水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗研究

付 威，丁 凱，張志元，楊文武，張慧明

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗研究

付 威1，丁 凱1，張志元1，楊文武2，張慧明1

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

對自主研發(fā)的水稻旱直播機地輪進行滾動阻力和地輪滑移率等方面的理論研究，確定滾動阻力、滑移率和工作參數(shù)(機器行走速度、扭矩、彈簧預緊力)三者之間的關(guān)系，以獲得地輪工作的最佳工作參數(shù)。同時，采用三因素五水平二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗的設(shè)計方法，對地輪工作參數(shù)進行試驗研究。通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)分析求解，建立回歸方程，確定最優(yōu)參數(shù)組合，得到影響因素最佳參數(shù)組合方案。結(jié)果表明：各組方案中的影響因素編碼值和響應指標數(shù)值均在優(yōu)化區(qū)域，可為播種機地輪傳遞動力提供理論依據(jù)和播種作業(yè)工作參數(shù)選取提供指導。

水稻旱直播機；地輪；動力傳遞；正交試驗

0 引言

水稻是我國主要糧食農(nóng)作物之一，種植面積約占全國谷物種植總面積的40%左右。我國水資源短缺、人均水資源占有量較少，傳統(tǒng)的耗水量較大的水稻種植方式不能滿足節(jié)約水資源的要求，因此近年來我國水稻旱直播面積不斷增加[1-2]。

地輪作為水稻旱直播機的關(guān)鍵部件，具有帶動傳動系統(tǒng)并為排種、施肥系統(tǒng)提供動力的作用。目前，國內(nèi)直播機主要研究的方向是排種排肥裝置、防堵裝置、開溝裝置及對其工作性能進行檢測的機電一體化系統(tǒng)等方面，而對直播機地輪深入研究的人員較少[3-5]。我國直播機的排種排肥系統(tǒng)動力大多來自地輪，作業(yè)時地輪依靠與土壤間的摩擦力轉(zhuǎn)動通過鏈輪鏈條傳動，將扭矩傳遞給排種排肥裝置。地輪轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性受地輪滑移、地輪滾動阻力等因素影響，當土壤與地輪間的摩擦力不足時滑移會偏大，導致地輪轉(zhuǎn)速降低或者停止旋轉(zhuǎn)。滾動阻力的存在使得機器行走速度不穩(wěn)定，地輪轉(zhuǎn)速也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使依靠地輪轉(zhuǎn)動提供動力的排種排肥裝置的旋轉(zhuǎn)會受到較大影響，所以地輪工作穩(wěn)定性對直播機排種排肥均勻性具有顯著的影響[6-8]。

本文對影響水稻旱直播機地輪轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性的因素進行分析研究，尋求工作參數(shù)、地輪滑移率、地輪滾動阻力三者間最佳組合方案。為尋得最佳工作組合參數(shù)，試驗方案采用三因素五水平二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗設(shè)計方法，最終得到的結(jié)果為直播機地輪工作參數(shù)選取提供參考。

1 地輪的受力分析及計算

1.1 地輪結(jié)構(gòu)

本機采用地輪傳動，經(jīng)過二級鏈輪鏈條傳動將地輪行走轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的動力傳遞給排種排肥裝置，完成水稻旱直播機的施肥排種作業(yè)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.地輪 2.懸掛架 3.彈簧支撐架 4.地輪壓簧圖1 地輪結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure of land wheel

1.2 地輪滾動阻力的計算

如圖2所示，輪子以速度v做勻速直線運動，得到其靜力學平衡方程[9-11]為

G-Ry=0

(1)

F-Rx=0

(2)

假設(shè)z0-z≈0時，則

G·x+M-Rx·r=0

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)可知：當x、Rx、r分別為常數(shù)時，假設(shè)牽引阻力F等于地輪滾動阻力Rx，F(xiàn)∝M。

圖2 滾動阻力Fig.2 Rolling resistance

2 試驗儀器和方法

2.1 試驗儀器

地輪動力傳遞性能試驗所用的試驗材料包括卷尺(50m)、鋼直尺、游標卡尺及秒表等，主要儀器和設(shè)備如表1所示。

采用TDR300 土壤水分探測器測定土壤含水率，SC-900數(shù)顯式土壤堅實度儀測定土壤堅實度，NJTY3田間機械動力學參數(shù)遙測儀測試雙圓盤開溝阻力。

2.2 試驗方法

田間機械動力學參數(shù)遙測儀掛接在拖拉機兩個下懸掛點，遙測儀牽引板中間與播種機掛接，通過水分探測器和土壤堅實度儀測定土壤特性，如圖3所示。

2.2.1 影響因素的選取與調(diào)整

為了評價地輪動力傳遞效果和質(zhì)量，通過理論分析和播種機作業(yè)要求，確定地輪動力傳遞過程中各影響參數(shù)的范圍為：作業(yè)速度2.8～3.6km/h，扭矩10～30N·m，彈簧預緊力940～1 410N。

表1 儀器和設(shè)備參數(shù)

圖3 地輪傳遞性能田間測試Fig.3 Field test of land wheel transmission performance

2.2.2 響應指標的選取與測定

播種作業(yè)時的牽引阻力，主要反映地輪在不同作業(yè)參數(shù)時地輪的滾動阻力。滑移率大小直接影響播種機作業(yè)的成穴效果。

牽引力阻力的測定采用NJTY3田間機械動力學參數(shù)遙測儀，每組試驗重復3次，取平均值；測定滑移率時，選取地輪直徑D=600mm，每組試驗重復3次。滑移率計算公式為

(4)

3 多因子試驗設(shè)計

試驗采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方案，研究各影響因素不同的組合對響應指標的影響。選取作業(yè)速度、地輪扭矩和彈簧預緊力3個影響因素進行多因子試驗，以牽引阻力和滑移率為響應指標，按三因子五水平安排試驗，制定的因子水平編碼表，如表2所示。根據(jù)編碼表，制定二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的試驗方案，結(jié)果如表3所示。

表2 因子水平編碼

續(xù)表2

表3 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方案及結(jié)果

3.1 牽引阻力的方差分析

根據(jù)表3的試驗數(shù)據(jù)，采用Design-Expert8.0.6軟件得出牽引阻力的方差分析結(jié)果，如表4所示。

表4 各影響因素對牽引阻力的方差分析

y1=1566.73-416.27x1+53.98x2-0.57x3-

(5)

3.2 滑移率的方差分析

根據(jù)表3的試驗數(shù)據(jù)，采用Design-Expert8.0.6軟件得到滑移率的方差分析結(jié)果，如表5所示。

表5 各影響因素對滑移率的方差分析

續(xù)表5

y2=60.26-12.40x1-0.45x2-0.03x3+

0.41x1x2+0.47×10-2x1x3-0.46×10-3x2x3+

(6)

3.3 各影響因素對牽引阻力和滑移率的影響分析

各影響因素對牽引阻力和滑移率的影響分析如圖4～圖9所示。

圖4 作業(yè)速度與扭矩對牽引阻力的影響Fig.4 Effects of opreating speed and torque on tractive resistance

圖5 作業(yè)速度與彈簧預緊力對牽引阻力的影響Fig.5 Effects of opreating speed and initial tension ofspring on tractive resistance

圖6 扭矩與彈簧預緊力對牽引阻力的影響Fig.6 Effects of torque and initial tension of spring on tractive resistance

圖7 作業(yè)速度與扭矩對滑移率的影響Fig.7 Effects of opreating speed and torque on slip rate

圖8 作業(yè)速度與彈簧預緊力對滑移率的影響Fig.8 Effects of opreating speed and initial tension of spring on slip rate

圖9 扭矩與彈簧預緊力對滑移率的影響Fig.9 Effects of torque and initial tension of spring on slip rate

由圖4可知：當彈簧預緊力在0水平(x3=1 175N)時，牽引阻力隨播種機作業(yè)速度增大而減小，隨扭矩增大而增大；響應曲面沿x2方向變化較快，而沿x1方向變化較慢；在試驗水平下，扭矩對牽引阻力的影響要比作業(yè)速度的影響顯著。

由圖5可知：當扭矩在0水平(x2=10N·m)時，牽引阻力隨作業(yè)速度增大而減小，隨彈簧預緊力增大而增大；響應曲面沿x1方向變化較快，而沿x3方向變化較慢；在試驗水平下，作業(yè)速度對牽引阻力的影響要比彈簧預緊力的影響顯著。

由圖6可知:當作業(yè)速度在0水平時，牽引阻力隨扭矩增大而增大，隨彈簧預緊力增大而增大；響應曲面沿x3方向變化較快，而沿x2方向變化較慢；在試驗水平下，彈簧預緊力對牽引速度的影響要比扭矩的影響顯著。

由圖7可知:當彈簧預緊力在0水平時，滑移率隨作業(yè)速度增大而減小，滑移率隨扭矩增大而增大；響應曲面沿x1方向變化較快，而沿x2方向變化較慢；在試驗水平下，作業(yè)速度對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

由圖8可知：當扭矩在0水平(x2=10N·m)時，滑移率隨作業(yè)速度增大而減小，隨彈簧預緊力增大而減小；響應曲面沿x3方向變化較快，而沿x1方向變化較慢；在試驗水平下，彈簧預緊力對滑移率的影響要比作業(yè)速度的影響顯著。

由圖9可知：當作業(yè)速度在0水平時，滑移率隨扭矩增大而增大，隨彈簧預緊力增大而減小；響應曲面沿x2方向變化較快，而沿x3方向變化較慢；在試驗水平下，扭矩對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

3.4 最佳參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)地輪動力傳遞性能的要求，本試驗采用多目標優(yōu)化方法進行尋優(yōu)，采用Design-Expert8.0.6軟件進行優(yōu)化求解。分別以牽引阻力、滑移率作為響應指標函數(shù)，參照國標GB9478─88谷物條播機試驗方法及田間試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定約束條件，進行模型優(yōu)化，確定滿足響應指標的最佳參數(shù)組合，即

y1=1566.73-416.27x1+53.98x2-0.57x3-

其中，y1∈[650，800]，x1∈[-1，1]，x2∈[-1，1]，x3∈[-1，1]。

y2=60.26-12.40x1-0.45x2-0.03x3+0.41x1x2+

其中，y2∈[10，15]，x1∈[-1，1]，x2∈[-1，1]，x3∈[-1，1]。

由于牽引阻力和地輪滑移率在實際作業(yè)過程中是多變的，受外界條件影響較大，目標約束不宜取某一目標值(最大或最小)值，應取某一區(qū)間值，所以本試驗y1、y2的目標約束分別為y1∈[650，800]，y2∈[10，15]。

優(yōu)化分析圖如圖10所示。圖10中，當x1、x2、x3分別固定在0水平時，其他影響因素在約束條件下，針對牽引阻力和地輪滑移率在目標約束條件下進行全局尋優(yōu)。圖中黃色的區(qū)域滿足各響應指標要求，該區(qū)域內(nèi)為影響因素選擇的最佳區(qū)域。

x3=1 175N(0水平) x1=3.2km/h(0水平)圖10 優(yōu)化分析圖Fig. 10 Analytical picture of optimization

4 結(jié)論

1)水稻旱直播機地輪動力傳遞性能試驗采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的方法，分別

建立了各因素(工作參數(shù))和牽引阻力、各因素(工作參數(shù))和滑移率之間關(guān)系的數(shù)學回歸模型，并分析了諸影響因素對評價指標的影響。

2)彈簧預緊力為1 175N時，牽引阻力隨著直播機速度增加而降低，地輪所受扭矩越大，牽引阻力越大，在試驗水平下扭矩對牽引阻力的影響比直播機速度更為顯著；滑移率隨作業(yè)速度增大而減小，滑移率隨扭矩增大而增大,在試驗水平下作業(yè)速度對滑移率的影響比彈簧預緊力的影響顯著。

3)經(jīng)過優(yōu)化分析，獲得最佳優(yōu)化區(qū)間，得到關(guān)于滾動阻力、滑移率和工作參數(shù)之間最優(yōu)組合，可滿足實際生產(chǎn)試驗選取。

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Experimental Study on the Performance of Land Wheel Power Transmission of Rice Direct Seeder for Dry Land

Fu Wei1, Ding Kai1, Zhang Zhiyuan1, Yang Wenwu2, Zhang Huiming1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China； 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

This paper researched on the rolling resistance and slip rate of land wheel of rice direct seeder for dry land that independent research and development, and determined the relationship among the rolling resistance, slip rate and working parameters (machine walking speed, torque and spring preload) to obtain the best working parameters of the land wheel. The working parameters of land wheel was researched by three factors and five levels quadratic regression rotation orthogonal combination test. The experimental data were analyzed by Design-Expert 8.0.6 to establish regression equation, determine the optimal parameter combination,and obtain optimal parameter combination scheme of influencing factors, the influence factor coding value and response index value in each group scheme were all in the optimized region position, and provided theoretical basis for land wheel power transmission of seeder and guidance for selection of seeding operation parameters.

rice direct seeder for dry land; land wheel; power transmission; orthogonal design

2017-01-24

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203059);重慶大學機械傳動國家重點實驗室開放項目(SKLMT-KFKT-201612)

付 威(1977-)，男(滿)，黑龍江五常人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

張慧明(1977-)，女，新疆石河子人，實驗師，碩士，(E-mail)a_an_07@qq.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0141-07