部固定在多支基座上，多支纵底梁纵向固定在基座上表面并在槽箱内均匀分布；内槽固定在槽箱内；泄水管垂直穿过槽箱一侧并于固定在内槽侧壁，泄水管一端与内槽内部相连通；球阀安装在泄水管另一端；多支等高检测管均匀垂直固定在内槽一侧内壁，等高检测管为具有刻度的透明管，各等高检测管的刻度上限在同一水平面上，等高检测管的下端通过三通与同一条胶管相连通；
[0007] 牵引装置包括机架、卷筒组件、电动机、变频调速器、配电盘、主动链轮、从动链轮、钢丝绳，卷筒组件通过两只轴承座固定在机架前上部，电动机固定在机架中部，卷筒组件的轴线与电动机的轴线平行；变频调速器固定在机架后部，配电盘固定在机架上，变频调速器和配电盘分别与电动机相连；主动链轮安装在电动机输出轴上，从动链轮固定在卷筒组件的卷筒轴一端，主动链轮与从动链轮构成链传动；钢丝绳的一端固定在卷筒组件的圆柱形卷筒上并缠绕在卷筒上；
[0008] 船体模型包括侧样条板、底缘板、标准配重块、支架、标尺、牵引滑槽，侧样条板下缘由倾斜直线段、弧线段、水平直线段构成，侧样条板外侧设有标尺；底缘板两边与两块侧样条板垂直固定连接并构成模型主体，底缘板成型截面与侧样条板一致；牵引滑槽固定在底缘板前部中心对称面上；在船体主体中放置有多块标准配重块；支架固定在底缘板后上部；
[0009] 数据采集装置包括反射板、拉力传感器、激光测速传感器，反射板固定在槽箱的一端，激光测速传感器固定在支架上；拉力传感器一端固定在牵引滑槽上，拉力传感器另一端与钢丝绳另一端固定连接。
[0010] 基于上述方案，本发明还提供了如下的若干优选方式：
[0011] 所述船体模型的侧样条板下缘的倾斜直线段与水平直线段所夹锐角为接地角；所述的船体模型有多个，且具有不同的接地角和不同曲率半径，不同系列的船体模型组成船体模型组；船体模型组中的船体模型接地角为20°～35°，弧线段的曲率半径为250mm～500mm。
[0012] 所述内槽外形尺寸与槽箱内部尺寸一致，内槽紧贴槽箱内壁固定。
[0013] 所述的泄水管有3支，且泄水管的进水口距内槽底面高度不同。
[0014] 所述数据采集装置中还设有数据采集卡和计算机，数据采集卡、计算机放置在船体模型内，所述的拉力传感器和激光测速传感器均连接至数据采集卡，数据采集卡和计算机相连。
[0015] 所述的反射板位于激光测速传感器的激光发射路径上，且板面与激光传输方向垂直，反射板与激光测速传感器构成一个用于测量船体模型行驶速度的测量组件。
[0016] 一种利用上述检测试验装置的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测方法，其具体步骤为：
[0017] 第一步：将已知类型及颗粒组成、含水率的土壤填入内槽，对土壤进行碎土、平整处理，使土壤表面呈水平状态，水平状态依据各等高检测管水平液面与内槽土壤表面的距离判定；
[0018] 第二步：根据试验要求的土壤含水量、土壤表层水深将内槽充入一定量的水，并静置试验规定的时间；
[0019] 第三步：船体模型停止在水田土槽中远离牵引装置的一端，根据钢丝绳要求线速度计算卷筒组件的卷筒转速，然后计算变频调速器需要的输出频率设定值，并调节变频调速器频率至设定值；
[0020] 第四步：启动激光测速传感器、数据采集卡、拉力传感器，启动电动机，电动机通过主动链轮带动从动链轮转动，从而使卷筒组件的卷筒以设定的转速度转动，钢丝绳以设定线速度在卷筒上缠绕，当钢丝绳被拉紧时，船体模型被向前拉动，此时激光测速传感器发射激光信息至反射板，通过反射板将反射激信号激光测速传感器接收端，激光测速传感器将距离信号并转换为速度信号传输至数据采集卡，拉力传感器的拉力信号也同步传输至数据采集卡；当船体模型被牵至水田土槽接近牵引装置的一端时，电动机停止工作；在船体模型移动过程中，数据采集卡同步记录的船体模型行驶速度、牵引力数据并传输至计算机保存；完成一次行驶阻力检测；
[0021] 第五步：更换具有不同的接地角和曲率半径的船体模型，再次设定牵引速度、调节加载标准配重块数量，然后重复进行上述行驶阻力检测过程，获得不同结构船体模型在不同速度时当前水田土壤中的行驶阻力。
[0022] 另外，通过更换填入内槽的土壤，重复进行行驶阻力检测过程，还可以获得不同水田土壤条件下船体模型的行驶阻力。
[0023] 本发明具有的有益效果是：通过改变水田土槽中土壤类型、土壤饱和含水量、表层水深和静置时间获得了船型拖拉机在水田行走的各种工况，能够模拟水田的各中作业条件；利用由不同接地角和不同曲率半径系列的船体模型组成船体模型组，能够对不同接地角与曲率半径的船体模型在不同接地比压、牵引速度条件下进行阻力检测，从而获得不同水田环境条件下船形拖拉机的行走阻力，装置结构紧凑，牵引速度无级可调且与拉力同步记录，满足各种型式船型拖拉机行驶阻力测定要的要求，也可用于水田环境条件、船体结构参数对行驶阻力影响的测定。
附图说明
[0024] 图1是船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置的轴测图；
[0025] 图2是船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置船体模型的轴测图；
[0026] 图3是本发明船体模型侧样条板的平面图；
[0027] 图4是本发明数据采集装置的组成框图；
[0028] 图中：槽箱1、基座2、泄水管3、球阀4、纵底梁5、等高检测管7、胶管8、船体模型9、内槽10、机架11、卷筒组件12、电动机13、变频调速器14、配电盘15、主动链轮16、从动链轮17、钢丝绳18、拉力传感器19、数据采集卡21、计算机22、激光测速传感器23。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，各实施例中的技术特征在没有冲突的情况下可以进行相互组合，不构成限定。
[0030] 如图1所示，船形拖拉机船体模型行驶阻力检测试验装置，包括水田土槽、牵引装置、数据采集装置、船体模型9，牵引装置置于水田土槽一端，船体模型9放置在水田土槽中，数据采集装置固定在船体模型9上。
[0031] 水田土槽包括槽箱1、基座2、泄水管3、球阀4、纵底梁5、等高检测管7、胶管8、内槽10，多支基座2横向均布固定于地面，各基座2上表面在同一水平面上，槽箱1为矩形框架，槽箱1底部固定在多支基座2上。多支纵底梁5纵向固定在基座2上表面并在槽箱1内均匀分布，用于起到支撑上方内槽10的作用。内槽10固定在槽箱1内，且内槽10外形尺寸与槽箱2内部尺寸一致，使内槽10紧贴槽箱2内壁固定。3支泄水管3垂直穿过槽箱1一侧并于固定在内槽
10侧壁，泄水管3一端与内槽10内部相连通，球阀4安装在泄水管3另一端出水口前，用于控制泄水管3的开闭。3支泄水管3的进水口距内槽10底面高度不同，因此当内槽10中注水后，通过调节不同泄水管的开闭，即可调节内槽10中的水面高度。多支等高检测管7均匀垂直固定在内槽10一侧内壁，等高检测管7为具有刻度的透明管，各等高检测管7的刻度上限在同一水平面上，等高检测管的上端开口，下端通过三通与同一条胶管8相连通。通过胶管8进行注水后，不同的等高检测管7内的水位保持一致，可用于判断槽内的土壤表面是否平整。
[0032] 牵引装置包括机架11、卷筒组件12、电动机13、变频调速器14、配电盘15、主动链轮16、从动链轮17、钢丝绳18，卷筒组件12通过两只轴承座固定在机架11前上部，电动机13固定在机架11中部，卷筒组件12的轴线与电动机13的轴线平行；变频调速器14固定在机架11后部，配电盘15固定在机架11上，变频调速器14和配电盘15分别与电动机13相连，分别用于调节电动机转速和为电动机供电。主动链轮16安装在电动机13输出轴上，从动链轮17固定在卷筒组件12的卷筒轴一端，主动链轮16与从动链轮17构成链传动；钢丝绳18的一端固定在卷筒组件12的圆柱形卷筒上并缠绕在卷筒上，并随卷筒的转动而收紧。
[0033] 如图2和3所示，船体模型9包括侧样条板9-1、底缘板9-2、标准配重块9-3、支架9-4、标尺9-5、牵引滑槽9-6，侧样条板9-1下缘由倾斜直线段9-1-1、弧线段9-1-2、水平直线段
9-1-3构成，侧样条板9-1外侧设有3条相同的标尺9-5；底缘板9-2两边与两块侧样条板9-1垂直固定连接并构成模型主体，底缘板9-2成型截面与侧样条板9-1一致；牵引滑槽9-6固定在底缘板9-2前部中心对称面上；在船体主体中放置有多块标准配重块9-3，具体数量可根据船体的接地压力要求进行调整；支架9-4固定在底缘板9-2后上部。
[0034] 数据采集装置包括反射板6、拉力传感器19、激光测速传感器23，反射板6固定在槽箱1的一端，激光测速传感器23固定在支架9-4上。反射板6位于激光测速传感器23的激光发射路径上，且板面与激光传输方向垂直，反射板6与激光测速传感器23构成一个用于测量船体模型9行驶速度的测量组件。拉力传感器19一端固定在牵引滑槽9-6上，拉力传感器19另一端与钢丝绳18另一端固定连接。数据采集装置中还设有数据采集卡21和计算机22，数据采集卡21、计算机22放置在船体模型9内。如图4所示，拉力传感器19和激光测速传感器23均连接至数据采集卡21，数据采集卡21和计算机22相连，将接收到的数据存储于计算机22中。
[0035] 本发明中，为了测量不同的船体模型9的行驶阻力，需设计不同系列的船体模型9组成船体模型组，船体模型组中具有不同的接地角和不同曲率半径的多个船体模型9。以船体模型9的侧样条板9-1下缘的倾斜直线段9-1-1与水平直线段9-1-3所夹锐角为接地角，船体模型组中的船体模型9接地角为20°～35°，弧线段9-1-2的曲率半径为250mm～500mm。
[0036] 在利用该装置进行行驶阻力检测时，可预先设计试验方案，确定所需检测的土壤类型、土壤含水量、土壤表层水深、船体行驶速度、船体模型9的接地角和曲率半径等各种参数。然后在试验过程中，可根据试验方案要求，选择不同的土壤、不同的船体模型9放入内槽10中，通过改变水深、行驶速度等参数进行行驶阻力检测。
[0037] 基于上述检测试验装置的船形拖拉机船体模型行驶阻力检测方法，其具体步骤为：
[0038] 第一步：将已知类型及颗粒组成、含水率的土壤填入内槽10，对土壤进行碎土、平整处理，使土壤表面呈水平状态。水平状态依据各等高检测管7水平液面与内槽土壤表面的距离判定，当土壤表面与各等高检测管7水平液面保持相同距离时可视为土壤表面平整完毕；
[0039] 第二步：根据试验要求的土壤含水量、土壤表层水深将内槽10充入一定量的水，并静置试验规定的时间；
[0040] 第三步：船体模型9停止在水田土槽中远离牵引装置的一端，根据钢丝绳18要求线速度计算卷筒组件12的卷筒转速，然后计算变频调速器14需要的输出频率设定值，并调节变频调速器14频率至设定值；
[0041] 第四步：启动激光测速传感器23、数据采集卡21、拉力传感器19，启动电动机13，电动机13通过主动链轮16带动从动链轮17转动，从而使卷筒组件12的卷筒以设定的转速度转动，钢丝绳18以设定线速度在卷筒上缠绕，当钢丝绳18被拉紧时，船体模型9被向前拉动，此时激光测速传感器23发射激光信息至反射板6，通过反射板6将反射激信号激光测速传感器23接收端，激光测速传感器23将距离信号并转换为速度信号传输至数据采集卡21，拉力传感器19的拉力信号也同步传输至数据采集卡21；当船体模型9被牵至水田土槽接近牵引装置的一端时，电动机停止工作；在船体模型9移动过程中，数据采集卡21同步记录的船体模型9行驶速度、牵引力数据并传输至计算机22保存；完成一次行驶阻力检测；
[0042] 第五步：更换具有不同的接地角和曲率半径的船体模型9，再次设定牵引速度、调节加载标准配重块9-3数量，然后重复进行上述行驶阻力检测过程，获得不同结构船体模型9在不同速度时当前水田土壤中的行驶阻力。另外，根据试验要求，更换填入内槽10的土壤，重复进行行驶阻力检测过程，获得不同水田土壤条件下船体模型9的行驶阻力。
