悬挂式耕整播种机械作业阻力测试技术探究

靳晓燕，孙士明，于晓波，庞爱国，赵丽平，冯喜玲

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

2017年，我国农业机械化作业水平达到66.5%，已经达到农业机械化发展的中级末期，很快就要步入高级发展阶段。随着新产品开发步伐进一步加快，检测工作量必将大幅增加。

2016年12月20日，国务院发布“十三五”节能减排综合工作方案通知要求，紧紧围绕“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局，牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，加强重点领域节能，推进农业农村节能，加快淘汰老旧农业机械，推广农用节能机械、设备和渔船，逐步淘汰高油耗的农业机械[1]。可见，降低能源消耗、提高能源的有效利用率及工作效率，是近年来农业机械领域创新开发的主题。耕整播种机械化作为农业机械化的重要组成部分，占农业机械化的权重高达0.7，创新开发推广节能型的耕整播种机械是农业机械节能减排的重要方面。耕整播种机械与拖拉机的配套方式主要是三点后悬挂式，影响耕整播种机械作业能耗的主要因素是作业阻力。因此，研究准确、方便、快捷、高效的悬挂式耕整播种机械作业阻力测试技术，对揭示生境—机器—作物系统优化自适应节能增效、降耗减排匹配规律及研发推广节能型的耕整播种机械具有重要意义。

1 悬挂式耕整播种机械作业阻力测试现状及问题

耕整播种机械的三点悬挂机构有I型、II型、III型3种规格型号，其三点悬挂机构的下拉杆宽度、立柱高度和悬挂销轴直径尺寸各不相同；而耕整播种机械研发时由于受机具结构的限制，不同型号耕整播种机械产品的三点悬挂机构尺寸千差万别，导致作业阻力测试仪器通用性差；再加上耕整播种机械田间作业条件恶劣，影响生境—机器(耕整播种机械)—作物系统的耕整播种机械作业阻力的因素异常复杂且变化无常，给悬挂式耕整播种机械作业阻力测试带来了很大障碍。因此，目前悬挂式耕整播种机械作业阻力测试主要使用拉力计的拖带法，用更大牵引力的拖拉机通过拉力计牵引拖拉机配套耕整播种机械机组测机组作业阻力，再用更大牵引力的拖拉机通过拉力计牵引卸掉机具的拖拉机空驶测空驶阻力，用机组作业阻力减去空驶阻力差的方式得到作业阻力，使得悬挂式耕整播种机械作业阻力测试过程繁琐、环节多、耗时长、效率低、精度差。耕整播种机械的试验往往受季节性限制，在科研过程中占有独特的地位，因而许多国家不懈努力，将科学技术新成果应用到农机测试科学研究，改进试验方法和测试技术。因此，研制更加高效的测试方法、测试仪器和设备，加速农机科研和产品开发，一直是我国乃至世界各国农机科研部门普遍重视的问题[2]。

2 悬挂式耕整播种机械作业阻力测试技术分析

2.1 测力框架法

测力框架法是20世纪80年代我国研究开发较多的悬挂式耕整播种机械作业阻力测试技术装置，框架形式较多，主要包括以下几种。

2.1.1 三点合力测力装置

三点合力测力装置如图1所示。其安装在拖拉机三点悬挂装置与悬挂式农机具悬挂架之间，拖拉机的1个上拉杆、2个下拉杆挂结点与测试装置的前面3点A、B、C分别相连，测试装置后面的3点A’、B’、C’与农机具的上、下挂结点相连；连接下拉杆的两个水平分力以铰链点为杠杆支点传到合力作用线O-O’上，使测合成力的传感器受压，作用在上拉杆的水平分力通过连杆也传到同一作用线上，但反方向力使测力传感器受压。用一个测力通道把三点力进行了机械合成，由于测力传感器上测试的数值是三点力的合成结果，实现了悬挂式农机具作业阻力测试。

2.1.2 八角环传感器测力框架

八角环传感器测力装置安装在拖拉机三点悬挂装置与农机具悬挂架之间，由上下两层框架组成。上层框架形状为Ⅱ形，下层子框架形状呈倒Y形，如图2所示。

图2 八角环传感器测力框架的组成

其中，上层框架中的3点1、2、3分别与拖拉机的上拉杆、下拉杆的3个挂结点连接，下层框架中的3点4、5、6分别与农机具的悬挂点挂接，且下层框架的两侧立柱是活动连接，能够分别对框架和农机具进行单独上下位置调节，保证农机具和测力元件测力时均在正常的作业状态及测力准确度。在框架的左右两根立柱上分别安装八角环传感器，将上、下两层子框连结起来，机组作业受力时八角环传感器变形即可测量出农机具的作业阻力。

2.1.3 门架式六分力测力机构

门架式六分力测力机构安装在拖拉机三点悬挂装置与悬挂式农机具悬挂架之间，有前门架和后门架。拖拉机的上拉杆和下拉杆挂接点与前门架的三点相连，农机具的上、下挂接点与后门架的三点相连。前门架和后门架之间安装6个拉压力传感器，测量农机具作业的3个方向上的牵引力：水平方向安装3个拉压力传感器，量程一般为3～5t；纵方向安装2个拉压力传感器，量程一般为3t；侧方向安装1个拉压力传感器，量程一般为4t。农机具作业阻力测量时PAC通过模拟量模块采集六分力输出电流，将其转换为工程值输出到数据库中[3];或将电流信号转化为电压信号，由无线传感网络节点采集，完成悬挂农机具的作业阻力测试。

2.1.4 平行四边形测力装置

平行四边形测力装置也叫BJ测力装置，该装置把拖拉机的下拉杆挂结销、上拉杆挂接孔、牵引农具挂接孔与后桥壳体分离，另设在一个空间平行四边形机构的平动边及刚性延伸部分上，保持各点与拖拉机后桥壳体原有的相对位置不变[4]。平行四边形测力装置测出的力就是悬挂式农机具的作业阻力，可根据拖拉机不同调整使用不同的力传感器和连接件相配套，保证通用性。

2.1.5 五杆测力装置

五杆测力装置连接在拖拉机三点悬挂装置上，五杆分别连接拖拉机的上悬挂杆、两个下悬挂杆及两个提升杆。测试装置的5个杆上均配有拉压力传感器1个、角度传感器1个，用以测试各杆受到的拉压力及角度值，并根据五杆受力的情况与角度变化情况，测试出农机具的受力情况。拖拉机配带悬挂式农机具行走作业时，五杆上的传感器分别测出拉压力值与角度变化值，通过计算得出作业阻力的水平分力和垂直分力，完成悬挂农机具的作业阻力测试。

2.1.6 测力框架技术装置存在的问题

测力框架技术装置研发较早，使用时安装在拖拉机三点悬挂装置与农机具悬挂架之间，由于存在着各种各样的问题，没有得到大批量普及应用。其主要表现出体积较大、结构复杂、环节较多及精度较差等问题。测力框架装置一般体积较大，安装后拖拉机和农机具间的距离加长了，农机具的重心位置后移，机组的纵向稳定性变差，加大了拖拉机后轮胎负重，对拖拉机的后轮胎和悬挂提升系统损害较大。由于悬挂式农机具三点悬挂机构具有多样性，测力框架装置为了适应各种不同的悬挂参数，结构设计得比较复杂，尽管采取了一些方法，但不可能与所有悬挂式农机具都连接上，有些悬挂式农机具仍然不能使用，加之通用性差，影响了推广应用。测力框架装置的结构杆件较多，各杆件的空间位置受力测量方法不完善，受力杆件封装的应变片需反复标定，数据采集不同步，处理比较复杂；连接环节较多，累计误差大，容易改变悬挂式农机具的设计作业参数，影响作业性能和测试结果。

2.2 三销求和测力法

为了简化测试装置，提高测试精度，科研人员一直在努力研究新型的、先进的、测试准确、安装方便的测试装置，探讨减少拖拉机与悬挂农机具间复杂的连接部件。三销求和测力法是这一阶段悬挂式农机具作业阻力测试技术的代表。

三销求和测力法是采用贴有应变片的特制测力销作为测力元件，并与恰当电路相结合的一种测力方法。测力销的基本要求是能够分别测出机组的水平拉力和垂直力，一般都安装在农机具挂接点上，销的断面采用圆形[5]。三销求和测力法的拖拉机三点悬挂装置上悬挂销传感器装在上拉杆上，上拉杆传感器组件两端为螺纹连接部分，中间是拉压力传感器、角度传感器和信号转换单元。上拉杆拉压力传感器测量上拉杆轴向拉压力，角度传感器则采集上拉杆轴向与水平面的夹角，两者结合可计算出上拉杆受力的水平分力与垂直分力[6]。农机具两个下悬挂销传感器组件根据农机具悬挂销是否固定分为杆式和弯臂式两种。杆式下悬挂销传感器组件(见图3)，一端与拖拉机下拉杆销孔相连接，另一端与农机具悬挂臂销孔相连接，中间是拉力传感器以及信号转换单元；弯臂式测力销传感器组件(见图4)，一端通过弯臂与农机具悬挂臂销轴相连接，另一端与拖拉机的下拉杆销孔相连接，中间是拉力传感器以及信号转换单元；农机具作业时，角度传感器采集下拉杆轴向与水平面的夹角，农机具两个下悬挂销拉力传感器测量下拉杆轴向拉力，两者结合可计算出下拉杆受力的水平分力与垂直分力，将上拉杆和下拉杆3个水平力求和完成悬挂式农机具作业阻力测试。

三销求和测力法在拖拉机与农机具之间没有测试框架，精简了结构，减少了连接线路，合成计算数据量少，安装方便。存在的主要问题：由于悬挂销轴受应变片封装结构要求限制，拖拉机与农机具的挂接位置发生了变化，改变了农机具悬挂销轴的受力状况，形成更大的剪切力与剪切力矩，影响测量结果。

图3 杆式测力销结构示意图

1.应变片 2.测力销 3.弯骨 4.悬挂销

2.3 磁致伸缩式测力法

悬挂销测力传感器除了电阻应变片式和压电式两种主要方法外，还有磁致伸缩式传感器。磁致伸缩式阻力传感器的原理：在力的作用下，磁致伸缩材料内部磁畴发生转动，材料的磁导率发生变化，导致材料内部及其周围的磁通密度发生变化，从而引起传感器的输出电压发生相应的变化[7]。磁致伸缩式阻力传感器由于具有输出功率大、安装方便及抗干扰能力强等优点，在自动化控制系统中有着广阔的市场需求。

悬挂式农机具磁致伸缩式阻力传感器设计为销轴式，安装在拖拉机下拉杆与机体连接处，其结构是一个整体的空心截面圆轴。悬挂式农机具作业时，作业阻力通过下拉杆作用于磁致伸缩式阻力传感器上，输出与剪切力相关的电压信号，完成悬挂式农机具作业阻力测试。

3 轴销剪切式测力传感器设计

自20世纪90年代以来，电子衡器技术开始逐渐脱离传统的零部件组装式结构，主要向承载器与称重传感器合成一体的集成化结构方向发展。承载器作为专用的称重传感器，综合了多种混合测力机构，直接将轴上的力变换成4～20mA或者其他多种工业信号。其技术性能完全符合要求，且结构简单、安装方便[8]。近年来，美国VISHAY-Nobel公司和德国Batarow公司将轴销剪切式称重传感器成功地应用于电子称重系统。在电子吊秤、行车电子秤、起重机、农业机械及承重车辆等设备测试中，有不同的测力产品和应用。最近几年，承载式的轴销式传感器在我国的起吊称重行业、轨道称重行业有所应用，都取得了较好的测试结果。

轴销剪切式称重传感器在电子衡器方面应用已经非常成熟，其结构特点是测力传感器为一根承载剪力作用的空心圆轴，应变计嵌在中心孔内凹槽中心，通过组桥测量方法，分别组成惠斯通电桥再并联，也可将两个凹槽处的应变计共同组成一个惠斯通电桥来完成测量。轴销剪切式称重传感器可作为连接轴，通过轴上的受力直接反应轴上元件的受力情况，并可实时监控，实现直接测力的要求。

利用轴销剪切式称重传感器可以直接测力的结构特点，技术人员研制了一种测试拖拉机牵引力的轴销式传感器，进行了相关技术实验研究。拖拉机牵引力的轴销式传感器外形为圆轴，安装在下拉杆与拖拉机机体的铰接点上，代替原有下拉杆与拖拉机机体的铰接轴，用螺钉对轴销牵引力传感器进行限位。当拖拉机牵引农机具作业时，农机具的作业阻力通过轴销的应变来实现检测[9]。由于轴销式传感器安装在下拉杆与拖拉机机体的铰接点上，导致通用性差；另外，只研制了下拉杆作业阻力测试轴销式传感器，没有考虑上拉杆力的测试方法，不能完成悬挂式农机具作业阻力测试。

在国内外悬挂式耕整播种机械作业阻力主要测试技术基础上，提出了用轴销剪切式测力传感器测量悬挂式农机具作业阻力测试系统技术方案。依据拖拉机的三点悬挂机构车型由小到大不同有I型、II型、III型3种规格型号标准，悬挂式农机具的悬挂销尺寸是按这3种规格型号标准设计的。按悬挂式农机具的3种规格型号悬挂销尺寸设计3套轴销剪切式测力传感器，每套轴销剪切式测力传感器有上拉杆和下拉杆两种，结构如图5所示。

1.销轴 2.传感器 3.固定孔 4.信号线引出

轴销剪切式测力传感器是一根能够承受剪切力的空心圆轴，中间位置承受拖拉机的力，两侧承受悬挂式农机具的力。电阻式应变片组成的传感器安装在圆轴凹槽内部的中心位置，外部孔密封，内部充满惰性气体，以保护轴内电阻式应变片不受外部环境影响。当拖拉机与悬挂式农机具联接后，固定孔放入卡销，将安装在悬挂点的轴销传感器固定，避免轴销传感器活动，影响测量结果。传感器测量出的3个悬挂点的力通过轴头信号线引出装置传送到接收仪器，经过计算得出3个悬挂点作业阻力水平分力合，完成悬挂农机具的作业阻力测试。

4 结论

轴销剪切式测力传感器测量悬挂式农机具作业阻力测试技术方案结构简单、技术先进、通用性好，很有发展前景。缺点是生产工艺难度大，需要较多专用的喷砂处理、划线贴片及加压固化等工具与装备，对制造商要求很高。