一種深松部件阻力測(cè)試計(jì)算方法及測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種深松部件阻力測(cè)試計(jì)算方法及測(cè) 試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤深松是保護(hù)性耕作模式下的一項(xiàng)重要技術(shù)，土壤深松能打破犁底層，疏松土 壤，優(yōu)化土壤成分，提高土壤通透性，排澇蓄水保墑。深松作業(yè)能耗高，工作阻力大，深松阻 力是衡量土壤深松部件作業(yè)性能的重要參數(shù)，為了分析深松部件的受力規(guī)律，對(duì)深松阻力 的測(cè)量變得迫切需要。
[0003] 測(cè)量深松阻力的方法國內(nèi)外都有研究，各方面研究成果如下：
[0004] 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院王景立等，利用八角環(huán)傳感器測(cè)試原理，對(duì)弧形深松 鏟在耕作過程中所受水平、豎直方向的阻力以及扭矩進(jìn)行測(cè)試分析，研究弧形深松鏟在不 同耕深、耕速條件下所受阻力的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：八角環(huán)傳感器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的 深松阻力與理論計(jì)算值基本相符，測(cè)量誤差較小且在允許范圍內(nèi)，耕深變化對(duì)于阻力影響 較大。該試驗(yàn)方法具有較好的可靠性和準(zhǔn)確性，所測(cè)得的結(jié)果為弧形深松鏟的進(jìn)一步優(yōu)化 設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。
[0005] 西北農(nóng)學(xué)院農(nóng)機(jī)系邵維民等，研制了組合式L型四分力測(cè)試裝置。該裝置的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，可基本上不改變土作部件的原安裝位置和聯(lián)接方法；傳感器的精度 高，非線性等各項(xiàng)誤差均小于1% ;傳感器的結(jié)構(gòu)形式較好，可精確的測(cè)出作用于鏟子上的 四個(gè)分力，并可確定出合力的大小、方向和作用位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種深松部件阻力測(cè)試計(jì)算方法及測(cè)試裝置，本發(fā)明旨在采 用忽略松散表土層所產(chǎn)生阻力的方法進(jìn)行阻力測(cè)試和計(jì)算，采用扭轉(zhuǎn)彈簧和絕對(duì)角位移傳 感器所組成的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量。
[0007] 本發(fā)明提出的可忽略阻力的松散表土層，在該松散表土層深度，土壤對(duì)深松部件 的工作阻力相對(duì)深松部件穩(wěn)定工作時(shí)所受的總阻力忽略不計(jì)。其深度匕滿足以下數(shù)學(xué)表 達(dá)式：
[0008] hi= k ! X log2h, 1 2
[0009] 其中，如圖1所示，hi為不產(chǎn)生阻力的松散表土層垂直深度，h2為產(chǎn)生阻力的耕作 層深度，h為機(jī)具在工作狀態(tài)下的耕深屯為深松部件形狀系數(shù)，與部件形狀有關(guān)。L為旋 轉(zhuǎn)中心到深松部件末端的長(zhǎng)度，Θ。為是初始狀態(tài)下深松部件與水平方向上的夾角，Θ為通 過角位移傳感器測(cè)出深松部件旋轉(zhuǎn)角。
[0010] 本發(fā)明針對(duì)目前的深松阻力測(cè)試方法提出一種通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角度所 測(cè)得深松部件總耕作阻力的計(jì)算方法。深松部件水平方向所受到的力與其作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中 心距離的乘積等于扭轉(zhuǎn)彈簧所受的轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化為深松部件水平方向所受到的總阻力？,&與 其名義受力平面圖形M的形心到旋轉(zhuǎn)中心距離的乘積。所測(cè)得深松部件總耕作阻力的計(jì)算 方法滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式：
[0011]
[0012] 其中Θ為通過角位移傳感器測(cè)量得到的深松部件轉(zhuǎn)角，Ν(θ)為扭轉(zhuǎn)彈簧所承載 的扭矩，是關(guān)于Θ的函數(shù)，X。為總阻力的名義受力作用點(diǎn)。
[0013] 本計(jì)算方法，耕深阻力在耕作層中滿足以下函數(shù)關(guān)系式：y = k2(x_b)2;如圖2所 示，X坐標(biāo)軸為深松部件旋轉(zhuǎn)中心到深松部件末端的鉛垂距離，y坐標(biāo)軸為深松部件在對(duì)應(yīng) 耕深所受的阻力。初始狀態(tài)時(shí)X。= Lsin Θ。，工作狀態(tài)時(shí)X1= Lsin ( Θ。+ Θ )。A為函數(shù)y與 X坐標(biāo)軸所圍平面圖形M的面積，
；X。為平面圖形M的形心X軸坐標(biāo)；Sy為平面圖 形M對(duì)y軸的靜距；形心X軸坐標(biāo)
s b為11。與h i的總和，b = Iit^k1X log2h， h。為地面到深松部件旋轉(zhuǎn)中心的鉛垂距離。k2為函數(shù)系數(shù)，與土壤質(zhì)地有關(guān)。
[0014] 扭轉(zhuǎn)彈簧屬于螺旋彈簧，端部固定后隨著主軸繞彈簧中心軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩，扭 轉(zhuǎn)彈簧的扭矩N是關(guān)于轉(zhuǎn)角Θ的函數(shù)，N = Ν(θ);角度測(cè)量裝置主要是由角位移傳感器組 成，輸出工作過程中主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。
[0015] 本發(fā)明之方法所用的測(cè)試裝置是由深松部件、護(hù)套、螺栓副I、螺栓副II、螺栓副 III、方鋼、主軸、扭轉(zhuǎn)彈簧I、扭轉(zhuǎn)彈簧II、帶座軸承I、帶座軸承II、固定架和角位移傳感器 組成；其中深松部件與護(hù)套通過螺栓副I連接，護(hù)套與護(hù)板焊接固定，護(hù)板與方鋼經(jīng)螺栓副 II連接；主軸穿過方鋼經(jīng)螺栓副ΙΠ 固接，主軸兩端分別與帶座軸承I和帶座軸承II連接，扭 轉(zhuǎn)彈簧I內(nèi)端與方鋼一側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧I外端與固定架連接，扭轉(zhuǎn)彈簧II內(nèi)端與方鋼另 一側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧II外端與固定架連接，主軸一端與角位移傳感器連接。
[0016] 本發(fā)明的有益效果
[0017] 本發(fā)明對(duì)松散表土層進(jìn)行忽略阻力的處理方法，能更好的擬合耕作層中阻力的分 布情況。通過采用扭轉(zhuǎn)彈簧和絕對(duì)角位移傳感器所組成的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試裝置 田間試驗(yàn)實(shí)施方便，測(cè)試簡(jiǎn)單有效。
【附圖說明】
[0018] 圖1為可忽略阻力的松散表土層和產(chǎn)生阻力的耕作層的示意圖·
[0019] 圖2為深松部件在產(chǎn)生阻力的耕作層中阻力分布的示意圖。
[0020] 圖3為測(cè)試系統(tǒng)受力分析示意圖。
[0021] 圖4為測(cè)試裝置的主視圖。
[0022] 圖5為測(cè)試裝置的側(cè)視圖。
[0023] 圖中：1.深松部件；2.護(hù)套；3.螺栓副I ;4.螺栓副II ;5.方鋼；6.主軸；7.螺栓 副III ;8.護(hù)板；9.帶座軸承I ; 10.扭轉(zhuǎn)彈簧I ;11.扭轉(zhuǎn)彈簧II ; 12.帶座軸承II ;13.角位 移傳感器；14.固定架。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提出的可忽略阻力的松散表土層，在該松散表土層 深度，土壤對(duì)深松部件的工作阻力相對(duì)深松部件穩(wěn)定工作時(shí)所受的總阻力忽略不計(jì)。其深 度Ii1滿足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：
[0025] hi= k ! X log2h, 1 2
[0026] 其中，如圖1所示，Ii1為不產(chǎn)生阻力的松散表土層垂直深度，h2為產(chǎn)生阻力的耕作 層深度，h為機(jī)具在工作狀態(tài)下的耕深屯為深松部件形狀系數(shù)，與部件形狀有關(guān)。L為旋 轉(zhuǎn)中心到深松部件末端的長(zhǎng)度，Θ。為是初始狀態(tài)下深松部件與水平方向上的夾角，Θ為通 過角位移傳感器測(cè)出深松部件旋轉(zhuǎn)角。
[0027] 本發(fā)明針對(duì)目前的深松阻力測(cè)試方法提出一種通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角度所 測(cè)得深松部件總耕作阻力的計(jì)算方法。深松部件水平方向所受到的力與其作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中 心距離的乘積等于扭轉(zhuǎn)彈簧所受的轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化為深松部件水平方向所受到的總阻力？,&與 其名義受力平面圖形M的形心到旋轉(zhuǎn)中心距離的乘積。所測(cè)得深松部件總耕作阻力的計(jì)算 方法滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式：
[0028]
[0029] 其中Θ為通過角位移傳感器測(cè)量得到的深松部件轉(zhuǎn)角，Ν(θ)為扭轉(zhuǎn)彈簧所承載 的扭矩，是關(guān)于Θ的函數(shù)，X。為總阻力的名義受力作用點(diǎn)。
[0030] 本計(jì)算方法，耕深阻力在耕作層中滿足以下函數(shù)關(guān)系式：y = k2(x_b)2;如圖2所 示，X坐標(biāo)軸為深松部件旋轉(zhuǎn)中心到深松部件末端的鉛垂距離，y坐標(biāo)軸為深松部件在對(duì)應(yīng) 耕深所受的阻力。初始狀態(tài)時(shí)X。= Lsin Θ。，工作狀態(tài)時(shí)X1= Lsin ( Θ。+ Θ )。A為函數(shù)y與 X坐標(biāo)軸所圍平面圖形M的面積
X。為平面圖形M的形心X軸坐標(biāo)；Sy為平面圖 形M對(duì)y軸的靜距；形心X軸坐標(biāo)：
b為h。與Ii1的總和，b = ho+l^Xlogjjh， h。為地面到深松部件旋轉(zhuǎn)中心的鉛垂距離。k2為函數(shù)系數(shù)，與土壤質(zhì)地有關(guān)。
[0031] 扭轉(zhuǎn)彈簧屬于螺旋彈簧，端部固定后隨著主軸繞彈簧中心軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩，扭 轉(zhuǎn)彈簧的扭矩N是關(guān)于轉(zhuǎn)角Θ的函數(shù)，N = Ν(θ);角度測(cè)量裝置主要是由角位移傳感器組 成，輸出工作過程中主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。
[0032] 經(jīng)試驗(yàn)研究表明，耕作深度與阻力之間的關(guān)系如圖2所示，可計(jì)算出深松部件的 名義受力位置，建立受力平衡力系如圖3所示，因此，通過測(cè)量與深松部件相連的扭轉(zhuǎn)彈簧 的轉(zhuǎn)角可測(cè)量深松部件的阻力，其阻力滿足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：F,& Χχ。= 2Ν( Θ )。
[0033] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試裝置；其結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所 示，測(cè)試裝置是由深松部件1、護(hù)套2、螺栓副I 3、螺栓副II 4、螺栓副1117、方鋼5、主軸6、扭 轉(zhuǎn)彈簧I 10、扭轉(zhuǎn)彈簧II 12、帶座軸承I 9、帶座軸承II 12、固定架14和角位移傳感器13 組成；其中深松部件1與護(hù)套2通過螺栓副I 3連接，護(hù)套2與護(hù)板8經(jīng)焊接固定，護(hù)板8 與方鋼5經(jīng)螺栓副II 4連接；主軸6穿過方鋼5經(jīng)螺栓副III 7固接，主軸6兩端分別與帶座 軸承I 9和帶座軸承II 12連接，扭轉(zhuǎn)彈簧I 10內(nèi)端與方鋼5 -側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧I 10外 端與固定架14連接，扭轉(zhuǎn)彈簧II 12內(nèi)端與方鋼5另一側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧II 12外端與固定 架14連接，主軸6 -端與角位移傳感器13連接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種深松部件阻力測(cè)試計(jì)算方法，該方法采用忽略松散表土層所產(chǎn)生阻力的方法進(jìn) 行阻力測(cè)試和計(jì)算；將土層分為可忽略阻力的松散表土層和產(chǎn)生阻力的耕作層進(jìn)行計(jì)算， 并通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量深松部件阻力； 松散表土層深度hi滿足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式： hi=k:Xlog2h, 1 2 其中，Ii1為不產(chǎn)生阻力的松散表土層垂直深度，h2為產(chǎn)生阻力的耕作層深度，h為機(jī)具 在工作狀態(tài)下的耕深屯為深松部件形狀系數(shù)； 深松部件水平方向所受到的力與其作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心距離的乘積等于扭轉(zhuǎn)彈簧所受 的轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化為深松部件水平方向所受到的總阻力Fa與其名義受力到旋轉(zhuǎn)中心距離的乘 積；所測(cè)得深松部件總耕作阻力滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式：其中：0為通過角位移傳感器測(cè)量得到的深松部件轉(zhuǎn)角，N( 0 )為扭轉(zhuǎn)彈簧所承載的 扭矩，N(0)是關(guān)于0的函數(shù)，X。為總阻力的名義受力作用點(diǎn)。2. -種權(quán)利要求1所述方法所用的測(cè)試裝置，其特征在于：是由深松部件（1)、護(hù)套 (2)、螺栓副I(3)、螺栓副II(4)、螺栓副III(7)、方鋼（5)、主軸（6)、扭轉(zhuǎn)彈簧I(10)、扭轉(zhuǎn) 彈簧II(12)、帶座軸承I(9)、帶座軸承II(12)、固定架（14)和角位移傳感器（13)組成； 其中深松部件⑴與護(hù)套⑵通過螺栓副I(3)連接，護(hù)套⑵與護(hù)板⑶經(jīng)焊接固定，護(hù) 板⑶與方鋼（5)經(jīng)螺栓副II⑷連接；主軸（6)穿過方鋼（5)經(jīng)螺栓副III(7)固接，主軸 (6)兩端分別與帶座軸承I(9)和帶座軸承II(12)連接，扭轉(zhuǎn)彈簧I(10)內(nèi)端與方鋼（5) 一側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧I(10)外端與固定架（14)連接，扭轉(zhuǎn)彈簧II(12)內(nèi)端與方鋼（5)另 一側(cè)固接，扭轉(zhuǎn)彈簧II(12)外端與固定架（14)連接，主軸（6) -端與角位移傳感器（13) 連接。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深松部件阻力測(cè)試計(jì)算方法及測(cè)試裝置，本發(fā)明之方法采用忽略松散表土層所產(chǎn)生阻力的方法進(jìn)行阻力測(cè)試和計(jì)算，采用扭轉(zhuǎn)彈簧和絕對(duì)角位移傳感器所組成的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試裝置的深松部件與主軸固定連接，主軸上左右安裝兩個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，通過測(cè)量深松部件進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，經(jīng)扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，由力學(xué)分析換算出深松部件穩(wěn)定作業(yè)時(shí)的總阻力大小。本發(fā)明對(duì)松散表土層進(jìn)行忽略阻力的處理方法，能更好的擬合耕作層中阻力的分布情況。
【IPC分類】G01L5/00
【公開號(hào)】CN105043622
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510218167
【發(fā)明人】莊健, 賈洪雷, 羅曉峰, 王文君, 郭明卓, 余海波, 姜鑫銘, 范旭輝, 張哲
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年5月1日