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土壤和耕作研究第171卷，2017年8月，第1 - 8页 采用经典力学定律的一种功率估计器伊曼艾哈迈迪显示更多/10.1016/j.still.2017.04.006获得权利和内容突出了建立了一种综合耕作机的功率需求模型。这一模型是由先前的两种模型的修改设计的。这些公式被输入到Excel文件中，以简化计算。大多数结果对机器的要求是合理的。抽象的积极的和被动的耕作工具的整合会带来一些好处。在本研究中，采用一种理论方法研究了一种综合主动-被动耕作机的功率要求。为了实现这一目标，两种先前的模型都是关于扶轮的电力需求将舵柄和一种底子进行了改进，并将其结合在一起，以对联合机器的功率要求进行预测。通过与其他研究人员取得的实验结果进行比较，验证了对综合估计量的验证。根据该研究的结果，在预测力、旋转功率、拉杆功率和综合主动-被动耕耘机(1993年)的试验数据中，估计的误差百分比分别为16%、47%、6%和3%。此外，从本文所开发的估计器和Chamen等人的实验研究中，得出了类似的旋转功率占总功率的比例，以及类似的容积能量消耗。此外，在本研究中估计的力矩与对Anpat和Raheman(2017)的研究，以及在本研究中估计的草案和权力的估计，以及对shinner等人的研究中，都有一些有希望的关联。最后，考虑到本文所获得的数据与2001年的Manian和Kathirvel的研究结果之间的相关性，本研究中所提出的评估者预测了该机器的受力、功率、总功率和所需扭矩值。然而，它高估了牵引力的价值，特别是当机器的前进速度很低时。综上所述，大多数估计量输出与其他研究者获得的结果一致。关键字综合耕作机;主动和被动实现;美国专利商标局和牵引的力量1。介绍一个耕耘机可以被归类为一个活跃的机器或者是一个被动的工具。当一种主动耕作机(一种驱动的实现)所需的旋转功率通过拖拉机动力(PTO)轴(PTO)获得时，一种被动的耕作机(一种牵引装置)只需要开拖拉机的拉杆功率(Srivastava等，2006年)。考虑一个活跃的耕作机，它的叶片在垂直的平面上旋转，而它的电源(即拖拉机)正向前直向右移动。旋转叶片和土壤之间的相互作用使土壤的松散程度大大降低，但与此同时，该操作产生了负的牵引力，机器往往会降低其工作深度。另一方面，如果一种被动的耕作机器有一个具有锐角的叶片，那么叶片和土壤之间的相互作用，就会加深机器的工作深度，增加执行力(McKyes,1985;Godwin和O dogherty,2007)。因此，为了减少耕作实施的强制要求，将主动和被动耕作机结合起来形成一个综合的主动-被动耕作方法似乎很有希望。因为在这个组合中，主动实现的负的力的作用，提供了被动机器的部分力的需求，被动的实现的操作稳定了活动的工作深度，而不增加额外的深度稳定镇流器(Anpat和Raheman,2017)。在过去的三十年中，研究人员试图研究这种耕作机的不同方面。这些方面包括综合机器对耕作土壤和收获作物产量的影响(Chamen et al .，1979年;Weise,1993年)，以及对联合执行(Chamen et al .，1979;Shinners et al .，1993;1993;1993;Manian和Kathirvel)的电力需求的计算Anpat和Raheman,2017年。几乎所有的研究都是在实验过程中进行的，目的是评估主动-被动耕作机的功率要求。这方面的一个例外是由俄罗斯科学家(Bernacki et al .，1972)所做的工作，他们开发了许多计算所需能量的理论公式。因此，在本研究中，通过对Ahmadi(Ahmadi,2016;Ahmadi,2017)提出的两种理论模型的修改和结合，开发了一种主动被动耕作的功率估计器。其中一种理论模型是用来计算旋转耕耘机(一种主动耕作工具)所需的旋转功率，另一种则是用来估计有翼的亚索勒(一种无源耕作机)的拉杆功率需要。2。材料和方法2.1。本研究中所开发的功率估计器的基本组成部分该机器被认为是一种主动被动的耕作工具，由旋转的舵柄和一种亚索勒(图1)组成;因此，它的功率估计器是通过修改和组合旋转舵柄的功率计算器(Ahmadi,2017)和一种亚索勒(Ahmadi,2016)来开发的。图1所示。主动-被动耕作机的简图。需功率作为输出。土壤参数包括凝聚力(c)、内摩擦角()和容积密度()。机器参数包括转子半径(R),叶片长度(提单)和宽度(BW),每个法兰的叶片数(Nb),法兰的数量(Nf)和soil-metal摩擦角旋耕机();和宽度的深耕犁翼(W),宽度(b)和厚度(t)的柄(据推测深耕犁分享宽度也等于b,图中所示。1),数量的小腿(N),机翼的表面积(一个),和soil-metal摩擦角()长翅膀的深耕犁。工作状态参数包括速度(v),角速度(),和工作深度为旋耕机(d);和前进速度(v),土壤垂直在动摇(h),扰动土重叠相邻小腿的百分比(OP),和工作深度(h)有翼的深耕犁。为了自动化执行必要的计算，所有的数学公式都被输入到Excel电子表格中(Excel,Microsoft Corporation,Redmond,Wash .);因此，用户应该只输入输入参数的值，以获得估计量输出。2.2。对集成估计器所需的修改有必要修改最终的估计量，以使由旋转叶片的动作产生的负向力。此外，由于第二机器的叶片是主动被动的，它必须影响第一个机器的叶片前耕作的土壤，土壤参数的值(即。c、和)第二机器必须不同于第一个。根据Ahmadi(2017年)提出的方法，字母P被选择来命名一个旋转舵柄的叶片施加于切割土壤上的力量。这种力对操作旋转舵柄所需扭矩的大小有显著影响。然而，这个力的值随叶片的角度变化而变化。根据牛顿运动的第三定律，如果P的水平分量的平均值是计算出来的，那么这个叶片就会产生负的气流。因此，使用下面概述的程序估计旋转舵柄的负力。2用于参数的视觉定义):把时间跨度从土壤旋转叶片时的即时满足时即时到达最深点的路径到十个同样大小的片段,并计算相应的长度减少每个期间的土壤部分使用过程由艾哈迈迪(2017)。根据Ahmadi(2017年)所提出的，计算所需的力来切割土壤的i - th段。计算的水平分量。影片通过乘以cos(P)(P后获得过程由艾哈迈迪(2017)。焦油乘以中央致力于第i部分切土角(i rad)。计算。计算叶片使用该公式所产生的平均负牵伸力。利用旋转舵叶的数量，获得机器的负压。图2所示。用于计算旋转舵柄的参数的细节。使用微软Excel软件自动计算此过程，导致该研究中使用的主动-被动估计器的首次修改。为了实现主动-被动估计量的第二次修改，我们考虑了Schjonning和Rasmussen(2000)进行的研究结果。他们比较了直接钻孔和犁板土壤的土壤强度和土壤孔隙特征。研究的土壤包括粗糙的沙质土壤、砂质壤土和淤泥质壤土。他们用叶片剪切试验仪测量了现场土壤的剪切强度。此外,单独的土壤样本用于测量土壤容重和土壤孔隙特征以及估算土壤凝聚力和内摩擦剪切环在实验室方法。基于研究的结果Schjonning拉斯穆森,三个转换系数被定义为相关的凝聚力,内部摩擦,耕种土壤的容重的相应参数直接钻土。因此，这些转换系数(表1)用于改变未耕作土壤的土壤强度和体积密度参数(用于第一个机器的功率估计量)到耕作土壤的相应参数(用于第二机器的功率估计量)。表1。用于将土壤强度参数和体积密度与未耕作的土壤参数相关联的换算系数。土壤结构内聚系数系数内摩擦系数体积密度系数粗粒度0.85 1 0.96中等粒度0.9 0.9 0.95细粒度0.95 0.8 0.94Table optionsOsunbitan等人(2005)也报道了类似的耕作效应，在尼日利亚西南部的一个loamy沙地土壤中。为了方便地检查和利用最终的估计量，改进的估计量，即Excel电子表格文件，作为补充材料附加在本文中。此外，由于所需的计算是基于使用Excel软件的宏特性进行的迭代和重复过程来执行的，用户应该首先启用创建的宏。然后，应该输入变量参数的值，包括转换系数的值。此外，为了有可能任意选择符合土壤条件的实现，分别考虑了整数“1”和“2”分别作为被动和主动实现。在实践中，除了原始土壤的参数外，这些整数中的一个应该给估计量，这样，主动和被动机器的土壤参数就能正确地调整(参考附件的Excel电子表格文件)。2.3。验证了本研究中所开发的功率估计器通过将书面程序的输出与其他研究人员的获得结果进行比较，验证了功率估计量。3。结果与讨论3.1。主动-被动速度和深度比对估计负力的影响Shinners等人(1993年)说，从综合耕作中开发出更高的负气流，具有更大的速度和主动-被动深比。从这一角度对估计量进行了分析，改变了估计量的工作状态参数的值，从而使三种不同的速度比(2.1:1,4.2:1,6.2:1)和三种不同的深度比值(0.25:1,0.5:1,0.75:1)，而其他参数的值不变。此外，不变的参数值与在Manian和Kathirvel(2001)的研究中使用的值相同。然后，根据速度和深度比估计出的不同组合产生负的牵伸力。所得的结果在图中得到了总结。3。图3所示。负向力变化趋势作为主动-被动速度和深度比的函数。唯一可以从图中推断出来的点。3是估计负向力的变化趋势作为速度和深度比的函数，这是由Shinners等人给出的上述评论所提出的。3.2。估计量输出和Weise结果的比较(1993)魏斯(1993年)进行的这项研究的主要目的是测量在淤泥壤土和淤泥质粘土中使用一个有翼的耕作器和一个旋转的耕耘所需要的力量。通过对该产品的精确检验，表明该品种的表面积和翼展分别为4815cm2和60厘米，而该品种的4个小腿均有72cm的工作宽度。此外，旋转舵柄由59个叶片组成，每个桨叶的切割长度为5厘米，在一个假想圆筒的表面上呈螺旋形，半径为25.4厘米。在现场测试中，主动和被动实现的深度分别为10和25厘米，分别为前进和角速度和281转转速(即主动-被动速度比为14.9，主动-被动深度比为0.4)。研究结果表明，该电机的工作宽度为10kn;旋转叶片的负压强度接近2.8 kN。此外，主动电机的旋转功率要求约为45.6千瓦，被动实现的拉杆功率需要接近16.7千瓦。Weise研究的另一个重要结果是，在主动-被动机器的总功率要求中，前进速度增加到35千瓦。为了比较得到的研究结果，以及其他研究人员的实验报告与估计量的相应输出，估计了估计量输入参数的值，如表2所示。表2。用于需要比较的估计量的输入参数的值。名称定义(a)(b)(c)(d)(e)转子的半径(m)0.254 0.19 0.0.75 0.26转子的叶片长度(m)0.05 0.13 0.13 0.025 0.05转子的叶片宽度(m)0.03 0.03 0.05 0.03nb每个法兰的叶片数()1 1 2 4 6nf法兰的旋耕机()59 5 10 2 8转子的角速度(rad / s)29.43 23 10.48 2.1 10 14.15活动机器的工作深度(m)0.1 0.06至0.1 0.1 30 0.15土壤凝聚力(kPa)201019 10土壤内摩擦角(度)30 25 24.3 25 25土壤容重(克/立方厘米)1.4 0.7 1.2 1.316 1.7 1.7(cm)60 8到13 7.5 5 15底土的b宽度(cm)3 3 3 3 1.8底板厚度(cm)4 44 4 7.3n的深耕犁柄()4 5 3 4 4soil-metal摩擦角(度)20 15 15 15 20亚索勒翼的表面积(cm2)4815 4000 4815 1000v向前速度(km / h)2。8到3。6土壤垂直变化(cm)3 3 3 3op扰动土壤重叠百分比(%)0 0 0 0h工作深度的被动工具(cm)2512 20 19到30 20cc土壤内聚力系数()0.95 0.9 0.95 0.9 0.9c土壤内摩擦系数()0.8 0.9 0.8 0.9 0.9c土壤容重系数()0.94 0.95 0.94 0.95 0.95根据表2的列(a)所给出的值来设置它的输入时，估计器产生如下输出。网眼拉杆每一米的宽度=，被动实现的拉拔力= 15.6 kW，活动机的旋转功率= 68 kW，负力= 2.7 kN草案,机器的总功率要求= 84千瓦，机器的总功率要求= 105千瓦，提高机器的总功率要求，提高工作速度= 21千瓦。根据取得的结果，在预测力、旋转功率、拉杆功率和检验机器负压的估计误差百分比分别为16%、47%、6%和3%。因此，考虑到综合耕作机的拉杆力和功率要求，开发的估计器的性能是准确的，但是当要求旋转功率的估计时，估计量应该得到仔细的利用。3.3。用anpat和Raheman(2017年)开发的模型的结果来比较估算器输出结果Anpat和Raheman(2017)提出了一些数学方程式(Eqs .(1)-(3)关于联合品种- rotavator机器的力、扭矩和功率要求。他们利用从实验中获得的数据进行非线性回归分析，并在被检查的机器在土壤中填满砂质粘土的土壤中，进行了非线性回归分析。方程的变量考虑Anpat和Raheman土壤圆锥指数的比率的圆周速度旋转叶片的前行速度机(即主被动速度比)、中耕机工作深度的比值旋耕机工作深度(即passive-active深比),和机器的工作宽度:方程(1)TurnMathJaxonequation(2)TurnMathJaxonequation(3)P=Dv+TTurnMathJaxonW是机器的工作宽度(cm)，CI是土壤锥指数(kPa)，DR是主动-被动速度比和钝化-主动深度比，分别是D、T和P，分别是所需的力(N)、力矩(Nm)和总功率(W)。不幸的是，直接比较Anpat和Raheman所获得的结果和在这里开发的估计量的输出是不可能的，因为估计量基于它们的方程不是土壤锥指数函数。然而，如Vaz等人所述，有几个方程将土壤物理性质，如含水量和体积密度与土壤锥指数联系在一起。这些方程可以作为连接公式，使上述的比较是合理的。Jakobsen和Dexter(1987)开发了一种合适的连接公式(Eq .(4)，用于将土壤的体积密度和体积含水量与圆锥指数联系起来。方程(4)公关= exp(0.89 + 3b15.98v)把MathJaxon公关是土壤圆锥指数(MPa),bis土壤体积密度(克/立方厘米),和v土壤体积含水量(立方厘米/立方厘米)。考虑到土壤含水量在研究Anpat和Raheman 10.5%(干基),并将它转换为v使用公式,其中是干燥的土壤容重,bto公关联系起来的最终方程可用。现在，利用表2的列(b)给出的数据，对Anpat和Raheman的结果进行了合理的比较，并且可以执行这里所开发的估计量的输出。在图的三个部分。对考虑到的综合机器的力、扭矩和总功率要求进行了上述比较。Fig. 4.在本研究中所开发的估计力(a)、力矩(b)和总功率(c)之间的相关关系，以及在AnpatRaheman(2017)研究中所开发的不同深度比的模型。Figure options在这三个数字中，最主要的趋势线是宽度更宽的机器(即W = 65厘米)，下趋势线是工作宽度较窄的机器(即W = 41厘米)。4a表明，在这里所开发的估计器的深度比是非常低的。因为在图中显示的每一行。4a的斜率非常小(m = 0.077和0.068)。(注:虽然似乎拟合线的坡度不大，但ANOVA测试在5%的概率水平上证实了相反的结果。为了运行ANOVA测试，每个回归线的输出和该行的截距值相等被认为是统计零假设，并且程序运行。在每种情况下，零假设都被拒绝了，这意味着每个斜角的角度都是有统计学意义的。此外,图的精确检测。4b表明，因为图中所示的线的确定系数。4b是高的(R2 = 0.918和0.928)，这些线的斜率接近1(m = 0.842和0.636)，尤其对于更宽的工作宽度的机器(R2 = 0.918和m = 0.842)，估计者和Anpat和Raheman开发的模型预测了被认为的机器的扭矩值。最后，从图中可以推导出重要的点。4c是由Anpat和Raheman开发的模型的总功率与深度比的灵敏度非常低。因为每个点都有相似的形状和颜色。4c几乎是在假想的垂直线上。同样，虽然看起来拟合线的坡度不大，但方差分析在5%的概率水平上进行了验证。应该指出的是，这些结论并不是绝对的，因为他们只考虑了这两种模型。换句话说，要在Anpat和Raheman(2017)的研究中开发的模型的准确性和在本研究中开发的估计量，需要进行更多的比较。3.4。用Chamen等方法对估计结果进行比较。(1979)Chamen et al.评估了一种主动-被动耕作器的性能，由动力输出驱动的转子和凿子中有刚性的shanks组成。检查的凿子位于活动转子的后面。在重型土壤中工作的能力是这台机器考虑的第一要务。此外，对活性机器进行了彻底的分析，结果表明，与其他咬合长度值相比，一段等于250毫米的咬口长度最好。为了达到这个长度，4个l形叶片在扩展法兰的一侧螺栓固定，以给转子半径0.38米，转子的角速度设定为100 rpm。在研究的结果中，有两种是关于机器的功率要求。第一个说，超过80%的机器消耗是用于旋转转子的旋转能力，第二个说在粘土壤土和淤泥粘土中，需要1117和156 kJ的能量，分别是1立方米的土壤。根据表2的列(c)给出的值调整估计量的输入参数，以比较估计值的输出。此外，将土壤转换参数应用于被动实现的土壤参数(即chisel tines)，而不是主动实现的土壤参数。根据所取得的结果，估计有85%的总功率是由活动机器的运行消耗的，而用于耕作的机器的容积能耗估计是。3.5。对估算器输出的比较，与Shinners等人获得的结果进行比较。Shinners等人测试了一种实验性耕耘机，它结合了旋转动力的耕作原理和传统的凿子在土壤中具有淤泥的土壤。他们研究了主动-被动深度和速度比的影响，以及机器性能的前进速度。他们使用了两个大直径的法兰，每一个都有6个直叶片作为活动机器(叶片的周围圆的直径为1.5米)。转子的角速度变化范围(21 - 103 rpm)，但其工作深度精确调整为30厘米。对凿子的深度和前进速度进行了设置，以使速度比的值在范围内变化(1.5 - 2.5)，深度比的值在范围内变化(1 - 1.6)。该机器的其他参数用于研究shinner等人，其值与表2列(d)所示的值相等。比较了Shinners等人得到的结果和估计量的相应输出结果。5。此图总结了速度比为1.5时获得的结果，深度比在1 - 1.6的范围内变化，而机器前进的速度已经设置为和。图5所示。在本研究中所开发的估计力(a)、PTO功率(b)和功率(c)之间的相关关系，以及在研究中发展出的模型(1993)，用于不同的深度比。图选项正如可以看到的，图中所示的线的斜率。4a和c接近1(m = 1.195和1.373)。此外，这些线的截距值与被比较的数据范围比较低(b = 1.118和1.308)，且其确定系数高(R2 = 0.969和0.951)。这些结果表明，估计器适合于预测被认为机器的力和功率要求。另一个重要的观点来自于图。5b是指每一个具有相同形状和颜色的点在水平线上。换句话说，在本文中开发的估计器中所需要的PTO功率的计算公式不依赖于深度比的参数。这一结论是合理的，因为在对Shinners的研究中，深度比的变化是由被动实现的工作深度的变化引起的，而活动机器的工作深度被认为是恒定的。因此，在考虑不同深度比率的机器时，预计会有类似的PTO功率要求(注意:尽管机器的速度比应该是恒定的)。3.6。估计量的输出和Manian和Kathirvel的结果(2001)土壤的影响,机器的功率要求和操作参数对主被动耕作机器组成的16个活跃的叶片和四个凿类型和提供改变被动的深度实施对活动的一个调查研究Manian Kathirvel。他们选择了一种黑色粘土壤土来进行实验。此外，所选的土壤和机器参数的水平与表2的列(e)所给出的值相等。比较曼恩和卡蒂维尔的研究结果与他们在本研究中所提出的估计结果相对应的结果。图6所示。估计的力(a)、力矩(b)、牵引力(c)、PTO功率(d)和总功率(e)之间的关系，使用了本研究中所开发的估计量，以及在Manian和Kathirvel(2001)研究中开发的模型。图选项从数学的角度来看,当一个相关条线的斜率之间的一个参数的值从两个模型几乎是一个获得相关条线的截距是小相比,数据比较,预计两个模型有相似的结果对参数。基于上述标准，图。6显示本研究开发的估计量将预测的值草案权力,美国专利商标局权力,所需总功率和转矩的机器相当不错(斜率值相应的行等于1.187,0.725,1.089,和0.741分别;拦截线的值等于1.8,1.599,0.769,和97.82,分别行和确定系数值都等于0.991,0.999,0.999,和0.99),但它会高估草案的价值力量,特别是当机器的前进速度很低。(注:统计方差分析证明，拟合线的斜率显示为inFig。6a在5%的概率水平上是显著的。4。结论将主动和被动耕作要素结合起来，可以提高联合机器的整体效率，利用活动机的操作产生的负气流，使机器的工作深度保持稳定等优点。因此，在本研究中，采用一种理论方法对主动被动耕作机的功率要求进行了研究。在此基础上，提出了一种对转盘的功率需要进行改进的模型，并对其进行了改进，以计算负极的计算，并引入和应用了在第二台计算机的计算器中使用的土壤转换系数。然后将修改后的模型集成起来。为了简化所需计算的执行，所有的数学公式都被输入到Microsoft Excel软件的工作表中。通过与其他研究人员取得的实验结果进行比较，验证了对综合估计量的验证。大多数估计输出结果与其他研究者获得的结果相当一致;然而，也有一些输出应该被仔细地解释，以尊重它们的使用限制。确认作者感谢那些把宝贵的时间用来检查手稿的匿名评论者。附录A。补充数据以下是本文的补充资料:引用。艾哈迈迪,2016我。艾哈迈迪利用理论的绘图模型，将土壤、机器和工作状态参数的影响用理论的吃法计算土壤研究(2016)/10.1071/sr16193(新闻艾哈迈迪,2017我。艾哈迈迪用经典力学定律的旋转力矩计算器土壤耕作，165(2017)，第137 - 143页文章视图记录在斯高帕斯引用的文章(1)Anpat Raheman,2017智慧化Anpat,h . Raheman对主动-被动组合耕作实施、农业工程的电力需求调查环绕。食物，第10期(2017年)，第4 - 13页文章视图记录在斯高帕斯引用的文章(1)Bernacki et al .,1972H。Bernacki,j . Haman,Cz Kanafojski农业机械、理论与建设，中国科学出版物对外合作中心，华沙，波兰(1972年)，第429 - 439页视图记录在斯高帕斯引用的文章(2Chamen et al .,1979后来查恩，R.F. Cope,D.F.帕特森高产旋转挖掘机的开发
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