平移式喷灌机行走阻力的确定及验证

2019-11-11朱德兰刘柯楠王方同

农业工程学报 2019年17期

李丹，朱德兰，刘柯楠，王方同，祝鹏

平移式喷灌机行走阻力的确定及验证

李丹1,2，朱德兰1,2※，刘柯楠3，王方同4，祝鹏5

（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；3. 甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070；4. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；5. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

行走阻力对平移式喷灌机的动力配置具有重要影响，为了确定不同土壤条件下喷灌机的行走阻力，为机组提供合理的动力配置依据。针对黄绵土和塿土2种土壤类型，以土壤含水率和容重为因素，选取表征机组行走阻力的5个土壤力学参数即土壤黏聚变形模数、摩擦变形模数、沉陷指数、黏聚力和内摩擦角为指标，采用二元二次通用旋转组合试验设计，通过平板沉陷试验与直接剪切试验，建立了2种土壤类型含水率、容重与5个参数间的回归模型，从而得出喷灌机所需行走阻力，并以此为依据对喷灌机行走驱动系统进行配置和田间行走试验。结果表明，含水率、容重和二者交互作用对2种土壤的5个参数均有显著影响（＜0.05）；随着含水率和容重增加，黄绵土黏聚变形模数呈减小趋势而塿土呈先增大后减小趋势，且2种土壤的摩擦变形模数均减小，沉陷指数均呈先减小后增大趋势，黏聚力与内摩擦角均增大。采用上述方法进行的驱动系统配置满足喷灌机动力需求，由5个参数的回归模型所得驱动功率计算值与田间试验功率实测值最大相对误差分别为6.43%、7.73%，模型合理。研究可为平移式喷灌机动力配置提供依据。

喷灌机；含水率；土壤；力学参数；容重；行走阻力；动力配置

0 引言

喷灌技术具有灌水均匀、高效、节水等优点[1-2]，尤其在中国西北干旱地区应用广泛，平移式喷灌机是重要喷灌装备之一，其为四轮独立驱动轮式机械，然而目前其行走动力配置仅依靠经验，缺乏科学指导，在不同土壤阻力条件下常使电机功率配置过大而浪费电力或配置过小而降低工作效率[3]。因此，确定不同土壤条件下喷灌机的行走阻力，对合理配置其动力、提升工作效率、加快其推广应用具有重要意义。

轮式机械松软地面运行阻力是影响其工作性能的主要因素之一，阻力越大则所需配置的驱动功率越大，诸多文献探讨了轮胎阻力影响因素[4]、阻力计算[5-6]及建模方法[7-8]等，韩愈等[9]提出了基于滚动阻力实时监测的松软地面识别方法，提高了车辆运行性能；Taghavifar等[10]发现松软地面轮胎滚动阻力受轮胎气压和垂直载荷的影响较大；王宪良等[11]分析了松软地面轮胎土壤接触特性，结果表明合适的气压与轴载有助于提升农机运行性能。然而，上述研究侧重于轮式机械本身参数对运行阻力的影响，较集中于农机具结构优化在工作阻力降低方面的应用[12-13]，土壤条件变化对土壤阻力影响方面的研究尤其缺乏。含水率、容重及土壤类型是不同灌溉区域土壤阻力不同的主要影响因素[14]，不同含水率、容重的土壤下喷灌机行走功率消耗存在较大差别，而表征轮胎土壤阻力的土壤力学参数主要有黏聚变形模数、摩擦变形模数、沉陷指数、黏聚力和内摩擦角等5种参数[15-17]；现有研究虽探讨了土壤条件变化对部分土壤力学性能的影响，如土壤含水率对土壤抗剪强度等的效应[18-19]，以及农业机械不同作业工况对土壤力学参数的影响等[20]，但上述5种参数在不同含水率、容重及土壤类型等条件下的变化规律尚未探明，且此5种参数在喷灌机运行阻力及动力配置方面的研究应用鲜有报道。平移式喷灌机为田间自走式喷灌机，其作业时行走速度极其缓慢，轮胎滚动阻力为其动力系统功耗主要因素[21-23]，土壤条件不同而使滚动阻力变化时，则需考虑含水率与容重对其所需动力配置的影响，喷灌机质量、作业幅宽等对其行走阻力虽有影响，但其为喷灌机自身参数且较为复杂，后期将单独考虑。

本文主要利用二元二次通用旋转组合试验设计方法，通过平板沉陷试验与直接剪切试验，研究西北干旱地区主要土壤类型黄绵土、塿土的含水率和容重对黏聚变形模数、摩擦变形模数、沉陷指数、黏聚力和内摩擦角的影响，建立回归模型，以此确定喷灌机在不同土壤条件下的行走阻力，并以平移式喷灌机为平台进行动力配置的应用与验证，以期为平移式喷灌机动力系统配置提供合理依据。

1 平移式喷灌机行走阻力理论分析

平移式喷灌机结构示意图如图1a所示，其行走系统主要由4个相同的驱动轮、直流电机、减速器及控制器组成；其中电机是驱动系统关键部件，机组运行时需依据不同土壤条件合理配置驱动电机，才能使驱动系统性能达到最佳。

1.直流电机 2.驱动轮 3.控制器 4.喷头 5.桁架 6.光伏板 7.蓄电池

1.DC motor 2.Driving wheel 3.Controller 4.Nozzle 5.Truss 6.Photovoltaic panel 7.Battery

a. 平移式喷灌机整体结构图

a. Overall structure of lateral move sprinkling machine

b. 驱动轮-土壤受力分析图

b. Force analysis of driving wheel in soil

注：为驱动轮行走速度，为驱动轮扭矩，为喷灌机重力，F喷灌机行走阻力，F为压实阻力，F为推土阻力。

Note:is driving speed of drive wheel,is torque of drive wheel,is weight of sprinkling machine,Fis driving resistance of sprinkling machine,Fis compaction resistance,Fis bulldozing resistance.

图1 平移式喷灌机整体结构及驱动轮-土壤受力分析图

Fig.1 Overall structure of lateral move sprinkling machine and force diagram of driving wheel in soil

平移式喷灌机以匀速状态工作，驱动力与阻力相等，行走阻力主要为土壤压实阻力、推土阻力及轮胎弹滞阻力，该喷灌机工作于松软土壤中，驱动轮可近似为刚性轮胎，弹滞阻力影响极小，本文不予以考虑，仅研究压实阻力与推土阻力。

同时，因作业要求，平移式喷灌机匀速行走速度最大为0.083 3 m/s，因此忽略空气阻力和加速阻力[24-26]，则喷灌机行走阻力F为推土阻力F与压实阻力F之和，其受力分析如图1b所示；F和F计算公式如式（1）、（3）所示[27]。