一种茎秆摩擦系数测定试验台及摩擦系数预测方法

1.本发明属于茎秆摩擦系数测定技术领域，具体涉及一种茎秆摩擦系数测定试验台及摩擦系数预测方法。


背景技术：

2.我国是一个农业大国，农业秸秆资源丰富，但农业生产中秸秆的处理一直是个令人头疼的问题。以前人们总是就地焚烧，随着时间推移，秸秆就变成了农田的肥料。可是焚烧之后所剩的成分对提升土地肥力没有多大作用，反而因为燃烧产生了大量二氧化碳而污染了空气，随后秸秆处理方法被逐渐禁止。经调研农业生产中的秸秆可被用作家畜饲料，农作物收获以后，秸秆中含有大量的植物纤维，可以被用作饲料来喂养家畜；不仅节省了购买人工饲料的成本，还可以废物利用。秸秆还可被作为工业原料使用，在现代工厂中，需要大量的生产原料，生产纸张、酒精、建材和一次性包装盒，这些原料都来自农业生产中的秸秆，完全解决了原料的问题，又可帮助农民有了一定的收入。此外，秸秆还可作为农村新型能源，一般农村生产中的秸秆，都是晒干了之后粉碎做饲料或者生火使用，现在可以用秸秆发酵制取沼气，生产新燃料；不仅农民有了可使用的新能源，还进一步减少了污染。因此，打捆后收集田间茎秆，以便物尽其用，对保护生态环境和提高农民收益，具有较大意义。
3.现阶段，国产打捆机在工作过程中，故障频发，作业性能不稳定，究其原因是因为，相关基础理论研究不深入，物料压缩过程不明晰，亟待对农业物料压缩过程开展深入的研究，为提高国产打捆机作业性能提供理论支持。由于秸秆与打捆机内壁相互作用过程中涉及到秸秆与内壁的摩擦，现有装置仅是根据在常规室温下的温度测试得到摩擦系数，来选取参数来设计相关装置；而田间试验结果表明，不同温度下秸秆与内壁的摩擦系数是变化的；因此，通过试验阐明不同温度下秸秆与内壁的摩擦系数的变化规律，对优化打捆机相关工作参数，提高打捆机工作性能具有重要意义。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种茎秆摩擦系数测定试验台及摩擦系数预测方法。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种茎秆摩擦系数测定试验台，包括：
7.主轴，主轴上端安装有二自由度滑槽，二自由度滑槽下部安装有滑槽，滑槽下部固定夹片一，夹片一下方设有夹片二；所述二自由度滑槽沿z轴和x轴方向移动，滑槽沿y轴方向移动；
8.滑台，包括联接件、滑块、丝杆轴和步进电机，联接件与滑块连接，滑块套在丝杆轴上，丝杆轴与步进电机连接；
9.温湿度调节系统，包括温湿度传感器、试验台外壳、加湿器、暖风机和控制显示系统，温湿度传感器、加湿器和暖风机均设置在试验台外壳内部；
10.所述联接件上的通孔底端中心点与夹片二顶点的连线与水平面平行；
11.所述滑槽底端通过垫板五安装压力传感器，所述联接件末端安装有拉力传感器。
12.上述技术方案中，所述联接件为中空结构，且靠近主轴的一侧设有通孔，通孔上端穿入螺栓。
13.上述技术方案中，所述丝杆轴两侧设有支撑轴，所述滑块套在支撑轴上。
14.上述技术方案中，所述联接件通过垫板四与滑块顶端连接。
15.上述技术方案中，所述二自由度滑槽通过垫板一安装在主轴上。
16.上述技术方案中，所述滑槽利用垫板二安装在二自由度滑槽下端。
17.上述技术方案中，所述压力传感器下端安装有垫板三，垫板三底端固定夹片一。
18.一种茎秆摩擦系数预测方法，具体为：
19.所述茎秆摩擦系数测定试验台在测定茎秆摩擦系数的过程中，获取茎秆直径d1、含水率s、测试环境温度w、测试环境湿度t以及静摩擦系数和动摩擦系数，建立摩擦系数预测非线性计算模型：
20.u＝a β1d1 β2s β3w β4t β5d1s .....
21.其中：a、β1、β2、β3、β4、β5均为常数，利用茎秆摩擦系数测定实验获取；u表示摩擦系数；
22.检验摩擦系数预测非线性计算模型中每一项对应的p值，剔除非显著项，确定摩擦系数预测模型，利用未参与建模的数据验证摩擦系数预测模型，当与茎秆摩擦系数测定试验台得到的茎秆摩擦系数一致，确定最终的摩擦系数预测模型；
23.将需要预测摩擦系数的茎秆直径、含水率、测试环境温度和测试环境湿度带入最终的摩擦系数预测模型，得到茎秆的摩擦系数。
24.本发明的有益效果为：本发明的茎秆摩擦系数测定试验台，能够真实模拟不同温湿度条件下茎秆的摩擦系数测定所处的环境，温湿度以及对茎秆测试的拉力、压力可控，能满足对监测不同温湿度茎秆摩擦系数性能测试的要求；本发明还可根据测量数据，建立摩擦系数测量数学模型，用于直接预测茎秆的摩擦系数。本发明可为茎秆摩擦系数监测装置的研发、性能试验提供试验依据，对提高茎秆摩擦系数监测装置性能的稳定性、保证茎秆摩擦系数监测装置作业质量有重要意义。
附图说明
25.图1为本发明所述茎秆摩擦系数测定试验台主视图；
26.图2为本发明所述茎秆摩擦系数测定试验台侧视图；
27.图3为本发明所述滑台俯视图；
28.图4为本发明所述二自由度滑槽的结构示意图；
29.图5为本发明所述联接件的结构示意图；
30.图中：1-主轴，2-垫板一，3-二自由度滑槽，4-垫板二，5-滑槽，6-压力传感器，7-垫板三，8-夹片一，9-夹片二，10-平台，11-底座，12-角件，13-联接件，14-拉力传感器，15-支撑板，16-垫板四，17-支撑轴，18-滑块，19-底板，20-丝杆轴，21-联轴器，22-步进电机，23-垫板五。
具体实施方式
31.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
32.如图1、2、3所示，本发明的茎秆摩擦系数测定试验台包括主轴1、垫板一2、二自由度滑槽3、垫板二4、滑槽5、压力传感器6、垫板三7、夹片一8、夹片二9、平台10、底座11、角件12、联接件13、拉力传感器14、支撑板15、垫板四16、支撑轴17、滑块18、底板19、丝杆轴20、联轴器21、步进电机22和垫板五23。
33.主轴1底端通过角件12固定在平台10上，主轴1上端固定垫板一2，垫板一2安装有二自由度滑槽3(如图4所示)，通过调节二自由度滑槽3上的旋钮，实现二自由度滑槽3沿z轴方向和x轴方向移动，z轴方向移动距离的范围是0-180mm，x轴方向移动距离的范围是0-80mm；二自由度滑槽3上安装垫板二4，垫板二4下端安装滑槽5，滑槽5的移动方向沿y轴，滑槽5沿y轴方向移动距离的范围是0-150mm；滑槽5底端通过垫板五23安装压力传感器6，压力传感器6下端安装垫板三7，垫板三7底端固定夹片一8，夹片一8下方的平台10上固定有夹片二9，利用二自由度滑槽3和滑槽5，使夹片一8在竖直方向与夹片二9对齐。压力传感器6用于监测夹片一8和夹片二9相互挤压时对茎秆产生的压力参数。
34.联接件13、拉力传感器14、支撑板15、垫板四16、支撑轴17、滑块18、底板19、丝杆轴20、联轴器21和步进电机22组成一个滑台。
35.滑块18同时套入支撑轴17和丝杆轴20，本实施例中支撑轴17设有两根，且支撑轴17位于丝杆轴20两侧，丝杆轴20一端通过联轴器21与步进电机22连接，步进电机22在控制显示系统27的控制下，传递转矩使滑块18在规定速度下进行水平运动；丝杆轴20另一端通过支撑板15进行支撑，且支撑板15固定在平台10上；支撑轴17一端通过支撑板15进行支撑，另一端通过电机法兰片进行支撑，电机法兰片固定在平台10上，且电机法兰片上安装步进电机22。支撑板15和电机法兰片内侧连接有底板19，底板19通过螺母安装在平台10上部。
36.滑块18顶端通过螺母与垫板四16一端连接，垫板四16另一端连接有联接件13，且联接件13处安装有拉力传感器14；如图所5示，联接件13为中空结构，且靠近主轴1的一侧设有通孔，通孔上端穿入螺栓，农业物料茎秆一端穿入通孔，并通过螺栓压住；通过联接件13完成对茎秆水平方向上的拉动，拉力传感器14用于监测滑台对于茎秆产生的拉力参数。联接件13通孔底端中心点与夹片二9顶点的连线与水平面平行，且联接件13通孔底端中心点与夹片二9顶点的水平距离在0-99mm范围内。
37.本发明的茎秆摩擦系数测定试验台还包括温湿度传感器、试验台外壳、加湿器、暖风机和控制显示系统，温湿度传感器、试验台外壳、加湿器、暖风机和控制显示系统组成温湿度调节系统，温湿度传感器、加湿器和暖风机均设置在试验台外壳内部，温湿度传感器实时采集试验台外壳内部的温湿度，并发送给控制显示系统，控制显示系统控制加湿器和暖风机的工作。
38.压力传感器6和拉力传感器14采集的数据实时传输给控制显示系统。
39.通过温湿度调节系统设置不同的温湿度，测试茎秆在不同温湿度情况下摩擦系数的变化规律，环境的温度可在-10-100℃范围内调节、环境湿度可在0-95％范围内调节，茎秆摩擦系数的测量过程，具体如下：
40.s1，测量测试样品茎秆，确定茎秆含水率s和茎秆直径d1，调节二自由度滑槽3上的
旋钮，使得夹片一8向下移动，将茎秆一端放在夹片一8和夹片二9之间，另一端固定在联接件13上；然后利用试验台外壳将茎秆罩住，为了方便滑台的工作，试验台外壳上开设有供联接件13伸入的通孔；
41.s2，通过温湿度调节系统设置所需的试验温度t和湿度w，温湿度传感器实时监测环境温湿度，控制显示系统控制暖风机启动加湿器和暖风机的工作，以保持测试环境温度t和湿度w稳定；
42.s3，调节二自由度滑槽3，同时启动步进电机22，控制显示系统27记录压力传感器6的测量值fn和拉力传感器14的测量值fs；
43.s4，通过t检验，剔除fn和fs的异常值，利用式(1)计算得到静摩擦系数和动摩擦系数：
44.u＝fn/(2fs)
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(1)
45.其中u代表摩擦系数，利用公式(1)计算静摩擦系数时，fn选取实验初始阶段拉动茎秆瞬间较大的测量值；利用公式(1)计算动摩擦系数时，fn选取茎秆被拉动过程中稳定的测量值；fn测量值在0-20n。
46.在利用茎秆摩擦系数测定试验台获取静摩擦系数和动摩擦系数的过程中，利用实验数据还可建立摩擦系数预测模型，建模步骤如下：
47.s1，利用全部因素参与建立摩擦系数预测模型，建立形如式(2)的摩擦系数预测非线性计算模型：
48.u＝a β1d1 β2s β3w β4t β5d1s .....
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(2)
49.其中：a、β1、β2、β3、β4、β5均为常数，利用农业物料茎秆摩擦系数测定实验获取；
50.s2，检验摩擦系数预测非线性计算模型中每一项对应的p值，对应项p值＞0.05的剔除掉，剩余的项组成摩擦系数预测模型；
51.s3，利用未参与建模的数据进行试验结果验证，即未参与建模的数据验证的摩擦系数预测模型与茎秆摩擦系数测定试验台分别得到的茎秆摩擦系数一致，确定最终的摩擦系数预测模型，在茎秆摩擦系数预测时，直接将茎秆直径、含水率、测试环境温度和测试环境湿度带入确定的摩擦系数预测模型，得到茎秆的摩擦系数。
52.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。