番茄收獲機測產(chǎn)裝置的設(shè)計

陳明昌 魏 敏 劉 巧 張宏文 王 磊

（石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

在精準農(nóng)業(yè)體系中，準確獲取農(nóng)作物產(chǎn)量可以檢驗當年變量作業(yè)（如變量施肥、變量噴藥、變量灌溉等）和人工管理的效果，同時也能指導(dǎo)第二年播種、變量作業(yè)和科學(xué)管理。目前獲取農(nóng)作物產(chǎn)量的方式有3種：人工抽樣估產(chǎn)；根據(jù)生長條件模型或遙感模型預(yù)測作物產(chǎn)量；使用產(chǎn)量傳感器實時監(jiān)測，并獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)［1］。

歐美發(fā)達國家對玉米、大豆、小麥、棉花、土豆、甘蔗、甜菜等聯(lián)合收獲機產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的研究已經(jīng)成熟并且得到了規(guī)模化應(yīng)用［2－4］，而對番茄收獲機產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的研究還處于探索階段。中國開展精準農(nóng)業(yè)研究時間較短，目前對番茄收獲機產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的研究尚未見報道［2－4］。本研究設(shè)計了一種番茄收獲機實時測產(chǎn)裝置，實現(xiàn)了番茄收獲機實時測產(chǎn)的自動化、智能化和信息化，旨在為番茄收獲機產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的進一步研究提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點

番茄收獲機測產(chǎn)裝置由裝卸臂框架和測重框架兩部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。裝卸臂框架主要由裝卸臂長臂框架（見圖2）和裝卸臂短臂框架（見圖3）等組成，在裝卸臂長臂框架和裝卸臂短臂框架連接處設(shè)有水平液壓調(diào)節(jié)裝置，裝卸臂短臂框架上設(shè)有水平角度傳感器，裝卸臂框架內(nèi)設(shè)有輸送皮帶和輸送皮帶輪，輸送皮帶輪上設(shè)有輸送皮帶速度傳感器。測重框架主要由擋板、測重框架角度傳感器、測重皮帶、測重皮帶輪、托輥、計量輥、支撐板、重力傳感器和測重皮帶速度傳感器等組成。擋板為兩塊3mm厚度的鐵板，設(shè)置呈槽狀，測重框架角度傳感器設(shè)在擋板外側(cè)，測重皮帶及測重皮帶輪設(shè)在擋板內(nèi)側(cè)，測重皮帶的表面形狀為連續(xù)的、大小均勻的方格狀，托輥設(shè)在測重皮帶內(nèi)側(cè)，支撐板設(shè)在測重皮帶輪之間，并通過螺栓固定在擋板上，支撐板為2mm厚度的鐵板，重力傳感器固定于支撐板的上部中間位置，計量輥懸浮置于重力傳感器的正上方，測重皮帶速度傳感器設(shè)在測重皮帶輪上。測重框架設(shè)在裝卸臂長臂框架后，裝卸臂框架的裝卸臂長臂框架與測重框架的擋板之間設(shè)有連接液壓調(diào)節(jié)裝置和連接固定杠桿，連接液壓調(diào)節(jié)裝置、連接固定杠桿與裝卸臂長臂框架、擋板構(gòu)成鉸鏈四桿機構(gòu)。本裝置整體結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕、易于操作、實用性強、適應(yīng)性強，可直接安裝于現(xiàn)有的番茄收獲機上工作，并且與番茄收獲機上其他裝置不發(fā)生干涉。

圖1 番茄收獲機測產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖Figure 1 Structure of yield monitor device of tomato harvester

圖2 裝卸臂長臂框架結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure of the loading long arm frame

其主要技術(shù)參數(shù)：

稱量精度：±0.1%

稱量范圍：0～30 000kg/h

皮帶寬度：600～1 000mm

皮帶速度：0～1m/s

工作環(huán)境溫度：機械－20～＋50℃ 儀表0～40℃

電源電壓：220V（＋10%、－15%）

1.2 工作原理

在測產(chǎn)開始前首先設(shè)定水平角度傳感器、輸送皮帶速度傳感器、測重框架角度傳感器、測重皮帶速度傳感器、重力傳感器顯示儀上的初始值為0。測產(chǎn)開始時，水平液壓調(diào)節(jié)裝置根據(jù)地面的平整狀態(tài)調(diào)整裝卸臂長臂框架與裝卸臂短臂框架的位置促使裝卸臂短卸臂框架末端處于水平工作狀態(tài)。此時，水平角度傳感器測出裝卸臂長臂框架與水平面的角度；輸送皮帶輪上的輸送皮帶速度傳感器測出輸送皮帶的傳送速度；測重框架角度傳感器測出測重皮帶與水平面的角度，并且反饋到液壓系統(tǒng)。

通過由連接液壓調(diào)節(jié)裝置與連接固定杠桿構(gòu)成的鉸鏈四桿機構(gòu)，調(diào)整測重框架直至測重皮帶與水平面的角度為零度。番茄經(jīng)過色選和輸送皮帶到達測重皮帶，當番茄經(jīng)過兩個托輥之間的測重皮帶時，計量輥檢測到測重皮帶上的番茄重量，并通過杠桿作用于重力傳感器，重力傳感器產(chǎn)生一個正比于皮帶載荷的電壓信號，并送入放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行處理后形成數(shù)字信號［5］；測重皮帶輪上的測重皮帶速度傳感器提供一系列脈沖，每個脈沖表示一個皮帶運動單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度；稱重儀表從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和測重皮帶速度傳感器接收信號，通過積分運算得出累積重量值，并顯示出來，從而完成測產(chǎn)，見圖4。

圖3 裝卸臂短臂框架結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure of the loading short arm frame

圖4 測產(chǎn)原理圖Figure 4 The yield monitor schematics

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計與選擇

2.1 測重皮帶的設(shè)計

測重皮帶的制造材料應(yīng)與番茄收獲機上的輸送皮帶一致，采用優(yōu)質(zhì)橡膠制成的環(huán)型帶，要求其扯斷強度≥10MPa，扯斷伸長率≤300%，磨耗量≤1.0cm3/1.6km，工作表面的覆蓋膠厚度為2mm，非工作表面覆蓋膠厚為1mm，膠帶總厚度為8mm。測重皮帶的寬度，根據(jù)番茄收獲機上輸送皮帶的寬度、中國皮帶寬度標準規(guī)定［6］和設(shè)計參數(shù)要求，最終確定為650mm。整條皮帶表面必須平整、無折痕、帶體輕、撓性好，尺寸必須準確，硬度和單位長度重量均一。

測產(chǎn)裝置測重皮帶速度的確定與普通輸送皮帶有所區(qū)別，其目的主要是有利于保證足夠的稱量精度，而不是簡單的追求輸送效率。因此，在測產(chǎn)裝置工作時，測重皮帶的運行速度設(shè)定為0～1m/s，其具體大小根據(jù)番茄收獲機的前行速度和輸送皮帶的運行速度可進行適當調(diào)節(jié)，采用這種較低的皮帶速度，對測重皮帶平穩(wěn)運行、減小振動、減輕皮帶磨損和保證稱量精度尤其重要。

測重皮帶的表面形狀設(shè)計為同等間隔、大小均勻的方格狀（見圖5）。在測重皮帶運行時，可以對皮帶上的番茄起到固定作用，減小皮帶傳輸過程中番茄大幅度滾動和撞擊帶來的測量誤差，從而提高裝置的測量精度。

圖5 測重皮帶表面結(jié)構(gòu)簡圖Figure 5 Structure of surface of the the weighing belt

2.2 支撐輥的設(shè)計

支撐輥是與測重皮帶直接接觸的零件。工作時，測重皮帶的拖動直接帶動支撐輥的滾動，隨著工作時間的增長，支撐輥容易發(fā)生磨損或磨穿而影響裝置的測量精度。因此，對托輥筒體制作材料的選擇至關(guān)重要，綜合考慮選用橡膠質(zhì)托輥，耐磨性較好，使用壽命較長，維修工作量少，維修成本低，工作效率高。

托輥的形狀設(shè)計為槽形（見圖6），槽形角為165°，托輥筒體長650mm。在測重皮帶運行時，槽形托輥可以自行校正皮帶的跑偏。因托輥筒體兩端設(shè)計呈錐形，當托輥運轉(zhuǎn)時，越往兩端，線速度越大。當皮帶跑偏時，皮帶兩側(cè)的線速度不等，線速度大的一邊就會產(chǎn)生較大的相對摩擦，阻力增大，而阻力大的一邊總是使皮帶往阻力小的一邊移動，直至平衡［7］。此外，槽形托輥還可保證皮帶的平穩(wěn)運行和稱量精度，避免皮帶的損壞和事故的發(fā)生。

圖6 槽形托輥結(jié)構(gòu)簡圖Figure 6 Structure of the grooved rollers

2.3 傳感器的選擇

2.3.1 角度傳感器 角度傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，按轉(zhuǎn)換原理不同可以有很多實現(xiàn)形式，如光柵式、加速度計式、電容式等［8］，而番茄收獲機測產(chǎn)裝置在工作時，迫切需要一種精度高、體積小、重量輕、價格低的非接觸式角度傳感器，來檢測裝卸臂長臂框架和測重皮帶與水平面的角度，綜合考慮本裝置的設(shè)計要求，應(yīng)選用差動電容式角度傳感器。差動電容式角度傳感器［9］，是在形成兩個分立的電容器的極板之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)圓板，應(yīng)用圓板旋轉(zhuǎn)時兩個電容器的電容產(chǎn)生差動變化的原理來檢測角度。

2.3.2 速度傳感器 在本裝置設(shè)計中，速度傳感器直接安裝于皮帶輪上測量皮帶輪轉(zhuǎn)速，再根據(jù)皮帶輪外徑計算帶速，綜合考慮，霍爾傳感器是最佳選擇?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高、線性度好、耐高溫、壽命長等特點；由于霍爾傳感器產(chǎn)生的是數(shù)字脈沖信號，穩(wěn)定性好，對外部噪聲的抗干擾能力較強，對測量電路無特殊要求，易被PLC和DCS系統(tǒng)處理，且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用方便［10］。

2.3.3 重力傳感器 番茄收獲機測產(chǎn)裝置是在多粉塵和強震動的環(huán)境下工作，易造成傳感器彈性體受損和內(nèi)部短路，并且嚴重影響稱量精度。因此，根據(jù)番茄收獲機測產(chǎn)裝置的工作環(huán)境和稱量精度要求，應(yīng)選用準確度等級較高的電阻應(yīng)變式傳感器［11］，如C3級傳感器（按照OIML R60國際建議的要求，C3級傳感器的最大檢定分度數(shù)為3 000），具有密閉性、抗震性、穩(wěn)定性、線性度好和準確度高的特點。

3 結(jié)論

設(shè)計了一種番茄收獲機測產(chǎn)裝置，解決了番茄收獲過程中實時測產(chǎn)的難題，為番茄收獲機產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的進一步研究提供理論依據(jù)。

（1）測產(chǎn)裝置由裝卸臂框架和測重框架兩部分組成，整體結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕、易于操作、實用性強、適應(yīng)性強，可直接安裝于現(xiàn)有的番茄收獲機上工作，并且與番茄收獲機上其他裝置不發(fā)生干涉。

（2）測重皮帶的表面形狀為同等間隔、大小均勻的方格狀，可減小番茄大幅度滾動和撞擊帶來的測量誤差，從而提高測量精度。采用槽形托輥，可以自行校正皮帶的跑偏，保證測量精度。

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11 周昱松.電子衡器稱重傳感器的選擇和載荷分配的調(diào)整［J］.衡器，2009（2）：50～54.