CN103335765A - 机动可调式生物秸秆起拔力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，包括机架、设置在机架上的支撑架和步进电机、设在步进电机输出轴上的第一线轮、设在支撑架上的第二线轮、起拔套筒、起拔杆、一端与起拔杆连接的钢丝绳、设在起拔套筒和起拔杆之间的拉力传感器、与拉力传感器信号输出端连接的数据采集卡、与步进电机控制端连接的控制器，钢丝绳的另一端通过第二线轮转向后固定在第一线轮上，起拔套筒内通过紧固螺栓固定连接有起拔夹组，起拔套筒位于支撑架一侧，第一线轮位于支撑架另一侧。本发明能够有效的降低测量的人工劳动强度，对户外测试有良好的适应性，采集的数据可为生物秸秆收获机械设计提供参考。

Description

机动可调式生物秸秆起拔力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及生物秸秆根系力学特性测量技术领域，具体地指一种机动可调式生物秸秆起拔力测量装置及测量方法。

背景技术

生物秸秆如麻类、树苗、烟草、棉花等除用于生产再生生物质能源外，还可用于造纸、制作人造板等，具有巨大的经济效益。一些生物秸秆根系在土壤养分、水分和土质合适的情况下生长相当发达，与土壤结合紧密，需要较大起拔力才可将其拔出。同时，由于生物秸秆主茎粗细不一致、枝杈多等原因，致使人工收获强度极大，因此需要采用生物秸秆收获机械进行收割。然而由于不同土壤环境下拔取生物秸秆需要的力和角度都不相同，所以在生物秸秆机械设计或田间工作前，需要进行生物秸秆起拔力的测量，并根据测量结果设定生物秸秆收获机械的相关起拔参数。

目前，国内外关于生物秸秆根系力学特性的测量研究尚处于起步阶段，诸多研究表明生物秸秆在起拔过程中需克服土壤与根系之间的摩擦力和黏着力等，起拔力的大小与种植的土壤情况、生物秸秆的生长情况、生物秸秆直径、起拔角度等因素有关。然而，迄今为止的测量装置多数为人工施力，因此不仅费时费力，而且人工施力不稳定，难以确保拉力能够匀速加载，甚至很有可能产生扭矩，测量过程有较大误差。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种机动可调式生物秸秆起拔力测量装置及测量方法，该装置和方法能够有效的降低生物秸秆起拔力测量的人工劳动强度，提高测量结果的准确性，对户外测试有良好的适应性，采集的数据可为生物秸秆收获机械设计提供参考。

为实现此目的，本发明所设计的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：它包括机架、设置在机架上的支撑架和步进电机、与步进电机输出轴连接的减速箱、与减速箱连接的第一线轮、设置在支撑架上的第二线轮、设有起拔夹的起拔套筒、起拔杆、一端与起拔杆连接的钢丝绳、设置在起拔套筒与起拔杆之间的拉力传感器、与拉力传感器信号输出端连接的数据采集卡、与数据采集卡连接的电脑、与步进电机控制端连接的控制器，其中，所述起拔套筒和第一线轮分别位于支撑架的两侧，所述钢丝绳的另一端通过第二线轮转向后固定在第一线轮上。

所述机架上还设有用于测量起拔套筒起拔角度的弧形刻度尺。

所述机架上还设有滑槽和锁紧螺钉，所述支撑架位于滑槽内并通过锁紧螺钉与机架连接。

上述技术方案中，它还包括四个均与机架螺纹连接的支撑螺杆座，所述每个支撑螺杆座上均螺纹连接有上锁紧螺母和下锁紧螺母。

所述起拔套筒的两侧面还设有安装孔，所述起拔夹包括两块均设有挡销和锁紧孔的夹板及锁紧螺栓，所述每块夹板的中间均弯折成圆弧状，所述两块夹板呈相对向布置，所述两个挡销分别插入两个安装孔内，所述锁紧螺栓位于锁紧孔内。

所述支撑架的顶部设有第二线轮安装板，所述第二线轮安装板沿高度方向设有多个第二线轮安装孔，所述第二线轮通过第二线轮安装孔与支撑架连接。

所述起拔杆、拉力传感器和起拔套筒位于同一轴线上。

一种利用上述机动可调式生物秸秆起拔力测量装置的生物秸秆起拔力测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将生物秸秆主茎放入起拔夹中夹紧，通过控制器使步进电机旋转，步进电机带动减速箱向第一线轮输送扭力；

步骤2：第一线轮转动并通过钢丝绳依次带动起拔杆、拉力传感器和起拔套筒移动，从而将生物秸秆主茎拔出；

步骤3：起拔套筒和起拔杆之间的实时拉力值通过拉力传感器输送到数据采集卡，同时记录起拔套筒此时对应的起拔角度；

步骤4：通过调整支撑架在机架上的相对位置，使得起拔套筒的起拔角度发生改变后，重复步骤1~3得到多组不同起拔角度下的实时拉力值；

步骤5：对多组实时拉力值和起拔角度进行数据处理后，即完成对生物秸秆起拔力的测量。

所述步骤1中的扭力为1800~2200 N。

所述起拔套筒的起拔角度控制在20°~70°。

本发明的有益效果为：

1）本发明采用机械化生物秸秆起拔测量方式，相比传统的人工起拔测量方式，明显提高了测量效率。

2 ）本发明结构简单，组装拆卸方便，便于携带，对野外开展的生物秸秆起拔力测量试验具有良好的适应性。

3 ）本发明中夹持组件采用起拔夹组与起拔套筒的配合，提高了起拔过程中的直线性和对中性，更加直观有效的反映出生物秸秆起拔时根系与土壤间的力学关系。

4）本发明中起拔组件采用杠杆原理，采用柔性钢丝绳绕过线轮的方式起拔生物秸秆，有效的降低了机器产生的震动，同时也避免了人工起拔可能带来的扭矩变动，使得采集的数据更加真实准确。

5）本发明测量方法得到的不同起拔角度下的生物秸秆起拔力为后续的生物秸秆起拔、收获机械的设计提供了可靠的依据。

6）本发明中生物秸秆起拔力的实时测量程序采用LabVIEW图形化编辑语言进行编程，可实现对传感器输出信号的实时采集、运算、显示和保存，提高了试验数据采集的便捷性和准确性。

7）本发明中生物秸秆起拔力数据采集采用NI USB-6009型数据采集卡通过USB总线驱动，只需与笔记本电脑相连，无需外接电源，有效的解决了户外测量试验的电源提供问题，降低了试验的复杂程度。

附图说明

图1为本发明装置部分的结构示意图。

图2为本发明装置部分的主视结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为图2的俯视图。

图5为本发明中起拔套筒部分的结构示意图。

图6为本发明中步进电机部分的结构框图。

图7为本发明中拉力传感器部分的结构框图。

图8为本发明中夹板部分的结构示意图。

其中，1—挡销、2—起拔夹、2.1—夹板、2.2—锁紧孔、3—起拔套筒、3.1—安装孔、4—拉力传感器、5—起拔杆、6—第二线轮、7—钢丝绳、8—步进电机、9—第一线轮、10—支撑架、11—机架、12—支撑螺杆座、13—上锁紧螺母、14—数据采集卡、15—控制器、16—弧形刻度尺、17—下锁紧螺母、18—减速箱、19—电脑、20—滑槽、21—锁紧螺钉、22—第二线轮安装板、23—第二线轮安装孔、24—锁紧螺栓。

具体实施方式

以下结合附图并以棉花秸秆的具体实施为例对本发明作进一步的详细说明：

本发明设计的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，如图1~8所示，它包括机架11、设置在机架11上的支撑架10和步进电机8、与步进电机8输出轴连接的减速箱18、与减速箱18连接的第一线轮9、设置在支撑架10上的第二线轮6、设有起拔夹2的起拔套筒3、起拔杆5、一端与起拔杆5连接的钢丝绳7、设置在起拔套筒3与起拔杆5之间的拉力传感器4、与拉力传感器4信号输出端连接的数据采集卡14、与数据采集卡14连接的电脑19、与步进电机8控制端连接的控制器15，其中，起拔套筒3和第一线轮9分别位于支撑架10的两侧，钢丝绳7的另一端通过第二线轮6转向后固定在第一线轮9上。

上述技术方案中，机架11上还设有用于测量起拔套筒3起拔角度的弧形刻度尺16。

上述技术方案中，机架11上还设有滑槽20和锁紧螺钉21，支撑架10位于滑槽20内并通过锁紧螺钉21与机架11连接。此结构中，支撑架10通过滑槽20与机架11实现滑动配合，可以用来改变起拔套筒3的起拔角度。

上述技术方案中，它还包括四个均与机架11螺纹连接的支撑螺杆座12，每个支撑螺杆座12上均螺纹连接有上锁紧螺母13和下锁紧螺母17。上锁紧螺母13位于机架11的顶端，下锁紧螺母17位于机架11的底端。上述结构同样可以用来改变起拔套筒3的起拔角度。

上述技术方案中，所述减速箱18为蜗轮蜗杆减速箱，所述第一线轮9通过蜗轮蜗杆减速箱连接步进电机8。根据已有文献记载，棉花秸秆的拉拔阻力约为1500N左右，所以需要有较大扭矩的电机，而且这个力是瞬时力，存在的时间很短，为了能够准确地将其采集出来，在步进电机8的输出端加了一个速比为1:50的蜗轮蜗杆减速箱，上述蜗轮蜗杆减速箱被集成到了步进电机8的壳体内。

上述技术方案中，所述数据采集卡14通过USB（Universal SerialBUS，通用串行总线）数据总线连接电脑19。电脑19接收数据采集卡14内的棉花秸秆起拔力信息，并将起拔力信息显示出来。

上述技术方案中，起拔套筒3的两侧面还设有安装孔3.1，起拔夹2包括两块均设有挡销1和锁紧孔2.2的夹板2.1及锁紧螺栓24，每块夹板2.1的中间均弯折成圆弧状，两块夹板2.1呈相对向布置，两个挡销1分别插入两个安装孔3.1内，锁紧螺栓24位于锁紧孔2.2内。本发明采用同轴布置的2个起拔夹2，如图5所示，可使起拔力的测试结果更加精确。所述每块夹板2.1的中间圆弧的半径优选为12mm，两块夹板2.1的两个中间圆弧所形成的空间可容纳主茎直径为15mm~27mm的棉花秸秆，在此区间内棉花秸秆的夹紧效果较好。该装置可制作不同直径范围的起拔夹，以满足不同直径范围生物秸秆的起拔需要。

上述技术方案中，支撑架10的顶部设有第二线轮安装板22，第二线轮安装板22沿高度方向设有多个第二线轮安装孔23，所述第二线轮6通过第二线轮安装孔23与支撑架10连接。通过将第二线轮6安装在不同的第二线轮安装孔23上也可以实现改变起拔套筒3的起拔角度。

上述技术方案中，起拔杆5、拉力传感器4和起拔套筒3位于同一轴线上。这样能保证测量结果的准确性。

上述技术方案中，拉力传感器4的型号为CKY-1S型，数据采集卡14的型号为NI-USB6009型，步进电机8的型号为86HD0440型。

一种利用上述机动可调式生物秸秆起拔力测量装置的生物秸秆起拔力测量方法，以棉花秸秆的起拔力测量为例，包括如下步骤：

步骤1：将棉花秸秆主茎放入起拔夹2中夹紧，通过控制器15使步进电机8旋转，步进电机8带动减速箱18向第一线轮9输送扭力；

步骤2：第一线轮9转动并通过钢丝绳7依次带动起拔杆5、拉力传感器4和起拔套筒3移动，从而将棉花秸秆主茎拔出；

步骤3：起拔套筒3和起拔杆5之间的实时拉力值通过拉力传感器4输送到数据采集卡14，同时记录起拔套筒3此时对应的起拔角度；上述拉力值即为棉花秸秆的起拔力。

步骤4：通过调整支撑架10在机架11上的相对位置，使得起拔套筒3的起拔角度发生改变后，重复步骤1~3得到多组不同起拔角度下的实时拉力值；

步骤5：对多组实时拉力值和起拔角度进行数据处理后，即完成对棉花秸秆起拔力的测量。

上述起拔角度的改变也可以通过控制机架11与地面之间的距离来调整，机架11与地面之间的距离可以通过调整上锁紧螺母13和下锁紧螺母17在支撑螺杆座12上的位置来实现。

上述技术方案中，步骤1中的扭力为1800~2200 N。此扭矩为以往文献记载的经验值。

上述技术方案中，所述起拔套筒3的起拔角度控制在20°~70°。该起拔角度可以进行无极调节。

上述技术方案中，步进电机8的转速控制在0.5r/min~4r/min。与之对应的起拔棉花秸秆的线速度范围为1.57mm/s~12.56mm/s。

上述技术方案中，步骤5所述的数据处理可将多组实时拉力值和起拔角度输入电脑19中进行处理即可。

本发明中上述处理后的数据为棉花秸秆机的相关起拔参数的设定提供了准确的参考。

Claims (10)

1.一种机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：它包括机架（11）、设置在机架（11）上的支撑架（10）和步进电机（8）、与步进电机（8）输出轴连接的减速箱（18）、与减速箱（18）连接的第一线轮（9）、设置在支撑架（10）上的第二线轮（6）、设有起拔夹（2）的起拔套筒（3）、起拔杆（5）、一端与起拔杆（5）连接的钢丝绳（7）、设置在起拔套筒（3）与起拔杆（5）之间的拉力传感器（4）、与拉力传感器（4）信号输出端连接的数据采集卡（14）、与数据采集卡（14）连接的电脑（19）、与步进电机（8）控制端连接的控制器（15），其中，所述起拔套筒（3）和第一线轮（9）分别位于支撑架（10）的两侧，所述钢丝绳（7）的另一端通过第二线轮（6）转向后固定在第一线轮（9）上。

2.根据权利要求1所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：所述机架（11）上还设有用于测量起拔套筒（3）起拔角度的弧形刻度尺（16）。

3.根据权利要求1所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：所述机架（11）上还设有滑槽（20）和锁紧螺钉（21），所述支撑架（10）位于滑槽（20）内并通过锁紧螺钉（21）与机架（11）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：它还包括四个均与机架（11）螺纹连接的支撑螺杆座（12），所述每个支撑螺杆座（12）上均螺纹连接有上锁紧螺母（13）和下锁紧螺母（17）。

5.根据权利要求1或2或3所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：所述起拔套筒（3）的两侧面还设有安装孔（3.1），所述起拔夹（2）包括两块均设有挡销（1）和锁紧孔（2.2）的夹板（2.1）及锁紧螺栓（24），所述每块夹板（2.1）的中间均弯折成圆弧状，所述两块夹板（2.1）呈相对向布置，所述两个挡销（1）分别插入两个安装孔（3.1）内，所述锁紧螺栓（24）位于锁紧孔（2.2）内。

6.根据权利要求1或2或3所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：所述支撑架（10）的顶部设有第二线轮安装板（22），所述第二线轮安装板（22）沿高度方向设有多个第二线轮安装孔（23），所述第二线轮（6）通过第二线轮安装孔（23）与支撑架（10）连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的机动可调式生物秸秆起拔力测量装置，其特征在于：所述起拔杆（5）、拉力传感器（4）和起拔套筒（3）位于同一轴线上。

8.一种利用权利要求1所述机动可调式生物秸秆起拔力测量装置的生物秸秆起拔力测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将生物秸秆主茎放入起拔夹（2）中夹紧，通过控制器（15）使步进电机（8）旋转，步进电机（8）带动减速箱（18）向第一线轮（9）输送扭力；

步骤2：第一线轮（9）转动并通过钢丝绳（7）依次带动起拔杆（5）、拉力传感器（4）和起拔套筒（3）移动，从而将生物秸秆主茎拔出；

步骤3：起拔套筒（3）和起拔杆（5）之间的实时拉力值通过拉力传感器（4）输送到数据采集卡（14），同时记录起拔套筒（3）此时对应的起拔角度；

步骤4：通过调整支撑架（10）在机架（11）上的相对位置，使得起拔套筒（3）的起拔角度发生改变后，重复步骤1~3得到多组不同起拔角度下的实时拉力值；

步骤5：对多组实时拉力值和起拔角度进行数据处理后，即完成对生物秸秆起拔力的测量。

9.根据权利要求8所述的生物秸秆起拔力测量方法，其特征在于；所述步骤1中的扭力为1800~2200 N。

10.根据权利要求8或9所述的生物秸秆起拔力测量方法，其特征在于；所述起拔套筒（3）的起拔角度控制在20°~70°。

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