小型割前脫粒收獲機(jī)雙滾筒恒速控制研究

劉宏博，何培祥，蔣　猛，袁　瑛，康　杰，趙　進(jìn)，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

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小型割前脫粒收獲機(jī)雙滾筒恒速控制研究

劉宏博，何培祥，蔣猛，袁瑛，康杰，趙進(jìn)，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400715)

摘要：對(duì)一種小型割前脫粒收獲機(jī)雙滾筒恒速控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。建立了行走速度與滾筒角速度的數(shù)學(xué)模型，確定了在作物密度不可控的情況下，可以通過(guò)控制行走速度來(lái)穩(wěn)定滾筒角速度。進(jìn)行基本試驗(yàn)得到了收獲機(jī)在額定工作時(shí)的喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速范圍，以此作為恒速控制的基準(zhǔn)值。在實(shí)際工作過(guò)程中，滾筒轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速反饋給控制器，控制器通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)變量泵排量來(lái)控制收獲機(jī)減速或加速，從而穩(wěn)定滾筒轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)提高了割前脫粒收割機(jī)雙滾筒工作轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：收獲機(jī)；割前脫粒；雙滾筒；恒速控制；穩(wěn)定性

0引言

稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒的恒速控制可以保證脫粒質(zhì)量、減小機(jī)身振動(dòng)、提高作業(yè)效率、降低滾筒堵塞率及減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度[1]，在收獲機(jī)運(yùn)行過(guò)程中需要盡可能保持滾筒的轉(zhuǎn)速恒定。

美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于大中型稻麥聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒的恒速控制研究比較成熟[2]，部分產(chǎn)品已經(jīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如Massey Ferguson的MF760聯(lián)合收割機(jī)。中國(guó)西南地區(qū)以丘陵山區(qū)為主，大中型稻麥聯(lián)合收獲機(jī)并不適用，而手扶式稻麥?zhǔn)斋@機(jī)更適合發(fā)展應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)小型稻麥?zhǔn)斋@機(jī)的使用還完全依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致收獲機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化較大、作業(yè)質(zhì)量低；另外，操作者需要不斷調(diào)整收獲機(jī)的作業(yè)速度，勞動(dòng)強(qiáng)度也較大。目前，國(guó)內(nèi)還缺少對(duì)小型稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒恒速控制的研究[3]。為了提高小型稻麥?zhǔn)斋@機(jī)作業(yè)質(zhì)量以及減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一種小型割前脫粒機(jī)雙滾筒恒速控制系統(tǒng)。

1材料和方法

研究對(duì)象是一款用于重慶等丘陵山區(qū)的手扶式小麥割前脫粒收獲機(jī)[4-5]，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，脫粒部件的三維模型如圖2所示。圖1中虛線(xiàn)表示動(dòng)力來(lái)源。

1.脫粒滾筒　2.螺旋輸送器　3.扶禾器　4.分禾器　5.機(jī)架

圖2　割前脫粒收獲機(jī)的脫粒裝置模型

工作時(shí)，小麥通過(guò)扶禾器及夾持鏈被送入脫粒滾筒中進(jìn)行脫粒，脫粒完成后的秸稈被切割器切斷后倒向兩側(cè)。脫粒裝置的傾斜角度可以調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足不同的工況要求。為了便于動(dòng)力傳遞，脫粒滾筒采用直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，而收獲機(jī)的其他動(dòng)力，如行走、清選等均由汽油機(jī)提供，該收獲機(jī)的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作方式參見(jiàn)文獻(xiàn)[4-6]。

2脫粒滾筒運(yùn)動(dòng)模型

基于滾筒角速度、發(fā)電機(jī)功率、作物密度、機(jī)器行走速度的功耗模型反映了滾筒的功耗與脫粒機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系為[7]

(1)

q=Hρυ

(2)

其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；ω為滾筒角速度(rad/s)；N為輸入功率(W)；A,B為常數(shù)；R為滾筒半徑(m)；f為滾筒搓擦因數(shù)；γ為谷草比；λ為谷物出口速度比；q為喂入量(kg/s)；H為割幅寬度(m)；ρ為作物密度(kg/m2)；v為行走速度(m/s)；t為時(shí)間(s)。

對(duì)于一定的收獲機(jī)和谷物，只有ω、v、ρ是變化量。在作物密度ρ不可控的情況下，可以通過(guò)改變行走速度v來(lái)保證滾筒角速度ω恒定。

收獲機(jī)的行走系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)變量泵的排量，可以滿(mǎn)足傳動(dòng)系統(tǒng)不同傳動(dòng)比的需要。由于液壓無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，難以進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述，可以將其作為一個(gè)慣性加延遲的過(guò)程來(lái)處理[8]。其傳遞函數(shù)可以表示為

(3)

其中， τ為延遲時(shí)間；Ka為無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)的放大系數(shù)；T1為慣性時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

由式(1)～式(3)可以得到圖3所示模型框圖，圖中u為指令行走速度。

圖3　脫粒滾筒轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)模型結(jié)構(gòu)框圖

3脫粒滾筒恒速控制

為了確定該收獲機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的控制范圍，需要對(duì)該脫粒裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，將脫粒裝置固定，試驗(yàn)臺(tái)下方的夾持鏈將未脫粒帶秸稈的等質(zhì)量小麥均勻送入脫粒裝置內(nèi)部進(jìn)行脫粒，喂入量通過(guò)改變夾持鏈的輸送速度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在脫粒滾筒軸處安裝扭矩傳感器(固定在試驗(yàn)臺(tái)上)和轉(zhuǎn)速傳感器以檢測(cè)脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速并通過(guò)LED直接顯示實(shí)時(shí)扭矩和轉(zhuǎn)速；當(dāng)進(jìn)行不同喂入量試驗(yàn)時(shí)，在脫粒滾筒穩(wěn)定工作時(shí)記錄下脫粒滾筒軸的扭矩、轉(zhuǎn)速，以此研究不同喂入量時(shí)脫粒滾筒扭矩和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律和趨勢(shì)。

首先對(duì)于該小型割前脫粒收獲機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，喂入量在0.1~ 1kg/s之間進(jìn)行10組試驗(yàn)，每組相差0.1kg/s。由于對(duì)于同一喂入量，脫粒裝置的作業(yè)負(fù)荷也是在一定范圍內(nèi)變化的，故扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)也不恒定，這里取它們的平均值作為此時(shí)喂入量對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)值。為了更好地反映結(jié)果的變化規(guī)律和趨勢(shì)，通過(guò)平滑曲線(xiàn)連接的離散試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，主軸1、主軸2為兩滾筒主軸。

脫粒滾筒的扭矩能及時(shí)、準(zhǔn)確反映脫粒滾筒作業(yè)負(fù)荷[9]。圖4中，對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)脫粒滾筒具有較為一致的工作特性。隨著喂入量的增大，脫粒滾筒的扭矩持續(xù)增加，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速也在不斷降低；當(dāng)喂入量在0.6～0.7kg/s時(shí)，脫粒滾筒的扭矩和轉(zhuǎn)速都比較平穩(wěn)，此時(shí)脫粒裝置處于額定工況下工作，該額定工況的喂入量范圍取決于脫粒滾筒裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)；當(dāng)喂入量超過(guò)0.8kg/s以上時(shí)，脫粒滾筒的扭矩上升較為明顯，轉(zhuǎn)速下降也較快，說(shuō)明此時(shí)收獲機(jī)的作業(yè)負(fù)荷較大并有過(guò)載的征兆，繼續(xù)在該負(fù)荷下工作，容易造成脫粒滾筒堵塞，收獲機(jī)工作振動(dòng)變大，作業(yè)性能降低。

(a)　滾筒作業(yè)扭矩變化曲線(xiàn)

(b)　滾筒作業(yè)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

從脫凈率和損失率方面考慮，處于額定工況下的脫粒滾筒具有比較合適且穩(wěn)定的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速，因此可以達(dá)到更好的脫粒效果[10]。結(jié)合該割前脫粒收獲機(jī)脫粒滾筒額定工作時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍，考慮測(cè)量誤差，最終確定系統(tǒng)恒速控制轉(zhuǎn)速的范圍為750～760r/min。在收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)速低于或高于該控制范圍時(shí)，控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)變量泵的排量進(jìn)而控制收獲機(jī)行走的減速或加速，直到脫粒滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在恒速控制所設(shè)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，達(dá)到恒速控制的目的，圖5為該脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)流程圖。

圖5　脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)流程圖

4田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在重慶市潼南縣群力鎮(zhèn)小麥生產(chǎn)基地進(jìn)行。測(cè)試條件為：作物平均高度為820mm，穗幅差為160mm，莖稈平均含水率為23%，籽粒平均含水率為22%，作物長(zhǎng)勢(shì)均勻。為了測(cè)試收獲機(jī)脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了兩組對(duì)比試驗(yàn)。第1組試驗(yàn)(試驗(yàn)1)中，安裝了該控制系統(tǒng)的收獲機(jī)進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，操作人員完成對(duì)收獲機(jī)的啟動(dòng)、停止和方向控制等輔助工作。第2組試驗(yàn)(試驗(yàn)2)中，仍然對(duì)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，但不對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行控制，同一操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)收獲機(jī)的作業(yè)速度進(jìn)行控制。兩組試驗(yàn)中由控制器檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)濾波后記錄到存儲(chǔ)器中。每一組試驗(yàn)結(jié)束后，操作人員都要進(jìn)行勞動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定。勞動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)越高，操作者的工作強(qiáng)度越大，GB/T 3869-1997對(duì)勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了標(biāo)定，也提供了必要的參數(shù)和測(cè)定方法[10]。

5結(jié)果和討論

定義轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)V來(lái)表示收獲機(jī)脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)的效果，該系數(shù)指的是在收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化的程度。其算法為

(4)

由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果可知：采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)脫粒滾筒工作時(shí)的轉(zhuǎn)速比較一致，故取兩組田間試驗(yàn)中脫粒滾筒1的作業(yè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6　田間試驗(yàn)結(jié)果

由圖6中收獲機(jī)穩(wěn)定作業(yè)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)1的脫粒滾筒轉(zhuǎn)70%的時(shí)間都穩(wěn)定在控制轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速起伏比較平穩(wěn),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)或者低于控制范圍時(shí)，控制系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)速控制到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)；當(dāng)局部作物密度變化較大時(shí)，如在26～29s區(qū)間，由于轉(zhuǎn)速檢測(cè)有一定的滯后性，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化幅度較大，使收割機(jī)的工作不平穩(wěn)。試驗(yàn)2中,由于操作員的經(jīng)驗(yàn)操作,收獲機(jī)容易工作在大于額定負(fù)荷的狀態(tài)下，脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速近90%的時(shí)間都低于其額定轉(zhuǎn)速，而且起伏較大，同時(shí),在部分作物密度較大的區(qū)域,如在76～81s區(qū)間，由于操作人員經(jīng)驗(yàn)判斷的滯后性較大，收獲機(jī)負(fù)載突增，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速下降明顯，在5s內(nèi)從740r/min下降到711r/min。

表1是兩組試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比。由于恒速控制系統(tǒng)對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能保證其工作在額定工況下；而人工控制的收獲機(jī)大多時(shí)間工作在大于額定負(fù)荷的狀態(tài)下，故后者的收獲效率相對(duì)較高，作業(yè)速度0.63m/s，大于前者的0.41m/s，但是前者平均轉(zhuǎn)速757r/min高于后者737r/min。表1中，試驗(yàn)1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為5.40，小于試驗(yàn)2的9.39，通過(guò)式(4)計(jì)算出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)V，試驗(yàn)1為0.71%，小于試驗(yàn)2的1.27%，說(shuō)明恒速控制系統(tǒng)可以提高收獲機(jī)滾筒工作轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)采用恒速控制時(shí)，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)為9，小于人工操作時(shí)的14，說(shuō)明降低了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1　兩種方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

6結(jié)論

本文對(duì)一種小型割前脫粒收獲機(jī)脫粒滾筒的恒速控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得了該收獲機(jī)額定工作時(shí)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速，為該恒速控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制范圍提供了可靠的參考。通過(guò)液壓傳動(dòng)裝置對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，間接控制喂入量，從而使?jié)L筒轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)使脫離滾筒的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)從1.27%降到了0.71%，平均轉(zhuǎn)速?gòu)?37r/min提高到了757r/min，勞動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)從14降到9，提高了脫離滾筒轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，減小了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

為提高收獲機(jī)對(duì)作物密度的適應(yīng)性，后期還需結(jié)合一些輔助檢測(cè)手段，如脫粒滾筒扭矩檢測(cè)、直流電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)等。對(duì)收獲機(jī)的作業(yè)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便對(duì)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)進(jìn)行一定預(yù)測(cè)，在轉(zhuǎn)速突變前就可以及時(shí)調(diào)整收獲機(jī)的作業(yè)速度，保證滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0210-EA

Study on Double-cylinder’s Constant-speed Control of a Miniature Preceding Reaping Threshing Harvester

Liu Hongbo， He Peixiang， Jiang Meng， Yuan Ying， Kang Jie， Zhao Jin， Zhu Kangxi

(College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract：This paper studies the double-cylinder’s constant speed-control problem of a miniature preceding reaping threshing harvester. Through creating a mathematical model based on traveling speed and the angular speed of the cylinder, in the situation of crop’s density uncontrollable, we can stabilize the angular speed of the cylinder by controlling the traveling speed. We obtain the range of feed rate and the rotational speed of cylinder as the reference value of constant speed control when the harvester at rated operation by the basic test. In the process of working, cylinder’s speed sensor detects the rotational speed of cylinder in the real time, and feeds it back to controller. Controller controls stepper motor to adjust pump output, which affects harvester to decelerate or accelerate, thus stabilizing the angular speed of the cylinder. The test result shows that the control system can both improve the stability of cylinder’s rotating speed and reduce labor intensity.

Key words：harvester; preceding reaping threshing; double-cylinder; constant speed control; stability

中圖分類(lèi)號(hào)：S225;S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0210-04

作者簡(jiǎn)介：劉宏博(1991-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail)lhb2391111@foxmail.com。通訊作者：何培祥(1965-)，男，四川廣安人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hpx65@yohoo.com。

基金項(xiàng)目：重慶市科委應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2013yykfa80003)；中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(XDJK2012B001)

收稿日期：2015-08-14