图1为仿形弹性镇压辊^[15], 其主要结构参数如下:直径D=450 mm; 宽度B=210 mm; 弹性辐条数量n=12; 仿形弹性镇压辊是通过内置对称双排弹性辐条结构实现仿形功能的镇压装置; 辊筒和中心轴采用弹性辐条连接, 安装时每根弹性辐条都有一定预紧力; 在镇压辊两侧的支架安装有KTR-50 mm微型自复位电子尺, 电子尺滚轮接头与镇压辊滚筒内侧紧贴, 且有1/2的预压缩量。电子尺能将线位移信号转化成电信号, 通过杆尺的伸缩测量镇压辊的垂直偏心量, KTR-50 mm微型自复位电子尺与YW-50W5V10A(铝盒)开关电源相连组成闭合回路, 采用DH5923型动静态应变仪采集试验数据, 并通过1394接口与计算机相连, 将采集的信号传输到计算机, 图2为信号采集系统现场图。采用SC-900土壤坚实度仪对试验土壤坚实度进行测量, 获得0~100 mm内各土壤层的土壤坚实度。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 仿形弹性镇压辊Fig.1 Profiling elastic press roller

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 信号采集系统Fig.2 Signal acquisition system

(1)在不同载荷条件下进行仿形弹性镇压辊的镇压试验, 用KTR-50 mm微型自复位电子尺测得镇压辊的偏心量, 然后用SC-900土壤坚实度仪对不同深度土壤的坚实度进行测量, 并记录数据。

(2)进行不同载荷下的静态压板试验, 同样用SC-900土壤坚实度仪对不同深度土壤的坚实度进行测量, 记录下数据。

(3)建立仿形弹性镇压辊偏心量与土壤坚实度、静载荷与土壤坚实度之间的关系, 通过等效土壤坚实度建立仿形弹性镇压辊偏心量与镇压力之间的关系, 进而通过测量仿形弹性镇压辊偏心量实现对镇压力的实时测量。

2.1.1 试验设计

试验于2016年8月在吉林大学工程仿生教育部重点实验室的室内土槽进行, 土槽长为40 m、宽为2.8 m、深为1.8 m, 室内土槽温度为22.5° C。采用Eye-Tech型土壤粒子特性分析系统测得最小颗粒直径为0.001 mm, 约占18.9%; 最大颗粒直径为0.25~1.00 mm, 约占3.01%; 土质均匀; 采用TRF-1C土壤有机质含量检测仪测得土槽土壤有机质含量为1.231%, 为典型的东北地区黄粘土。

试验用的主要仪器设备:土槽台车测试系统、SC-900型土壤坚实度仪(测量深度为0~45 cm, 屏幕所显示的深度以每次2.5 cm或者1英寸的差额递增)、MS-350型水分测定仪(测量范围为0到饱和, 分辨率为1%, 精度为3%)、KTR-50 mm微型自复位电子尺(量程为50 mm, 精度为0.05%)、仿形弹性镇压辊、TRF-1C土壤有机质含量检测仪等。

如图3所示, 采用土槽试验台车挂接镇压辊进行镇压试验, 土槽试验台车自带液压悬挂系统, 最高速度为3 m/s, 单程运行距离为30 m。本文中试验设定镇压辊的运动速度为0.2 m/s。试验前, 采用旋耕机对试验场地进行旋耕, 旋耕深度为120 mm。采用SC-900土壤坚实度仪对土壤的坚实度进行测试, 采用TDR-300型水分测试仪对土壤含水率进行测试, 本文试验在3种干基含水率(13.9% d.b.、21.2% d.b.、27.8% d.b.)下分别进行(后文中简称含水率), 含水率21.2% d.b.处于播种时土壤最佳含水率的范围内; 含水率13.9% d.b.和27.8% d.b.分别模拟土壤干旱和潮湿的环境。若含水率不符合试验要求, 则采用现场喷雾的方法对含水率进行调节。之后重复上述环节, 直至土壤含水率达到试验设计指标, 同时要保证每次加载前的土壤参数误差控制在5%以内, 从而保证试验数据的可靠性及试验的可重复性。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 土槽试验台车Fig.3 Soil bin testing trolley system

如图1和图3所示, 仿形弹性镇压辊通过自制辊架与试验台车铰接相连, 连接后镇压辊中心轴能在纵向平面(垂直于镇压辊前进方向)内实现上下移动, 镇压辊安装后对地面初压力和镇压辊自重的共同作用使中心轴产生偏心。镇压辊镇压力的调节是通过在镇压辊轴的两侧悬挂砝码, 总载荷分10组, 分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180和200 kg, 镇压辊及辊架质量为20 kg, 相当于20 kg的砝码。镇压试验结束后, 采用SC-900土壤坚实度仪每隔1 m测量土壤表面正下方每隔25 mm处的土壤坚实度。每次试验结束后, 人工翻整土槽内土壤, 调节土壤含水率, 直到达到试验所需的条件, 共进行重复试验3次。

2.1.2 试验结果及分析

由于一般农田作物的播种深度在表土层100 mm以内^{[19, 20]}, 因此本文主要研究深度为0~100 mm内土层土壤坚实度与镇压辊偏心量及镇压力的关系。

图4(a)为不同含水率下偏心量与土壤坚实度关系图, 可以看出:在土层深度为0~100 mm内平均土壤坚实度随镇压辊偏心量的增大而增大, 该现象与Berti等^[21]提出的土壤坚实度与播种行表土层镇压力呈正相关是一致的, 且土壤含水率对偏心量与土壤坚实度的关系有较大影响, 随含水率的增大, 同一偏心量对应的坚实度有所下降。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 偏心量与土壤坚实度的关系Fig.4 Relationship between eccentricity and soil cone index

图4(b)为当土壤含水率21.2% d.b.时, 镇压辊偏心量与土壤坚实度之间关系的拟合曲线, 可以看出同一土壤含水率的土壤坚实度与偏心量呈正相关关系。根据图4(b)中的拟合曲线, 通过Origin 8.0建立土层深度为0~100 mm时平均土壤坚实度与镇压辊偏心量之间的函数关系模型, 如式(1)所示:

CI=A0+A1δ+A2δ2+A3δ3+A4δ4(1)

式中:CI为土层深度为0~100 mm的平均土壤坚实度, kPa; δ为镇压辊偏心量, mm; A₀、A₁、A₂、A₃、A₄为与土壤种类、含水率等有关的参数。

不同含水率下各参数的值如表1所示, 其中不同含水率各相关系数R²均达到了0.99以上, 表明偏心量与土壤坚实度有很高的相关性。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同含水率下的各参数值 Table 1 Coefficients of different moisture content 参数 土壤含水率 13.9%d.b. 21.2%d.b. 27.8%d.b. A0 67.3243 46.3149 26.1569 A1 -8.6228 -1.4536 4.1972 A2 4.4273 3.1647 2.3196 A3 -0.2417 -0.1666 -0.1209 A4 0.0043 0.0029 0.0022 R2 0.9984 0.9988 0.9967

表1 不同含水率下的各参数值 Table 1 Coefficients of different moisture content

2.2.1 试验设计

试验原理如图5所示, 通过在支撑筒上放置不同质量的砝码对土壤产生不同的静压压强, 来进行静态压板试验。试验中采用长为200 mm、宽为200 mm、厚为12 mm的45号钢压板和不同质量的砝码进行静态压板试验, 压板和支撑筒质量为3 kg, 试验中加载的静压总载荷及对应的静压压强如表2所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 静态压板试验Fig.5 Static pressure plate test

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 静压载荷与对应静压压强的关系 Table 2 Relationship of static load and corresponding static pressure 静压载荷/kg 静压压强/kPa 静压载荷/kg 静压压强/kPa 0 0 120 29.44 20 4.91 140 34.35 40 9.81 160 39.25 60 14.72 180 44.16 80 19.63 200 49.07 100 24.53

表2 静压载荷与对应静压压强的关系 Table 2 Relationship of static load and corresponding static pressure

试验时将压板水平放到达到试验要求的土壤表面, 分10组载荷加载, 当砝码加载到设定载荷时, 保压2 s后卸载。采用SC-900土壤坚实度仪测量压板正下方每隔25 mm处的土壤坚实度。每次试验结束后人工翻整土槽内土壤, 调节土壤含水率, 直至土壤含水率达到试验设计指标且保证每次加载前的土壤参数误差控制在5%以内, 从而保证试验的可重复性和试验数据的可靠性。本文试验在3种含水率(13.9% d.b.、21.2% d.b.、27.8% d.b.)下分别进行, 且试验分别在3种不同含水率的条件下进行重复试验3次。

2.2.2 试验结果及分析

静压压强与下陷量的关系图如图6所示, 当土壤含水率一定时, 压板的下陷量跟静压载荷成正相关性, 载荷加载到39.25 kPa(160 kg)之后, 下陷变化量趋于平缓增大; 土壤含水率对下陷量有较大的影响, 载荷一定时压板的下陷量随土壤含水率的增大而增大。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 静压压强与下陷量的关系图Fig.6 Relationship between static pressure and sinkage

图7(a)为静压压强与土壤坚实度之间的关系, 可见当土壤含水率相同时, 土壤坚实度随着静压压强的增大而增大; 当静压压强相同时, 土壤坚实度随土壤含水率的增加而有所下降。图7(b)为土壤含水率为21.2% d.b.时静压压强与土壤坚实度之间的拟合关系, 土壤坚实度随静压压强的增加而增大。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 静压压强与土壤坚实度的关系Fig.7 Relationship between static pressure and soil cone index

对静压压强-土壤坚实度数据进行拟合, 通过Origin 8.0建立土层深度为0~100 mm时的平均土壤坚实度与静压压强的函数关系模型, 如式(2)所示:

CI=B0+B1P+B2P2+B3P3+B4P4(2)

式中:CI为土壤坚实度, kPa; P为静压压强, kPa; B₀、B₁、B₂、B₃为与土壤种类、含水率等有关的参数。

不同含水率下各参数值如表3所示, 其中不同含水率各相关系数值R²均达到了0.99以上, 表明静态压力和土壤坚实度有很高的相关性。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同含水率下的各参数值 Table 3 Coefficients of different moisture content 参数 土壤含水率 13.9%d.b. 21.2%d.b. 27.8%d.b. B0 36.8333 26.2169 16.5899 B1 4.8911 5.2693 4.9833 B2 0.3675 0.3403 0.3495 B3 -0.0048 -0.0044 -0.0046 R2 0.9993 0.9996 0.9996

表3 不同含水率下的各参数值 Table 3 Coefficients of different moisture content