本發(fā)明提供一種由測試機構(gòu)和測試系統(tǒng)組成的農(nóng)田軟地面不平度測試裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)軟地面不平度的動態(tài)測試，主要適用于免耕殘茬地、草地、田間土路等軟地面原始不平度和有效不平度的測試，并可實現(xiàn)軟地面不平度測試數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實時對應(yīng)，便于研究田間地面特征對農(nóng)業(yè)機械的影響作用。

背景技術(shù)：

1. 地面不平引起的振動制約和影響拖拉機及農(nóng)機具的作業(yè)效率，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械的零部件承受很大的動載荷，且嚴(yán)重危害駕駛員的身體健康。測取田間軟地面不平度數(shù)據(jù)是研究農(nóng)業(yè)機械振動特性、可靠性設(shè)計和舒適性評價的重要內(nèi)容。

2. 目前國內(nèi)對軟路面不平度譜的測量尚無成熟的方法，大多沿用測硬路面不平度的方法。已開發(fā)的測試裝置也多是靜態(tài)測試軟地面不平度，不利于建立軟地面原始不平度與引起拖拉機振動的有效不平度之間的關(guān)系，該方法測試效率低且不能與拖拉機運行的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)相聯(lián)系。

3. 現(xiàn)有的軟地面不平度動態(tài)測試裝置基本都附帶于農(nóng)業(yè)車輛的后面，雖然能完成田間軟地面原始不平度的動態(tài)測試，但所測得的不平度數(shù)據(jù)不是車輪經(jīng)過路徑上碾壓前的原始不平度，因此，不能解決軟地面不平度數(shù)據(jù)與由該不平度引起的拖拉機動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)適時對應(yīng)的問題，不利于準(zhǔn)確研究農(nóng)業(yè)機械與田間地面的耦合作用機理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)田軟地面不平度的測試裝置，適用于免耕殘茬地、草地、田間土路等軟地面原始不平度和有效不平度的測試，并結(jié)合測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)軟地面不平度測試數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)（如振動加速度、側(cè)傾角度、俯仰角速度等）的實時對應(yīng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

農(nóng)田軟地面不平度測試裝置，包括測試機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集終端，該測試機構(gòu)位于拖拉機的前方，所述的數(shù)據(jù)采集終端用于對測試機構(gòu)的測試數(shù)據(jù)進行處理和分析。

所述的測試機構(gòu)包括拖拉機連接座、牽引橫梁、傳感器橫梁、地輪、平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)和不平度感應(yīng)片，所述的拖拉機連接座包括平臺、安裝座和連接桿，安裝座的上端面安裝有平臺，下端面安裝有連接桿，牽引橫梁通過銷軸轉(zhuǎn)動的安裝在安裝座上，傳感器橫梁通過螺栓安裝在平臺上，所述牽引橫梁的兩端均安裝有平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)，在每一平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)的底部安裝有一地輪座，地輪安裝在地輪座上；在該地輪座的上部安裝有不平度感應(yīng)片。

所述的平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)包括上鉸接板、下鉸接板、地輪導(dǎo)桿和套筒導(dǎo)桿，上鉸接板和下鉸接板平行設(shè)置，地輪導(dǎo)桿和套筒導(dǎo)桿平行設(shè)置，上鉸接板的兩端分別鉸接一端部調(diào)節(jié)套筒，兩個端部調(diào)節(jié)套筒均通過定位螺栓定位，其中一端部調(diào)節(jié)套筒套在地輪導(dǎo)桿的上部，另一端部調(diào)節(jié)套筒套在所述的套筒導(dǎo)桿的上部；下鉸接板的一端鉸接一端板，套筒導(dǎo)桿的底端安裝在該端板上，另一端鉸接在地輪座上，所述的地輪導(dǎo)桿的底端安裝在地輪座上，所述的上鉸接板、下鉸接板、地輪導(dǎo)桿和套筒導(dǎo)桿圍成一平行四邊形。

在每一套筒導(dǎo)桿上均套有一中部調(diào)節(jié)套筒，在該中部調(diào)節(jié)套筒的一側(cè)設(shè)置有方形套管，牽引橫梁的端部分別伸入對應(yīng)端的方形套管內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)螺栓定位。

所述的牽引橫梁為兩根，相互平行設(shè)置。

所述的下鉸接板與套筒導(dǎo)桿之間安裝有螺紋桿，該螺紋桿的一端焊接于下鉸接板上，另一端插入焊接在套筒導(dǎo)桿的側(cè)耳中，該螺紋桿焊接在下鉸接板的一端接近所述的地輪；在所述的螺紋桿上套裝有地輪彈簧，該地輪彈簧通過安裝在螺紋桿上的螺母調(diào)節(jié)預(yù)緊度。

所述的數(shù)據(jù)采集終端包括激光傳感器、加速度傳感器、測速傳感器、信號調(diào)理單元、模擬多路開關(guān)、硬件積分器、高速數(shù)據(jù)采集處理器、RS232通信接口Ⅰ、RS232通信接口Ⅱ、 PC機和電源管理模塊，所述的激光傳感器用于測試軟地面原始不平度信息，安裝在傳感器橫梁的兩側(cè)，并與不平度感應(yīng)片的相對應(yīng)；所述的加速度傳感器用于測試拖拉機車輪激振的有效不平度，安裝于拖拉機車輪中心位置的車橋上；測速傳感器為GPS測速傳感器，吸附在拖拉機的車頂上，用于測試拖拉機的運行速度；激光傳感器通過信號調(diào)理單元與高速數(shù)據(jù)采集處理器連接，加速度傳感器依次通過模擬多路開關(guān)、硬件積分器與高速數(shù)據(jù)采集處理器連接，高速數(shù)據(jù)采集處理器根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集時間和數(shù)據(jù)采集模式驅(qū)動模擬多路開關(guān)和硬件積分器，GPS測速傳感器通過RS232通信接口Ⅰ連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器，高速數(shù)據(jù)采集處理器通過RS232通信接口Ⅱ連接至PC機；所述PC機通過RS232通信接口Ⅱ向高速數(shù)據(jù)采集處理器發(fā)送相應(yīng)的采集控制指令，同時通過RS232通信接口Ⅱ接收高速數(shù)據(jù)采集處理器返回的各傳感器測量的數(shù)據(jù)并進行初步處理和實時顯示；電源管理模塊用于外部輸入電源的電壓轉(zhuǎn)換和濾波，轉(zhuǎn)換成適合各傳感器的工作電壓，同時為PC機和高速數(shù)據(jù)采集處理器供電。

本發(fā)明的優(yōu)點是： 本發(fā)明通過平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)保證了測試中不平度感應(yīng)片始終平行于地平面運動，激光傳感器測試不平度感應(yīng)片的垂直位移來確定軟地面的原始不平度，避免了田間地面有植物或作物根茬對不平度測試的影響，因此，非常適合草地、免耕留茬地等軟地面不平度的測試。通過將測試機構(gòu)附帶于拖拉機的前面并與拖拉機同步運行，保證了軟地面原始不平度數(shù)據(jù)與激勵拖拉機車輪跳動的有效不平度數(shù)據(jù)和拖拉機運行中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實時對應(yīng)，使不平度測試更具現(xiàn)實意義。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便，地輪間距及平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)與牽引橫梁的相對高度均可調(diào)節(jié)，使測試裝置適應(yīng)于不同型號拖拉機來附帶，測試完畢后，可將測試裝置調(diào)節(jié)到離地30cm高的位置，不影響拖拉機的正常行駛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中拖拉機連接座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖1中牽引橫梁的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例來進一步描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點和特點將會隨著描述而更為清楚。但這些實施例僅是范例性的，并不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下可以對本發(fā)明技術(shù)方案的細節(jié)和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

參見圖1至圖5，本發(fā)明涉及一種農(nóng)田軟地面不平度測試裝置，包括測試機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集終端，該測試機構(gòu)位于拖拉機的前方，所述的數(shù)據(jù)采集終端用于對測試機構(gòu)的測試數(shù)據(jù)進行處理和分析。

所述的測試機構(gòu)包括拖拉機連接座、牽引橫梁2、傳感器橫梁3、地輪4、平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)和不平度感應(yīng)片15，如圖3所示，所述的拖拉機連接座包括平臺1-3、安裝座1-2和連接桿1-1，安裝座1-2的上端面安裝有平臺1-3，下端面安裝有連接桿1-1（連接桿1-1固定在約翰迪爾904拖拉機配重塊的插孔中，并通過緊固螺母固定），牽引橫梁2通過銷軸轉(zhuǎn)動的安裝在安裝座1-2上（牽引橫梁上設(shè)置有連接附板21，通過銷軸將連接附板21安裝在安裝座1-2的銷軸孔上），傳感器橫梁3通過螺栓安裝在平臺1-3上，所述牽引橫梁2的兩端均安裝有一平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)，在每一平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)的底部安裝有一地輪座，地輪4安裝在地輪座上；在該地輪座的上部安裝有不平度感應(yīng)片15。

所述的平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)包括上鉸接板9、下鉸接板5、地輪導(dǎo)桿10和套筒導(dǎo)桿6，上鉸接板9和下鉸接板5平行設(shè)置，地輪導(dǎo)桿10和套筒導(dǎo)桿6平行設(shè)置，上鉸接板9的兩端分別鉸接一端部調(diào)節(jié)套筒8，兩個端部調(diào)節(jié)套筒8均通過定位螺栓81定位，其中一端部調(diào)節(jié)套筒套在地輪導(dǎo)桿10的上部，另一端部調(diào)節(jié)套筒套在所述的套筒導(dǎo)桿6的上部；下鉸接板5的一端鉸接一端板42，套筒導(dǎo)桿6的底端安裝在該端板42上，另一端鉸接在地輪座41上，所述的地輪導(dǎo)桿10的底端安裝在地輪座41上，所述的上鉸接板9、下鉸接板5、地輪導(dǎo)桿10和套筒導(dǎo)桿6圍成一平行四邊形。

該平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)作用是保證地輪在運動時上方的不平度感應(yīng)片始終平行于地平面，測試中通過調(diào)節(jié)上鉸接板端部調(diào)節(jié)套筒8在套筒導(dǎo)桿6和地輪導(dǎo)桿10上的相對位置，使上鉸接板9和下鉸接板5平行，當(dāng)位置調(diào)整好以后，通過定位螺栓，使端部調(diào)節(jié)套筒固定在套筒導(dǎo)桿和地輪導(dǎo)桿的指定位置。

所述的地輪4是直徑為20cm的實心橡膠輪胎，由于地輪重量較輕，并采用平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)與牽引橫梁2聯(lián)接，可相對測試裝置自由上下運動，因而可近似認為它不改變地表形狀，測量的結(jié)果為原始地表不平度。

在每一套筒導(dǎo)桿6上均套有一中部調(diào)節(jié)套筒7，在該中部調(diào)節(jié)套筒7的一側(cè)設(shè)置有方形套管72，牽引橫梁2的端部分別伸入對應(yīng)端的方形套管72內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)螺栓71定位；所述的牽引橫梁2為兩根，相互平行設(shè)置。

地輪間距可通過改變中部調(diào)節(jié)套筒7上固連的兩個方形套管72在牽引橫梁2上的位置來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是0.8m-2.15m，平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)與牽引橫梁的相對高度可通過改變中部調(diào)節(jié)套筒7與套筒導(dǎo)桿6的相對位置來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后用調(diào)節(jié)螺栓71固定，高度調(diào)節(jié)時要注意保證上鉸接板9和下鉸接板5相互平行，這些調(diào)節(jié)能使測試裝置適用于不同型號拖拉機的測試。

所述的下鉸接板5與套筒導(dǎo)桿6之間安裝有螺紋桿13，該螺紋桿13的一端焊接于下鉸接板5上，另一端插入焊接在套筒導(dǎo)桿6的側(cè)耳14中，該螺紋桿焊接在下鉸接板的一端接近所述的地輪4；在所述的螺紋桿13上套裝有地輪彈簧11，該地輪彈簧11通過安裝在螺紋桿13上的螺母12調(diào)節(jié)預(yù)緊度；所述的地輪彈簧11用來使地輪與地面實時接觸。

所述的數(shù)據(jù)采集終端包括激光傳感器16（安裝在傳感器橫梁3上的兩側(cè)的左側(cè)激光傳感器和右側(cè)激光傳感器）、加速度傳感器（1號加速度傳感器、2號加速度傳感器、3號加速度傳感器、4號加速度傳感器）、測速傳感器、信號調(diào)理單元16-1、模擬多路開關(guān)16-2、硬件積分器16-3、高速數(shù)據(jù)采集處理器16-5、RS232通信接口Ⅰ16-4、RS232通信接口Ⅱ16-6、 PC機16-7和電源管理模塊16-8，所述的激光傳感器用于測試軟地面原始不平度信息，安裝在傳感器橫梁3的兩側(cè)，并與不平度感應(yīng)片的相對應(yīng)（位于不平度感應(yīng)片的正上方）；測試中將白色的相紙粘貼在不平度感應(yīng)片上，以增加激光傳感器的識別效率。

所述的加速度傳感器用于測試拖拉機車輪激振的有效不平度，安裝于拖拉機車輪中心位置的車橋上，測試車輪的垂直振動，將車輪等效為質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，通過微分方程求解，得到激勵車輪跳動的軟地面有效不平度數(shù)據(jù)。

將輪胎等效為質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，分析原理如下：

建立輪胎垂直位移x與有效不平度位移q的微分方程：

mx?+C(x??q?)+k(x?q)=0

其中：q—是軟地面有效不平度位移；C—輪胎阻尼；k—輪胎剛度；

x—車輪中心位移；m—車輪上的載荷。

測速傳感器為GPS測速傳感器16-9，吸附在拖拉機的車頂上，便于接受衛(wèi)星信號，用于測試拖拉機的運行速度。

激光傳感器通過信號調(diào)理單元16-1與高速數(shù)據(jù)采集處理器16-4連接，加速度傳感器依次通過模擬多路開關(guān)16-2、硬件積分器16-3與高速數(shù)據(jù)采集處理器16-5連接，高速數(shù)據(jù)采集處理器16-5根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集時間和數(shù)據(jù)采集模式驅(qū)動模擬多路開關(guān)16-2和硬件積分器16-3，GPS測速傳感器通過RS232通信接口Ⅰ連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器；所述PC機16-6通過RS232通信接口16-5向高速數(shù)據(jù)采集處理器發(fā)送相應(yīng)的采集控制指令，同時通過RS232通信接口接收高速數(shù)據(jù)采集處理器返回的各傳感器（激光傳感器、加速度傳感器和GPS測速傳感器）測量的數(shù)據(jù)并進行初步處理和實時顯示；電源管理模塊用于外部輸入電源的電壓轉(zhuǎn)換和濾波，轉(zhuǎn)換成適合各傳感器（激光傳感器、加速度傳感器和測速傳感器）的工作電壓，同時為PC機和高速數(shù)據(jù)采集處理器供電。

高速數(shù)據(jù)采集處理器根據(jù)接收的控制指令對模擬多路開關(guān)、硬件積分器和各傳感器進行控制、驅(qū)動和采集；激光傳感器輸出的信號經(jīng)過雙通道的信號調(diào)理單元后，將校正后的距離信號發(fā)送至高速數(shù)據(jù)采集處理器，模擬多路開關(guān)通過循環(huán)選擇1-4號加速度傳感器，并將加速度傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件積分器進行處理，最終將得到的位移信號發(fā)送至高速數(shù)據(jù)采集處理器。

綜上，本發(fā)明能實時測取田間軟地面原始不平度和激勵拖拉機車輪跳動的有效不平度，方便建立原始不平度和有效不平度的關(guān)系，并可拓展測試系統(tǒng)實時測試拖拉機運行的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，便于研究田間地面特征對農(nóng)業(yè)機械的影響作用。