苜蓿調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋占華 邢書(shū)侖 王 征 田富洋,3 王鋒德 李法德

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018； 4.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

苜蓿是優(yōu)良的植物蛋白飼料。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，苜蓿的種植面積不斷增加，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模也不斷加大。傳統(tǒng)的苜蓿收獲方式是將其割斷晾曬，然后撿拾、打捆、貯藏。苜蓿的莖、葉水分含量不一致，在晾曬過(guò)程中莖、葉的失水速率也不同，易出現(xiàn)苜蓿葉片風(fēng)干、脫落，而莖稈因含水量高、失水速率慢而在貯存期間出現(xiàn)發(fā)酵變質(zhì)的現(xiàn)象。同時(shí)傳統(tǒng)的苜蓿收獲方式生產(chǎn)效率低，蛋白質(zhì)損失嚴(yán)重[1-2]。飼草的調(diào)制處理是指通過(guò)對(duì)飼草進(jìn)行破節(jié)、裂皮、壓扁、折彎等處理，使刈割后的新鮮飼草迅速處于生理干燥狀態(tài)，從而抑制細(xì)胞呼吸作用，降低飼草的養(yǎng)分分解程度[3-4]。經(jīng)調(diào)制處理后的苜蓿可以消除莖稈和葉片角質(zhì)層與纖維素對(duì)水分蒸發(fā)的阻礙作用，加速莖稈水分蒸發(fā)，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失，對(duì)提高苜蓿的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[5-7]。為了更好地研究苜蓿收獲機(jī)械中的調(diào)制機(jī)構(gòu)，需利用帶有測(cè)控功能的試驗(yàn)裝置對(duì)苜蓿進(jìn)行調(diào)制試驗(yàn)，從而對(duì)調(diào)制過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集與分析，為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。分別得到調(diào)制輥工作參數(shù)、調(diào)制輥結(jié)構(gòu)形式以及調(diào)制輥材質(zhì)對(duì)苜蓿等飼草作物的破碎作用、干燥速率以及蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失量的影響程度，進(jìn)而為苜蓿調(diào)制裝置設(shè)計(jì)提供了參考[8-11]。劉文峰等[12]基于LabVIEW和SQL Server開(kāi)發(fā)了一套秸稈粉碎機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、精確地采集粉碎工況中刀輥轉(zhuǎn)速、扭矩等信號(hào)。張居敏等[13]利用LabVIEW測(cè)控軟件設(shè)計(jì)了一套高茬秸稈還田耕整機(jī)功耗檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)測(cè)定耕整機(jī)的螺旋刀輥轉(zhuǎn)速、扭矩和功耗參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)耕整機(jī)田間作業(yè)功耗的實(shí)時(shí)測(cè)定。此外，還有學(xué)者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了用于青貯飼料加工的調(diào)制裝置[14-15]以及用于測(cè)試棉花秸稈[16-17]、蔬菜[18]、水稻[19]、玉米莖稈[20-21]等農(nóng)作物切割特性的測(cè)控平臺(tái)。

以上研究尚未考慮苜蓿調(diào)制過(guò)程中的能耗情況。在調(diào)制過(guò)程中，調(diào)制輥?zhàn)鳛橹饕ぷ鞑考⒊惺茌^大的扭矩及壓力，從而產(chǎn)生較大的能耗。為此，本文基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)一套苜蓿調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況；通過(guò)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精確控制調(diào)制輥間隙，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化；利用扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，進(jìn)而計(jì)算出不同工況下試驗(yàn)臺(tái)調(diào)制單位質(zhì)量苜蓿所需的能量，以期為苜蓿調(diào)制機(jī)械的研究提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)由變頻電動(dòng)機(jī)、浮動(dòng)輥、固定輥、調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、喂料口、扭矩傳感器以及測(cè)控系統(tǒng)等組成。其中浮動(dòng)輥與固定輥均由兩段螺旋角為30°的左旋壓扁輥和右旋壓扁輥組成，輥筒總長(zhǎng)度為424 mm，有效工作長(zhǎng)度(喂料口寬度)為400 mm，調(diào)制輥?lái)攬A半徑Ra為100 mm，根圓半徑Rf為80 mm，表面為人字齒結(jié)構(gòu)，齒高為20 mm、齒寬為50 mm，兩調(diào)制輥之間的間隙為c，可根據(jù)喂入物料的尺寸調(diào)整c。圖2為調(diào)制輥示意圖。

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，兩調(diào)制輥在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下等速反向旋轉(zhuǎn)，兩輥表面上的人字齒相互嚙合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)苜蓿的壓扁與彎折作用。為提高調(diào)制輥使用壽命，其材料選為耐磨性好、抗拉伸強(qiáng)度高的天然橡膠加碳黑。表1為試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)。

表1 調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameter of condition test bench

1.2 工作原理

試驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖3所示，打開(kāi)測(cè)控系統(tǒng)程序，程序初始化完成后，啟動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，將調(diào)制輥間隙調(diào)整至指定大小，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并控制變頻器啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，待試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)后開(kāi)始喂入物料。試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集卡將實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并在測(cè)控系統(tǒng)顯示界面上實(shí)時(shí)顯示與保存扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及壓力變化曲線及數(shù)據(jù)，待調(diào)制試驗(yàn)完成后，依次停止數(shù)據(jù)采集工作和試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行，退出測(cè)控系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

圖4為測(cè)控系統(tǒng)硬件示意圖，測(cè)控系統(tǒng)硬件部分主要由電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及安裝有LabVIEW軟件的上位機(jī)系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)UT-208型通信轉(zhuǎn)換適配器與變頻器建立聯(lián)接，上位機(jī)通過(guò)發(fā)送與接收?qǐng)?bào)文控制和監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)功率曲線；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)研華USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集扭矩傳感器扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，為保證測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，信號(hào)輸出端安裝有KCPD-55D-B型信號(hào)隔離器；調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)則通過(guò)控制電動(dòng)推桿的伸縮量來(lái)精確調(diào)節(jié)浮動(dòng)輥和固定輥之間間隙，并且通過(guò)液壓系統(tǒng)上的壓力傳感器時(shí)刻檢測(cè)浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化；上位機(jī)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，可以方便操作者實(shí)時(shí)觀察和控制試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.1電動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)臺(tái)采用YVP型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)(徐州統(tǒng)一電動(dòng)機(jī)有限公司)，該電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，表2為電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。

表2 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of motor

2.1.2數(shù)據(jù)采集卡

測(cè)控系統(tǒng)選用研華USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡自帶完備的驅(qū)動(dòng)程序，其版本號(hào)為SDK-4.1.4.0，驅(qū)動(dòng)程序安裝好之后將支持LabVIEW軟件對(duì)其進(jìn)行編程控制，且研華公司開(kāi)發(fā)出了一系列已封裝好的數(shù)據(jù)采集卡操作控件，用戶只需調(diào)用所需控件并將其進(jìn)行邏輯上的連接，即可完成程序框圖的搭建。并且，該數(shù)據(jù)采集卡屬于即插即用設(shè)備，所有與總線相關(guān)的配置，如I/O地址和中斷，都已預(yù)先由即插即用功能自動(dòng)設(shè)置好，無(wú)需設(shè)置任何跳線和DIP開(kāi)關(guān)，操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)。表3為數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)。

表3 數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of data acquisition card

2.1.3變頻器

該測(cè)控系統(tǒng)采用17.5 kW西門(mén)子V20型變頻器，支持基于RS485和RS232的通用串行接口(Universal serial interface，USS)通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，可通過(guò)內(nèi)部PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出頻率電壓和電流，保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)其進(jìn)行過(guò)載保護(hù)等。

圖5為USS通信框圖，西門(mén)子V20型變頻器通信時(shí)，上位機(jī)首先通過(guò)串口向變頻器發(fā)送含有控制字的任務(wù)報(bào)文，變頻器在接收到報(bào)文之后，執(zhí)行有效數(shù)據(jù)區(qū)的指令并向上位機(jī)返回含有狀態(tài)字(功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等)的應(yīng)答報(bào)文。

圖6為通信報(bào)文結(jié)構(gòu)示意圖，上位機(jī)與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸以ASCII碼的形式進(jìn)行，每條通信報(bào)文都是以固定的字符02hex開(kāi)始，包括表示通信報(bào)文中有效字節(jié)數(shù)的說(shuō)明字節(jié)LGE、指明變頻器通信地址的地址字節(jié)ADR、向變頻器傳達(dá)動(dòng)作指令及狀態(tài)字請(qǐng)求指令的PKW區(qū)和PZD區(qū)以及數(shù)據(jù)的異或校驗(yàn)字節(jié)BCC。

2.1.4扭矩傳感器

系統(tǒng)選用TQ-660型扭矩傳感器(北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司)，該傳感器可同時(shí)輸出扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)，精度高，可靠性好，可任意位置、任意方向安裝。使用時(shí)，需通過(guò)PH61V2D型信號(hào)變送器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)0～10 V電壓信號(hào)進(jìn)行采集；安裝時(shí)，傳感器兩端通過(guò)聯(lián)軸器分別與傳動(dòng)軸和固定輥相連接；試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)扭矩傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩。為減少同軸度誤差和機(jī)器振動(dòng)對(duì)扭矩傳感器造成損傷，傳感器下部墊有2 mm厚的橡膠墊片，對(duì)高頻振動(dòng)起一定的緩沖作用。表4為傳感器主要技術(shù)參數(shù)。

表4 扭矩傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of torque sensor

2.1.5調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)調(diào)制輥間隙快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了圖7所示的調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[22]，即電動(dòng)推桿(力姆泰克(北京)傳動(dòng)設(shè)備有限公司)通過(guò)擺桿和連桿帶動(dòng)柱塞泵柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制柱塞泵的排油量來(lái)改變間隙調(diào)節(jié)液壓缸的活塞伸長(zhǎng)量，間隙調(diào)節(jié)液壓缸安裝在浮動(dòng)輥軸承座下方，當(dāng)活塞伸長(zhǎng)量發(fā)生變化時(shí)帶動(dòng)浮動(dòng)輥軸承座繞樞軸擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固定輥與浮動(dòng)輥之間間隙的調(diào)節(jié)[23]。間隙調(diào)節(jié)完成后關(guān)閉截止閥，保持柱塞泵出油量不再發(fā)生變化。在柱塞泵的出口處安裝有PCM300型壓力傳感器(蘇州軒勝儀表科技有限公司；量程0～40 MPa；精度等級(jí)0.5)，可時(shí)刻監(jiān)測(cè)浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化。

表5為電動(dòng)推桿技術(shù)參數(shù)，電動(dòng)推桿采用24 V直流伺服電機(jī)提供動(dòng)力，并安裝有RCC38H型增量式編碼器和機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，可通過(guò)閉環(huán)控制精確調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿位移量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞泵排油量的精準(zhǔn)控制[24-25]。

表5 電動(dòng)推桿技術(shù)參數(shù)Tab.5 Technical parameters of linear actuator

2.1.6防干擾措施

圖8為測(cè)控系統(tǒng)防干擾措施實(shí)物圖，為防止電磁信號(hào)對(duì)通信和信號(hào)采集過(guò)程造成干擾，測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下防干擾措施：雙絞線屏蔽，即上位機(jī)與變頻器之間以及傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間采用專用的屏蔽雙絞線進(jìn)行信息傳遞；獨(dú)立接地，即變頻器上的專用接地端子PE和傳感器供電電源分別與大地連接；穩(wěn)壓濾波，即在變頻器進(jìn)線端和出線端連接電抗器和濾波器，避免耦合電壓或電流對(duì)變頻器造成不必要的沖擊；避免線路交叉，即電源線路與信號(hào)線路保持一定距離，無(wú)法避開(kāi)線路交叉時(shí)兩者走線方向呈直角以減少電磁干擾；電源隔離，即利用BK-1KVA型隔離控制變壓器(科穩(wěn)電氣有限公司)為傳感器單獨(dú)提供穩(wěn)定電源。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1測(cè)控系統(tǒng)軟件

本測(cè)控系統(tǒng)基于LabVIEW軟件編寫(xiě)，該軟件采用32位編譯的圖像化語(yǔ)言，用戶可通過(guò)調(diào)用模塊化的子函數(shù)，快速地進(jìn)行虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，操作簡(jiǎn)便，條理清晰[26-27]，同時(shí)該軟件具有良好的人機(jī)交互界面，靈活性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與分析以及儀器控制、測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域[28-29]。

2.2.2測(cè)控系統(tǒng)功能框圖

圖9為該測(cè)控系統(tǒng)功能框圖，本測(cè)控系統(tǒng)主要通過(guò)功能選擇控件運(yùn)行指定功能程序：電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)苜蓿調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩和轉(zhuǎn)速以及浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間壓力參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)；調(diào)制輥間隙控制系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)調(diào)制輥間隙的精確控制，并在顯示界面上顯示間隙及變化量。

2.2.3測(cè)控系統(tǒng)顯示界面

圖10為本測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)交互式界面，主要分為顯示區(qū)和控制區(qū)。顯示區(qū)可實(shí)時(shí)顯示固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速變化曲線，浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化曲線以及電動(dòng)機(jī)功率變化曲線，記錄并保存采樣時(shí)間及采樣數(shù)據(jù)?？刂茀^(qū)則主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率及開(kāi)始停止?fàn)顟B(tài)，精確調(diào)節(jié)調(diào)制輥間隙等。

圖10試驗(yàn)臺(tái)工況為：調(diào)制輥轉(zhuǎn)速660 r/min、調(diào)制輥間隙4 mm、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量3.8 kg/(m·s)，連續(xù)喂入3次苜蓿試樣。苜蓿通過(guò)調(diào)制輥時(shí)，由于阻力增加，固定輥與傳動(dòng)軸之間扭矩上升、轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率增加。在設(shè)定浮動(dòng)輥與固定輥之間的間隙時(shí)，由于拉桿和壓簧的作用，間隙越大，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力越大；間隙減小，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力降低；當(dāng)間隙調(diào)整至設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力保持不變。試驗(yàn)臺(tái)正常工作的情況下，當(dāng)喂入的試樣較少時(shí)，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力變化不大，基本穩(wěn)定；喂入量較大時(shí)，由于試樣的阻力，浮動(dòng)輥在試樣的作用下向上浮動(dòng)，浮動(dòng)輥對(duì)調(diào)節(jié)液壓缸的壓力變小，因此，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力降低。但由于拉桿和壓簧的作用，兩調(diào)制輥之間的壓力會(huì)增大，并始終保持對(duì)試樣的壓扁作用；當(dāng)喂入的試樣從調(diào)制輥之間排出后，浮動(dòng)輥在壓簧和自身重力的作用下，恢復(fù)到間隙調(diào)整時(shí)的位置，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力恢復(fù)到原來(lái)的值。

2.2.4調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)子程序

圖11為調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)子程序框圖，該子程序利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能控制電動(dòng)推桿的伸縮速度，利用數(shù)字量輸出功能控制電動(dòng)推桿的啟停、伸縮方向和伸縮量；利用數(shù)據(jù)采集卡的高速計(jì)數(shù)功能和模擬量輸入功能判斷電動(dòng)推桿伸縮量和伸縮速度，采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，控制精度為0.1 mm，提高了間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的魯棒性和快速響應(yīng)能力[30-32]。

2.2.5電動(dòng)機(jī)控制與監(jiān)測(cè)子程序

電動(dòng)機(jī)控制與監(jiān)測(cè)子程序主要用來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行及監(jiān)控電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。圖12為該子程序框圖，上位機(jī)通過(guò)虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual instruments software architecture,VISA)技術(shù)與變頻器進(jìn)行全雙工串口通信，每條指令和數(shù)據(jù)都以特定格式的通信報(bào)文進(jìn)行傳送[33-34]。變頻器在執(zhí)行任務(wù)報(bào)文的同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，上位機(jī)通過(guò)報(bào)文解碼得到電動(dòng)機(jī)的輸出功率參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.6數(shù)據(jù)采集子程序

圖13為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序框圖。數(shù)據(jù)采集子程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速以及浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力信號(hào)的快速采集。該程序運(yùn)行前需先選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備，設(shè)置采樣通道、采樣范圍以及采樣頻率。采樣過(guò)程中數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的先進(jìn)先出(First input first output,FIFO)內(nèi)存緩存器分為大小相同的前后兩個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡半滿或全滿時(shí)系統(tǒng)將產(chǎn)生中斷，已滿半?yún)^(qū)中的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接脩艟彌_區(qū)，進(jìn)而在前面板上進(jìn)行顯示與保存，前后兩個(gè)半?yún)^(qū)交替循環(huán)存儲(chǔ)保證了傳感器信號(hào)的連續(xù)高速采集。

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果，2020年10月15日利用測(cè)控系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)苜蓿進(jìn)行不同條件下的調(diào)制試驗(yàn)，如圖14所示。試驗(yàn)材料取自國(guó)家草品種區(qū)域試驗(yàn)站(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境管理學(xué)院試驗(yàn)站)，品種為紫花苜蓿(始花期)，高度為40～70 cm，人工收割后的試樣按照高度進(jìn)行3等分，由根部至頂部依次分為下部、中部、上部。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[35]測(cè)得試樣下部、中部和上部含水率及直徑范圍如表6所示。試驗(yàn)用其他儀器設(shè)備包括：水分測(cè)定儀(0.001 g，ZTXY-101型， 濰坊中特電子儀器有限公司)、電子天平(0.1 g，ACS-6型，永康市香海衡器廠)、卷尺(5 m)、游標(biāo)卡尺(0.02 mm)等。

表6 苜蓿試樣基本參數(shù)Tab.6 Basic parameters of alfalfa samples

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)確定

在確保苜蓿調(diào)制質(zhì)量的前提下，能量消耗越低越好。因此，本文選取單位能耗、苜蓿壓扁率、壓扁損失率作為試驗(yàn)指標(biāo)。

(1)單位能耗

單位能耗是指壓扁單位質(zhì)量物料所需要的凈能量，是設(shè)計(jì)苜蓿調(diào)制裝置時(shí)進(jìn)行功率配備所必需的重要數(shù)據(jù)。利用自行開(kāi)發(fā)的調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)和USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡測(cè)得固定輥與傳動(dòng)軸在工作過(guò)程中扭矩動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，單位能耗計(jì)算公式為

(1)

式中Y1——單位能耗，J/kg

W0——試驗(yàn)臺(tái)空載能耗，J/kg

W1——試驗(yàn)臺(tái)總能耗，J/kg

T0——空載扭矩，N·m

T(t)——t時(shí)刻扭矩，N·m

t——調(diào)制過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，s

m——每次試驗(yàn)喂入苜蓿的質(zhì)量，kg

n——調(diào)制輥轉(zhuǎn)速，r/min

t0——調(diào)制開(kāi)始的時(shí)刻，s

t1——調(diào)制結(jié)束的時(shí)刻，s

(2)壓扁率與壓扁損失率

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]，將每次調(diào)制試驗(yàn)后的苜蓿長(zhǎng)度大于等于7 cm，且長(zhǎng)度50%以上被壓扁的植株挑出并稱量，苜蓿壓扁率計(jì)算公式為

(2)

式中Y2——苜蓿壓扁率，%

mp——長(zhǎng)度大于等于7 cm且長(zhǎng)度50%以上被壓扁的苜蓿總質(zhì)量，g

mj——苜蓿試樣總質(zhì)量，g

將長(zhǎng)度小于7 cm的苜蓿挑出并稱量，苜蓿壓扁損失率計(jì)算公式為

(3)

式中Y3——苜蓿壓扁損失率，%

mt——長(zhǎng)度小于7 cm的苜蓿總質(zhì)量，g

3.2 試驗(yàn)因素

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)得到調(diào)制輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量q和調(diào)制輥間隙c對(duì)試驗(yàn)臺(tái)性能的影響較為顯著。調(diào)制輥轉(zhuǎn)速在660～900 r/min之間時(shí)，調(diào)制效果較好，壓扁損失率較低；轉(zhuǎn)速低于660 r/min時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)工作效率低；高于900 r/min時(shí)，苜蓿葉片壓扁損失率較高；故試驗(yàn)時(shí)選取轉(zhuǎn)速n為660、780、900 r/min，對(duì)應(yīng)調(diào)制輥?lái)攬A線速度分別為6.91、8.17、9.42 m/s；根據(jù)調(diào)制輥間隙在2～4 mm之間時(shí)，壓扁效果較好[38]，試驗(yàn)時(shí)選取c為2、3、4 mm；根據(jù)小型割草壓扁機(jī)田間實(shí)際作業(yè)工況可知，喂入量與作業(yè)速度關(guān)系式為

(4)

式中Q——喂入量，kg/s

v——機(jī)組行駛速度，m/s

M——苜蓿產(chǎn)量，kg/hm2

B——割幅，m

本次試驗(yàn)?zāi)M小型手扶式山地割草壓扁機(jī)[39-40]的作業(yè)速度1.92、3.24、4.56 km/h；根據(jù)切割器長(zhǎng)度應(yīng)大于壓扁輥長(zhǎng)度[41]，并且試驗(yàn)臺(tái)調(diào)制輥有效工作長(zhǎng)度為0.4 m，假設(shè)苜蓿割草機(jī)的割幅為0.8 m；假設(shè)割草壓扁機(jī)勻速作業(yè)時(shí)，喂入量保持恒定，苜蓿長(zhǎng)勢(shì)良好且無(wú)雜草，每茬苜蓿鮮草平均產(chǎn)量[42]為15 000 kg/hm2，可得喂入量為0.64、1.08、1.52 kg/s，對(duì)應(yīng)調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量q分別為1.6、2.7、3.8 kg/(m·s)。

為了研究不同試驗(yàn)因素對(duì)苜蓿調(diào)制質(zhì)量和單位能耗的影響程度以及各試驗(yàn)因素之間的交互作用，本次試驗(yàn)采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表7所示，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，表中A、B、C分別是調(diào)制輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量q、調(diào)制輥間隙c的因素編碼值。

表7 苜蓿調(diào)制試驗(yàn)因素編碼Tab.7 Factors and codes of alfalfa conditioning test

表8 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.8 Test scheme and result

3.3 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對(duì)表8中數(shù)據(jù)開(kāi)展多元回歸擬合分析，建立單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2及壓扁損失率Y3對(duì)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量和調(diào)制輥間隙的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，建立模型為

Y1=5 105.49-7.34n-183.62q-726.49c-0.37nq-
0.04nc+20.88qc+0.005 9n2+68.03q2+95.35c2

(5)

Y2=43.84+0.12n+6.97q-2.21c-0.000 3nq-
0.000 7nc-0.13qc-0.000 07n2-1.29q2+0.31c2

(6)

Y3=40.03-0.07n-4.55q-1.89c+0.001 8nq+
0.000 8nc-0.50qc+0.000 04n2+0.78q2+0.31c2

(7)

由表9可知，單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2和壓扁損失率Y3與試驗(yàn)因素的回歸模型的P值分別為0.000 9、0.005、0.006 3(均小于0.01)，表示模型極顯著；模型失擬項(xiàng)的P值分別為0.073 8、0.108 9、0.402 6(均大于0.05)，表明無(wú)失擬因素的存在，3個(gè)模型在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高；模型決定系數(shù)R2分別為0.949 9、0.916 2、0.910 2，表明該模型可以較好地解釋不同因素作用下的響應(yīng)值，從而預(yù)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的工作參數(shù)。此外，在單位能耗Y1的回歸模型中，因素q、n2、q2對(duì)模型影響顯著，因素n、c、c2對(duì)模型影響極顯著；在苜蓿壓扁率Y2的回歸模型中，因素q、n2對(duì)模型影響顯著，因素c、q2對(duì)模型影響極其顯著；在壓扁損失率Y3的回歸模型中，因素q、qc、n2對(duì)模型影響顯著，因素c、q2對(duì)模型影響極顯著。在保證模型P<0.05，失擬項(xiàng)P>0.05的基上，剔除不顯著回歸項(xiàng)對(duì)模型的影響，進(jìn)一步優(yōu)化模型得到

Y1=5 028.45-7.45n-121.01q-700.81c-
0.005 9n2+68.03q2+95.35c2

(8)

Y2=44.25+6.63q-0.88c-0.000 07n2-1.27q2

(9)

Y3=34.51-3.17q-1.29c-0.50qc+
0.000 04n2+0.78q2

(10)

3.4 試驗(yàn)因素對(duì)性能指標(biāo)的影響

根據(jù)表9試驗(yàn)結(jié)果，可得調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量、調(diào)制輥間隙及其交互作用對(duì)各性能指標(biāo)的影響，并利用Design-Expert 10.0.7軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

表9 苜蓿調(diào)制試驗(yàn)二次項(xiàng)模型方差分析Tab.9 ANOVA of quadratic models for alfalfa conditioning experiments

各試驗(yàn)因素對(duì)單位能耗的響應(yīng)面曲面如圖15所示。圖15a為調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量對(duì)單位能耗的影響情況，由圖15a可知，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的升高先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先降低后升高。圖15b顯示了調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對(duì)單位能耗的影響情況，由圖15b可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，單位能耗隨調(diào)制輥間隙的增大先降低后升高。圖15c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時(shí)，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量和調(diào)制輥間隙對(duì)單位能耗的影響情況，由圖15c可知，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥間隙的增大先降低后升高；調(diào)制輥間隙一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先降低后升高。綜合考慮3個(gè)因素對(duì)單位能耗的影響，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為709.92 r/min、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量為 3.23 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為3.96 mm時(shí)，單位能耗存在最優(yōu)值，為888.98 J/kg。

各試驗(yàn)因素對(duì)苜蓿壓扁率的響應(yīng)面曲面如圖16所示。圖16a顯示了調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量對(duì)苜蓿壓扁率的影響情況，由圖16a可知，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增大先升高后降低；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先升高后降低。圖16b顯示了調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對(duì)苜蓿壓扁率的影響情況，由圖16b可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。圖16c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時(shí)，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量和調(diào)制輥間隙對(duì)苜蓿壓扁率的影響情況。由圖16c可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先升高后降低；調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。綜合考慮3個(gè)因素對(duì)苜蓿壓扁率的影響，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為806.62 r/min、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量為2.51 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為2 mm時(shí)，苜蓿壓扁率存在最優(yōu)值，為96.68%。

各試驗(yàn)因素對(duì)壓扁損失率的響應(yīng)面曲面如圖17所示。圖17a顯示了調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量對(duì)壓扁損失率的影響情況，由圖17a可知，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增大先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先降低后升高。圖17b顯示了調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時(shí)，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對(duì)壓扁損失率的影響情況，由圖17b可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。圖17c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時(shí)，調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量和調(diào)制輥間隙對(duì)壓扁損失率的影響情況，由圖17c可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量的增加先降低后升高；調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量一定時(shí)，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低，但是，當(dāng)調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量最小時(shí)，壓扁損失率隨著調(diào)制輥間隙的增加變化不明顯。綜合考慮3個(gè)因素對(duì)壓扁損失率的影響，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為740.24 r/min、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量為3.38 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為4 mm時(shí)，壓扁損失率存在最優(yōu)值，為2.36%。

3.5 最佳參數(shù)組合

通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)，需要確定影響該試驗(yàn)臺(tái)工作性能的最優(yōu)參數(shù)組合，從而提高苜蓿壓扁率，降低壓扁損失率與單位能耗。以最小單位能耗Y1、最高苜蓿壓扁率Y2和最低壓扁損失率Y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

(11)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行優(yōu)化得試驗(yàn)臺(tái)工況最佳組合：n=774.70 r/min，q=2.77 kg/(m·s)，c=3.33 mm；由于試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際工作參數(shù)很難調(diào)整至理論求解的優(yōu)化值，故選取一組接近于優(yōu)化求解值的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，參數(shù)值取：n=775 r/min，q=2.77 kg/(m·s)，c=3.3 mm，代入模型中求解得單位能耗Y1為909.25 J/kg，苜蓿壓扁率Y2為96.67%，壓扁損失率Y3為1.67%。

3.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)優(yōu)化分析得到的最優(yōu)參數(shù)，于2020年10月24日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)用紫花苜蓿試樣與15日試驗(yàn)所用試樣取自相同試驗(yàn)田，其下部、中部、上部含水率分別為72.3%、74.5%、75.6%，直徑分別為3.6～5.2 mm、2.6～4.0 mm、2.1～3.7 mm，試樣高度為45～79 cm。試驗(yàn)共進(jìn)行5次，依據(jù)式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算，得到單位能耗Y1為931.42 J/kg、苜蓿壓扁率Y2為94.33%、壓扁損失率Y3為1.65%。由于驗(yàn)證試驗(yàn)中采用的苜蓿試樣即將進(jìn)入盛花期，植株較為成熟，莖稈較為粗壯，故試驗(yàn)結(jié)果與理論優(yōu)化值之間存在一定差異，其中單位能耗高于理論最優(yōu)值，其相對(duì)誤差為2.44%；苜蓿壓扁率低于理論最優(yōu)值，其相對(duì)誤差為2.42%；壓扁損失率低于理論最優(yōu)值，其相對(duì)誤差為1.20%。三者的相對(duì)誤差均小于3%，表明求解的單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2和壓扁損失率Y3與試驗(yàn)因素的回歸模型能夠滿足參數(shù)優(yōu)化需求。

4 結(jié)論

(1)基于LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了苜蓿調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺(tái)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速在350～1 350 r/min之間穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的功率變化；設(shè)計(jì)了一種調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)精確控制調(diào)制間隙在2～4 mm之間變化，控制精度為0.1 mm；通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速以及浮動(dòng)輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力參數(shù)，并在顯示界面上實(shí)時(shí)顯示和保存數(shù)據(jù)。

(2)通過(guò)二次正交試驗(yàn)驗(yàn)證了苜蓿調(diào)制試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)工作的可靠性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，分別建立了單位能耗、苜蓿壓扁率以及壓扁損失率的二次回歸模型，并利用Design-Expert 10.0.7軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，得出理論最優(yōu)解為：調(diào)制輥轉(zhuǎn)速775 r/min、調(diào)制輥單位工作長(zhǎng)度喂入量2.77 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙3.3 mm，此時(shí)單位能耗為909.25 J/kg、苜蓿壓扁率為96.67%、壓扁損失率為1.67%。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)測(cè)單位能耗、苜蓿壓扁率、壓扁損失率分別為931.42 J/kg、94.33%、1.65%，試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值之間的相對(duì)誤差小于3%，回歸模型可靠。