高茬秸秆旋耕翻埋功耗检测系统设计与试验研究

【摘要】：机械化秸秆还田有利于培肥地力、改良土壤,是发展生态农业和实现农业可持续发展的重要措施。高茬秸秆还田耕整机作为土壤耕作机械,与轮式拖拉机配套使用,耕作一遍即可完成秸秆埋覆、旋耕碎土、地表平整等多项作业目标,具有作业效率高、适用范围广、操作简便等优点；且能抢农时、省劳力,在机械化秸秆还田领域显示了很大的优越性。高茬秸秆还田耕整机以螺旋刀辊为核心工作部件,功率消耗是考量其综合性能的一个重要技术参数,直接影响到整机的性能；设计合理配套的功耗检测系统来实时获取螺旋刀辊田间作业功耗,将为刀辊结构参数优化和耕整机动力合理配套、节能减耗提供重要的参考价值。 本文以三种高茬秸秆还田耕整机为研究对象,针对高茬秸秆还田耕整机实际功耗大小不清楚、螺旋刀辊作业时运动参数与功耗的关系不明确等问题,根据功耗检测原理,采用NI公司的虚拟仪器开发平台------LabVIEW,并结合数据采集卡、CKY-810动态扭矩传感器和电感式接近开关等组成的硬件平台,设计了功耗检测系统；此系统通过简单的操作便可以动态检测高茬秸秆还田耕整机作业功耗,并实现扭矩、转速和功耗波形图及数值的显示、保存。 利用ADAMS软件对扭矩传感器和万向节传动轴机构进行动力学仿真,并结合实际情况,确定万向节传动轴空心方形套管处强度最弱；对其进行强度校核,计算得出其许用扭力偶矩[M]为2060.44N·m大于空心方形套管扭矩波动最大值1472.5N-m；从理论方面证明了将扭矩传感器安装在万向节传动轴上进行螺旋刀辊扭矩测量的方案是合理可行的。 利用DF1405数字合成信号发生器和非接触数字式转速仪对功耗检测系统进行标定。标定结果显示,由功耗检测系统检测到的转矩值与信号发生器输出频率对应的真值间最大绝对误差值为0.55N.m,最大相对误差为0.0893%；由功耗检测系统检测到的转速值与信号发生器输出频率对应的真值间最大绝对误差值为0.002rad/min,最大相对误差为0.0016%。转速仪测量的转速值与功耗检测系统检测到转速值最大绝对误差值为0.261rad/min,最大相对误差为0.0726%。因此,功耗检测程序能够准确检测扭矩、转速信号,从而进行功耗的动态检测。 分析了水旱两用高茬秸秆还田耕整机的功率消耗组成与配置,并对其进行了空载试验研究。试验结果得出,水旱两用螺旋刀辊空载扭矩范围为19.528N·m-24.965N-m,其空载功率范围为0.374kW-1.243kW,占拖拉机总动力功率的0.53%～1.78%。 以功率消耗和作业质量为评价指标,选用水旱两用高茬秸秆还田耕整进行田间性能试验和功耗试验研究。以耕深、刀辊转速、机组前进速度为影响因素,进行了高茬秸秆还田耕整机田间功耗试验,得出3个因素对耕整机功耗影响的显著性依次为耕深(A)、前进速度(C)、刀辊旋转速度(B)；耕整机较优组合为A2B2C3,即耕深185mm、刀辊转速335r/min、机组前进速度3.35km·h-1时,功耗均值为52.52kW,秸秆埋覆率达到96.2%。 【关键词】：高茬秸秆还田耕整机 传感器 LabVIEW 功耗 田间试验
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S222
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究意义10-11
• 1.3 功耗检测原理11-13
• 1.4 旋转轴扭矩检测国内外研究现状13-18
• 1.4.1 应变型扭矩传感器13-15
• 1.4.2 转角型扭矩传感器15-18
• 1.4.3 扭矩检测的发展动向18
• 1.5 虚拟仪器技术在农业工程中的应用18-20
• 1.6 研究内容和技术路线20-21
• 1.6.1 研究内容20-21
• 1.6.2 技术路线21
• 1.7 本章小结21-22
• 第2章 基于LabVIEW的功耗检测系统设计22-49
• 2.1 LabVIEW软件平台概述22
• 2.2 LabVIEW编程环境22-24
• 2.3 LabVIEW中的定时与同步控制技术24
• 2.4 功耗检测系统构成24-25
• 2.4.1 检测系统的一般构成24-25
• 2.4.2 功耗检测系统组成25
• 2.5 功耗检测系统相关硬件25-40
• 2.5.1 扭矩传感器25-29
• 2.5.2 转速传感器29-32
• 2.5.3 扭矩传感器和转速传感器匹配安装32-36
• 2.5.4 数据采集卡36-40
• 2.6 功耗检测系统软件的总体设计40-46
• 2.6.1 专业检测人员登录模块41-42
• 2.6.2 扭矩和转速信号采集模块42-43
• 2.6.3 滤波及数值计算模块43-44
• 2.6.4 信号波形及数值显示模块44
• 2.6.5 数据保存模块44-46
• 2.7 功耗检测系统标定46-48
• 2.7.1 功耗检测系统整体结构46-47
• 2.7.2 扭矩标定47
• 2.7.3 转速标定47-48
• 2.8 本章小结48-49
• 第3章 高茬秸秆还田耕整机空载功率试验研究49-58
• 3.1 水旱两用螺旋刀辊简介49-50
• 3.2 水旱两用高茬秸秆还田耕整机功耗组成及影响因素50-53
• 3.2.1 耕整机总功耗组成50-51
• 3.2.2 功耗影响因素分析51-53
• 3.3 空转功率试验研究53-57
• 3.3.1 耕整机空转功率53-54
• 3.3.2 侧边传动箱传动效率54-55
• 3.3.3 试验方法和过程55
• 3.3.4 空转功率试验结果55-57
• 3.4 结论57-58
• 第4章 耕整机性能试验及功耗试验研究58-70
• 4.1 试验目的及内容58
• 4.2 试验设备和装置58-59
• 4.2.1 试验设备58-59
• 4.2.2 试验装置59
• 4.3 性能试验条件59-60
• 4.4 性能试验结果分析60-61
• 4.5 功耗田间试验研究和结果分析61-68
• 4.5.1 田间试验条件和试验准备61-64
• 4.5.2 试验过程64-65
• 4.5.3 正交试验方法65-67
• 4.5.4 试验结果分析67-68
• 4.6 结论68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第5章 结论与展望70-72
• 5.1 结论70-71
• 5.2 展望71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-78
• 附录1 攻读硕士学位期间主要研究工作78-79
• 附录2：功耗测试系统标定结果79-80
• 附录3：空载功耗结果80-82
• 附录4：田间试验结果汇总82-84

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