曾劍輝，黎 靜，2，李 瀾，邱浩輝，吳重玖，包有剛，劉木華，2，薛 龍，2*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學 工學院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】水稻是我國最主要的糧食作物之一，江西省作為我國重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，其水稻種植面積和總產(chǎn)均位居全國第三[1]，因而提高水田作業(yè)的機械化水平，有利于提高江西省水稻的產(chǎn)量以及提升產(chǎn)業(yè)競爭力[2]。微耕機具有質(zhì)量輕、機型小巧、適應(yīng)性強等特點，配上不同的農(nóng)機具，可進行犁耕、旋耕、平整等多種田間作業(yè)，是南方水田耕作的主要動力機械。但常規(guī)微耕機車輪在水田表面行駛和作業(yè)時，由于車輛嚴重沉陷、打滑，導致附著力很小、行駛阻力大，存在通過性差、效率低、能耗大及無法行駛的問題。因此，開展微耕機在水田中的牽引性能研究，不僅可以提高其在水田土壤表面的通過性，還能為新型仿生水田輪的設(shè)計提供參考依據(jù)[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】為了提高動力機械的行駛通過性，國內(nèi)外學者進行了大量松軟路面的輪壤試驗研究[5-6]，M.G.Bekker 最早指出由于土壤形變所導致的前進阻力、車輪滑轉(zhuǎn)會影響車輛的通過性，他對車輪下陷和前進阻力進行了大量研究，經(jīng)過M.G.Beeker、A.R.Reece、J.Y.Wong 以及Hermawan 等一系列學者對“地面—車輛系統(tǒng)分析”以及拖拉機車輪和土壤間相互作用的研究[7-10]。我國對于土壤和車輛通過性能的研究起步相對較晚，1957 年，陳秉聰?shù)萚11]建立模型試驗土槽，針對土壤開展大量的試驗，建立土壤—車輛系統(tǒng)的數(shù)學模型，取得了突出的成果。1972年到1976 年間，農(nóng)業(yè)機械部為了解決農(nóng)業(yè)機械在松軟地面作業(yè)時的滑移率大、下陷深的問題[12]，對履帶的運動性能與土壤參數(shù)之間的相互關(guān)系進行了研究。與此同時，莊繼德等[13]對沙地試驗、模型試驗展開了大量的研究，1995年，王慶年[14]通過對車輛通過性能的大量試驗發(fā)現(xiàn)土壤的模型參數(shù)會隨著車輛通過次數(shù)的增加而發(fā)生改變，但是土壤模型卻不會受到影響。1997年，樊惠文[15]對沙漠中行駛的車輛運動性能進行研究，分析得到影響輪胎運動性能的參數(shù)。近十幾年，吉林大學則掀起了星球輪壤作用研究的熱潮，2007 年，李建橋、鄒猛等[16]建立月壤—車輪土槽試驗系統(tǒng)，得到了輕載荷條件下車輪的牽引性能。2009 年，彭劍波[17]對剛性輪在模擬月壤上行走時的相互作用進行了動態(tài)仿真，分析月球車的通過性能。之后，金大瑋[18]對輕載荷條件下的剛性輪沉陷量、扭矩模型進行了修正。2017年，黃晗[19]在輕型輪壤土槽試驗系統(tǒng)上對篩網(wǎng)輪與松軟月壤間的相互作用進行了研究，建立輪壤相互作用的沉陷和掛鉤牽引力預測模型。同年，薛龍[20-21]應(yīng)用研制的火星壤，在輕載土槽測試平臺進行輪壤相互作用試驗，通過試驗獲得的扭矩、位移、滑轉(zhuǎn)率、輪載和掛鉤牽引力等參數(shù)，對火星壤承壓和剪切參數(shù)進行反演，從而對火星車輛的通過性做出預測。水田壤作為一種典型的松軟地面，其黏性大，土壤內(nèi)部之間的作用也相對復雜，其力學特性對含水率及壓實度等比較敏感，含水率等的稍微變化就可能給水田壤性能帶來很大的變化，潘君拯等[22]是我國最早將流變學應(yīng)用到地面力學中的人，對我國南方多省的水田土壤進行了試驗，繼而姬長英等[23-28]繼續(xù)對我國南方流變態(tài)水田壤進行了大量試驗和研究，分析了含水率對水田土壤物理力學參數(shù)的影響，建立水田壤流變模型，對拖拉機等車輛的通過性能進行研究和預測，為我國水田壤力學方面的研究做出了重大貢獻。

【本研究切入點】本文以微耕機車輪為研究對象，在搖臂式水田壤單輪土槽試驗臺上，通過改變輪上載荷和掛鉤牽引力的大小，測量車輪扭矩和滑轉(zhuǎn)率等通過性參數(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期對車輪的牽引性能進行評估，同時為新型水田輪的設(shè)計提供基礎(chǔ)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗用水田壤

土槽中的土壤取自江西省新建縣聯(lián)圩鎮(zhèn)，取深度0～20 cm 的耕作層土壤，通過添加水分將土槽中水田壤的含水率調(diào)至30%。

1.2 單輪土槽試驗臺

單輪土槽試驗臺（5 000 mm×1 200 mm×1 200 mm）包括土槽體、滑動導軌、平整機構(gòu)、加固框架以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗車輪選用直徑為40 cm，寬度為10 cm 的微耕機橡膠輪，如圖1所示。單輪土槽試驗臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 試驗用微耕機橡膠輪Fig.1 Rubber wheel of micro-cultivator for test

圖2 單輪土槽試驗臺Fig.2 Single wheel soil bin platform

為防止水田壤中的水泄露，土槽體由防水布組成，并在兩端安裝有排水裝置，以便調(diào)節(jié)土槽中水的含量；滑動導軌安裝在加固框架上，并保證兩根導軌相互平行；導軌上分別安裝上平整機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，平整機構(gòu)的主要作用是土壤整備后用于刮平土槽中的水田壤。擺臂式的測試系統(tǒng)如圖3 所示，該系統(tǒng)可獲得車輪前進的速度、車輪的轉(zhuǎn)速和扭矩、以及掛鉤牽引力等多個參數(shù)。通過改變搖臂裝置上的砝碼，可以改變車輪的輪上載荷，車輪由電機驅(qū)動，并在電機和驅(qū)動車軸之間加裝一個動態(tài)扭矩傳感器（JN-DN 動態(tài)扭矩傳感器，100 N·m）；單輪的滑轉(zhuǎn)率由分別安裝在滑動導軌和驅(qū)動車軸上的兩個編碼器A、B 計算獲得；整個系統(tǒng)尾部通過定滑輪掛有砝碼盤，通過改變砝碼盤上的砝碼質(zhì)量測定系統(tǒng)的掛鉤牽引力。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of test system

1.3 水田壤的整備

將土壤靜置于土槽中讓其自然沉降30 d，深度1 m，放水浸泡至表層土完全松軟，放出多余水，使得土壤表面沒有明顯積水，浸泡后的土壤如圖4（a）所示。試驗前用旋耕機旋耕2次將水田土耕整均勻，控制旋耕機前進速度約0.2 m/s，旋耕深度在10～12 cm，水田壤含水率在30%（相差不超過1%），用平整機構(gòu)刮平土壤，旋耕后的土壤和刮平后的土壤分別如圖4（b）、（c）所示。

圖4 不同階段的土壤狀態(tài)Fig.4 The soil state of different stages

1.4 數(shù)據(jù)采集與換算

滑轉(zhuǎn)率是衡量車輪行駛性能的主要參數(shù)，主要是通過車輪的實際位移增量和車輪的理論位移增量換算得到。試驗中編碼器A 與滑動導軌接觸，編碼器B 與驅(qū)動車軸接觸，系統(tǒng)運行時兩個編碼器分別記錄碼數(shù)并轉(zhuǎn)換為行駛的距離，進而應(yīng)用式（1）計算得到滑轉(zhuǎn)率i，式中的△St和△Sr分別為理論位移增量和實際位移增量。

通過改變搖臂上砝碼的質(zhì)量從而改變試驗車輪的輪上載荷，試驗前在搖臂上增加不同的砝碼，并用電子秤稱量輪上載荷，得到輪上載荷與搖臂上的砝碼質(zhì)量成線性關(guān)系，如式（2）所示：

式中W為輪上載荷，N；m1為砝碼質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m·s-2。

車輪扭矩通過扭矩傳感器直接獲取。掛鉤牽引力通過增加或減少定滑輪組上砝碼質(zhì)量來獲得。

1.5 試驗方法

微耕機耕整水田通常是針對小地塊或者梯田，而且在打土的過程中需要人員推動來增加微耕機的行走速度，因此其工作速度約在0.2～1.39 m/s。在室內(nèi)土槽試驗中，出于安全考慮，設(shè)定微耕機車輪的轉(zhuǎn)速為0.25 r/s，換算直線行駛速度為0.314 m/s，滑轉(zhuǎn)率范圍為0%～100%；試驗中輪上載荷的大小共有6個，分別為：78.40、115.64、152.88、190.12、227.36和264.6 N，其中264.6 N為試驗條件下車輪的最大輪上載荷；試驗中掛鉤牽引力的大小共有4個，包括1.96、11.76、21.56和31.36 N，其中31.36 N是試驗條件下最大掛鉤牽引力。為了保證試驗的重復性，每組試驗重復3次，取均值為最終的測試結(jié)果，最終得到試驗數(shù)據(jù)24組。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪上載荷對滑轉(zhuǎn)率的影響

車輪在水田壤中行進時受到承載力、剪切力和車輪滑轉(zhuǎn)等因素會產(chǎn)生沉陷，不同的輪上載荷所產(chǎn)生的沉陷也不同。

圖5（a）和圖5（b）分別為輪上載荷為78.4 N 的車轍與輪上載荷為227.36 N 的車轍，當輪上載荷為78.4 N 時，車轍形態(tài)完好，車輪沉陷較淺；當輪上載荷為227.36時，車輪的沉陷加深且由于滑轉(zhuǎn)率的影響車轍形態(tài)變?yōu)橐粭l深溝。圖5（c）為輪上載荷為264.6 N 時的壅土現(xiàn)象，由于車輪滑轉(zhuǎn)率增加，與車輪接觸部分的水田壤被車輪剪切并隨著車輪的轉(zhuǎn)動不斷地往后移動，造成車輪正下方土壤越來越少，承載力下降，車輪沉陷加深，另外由于水田壤的粘附性，部分水田壤會隨著車輪的旋轉(zhuǎn)被帶到前方并堆積，從而形成壅土現(xiàn)象，這進一步的增加了車輪的行駛阻力，最后導致車輪失去行走能力?？梢姼鶕?jù)土壤的承載能力來設(shè)計水田輪，并降低壅土現(xiàn)象是設(shè)計新型水田輪的驅(qū)動力。

圖5 不同輪上載荷下的行走狀況Fig.5 Walking conditions under different wheel loads

圖6為產(chǎn)生不同掛鉤牽引力時輪上載荷對滑轉(zhuǎn)率的影響，可見滑轉(zhuǎn)率隨著車輪輪上載荷的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢，且普遍在0.6以上；當輪上載荷小于152.88 N時，滑轉(zhuǎn)率隨輪上載荷的變化趨勢較快；而當輪上載荷超過152.88 N時，滑轉(zhuǎn)率隨輪上載荷的變化趨勢趨于平緩。需要說明的是輪上載荷為78.4 N且掛鉤牽引力為31.36 N的數(shù)據(jù)點缺失，這是因為該條件下車輪向前行駛的驅(qū)動力不足以提供31.36 N的掛鉤牽引力，致使車輪受拉向后移動，得到的滑轉(zhuǎn)率出現(xiàn)大于1的情況，沒有任何實際意義，因此該數(shù)據(jù)缺失。

圖6 輪上載荷對滑轉(zhuǎn)率的影響Fig.6 Effect of wheel load on slip ratio

2.2 輪上載荷對驅(qū)動扭矩的影響

車輪前進的驅(qū)動扭矩直接影響著車輪的牽引力和通過性能[29]。圖7為產(chǎn)生不同掛鉤牽引力時，輪上載荷對車輪扭矩的影響，由圖可知，當輪上載荷在78.4～227.36 N 時，驅(qū)動扭矩隨著輪上載荷的增加而增加，峰值為25.74 N·m，隨后車輪扭矩減小至21 N·m 左右；另一個現(xiàn)象是當掛鉤牽引力增加時，隨著輪上載荷的改變車輪所能提供的扭矩范圍逐漸變小，當掛鉤牽引力從1.96 N 變化到31.36 N 時，扭矩的變化范圍從4.15～25.74 N 縮小到14.2～23.65 N，縮小率達到56.3%，由此可見，掛鉤牽引力越大時，扭矩受輪上載荷的影響就越小。當輪上載荷超過227.36 N 時，隨著輪上載荷的增加其驅(qū)動扭矩反而出現(xiàn)減小的趨勢，這說明車輪扭矩幾乎全部用于克服車輪與土壤的剪切阻力。

圖7 輪上載荷對車輪扭矩的影響Fig.7 Effect of wheel load on torque

2.3 滑轉(zhuǎn)率和輪上載荷對掛鉤牽引力的影響

掛鉤牽引力是評價車輪通過性能的重要指標[19]，圖8為不同輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率下掛鉤牽引力變化的三維圖像，根據(jù)圖像的變化趨勢可知，隨著輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率的增加，車輪所能提供的掛鉤牽引力也呈現(xiàn)上升的趨勢?；D(zhuǎn)率相同時，輪上載荷越大，其掛鉤牽引力越?。惠喩陷d荷相同時，滑轉(zhuǎn)率越大，掛鉤牽引力也就越大；且隨著輪上載荷減小，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化越明顯，同時還發(fā)現(xiàn)，當滑轉(zhuǎn)率小于0.6 時，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化趨勢較慢，當滑轉(zhuǎn)率超過0.6時，掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化速度明顯變快。

圖8 不同輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率下的掛鉤牽引力變化Fig.8 The change of drawbar pull under different wheel loads and slip ratios

從圖中還發(fā)現(xiàn)，當輪上載荷達到152.88 N 以上時，其滑轉(zhuǎn)率普遍都達到0.6 以上，在水田的行駛通過性不高，功耗很大，可見該試驗條件下橡膠輪所承受的微耕機質(zhì)量不能過大；當掛鉤牽引力達到31.36 N 時，不論輪上載荷如何變化，其滑轉(zhuǎn)率都在0.9以上，車輪幾乎失去行走能力，說明在該試驗條件下，地面所能提供給車輪的最大牽引力達到最大，為31.36 N。

3 結(jié)論

（1）針對水田常用的微耕機橡膠輪，搭建了適合室內(nèi)進行輪壤試驗的單輪土槽試驗臺，該實驗臺包括硬件部分和測控系統(tǒng)，可以對需要的數(shù)據(jù)進行實時精確的采集。

（2）測量了不同輪上載荷下的滑轉(zhuǎn)率、車輪扭矩以及掛鉤牽引力，探究了不同掛鉤牽引力下輪上載荷對車輪扭矩的影響以及掛鉤牽引力在輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率的共同作用下的變化情況。

（3）試驗結(jié)果表明，由于松軟水田壤承載能力和抗剪切能力較弱，該微耕機的車輪所能承受的最大載荷為227.36 N，此時所能提供的最大掛鉤牽引力為31.36 N，滑轉(zhuǎn)率為0.88，這說明該類型車輪在水田中的行駛性能較弱，車輛的能源主要消耗在克服車輪行駛阻力上。

（4）本文對小型水田微耕機橡膠輪在特定含水率下的通過性能進行了初步探究，試驗結(jié)果可以為今后新型水田輪的設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)。

致謝：江西農(nóng)業(yè)大學研究生創(chuàng)新專項資金項目（NDYC2020-S006）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！