智能土槽测试系统的研制

张小明

摘要 智能土槽测试系统的研制对实现田间工况模拟具有非常重要的意义，为我国耕种机械高端技术的研究、产品部件和整机性能试验研究提供先进的试验平台和检测手段。本文介绍了土槽试验台整机结构、工作原理、液压系统和重要工作部件的设计，通过测验表明研制的土槽试验设备不仅可以进行土壤工作部件的性能试验研究（如犁、耙、开沟、旋耕、起垄、深松等常规机具），也可以为其他需要进行田间试验的试验装置提供平台，进行搭载试验。

关键词 智能；土槽试验台；测试系统；设计

中图分类号 S220.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）19-0157-02

随着科技的快速发展，土槽测试技术和台车调控技术有了重大的突破并取得飞速进步，土槽试验数据采集和处理可实时获得试验结果。土槽试验在可靠控制的条件下进行，可全天候工作、可缩短研究周期、加快研究进度、提高测试精度，特别是通过土壤整理使土壤参数比田间条件均匀，可获得更严格的调控。土槽试验检测系统的研制可作为机具田间试验的补充、减少环境或自然条件的影响，能更容易地得到某些工作参数或土壤参数的影响规律[1-2]。

1 设计要求

农艺及工作条件要求土槽试验台能模拟田间工况，造就所需的土壤状态，控制各种工作参数。对选定土壤工作部件或整机进行性能试验研究或测定，为土壤工作部件的创新研究和现有部件的性能检测提供准确的试验手段。

2 整机结构及工作原理

2.1 整机结构

本试验台整机结构如图1所示，主要由土槽、轨道、试验台车、无级调速牵引系统、无级调速动力输出轴驱动系统、各种传感器、上下位机测控系统、无线传输系统、拖链供电系统、土壤水分调节系统及液压系统等组成。土槽试验台的设计参数如表1所示。

2.2 工作原理

智能土槽试验台的工作原理，即上位机通过无线传送系统，向下位机发送设定的试验参数和试验指令；下位机根据上位机的参数和指令，控制台车进行试验并且实时采集数据，待试验结束后向上位机传送相关的试验数据；上位机接受下位机上传的试验数据并且进行相应的处理，最后打印输出试验报表。在明晰此原理的基础上进行科学操作，有助于提高试验数据的准确度。

3 液压系统的设计

土槽液压系统包括电机、齿轮油泵、手动操纵阀、后悬挂升降液压缸、油箱及配套附件、管路等（图2、3）。主要用于升降测试机具和土壤恢复机具（包括旋耕机、平土铲、镇压轮、压实辊等），该液压系统配置的液压油泵为CBW-F316，排量为16 mL/r，额定压力为20 MPa。液压系统配置的手动操纵换向阀为三路，第1路操纵后悬挂农机具的上升、下降、中立位置和浮动位置；第2路和第3路为备用，可实现挂接机具的上升、下降和中立位置，也可驱动工作部件的旋转。手动操作阀的流量为40 L/min，压力为16 MPa。如果系统压力需要提高，可调参数多路阀上配置的安全阀[3]，系统压力最高允许P=20 MPa。

4 主要工作部件设计

主要工作部件的设计包括电控系统的设计和自动控制系统的软、硬件设计。

4.1 电控系统的设计

试验台的主体结构为一个在轨道上运行的台车。台车两侧各设置1台可横向移动的小车，其中1台小车专用于悬挂被测机具，为机具端；另1台小车专用于悬挂土壤恢复部件，为恢复端。

土槽试验台车上共安有电机8台，其中，牵引直流电机1台，功率为22 kW，减速比为9.26；动力输出直流电机1台，功率为22 kW；液泵交流电机1台，功率为7.5 kW；机具端和恢复端升降交流减速电机2台，功率为2.2 kW，减速比为5，各设有限位开关2个，用于各自限位；机具端和恢复端横移交流减速电机2台，功率为0.4 W，减速比为50，各设有限位开关2个，用于各自限位；仪表升降交流电机1台功率为90 W，设有限位开关2个，用于限位。

在机具端升降减速电机上安装旋转编码器，以测量控制工作部件的垂直移动距离；在第5轮上安装编码器，用以测量台车位移或速度；在机具端的动力输出轴上安装扭矩转速传感器，用以测量和控制动力输出轴的扭矩和转速。另外在机具端的悬挂装置上还安装六分力测力装置，用于测量机具工作时的受力状况。在机具端上还挂有一仪表升降平台，用于测量土壤的坚实度和含水率。在恢复端还设有激光测距传感器，用于测量土壤平整度。

台车沿土槽轨道运行，土槽中间有长约20 m的测试段，两端设置接近开关作为测试段的起始信号和结束信号，两头为缓冲段。试验时，台车启动以起始信号作为测区起点，开始试验并进行自动测量；一旦台车触发结束信号，即结束试验。台车用直流调速系统控制运行速度和动力输出轴转速；可利用计算机控制台车运行速度和距离、动力输出轴旋转速度、机具端小车垂直升降机构高度定位；可手动控制台车运行速度、动力输出軸旋转速度、小车垂直升降和横向移动、液压泵和阀门；台车采用无线遥控装置作为紧急停车开关，并可控制机具端的升降、横移及仪表端的升降[4]。

4.2 自动控制系统的软件、硬件设计

4.2.1 控制。控制分为下位机控制与上位机控制。为了达到抗干扰能力强、可靠性高、通用性好、功能完善和易于维护等要求，下位机控制系统采用了可编程自动化控制器进行对工作部件控制和数据采集。上位机采用台式计算机。计算机的最低配置要求如下：Pentium 4处理器的IBM PC兼容计算机；Microsoft Windows 95/98/NT4.0 SP5/Windows2 000 SP2或Windows XP系统；128 Mb RAM；1G硬盘空间；VGA 256色显示器；CD-ROM光驱；鼠标或其他指向装置；一个标准RS-232接口。上位机使用组态软件进行人界操作界面设计与编程。操作界面主要分为试车、标定、土壤检测、土壤恢复、试验5个功能模块。通过组态软件添加所要控制的设备驱动程序并与设备连接，而后建立画面，通过建立的变量将指令发送给下位机，实现通过上位机给试验设备设置参数、下达指令、获取和处理试验数据和绘制曲线等功能。

4.2.2 监视。为了更加直观、清晰地观察、监视整套试验设备的运行情况并获得良好的试验记录，本试验设备采用了监控录像系统，其中包括2台监控摄像机和1台监控计算机。2台摄像机分别安装于土槽两端。分别监控机具端和恢复端的工作状况。监控计算机可同时显示2台摄像机的动态及静态实时图像，并可储存该记录，以备今后查询、调用。

4.2.3 通信。要实现试验设备的自动控制，保证上、下位机的通信，必须在上、下位机之间建立数据传输介质。根据设计要求

下位机安装于试验台车之上，而上位机位于实验室恢复端侧控制室内，两者之间存在5～50 m的可变距离。在此试验设备上使用了无线局域网的传输方式，无线网络采用的是IEEE 802.11b标准，并通过TCP/IP协议使得上、下位机进行连接。经实际工况测试，实验室内无线通信最高数据传送率达到0.062 Mb/s，完全满足所需的传输速率。由于无线网络使用2.4 GHz的工作频段，所以与直流电机及各种信号的等设备不会相互干扰。

4.2.4 数据处理。每次试验结束后，会产生约3 500条数据，这些数据被写入到已建立好的相应变量中。上位机依据Modbus/RTU和Modbus/TCP协议从下位机逐一将数据读取、计算并保存于上位机的内部存储器中。由于这些数据只能临时存储且无法查询历史数据记录，因而建立了一个外部数据库（支持ODBC访问接口）用于数据传输，将数据永久存入电脑硬盘中。为了方便操作者分析、查询、打印数据，使用Microsoft Access建立了一套试验数据管理系统，使数据管理更为直观、快捷。

5 结论

试验台可悬挂农机具部件或整机（小型）进行性能试验，具有试验数据自动采集功能；试验台装有喷水装置，根据实测的土壤含水率情况，控制洒水时间，调节土壤水分，具有土壤含水率调节功能；试验台可以对被测机具的耕深、运行速度、动力输出轴驱动转速进行自动控制；在试验中，试验台能自动完成数据的测试和采集，并上传至中央控制室里的上位机，最终形成报表。

6 参考文献

[1] 吴俭敏，朱立成，米义，等.新型土槽试验台的研制[J].农机化研究，2011，33（3）：92-95.

[2] 郑德聪，郭美蓉，段晓峰，等.农机土槽试验系统挂接机构参数的调节及实现[J].山西农业大学学报（自然科学版），2006，26（4）：396-398.

[3] 潘世强，操子夫，赵婉宁，等.微型土槽试验台的优化设计与试验[J].农机化研究，2015（10）：144-146.

[4] 于艷.农机土槽试验台的设计与研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2011.