水稻旱直播机地轮动力传递性能试验研究

付 威，丁 凯，张志元，杨文武，张慧明

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642)

水稻旱直播机地轮动力传递性能试验研究

付 威1，丁 凯1，张志元1，杨文武2，张慧明1

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642)

对自主研发的水稻旱直播机地轮进行滚动阻力和地轮滑移率等方面的理论研究，确定滚动阻力、滑移率和工作参数(机器行走速度、扭矩、弹簧预紧力)三者之间的关系，以获得地轮工作的最佳工作参数。同时，采用三因素五水平二次回归旋转正交组合试验的设计方法，对地轮工作参数进行试验研究。通过Design-Expert 8.0.6软件对试验数据分析求解，建立回归方程，确定最优参数组合，得到影响因素最佳参数组合方案。结果表明：各组方案中的影响因素编码值和响应指标数值均在优化区域，可为播种机地轮传递动力提供理论依据和播种作业工作参数选取提供指导。

水稻旱直播机；地轮；动力传递；正交试验

0 引言

水稻是我国主要粮食农作物之一，种植面积约占全国谷物种植总面积的40%左右。我国水资源短缺、人均水资源占有量较少，传统的耗水量较大的水稻种植方式不能满足节约水资源的要求，因此近年来我国水稻旱直播面积不断增加[1-2]。

地轮作为水稻旱直播机的关键部件，具有带动传动系统并为排种、施肥系统提供动力的作用。目前，国内直播机主要研究的方向是排种排肥装置、防堵装置、开沟装置及对其工作性能进行检测的机电一体化系统等方面，而对直播机地轮深入研究的人员较少[3-5]。我国直播机的排种排肥系统动力大多来自地轮，作业时地轮依靠与土壤间的摩擦力转动通过链轮链条传动，将扭矩传递给排种排肥装置。地轮转动稳定性受地轮滑移、地轮滚动阻力等因素影响，当土壤与地轮间的摩擦力不足时滑移会偏大，导致地轮转速降低或者停止旋转。滚动阻力的存在使得机器行走速度不稳定，地轮转速也处于不稳定状态，使依靠地轮转动提供动力的排种排肥装置的旋转会受到较大影响，所以地轮工作稳定性对直播机排种排肥均匀性具有显著的影响[6-8]。

本文对影响水稻旱直播机地轮转动稳定性的因素进行分析研究，寻求工作参数、地轮滑移率、地轮滚动阻力三者间最佳组合方案。为寻得最佳工作组合参数，试验方案采用三因素五水平二次回归旋转正交组合试验设计方法，最终得到的结果为直播机地轮工作参数选取提供参考。

1 地轮的受力分析及计算

1.1 地轮结构

本机采用地轮传动，经过二级链轮链条传动将地轮行走转动所产生的动力传递给排种排肥装置，完成水稻旱直播机的施肥排种作业，其结构如图1所示。

1.地轮 2.悬挂架 3.弹簧支撑架 4.地轮压簧图1 地轮结构简图Fig.1 The structure of land wheel

1.2 地轮滚动阻力的计算

如图2所示，轮子以速度v做匀速直线运动，得到其静力学平衡方程[9-11]为

G-Ry=0

(1)

F-Rx=0

(2)

假设z0-z≈0时，则

G·x+M-Rx·r=0

(3)

根据式(2)、式(3)可知：当x、Rx、r分别为常数时，假设牵引阻力F等于地轮滚动阻力Rx，F∝M。

图2 滚动阻力Fig.2 Rolling resistance

2 试验仪器和方法

2.1 试验仪器

地轮动力传递性能试验所用的试验材料包括卷尺(50m)、钢直尺、游标卡尺及秒表等，主要仪器和设备如表1所示。

采用TDR300 土壤水分探测器测定土壤含水率，SC-900数显式土壤坚实度仪测定土壤坚实度，NJTY3田间机械动力学参数遥测仪测试双圆盘开沟阻力。

2.2 试验方法

田间机械动力学参数遥测仪挂接在拖拉机两个下悬挂点，遥测仪牵引板中间与播种机挂接，通过水分探测器和土壤坚实度仪测定土壤特性，如图3所示。

2.2.1 影响因素的选取与调整

为了评价地轮动力传递效果和质量，通过理论分析和播种机作业要求，确定地轮动力传递过程中各影响参数的范围为：作业速度2.8～3.6km/h，扭矩10～30N·m，弹簧预紧力940～1 410N。

表1 仪器和设备参数

图3 地轮传递性能田间测试Fig.3 Field test of land wheel transmission performance

2.2.2 响应指标的选取与测定

播种作业时的牵引阻力，主要反映地轮在不同作业参数时地轮的滚动阻力。滑移率大小直接影响播种机作业的成穴效果。

牵引力阻力的测定采用NJTY3田间机械动力学参数遥测仪，每组试验重复3次，取平均值；测定滑移率时，选取地轮直径D=600mm，每组试验重复3次。滑移率计算公式为

(4)

3 多因子试验设计

试验采用二次正交旋转组合设计试验方案，研究各影响因素不同的组合对响应指标的影响。选取作业速度、地轮扭矩和弹簧预紧力3个影响因素进行多因子试验，以牵引阻力和滑移率为响应指标，按三因子五水平安排试验，制定的因子水平编码表，如表2所示。根据编码表，制定二次正交旋转组合设计的试验方案，结果如表3所示。

表2 因子水平编码

续表2

表3 二次旋转正交组合试验方案及结果

3.1 牵引阻力的方差分析

根据表3的试验数据，采用Design-Expert8.0.6软件得出牵引阻力的方差分析结果，如表4所示。

表4 各影响因素对牵引阻力的方差分析

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

(5)

3.2 滑移率的方差分析

根据表3的试验数据，采用Design-Expert8.0.6软件得到滑移率的方差分析结果，如表5所示。

表5 各影响因素对滑移率的方差分析

续表5

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

0.41x1x2+0.47×10-2x1x3-0.46×10-3x2x3+

(6)

3.3 各影响因素对牵引阻力和滑移率的影响分析

各影响因素对牵引阻力和滑移率的影响分析如图4～图9所示。

图4 作业速度与扭矩对牵引阻力的影响Fig.4 Effects of opreating speed and torque on tractive resistance

图5 作业速度与弹簧预紧力对牵引阻力的影响Fig.5 Effects of opreating speed and initial tension ofspring on tractive resistance

图6 扭矩与弹簧预紧力对牵引阻力的影响Fig.6 Effects of torque and initial tension of spring on tractive resistance

图7 作业速度与扭矩对滑移率的影响Fig.7 Effects of opreating speed and torque on slip rate

图8 作业速度与弹簧预紧力对滑移率的影响Fig.8 Effects of opreating speed and initial tension of spring on slip rate

图9 扭矩与弹簧预紧力对滑移率的影响Fig.9 Effects of torque and initial tension of spring on slip rate

由图4可知：当弹簧预紧力在0水平(x3=1 175N)时，牵引阻力随播种机作业速度增大而减小，随扭矩增大而增大；响应曲面沿x2方向变化较快，而沿x1方向变化较慢；在试验水平下，扭矩对牵引阻力的影响要比作业速度的影响显著。

由图5可知：当扭矩在0水平(x2=10N·m)时，牵引阻力随作业速度增大而减小，随弹簧预紧力增大而增大；响应曲面沿x1方向变化较快，而沿x3方向变化较慢；在试验水平下，作业速度对牵引阻力的影响要比弹簧预紧力的影响显著。

由图6可知:当作业速度在0水平时，牵引阻力随扭矩增大而增大，随弹簧预紧力增大而增大；响应曲面沿x3方向变化较快，而沿x2方向变化较慢；在试验水平下，弹簧预紧力对牵引速度的影响要比扭矩的影响显著。

由图7可知:当弹簧预紧力在0水平时，滑移率随作业速度增大而减小，滑移率随扭矩增大而增大；响应曲面沿x1方向变化较快，而沿x2方向变化较慢；在试验水平下，作业速度对滑移率的影响比弹簧预紧力的影响显著。

由图8可知：当扭矩在0水平(x2=10N·m)时，滑移率随作业速度增大而减小，随弹簧预紧力增大而减小；响应曲面沿x3方向变化较快，而沿x1方向变化较慢；在试验水平下，弹簧预紧力对滑移率的影响要比作业速度的影响显著。

由图9可知：当作业速度在0水平时，滑移率随扭矩增大而增大，随弹簧预紧力增大而减小；响应曲面沿x2方向变化较快，而沿x3方向变化较慢；在试验水平下，扭矩对滑移率的影响比弹簧预紧力的影响显著。

3.4 最佳参数优化

根据地轮动力传递性能的要求，本试验采用多目标优化方法进行寻优，采用Design-Expert8.0.6软件进行优化求解。分别以牵引阻力、滑移率作为响应指标函数，参照国标GB9478─88谷物条播机试验方法及田间试验数据，设定约束条件，进行模型优化，确定满足响应指标的最佳参数组合，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]。

由于牵引阻力和地轮滑移率在实际作业过程中是多变的，受外界条件影响较大，目标约束不宜取某一目标值(最大或最小)值，应取某一区间值，所以本试验y1、y2的目标约束分别为y1∈[650，800]，y2∈[10，15]。

优化分析图如图10所示。图10中，当x1、x2、x3分别固定在0水平时，其他影响因素在约束条件下，针对牵引阻力和地轮滑移率在目标约束条件下进行全局寻优。图中黄色的区域满足各响应指标要求，该区域内为影响因素选择的最佳区域。

x3=1 175N(0水平) x1=3.2km/h(0水平)图10 优化分析图Fig. 10 Analytical picture of optimization

4 结论

1)水稻旱直播机地轮动力传递性能试验采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验的方法，分别

建立了各因素(工作参数)和牵引阻力、各因素(工作参数)和滑移率之间关系的数学回归模型，并分析了诸影响因素对评价指标的影响。

2)弹簧预紧力为1 175N时，牵引阻力随着直播机速度增加而降低，地轮所受扭矩越大，牵引阻力越大，在试验水平下扭矩对牵引阻力的影响比直播机速度更为显著；滑移率随作业速度增大而减小，滑移率随扭矩增大而增大,在试验水平下作业速度对滑移率的影响比弹簧预紧力的影响显著。

3)经过优化分析，获得最佳优化区间，得到关于滚动阻力、滑移率和工作参数之间最优组合，可满足实际生产试验选取。

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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

公益性行业(农业)科研专项(201203059);重庆大学机械传动国家重点实验室开放项目(SKLMT-KFKT-201612)

付 威(1977-)，男(满)，黑龙江五常人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

张慧明(1977-)，女，新疆石河子人，实验师，硕士，(E-mail)a_an_07@qq.com。

S223.2+6

A

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