油菜割臺豎割刀切割頻率隨動調節(jié)裝置設計與試驗

柴曉玉 徐立章 嚴 超 梁振偉 馬 征 李耀明

(江蘇大學農業(yè)裝備工程學院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

油菜是中國最重要的油料作物之一[1]，種植面積占全國油料作物總面積的40%以上。油菜機械化聯合收獲作業(yè)效率高，在氣候條件不好的情況下，有利于搶收，我國油菜機械化收獲水平正逐年提高?，F有的油菜聯合收獲機沿用了稻麥聯合收獲機的基本原理和主要結構，但油菜性狀與稻麥差異較大[2]：油菜株型高大，個體高達近2 m、角果層直徑1.5～2.0 m，主莖稈直徑30～40 mm，分支互相交錯纏繞、成熟角果易炸莢等，為了減少分禾過程中交錯枝蔓拉扯造成落粒損失，油菜聯合收獲機割臺通常增加豎割刀將牽連枝稈切開(分禾)[3]；油菜上中下成熟度差異較大，在豎割刀分禾過程中，割臺和豎割刀的振動又易造成上部過熟角果爆裂落粒，造成較高的割臺損失[4]，據統(tǒng)計，油菜割臺損失占總損失的50%左右，因此降低割臺損失是降低油菜聯合收獲總損失的有效途徑。

近年來國內外學者對降低聯合收獲機割臺損失進行了大量研究[5-15]。主要集中在加裝帶式輸送器、撥禾輪、主切割器傳動、割臺機架等方面，對割臺豎切割分禾損失方面的研究鮮有報道。傳統(tǒng)豎割刀傳動常通過換向件和鉸接件把割臺主割刀的部分動力傳至豎割刀[16]，但只能向一側豎割刀傳遞動力，豎割刀往復運動頻率與主割刀同步，收獲時發(fā)動機工作在額定轉速，切割頻率固定不變。在油菜收獲過程中，當油菜種植稀疏、產量較低時，駕駛員通常會增加前進速度，切割頻率固定不變的豎割刀會導致漏割較多，甚至拉扯油菜分枝，分禾損失顯著增加[17-18]；當油菜種植密集、產量高、作業(yè)負荷大，駕駛員通常會低速收獲，此時切割頻率固定不變的豎割刀會形成較多重割，分禾邊界處的角果被多次剪切形成更大損失，此外重割形成的10～20 mm的分枝莖稈進入清選系統(tǒng)后容易形成含雜，降低機器作業(yè)性能。

基于以上原因，本文設計一種油菜割臺豎割刀切割頻率隨動調節(jié)裝置，根據油菜聯合收獲機前進速度的變化實時改變豎割刀切割頻率，以減少重割和漏割區(qū)域，降低割臺損失和提高機器作業(yè)性能。

1 豎割刀切割頻率隨動調節(jié)裝置設計

1.1 雙豎割刀分禾裝置隨動執(zhí)行機構

為使油菜聯合收獲機能在田間任意位置開道，提高作業(yè)靈活性、收獲效率和適應性，設計了雙豎割刀油菜割臺，如圖1所示，主要包括撥禾輪、割臺機架、割臺螺旋輸送器、主切割器和左右豎割刀等裝置。

左右豎割刀均采用步進電機驅動，通過曲柄滑塊機構帶動動刀片上下往復運動。曲柄滑塊機構由曲柄、兩個關節(jié)軸承和螺桿組成，螺紋桿長度可根據安裝需要調整。豎割刀采用行程76.2 mm標準型Ⅱ型[19]，如圖2所示，圖中f為實際切割行程開始位移，mm；g為實際切割行程結束位移，mm，詳細參數見表1。

圖1 雙豎切割器油菜割臺Fig.1 Rape cutting table with double vertical cutters1.撥禾輪 2.豎割刀 3.豎割刀固定方管 4.曲柄滑塊機構 5.步進電機 6.步進電機固定架 7.分禾器 8.主切割器 9.螺旋輸送器

圖2 標準型割刀示意圖Fig.2 Standard cutter diagram

結構參數數值動刀片寬度a76.2動刀片刃部高度h55動刀片前橋寬度e17定刀片平均寬度b24割刀曲柄半徑r35

1.2 豎切割分禾原理與切割圖數值模擬

豎割刀為往復式切割器，做往復直線運動，在護刃器的配合下進行有支承切割，如圖3所示(為了表達方便，旋轉后水平放置)，在相鄰兩定刀片間的油菜，由于所處位置的不同，有3種不同的情況：①豎割刀掃過區(qū)(S1區(qū))中的油菜分枝或角果，被護刃器及定刀片推向兩側被切割。②漏割區(qū)(S2區(qū))中的油菜分枝或角果，在刀刃向右運動時未被觸及。若漏割區(qū)過大，造成油菜分枝莖稈拉扯、割臺損失顯著增加。③重割區(qū)(S3區(qū))中的油菜分枝或角果，在割斷后因分枝莖稈的相互纏繞未被撥禾輪及時帶走而被另一刃口重復觸及[20-21]，有可能發(fā)生重割，重割區(qū)面積大，無用功多，且重割形成的10～20 mm的分枝莖稈進入清選系統(tǒng)后容易形成含雜。因此需要根據機器的前進速度，綜合考慮漏割區(qū)及重割區(qū)的面積，提高機器作業(yè)性能。

圖3中，L1為豎割刀絕對運動軌跡，L2為豎割刀絕對運動軌跡，L3為動刀刃口直線，L4為定刀刃口直線。

圖3 往復式豎割刀分禾切割圖Fig.3 Reciprocating vertical cutter harvesting diagram

為了建立切割區(qū)面積數學模型，將方程設為x=f(y)形式，直接影響漏割區(qū)S2和重割區(qū)S3面積的L1、L2、L3、L4方程為[19]

(1)

其中

H=30v/n

式中x——動刀片橫向位移，mm

y——動刀片縱向位移，mm

ω——割刀曲柄角速度，rad/min

H——割刀進距，mm

v——機器前進速度，m/s

n——割刀轉速，r/min

1.2.1前進速度對豎切割圖的影響

豎切割頻率為10 Hz(600 r/min)，機器前進速度分別為1.1 m/s和1.4 m/s時的豎切割圖如圖4所示。在Matlab中根據式(1)繪制曲線，選取交點A、B、C、E、F，構成圖3中的S2、S3區(qū)域。

圖4中S△ABC=S2(左邊的三角區(qū))即為漏割區(qū)，S△AEF=S3(右邊的三角區(qū))即為重割區(qū)，在Matlab中由測量點的具體坐標可以計算出S2、S3的面積，得到豎割刀頻率10 Hz，前進速度1.1、1.4 m/s時的重、漏割區(qū)面積。用同樣的方法測量出豎割刀頻率3～21 Hz，機器前進速度0.5、0.8、1.1、1.4、1.7、2.0 m/s時重、漏割區(qū)面積。

對比圖4a、4b可以發(fā)現，在豎切割頻率一定的情況下，漏割區(qū)隨機器前進速度的增大而增大，重割區(qū)隨機器前進速度的增大而減小。

為了找到理想豎切割頻率，統(tǒng)計機器不同前進速度下漏割區(qū)、重割區(qū)面積與切割頻率關系，繪制重、漏割區(qū)面積變化規(guī)律圖，選前進速度1.1 m/s為例，如圖5所示。

圖4 不同前進速度下的豎切割圖Fig.4 Vertical cutting charts at different machine speeds

圖5 前進速度1.1 m/s時漏割區(qū)、重割區(qū)面積隨切割頻率變化曲線Fig.5 Curves in which cutting area and heavy cutting area change due to change of cutting frequency at forward speed of 1.1 m/s

從圖5可以看出，隨著切割頻率的增大，重割區(qū)面積逐漸減小，漏割區(qū)面積逐漸增大。為了解決這一矛盾，設計綜合指標公式

S=kS2+(1-k)S3

(2)

式中S——綜合面積

k——漏割區(qū)所占權重

選定的k值能夠使S最小，即可得豎割刀的理想切割頻率。

1.2.2成熟度對重割區(qū)、漏割區(qū)權重的影響

油菜的成熟度對機械化收獲損失有很大的影響，完熟油菜角果在受到撥動、牽拉、梳刷等作用時非常容易開裂，形成炸莢損失。油菜無限花序導致其成熟度差異較大，同一田塊中，成熟度不同，甚至同一株油菜的上下角果層成熟度都不同。

為適應機械化收獲對油菜成熟度的要求，2015年喬醒等[22]在油菜成熟期噴施“敵草快”等脫水劑，脫水效果明顯，成熟度較為一致，且脫水劑對油菜籽粒發(fā)芽、千粒質量和品質未產生顯著影響，儲藏一段時間后，種子中沒有脫水劑殘留。張學昆等[23]發(fā)明了一種油菜化學干燥劑，在油菜機收前5～7 d噴施，促進營養(yǎng)向籽粒轉運，增加千粒質量，并使油菜植株脫水干燥，在收獲期成熟度一致。郭靜等[24]研究了脫水劑對油菜內源激素的影響，推測脫水劑可以通過調節(jié)內源激素的釋放量來促進油菜籽粒成熟。呂敏等[25]試驗發(fā)現在收獲前3 d噴施脫水劑，可以降低黃熟期油菜一次機收損失20%以上。在以上研究基礎上，在油菜收獲期噴施脫水劑，促進油菜的一致成熟程度，適應機械化收獲。

田間收獲時，成熟度用肉眼觀察油菜顏色進行分辨，一般可分為青熟、黃熟、完熟、過熟。油菜成熟度較高時，在外界擾動情況下容易炸莢，要減輕豎割刀對分枝莖稈的拉扯(適當減少漏割區(qū))，降低割臺損失；油菜成熟度較低時，要減少10～20 mm的分枝莖稈的產生(減小重割區(qū))，降低清選含雜率。根據大量駕駛員實際收獲經驗，綜合油菜損失、清選含雜、作業(yè)效率等因素，在油菜青熟時，k取值0.8；黃熟時，k取值0.7；完熟時，k取值0.6；過熟時，k取值0.5。

采用1.2.1節(jié)中計算出的豎割刀頻率為3～21 Hz、前進速度為0.5～2.0 m/s時的重、漏割區(qū)面積，選擇不同成熟度時漏割區(qū)所占權重k，根據式(2)計算不同前進速度、不同豎割刀切割頻率時重漏割區(qū)面積和，其中面積和最小時對應的豎割刀切割頻率即為理想切割頻率。將計算出的不同前進速度下理想切割頻率進行數據擬合，得到公式

(3)

式中yi——理想切割頻率

xi——機器前進速度

考慮不同成熟度的影響，根據式(3)，獲得了機器前進速度與理想切割頻率的關系如圖6所示。

圖6 機器前進速度-豎割刀切割頻率擬合曲線Fig.6 Fitting curves of machine speed and cutting frequency

從圖6看出，前進速度越快，需要切割的油菜枝稈越多，因此豎割刀切割頻率越高。同等前進速度下，成熟度越高，豎割刀切割頻率越低，有利于降低豎割刀處振動，降低分禾炸莢損失。

1.3 豎割刀切割頻率隨動控制系統(tǒng)

豎割刀切割頻率隨動控制系統(tǒng)主要由機器前進速度傳感器(齒輪速度傳感器)、PLC控制器、步進電機和豎切割器組成，如圖7所示。

圖7 隨動控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic of follow-up control system

以德國西門子公司的S7-1200PLC 為主機，輸入信號包括步進電機軸的啟用、啟動、暫停、停用，前進速度傳感器輸入信號以及油菜成熟度，其中油菜成熟度用高位和低位表示。輸出信號由步進電機脈沖及方向控制信號組成?？紤]到豎切割頻率3～21 Hz的工作要求，選擇理論轉矩為12 N·m的86HBS120型全閉環(huán)步進電機，輸入電壓為24～60 V(DC)，步距角為1.2°，脈沖響應頻率為200 kHz，步進電機每調整豎割刀頻率變化1 Hz用時90 ms，采用DSP芯片和矢量閉環(huán)控制技術，可克服開環(huán)步進電機丟步問題，提高電機運動精度，具有與交流伺服系統(tǒng)同樣的可靠性。PLC控制程序包括讀取機器前進速度、計算切割頻率和驅動步進電機運動3個子程序，檢測前進速度信號響應時間約10 ms，PLC程序響應時間約20 ms，考慮閉環(huán)電機的自反饋檢測用時，控制系統(tǒng)總響應時間約150 ms，可實現聯合收獲機田間作業(yè)前進速度波動條件下準確控制豎割刀切割頻率達到理想切割頻率。

根據速度傳感器返回脈沖個數與檢測齒輪的直徑關系，計算出速度傳感器的一個脈沖變化對應的機器前進距離為0.02 m，根據式(3)計算出檢測一個脈沖信號，驅動電機調節(jié)的最小頻率為0.06 Hz，選用的速度傳感器與步進電機型號滿足調節(jié)控制要求。

圖8 割刀頻率控制系統(tǒng)電路圖Fig.8 Total wiring diagram of cutter frequency control system

控制系統(tǒng)的總接線圖如圖8所示。在作業(yè)過程中，通過I0.1、I0.2可選擇左、右兩側豎割刀單獨工作(正常收獲)或是同時工作(開道)，油菜的成熟度信息(青熟/黃熟/完熟/過熟)通過I0.6、I0.7輸入，如表2所示。

駕駛油菜聯合收獲機作業(yè)時，PLC會通過I0.5采集機器前進速度傳感器的信號，計算機器前進速度，即為式(3)中xi，根據成熟度選擇式(3)中對應的豎割刀頻率計算公式，計算出實時豎割刀切割頻率，從Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3輸出相應的脈沖到左、右步進電機，從而實現對聯合收獲機豎切割頻率的隨動控制。

表2 油菜成熟度輸入信號Tab.2 Rapeseed maturity signal input

2 試驗

為了驗證豎割刀隨動調節(jié)裝置起作用前后割臺與豎割刀分禾損失率的變化，將該裝置安裝在4LZ-4.3型油菜聯合收獲機上進行田間試驗。試驗時間為2018年6月1—3日，選在江蘇省鹽城市華豐農場，種植方式為機器直播，土地為雨后濕軟泥地，油菜品種為浙油51，產量約為2 357.85 kg/hm2，自然高度約為1 540 mm，收獲前7 d使用植保無人機噴灑“敵草快”脫水劑，在機收當天油菜植株顏色深黃，成熟度較為一致，莖稈角果已干枯，確定油菜成熟度為完熟。隨機選取試驗油菜田于12：00進行含水率測試，籽粒含水率15.74%，籽粒千粒質量3.44 g，莖稈含水率22.19%。機組前進距離20 m作為一組試驗樣本，選取同一田塊無溝槽水渠平坦地段，試驗設置24組，前6組進行標定試驗，其余18組進行割臺損失控制試驗，分別有9組開啟控制系統(tǒng)，與另外9組未開啟控制系統(tǒng)的割臺損失對比，每3組測試取平均值，作為一次試驗結果。標定試驗測試收獲損失率和籽粒含雜率，總損失率為3.92%～4.99%，割臺總損失率為2.98%～3.47%，籽粒含雜率為1.84%～2.05%，聯合收獲機喂入量1.35～1.73 kg/s，割幅1 900～1 950 mm，割茬高度140～160 mm，前進時間15.15～16.90 s，發(fā)動機轉速2 400 r/min。

割臺損失采用接樣槽方法測定，每組試驗開始前在試驗區(qū)內均勻布置3個接樣槽，在試驗區(qū)內挑選合適的油菜株距鏟出垂直于油菜聯合收獲機前進方向并貫穿整個油菜割臺寬度的溝槽，并使溝槽底面與接樣槽平齊，如圖9所示。

圖9 油菜割臺損失試驗Fig.9 Test of loss for rape header

為了避免油菜聯合收獲機通過時履帶輾軋到接樣槽，將接樣槽臥入溝槽內并使槽口與田間地面盡量平齊，同時挖溝槽時應盡量避免碰到油菜植株。接樣槽內口寬為10 cm，槽內口長為280 cm(兩側均超出割臺幅寬35 cm)，槽深為6 cm。同時為了將油菜割臺豎割刀處的損失與割臺主體損失區(qū)分開，在接樣槽距兩端35 cm處設置紙質隔擋。聯合收獲機通過時，割臺振動導致掉落的籽粒和角果將掉落在接樣槽中，將其收集并清選分離后稱量籽粒質量，將隔擋外側的籽粒作為油菜割臺豎割刀分禾損失，內側籽粒作為割臺主體損失，具體計算式為

(4)

式中Wf——測試區(qū)內油菜割臺損失率

Wi——第i個接樣槽接取的油菜籽?？傎|量，g

Wj——第j個接樣槽接取的隔擋外側油菜籽粒質量，g

L——割幅的寬度，m

B——接樣槽的槽內口寬度，m

nc——測試區(qū)內接樣槽的個數

WT——測試區(qū)內油菜單位面積產量，g/m2

由式(4)可得接樣槽損失率，分別計算未開啟和開啟豎割刀頻率隨動控制系統(tǒng)時割臺與豎割刀分禾損失率，結果如表3所示。

表3 油菜割臺損失率Tab.3 Loss of header of unit area under different conditions %

安裝豎割刀頻率隨動控制系統(tǒng)后，檢測到的機器前進速度與豎割刀頻率變化曲線如圖10所示。為減少控制系統(tǒng)存在的滯后時間，控制精度由全閉環(huán)步進電機自帶的反饋控制系統(tǒng)自檢測調整實現。

圖10 前進速度和豎割刀頻率變化曲線Fig.10 Variation curves of vertical cutter frequency

由圖10和表3可以看出，隨著機器前進速度在1.18～1.32 m/s范圍內的波動，豎割刀頻率能跟隨在10.61～11.88 Hz內變化，但由于存在控制系統(tǒng)的執(zhí)行時間，豎割刀的變化有一定的滯后。油菜割臺上豎割刀分禾損失率在割臺總損失率中占比為29.87%～41.39%。與未開啟豎割刀隨動調節(jié)頻率控制裝置相比，開啟該功能后割臺總損失率下降了36.15%～41.16%，豎割刀分禾損失率下降了40.84%～48.20%，這說明豎割刀隨動調節(jié)頻率控制裝置對于降低油菜割臺損失的效果非常顯著，尤其是豎割刀處的損失。

3 結論

(1)針對油菜聯合收獲機田間割臺損失大的問題，從調整豎割刀的頻率著手，通過理論分析得出不同前進速度以及油菜成熟度對豎切割分禾處重割區(qū)和漏割區(qū)的影響，獲得了前進速度與豎切割頻率的理想配合曲線。

(2)設計PLC控制系統(tǒng)接收和處理機器前進速度信號，并輸出脈沖控制步進電機實現豎切割頻率的隨動控制；與未開啟隨動控制系統(tǒng)相比，開啟豎割刀隨動調節(jié)頻率控制裝置的完熟油菜(施用脫水劑7 d后)機械化收獲試驗中油菜割臺總損失率下降了36.15%～41.16%，豎割刀分禾損失率下降了40.84%～48.20%；當油菜特性與機器收獲工況改變時，割臺總損失率和豎割刀損失率降低的量值可能會有所變化，但下降的趨勢是一致的，需要更多的工況進行對比分析。