馬君　孫先明　楊存志　余濤

摘 要：針對(duì)固定式土槽的諸多不足，設(shè)計(jì)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)圓環(huán)形土槽試驗(yàn)臺(tái)。包括以變頻調(diào)速電機(jī)為動(dòng)力，采用鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)的形式，保證土槽轉(zhuǎn)數(shù)可調(diào)且穩(wěn)定，配備兩種制動(dòng)方式。設(shè)計(jì)基于PLC可編程序的控制系統(tǒng)以及按試驗(yàn)要求開發(fā)的管理和控制軟件，轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)可自動(dòng)采集、顯示、存儲(chǔ)及按格式打印。配置水稻插秧試驗(yàn)裝置、旱田秧苗移栽試驗(yàn)裝置、土壤整理試驗(yàn)裝置等被測(cè)試裝備。

關(guān)鍵詞：土槽;試驗(yàn)臺(tái);圓環(huán)形

中圖分類號(hào)：S220.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.002Open Science Identity（OSID）

基金項(xiàng)目：黑龍江省屬科研院所基礎(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2018-74）

作者簡(jiǎn)介：馬君（1970-），男，黑龍江肇源人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，農(nóng)機(jī)及其智能化，E-mail：majun7111@sina.com。

0 引言

實(shí)驗(yàn)室土槽試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)是新型農(nóng)機(jī)具整機(jī)和部件研發(fā)的重要手段，與田間試驗(yàn)相比優(yōu)勢(shì)明顯。土槽試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)不受季節(jié)、氣候、試驗(yàn)地塊距離、土壤理化性質(zhì)、耕整地質(zhì)量狀況等因素的制約，既可以實(shí)現(xiàn)部件測(cè)試也可以進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，試驗(yàn)基礎(chǔ)條件、試驗(yàn)變量控制精準(zhǔn)、便捷，研發(fā)效率高，效果好。自1889年高瑞艾肯率先提出“土槽”這一概念以來，得到國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)科研工作者廣泛應(yīng)用的同時(shí)，土槽試驗(yàn)臺(tái)自身技術(shù)水平也迅速提升。

按土槽是否固定，土槽試驗(yàn)臺(tái)可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。固定式即土槽相對(duì)地面固定，土槽試驗(yàn)臺(tái)（包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、被測(cè)試裝備在土槽固定的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式即土槽相對(duì)地面做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)除部分與土槽集成一體外，土槽試驗(yàn)臺(tái)（部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、部分制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、被測(cè)試裝備不移動(dòng)，被測(cè)試裝備自身可做回轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)。按土槽形狀，固定式分為條形土槽固定式試驗(yàn)臺(tái)和環(huán)形土槽固定式試驗(yàn)臺(tái)。條形土槽固定式試驗(yàn)臺(tái)土槽寬度方向各點(diǎn)速度一致，適合各種農(nóng)機(jī)試驗(yàn);除去啟動(dòng)和制動(dòng)段，實(shí)際有效試驗(yàn)距離有限且只能單方向作業(yè)返向退回，無法連續(xù)試驗(yàn)，無法進(jìn)行可靠性試驗(yàn);檢測(cè)儀器與試驗(yàn)臺(tái)一起移動(dòng)，影響檢測(cè)精度;占地面積大。環(huán)形土槽固定式試驗(yàn)臺(tái)可連續(xù)試驗(yàn)考核可靠性，直線段寬度方向各點(diǎn)速度相同，但圓弧段速度不同且存在側(cè)向阻力，試驗(yàn)項(xiàng)目受限;檢測(cè)儀器隨被測(cè)試裝備移動(dòng)，檢測(cè)精度受影響。本旋轉(zhuǎn)式圓環(huán)形土槽試驗(yàn)臺(tái)可連續(xù)試驗(yàn);檢測(cè)儀器不隨圓環(huán)形土槽移動(dòng)，檢測(cè)精度不受影響;占地面積小;由于寬度方向各點(diǎn)速度不同和存在側(cè)向阻力，只適合插秧和移栽試驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)采用圓環(huán)形土槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓環(huán)形上軌道、內(nèi)齒圈與圓環(huán)形土槽同心固裝為圓環(huán)形土槽總成。圓環(huán)形下軌道與圓環(huán)形土槽總成中上軌道為同心等徑，上軌道（即圓環(huán)形土槽總成）與下軌道間均勻配置土槽滾輪。變頻調(diào)速電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)小齒輪未驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒圈，帶動(dòng)圓環(huán)形土槽總成通過土槽滾輪在下軌道上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。被選定的土壤盛裝在圓環(huán)形土槽總成內(nèi)即可做一定角速度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。被測(cè)試裝備安裝在橫跨圓環(huán)形土槽的龍門架上，可完成試驗(yàn)任務(wù)。本試驗(yàn)臺(tái)采用鏈條、齒輪傳動(dòng)，避免靠橡膠輪摩擦傳動(dòng)發(fā)生打滑而引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、不一致，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使檢測(cè)質(zhì)量下降，無法對(duì)試驗(yàn)部件作出科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的情況。

主要技術(shù)指標(biāo)：圓環(huán)形土槽外徑：5 m;土槽寬度：0.4 m;深度：0.5 m;轉(zhuǎn)速：0～8.7 r·min-1，無級(jí)可調(diào);驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率：5.5 kW;環(huán)形土槽自重（包括槽內(nèi)填充物）：10 t。

2 主要機(jī)構(gòu)

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圓環(huán)形土槽總成在下軌道上做圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了保證不脫軌，于內(nèi)齒圈的圓柱延伸外壁面均勻裝配6個(gè)中心定位滾輪，中心定位滾輪固定于與地基座固接的下軌道支架上。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由變頻調(diào)速電機(jī)、換向變速箱、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)組成。變頻調(diào)速電機(jī)軸心線與土槽水平直徑平行，并向上偏移一定距離。驅(qū)動(dòng)小齒輪安裝在回轉(zhuǎn)座上，與變頻調(diào)速電機(jī)軸心線成一定角度。當(dāng)開始驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒圈及圓環(huán)形土槽總成時(shí)，內(nèi)齒圈對(duì)驅(qū)動(dòng)小齒輪的作用力能促進(jìn)此對(duì)齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。

2.2 制動(dòng)機(jī)構(gòu)

本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)兩種制動(dòng)方式：常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)。常規(guī)制動(dòng)可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)控制臺(tái)中“轉(zhuǎn)盤控制”中變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整旋鈕，緩慢減少轉(zhuǎn)速直至停止回轉(zhuǎn);或直接按下控制臺(tái)中“轉(zhuǎn)盤控制”的“STOP”鍵也可制動(dòng);緊急制動(dòng)主要用于當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件或存在安全隱患時(shí)，快速按下緊急制動(dòng)按鈕。無論按“STOP”鍵或緊急制動(dòng)按鈕，均啟動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)。本制動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖2）采用摩擦片式制動(dòng)器，3套制動(dòng)機(jī)構(gòu)均布于內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面，且與中心定位滾輪相對(duì)部位處。每個(gè)制動(dòng)機(jī)構(gòu)和相對(duì)的中心定位滾輪固裝在同一個(gè)下軌道支架上。制動(dòng)機(jī)構(gòu)架上鉸鏈安裝制動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸和摩擦片座，制動(dòng)摩擦片固定在摩擦片座上。在制動(dòng)狀態(tài)下，依靠制動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)凸輪，制動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)摩擦片座回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)制動(dòng)摩擦片與內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面接觸產(chǎn)生摩擦力實(shí)現(xiàn)土槽總成制動(dòng)。解除制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸帶動(dòng)制動(dòng)凸輪復(fù)位，摩擦片座在回位彈簧的作用下將制動(dòng)摩擦片復(fù)位，保持與內(nèi)齒圈的圓柱延伸內(nèi)壁面的預(yù)先設(shè)定間隙。在制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，由于圓環(huán)形土槽總成的慣性，與其為一體的內(nèi)齒圈與驅(qū)動(dòng)小齒輪存在速度差的情況，為了防止齒輪副嚙合跳齒甚至損壞齒輪，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸動(dòng)作的同時(shí)回轉(zhuǎn)座驅(qū)動(dòng)缸也收縮，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)小齒輪與內(nèi)齒圈脫離。解除制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸復(fù)位的同時(shí)回轉(zhuǎn)座驅(qū)動(dòng)缸也復(fù)位拉伸，回轉(zhuǎn)座在復(fù)位彈簧的拉力作用下，帶動(dòng)小齒輪回到與內(nèi)齒圈嚙合狀態(tài)。

2.3 圓環(huán)形土槽

圓環(huán)形土槽內(nèi)土壤可模擬旱地或水田作業(yè)狀況，無論在水田或旱田作業(yè)模式下，可通過更換紅壤、黑土等實(shí)現(xiàn)不同土壤試驗(yàn)狀態(tài)。為了由水田作業(yè)狀況向旱田作業(yè)狀況轉(zhuǎn)換，圓環(huán)形土槽設(shè)置排水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)三級(jí)過濾，目的保證排水系統(tǒng)通暢。圓環(huán)形土槽底板設(shè)計(jì)若干排水口，每個(gè)排水口上方固裝100目不銹鋼過濾網(wǎng)。土槽內(nèi)土壤分三層，下層為直徑0.5～1 mm的砂石，鋪設(shè)厚度為100 mm;中間層為直徑1.5～2 mm的砂石，鋪設(shè)厚度為100 mm;最上層為紅壤或黑土或其他需要試驗(yàn)的土壤，鋪設(shè)厚度為200 mm。經(jīng)排水試驗(yàn)證明，排出的水清澈無雜質(zhì)。

2.4 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制器，精準(zhǔn)控制試驗(yàn)臺(tái)及其被測(cè)試裝備的全部動(dòng)作如下：

① 圓環(huán)形土槽啟動(dòng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有編碼器，經(jīng)換算在工作站電腦直接顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)盤控制”上的變頻器旋鈕（如圖3所示），使圓環(huán)形土槽試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速。另外也可在工作站電腦直接輸入所需轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整圓環(huán)形土槽達(dá)到試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速。自動(dòng)調(diào)整啟動(dòng)時(shí)，預(yù)留達(dá)到手工所輸入轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)時(shí)間，避免不必要的沖擊。

② 圓環(huán)形土槽制動(dòng)：分常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)。常規(guī)制動(dòng)其一手動(dòng)調(diào)節(jié)控制臺(tái)中“轉(zhuǎn)盤控制”中變頻電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整旋鈕，緩慢減少轉(zhuǎn)速直至停止回轉(zhuǎn);其二直接按下控制臺(tái)中“轉(zhuǎn)盤控制”中“STOP”鍵也可制動(dòng)。緊急制動(dòng)主要用于當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件或存在安全隱患時(shí)，快速按下控制臺(tái)緊急制動(dòng)按鈕，啟動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)并按預(yù)留制動(dòng)時(shí)間使圓環(huán)形土槽靜止。以下動(dòng)作同時(shí)完成：自動(dòng)切斷圓環(huán)形土槽驅(qū)動(dòng)電機(jī)、各被測(cè)試裝備回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源;自動(dòng)將所有被測(cè)試裝備提升到最高點(diǎn);啟動(dòng)回轉(zhuǎn)座驅(qū)動(dòng)缸使驅(qū)動(dòng)小齒輪與內(nèi)齒圈嚙合脫離。

③ 被測(cè)試裝備回轉(zhuǎn)啟動(dòng)：回轉(zhuǎn)軸設(shè)有編碼器，通過調(diào)節(jié)控制臺(tái)相應(yīng)的變頻器轉(zhuǎn)速旋鈕，使被測(cè)試裝備回轉(zhuǎn)部件達(dá)到試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速，并在工作站電腦直接顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

④ 被測(cè)試裝備回轉(zhuǎn)制動(dòng)：同圓環(huán)形土槽常規(guī)制動(dòng)。

⑤ 被測(cè)試裝備升降：由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿伸縮帶動(dòng)被測(cè)試裝備在龍門架導(dǎo)軌上垂直升降。最高點(diǎn)、最低點(diǎn)由限位開關(guān)控制。實(shí)現(xiàn)快速提升，緩慢下降。

3 被測(cè)試裝備

本設(shè)計(jì)方案在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所落地，被測(cè)試裝備包括水稻插秧試驗(yàn)裝置、旱田秧苗移栽試驗(yàn)裝置、土壤整理試驗(yàn)裝置。所有試驗(yàn)裝置安裝在龍門架上，可實(shí)現(xiàn)上下平移。龍門架橫跨在圓環(huán)形土槽的上方，試驗(yàn)裝置除工作部件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)外整機(jī)相對(duì)地面靜止，圓環(huán)形土槽即土壤做圓周運(yùn)動(dòng)。如此試驗(yàn)裝置和圓環(huán)形土槽啟動(dòng)，達(dá)到正常工作狀態(tài)后，可以下降試驗(yàn)裝置達(dá)到所需耕深或種植深度，大大縮短調(diào)試距離或時(shí)間。

水稻插秧試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)水稻插秧關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究，具體技術(shù)參數(shù)為：①動(dòng)力功率：0.75 kW變頻調(diào)速電機(jī);②分插機(jī)構(gòu)動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速：0～500 r·min-1;③分插機(jī)構(gòu)位置相對(duì)秧箱的秧門前后方向移動(dòng)范圍：-20～+80 mm（方向向后為正），上下方向移動(dòng)范圍：-20～+80 mm（方向向下為正）;④秧門寬度：14～23 mm無級(jí)可調(diào);⑤分插試驗(yàn)單元高度調(diào)節(jié)范圍：0～300 mm;⑥秧箱橫向移箱次數(shù)：12、16、18、20、24可調(diào)，縱向送秧量：8～17 mm無級(jí)可調(diào);⑦箱傾斜角度：45°～65°無級(jí)可調(diào)。

旱田秧苗移栽試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)旱田秧苗移栽關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究，具體技術(shù)參數(shù)為：①動(dòng)力功率：1.5 kW變頻調(diào)速電機(jī);②分插機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速：0～200 r·min-1;③秧箱橫向移箱次數(shù)：6、8、10可調(diào);④取苗針夾角20°～40°無級(jí)可調(diào)。

土壤整理試驗(yàn)裝置使圓環(huán)形土槽內(nèi)上層土壤達(dá)到所要求的試驗(yàn)狀態(tài)，具體技術(shù)參數(shù)為：①動(dòng)力功率：3 kW變頻調(diào)速電機(jī);②刀輥軸轉(zhuǎn)速：200～400 r·min-1;③旋耕深度：150～200 mm;④工作幅寬：250～300 mm;⑤刀片型號(hào)：T245;⑥刀片數(shù)量：8片;⑦鎮(zhèn)壓方式：彈簧壓緊式鎮(zhèn)壓板。

為了方便操作人員檢修圓環(huán)形土槽內(nèi)部部件，設(shè)計(jì)跨越土槽的跨越步梯。

4 管理和控制軟件

根據(jù)圓環(huán)形土槽運(yùn)行及被測(cè)試裝備試驗(yàn)要求，硬件為研華工控機(jī)和研華PCI1711L模擬量采集卡，設(shè)計(jì)開發(fā)了管理和控制軟件。本軟件可以對(duì)圓環(huán)形土槽運(yùn)行轉(zhuǎn)速、水稻插秧分插機(jī)構(gòu)、旱田秧苗移栽動(dòng)力軸、土壤整理刀輥軸轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示以及存儲(chǔ)。土槽轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線，被測(cè)試裝備動(dòng)力輸出軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率實(shí)時(shí)曲線，并按試驗(yàn)大綱要求打印數(shù)據(jù)表格。

5 結(jié)論

（1）圓環(huán)形土槽試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，上下軌道及中間土槽滾輪組成運(yùn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)速可調(diào)且平穩(wěn)，可模擬旱地和水田作業(yè)模式并可轉(zhuǎn)換，可更換土壤種類，實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)所需理化指標(biāo)。

（2）設(shè)置水稻插秧試驗(yàn)裝置、旱田秧苗移栽試驗(yàn)裝置、土壤整理試驗(yàn)裝置等被測(cè)試裝備，本土槽試驗(yàn)臺(tái)采用模塊式設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要增加新款被測(cè)試裝備。

（3）基于PLC可編程控制器、集成變頻器、變頻調(diào)速電機(jī)、編碼器、限位開關(guān)等的控制系統(tǒng)。根據(jù)圓環(huán)形土槽運(yùn)行及被測(cè)試裝備試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了管理和控制軟件。

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