水稻插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：為了準(zhǔn)確測(cè)量插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的各項(xiàng)性能參數(shù)，研究各參數(shù)對(duì)移箱機(jī)構(gòu)工作性能的影響，研制了一套基于LABVIEW虛擬儀器的移箱機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)裝置。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、機(jī)械系統(tǒng)、移箱機(jī)構(gòu)、加載系統(tǒng)和檢測(cè)顯示系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)了螺旋軸速度可調(diào)以及工作過(guò)程中的螺旋軸轉(zhuǎn)速、滑塊加速度、速度等信號(hào)實(shí)時(shí)采集與顯示，并且能夠保存和回放相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：移箱機(jī)構(gòu)；性能；LABVIEW；試驗(yàn)臺(tái)

中圖分類號(hào) S223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）13-151-04

移箱機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)中的重要機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的插秧均勻度，滿足農(nóng)藝要求。插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能參數(shù)優(yōu)劣將決定機(jī)器是否滿足插秧要求[1-3]。隨著高速水稻插秧機(jī)工作效率的提高，現(xiàn)代高速水稻插秧機(jī)向著高速大型化發(fā)展，插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)的負(fù)荷越來(lái)越大，勢(shì)必造成螺旋軸兩端反向段的齒槽和滑塊的沖擊加大，螺旋幅的磨損增加，尤其是滑塊的磨損和疲勞破壞增加，減少了移箱機(jī)構(gòu)的壽命。移箱機(jī)構(gòu)的壽命、耐磨等性能對(duì)插秧機(jī)的工作有至關(guān)重要的影響。為了更好地分析和研究水稻插秧機(jī)的移箱機(jī)構(gòu)，可以利用試驗(yàn)裝置對(duì)移箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)裝置中的傳感器以及數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)工作過(guò)程中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集和顯示。

國(guó)內(nèi)的插秧機(jī)性能研究方法主要有整機(jī)下田試驗(yàn)和性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)[4]。下田試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力以及時(shí)間，目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)有插秧機(jī)綜合性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置，主要用于對(duì)插秧機(jī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。但是針對(duì)插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能檢測(cè)的試驗(yàn)裝置非常少，無(wú)法對(duì)移箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能檢測(cè)，從而很難生產(chǎn)出可靠的移箱機(jī)構(gòu)。因此，需要設(shè)計(jì)出專門(mén)針對(duì)插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，用來(lái)代替原來(lái)的通過(guò)仿真軟件進(jìn)行的仿真分析或者整機(jī)試驗(yàn)，對(duì)制造出的移箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，以分析其性能，為建立移箱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，其研制成功有利于加速產(chǎn)品實(shí)用化的步伐，有利于促進(jìn)水稻種植機(jī)械化的發(fā)展，為我國(guó)水稻插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)的研制提供快速的實(shí)驗(yàn)研究手段。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗(yàn)臺(tái)主要是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)、移箱機(jī)構(gòu)、加載系統(tǒng)和檢測(cè)顯示系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工作過(guò)程是：?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變頻器將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速，等待螺旋軸的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，再開(kāi)啟PC機(jī)電源。電機(jī)動(dòng)力通過(guò)皮帶副傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸與螺旋軸之間通過(guò)銷(xiāo)連接，傳動(dòng)軸將動(dòng)力帶給螺旋軸，螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的橫向運(yùn)動(dòng)，滑塊通過(guò)連接支架與載荷架相連，滑塊帶動(dòng)載荷架在導(dǎo)軌上橫向移動(dòng)，載荷質(zhì)量塊安裝在載荷架上，通過(guò)載荷架連接螺栓連接，可以通過(guò)不同的載荷質(zhì)量塊之間的組合來(lái)滿足不同的插秧機(jī)要求。轉(zhuǎn)速傳感器安裝主架體上，用來(lái)采集傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)，加速度傳感器安裝在滑塊上，采集滑塊的加速度信號(hào)，經(jīng)積分的到滑塊的速度信號(hào)。傳感器模塊采集到的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集調(diào)理得到相關(guān)信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)相關(guān)線路傳動(dòng)至計(jì)算機(jī)，當(dāng)螺旋軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即有信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。通過(guò)LABVIEW語(yǔ)言編程，即可在計(jì)算機(jī)上顯示出圖形。

轉(zhuǎn)速傳感器安裝在傳動(dòng)軸上，用于測(cè)量螺旋軸工作時(shí)的轉(zhuǎn)速；加速度傳感器安裝在滑塊上，同滑塊一起運(yùn)動(dòng)，測(cè)得滑塊的加速度數(shù)據(jù)之后，通過(guò)加速度與碰撞力的關(guān)系得到碰撞力數(shù)據(jù)。

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圖1 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意

注：1.主架體，2.導(dǎo)軌連接螺栓，3.導(dǎo)軌，4.三軸加速度傳感器，5.載荷架連接螺栓，6.載荷架，7.連接支架與載荷架連接螺栓，8.軸承一，9.連接支架，10.連接支架與滑塊連接螺栓，11.滑塊，12.滑塊蓋，13.滑塊蓋與滑塊連接螺栓，14.螺旋軸，15.轉(zhuǎn)速傳感器連接螺栓，16.轉(zhuǎn)速傳感器，17.傳動(dòng)軸，18.軸承二，19.皮帶輪一，20.皮帶，21.皮帶輪二，22.電動(dòng)機(jī)。

2 關(guān)鍵部件選擇與設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)螺旋軸運(yùn)動(dòng)，螺旋軸最高轉(zhuǎn)速為n=400r/min，軸安裝軸承段最小的軸徑為D=15mm，螺旋軸材料為40Cr，該材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為35-55MPa，這里選取[τT]=40MPa[5]。軸有效功率計(jì)算如下：

[τΤ=TWT≤τΤ] （1）

[9 550Pn?πD316≤τΤ] （2）

則有

[P≤[τΤ]?n?πD39 550×16] （3）

將數(shù)據(jù)代入公式并計(jì)算得

[P≤1.25Kw] （4）

式中，式中，WT-抗扭截面系數(shù)；T-扭矩。

根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)為1.5kW，型號(hào)為Y90S-2，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

[名稱＼電動(dòng)機(jī)＼型號(hào)＼Y90S-2＼功率（kW）＼1.5＼額定轉(zhuǎn)速（r/min）＼2 840＼額定轉(zhuǎn)矩（N·m）＼2.3＼]

2.2 變頻器 該試驗(yàn)臺(tái)采用了1臺(tái)功率為1.5kW的MM440變頻器（西門(mén)子中國(guó)有限公司）調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度，表2為該變頻器的各項(xiàng)性能參數(shù)。該變頻器調(diào)試簡(jiǎn)單并具有完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。變頻器與工控機(jī)之間通過(guò)通用的串行接口協(xié)議（USS）進(jìn)行通信，該通信方式允許總線上連接一個(gè)主站和最多31個(gè)從站，便于工控機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變頻器的通信。圖2為設(shè)定的變頻器USS通信報(bào)文結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)對(duì)ADR、PKW和PZD的操作可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變頻器的運(yùn)行方式、輸出頻率進(jìn)行設(shè)定，并可以讀取變頻器的故障、過(guò)載、實(shí)際輸出頻率等信息，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性[6-8]。

表2 變頻器性能參數(shù)

[名稱＼變頻器＼型號(hào)＼6SE6440-2UD21-5AA1＼電動(dòng)機(jī)額定輸出功率（kW）＼1.5＼輸出功率（kV·A）＼3.0＼]

[STX＼LGE＼ADR＼PKW＼PZD＼BCC＼]

圖2 變頻器USS通信報(bào)文結(jié)構(gòu)

注：STX為報(bào)文開(kāi)始標(biāo)志；LGE為報(bào)文長(zhǎng)度說(shuō)明；ADR為變頻器地址；PKW為參數(shù)識(shí)別標(biāo)記ID；PZD為變頻器控制與檢測(cè)區(qū)；BCC為校驗(yàn)和。

2.3 傳感器 該試驗(yàn)臺(tái)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在傳動(dòng)軸上，通過(guò)它采集螺旋軸工作時(shí)轉(zhuǎn)速的變化情況；將加速度傳感器安裝在滑塊上，通過(guò)它采集滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度變化情況，從而得到相應(yīng)的碰撞力變化情況，圖3、圖4為傳感器的安裝示意圖，表3為傳感器的性能參數(shù)。具有精度高、反應(yīng)快、非接觸、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣[9-10]。三軸加速度傳感器具有體積小和重量輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)[11]。

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圖3 轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意

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圖4 加速度傳感器安裝示意

表3 傳感器性能參數(shù)

[名稱＼轉(zhuǎn)速傳感器＼加速度傳感器＼型號(hào)＼GT-1＼BMA250＼量程＼0～12 000r/min＼0～±16g＼輸出方式＼SPI，I2C＼NPN集電極開(kāi)路接2K上拉電阻＼工作電壓（V）＼+5～+15＼1.2～3.6＼響應(yīng)頻率（Hz）＼0～200＼8～1000＼]

2.4 數(shù)據(jù)采集卡 該系統(tǒng)采用PCI 2013A帶緩存數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡（研華科技中國(guó)有限公司）采集扭矩信號(hào)和拉壓力信號(hào)，該數(shù)據(jù)采集卡常用的測(cè)量與控制功能有：16路單端或8路差分模擬量輸入；采樣速率可達(dá)100kHz；2路12位模擬量輸出；16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出。PCI 2013A卡上有一個(gè)可存儲(chǔ)8 kB A/D采樣值的FIFO先入先出緩沖器，當(dāng)FIFO半滿時(shí)，板卡產(chǎn)生一個(gè)中斷，該特性為檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和加速度信號(hào)的高速采集提供了保證。數(shù)據(jù)采集卡前端采用A37D接線端子板降低模擬信號(hào)的輸入噪聲和信號(hào)間的交叉干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力[12]。

2.5 軟件系統(tǒng) 本系統(tǒng)檢測(cè)軟件使用美國(guó)NI公司的LABVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成的。LABVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，功能強(qiáng)大且靈活，有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，可實(shí)時(shí)、直接地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，適用于測(cè)量和控制儀器或系統(tǒng)的組建和控制，是一種面向最終用戶的開(kāi)發(fā)工具。由于虛擬儀器關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設(shè)備連接比較容易實(shí)現(xiàn)。而且虛擬儀器可以方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用連接，還可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多用戶數(shù)據(jù)共享[13-17]。

采用LABVIEW程序開(kāi)發(fā)的螺旋軸的轉(zhuǎn)速采集界面如圖5所示。

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圖5 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集操作面板

插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)操作面板主要包括螺旋軸轉(zhuǎn)速曲線顯示、滑塊加速度曲線顯示、滑塊速度曲線顯示及數(shù)據(jù)采集報(bào)警等功能。試驗(yàn)過(guò)程中將通過(guò)PCI 2013A數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)和加速度信號(hào)實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)，并在數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)報(bào)警。

采用LABVIEW程序開(kāi)發(fā)的螺旋軸的轉(zhuǎn)速采集界面如圖6所示。

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圖6 加速度信號(hào)采集操作面板

2.6 加載系統(tǒng) 插秧機(jī)秧箱由于體積較大，安裝不方便，不方便將其放置在試驗(yàn)臺(tái)上。因此需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)可以替代其功能的部件或者機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)給關(guān)鍵部件加載來(lái)模擬該部件在工作過(guò)程中受力狀態(tài)。試驗(yàn)中的加載方式多種多樣，有重力加載、液壓加載、氣壓加載等等?？紤]到成本和是否滿足試驗(yàn)要求，這里選擇的加載方式是使用質(zhì)量加載塊進(jìn)行加載。加載部分，如圖7所示，由載荷架、加載質(zhì)量塊和導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌如圖8。載荷架安裝在導(dǎo)軌上，可以沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，導(dǎo)軌是固定在試驗(yàn)臺(tái)上的。載荷架通過(guò)連接支架和移箱部分中的滑塊連接在一起的，載荷架模擬了秧箱對(duì)滑塊的作用力，通過(guò)改變加載質(zhì)量塊的組合便能改變所加載荷大小，方便可靠。

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圖7 加載機(jī)構(gòu)

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圖8 加載機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌

3 結(jié)論

（1）在LABVIEW虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一種插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)；可以對(duì)插秧機(jī)螺旋軸轉(zhuǎn)速和滑塊加速度信號(hào)進(jìn)行高速采集與處理并實(shí)時(shí)顯示和保存；具有良好的可操作性和人機(jī)交互界面。

（2）另外設(shè)計(jì)出相應(yīng)的加載部分，用來(lái)模擬移箱機(jī)構(gòu)在工作工程中所受到的秧箱的作用力。

（3）應(yīng)用該性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了螺旋軸轉(zhuǎn)速對(duì)插秧機(jī)工作性能影響試驗(yàn)，得到螺旋軸在不同的轉(zhuǎn)速下插秧機(jī)的工作性能，并進(jìn)行比較得出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

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