本发明属于农业机械领域，涉及一种机具-土壤作用力在不同工况下检测的土槽试验检测装置。
背景技术：
农业机械及其动力装置与土壤间相互作用关系十分复杂，其研究一直是相关机具设计、优化的基础，目前研究方法主要是田间试验和实验室土槽试验。由田间试验时，土壤条件不均一且难以精确确定，土地不平整，试验参数可调性差，在机具-土壤作用力测定方面应用较少；传统的实验室土槽试验装置基本均是以机具旱地作业性能为目标进行设计的，装置基本在坑道内进行，所用工作介质为沙土且更换困难，而水田环境由于土壤含水量、土壤中粘粒含量、表层水深不同时机具-土壤作用力差异极大，传统实验室土槽试验不能对复杂的水田条件进行模拟，不能进行水田条件下的机具-土壤作用力、作用机理等相关检测试验；传统实验室土槽其牵引系统结构庞大、复杂，所测试机具-土壤作用力通过牵引装置驱动力矩、牵引装置自身的工作阻力换算获得，随着牵引负荷不同、牵引装置自身载荷不同其工作阻力不同，因而所测的机具-土壤作用力误差大，同时机具的前进速度通过牵引装置驱动轮转速计算获得，而驱动轮因牵引力、负载不同存在不同程度的滑转，因此机具的前进速度测试值也有较大的误差，而机具-土壤作用力是机具作业速度、土壤条件综合作用的结果，显然当前传统实验室土槽不能完成相关检测试验。因此，特别需要一种能够方便模拟多种旱地与水田作业条件、精确测定机具与土壤作用力、机具作业速度的检测试验装置，也可用于机具的作业性检测，为不同工况下机具-土壤作用力测定、机具作业性能检测提供检测平台。
技术实现要素：
本发明的目的克服传统土槽试验台机具-土壤作用力、机具前进速度测试精度低，且仅能用于旱地土壤作业机具作业性能测试，不能模拟复杂、可调的水田土壤作业条件，不能用于不同水田工况下机具-土壤作用力、作业性能指标测定等缺点，本发明提供一种机具-土壤作用力土槽试验检测装置及其方法，通过在土槽填入测试要求类型的土壤并进行预处理达到旱田机具-土壤作用力测试田间条件，通过在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，对机具-土壤作用力、机具前进速度直接测定并同步记录，为不同旱地、水田工况时机具-土壤作用力测定、机具作业性能检测提供检测装置。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种机具-土壤作用力土槽试验检测装置，其包括土槽、牵引总成、控制总成、数据采集总成；
土槽包括基座、槽箱、轨道、内槽、泄水管、阀门、纵底梁、缓冲块、限位桩、等高检测管，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；两支轨道沿槽箱纵向平行固定在槽箱上；内槽固定在槽箱内；泄水管垂直穿过槽箱一侧并固定在内槽侧壁，泄水管一端与内槽内部相连通；阀门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；在槽箱端部四角上部均固定有限位桩，限位桩内侧固定有缓冲块；
牵引总成包括缓冲块、手轮、横梁、电磁制动器、左端梁、电动机、下梁、右端梁、导轨、牵引梁、升降块、丝杆机构，左端梁、右端梁均通过主动轨道轮、从动轨道轮纵向分别置于两支轨道上，左端梁、右端梁与轨道形成滚动配合；横梁两端固定在左端梁、右端梁上部，下梁两端与左端梁、右端梁前部侧面固定连接，左端梁、右端梁、横梁、下梁形成刚性固定结构；电动机、扭矩传感器固定在下梁上，两个电动机动力输出轴各自与一只扭矩传感器输入轴通过联轴器连接，两只扭矩传感器分别与左端梁的减速器动力输入轴、右端梁的减速器动力输入轴通过联轴器连接；两只电磁制动器分别固定在左端梁、右端梁后端侧部用于对两个从动轨道轮进行制动；两支导轨分别固定在牵引总成后部横梁两端部下方，牵引梁两端深入导轨，牵引梁与导轨构成移动副；升降块套装在牵引梁上，丝杆机构丝杆的下端与升降块连接构成螺旋副，丝杆机构上部螺母固定在横梁上，手轮固定在丝杆机构丝杆的顶端；左端梁、右端梁的两端均固定有缓冲块；
控制总成包括限位反射板、控制器、光电传感器、变频调速器，四只限位反射板固定在槽箱端部的两侧；控制器安装在牵引总成上并与光电传感器、电磁制动器、电动机相连，四只光电传感器分别安装在左端梁、右端梁两端的外侧部；变频调速器安装在控制箱内并与电动机相连；
数据采集总成包括数据采集器、激光测速传感器、测速反射板、扭矩传感器、拉力传感器，拉力传感器一端与升降块通过钢丝绳连接，拉力传感器另一端通过钢丝绳连接待检测机具；激光测速传感器固定在牵引总成前部的横梁上，测速反射板固定在槽箱的端部；数据采集器固定在横梁上并与拉力传感器、激光测速传感器和扭矩传感器相连。
基于上述方案，本发明还提供了如下的若干优选方式：
所述的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。
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。
所述的左端梁包括端梁箱、主动轴、主动轨道轮、驱动齿轮、输出齿轮、从动轴、从动轨道轮、减速器，驱动齿轮与主动轨道轮同轴固定，主动轨道轮固定在主动轴上，主动轴通过轴承座固定在端梁箱前部；减速器固定在端梁箱前端内部，减速器的输入轴穿过端梁箱内侧与扭矩传感器通过联轴器连接；输出齿轮固定在减速器的输出轴上，输出齿轮与驱动齿轮构成齿轮传动；从动轨道轮固定在从动轴上，从动轴通过轴承安装在端梁箱后部，从动轴一端穿过端梁箱内侧与电磁制动器的转轮固定连接；左端梁与右端梁为对称结构；电动机、扭矩传感器、右端梁依次通过联轴器连接。
所述的减速器包括箱底、输入齿轮、输入轴、中间齿轮、输出轴、箱盖，箱底与箱盖固定连接构成减速器的箱体，输入齿轮固定在输入轴上，输入轴通过轴承安装在箱体中，中间齿轮固定在输出轴上，输出轴通过轴承安装在箱体中，输入轴与输出轴平行，输入齿轮与中间齿轮构成齿轮传动。
所述的测速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，测速反射板与激光测速传感器构成一个用于牵引总成行驶速度的测量组件。
一种利用上述检测试验装置的机具-土壤作用力检测方法，其步骤如下：
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；
第二步：根据设定的牵引机具试验速度，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，使牵引总成的速度与待试验机具的速度一致；
第三步：将待测机具放置在槽箱未安装测速反射板一端的内槽端部土壤中，通过控制总成解除电磁制动器制动并启动电动机反向工作，电动机通过扭矩传感器将动力输入至减速器，减速器带动输出齿轮转动，输出齿轮带动驱动齿轮使主动轨道轮在轨道上滚动，从而使牵引总成后退并接近待试验机具，当牵引总成的左端梁、右端梁后端接近限位反射板时，安装在的左端梁、右端梁后端侧部的光电传感器接收限位反射板的反射光，光电传感器将限位信号传输至控制器，控制器控制电动机停止工作，同时控制器控制电磁制动器启动制动，电磁制动器使从动轴停止转动，从而使从动轨道轮停止转动，牵引总成停止移动；
第四步：当待试验机具是牵引机具时，将待试验牵引机具的牵引点与拉力传感器通过钢丝强连接，通过丝杆机构调节牵引梁沿导轨上下移动，使拉力传感器与待试验机具的牵引点在同一水平面上；当待试验机具是悬挂机具时，将悬挂机具固定在牵引梁上，并通过丝杆机构调节悬挂机具至试验要求的高度；
第五步：启动激光测速传感器、数据采集器、扭矩传感器、拉力传感器，控制总成解除电磁制动器制动并启动电动机正向工作，牵引总成以设定的速度沿轨道前进，同时当钢丝绳被拉紧时，待试验机具受牵引被向前拉动，拉力传感器检测牵引力并将牵引力信号传输送至数据采集器；电动机的驱动扭矩通过扭矩传感器检测并传输送至数据采集器；激光测速传感器发射激光信息至测速反射板，通过测速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并将距离与速度信号传输至数据采集器；随着牵引总成前进，扭矩传感器的扭矩信号、拉力传感器的力信号、激光测速传感器的距离与速度信号被同步记录在数据采集器中；当牵引总成前进并接近安装测速反射板的槽箱一端时，左端梁、右端梁前部的光电传感器接收限位反射板的反射光，光电传感器将限位信号传输至控制器，控制器控制电动机停止工作，同时控制器控制电磁制动器启动制动，牵引总成停止移动；完成一次机具-土壤作用力检测；
第六步：更换不同的待试验机具，再次设定包括牵引速度、土壤条件在内的试验参数，然后重复进行上述机具-土壤作用力检测过程，获得不同待试验机具在工况时机具-土壤作用力。
在试验过程中，还可以更换填入内槽的土壤并改变土壤作业环境条件，重复进行机具-土壤作用力检测过程，获得不同土壤条件下机具与土壤间的作用力。
另外，如果进行水田条件试验，在内槽充入一定量的水，并静置试验规定的时间。
本发明具有的有益效果是：通过在土槽填入测试要求类型的土壤并进行预处理模拟旱田环境条件，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等模拟各种水田环境条件，通过牵引装置与机具间的力传感器直接测定机具-土壤作用力，利用激光测距原理实时测定机具的前进速度，测量精度高，机具牵引速度无级可调且与机具-土壤作用力同步记录，装置结构紧凑，工作过程自动控制，满足农业机械及其动力源关键部件与土壤间作用阻力测定的要求，也可用于机具性能检测试验。
附图说明
图1是机具-土壤作用力土槽试验检测装置的轴测图；
图2是机具-土壤作用力土槽试验检测装置牵引总成的俯剖视图；
图3是机具-土壤作用力土槽试验检测装置减速器的剖视图；
图4是机具-土壤作用力土槽试验检测装置控制总成的控制电路图；
图5是机具-土壤作用力土槽试验检测装置数据采集总成的组成框图；
图中：基座1、槽箱2、轨道3、内槽4、泄水管5、阀门6、纵底梁7、限位反射板8、缓冲块9、限位桩10、等高检测管11、手轮12、横梁13、电磁制动器14、左端梁15、端梁箱15-1、主动轴15-2、主动轨道轮15-3、驱动齿轮15-4、输出齿轮15-5、从动轴15-6、从动轨道轮15-7、控制器16、电动机17、激光测速传感器18、测速反射板19、光电传感器20、下梁21、右端梁22、导轨23、牵引梁24、升降块25、丝杆机构26、扭矩传感器27、拉力传感器28、减速器29、箱底29-1、输入齿轮29-2、输入轴29-3、中间齿轮29-4、输出轴29-5、箱盖29-6、数据采集器30
具体实施方式
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。
如图1、图2、图3、图4所示，机具-土壤作用力土槽试验检测装置，其特征在于包括土槽、牵引总成、控制总成、数据采集总成。
土槽包括基座1、槽箱2、轨道3、内槽4、泄水管5、阀门6、纵底梁7、缓冲块9、限位桩10、等高检测管11，多支基座1横向均布固定于地面，各基座1上表面在同一水平面上，槽箱2为矩形框架，槽箱2底部固定在多支基座1上，多支纵底梁7纵向固定在基座1上表面并在槽箱2内均匀分布，用于提高槽箱2的强度。两支轨道3沿槽箱2纵向平行固定在槽箱2上；内槽4固定在槽箱2内；内槽4外形尺寸与槽箱2内部尺寸一致，内槽4紧贴槽箱2内壁固定。泄水管5垂直穿过槽箱2一侧并固定在内槽4侧壁，泄水管5一端与内槽4内部相连通；泄水管5共有3支，且泄水管5的进水口距内槽4底面高度不同。阀门6安装在泄水管5另一端；当内槽4中蓄水时，通过开启不同的泄水管5，即可调节内槽4中的水位高度不同。多支等高检测管11均匀垂直固定在内槽4一侧内壁，等高检测管11为具有刻度的透明管，各等高检测管11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，当胶管中具有一定的水头压力时，各等高检测管11也具有相同的液位高度，即可用于判断槽中的土壤是否平整。在槽箱2端部四角上部均固定有限位桩10，限位桩10内侧固定有缓冲块9；缓冲块9可用柔性、弹性材料制成，用于防止设备碰撞。
如图2所示，牵引总成包括缓冲块9、手轮12、横梁13、电磁制动器14、左端梁15、电动机17、下梁21、右端梁22、导轨23、牵引梁24、升降块25、丝杆机构26，左端梁15、右端梁22均通过主动轨道轮15-3、从动轨道轮15-7纵向分别置于两支轨道3上，左端梁15、右端梁22与轨道3形成滚动配合，能够沿轨道3在土槽上方移动。横梁13两端固定在左端梁15、右端梁22上部，下梁21两端与左端梁15、右端梁22前部侧面固定连接，左端梁15、右端梁22、横梁13、下梁21形成刚性固定结构。电动机17、扭矩传感器27固定在下梁21上，两个电动机17动力输出轴各自与一只扭矩传感器27输入轴通过联轴器连接，两只扭矩传感器27的输出轴分别与左端梁15的减速器29动力输入轴、右端梁22的减速器29动力输入轴通过联轴器连接，由此测得电动机17输出的扭矩大小。两只电磁制动器14分别固定在左端梁15、右端梁22后端侧部用于对两个从动轨道轮15-7进行制动。导轨23为u形，两支导轨23分别固定在牵引总成后部横梁13两端部下方，牵引梁24两端深入导轨23，且牵引梁24与导轨23构成使牵引梁24能够升降的移动副。升降块25套装在牵引梁24上，丝杆机构26丝杆的下端与升降块25连接构成螺旋副，丝杆机构26上部螺母固定在横梁13上，手轮12固定在丝杆机构26丝杆的顶端，通过转动手轮12使得丝杆机构26中的丝杆能够转动，进而通过升降块25带动牵引梁24沿着导轨23上下移动，以根据试验要求调整牵引梁24的高度。左端梁15、右端梁22的两端均固定有缓冲块9，与限位桩10内侧的缓冲块9配合实现缓冲。
控制总成包括限位反射板8、控制器16、光电传感器20、变频调速器，四只限位反射板8固定在槽箱2端部的两侧。如图4所示，控制器16可采用带触摸式显示屏的plc控制器，控制器16安装在牵引总成上并与光电传感器20等传感器相连，同时也通过继电器与电磁制动器14、电动机17等电气设备相连。四只光电传感器20分别安装在左端梁15、右端梁22两端的外侧部，光电传感器20与限位反射板8能够形成对牵引总成进行限位的传感系统。该限位主要是通过光电传感器20感应是否已运行到限位反射板8位置来实现的，因此限位反射板8的位置应当根据试验要求进行合理布置。变频调速器安装在控制箱内并与电动机17相连，而且变频调速器也受控制器16控制。
数据采集总成包括数据采集器30、激光测速传感器18、测速反射板19、扭矩传感器27、拉力传感器28，拉力传感器28一端与升降块25通过钢丝绳连接，拉力传感器28另一端通过钢丝绳连接待检测机具；激光测速传感器18固定在牵引总成前部的横梁13上，测速反射板19固定在槽箱2的端部；测速反射板19位于激光测速传感器18的激光发射路径上，且板面与激光传输方向垂直，测速反射板19与激光测速传感器18构成一个用于牵引总成行驶速度的测量组件。如图5所示，数据采集器30为用于集中收集各种相关数据的数据采集卡，其固定在横梁13上并与拉力传感器28、激光测速传感器18和扭矩传感器27等数据采集传感器相连，数据采集卡可将数据本地存储也可以发送至计算机中。
在本实施例中，左端梁15包括端梁箱15-1、主动轴15-2、主动轨道轮15-3、驱动齿轮15-4、输出齿轮15-5、从动轴15-6、从动轨道轮15-7、减速器29，驱动齿轮15-4与主动轨道轮15-3同轴固定，主动轨道轮15-3固定在主动轴15-2上，主动轴15-2通过轴承座固定在端梁箱15-1前部；减速器29固定在端梁箱15-1前端内部，减速器29的输入轴29-3穿过端梁箱15-1内侧与扭矩传感器27通过联轴器连接；输出齿轮15-5固定在减速器29的输出轴29-5上，输出齿轮15-5与驱动齿轮15-4构成齿轮传动；从动轨道轮15-7固定在从动轴15-6上，从动轴15-6通过轴承安装在端梁箱15-1后部，从动轴15-6一端穿过端梁箱15-1内侧与电磁制动器14的转轮固定连接。左端梁15与右端梁22为对称结构，电动机17、扭矩传感器27、右端梁22依次通过联轴器连接，右端梁22的具体结构不再赘述。
如图3所示，减速器29包括箱底29-1、输入齿轮29-2、输入轴29-3、中间齿轮29-4、输出轴29-5、箱盖29-6，箱底29-1与箱盖29-6固定连接构成减速器29的箱体，输入齿轮29-2固定在输入轴29-3上，输入轴29-3通过轴承安装在箱体中，中间齿轮29-4固定在输出轴29-5上，输出轴29-5通过轴承安装在箱体中，输入轴29-3与输出轴29-5平行，输入齿轮29-2与中间齿轮29-4构成齿轮传动。
在利用该装置进行机具-土壤作用力检测时，可预先设计试验方案，确定所需检测的土壤类型、颗粒组成、含水率、行驶速度等各种参数。然后在试验过程中，可根据试验方案要求，选择不同的待试验机具，通过改变牵引速度、土壤条件等试验参数进行机具-土壤作用力检测。
利用上述检测试验装置的机具-土壤作用力检测方法，其具体步骤如下：
第一步：将已知类型及颗粒组成、含水率的土壤填入内槽4，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11水平液面与内槽土壤表面的距离判定，一般而言，不同位置的等高检测管11水平液面与土壤表面距离相同时表明土壤表面平整。本步骤中，如果进行水田条件试验，在内槽4充入一定量的水，并通过泄水管5调整水位至设计高度，并静置试验规定的时间在进行试验。若进行的是旱地等非水田条件试验，则内槽4中无需加水。
第二步：根据设定的牵引机具试验速度，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，使牵引总成的速度与待试验机具的速度一致；
第三步：将待测机具放置在槽箱2未安装测速反射板19一端的内槽4端部土壤中，通过控制总成解除电磁制动器14制动并启动电动机17反向工作，电动机17通过扭矩传感器27将动力输入至减速器29，减速器29带动输出齿轮15-5转动，输出齿轮15-5带动驱动齿轮15-4使主动轨道轮15-3在轨道3上滚动，从而使牵引总成在内槽4后退并接近待试验机具，当牵引总成的左端梁15、右端梁22后端接近限位反射板8时，安装在的左端梁15、右端梁22后端侧部的光电传感器20接收限位反射板8的反射光，光电传感器20将限位信号传输至控制器16，控制器16控制电动机17停止工作，同时控制器16控制电磁制动器14启动制动，电磁制动器14使从动轴15-6停止转动，从而使从动轨道轮15-7停止转动，牵引总成停止移动；
第四步：由于待试验机可能是不同的机具，因此需要采用不同的试验方案：如果待试验机具是牵引机具，则将待试验牵引机具的牵引点与拉力传感器28通过钢丝强连接，通过丝杆机构26调节牵引梁24沿导轨23上下移动，使拉力传感器28与待试验机具的牵引点在同一水平面上；如果待试验机具是悬挂机具，则将悬挂机具固定在牵引梁24上，并通过丝杆机构26直接调节悬挂机具至试验要求的高度；
第五步：启动激光测速传感器18、数据采集器30、扭矩传感器27、拉力传感器28，控制总成解除电磁制动器14制动并启动电动机17正向工作，牵引总成以设定的速度沿轨道3前进，同时当钢丝绳被拉紧时，待试验机具受牵引被向前拉动，拉力传感器28检测牵引力并将牵引力信号传输送至数据采集器30；电动机17的驱动扭矩通过扭矩传感器27检测并传输送至数据采集器30；激光测速传感器18发射激光信息至测速反射板19，通过测速反射板19将反射激信号激光测速传感器18接收端，激光测速传感器18将距离信号并转换为速度信号并将距离与速度信号传输至数据采集器30；随着牵引总成前进，扭矩传感器27的扭矩信号、拉力传感器28的力信号、激光测速传感器18的距离与速度信号被同步记录在数据采集器30中；当牵引总成前进并接近安装测速反射板19的槽箱2一端时，左端梁15、右端梁22前部的光电传感器20接收限位反射板8的反射光，光电传感器20将限位信号传输至控制器16，控制器16控制电动机17停止工作，同时控制器16控制电磁制动器14启动制动，牵引总成停止移动；完成一次机具-土壤作用力检测；
第六步：更换不同的待试验机具，再次设定牵引速度、土壤条件等试验参数，然后重复进行上述机具-土壤作用力检测过程，获得不同待试验机具在工况时机具-土壤作用力。
另外，如需检测多种土壤下的机具-土壤作用力，则应该更换填入内槽4的土壤并改变土壤作业环境条件，重复进行机具-土壤作用力检测过程，获得不同土壤条件下机具与土壤间的作用力。