一种深松部件阻力测试计算方法及测试装置的制造方法
【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。其深度匕满足以下数学表 达式：
[0008] hi= k ! X log2h, 1 2
[0009] 其中，如图1所示，hi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屯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，Θ。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？,&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，Ν(θ)为扭转弹簧所承载 的扭矩，是关于Θ的函数，X。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X。= Lsin Θ。，工作状态时X1= Lsin ( Θ。+ Θ )。A为函数y与 X坐标轴所围平面图形M的面积，
；X。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
s b为11。与h i的总和，b = Iit^k1X log2h， h。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 = Ν(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ΙΠ 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Ii1满足以下数学表达式：
[0025] hi= k ! X log2h, 1 2
[0026] 其中，如图1所示，Ii1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屯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，Θ。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？,&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，Ν(θ)为扭转弹簧所承载 的扭矩，是关于Θ的函数，X。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X。= Lsin Θ。，工作状态时X1= Lsin ( Θ。+ Θ )。A为函数y与 X坐标轴所围平面图形M的面积
X。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h。与Ii1的总和，b = ho+l^Xlogjjh， h。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 = Ν(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,& Χχ。= 2Ν( 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I 3、螺栓副II 4、螺栓副1117、方钢5、主轴6、扭 转弹簧I 10、扭转弹簧II 12、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 -侧固接，扭转弹簧I 10外 端与固定架14连接，扭转弹簧II 12内端与方钢5另一侧固接，扭转弹簧II 12外端与固定 架14连接，主轴6 -端与角位移传感器13连接。
【主权项】
1. 一种深松部件阻力测试计算方法，该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；将土层分为可忽略阻力的松散表土层和产生阻力的耕作层进行计算， 并通过测量扭转弹簧的扭转角度测量深松部件阻力； 松散表土层深度hi满足以下数学表达式： hi=k:Xlog2h, 1 2 其中，Ii1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屯为深松部件形状系数； 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Fa与其名义受力到旋转中心距离的乘 积；所测得深松部件总耕作阻力满足如下数学表达式：其中：0为通过角位移传感器测量得到的深松部件转角，N( 0 )为扭转弹簧所承载的 扭矩，N(0)是关于0的函数，X。为总阻力的名义受力作用点。2. -种权利要求1所述方法所用的测试装置，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(12)、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⑴与护套⑵通过螺栓副I(3)连接，护套⑵与护板⑶经焊接固定，护 板⑶与方钢（5)经螺栓副II⑷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(12)内端与方钢（5)另 一侧固接，扭转弹簧II(12)外端与固定架（14)连接，主轴（6) -端与角位移传感器（13) 连接。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01L5/00
【公开号】CN105043622
【申请号】CN201510218167
【发明人】庄健, 贾洪雷, 罗晓峰, 王文君, 郭明卓, 余海波, 姜鑫铭, 范旭辉, 张哲
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月1日