CN111351700A - 一种水田壤力学参数测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量水田壤力学参数的设备，包括垂直主动载荷加载部分，扭矩加载及测量元件组部分、控制柜、机器视觉系统、杆件与可更换的接触探头部分、支撑框架；本发明的设备可以进行水田壤的多种力学参数相关测量，并可实时给出测试结果；本发明的设备具有集成度高、结构简单、易于收纳、并适合于野外快速就位检测的特点。

Description

一种水田壤力学参数测量设备

技术领域

本发明涉及一种试验设备，尤其涉及一种针对水田壤的多种力学参数的测定以及数据采集的测量设备。

背景技术

我国农业机械化的发展速度越来越快，对新型农业机械的要求也越来越高；车轮以及动力系统是农业机械的重要组成部件，直接影响到农业机械在田间作业的行驶、工作性能的发挥，因此设计适用于农田行走的车轮，有利于提高农机在田间作业行走的挂载牵引力和驱动效率，减小车轮打滑，以及降低滚动阻力等。

另外，在水稻的耕种阶段，水田壤具有松软以及流动性强等特点，致使其承载能力差；为提高农业机械在水田壤中的工作效率及安全性，特别是在湖区，使用大型，大马力的农业机械已成普遍现象，这却进一步导致了水田泥脚年复一年越陷越深，如此往复会对水田的机械作业适应性产生严重破坏，致使农业机械沉陷，无法正常作业；因此掌握地区水田壤的各项力学特性，并据此设计适合于水田壤的车轮是缓解泥脚逐年加深的有效途径之一。

了解水田壤的力学特性是设计适合于田间行走的车轮的必要前提。与水田壤相关的力学特征主要有承载能力、圆锥指数、剪切能力及流变性等。但在水田壤就位检测的实际应用中测量过程繁琐、耗时、耗力，因此需要一种集成、简便和具有多功能的测试设备对水田壤的力学参数进行测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成、简便和具有多功能的水田壤力学参数测试设备，能够对水田壤的多个力学参数进行测试和保存。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

一种水田壤力学参数测量设备，包括支撑框架、垂直载荷加载部分、扭矩加载及测量元件部分、杆件与可更换的接触探头部分、机器视觉系统、控制柜。

所述垂直载荷加载部分包括电动推杆、电磁铁、起固定作用的加载部分上固定板、加载部分下固定板、带内螺纹的钢管、以及若干螺栓。

所述支撑框架包括仪器支撑所采用由支撑框架上固定板、支撑框架下固定板、铰链、垂直支撑杆、斜支撑杆所组成的三脚架形结构，另外包括通过支脚固定板、支脚法兰连接固定于斜支撑杆末端的丝杆千斤顶、和固定在框架结构内垂直水平面安装的三根光杆；由于水田壤松软且易流动，因此在水田壤表面容易出现沉陷，从而使得测量设备不能水平，通过摇动手摇柄调整三个丝杆千斤顶的伸长长度，可以调整探头与水田壤平面的水平度和探头距离水田壤表面的距离，减小探头的空载行程，作为仪器的主体框架，各部分都将连接至框架上。

所述扭矩加载及测量元件部分包括步进电机、行星齿轮箱、S型拉压传感器、扭矩传感器、旋转增量编码器、红外测距传感器；一块钢质扭矩加载上固定板以及铝质的扭矩加载中固定板、扭矩加载下固定板、扭矩传感器上连接法兰三根垂直支撑杆用于固定连接所述器件，其中所述钢质的扭矩加载上固定板可与电磁铁通过磁力作用连接，实现扭矩加载及测量元件部分在光杆上能够受垂直载荷加载部分推动。

所述机器视觉系统包括可见光摄像头、红外高光谱摄像头、红外发生器、集成电路板，所述机器视觉系统固定在控制柜底部；所述杆件与可更换的接触探头包括扭矩传感器下连接法兰、两端带外螺纹的光杆、用于加载砝码静止载荷的固定挡圈、通过螺纹连接杆末端的探头连接法兰、以及固定在探头连接法兰下部用于与水田壤接触作用的探头，所述探头包括不同尺寸的压板、剪切块（附图仅对剪切块做出展示），通过探头与水田壤的相互作用采集试验数据。

所述控制部分内含控制各种电控器件开启和数据采集的控制电路、外接无线数据模块和电脑端连接端口，另有外部的控制面板，供使用者直接操作仪器。

所述垂直载荷加载部分以电动推杆为中心，上下平行固定加载部分以及加载部分下固定板，板材间用三根带内螺纹的钢管及螺纹钢管连接螺栓固定，以支撑框架的上表面为基准面用载荷与支架固定螺栓将垂直载荷加载部分与支撑框架固定在一起，以达到固定电动推杆的效果；电动推杆末端连接电磁铁；同时，垂直载荷加载部分可以与支撑框架简易地进行拆分，以达到降低整台仪器的整体高度和方便运输的目的。

所述测量水田壤力学参数的设备所有与水、泥、水田壤接触部分均为铝制，钢材、铁材亦进行电镀、喷漆处理，以此达到延长使用寿命的目的。

优选地，所述扭矩加载及测量元件部分中将S型拉压传感器直接作为上下部分的连接件，同时线性轴承保证了压力能够完全作用在传感器之上的同时，扭矩尽可能小的作用于S型拉压传感器，确保了数据的准确性。

优选地，所述扭矩加载及测量元件部分在支撑框架内受光杆组约束，在整个机体与水田壤平面平行后，扭矩加载部分可以沿光杆所组成的轨道上直线运动，确保探头可以直线地压向水田壤表面。

优选地，所述探头可以快捷地进行拆卸，确保就位检测的方便性，便于实验人员快速根据实验需求更换探头。

优选地，所述电磁铁通电后连接扭矩加载及测量元件部分，使之与垂直载荷加载部分形成一个整体，在电动推杆推力的作用下，推动整个扭矩加载及测量元件部分、杆件与可更换的接触探头部分，沿着光杆滑轨垂直的压向水田壤表面记录压力传感器的压力值和位移传感器的位移值，完成水田壤压板试验和水田壤圆锥指数试验。

优选地，所述扭矩加载部分在步进电机的驱动下，驱动剪切探头于水田壤进行半圆环剪切运动，通过扭矩传感器记录旋转剪切探头受到的扭矩，记录静态载荷加载部分上的砝码质量，通过选择增量旋转增量编码器记录旋转剪切头的剪切位移，实现水田壤的剪切试验。

优选地，所述扭矩加载部分和静态载荷加载部分作为一个整体压向水田壤表面，记录砝码的质量，通过红外测距传感器记录探头开始接触水田壤表面到接触一定时间后的时间，记录探头在上述时间内的沉陷数据，实现水田壤的流变试验。

优选地，所述控制柜内单片机连接控制各种传感器，所述传感器主要包括S型拉压传感器、旋转增量编码器、扭矩传感器、红外测距传感器等，并通过对信号采集及处理，实时对水田壤的力学模型参数进行计算并对用户进行反馈；同时控制柜内的通讯芯片可以实现无线信号传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量水田壤力学参数的设备的等轴侧视图。

图2为垂直载荷加载部分的等轴侧视图。

图3为支撑框架的等轴侧视图。

图4为扭矩加载及测量元件组部分的等轴侧爆炸视图。

图5为杆件与可更换的接触探头部分的等轴侧爆炸视图。

图6为机器视觉系统的等轴侧爆炸视图。

图7为控制柜的斜视图。

附图标记说明：1垂直载荷加载部分；2载荷与支架固定螺栓；3支撑框架；4控制柜；5机器视觉系统；6杆件与可更换的接触探头部分；7连杆连接螺栓；8连杆连接螺母；9扭矩加载及测量元件部分；10插销；11加载部分上固定板；12电动推杆；13带内螺纹钢管；14加载部分下固定板；15电磁铁；16螺纹钢管连接螺栓；17支撑框架上固定板；18铰链；19斜支撑杆；20垂直支撑杆；21手摇柄；22丝杆千斤顶；23支撑脚法兰；24支撑脚固定板；25光杆；26光杆座；27光杆座固定螺栓；28支撑框架下固定板；29支撑脚固定板螺栓；30支撑架法兰螺栓；31扭矩加载上固定板螺栓；32线性轴承；33扭矩加载上固定板；34扭矩加载上固定板螺母；35固定螺杆；36红外测距传感器固定板；37红外测距传感器；38传感器固定螺栓；39键；40传感器板固定螺栓；41扭矩加载下固定板；42扭矩传感器；43扭矩传感器固定螺母；44扭矩传感器固定螺栓；45扭矩传感器上连接法兰；46限位支撑杆；47行星减速器；48定位螺母；49步进电机；50旋转增量编码器；51连接螺栓；52扭矩加载中固定板；53限位支撑杆固定螺栓；54S型拉压传感器；55扭矩传感器连接法兰；56两端带外螺纹光杆；57固定挡圈；58探头连接法兰螺母；59探头连接法兰；60探头；61探头固定螺栓；62系统盖板；63可见光摄像头；64系统外壳；65红外发生器；66集成电路板；67红外高光谱摄像头；68控制面板。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是设计一种测试方便、能够对水田壤的多个地面力学模型参数进行数据采集、回归计算的一种测量水田壤力学参数的设备。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种测量水田壤力学参数的设备，试验时可以对水田壤进行不同力学模型的数据采集和回归，建立出水田壤的不同地面力学模型，从而可以为农机具动力系统及轮系的设计提供必要的理论依据。

该测量水田壤力学参数的设备包括垂直载荷加载部分1、支撑框架3、扭矩加载及测量元件组部分9、杆件与可更换的接触探头部分6、机器视觉系统5、控制柜4。

所述垂直载荷加载部分1包括插销10、铝合金加载部分上固定板11、加载部分下固定板14、电动推杆12、带内螺纹的钢管13、电磁铁15以及所述零件连接所使用的螺纹钢管连接螺栓16若干。

所述垂直载荷加载部分通过载荷与支架固定螺栓2固定在所述支撑框架上。

所述支撑框架3主体为三脚架形结构；三脚架上方的支撑框架上固定板17和下方的支撑框架下固定板28板，于两板之间垂直水平面固定由三根光杆25组成的光杆组以供扭矩加载及测量元件部分9能够在垂直载荷加载部分1的推动下完成向下的运动；三台丝杆千斤顶22通过支撑脚法兰23和支撑脚固定板连接在支撑框架各斜支撑杆 19末端，可以在铝合金固定板材上放置水平仪，摇动手摇柄21对仪器进行角度的调整，确保其以适当的角度进行试验。

所述扭矩加载及测量元件组部分9包括线性轴承 32、扭矩加载上固定板 33、红外测距传感器固定板 36、红外测距传感器 37、键 39、扭矩加载下固定板 41、扭矩传感器42、连接法兰2 45、限位铝型材 46、行星减速器 47、步进电机 49、扭矩加载中固定板 52、S型拉压传感器 54、以及用于连接固定的如图所示螺栓、螺帽、螺杆若干组成。

所述杆件与可更换的接触探头部分6包括扭矩传感器连接下法兰55、两端带外螺纹的光杆56、固定挡圈57、探头连接法兰59、探头60、以及若干探头固定螺栓 61（图示为剪切试验所使用的探头）。

所述机器视觉系统5包括系统盖板62、可见光摄像头63、系统外壳64及集成电路板66、红外发生器65、红外高光谱摄像头67；控制柜6上有外部的控制面板68供与用户进行交互。

所述杆件与可更换的接触探头部分通过连杆连接螺栓7与连杆连接螺母8连接在一起。

进一步地，所述电磁铁 15后连接扭矩加载及扭矩加载及测量元件组部分3，使之与垂直载荷加载部分1形成一个整体，在电动推杆 12推力的作用下，推动整个扭矩加载及测量元件组部分9、杆件与可更换的接触探头部分 6，沿着光杆 25垂直的压向水田壤表面，记录S型拉压传感器 54的压力值和红外测距传感器37的位移值，完成水田壤压板试验和水田壤圆锥指数试验；扭矩加载及测量元件部分 9在步进电机50的驱动下，驱动探头 60于水田壤进行半圆环剪切运动，通过扭矩传感器 42记录扭矩大小，旋转探头60受到的扭矩，记录固定挡圈56上的砝码质量，通过旋转增量编码器 49记录探头 60的剪切旋转角度，实现水田壤的剪切试验；所述扭矩加载及测量元件组部分3通过顶部的扭矩加载上固定板 33与电磁铁 15的磁力作用连接，以在电动推杆 12推力的作用下，在支撑框架 3内上下运动完成地面力学压板试验；亦然，在电磁铁15断电的情况下扭矩加载及测量元件组部分9在自重以及加载在固定挡圈 57上的静载荷的作用下，沿光杆 25自由下降完成地面力学流变特性试验。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水田壤力学参数测量设备，包括支撑框架、垂直主动载荷加载部分、扭矩加载及测量元件部分、控制柜、机器视觉系统、杆件与可更换的接触探头部分；其中所述支撑框架包括仪器支撑所使用构成三脚架形结构的支撑铝型材、支腿铝型材，安装固定于三脚架结构之上的丝杆千斤顶、垂直水平面安装的光杆，所述支撑框架与所述水田壤力学参数测量设备的各部分通过各种连接件产生约束；所述垂直主动载荷加载部分通过载荷与支架固定螺栓固定在支撑框架上方，为部分实验提供下降的主动载荷；所述扭矩加载及测量元件部分装配在所述支撑框架内部的光杆上，通过三组共九只线性轴承与光杆发生约束，并能够沿光杆上下滑移；所述杆件与可更换的接触探头部分通过扭矩传感器下连接法兰与其上端的扭矩加载及测量元件部分连接，所述杆件与可更换的接触探头部分末端的探头在各种载荷的作用下，直接与水田壤接触作用；所述控制柜直接固定在支撑框架侧面，内部有集成电路板、单片机、存储卡、无线信号发射装置和移动设备如笔记本、手机通信的端口，是仪器的控制中心；所述机器视觉系统包括可见光摄像头、红外高光谱摄像头、红外信号发生器、集成电路板，并固定在控制柜底部。

2.根据权利要求1所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述支撑框架主体为三脚架形结构，支撑受力的三脚架结构由垂直支撑杆、斜支撑杆、铰链、支撑框架上固定板、支撑框架下固定板组成连接固定；支撑框架上固定板与支撑框架下固定板之间垂直固定垂直支撑杆，形成整体的框架结构；内部还装配有三根光杆组成作为所述扭矩加载及测量元件部分上下滑移的轨道。

3.根据权利要求1所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述扭矩加载及测量元件部分包括步进电机、行星齿轮箱、S形拉压传感器、扭矩传感器、旋转增量编码器、红外测距传感器、一块钢质的扭矩加载上固定板以及铝合金质扭矩加载中固定板、扭矩加载下固定板、三根限位支撑杆组成的框架用于固定连接所述电子器件，其中所述钢质的扭矩加载上固定板用于与电磁铁产生磁力约束，另外三组共九枚线性轴承安装于三块板件上用于保证扭矩加载及测量元件组部分在所述支撑框架上的光杆上能够自由滑动。

4.根据权利要求1所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述杆件与可更换的接触探头包括扭矩传感器下连接法兰、两端带外螺纹的光杆、用于加载砝码静止载荷的固定挡圈、连接杆末端的可拆卸法兰、以及通过螺纹固定在杆件尾端用于与水田壤接触作用的探头，所述探头包括不同尺寸的压板、剪切块，通过探头与水田壤相互作用采集试验数据。

5.根据权利要求1所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，控制柜内各单片机、电信号采集组接受由S型拉压传感器、旋转增量编码器、扭矩传感器、红外测距传感器采集的试验数据，并通过i2c通讯协议实现相互间通讯、并通过串口通讯技术将采集到的数据发送至人机交互界面所连接的微型计算机，形成控制单元间的互联网，进行模型的建立、参数的计算，而后通过所述交互界面发送至用户；所述控制柜内装备有通讯模块，可通过运营商网络将数据直接回传至实验室电脑主机中进行备份，同时大大减少数据采集周转周期；另一方面，设备自身带有数据存储空间，保证了数据的安全性；控制柜中亦设有电流传感器、保险丝，一方面作为电路的短路保护，保障了仪器使用的安全性、另一方面所测电流数值可用于进一步探究仪器电路功耗性能，作为研发机器的数据储备。

6.根据权利要求1所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述机器视觉系统工作时能由红外光谱信息准确的测量所测水田壤的含水率，并通过获取水田壤表面的空间结构、建立水田壤表面的扫描点云图、数据回传至云端电脑保存、以用于探究水田壤表面结构与力学模型之间的普遍联系。

7.根据权利要求3所述的水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述S型拉压传感器直接作为上下部分的连接件，同时定位线性轴承保证了压力能够完全作用在传感器之上的同时，扭矩尽可能小的作用于S型拉压传感器，确保了数据的准确性。

8.根据权利要求4所述的一种水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述杆件传递压力和扭矩；杆件上设有所述挡圈作为放置不同质量的砝码，以满足试验设计时能够自由设计下陷压力梯度。

9.根据权利要求4所述的一种水田壤力学参数测量设备其特征在于，所述探头通过螺纹进行拆卸，确保就位检测的方便性，便于实验人员快速根据实验需求更换探头，探头经过电镀处理，防水防腐。

10.根据权利要求2所述的一种水田壤力学参数测量设备，其特征在于，所述支撑框架上固定板上可以放置水平仪帮助实验人员对仪器是否水平放置进行判断，并做出调整，保证仪器在正确操作下进行工作。

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