农田耕整阻力测试方法现状及发展趋势

陈伟　曹光乔　袁栋　丁艳　姚克恒　夏敏

摘要：农田耕整是作物生产的重要环节，作业质量直接影响作物产量。土壤耕整过程也是占用生产全程能源较大比重的环节，其作业过程实际也是克服土壤机械阻力的过程，科学利用耕整能耗能够显著提高种植效益。耕整载荷准确、實时测量是实现作业精准调控的前提。通过列举国内外常用的载荷测试方法，分析优缺点，介绍几种新型测量方法，并研究国内外关于测试系统开发和预测模型的过程。对我国耕整载荷测试方法进行总结，指出存在缺乏专用传感器、耕作阻力模型研究较少以及测试方案落后等问题。最后提出开展多维力传感器在测试方法中的应用研究，开展小尺寸、大量程、高强度的传感元件研究，加强耕作阻力预测模型的研究，加强载荷不变式传递结构的研发等发展建议。

关键词：耕整地载荷；农用传感器；节能；预测模型；精准农业

中图分类号：S222文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11002105

Current situation and development trend of testing methods for tillage resistance

Chen Wei， Cao Guangqiao， Yuan Dong， Ding Yan， Yao Keheng， Xia Min

（Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：Farmland tillage is an important link in crop production， and the quality of operation directly affects crop yield. Soil tillage is also a process that occupies a large proportion of energy in the whole production process， and its operation process is actually a process to overcome soil mechanical resistance. Scientific use of tillage energy can significantly improve planting efficiency. Accurate and real-time measurement of tillage load is the prerequisite for realizing accurate operation control. This paper enumerated the commonly used load test methods at home and abroad， analyzed their advantages and disadvantages， introduced several new measurement methods， and studied the research process of test system development and prediction model at home and abroad， summarized the tillage load test methods in China， pointed out the lack of special sensors， research on tillage resistance model and the backward test program， and finally given development suggestions： research on the application of multi-dimensional force sensors in test methods， research on small size， large range and high strength sensing elements， strengthening the research of tillage resistance prediction model， strengthening the research and development of load invariant transfer structure.

Keywords：tillage load; agricultural sensor; energy saving; predictive models; precision agriculture

0引言

土壤耕整作业质量是影响种床质量的主要因素之一，通过土壤耕整作业，可以增加土壤耕作深度，改善土地透气性，提高耕作层营养成分，使耕层厚而疏松，增加土壤的孔隙度，提高土层蓄水保墒能力，利于作物生根发芽［1］。我国土壤资源有限，有效利用土壤显得尤为重要，而土壤机械阻力的大小，直接影响着耕整作业质量及土壤利用效果［2］。

常规作物种植的土壤耕整环节主要包括翻耕、深松、碎土，特色作物种植还包括起垄、开沟等。主要作业参数为耕深、速度、工作幅宽、土壤属性（湿度、强度）等，是农田耕整阻力的主要影响因素。农田耕整环节是全程机械化生产过程中占比很大的动力消耗环节，能源消耗是耕作效果的评价指标之一。随着能源成本的迅速增加，功率优化是许多农业装备的共同目标。准确绘制农田耕整阻力图是精准农业的重要内容之一，可用作耕作和播种机具调节的依据。

近年来相关研究人员、农场管理人员和顾问围绕农田耕整阻力测试技术与方法开展了较多研究。主要包括耕整阻力测试系统和预测模型研究。耕整阻力测试系统装置于机组上对作业载荷进行实时测量。预测模型是通过研究土壤物理特征、入土部件结构和动力学参数，建立理论模型对耕整阻力进行预测。本文详细介绍耕整作业载荷分析、耕整阻力测试方法、耕整阻力预测模型的研究现状及发展趋势等，并针对实际应用过程中存在的问题提出研究建议与展望，可为农田节本增效、精准农业提供应用指导。

1耕整作业载荷简单分析

常规的土壤耕整过程涉及翻耕、深松、碎土等，主要使用犁、深松机和旋耕机来完成，也可以根据当地的农艺、地理环境选择圆盘耙来完成碎土作业。在详细介绍阻力预测模型和实测方法研究现状前，本节以旋耕机为例，分析机具作业时需要克服的阻力，如图1所示。

普通卧式旋耕机设计耕深在12～15cm左右，但大多农户实际作业耕深不会超过12cm，且大多为连作农田，浅层土壤较为疏松，相对于犁翻、深松等大耕深作业过程，耕深浅引起的耕作阻力较小，但操作或设计不合理，容易出现壅土、重复切削现象，这会大幅度增加作业阻力。旋耕机除了需要克服前进阻力，也需要克服切削土壤的阻力，因此需要两种不同的设备分别测量牵引功耗和切削功耗。牵引功耗测量设备一般通过联接悬挂点，替代悬挂销或直接改进悬挂机构来完成，旋耕功耗测量设备通过联接拖拉机动力输出轴来实现。深松机和犁作业过程不涉及入土部件旋转过程，只需要测量牵引功耗即可。

2耕整阻力测试方法

2.1传统测量方法

2.1.1车拉车法（或拖带法）

由后置拖拉机悬挂农机具，由前置拖拉机牵引后置机组，拉力传感器位于两台拖拉机之间，缺陷是测试结果包含后置拖拉机自身行驶滚动阻力，只能得到近似结果，滚动阻力需另外测试，且只能测试牵引力。

这种方法不仅需要两台拖拉机完成，且需要占用较大行程，操作不方便。孔羿勋等设计了一种深松耕作阻力测试系统，将拉压传感器安装在深松铲受振端，通过测得机具的振动变化，拟合负载力与采集力函数近似描述耕作阻力，简化了传统车拉车法的测量工作。

2.1.2测力销法

测力销法是一种比较常见的测量方法（图2），只需要将联接拖拉机和机具的三个悬挂销（FL，FR，FU）替换为力传感器即可，由于操作简单，运用比较广泛。内蒙古农业大学的侯泽华［3］开展了气吹式深松机的牵引力测试试验，采用了测力销原理进行，共用了三只传感器替代原有的悬挂件。江苏大学韩江义等［4］为了实现拖拉机农具组电子控制，需要对牵引力进行实时测量，根据拖拉机悬挂装置的结构，提出了一种轴销式牵引力传感器。但替换悬挂销的力传感器大都为单向载荷传感器，只能根据传感器的安装方位测试已知方向上的载荷，随着三点悬挂机构的升降（作业深度调整），无法分辨所受载荷方向，只能测试牵引力和提升力。

2.1.3五杆测力法（杆件替换法）

将悬挂装置上下拉杆、提升杆替换为力传感器，测量过程中需测定杆件的角度和瞬态位置，用解析法计算出牵引力的数值。只适用于高度调节方式（机具处于浮动状态），即将受力机构简化为理想的二力杆受力状态，实际情况并不能保证。

2.1.4八角环传感器测力框架

由上下两层子框架组成，使用2个延伸八角环作为测力传感元件，可以测试牵引阻力、垂直力及弯矩。吉林大学的王景立等［5］利用八角环测试原理，对弧形深松铲在耕作过程中所受水平、竖直方向的阻力以及扭矩进行测试，测试结果能够满足要求。这种测试方法要求框架平面与地面垂直，实际使用中只能近似垂直，无法严格保证垂直。

2.2新型测量方法

上述检测方法存在功能单一、适应性差、操作复杂等问题，为此研究人员针对不同作业环境和测量需求，设计了种类较多的专用测量设备。贾洪雷等［6］利用扭转弹簧特性，设计了一种滑动耕作部件作业阻力测试装置（图3），以双翼型深松铲为例，建立一种描述耕作阻力的数学模型，模型中包括修正系数、扭簧参数、耕深、速度以及土壤物理特征。

这种方法将传统的测力点从拖拉机的三点悬挂位置转移到农机具的机架位置，解决纵向结构尺寸过长问题，且具有耕作阻力过载保护部件的优点。

提高农用动力机组空间载荷的测量准确度，关键在于维系原悬挂结构不变，在不改变原有结构的前提下，才能保持原作业过程载荷传递特性不变。现有拖拉机农机具机组悬挂系统串接的测量设备或多或少都会改变载荷传递特性，导致动态载荷检测失真，相关研究机构开展在维系原悬挂结构不变的情况下，进行空间动态载荷测量，并研制了多种空间动态载荷检测传感装置。Pijuan等［7］设计了一種“两层”型测量机构，用于测量牵引力和垂直力。经过试验测量结果较为准确，但如此复杂的测量机构只用于测量两个方向力显的浪费。

Kim等［8］同样设计了一种“两层”型测量机架，将六个单向力传感单元置于中间进行测量，分别测试牵引力、垂向力和侧向力，并同时设计了耕深测试机构，两种数据达到相互验证的效果。

这种测量机构没有改变原有载荷传递特性，测量的数据较为准确，但也存在明显的缺陷：（1）测量机构的结构较为复杂，增加了拖拉机悬挂负荷；（2）不能测量力矩，也就无法避免力矩造成的信号串扰，无法适应具有偏心力作用的作业过程。

造成上述缺陷产生的原因在于对于传感元件的选择，无论传统测量方法还是新型测量方法在传感元件的选择上，大多还是使用单向测量元件，通过阵列式组合，达到测量目的，但通常只有水平方向和垂直方向上两个力。很显然这是不够的，在耕整作业过程中，工作部件是被强制执行设计好的动作，但每个物体在空间上均有6个自由度，除去牵引和提升两个动作，其他4个自由度要么被机构联接方式限制，要么被土壤限制，但这些最终都会在综合阻力上得到体现。随着作业速度和耕深的增加或机构智能控制的细节化，这些阻力也会成为妨碍机组高效作业的重要因素。

3耕整阻力测试方法应用现状

拖拉机的性能受作业负载的影响很大，牵引器—工具组合正确匹配决定了在各种土壤作业过程中的牵引效率和牵引杆性能。在耕整地作业过程中，讨论耕作阻力时，一般会和耕作深度、速度联系在一起，形成协调控制机构，2020年吉林大学刘行［9］设计了一种中耕培土机构及其阻力测试机构，能够获取作业深度和阻力数据。2022年黑龙江省农业机械工程科学研究院韩喜龙［10］分析了耕整地机械特征与作业需求，设计了耕深自动控制的流程与关键技术以及耕深实时测量的电子软硬件。一般情况下，在任何土壤中耕整地作业中牵引需求设计主要取决于耕作工具的宽度、作业速度、作业深度和几何形状。

深度和工作幅宽与作业阻力呈正比例关系，也有研究证明，速度的增加也会导致阻力增加。若能在机具作业时候，实时调节作业参数，则能明显降低工作阻力，也能保证动力设备处于高效输出状态，达到节能效果。

作物全程机械化生产过程中，各种形式的能源消耗直接影响着种植效益，其中土壤耕整作业载荷较大，能源消耗尤其明显。为减少进地次数，提高作业效率，大型、高速耕整作业机具成为发展趋势。繁重的耕整作业会给机具带来巨大作业阻力，如何通过调整作业参数来实现降低能源消耗，就需要准确的载荷信息。农业机械化生产过程中，用户根据工作具体内容选择相应的机具，但也无法对机具所受负载信息进行详细分析和利用，实现精耕细作有一定的难度。由于信息缺乏，制作商大多也是根据以往经验设计制造机具。拖拉机作为农业装备的核心组成部分，出厂前必须进行性能试验。试验中，大多以静态分级载荷的形式对拖拉机各项性能进行加载试验，这种加载方法输出的载荷特性并不能反应拖拉机作业时实际受力情况［11］。2014年，Beigi等［12］针对约翰迪尔3140型拖拉机，设计一种牵引力测试机构，测得数据用于优化拖拉机的设计。2013年，中国农业大学的许春林等［15］设计了一种悬挂农具作业动力学参数田间实时测试系统，适用于150kW大功率拖拉机配套用的悬挂农具。

土壤耕整作业载荷波动势必会影响拖拉机发动机的功率利用及传动机构的可靠性，所用载荷谱必须能真实地反映拖拉机受力情况，因此载荷谱的编制工作也一直是相关企业、科研机构的研究热点［14］。为准确获取作业信息，可开发仪器系统分析拖拉机及农机具性能。McLaughlin提出组合不同的测量系统和仪器测量拖拉机和农具的多个变量：三点悬挂装置牵引力、轴负载和扭矩、燃料消耗、温度、发动机功率、车轮和地面速度等。借助这些信息，分析运行期间功率流，优化拖拉机和农具工作性能，达到降低农场经营成本，提高生产率效果。Titus等［15］在上述基础上集成GPS系统，在获取信息的同时，标出各类信息坐标，从而获得土壤特性图，也可以沿着田地绘制能量需求和燃料消耗图。

4耕整阻力预测模型研究现状

国外对于耕作阻力预测模型的研究一直保持着相当的热度，主要还是从结构、作业参数进行，也有少数研究将土壤物理特征作为模型变量。

2015年，Li等［16］使用FEM建立了常规旋耕刀的三维动态仿真模型，研究转速和耕作阻力的关系。随着算法的进步，除去常规研究方法，耕作阻力预测模型研究也加入较为先进计算模型。

2019年，Ganesh等［17］对圆盘耙的耕阻力建立的预测模型，模型参数包括土壤圆锥指数、前进速度、作业深度和前轮倾角，并通过试验验证模型的可靠性。

耕作阻力预测模型的研究一直在进行，采用的设备和研究方法也在不断更新，且国外的研究热度明显要高于国内。在研究的过程中，耕作阻力只是作为预测模型因素之一，大多还包括其他作业参数比如耕作深度和速度等，也有几项研究把土壤的物理特征作为模型因素，表明耕作阻力的研究逐渐演变成包括动力配置、机具作业参数、土壤特征等的综合性研究。

5存在问题与发展建议

5.1存在问题

5.1.1缺乏专用传感器

传感器质量是保障测试精度的基础，现有关于农田耕整阻力的测量传感器大多是单向传感器。面对复杂的耕整作业环境，单向传感器不能满足要求，有必要开展多维力传感器在耕整阻力测试方法中的运用研究。

5.1.2测试方案滞后

国内的测试方法大多还是围绕车拉车法、测力销法、八角环法等展开。这几种方法存在明显的测量限制，当机具作业参数改变幅度较大情况下，一些本来较小的干扰会被放大。国外针对上述情况，已经开展了基于悬挂结构动态载荷传递结构研究，在保证作业载荷不变的情况下进行测量。

5.1.3耕作阻力预测模型研究较少

国内关于耕作阻力预测模型的研究相对较少，大多局限于测量设备本身的校准试验，往往是结构设计、田间试验验证，最后给结论，对于土壤属性与机组作业参数结合的研究并不多見。

5.2发展建议

5.2.1开展多维力传感器在测试方法中的应用研究

获取准确的载荷信息，是机组智能调控田间作业参数的前提，农机作业工况十分复杂，给作业载荷测量带来严重干扰，比如稻、麦轮作区域的灭茬作业时，刀辊转速可达3000r/min，由于水稻秸秆的湿度大问题，更容易出现秸秆堵塞现象，大幅度增加了作业负荷，需要及时调整机具作业状态，加上农田湿滑等情况，所受载荷是不定向的，采用单向传感设备不能准确反应受力情况；在高速犁耕作业中，协调好耕深、速度和作业负荷三者之间关系，才能在满足耕深的同时，确保机具不超载、高效率作业，而犁耕负荷对拖拉机存在明显的力矩作用，此时单向传感器也不能准确反应受力情况。

为减少机具进地作业次数，用户通常选用一体机进行耕整作业，比如深松旋耕一体机、犁翻旋耕一体机等。由于土壤的不均匀性、机件不平衡惯性力等，机组在作业过程中始终处于不稳定的强负荷状态，单向传感器很难准确测量出拖拉机和农机工作时所承受载荷的大小、频率，无法为机组作业智能调控提供可靠依据。多维力传感器是农机智能化的核心技术之一，是获取信息，智能控制的关键，但目前我国高端传感器大部分靠进口，复杂环境下农业传感器的稳定性和可靠性有待提高，自主研究农用多维力传感器技术迫在眉睫。

5.2.2开展小尺寸、大量程、高强度的传感元件研究

相对于其他领域农机作业载荷的测量环境，易受土壤比阻、耕深以及入土部件的植被缠绕等影响。另外，机具本身重量的影响也不能忽视，比如1套4铧液压翻转犁重量超过1t，而大多农场使用的5铧、6铧液压翻转犁重量超过1.5t，若使用复式作业机具（如犁旋一体，深旋一体等）所涉及的载荷更大。拖拉机悬挂机构尺寸限制着测量机构大小及结构型式，无法联接较大尺寸的传感元件，所以在保证精度、灵敏度的情况下，传感元件的尺寸、量程和强度也是重要衡量指标。

5.2.3加强载荷不变式传递结构的研发

现有耕整阻力测试方法主要还是通过改装悬挂机构实现，拖拉机悬挂装置由多根拉杆组成的空间机构，作业过程中悬挂装置受力复杂多变，左、右下拉杆受力大小、方向都不一定相同，上拉杆的受力方向也因农机具反作用力作用线的不同而变化，同时机具自身重量以及联接副摩擦力带来的影响亦不能忽视。所以，在传感元件工作之前应保证机组结构能准确反映载荷信息。

5.2.4加强耕作阻力预测模型的研究

通过田间实测的方法获得数据是最直接，能够保证准确度的方法。但要是给每一块农田、每一种机具都进行实测是不现实的。如果选出农田和机具的代表，构建出阻力预测模型就十分可行，通过模型解决对不同种田块耕作需要的机具、动力匹配问题。

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