深松铲平面阻力测试系统的设计

黄佳瑜，张大斌

（550000 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）

0 引言

土壤机械阻力是土壤的一个重要力学性质，与土壤的水分含量、耕性、容重、可塑造性等土壤的物理特性密切相关，而土壤的相关物理特性又与农作物产量有着直接的联系，并且对农业机械的使用性能有很大的影响[1]。所以对土壤机械阻力的测试是非常有必要的。

各种农机具在耕作时，耕作部件向前运动会使土壤产生多种复合的形变，如压缩、扭转、剪切等，土壤就会反作用于耕作部件上，即土垡变形阻力；铲刃切入土壤时，使土壤分离，出现各种形式的破裂，即铲刃的切削阻力；耕作部件运动时，土垡随之运动，在它们的接触面上产生动压和内摩擦等阻力；耕作部件离开土壤时，在其表面的土垡会被抛射一定的距离而产生阻力；耕作时，耕作层的土壤会和下层的土壤产生位移变换，这一过程会产生阻力。这些阻力共同构成了土壤机械阻力，作用在耕作部件上，影响其耕作作业[2]。

目前测量土壤机械阻力的方法有4 种：非连续测量法、连续测量法、遥测法以及间接测量法。非连续测量法：Tollner 等[3]研制出由计算机控制的圆锥仪，可测量圆锥指数和应力松弛度；Prather等[4]开发了一种可单人操作的土壤圆锥指数仪，可连续测量与记录；胥芳等[5]结合已有成果，研制出了一种机电一体式的静载土壤承压仪，它能消除侧向力，从而更加精确地测量出土壤的机械阻力。连续测量法：Keen 等[6]通过测量拉杆牵引装置在犁上的牵引力，测量土壤的机械阻力；Adamchuk等[7]通过粘贴在垂直刀片上的应变片测量土壤的机械阻力；Sirjacobs 等[8]通过八角环力传感器测量土壤耕作部件的水平力、垂直力以及弯矩。遥测法：Wells 等[9]尝试利用此方法测得土壤机械阻力，测量结果波动较大，不能确定具体数值；罗锡文等[10]利用微波反射效应，通过发射微波和接收反射波测量土壤的机械阻力，由示波器显示并记录测量数据。间接测量法：Ohu 等[11]通过测量土壤的颗粒密度、容重、水分含量以及体积系数来间接测算土壤的机械阻力；Koostra 等[12]则通过测量土壤的通气率从而间接测算土壤机械阻力。

现今采用的土壤机械阻力测量方法都会对土壤的表面造成破坏，影响后续耕作。在4 种测量方法中，最常用的是连续测量法，而遥测法和间接测量法还处于理论研究阶段。随着科技不断发展以及精准农业对土壤阻力的要求，遥测法和间接测量法将不断得到应用，因为这2 种方法不接触土壤，不会对土壤表面造成破坏，比连续和非连续测量法更具优势。

本文分析了国内外土壤机械阻力测量的各种方法，通过试验对比，并结合平面力的测量原理、虚拟仪器技术和单片机技术，使用连续测量法设计了一种基于STM32F103 单片机控制，由应变片传感器、惠斯登电桥、放大电路、A/D 转换等模块构成的深松铲工作平面阻力测量系统。

1 深松铲工作平面阻力测量方法及对比试验

1.1 深松铲平面阻力测量方法

深松铲所受到的平面阻力为弯矩，弯矩的计算有2 种方法：

（1）测量方法1（直接计算法）

由材料力学可知[13]，弯矩M有

式中：F——外力；d——力臂。

（2）测量方法2（连续测量法）

先测量得到所测对象的应变，再根据弯矩和应力应变的关系求得弯矩为[13]

式中：E——弹性模量；ε——应变；b——被测对象截面的宽度；h——被测对象截面的厚度。

测量方法2 为本测量系统的原理，先使用应变片传感器测得深松铲的应变值，再计算得到弯矩。

1.2 弯矩测量对比实验

根据弯矩测量的两种方法设计了一个试验，对这2 种方法测量得到的弯矩进行对比分析。由于锄头的中轴线与受力点不平行，受压时会产生弯矩，所以选取锄头为测试对象，对其进行压缩试验，计算得到锄头所受的最大弯矩。

1.2.1 试验设备

试验中使用的仪器设备如图1 所示，包括：贵州大学机械工程学院实验室的力学试验机及相关设备、锄头、刻度尺。

1.2.2 试验过程

试验选取4 000 N的力作用在锄刃和锄柄连接处，使其产生弯曲变形。利用力学试验机测量锄刃应变，试验过程：（1）启动试验机，运行EVOTest；（2）选择试验标准为“压缩试验”；（3）新建试验，输入钢号、试验批号、试验日期、试验人、试件形状和尺寸等相关信息；（4）安装试件，将锄头的工作头部放置在下夹头，锄刃和锄柄连接处放置在上夹头；（5）调节横梁到合适位置，横梁向上移动为正方向，位移增加，反之减小；（6）选择闭环力控制方式。根据试验要求，设置力保持值为4 000 N，并对力的速度和预紧速度进行设置，如图2 所示；（7）试验开始，按下控制面板上的“开始”按钮；（8）试验结束，系统给出力-变形、变形-时间、力-时间、应力-应变等曲线。其中力-变形、应力-应变曲线分别如图3、图4 所示。

图2 力值保持控制Fig.2 Force holding control

图3 力-变形曲线Fig.3 Force-deformation curve

图4 应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve

当锄头受到最大力4 003.2 N 时，通过EVOTest 系统得到的曲线及数据可知，锄头为弹性变形，并且没有出现明显拐点，应变随应力呈阶梯式增长，产生了最大变形量ΔLmax=0.8 mm、最大应力σmax=40 MPa。

1.2.3 试验数据与分析

（1）采用方法1 计算弯矩：锄头受力弯曲的截面可以看作矩形，故锄头受到的最大弯矩Mmax=F×h/2=8.01 N·m。

（2）采用方法2 计算弯矩：锄头中心截面宽度b=57.2 mm,厚度h=4.0 mm,ΔLmax=0.8 mm,σmax=40 MPa。由于锄头是弹性变形，则有

式中：L——锄头长度，L=167.0 mm。

可得弯矩Mmax=6.10 N·m

对比方法1、方法2 测得的弯矩值可知，方法1 的弯矩较大。这是因为方法2 的参数较多，结果受到多种因素的影响：（1）弹性模量。不同材料的弹性模量不同，如碳钢的弹性模量为196～ 216 GPa、合金钢的为186～206 GPa、灰铸铁的为78.5～157 GPa 等[14]；（2）温度。温度上升抗拉伸压缩变形能力变弱、弹性模量降低，导致总体力学性能降低；（3）锄头表面损伤程度。从外观上可以看出锄头的表面受到锈蚀，锈蚀损伤使得金属表面产生其他成分，如Fe2O3会大大降低锄头的力学性能，导致锄头弹性模量的计算值比实际金属材料的弹性模量值低[14]。以上诸多因素导致计算的弯矩值小。

除了上述影响因素外，仪器误差和测量误差也会对最终计算的弯矩值产生一定影响。但对于方法1，只需要知道载荷大小和力臂即可算出弯矩值，其值偏理想化，不太适用于实际的弯矩计算。对于深松铲工作平面阻力的测量，由于是在田间测量并且深松铲的种类多样，所以采用先测得应变再计算得到弯矩值的方法更加精准。

2 深松铲工作平面阻力测试系统设计

2.1 深松铲工作平面阻力测试系统的工作原理

系统工作原理图如图5 所示。深松铲在工作时，可视为多个力施加在深松铲与土壤的接触面上，这些力产生的应变会在深松铲上某一点处产生叠加，所以在该点处粘贴应变片即可测量出土壤应力从土层表面向下到深松铲尖端引起的应变[15]，即

图5 系统工作原理图Fig.5 System working principle diagram

测得的电阻相对变化ΔR/R非常小，一般是μV 级别，需用测量电路将对电阻相对变化的测量转换成对电压或电流的测量。本系统采用的是半桥差动电桥测量电路，得到电桥输出电压为[16-17]

由于输出的电桥信号十分微弱，为μV 级电压信号，需使用放大器将信号放大，以便精确测量。放大电路输出的电压U0为

经放大电路放大的信号是模拟信号，需经A/D转换器将其转换为数字信号，数字信号发送至STM32 单片机，经单片机计算分析，结果存储在SD 卡，通过通讯电路将结果发送至计算机[18-20]。

最终测得应变为

由材料力学公式知[13]

可得弯矩M为

2.2 系统组成

深松铲工作平面阻力测试系统示意图如图6 所示，系统由硬件和软件系统组成，具有数据采集、信号调理、数据存储、通信和数据分析等功能。系统硬件部分主要有深松铲、应变片传感器、放大器、A/D 转换器、SD 卡、RS-485 通信和计算机等。软件部分，程序采用C 语言编写，主要包含初始化程序、A/D 转换程序、SD 卡存储程序以及RS-485通讯系统程序设计等。

图6 深松铲工作平面阻力测试系统示意图Fig.6 Schematic diagram of deep subsoiling shovel working plane resistance test system

3 结论

（1）本文基于深松铲的结构和工作原理，结合虚拟仪器技术和单片机技术，设计一种由硬件和软件组成的深松铲阻力测试设备。测试系统是以STM32F103为控制中心的测量装置数据采集系统，利用应变片工作原理，通过测量电路将电阻相对变化转换成电压信号，最后利用软件将电压信号转换成所要测得的物理数据，将数据存储在SD 卡并显示于计算机，实现深松铲阻力实时测量及存储功能。

（2）根据深松铲工作时的受力分析，对比2种测量弯矩方法，得出先测应变再得到弯矩值的方法即连续测量法更好，设计出由硬件和软件系统组成的深松铲工作平面阻力测试系统，通过改变传感器，就可实现功率、温度、转速等数据的采集。

由于时间和条件的限制，本系统未能进行现场测试，在以后的工作中还需进一步完善研究。