摘要

最近燃料成本的上涨已经开始影响农场管理者的底线，使他们考虑实现节能的可能方法。传统的深松可以进行比必要的更深以减轻压实层。然而，特定地点的深松允许深松机在刺穿压实层所需的深度操作，从而减少拔模力，同时也节省燃料。本研究的总体目标是开发一种移动数据采集系统，以实时监测设备性能参数，以评估和量化特定地点耕作的能源需求。开发了一个数据采集系统来收集和监测两个特定地点耕作实验中的打滑、油耗、轴扭矩和吃水载荷数据。结果表明，与较深的深度（14 英寸）相比，较浅的深度（9 英寸）的吃水力降低了 54%，油耗降低了 17%。三个机具时间旋转实验在更长的时间间隔下产生了增加的燃料消耗、牵引载荷和轴扭矩。 Bigham Brothers Paratill® 的油耗、牵引力和扭矩分别增加了 8%、25% 和 21%，与每年和每两年轮换相比，每三年轮换一次。 Kelley 制造公司 (KMC) 行式深松机的油耗、牵引力和扭矩分别增加了 6%、24% 和 18%，与每年和每两年轮换相比，每三年轮换一次。

介绍

耕作，尤其是深耕，是一项能源密集型活动，如果经常在深处进行以改善土壤压实，则成本可能会很高。随着最近燃料价格的上涨，耕作已成为生产者更大的开支，在管理决策中应予以考虑。对设备、操作技术和机具选择进行适当调整可以提高工作效率，从而降低油耗。特定地点的耕作是一种现代耕作方法，可消除不必要的均匀深度深耕消耗过多的能量（Raper 等人，2005a）。特定地点的耕作是通过执行不超过硬质层深度的耕作来进行的。不同深度的耕作可以减少能源需求并最大限度地减少侵蚀控制所需的表面残留物的干扰（Raper 等，2005a）。雷珀等人。 (2005a) 对一个 8 公顷的田地进行了一项研究，该田地被分成 25 厘米、35 厘米和 45 厘米的耕作深度区域。拖拉机配备了安装在三点悬挂测力计上的行作物松土器，该测力计收集牵引力，用于执行特定地点的深耕作业。与 45 厘米深度相比，25 厘米和 35 厘米的耕作深度分别使拔模力降低了 59% 和 35%。与均匀深度深耕相比，25 厘米和 35 厘米的功率分别降低了 52% 和 25%（Raper 等人，2005a）。与 45 厘米深的深松相比，在 25 厘米和 35 厘米深度处的油耗降低分别为 43% 和 27%。富尔顿等人。 （1996 年）得出结论，与均匀深度耕作相比，特定地点的深松可能会减少 50% 的燃料消耗。Abbaspour-Gilandeh 等人。(2005) 还报告说，使用可变深度耕作可以分别节省 50% 和 30% 的能源和燃料使用量。

在保护性耕作系统中，表土破坏最小化，但地下土壤破坏对于减轻压实层是必要的。 Raper (2002) 研究了直式和弯腿式深松机及其对地上土壤破坏、地下土壤破坏和吃水力的影响。为了模拟现场条件，在两种不同的土壤类型中人工创建了压实层：1.) 诺福克砂质壤土和 2.) 迪凯特粘土。许多设计的单个小腿在土壤箱中进行了测试。结果表明，与直柄相比，弯腿设计柄对于两种土壤类型的拔模力都较低。雷珀等人。 (2005b) 研究了耕作时间轮作对三种不同农具的牵伸力和棉花产量的影响。使用 Kelley Manufacturing Company (KMC) 行内深松机、Bigham Brothers Paratill® 和 Bigham Brothers TerraTill® 工具进行每年、两年和三年一次的深松作业。第一年的结果表明，KMC 深松机的拔模力小于 Paratill® 和 TerraTill®。 Paratill® 创建的吃水载荷小于 TerraTill®。结果还表明，随着耕作事件之间时间的增加，吃水负荷增加。研究的第二年产生了不同的趋势，表明机具之间的牵引力没有差异。

施罗克等人。 (1982) 开发了一种系统，该系统可以监测发动机转速、变速器转速和燃油喷射器泵齿条位置，以预测性能并建议可提高机器效率的替代档位和节气门设置。微处理器的建议基于“加速，减速”操作技术，该技术建议使用更高的档位和更低的油门设置来保持所需的行驶速度以减少燃料消耗。 据报道，这种操作技术还降低了拖拉机需要 65% 或更少全额定功率的操作的发动机负载（Grisso 和 Pitman，2001 年）。尤尔等人。(1999) 开发了一种数据采集系统来监控和显示拖拉机性能，该系统还使用差分全球定位系统 (DGPS) 位置来识别低运行效率的区域。驾驶室内的显示屏为操作员提供实时信息，以帮助保持最佳操作效率。

本研究的总体目标是评估特定地点耕作的实际能源需求，以制定具有成本效益的管理策略，以便正确实施。本文的目标是 1) 开发一个数据采集系统来监测拖拉机性能参数，以及 2) 收集和分析拖拉机性能并为不同场地特定的耕作实验起草数据。

方法

数据采集系统

收集空间设备性能的能力可以成为制定农场管理决策的有益工具。开发了一种移动数据采集系统，以实时提供有关设备性能的信息。系统功能允许操作员通过图形用户界面 (GUI) 实时查看设备性能参数，并可选择将数据记录到文件中。该系统的主要组件包括便携式计算机控制台、数据采集模块和参数传感器。感兴趣的参数是：油耗、牵引力、全球定位系统 (GPS) 位置、地面速度、车轮速度和轴扭矩。

传感器

燃料消耗是用 Corrsys Datron Systems 的燃料流量计测量的。该移动装置自动测量燃油消耗并考虑柴油发动机的回油，并输出脉冲信号。 GPS 位置信息由使用广域增强系统 (WAAS) 校正的 Trimble Ag132 提供。 Dickey-John 地速雷达用于获取车辆行驶速度。大多数拖拉机的变速器中都有一个集成传感器，可提供轮速信号。行驶速度和车轮速度用于计算操作的滑差。 Binsfeld Engineering Inc. 扭矩遥测系统用于测量车轴扭矩。该系统使用附着在车轴上的应变计进行操作，信号通过发射器广播到输出模拟信号的接收器。模拟信号乘以预定常数以获得以 ft-lbs 为单位的扭矩。三点悬挂测力计设计用于通过称重传感器测量 3 个维度的吃水力：垂直、水平和侧面。测功机是安装在拖拉机和机具之间的框架设计。

信号模块

与数据采集系统兼容的信号包括模拟、数字和频率输出。 Measurement Computing™ 通用串行总线 (USB) 模块可容纳模拟、数字和热电偶信号。 这些模块结构紧凑，使系统易于在设备之间移动。 频率输出是根据传感器状态产生脉冲的信号。 这些脉冲在一定的时间跨度内被计数，从而获得频率。 油耗监测器、传输传感器和地速雷达等设备产生的频率信号由定制的 6 通道计数器板处理。 该系统总共有 8 个模拟信号、16 个数字信号、8 个热电偶和 7 个计数器信号，因此可以轻松完成传感器的扩展。

项目开发

由 KEE™ Technologies 制造的 ZYNX® X-15 计算机控制台被选作信号模块和用户之间的接口。这是一个触摸屏单元，在此类应用中无需鼠标。在 Visual Basic (VB) 中配置的程序用于收集来自各个模块的信号并将它们转换为可用值。从 GPS 输出的美国国家海洋电子协会 (NMEA) 数据字符串通过串行端口连接接收，并通过程序实时处理为可用格式。该程序有一个集成的 GUI，可显示易于使用的程序控件以及从设备收集的参数。记录选项允许您选择要记录数据的文件位置和文件名。所有文件都收集为“.txt”文件，以便于导入 ExcelTM 格式。借助 GUI 提供的即时反馈，可以轻松调整设备设置。该系统很容易在数小时内拆除并重新安装到另一台拖拉机上，证明了它的机动性。拔模力数据是用 SOMAT 2100 数据采集系统收集的，与其他参数分开。使用该系统收集的草稿数据在内部存储，然后下载到笔记本电脑。草稿系统的采样率为 25 Hz，而其他数据的采集频率为 1 Hz。两个系统之间的链接以开关的形式存在，该开关根据设备的状态向文件发出数字信号。在耕作过程中，将开关转到“on”位置，向其他系统收集的文本文件输出“1”。当耕作未进行时，开关处于“关闭”位置，向文本文件输出“0”。来自两个系统的数据在收集后合并。仅分析耕种时收集的数据。

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图2. Comparison of the Bigham Brothers TerraTill^® leg (left) and Paratill^® leg (right). *Courtesy: Bigham Brothers.

结果与讨论

多深度耕作实验

所有地块的土壤水分含量（以干基百分比计）在 10% 和 11% 之间。 表 1 显示了吃水和燃料消耗的平均值和标准偏差 (S.D.)。 结果表明 14 英寸耕作深度的吃水负荷和燃料消耗增加。 根据 SASTM 结果，9 英寸深和 14 英寸深的吃水深度之间存在统计差异。 仅通过目视检查，与 9 英寸深度相比，较深深度处的拔模力有所增加。深度仅增加 5 英寸，拔模力就增加了 120%。关于特定地点的耕作，数据显示了通过在不超过破坏土壤压实层所需深度的深度耕作来减少能源消耗的潜力。吃水载荷的减少意味着对昂贵设备的压力更小，从而延长了设备的使用寿命。

表 1. 多深度耕作实验的吃水和燃料消耗结果总结。

在燃料消耗方面，9 英寸和 14 英寸的耕作深度之间存在统计学上的显着差异（p < 0.05）。参考上面的表 1，燃料消耗随着耕作深度的增加而增加。然而，燃料消耗的差异并不像吃水力那样大。 然而，在较浅的深度，油耗降低了 17%。在特定地点的耕作方面，在比破坏压实层所需的最深深度更浅的深度进行深松作业有可能显着降低吃水负荷，从而提高燃油经济性，尤其是在大田间。

在体积燃料消耗的基础上，9 英寸深度平均为 4.4 加仑/小时，这大约是 1 加仑/交流燃料的使用量。14 英寸的耕作处理平均为 5.3加仑/小时，相当于大约 1.2 加仑/交流燃料的使用量。这些计算只考虑了耕作本身，不考虑岬角的转弯和任何潜在的空闲期。这种类型的数据可用于计算特定领域的燃料消耗，而不是作为农场总平均值，从而为生产者提供有关燃料消耗和燃料成本的更具体的信息。

耕作长寿试验

表 2 显示了三种机具的油耗、牵引力和轴扭矩的统计摘要。 表中的轮作列是指耕作事件之间的时间量，即一年一次、两年一次和三年一次。所有处理地块的土壤水分含量 (MC) 介于 9.3% 和 10.5% 之间。

表 2. 耕作寿命实验结果总结。

表 2 说明 KMC 深松机在燃油消耗、吃水和轴扭矩的机具中表现出一些较低的数字。 TerraTill® 似乎有一些较大的参数值，而 Paratill® 在中间。对于所有三个参数，在整个 TerraTill® 组中均未发现统计学差异。尽管如此，TerraTill® 的吃水和扭矩似乎从一年一次和两年一次增加到三年一次，同时油耗略有增加。三年一次的 Paratill® 似乎与所有参数的所有 TerraTill® 频率相似。结果表明，与每年和每两年一次的 Paratill® 轮换相比，三年轮换一次的油耗、牵引力和扭矩分别增加了 8%、25% 和 21%。与每年和每两年一次的 KMC 轮换相比，三年一次的 KMC 的油耗、牵引力和扭矩分别增加了 6%、24% 和 18%。然而，数据表明，所有器具每三年轮换一次的能量需求就会增加。这种趋势表明，在年度和两年一次的轮换以及三年一次的时间轮换之间发生事件的可能性。目前尚不清楚这种趋势的原因。总体而言，TerraTill® 的油耗、吃水和车轴扭矩值分别比 KMC 行内深松机高 20%、79% 和 49%。与 TerraTill® 相比，Paratill® 的油耗、吃水和车轴扭矩值分别降低了 7%、10% 和 14%。将来，将针对特定地点的耕作进行更详细的测试。将研究不同耕作机具的行进速度和深度等变量，为定点耕作机具作业的管理提供更决定性的结果。

未来的研究将包括扩展这项初步研究，以量化与均匀深度耕作相比与特定地点耕作相关的能源和成本。将收集超出本文报告的其他拖拉机性能数据。计划以不同的地速和深度操作不同的机具。 深度和速度方面的限制将有助于更好地理解特定地点耕作的正确实施。

结论

本文报告的两个实验是测试开发的数据采集系统的第一次机会。该系统被证明是准确和可靠的收集实时机器性能参数。使用该系统和 3-D 吃水载荷传感器系统收集的数据用于收集两次耕作实验的数据。两个耕作深度实验的趋势表明，在比较 9 英寸和 14 英寸耕作深度时，燃料消耗 (20%) 和牵引力 (120%) 增加。 9 英寸深度的平均燃料消耗为 4.4 加仑/小时，相当于大约 1 加仑/AC 的燃料使用量，而 14 英寸的耕作深度为 1.2 加仑/AC 的燃料使用量，平均为 5.3 加仑/小时。这些结果是预期的，并支持先前关于特定地点耕作的研究。多机具耕作寿命实验表明，TerraTill® 在所有 3 个旋转年的油耗、吃水载荷和轴扭矩方面没有显着差异。然而，随着耕作时间的增加，观察到燃料消耗、吃水载荷和轴扭矩值上升的总体趋势。总的来说，与 TerraTill® 相比，KMC 行式深松机分别实现了 44%、17% 和 33% 的吃水、油耗和轴扭矩值降低。与 TerraTill® 相比，ParaTill® 的吃水量、油耗和车轴扭矩值分别降低了 10%、7% 和 14%。这些结果表明，机具的选择会影响能源需求，而特定地点的耕作可以节省能源，从而为生产者节省成本。

参考

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