大葱茎秆起拔力测试系统的设计与试验

贾智博，侯加林,2，刘敬伟，邵 伟，吴彦强，牛子儒

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018)

0 引言

随着农业工程学科的迅速发展，深入研究农业工程涉及的农业物料力学问题，愈益显得重要[1-2]。大葱作为我国重要的香辛、保健蔬菜，已经成为我国区域规模种植的经济作物之一，有着不可代替的地位[3]。随着我国种植结构的调整和大葱种植规模的增大，农民对大葱收获机械化的要求也越来越高。目前，大葱联合收获机一般包括挖掘、夹持输送、去土及收集等几个工作过程[4]。为了给大葱收获机夹持输送装置的设计提供理论依据，需要研究大葱茎秆的相关力学特性[5-6]。

目前，国内外对于大葱茎秆力学性能的试验研究很少，茎秆力学性能指标的研究也主要依靠于万能试验机及一些小型试验仪器[6-7]。万能试验机虽然是一种高精度的测量仪器，应用范围较广，但体积庞大、造价昂贵，只能在室内进行试验，无法大规模使用，限制了试验地点。小型试验仪器虽然可以进行茎秆力学特性的测量，但由于其精度较低，手动控制较多，人为造成的误差较大，且试验地点要求受限，只能在特定的环境中使用。

针对上述问题，同时考虑到大葱茎秆的起拔力特性，设计了一套适用于田间试验的大葱茎秆起拔力测试系统，研究大葱在收获期的起拔力特性，通过传感器与上位机实现起拔力的采样与记录，可以实时观测到大葱力学性能的变化规律，有效地提高了试验数据的精度。

1 系统构成

根据收获机械在田间作业时对茎秆产生的主要力学形式，设计制作了大葱茎秆力学特性测试系统。试验系统包括控制系统、执行机构、信息采集及人机交互界面4部分，如图1所示。信息采集模块由拉压力传感器及其变送器组成，可采集试验过程中大葱茎秆的力学特性数据；控制系统由STM32主控制器和上位机组成，完成试验数据的处理和传输；执行机构由两相四线的步进电机完成；人机交互界面主要进行试验数据的实时显示。

图1 系统组成

2 系统设计

2.1 机械系统设计

机械系统主要由步进电机、联轴器、导程丝杠、拉压力传感器及夹持装置等组成，整体结构如图2所示。

1.支撑柱 2.步进电机 3.联轴器 4.配重柱 5.导程丝杠 6.导柱 7.支撑杆 8.拉压力传感器 9.夹持装置 10.调节旋钮 11.底板

2.1.1 夹持部分设计

如何夹持是整个试验过程中的核心，直接影响到试验的相关参数。考虑到大葱茎秆本身清脆的特性及大葱收获时茎秆的受力情况，设计加工了如图3所示的夹持装置。

图3 夹持装置结构简图

该夹持装置设计为U型槽结构，U型槽内两侧各设有1个夹持垫片，一侧的夹持垫片固定，另一侧的夹持垫片可活动连接在U型槽上。通过调节按钮调节两个夹持垫片之间的间距，以适应不同直径大葱茎秆的夹持。为了减小大葱茎秆在试验过程中的损伤，夹持垫片上相对设有橡胶垫。

2.1.2 传动部分设计

传动部分的设计采用导程丝杠加螺栓固定的方式带动夹持机构和传感器运动工作，导程丝杠下方通过联轴器与步进电机连接。具体结构如图4所示。

1.导程丝杠 2.联轴器 3.步进电机 4.夹持装置 5.传感器

设导程丝杠间距为L，步进电动机的步进角为α，电动机的控制频率为P，试验速度设为V，行程位移设置为S，夹持起拔的线速度计算公式可表示为

式中T—试验所需时间(s)。

2.2 控制系统设计

控制系统用来控制试验平台的启动与停止，并可对大葱茎秆起拔状态的参数进行测量与信息传送，主要由基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103增强型单片机完成[8-9]。该单片机具有高性能、低成本、低功耗的特点[10]，同时搭载的3.2寸TFT液晶屏可以实时显示试验过程中力学特性的变化规律。图5为该控制系统的结构示框图。

2.2.1 信号放大电路设计

信号放大电路由负电压产生电路和信号放大器组成[11]。

负电压产生电路由78L08稳压芯片和ICL7660S电压变换器组成。该芯片具有线性度和稳定的增益，能够满足电压转换的需求。

信号放大器采用OP07芯片组建。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路[12]，其低失调、高开环增益的特性适用于放大传感器的微弱信号。拉压力传感器输出电压振幅范围0～20mV，而A/D转换的输入电压要求为3.3V，因此放大环节要有165倍左右的增益。差动放大电路如图6所示。

图5 控制系统结构框图

图6 差动放大电路

2.2.2 A/D转换电路设计

A/D转换电路选用AD0809芯片设计。AD0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件，它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，将信号放大器传来的模拟信号转换成数字信号传到上位机显示。

2.3 软件系统设计

软件系统主要是上位机通讯程序的设计，通过Microsoft Visual C++6.0开发环境和C#等编程语言设计开发了上位机数据采集接收界面[13-14]。通过STM32主控制器与上位机之间的串口通信，能在上位机数据采集接收界面实现试验数据的实时显示、历史查询、数据下载、曲线绘制等功能，可以通过上位机数据采集接收界面实时观察大葱茎秆的运动过程和受力状态。上位机界面如图7所示。

图7 上位机界面

3 试验与结果分析

大葱茎秆起拔力试验使用上述自制茎秆力学特性测试仪进行，其主要技术参数如表1所示。

表1 大葱茎秆起拔力测试仪主要技术参数

为了测定起拔力模块的精度，选用不同质量的标准砝码，分别在万能试验机和该测试系统上进行对比测量，结果如表2所示。

表2 起拔力模块精度测试

由表2可知：该测试仪起拔力模块的测量精度为0.90%，优于万能试验机的测量精度；但是，在稳定性方面，万能试验机的误差波动更小。

试验样品选取山东农业大学葱姜蒜试验站收获期的元藏大葱，取样时间为2016年10月20号到11月16号，每隔5天进行1次试验。每次试验结束后，将试验样品称重，然后将其放入烘干机干燥，计算其含水率。图8是大葱茎秆含水率随时间的变化规律。

图8 茎秆含水率的变化

由图8可知：这段时间内，大葱茎秆含水率下降约10%。这表明，距收获期越近，大葱茎秆的含水率越低。其原因是：天气比较干燥，土壤含水率相对较低，植株逐渐老化。

进行起拔力试验的同时，对土壤的相关参数进行了测量，包括土壤硬度、含水率及容重。测得的结果为土壤硬度155psi(磅/平方英寸)、含水率22.23%、容重1.25g/cm3。

在实际测量中，选取直径为14.5mm(±0.2mm)的大葱茎秆为试验对象，在松土的前提下，使用起拔力测试仪测量不同加载速度下大葱茎秆受力的变化规律。速度分别设定为20、30、40mm/min，F-T曲线如图9所示。

图9 不同加载速度大葱茎秆的F-T曲线

由图9可知：在一定范围内，随着加载速度的增大，起拔力从110N增大到160N，拔取大葱所需的时间逐渐变短。这是由于大葱植株的纤维化程度越来越高，使大葱茎秆的韧性、强度不断增大。

在取样期间内，针对不同含水率的大葱茎秆，在松土的前提下，选取直径相同的大葱进行起拔力试验，加载速度统一设定为30mm/min。结果显示：随着生长期的增长，大葱茎秆的起拔力逐渐增大。为进一步反应茎秆起拔力变化的规律，将大葱茎秆生长时间因素转换为含水率，通过MatLab软件拟合出茎秆起拔力与含水率之间的函数关系式，即

F=0.07856X2-12.615X+568.24

R=0.986

式中F—大葱茎秆起拔力(N)；

X—大葱茎秆含水率(%)；

R—拟合系数。

由函数关系式可知：大葱茎秆的起拔力与含水率之间大致呈二次函数关系，拟合系数为0.986。

4 结论

1)针对大葱在输送夹持中的断茎、堵塞等问题，设计了便携式数控大葱起拔力测试系统，采用拉压力传感器、夹持装置、控制器一体化的结构，有效减小了试验台的体积与质量，可以带到大葱生长现场进行试验。试验系统的加载速度和夹持装置根据需要均可调节，采集数据的测试精度0.90%，满足试验要求。

2)通过Microsoft Visual C++6.0开发环境和C#等编程语言设计开发的上位机数据采集接收界面，较好地完成了试验数据曲线的实时显示与存储，减轻了试验数据处理的劳动强度。

3)通过对大葱茎秆的相关试验可以看出：大葱茎秆的含水率随收获期的临近而降低，并且随着受力速度及含水率的不同而呈现出不同的力学特性。对于直径相同的大葱，在一定范围内，受力速度增大，拔取大葱的起拔力增大；含水率降低，拔取大葱的起拔力增大。