制種玉米去雄機抽雄部件性能測試系統(tǒng)設(shè)計

王錦江，王 俊，張 鐵，孫 星，唐敬軒，劉立晶

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083)

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制種玉米去雄機抽雄部件性能測試系統(tǒng)設(shè)計

王錦江，王 俊，張 鐵，孫 星，唐敬軒，劉立晶

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083)

為了模擬去雄作業(yè)過程，分析影響去雄效果的因素，對抽雄部件進行性能測試和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計了抽雄部件性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)、植株喂入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和總體控制系統(tǒng)等組成。試驗分析表明：測試系統(tǒng)操作簡單合理、運行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)連續(xù)可調(diào)，能夠模擬去雄作業(yè)過程，為抽雄部件及去雄機的開發(fā)提供了試驗平臺。

制種玉米；去雄機；抽雄部件；性能測試

0 引言

去雄作業(yè)作為玉米制種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著玉米種子的質(zhì)量。目前，我國的制種玉米去雄作業(yè)主要依靠人工，作業(yè)效率低，勞動強度大，生產(chǎn)成本高，作業(yè)條件惡劣，容易受到天氣條件影響；而機械去雄作業(yè)效率高，受自然條件和人為因素影響小[1-2]。國外對抽雄部件和去雄機的研究較早，去雄機已被廣泛應(yīng)用，典型的機具有美國Hagie公司204SP、美國Big John公司PDF752D、法國Bourgion公司BD864等。我國對玉米去雄部件和去雄機的研究起步較晚，研究多集中于底盤液壓傳動系統(tǒng)及雄穗識別方法、仿形自動控制系統(tǒng)、去雄部件等領(lǐng)域，而對去雄部件性能測試系統(tǒng)的設(shè)計研究鮮見報道[3-5]。

由于抽雄部件的性能好壞直接影響到去雄效果，為了模擬去雄作業(yè)過程，分析影響去雄效果的因素，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，設(shè)計了抽雄部件性能測試系統(tǒng)，旨在為抽雄部件性能測試和參數(shù)優(yōu)化提供試驗平臺。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本文采用抽雄部件固定、玉米植株運動的總體架構(gòu)進行測試系統(tǒng)設(shè)計。抽雄部件性能測試系統(tǒng)主要由抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)、玉米植株喂入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和總體控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.機架 2.高度調(diào)整架 3.抽雄部件 4.速度傳感器 5.主動軸 6.輸送鏈驅(qū)動電機 7.主動鏈輪及鏈條 8.夾具 9.從動鏈輪 10.計算機 11.控制柜 12.抽雄部件驅(qū)動電機 13.調(diào)節(jié)絲杠 14.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀 15.支撐座 16.萬向傳動軸圖1 抽雄部件性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of performance testing system for

tassel-removal components

試驗時，將制種玉米母本植株樣本從抽雄部件后端開始按種植行距要求有序夾裝到夾具上，接通控制系統(tǒng)總電源，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；啟動抽雄部件驅(qū)動電機，使抽雄部件主動軸工作在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下；待抽雄部件轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，啟動輸送鏈驅(qū)動電機和數(shù)據(jù)采集程序；待所有母本植株樣本完成去雄作業(yè)后，保存所采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉輸送鏈驅(qū)動電機和抽雄部件驅(qū)動電機；人工觀察并記錄抽雄結(jié)果，一次試驗流程完畢[6-11]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)

抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)為抽雄部件提供動力，并可連續(xù)調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)速度、采集驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩。為了保證抽雄部件的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，采用變頻電動機+變頻器的交流調(diào)速方式。由于抽雄部件作業(yè)時相對水平面成傾斜布置，而且傾斜角度還可調(diào)節(jié)，所以在傳動系統(tǒng)末端采用萬向傳動軸連接。抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀、支撐座、連接耳板及固定底座等部件。

1.變頻電動機 2.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀 3.支撐座 4.高度調(diào)整架 5.萬向傳動軸 6.連接耳板 7.抽雄部件圖2 抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of driving system for tassel-removal components

2.1.1 電動機選型

根據(jù)負載的需求，變頻電動機能在變頻器的驅(qū)動下實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與扭矩。本文選用變頻電動機額定轉(zhuǎn)速為960r/min，電動機功率為1.5kW。

2.1.2 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀選型

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝于變頻電動機和支撐座之間，傳遞動力的同時進行轉(zhuǎn)速和負載扭矩的信號采集。本文選用北京三晶創(chuàng)業(yè)科技集團有限公司JN338-A系列直連式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀(扭矩量程0～50N·m，轉(zhuǎn)速量程0～6 000r/min，精度0.2%FS)。該傳感器采用光電碼盤和應(yīng)變電測技術(shù)，可測量正反向扭矩，穩(wěn)定性好，抗干擾強。

2.1.3 連接部件設(shè)計

如圖2所示：抽雄部件通過連接耳板和U型卡固定在高度調(diào)整架上，抽雄部件與連接耳板間角度可調(diào)；為了減少負載對轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀的沖擊，在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀與負載間設(shè)計了支撐座，支撐座與抽雄部件間通過萬向傳動軸連接。

2.2 植株喂入系統(tǒng)

2.2.1 植株喂入系統(tǒng)構(gòu)成

植株喂入系統(tǒng)將玉米植株有序喂入抽雄部件進行去雄作業(yè)，要求能夠連續(xù)調(diào)節(jié)喂入速度并且在玉米植株進入抽雄部件前速度應(yīng)穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值。植株喂入系統(tǒng)主要由機架、電動機、主動輪、從動輪、輸送鏈、夾具、張緊裝置、防脫裝置和測速裝置等組成，如圖3所示。

1.從動輪 2.測速裝置 3.防脫裝置 4.張緊裝置 5.輸送鏈 6.主動輪 7.電動機 8.夾具圖3 植株喂入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of plant feeding system

2.2.2 輸送鏈設(shè)計

為了使測試裝置結(jié)構(gòu)緊湊，減少占地空間，將夾持輸送系統(tǒng)設(shè)計為回形結(jié)構(gòu)。試驗時，需使玉米植株在運動過程中保持豎直狀態(tài)，并且在喂入前需保持一段直線距離，因此設(shè)計了上、下兩條帶附板輸送鏈，輸送鏈間通過夾具連接在一起，減少了玉米植株運動過程的顫動、搖晃等現(xiàn)象的發(fā)生；同時，將回形結(jié)構(gòu)設(shè)計為六邊形，既增加了輸送系統(tǒng)的直線段長度，又減少了玉米植株運動至拐角處時由于慣性導(dǎo)致的左右搖擺現(xiàn)象，提高輸送的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)玉米植株秸稈特征和輸送速度要求，為使傳動平穩(wěn)，本文選用滾子鏈(鏈號16A，節(jié)距25.4mm)，并在夾持輸送系統(tǒng)中設(shè)計了張緊裝置和防脫裝置，便于輸送鏈的安裝，避免在玉米植株輸送過程中發(fā)生鏈條脫落的現(xiàn)象。

2.2.3 夾具設(shè)計

為了防止玉米植株在輸送和抽雄過程中與夾持輸送系統(tǒng)發(fā)生相對滑移，設(shè)計的夾具主要由固定板和C型夾組成，如圖4所示。C型夾可夾持不同秸稈直徑大小的玉米植株，在C型夾內(nèi)部表面設(shè)計了有防滑花紋的橡膠內(nèi)襯，增加了接觸面積和摩擦力。在夾具上下設(shè)計兩個C型夾，增強了夾具的夾持能力。

1.C型夾 2.橡膠內(nèi)襯 3.固定板圖4 夾具三維模型Fig.4 The 3-D model of fixture

2.2.4 傳動設(shè)計

根據(jù)輸送速度連續(xù)調(diào)節(jié)的要求，結(jié)合在植株喂入過程中玉米植株運動需經(jīng)歷啟動—加速—恒速—減速—停止的過程，采用變頻電動機+變頻器的交流調(diào)速方式，利用變頻器的設(shè)置達到植株運動的要求?？紤]植株喂入系統(tǒng)的負載主要來自夾持輸送系統(tǒng)的運動，選用電動機功率為1.1kW，額定轉(zhuǎn)速n=1 400r/min；根據(jù)輸送速度要求，為了增加電動機輸出扭矩，在電動機與主動軸間設(shè)置了渦輪蝸桿減速機，傳動比i為6.80；根據(jù)所選輸送鏈型號和植株喂入系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計主動輪齒數(shù)Z為16，則植株喂入速度v(單位：km/h)可以表示為

(1)

式中kH—頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)；

p—節(jié)距(mm)。

2.2.5 測速裝置

在變頻調(diào)節(jié)植株喂入速度時，為了獲取植株喂入的準確速度，設(shè)計了測速裝置。植株喂入系統(tǒng)在運動過程中難免會發(fā)生鏈條跳動的現(xiàn)象，為保證被測速度的準確性，采用接觸式測速傳感器測量主動軸旋轉(zhuǎn)速度，經(jīng)換算后獲得植株喂入速度。本文選用旋轉(zhuǎn)式編碼器作為測速傳感器(型號為歐姆龍E6B2-CWZ6C，分辨率500P/R),則式(1)可以表示為

(2)

式中Pt—單位時間內(nèi)脈沖數(shù)(個/s)。

2.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀和旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，經(jīng)分析處理，將有關(guān)參數(shù)顯示在測試系統(tǒng)界面上，并繪制功率隨時間變化的曲線，記錄測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示，測試界面如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure diagram of data acquisition and processing system

為了減少變頻調(diào)速系統(tǒng)和外界對傳感器信號的干擾，便于抽雄機構(gòu)轉(zhuǎn)速調(diào)整和觀察，系統(tǒng)通過二次儀表來讀取轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀信號，PLC控制器采集二次儀表輸出信號和旋轉(zhuǎn)編碼器信號。根據(jù)被采集信號的特點，PLC選用臺達公司生產(chǎn)的DVP-SS2主機，并擴展1塊DVP04AD-S2輸入模塊。該PLC采用32位CPU，程序容量為8k，包含8點數(shù)字輸入和6點脈沖輸出，兼容標準MODBUS ASCII/RTU 通訊協(xié)議，支持PLCLink 功能，內(nèi)置RS232與RS485通訊端口，可與計算機連接。

圖6 數(shù)據(jù)采集處理界面Fig.6 Interface of data acquisition and processing

本系統(tǒng)采用“上位機+PLC”的雙層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。作為底層的PLC采集扭矩、轉(zhuǎn)速、拉力等試驗參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給上位機進行數(shù)據(jù)后處理；上位機采用Visual Basic 2010開發(fā)，采用COM組件技術(shù)與PLC、OFFICE進行數(shù)據(jù)交互，直觀展示試驗設(shè)備當前功率、線速度、等參數(shù)的變化情況，用于觀察試驗設(shè)備在不同工況下的工作性能，且可將本次試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中進行保存，用于試驗后期的數(shù)據(jù)對比分析。

2.4 總體控制系統(tǒng)

總體控制系統(tǒng)主要包括控制柜和計算機?？刂乒裼脕砜刂聘飨到y(tǒng)硬件的動作，計算機用來控制軟件的執(zhí)行(數(shù)據(jù)的采集、停止以及試驗結(jié)果的查詢等)。根據(jù)抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)和植株喂入系統(tǒng)中設(shè)計的驅(qū)動方式，以及所選用PLC和傳感器的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計控制系統(tǒng)電路圖如圖7所示。

控制系統(tǒng)中共采用了兩臺變頻器。變頻器整流過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，這些高次諧波會通過與變頻器輸入端連接的電源線進入到電網(wǎng)中，進而影響傳感器和PLC控制器的正常工作，為了減少變頻器對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的干擾，在變頻器與電源間設(shè)置了專用輸入濾波器，也避免了變頻器遭受電網(wǎng)中的諧波危害所產(chǎn)生的過壓、過流、欠壓、過載、過熱等現(xiàn)象。

3 測試系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格和主要性能指標

為了適應(yīng)不同制種玉米品種的試驗要求，研制的抽雄部件性能測試系統(tǒng)除植株喂入速度和抽雄部件轉(zhuǎn)速可調(diào)外，抽雄部件空間位置(縱向、橫向、角度等)也可以進行調(diào)節(jié)，其技術(shù)規(guī)格和主要性能指標如表1所示。

圖7 控制系統(tǒng)電路圖Fig.7 Circuit diagram of control system表1 測試系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格和主要性能指標Table 1 Testing systems technical specifications and key performance indicators

序號項目單位規(guī)格及性能指標備注1外形尺寸mm3050×2500×30002植株喂入速度調(diào)節(jié)范圍km/h2～83抽雄部件轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍r/min200～10004抽雄部件垂直調(diào)節(jié)范圍mm1400～1950離地面5抽雄部件縱向調(diào)節(jié)范圍mm0～2006抽雄部件角度調(diào)節(jié)范圍度20～40與水平面夾角7一次最多試驗株數(shù)株118被測植株直徑范圍mm12～25節(jié)根以上部位9植株株距mm≥10025的倍數(shù)

4 去雄試驗

測試系統(tǒng)裝配、調(diào)試完成后，進行去雄試驗。試驗時，首先根據(jù)玉米植株高度調(diào)節(jié)抽雄部件值合適位置，將玉米植株按相同高度(頂部葉尖齊)和株距(20cm)有序夾裝到測試系統(tǒng)上，如圖8所示。

啟動抽雄部件驅(qū)動系統(tǒng)，通過變頻器調(diào)節(jié)抽雄部件主動軸轉(zhuǎn)速至設(shè)置值(可通過二次儀表或數(shù)據(jù)采集界面觀察)，然后開啟植株喂入系統(tǒng)(設(shè)定速度為6km/h)，觀測測試系統(tǒng)運行情況和去雄作業(yè)效果。試驗效果如圖9所示。

圖8 玉米植株固定在測試裝置上Fig.8 Corn plants fixed on the testing system

圖9 試驗后效果Fig.9 The result of detasseling

經(jīng)觀察，測試系統(tǒng)能夠有效模擬去雄作業(yè)情況；整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，除鏈條傳動產(chǎn)生噪音外，無鏈條脫落等異常情況；工況調(diào)節(jié)比較方便、可靠，能在設(shè)定范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；試驗后，玉米植株仍牢牢固定在夾具上，無松動現(xiàn)象，表明在去雄過程中植株莖稈與夾具間無滑動。

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計的抽雄部件性能測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)抽雄部件結(jié)構(gòu)參數(shù)(充氣壓力、中心距等)和工作參數(shù)(轉(zhuǎn)速、傾角等)的連續(xù)調(diào)節(jié)，能夠模擬去雄作業(yè)過程，排除玉米植株整齊度因素對抽雄部件性能的影響。

2) 采用以PLC為處理單元的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，能夠精確采集數(shù)據(jù)；采用VB開發(fā)的操作界面，功能設(shè)計合理、操作方便。

3) 從試驗結(jié)果和測試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)看，測試系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣，可用于多種品種母本植株和抽雄部件性能試驗，能夠滿足抽雄部件性能測試和參數(shù)優(yōu)化的需要。

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Design on Testing System for Tassel-Removal Component Performance in Seed Corn Detasseling Machine

Wang Jinjiang, Wang Jun, Zhang Tie, Sun Xing, Tang Jingxuan, Liu Lijing

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

In order to simulate the process of detasseling operations, analysis of factors affecting the emasculation effects,testing performance and optimization parameters of tassel-removal component, a testing system of extraction tassel-removal component is designed. The system consisted of driving system for the detasseling components, corn plant feeding system, data collection and analysis system, and central controling system, etc.The experiments show that the test system operation is simple,reasonable and stable，structural parameters and operating parameters is continuously adjustable，the process of detasseling operations can be simulated，provide a test platform for the development of tassel-removal components and detsseling machine.

seed corn; detasseling machine; extraction tassel-removal component; performance test

2016-05-04

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203052)；國家國際科技合作專項(2013DFA31560)

王錦江(1980-),男，山西介休人，博士研究生，(E-mail)lazio320@163.com。

劉立晶(1976-)，女，黑龍江安慶人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)xyliulj@sina.com。

S224；S237

A

1003-188X(2017)06-0106-05