免耕播种机地轮摩擦力与滑移率试验研究

赵艳忠，张晨光，王运兴，禹栋栋，杨阳

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

免耕播种机地轮摩擦力与滑移率试验研究

赵艳忠，张晨光，王运兴，禹栋栋，杨阳

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对免耕播种机地轮摩擦力不足、滑移率偏大，造成漏播、空穴等问题，文章以秸秆覆盖量为试验因素，地轮摩擦力和滑移率为试验指标，对比六种地轮（平板、直齿、斜齿、“V”齿、钩齿、鼠笼形）试验效果。结果表明，秸秆覆盖量0～400 g·m-2时，钩齿地轮防滑效果最好，秸秆覆盖量400～800 g·m-2时，“V”齿地轮防滑效果最好。对比选取防滑效果最佳“V”齿地轮，通过二次回归正交旋转组合试验优化“V”齿地轮相关参数（防滑齿齿数、防滑齿齿高、垂直载荷）。结果表明，各参数影响摩擦力和滑移率主次顺序为垂直载荷＞防滑齿齿高＞防滑齿齿数；当齿数为20、齿高为36 mm、载荷为457 N时摩擦力最大且滑移率最小。为免耕播种机地轮选择与设计提供参考，对改善免耕播种机性能、研制高质量免耕播种机具有参考价值。

免耕播种机；地轮；摩擦力；滑移率

赵艳忠,张晨光,王运兴,等.免耕播种机地轮摩擦力与滑移率试验研究[J].东北农业大学学报,2016,47(10):58-66.

Zhao Yanzhong,Zhang Chenguang,Wang Yunxing,et al.Study on friction and slip rate of no-tillage seeder ground wheels [J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):58-66.(in Chinese with English abstract)

地轮是免耕播种机关键部件，带动传动系统，为排种、施肥系统提供动力，当地轮与土壤间摩擦力不足时滑移率偏大，使排种器排种轮转速下降或停止转动，导致排种量减少或停止排种作业，排肥量减少或停止排肥作业，造成漏播、空穴和施肥量不足等问题，单位面积保苗率低，产量下降。因此增大地轮摩擦力、减小地轮滑移率对保证播种质量、提高播种施肥机研发设计水平有重要意义。

高玉璐在地轮上增设防滑齿，作防滑齿高度、垂直载荷等试验[1]；夏连明等设计行星啮合式地轮以减小地轮滑移率[2]。此外，夏连明行星啮合式地轮试验证明土地秸秆覆盖量、土壤含水率会显著影响地轮滑移[3]；刘林研究鼠笼形地轮摩擦力与滑移率，确定最优结构参数[4]；于英杰等证明土壤压实度等影响滑移率[5-7]。但对秸秆覆盖量和地轮轮型研究较少。

本试验以秸秆覆盖量为试验因素研究六种地轮（平板、直齿、斜齿、“V”齿、钩齿、鼠笼形）防滑特性，还在六种轮型中选出防滑效果最好“V”齿地轮，通过二次回归正交旋转组合试验优化“V”齿地轮相关参数（防滑齿齿数、防滑齿齿高、垂直载荷），使地轮在最佳参数下工作。为免耕播种机地轮选择与设计提供参考，对改善免耕播种机性能、研制高质量且工作可靠免耕播种机提供参考。

1 测试装置及原理

图1 摩擦力试验装置Fig.1Friction force testing device

1.1 地轮最大摩擦力测试装置及原理

1.1.1 测试装置

摩擦力测试装置见图1。

测试作业时，利用主横梁5上悬挂架7将本测试装置悬挂装配在拖拉机三点悬挂上，拖拉机牵拉测试装置向前方运动，在地轮2与地面接触产生摩擦力作用下，地轮2产生转动，通过主轴10带动卷轮9转动，使柔性拉绳11不断缠绕在卷轮9上，柔性拉绳11经拉力弹簧12拉动拉力传感器13，传感器及时反映出柔性拉绳11拉力值。当地轮2由滚动变为滑动时，拉力传感器13拉力值最大。记录此最大值即可计算出地轮最大摩擦力Fxmax。加载前配重调节物6可消除地轮自重对测试影响，更改后配重调节物改变地轮2与地面间压力，实现不同载荷下地轮2摩擦力和滑移率测定。

1.1.2测试原理

本试验中摩擦力测试装置卷轮与地轮安装在同一水平轴上，两者转矩相同。

计算公式为

式中，Fxmax为最大水平摩擦力（N）；fmax为卷轮所受最大拉力值（N）；r为卷轮半径（m）；R为地轮半径（m）。

试验中记录传感器数值得到fmax，利用公式（2）计算得地轮与地面最大摩擦力值。

1.2 地轮滑移率测试装置及原理

1.2.1 测试装置

根据测试需开发滑移率测试电子系统，原理如图2所示。

图2 滑移率测试电子系统原理Fig.2Slip rate test electronic system

1.2.2 测试原理

地轮滑移率公式：

式中，η为滑移率（%）；S1为地轮实际行驶距离（m）；S2为地轮理论行驶距离（m）。

由式（3）可知，地轮滑移率取决于地轮理论行驶距离和实际行驶距离。

由图3可知，在拖拉机行驶方向每隔一段距离设置一定数量标识，在地轮机架上安装一光电传感器，拖拉机前进过程中经过标识时，标识反射光电传感器发射光产生脉冲信号，根据所得脉冲数量可计算地轮实际行驶距离。在地轮轴上安装一旋转编码器，地轮转1周时编码器会产生若干脉冲信号，在一定范围内计数脉冲信号测地轮理论行驶距离。

图3 滑移率测试原理Fig.3Slip rate test principle

根据上述测试原理，先设定实际距离，当地轮行驶过实际距离后记录旋转编码器释放脉冲数（本测试系统所使用旋转编码器每转1周可释放1 000个脉冲信号），可得：

式中，D为地轮直径（m）；N为显示模块上现实脉冲数；S2为地轮理论行驶距离（m）。

可算得地轮行驶理论距离，得到实际距离与理论距离，根据公式（3）求得滑移率。

具体测量方法：试验前在单片机程序中设定好计数次数（本试验设定计数次数为11次），根据计数次数在需测定实际距离间设置等间距标识（试验中实际距离为50 m，在此范围内每隔5 m立一根标识，共11根标识）。按下开始键，光电传感器记下1个数同时旋转编码器开始记数，当地轮行驶过设定实际距离后（50 m，记数11次之后），光电传感器和旋转编码器均立刻停止记数，在显示模块上显示旋转编码器所记脉冲数。按下复位键，显示模块计数清零，按下开始键后再次开始计数。

1.3 试验仪器

1.3.1 摩擦力测试装置

宁波484拖拉机，发动机功率为48马力。数显式推拉力计，型号为HG-10K，量程为10 kN。

1.3.2 滑移率测试装置

ATMEGA16最小系统，光电传感器，型号为沪工E3F-DS60C4，检测距离60 cm。旋转编码器，型号为欧姆龙E6B2-CWZ6C（1000 P/R）。八位共阳极数码管显示模块，采用2片74HC595驱动。

1.3.3 其他测试工具

卷尺、标识、柔性绳等。

2 试验设计与结果分析

2.1 秸秆覆盖量对摩擦力及滑移率影响

2.1.1 试验区自然条件

试验区位于东北农业大学农学院试验田，土壤条件如表1所示。

表1 土壤参数Table 1Soil parameters

2.1.2 地轮轮型参数

不同轮型地轮如图4所示。

由图4可知，所有地轮直径均为610 mm，宽度均为125 mm[4]。具有防滑齿地轮齿数均为18个，齿高均为20 mm，斜齿轮和“V”齿地轮倾角均为13°[6]。地轮轮型变化引起地轮质量变化，为消除地轮质量变化对试验影响，试验中利用杠杆原理在前配重加载区施加与地轮质量相同载荷以保证试验因素单一性。

2.1.3 试验结果与分析

研究秸秆覆盖量对摩擦力及滑移率影响，秸秆覆盖量在0～800 g·m-2变化，根据试验田秸秆覆盖情况选取试验水平：0、200、400、600、800 g·m-2，每个水平3次重复试验，求平均值结果见图5、6。

图4 不同轮型地轮Fig.4Different wheel type of groung wheel

图5 摩擦力试验结果Fig.5Test results of friction force

图6 滑移率试验结果Fig.6Test results of slip rate

由图5、6可知，具有防滑齿的地轮摩擦力明显大于平板轮和鼠笼形轮，而滑移率明显低于平板轮和鼠笼形轮。平板轮和鼠笼型轮由于无防滑齿，摩擦力随秸秆覆盖量增加而减小。在0～400 g·m-2时，与其他地轮相比，钩齿轮防滑齿扎入土壤深度较大，因此摩擦力最大，随秸秆覆盖量增加钩齿轮扎入土壤深度逐渐减小，摩擦力呈下降趋势。直齿轮、斜齿轮摩擦力在一定范围内波动。斜齿轮在轴向力作用下会将秸秆推向一侧，增大与土壤接触面积，在400 g·m-2时摩擦力大于其他地轮。“V”齿地轮齿形可以抵消轴向力，因此摩擦力变化曲线较平稳，随秸秆覆盖量增加呈微升趋势。在秸秆覆盖量较大情况下“V”齿地轮摩擦力明显大于其他地轮，可见“V”齿地轮对秸秆覆盖量不敏感。各种地轮滑移率变化趋势与摩擦力相反。

2.2 轮型单因素试验

为研究不同轮型对摩擦力及滑移率影响，将秸秆覆盖量固定为为400 g·m-2。对六种轮型单因素试验，每次测量重复3次。对不同轮型重复3次试验求平均值结果见图7、8。

由图7、8可知，防滑齿地轮具有更大摩擦力和更好防滑效果。斜齿轮摩擦力最大，其值为33.13 N，鼠笼型轮摩擦力最小，其值为22.23 N；“V”齿地轮滑移率最小，其值为3.02%，平板轮滑移率最大，其值为6.56%。综合摩擦力和滑移率两项指标后“V”齿地轮防滑效果最好。

图7 轮型对摩擦力影响Fig.7Effect of wheel type on friction force

图8 轮型对滑移率影响Fig.8Effect of wheel type on slip rate

不同轮型摩擦力和滑移率方差分析，结果见表2、3。由方差分析可知，轮型变化会显著影响摩擦力和滑移率。

表2 摩擦力方差分析Table 2Variance analysis of friction

注：*P＜0.0.05表示差异显著，下表同。

Note:*P＜0.05 indicated significant difference,the same as below.

表3 滑移率方差分析Table 3Variance analysis of Slip rate

2.3 “V”齿地轮多因素试验

秸秆覆盖量和轮型单因素试验均表明，在秸秆覆盖量较大情况下，“V”齿地轮防滑效果最好。因此本文多因素试验以“V”齿地轮为研究对象，选取防滑齿齿数、防滑齿齿高、垂直载荷为试验因素，摩擦力和滑移率为试验指标进行3因素5水平2次回归正交旋转组合试验，探索试验因素显著性及不同因素对地轮摩擦力和滑移率影响程度，并选出“V”齿地轮相关参数最佳组合。

2.3.1 多因素试验条件

试验区位于在东北农业大学向阳实验基地，土壤条件如表4所示。

表4 土壤参数Table 4Soil parameters

2.3.2 多因素试验结果及分析

2.3.2.1 多因素试验设计

通过计算，防滑齿齿数范围应在12～24，根据现有文献，防滑齿齿高范围应在20～40 mm，垂直载荷范围应在100～500 N。因素水平编码见表5。

2.3.2.2 多因素试验结果

在试验过程中每组试验重复5次，取平均值后结果如表6所示。

表5 因素水平编码Table 5Coding table of factor and level

表6 多因素试验因素结果Table 6Test results of Multivariate factor

2.3.3 回归模型建立与显著性检查

利用Design-Expert 8.0.6.1对试验数据多元回归拟合并作F检验。

①摩擦力Y1回归模型建立与显著性检验

各因素与摩擦力Y1回归方程如式（5）。

回归方程显著性检验见表7。

通过对式（6）回归系数检验可知，影响滑移率因素主次顺序为载荷＞齿高＞齿数。

②滑移率Y2回归模型建立与显著性检验

各因素与滑移率Y1回归方程如式（7）。

回归方程显著性检验如表8所示。

表7 摩擦力方差分析Table 7Variance analysis of friction

表8 滑移率方差分析Table 8Variance analysis of Slip rate

通过对式（8）回归系数检验可知，影响滑移率因素主次顺序为载荷＞齿高＞齿数。

2.3.4 响应曲面分析

由表7、8方差分析可知，齿数、齿高交互作用对摩擦力和滑移率影响均显著，齿高和载荷交互作用对滑移率影响显著，响应曲面如图9。

图9 不同因素交互对摩擦力和滑移率影响Fig.9Response surface of different factors to the influence of friction and slip ratio

由图9a可知，当齿高为30 mm时，摩擦力随齿数增加先增后减，原因是齿数超过极限值之后会使地轮变成多边形，传动平稳性下降，滑移率增大。最佳齿数为19；当齿数为18时，摩擦力随齿高增大而先增后减，原因是齿高超过极限值之后地轮轮缘不再与地面接触，地轮与地面接触面积减小，滑移率增大。最佳齿高为36 mm。在齿数和齿高交互作用中，影响摩擦力主要因素是齿高。由图9b可知，齿数和齿高对滑移率影响规律与上述规律相反。由图9c可知，当齿高为30 mm时，滑移率随载荷增加而减小，原因是摩擦力与正压力成正比，正压力增加，摩擦力随之增加，滑移率减小。最佳载荷在应结合拖拉机消耗功率选择；当载荷为300 N时，滑移率随着齿高增加先减后增，最佳齿高应为36 mm。在齿数和齿高交互作用中，影响滑移率主要因素是载荷。

2.3.5 参数优化与试验验证

为得到“V”齿地轮各个试验因素最优参数组合，列出试验指标目标函数和试验因素约束条件：

目标函数：maxY1（x1,x2,x3），minY2（x1,x2,x3）

约束条件：12≤X1≤24，20≤X2≤40，100≤X3≤500

结合上述目标函数和约束条件，利用Design-Expert 8.0.6.1优化求解各试验因素与摩擦力和滑移率回归方程，得到最佳参数组合为齿数20、齿高36 mm、载荷457 N，此时摩擦力为44.9 N，滑移率为0.57%。

试验验证优化后理论值。相同试验条件重复验证试验10次。摩擦力平均值为43.8 N、滑移率平均值为0.62%，与理论优化结果一致。

3 结论

a.通过试验得出六种地轮摩擦力和滑移率与秸秆覆盖量间关系曲线，分析产生上述关系曲线原因。通过单因素试验选出防滑效果最好“V”齿地轮，方差分析得出轮型变化对摩擦力和滑移率影响程度。通过二次回归正交旋转组合试验得出地轮相关参数与摩擦力和滑移率间相关性和相关性主次顺序，优化各相关参数值。

b.不同秸秆覆盖量试验结果表明，秸秆覆盖量对摩擦力与滑移率影响因轮型不同而不同，应根据实际需要选择合适轮型。当秸秆覆盖量在0～400 g·m-2

时，钩齿地轮防滑效果最好；秸秆覆盖量在400～800 g·m-2时，“V”齿地轮防滑效果最好。防滑齿地轮可显著增大摩擦力并减小滑移率。

c.通过多因素试验可知，地轮相关参数中影响摩擦力和滑移率因素主次顺序为防滑齿齿数＞防滑齿齿高＞垂直载荷。利用Design-Expert 8.0.6.1最优化功能，以摩擦力和滑移率为目标函数，对回归方程优化求解，获得最佳优化组合：防滑齿齿数20，防滑齿齿高36 mm，直载荷457 N，此时摩擦力44.9 N，滑移率0.57%。

[1] 高玉璐.免耕播种机地轮滑移现象的研究[D].北京:中国农业

[2] 夏连明,耿端阳,王相友.行星啮合式防滑地轮结构参数的优化及性能试验[J].农业工程学报,2012,28(10):53-58.

[3] 夏连明.玉米精量播种机关键部件研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2011.

[4] 刘林.免耕播种机地轮设计与试验研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2015.

[5] 于英杰,戈振扬,李厚春,等.土壤压实对施肥机地轮滑移率影响的模拟[C]//中国农业工程学会2011年学术年会论文集.重庆:中国农业工程学会,2012.

[6] 王福兰.行间播种机多功能行走轮设计与试验[D].长春:吉林大学,2012.

[7] 赵艳忠,杨阳,张晨光,等.分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响[J].东北农业大学学报,2016,47(2):102-108.

Study on friction and slip rate of no-tillage seeder ground wheels

ZHAO Yanzhong,ZHANG Chenguang,WANG Yunxing,YU Dongdong,YANG Yang(School of Engineering, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

No-tillage seeder lack of friction to cause slip rate too large,and then cause leakage,sowing hole,for these problems,take the amount of straw cover as experimental factors,take friction and slip rate as test indicator,six kinds of wheel type(flat groung,straight teeth,helical teeth,V teeth,hook teeth,squirrelcage type)were tested,the results showed that,when the straw mulching amount was 0-400 g·m-2,the hook teeth ground wheel had best non-slip effect,when the straw mulching amount was 400-800 g·m-2,V teeth ground wheel had best non-slip effect.After comparing selected the V teeth ground wheel which had best non-slip effect,to optimize the relevant parameters of V teeth ground wheel(number of non-slip teeth,height of non-slip teeth,vertical loads)by two regression orthogonal rotation combination test,let ground wheel work at optimal parameters.The results showed that,the order of primary factors to friction an slip ratio was the number of teeth,the height of teeth,vertical load.When the number of teeth was 20,the height of teeth was 36 mm and the vertical load was 457 N,the frictional was the maximum and slip rate was minimum. Above the results could provide a basis for the choose and design of ground wheel,it also had important

no-tillage seeder;ground wheel;friction;slip rate

S223.2

A

1005-9369（2016）10-0058-09

时间2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.010.html

2016-07-08

十二五国家科技支撑计划项目（2014BAD11B01）

赵艳忠（1967-），女，副教授，硕士，硕士生导师，研究方向为保护性耕作机具。E-mail:yzzhao89723@163.com

reference value of improving of no tillage seeder performance and studying high quality and worked reliable no tillage seeding machine.