陳 正, 劉嘉程, 周敬東

(湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068)

植保機(jī)械是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要農(nóng)業(yè)機(jī)械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。植保機(jī)大多時(shí)間工作的水田環(huán)境屬于泥水混合環(huán)境，水田植保機(jī)在作業(yè)行走過程中驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)常有滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率過大時(shí)，甚至導(dǎo)致植保機(jī)原地打滑，不能前進(jìn)[3]。植保機(jī)過度滑轉(zhuǎn)時(shí)，車輪在泥水空轉(zhuǎn)，也可能會(huì)造成驅(qū)動(dòng)輪向下沉陷，直接導(dǎo)致植保機(jī)底盤與泥水接觸，致使植保機(jī)無法正常工作[4-5]?；D(zhuǎn)影響著植保機(jī)在水田行走時(shí)各項(xiàng)性能的發(fā)揮，因此，只有在容許的滑轉(zhuǎn)率條件下，植保機(jī)才能夠充分發(fā)揮自身的驅(qū)動(dòng)能力。為了保證植保機(jī)在水田工作時(shí)有較高的工作效率，必須控制其驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率。因此，對植保機(jī)的滑轉(zhuǎn)率測試研究就顯得非常重要。

1 測量方法

1.1 車輪轉(zhuǎn)速的測量方法

滑轉(zhuǎn)率是實(shí)際車輪輪速與實(shí)際行進(jìn)速度的差值和實(shí)際車輪輪速的比值。為保證滑轉(zhuǎn)率的精確度，本文采用CM16-65P-1-24型霍爾傳感器，來測量植保機(jī)的前后車輪的轉(zhuǎn)速。該傳感器有3個(gè)引腳，分別為正極、信號(hào)極、負(fù)極，直接輸出的是數(shù)字量，具有靈敏度高、輸出信號(hào)穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗干擾電磁能力強(qiáng)、抗污能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)牢固、安裝簡單使用方便等特點(diǎn)[7-8]，其通電后，一旦有磁場靠近就能檢測到信號(hào)變化。測量在特定時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖信號(hào)即可測得車輪轉(zhuǎn)速。該類傳感器由兩部分組成：螺母固定件和檢測物體(磁性磁鐵)。為了便于車輪轉(zhuǎn)速傳感器的安裝與調(diào)試，設(shè)計(jì)了支撐車輪轉(zhuǎn)速傳感器的梯形架。梯形架中開有寬度為螺母固定件直徑大小的橫向槽，以方便安裝車輪轉(zhuǎn)速傳感器的螺母固定件部分，使其可以橫向運(yùn)動(dòng)以對準(zhǔn)剎車盤上的信號(hào)磁鐵；在剎車盤內(nèi)圓環(huán)周圍鉆有與磁鐵直徑相同的槽，用來固定貼緊檢測物體磁鐵。為了提高植保機(jī)車輪轉(zhuǎn)速的測量精度，對剎車盤內(nèi)圓環(huán)環(huán)邊固定磁鐵的槽進(jìn)行了精確設(shè)計(jì)，增加固定磁鐵槽的個(gè)數(shù)，在單位時(shí)間內(nèi)提高檢測到脈沖的頻率，以此來提高植保機(jī)車輪轉(zhuǎn)速測量精度。

植保機(jī)的四個(gè)車輪內(nèi)側(cè)都固定裝有剎車盤，剎車盤內(nèi)側(cè)裝有信號(hào)磁鐵，通過支架將輪速傳感器對準(zhǔn)剎車盤內(nèi)側(cè)磁鐵處以檢測信號(hào)，再通過STC89C52RC單片機(jī)采集單位時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，最后利用無線串口將采集到的脈沖信號(hào)發(fā)送至接收終端,計(jì)算得出植保機(jī)車輪轉(zhuǎn)速

式中：p為磁盤磁極數(shù)；t為脈沖頻率寬度。

植保機(jī)車輪速度

V輪=N·π·d

式中，d為植保機(jī)車輪直徑。

1.2 植保機(jī)行進(jìn)速度的測量方法及原理

采用多普勒低速雷達(dá)對植保機(jī)行進(jìn)速度進(jìn)行測量。該方法測速靈敏度高，可精確測量運(yùn)動(dòng)物體的線速度，完全滿足植保機(jī)車速實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測量的要求，而且具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。該測速雷達(dá)就是利用多普勒效應(yīng)來測量行進(jìn)的植保機(jī)相對于地面的速度雷達(dá)。當(dāng)波源和接受物體間存在徑向相對移動(dòng)時(shí)，接受波的頻率將會(huì)發(fā)生變化：波源移向接受物時(shí)，接受波頻率變高；波源背離接受物時(shí)，接受頻率變低。發(fā)射波與接受波頻率差就是物體運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移[9-10]。通過這個(gè)頻率差異可以計(jì)算出植保機(jī)的行進(jìn)速度。采用低速雷達(dá)傳感器測量植保機(jī)的平移速度，當(dāng)植保機(jī)向低速雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，車輛的接受頻率f0會(huì)隨著車速的變化而變化，即：

式中：f1為低速雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率；c為光速；v為植保機(jī)運(yùn)行速度。同理，反射波的頻率f2也會(huì)發(fā)生改變：

可以得出發(fā)射頻率與接受頻率的關(guān)系為：

因此，植保機(jī)多普勒頻移

最后可以得到車輛運(yùn)行的速度，計(jì)算公式為：

當(dāng)然，這是比較理想的狀態(tài)，低速雷達(dá)的方向與植保機(jī)行進(jìn)的方向始終保持一致，這在實(shí)際測量中是無法操作的。一般情況下，在測量時(shí)低速雷達(dá)與地面成35°夾角[11-12]。因此，植保機(jī)行進(jìn)車速

滑轉(zhuǎn)率

式中，v輪為植保機(jī)車輪輪速；v為低速雷達(dá)傳感器測得的車速。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試

2.1 測試條件

本試驗(yàn)選用的是山東眾和多功能自走式噴桿噴霧機(jī)。試驗(yàn)測試裝置通過支架安裝在三腳架上，由于是裸機(jī)進(jìn)行測試，本次實(shí)驗(yàn)植保機(jī)采用的是四輪驅(qū)動(dòng)，選用該植保機(jī)分別對其低速擋位行駛、中速擋位行駛、高速擋位行駛時(shí)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行測試。本次試驗(yàn)于2019年7月1日在洪湖市進(jìn)行(圖1)。該試驗(yàn)田為普通水田，本次實(shí)驗(yàn)分別在不同的水層深度、不同的泥腳深度展開。

2.2 傳感器及低速雷達(dá)的安裝

實(shí)驗(yàn)分別需要對植保機(jī)四個(gè)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，因此安裝了四個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器及磁盤。其安裝如圖2所示。

圖 1 田間試驗(yàn)

圖 2 傳感器的安裝

由于雷達(dá)在測量速度的過程中需要固定在某一位置，故將低速雷達(dá)固定安裝在植保機(jī)底盤，且與地面成35°夾角。

2.3 測試系統(tǒng)組成

STC89C52RC芯片通過霍爾傳感器采集4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，將植保機(jī)車輪轉(zhuǎn)速傳輸給LCD進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示并進(jìn)行保存。

低速雷達(dá)對植保機(jī)車身行進(jìn)速度進(jìn)行測量，測量到的車身速度數(shù)值通過RS232串口送出，輸入到PC端并且保存。

最后將所測量到植保機(jī)在水田行駛時(shí)，4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速及車速數(shù)據(jù)進(jìn)行同步計(jì)算、顯示及保存。

3 結(jié)果與分析

植保機(jī)不同擋位下滑轉(zhuǎn)率的測量結(jié)果如圖2所示。植保機(jī)在水田軟泥路面分別以低速、中速、高速行走時(shí)，其左前、右前、左后、右后車輪的滑轉(zhuǎn)率如圖3所示。

(a)低檔速行駛

由表1可知：植保機(jī)在水田軟泥路面行走時(shí)，速度越快其滑轉(zhuǎn)率越低。在低速擋位時(shí)，植保機(jī)前輪的滑轉(zhuǎn)率在23.73%～29.15%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率為26.01%，植保機(jī)后輪的滑轉(zhuǎn)率在18.06%～26.58%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率為23.33%；在高速擋位時(shí),植保機(jī)前輪的滑轉(zhuǎn)率在17.08%～22.41%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率為19.39%，植保機(jī)后輪的滑轉(zhuǎn)率在14.48%～20.21%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率為17.96%。這是因?yàn)橹脖C(jī)處于低速擋位時(shí)，其速度慢但是其轉(zhuǎn)矩很大，極其容易發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成打滑，此時(shí)應(yīng)該加快速度或者增大負(fù)載。

由表1可知，在一定條件下，植保機(jī)后輪的滑轉(zhuǎn)率總是低于前輪的滑轉(zhuǎn)率。本次試驗(yàn)中，植保機(jī)在泥腳深度較大的田間行駛，加裝在車身后面的設(shè)備使得車身后輪的負(fù)重要大于前輪，且后輪跟地面接觸更加緊實(shí)，因而植保機(jī)后輪的摩擦力相對于前輪更大一些，所以植保機(jī)后車輪更不易發(fā)生打滑現(xiàn)象。

表1 植保機(jī)低中高速行進(jìn)時(shí)的滑轉(zhuǎn)率數(shù)據(jù) %

4 結(jié)束語

本文采取了霍爾傳感器測量植保機(jī)在水田工作時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速、低速雷達(dá)測量其車身行進(jìn)速度的方法，研制了一種植保機(jī)四輪滑轉(zhuǎn)率的測量，得出了植保機(jī)在工作時(shí)每個(gè)車輪精確的滑轉(zhuǎn)率，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率超過一定范圍時(shí)，即出現(xiàn)打滑。所以，結(jié)合植保機(jī)4個(gè)車輪的滑轉(zhuǎn)率，可以得出植保機(jī)在工作時(shí)的打滑情況，如單輪打滑還是多輪打滑等，為后續(xù)植保機(jī)動(dòng)力分配系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。