基于雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的膠輥礱谷機(jī)研究與實(shí)踐

劉亞奇，任瑞龍，顧仁剛，尚 微，張士雄*，阮競(jìng)蘭

（1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001；2.布勒(無(wú)錫)商業(yè)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214023）

電動(dòng)機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)的核心部件。考慮到空間和成本因素，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)多采用單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪、同步帶、鏈條傳動(dòng)等方式，產(chǎn)生所需要的多種轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。雖然這類機(jī)械系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、易磨損、噪聲大，可靠性也低。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，由于具有效率高、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)部件之間依賴度低等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備中，比如采用多電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)可以保證多電機(jī)準(zhǔn)確的交互位置和轉(zhuǎn)速的信息，使得多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制更加準(zhǔn)確高效[1]。隨著我國(guó)機(jī)械自動(dòng)化水平提高，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式被應(yīng)用到許多糧食機(jī)械中，如礱谷機(jī)[2]、糧食扦樣機(jī)[3]、運(yùn)糧機(jī)[4]等，同時(shí)設(shè)備在響應(yīng)速度、同步精度、魯棒性等方面，也對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求。端夢(mèng)云[3]設(shè)計(jì)的多電機(jī)雙桿糧食扦樣機(jī)，相比傳統(tǒng)的固定式扦樣機(jī)具有扦樣范圍大，扦樣效率高、扦樣桿不易堵等優(yōu)點(diǎn)；王銀明[4]設(shè)計(jì)的基于多變頻電機(jī)的自動(dòng)運(yùn)糧機(jī)，相比傳統(tǒng)的運(yùn)糧機(jī)具有運(yùn)行更加平穩(wěn)、用電量明顯下降、效率顯著提升的優(yōu)點(diǎn)。

民以食為天，糧食工業(yè)關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，與我們的生活息息相關(guān)。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，其中稻米的種植和食用都具有悠久的歷史，所以稻谷加工機(jī)械的發(fā)展也是經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，礱谷機(jī)是將稻谷脫去穎殼的一種典型的機(jī)電系統(tǒng)，是稻谷加工機(jī)械中最重要的設(shè)備之一，膠輥礱谷機(jī)在稻米的脫殼機(jī)械中是最常見的，技術(shù)也最為成熟，其性能直接影響稻谷的加工質(zhì)量。國(guó)內(nèi)也有不少研究人員對(duì)傳統(tǒng)的由齒輪變速箱傳動(dòng)的膠輥礱谷機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，例如孟飛等[5]提出了一種三輥代替齒輪變速箱的傳動(dòng)方式，他采用變頻電機(jī)帶動(dòng)左右兩個(gè)快輥和中間一個(gè)慢輥，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使中間的慢輥向左右兩個(gè)快輥合攏，達(dá)到擠壓、撕裂稻谷和脫殼的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳動(dòng)方式具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易于實(shí)際工程中應(yīng)用。

1 膠輥礱谷機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

膠輥礱谷機(jī)的主要機(jī)構(gòu)分為進(jìn)料機(jī)構(gòu)、脫殼裝置、傳動(dòng)裝置和風(fēng)選裝置4個(gè)部分，如圖1所示[6]。

圖1 膠輥礱谷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

稻谷經(jīng)進(jìn)料口的淌板進(jìn)入礱谷機(jī)，在經(jīng)過(guò)一對(duì)相向不等速旋轉(zhuǎn)的膠輥時(shí)，通過(guò)壓砣的壓力使稻谷受到擠壓和撕裂達(dá)到脫殼的目的。脫殼之后的物料下落進(jìn)入風(fēng)選裝置，谷糙混合物與稻殼在氣流的作用下分離。傳統(tǒng)的膠輥礱谷機(jī)大多數(shù)采用齒輪變速箱、同步齒形帶等傳動(dòng)，通過(guò)與雙皮帶相結(jié)合或單根皮帶關(guān)聯(lián)傳動(dòng)的方式與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相聯(lián)[2]。該傳動(dòng)方式具有傳動(dòng)穩(wěn)定、成本低、易于推廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、振動(dòng)、故障率高、漏油及污染糧食等問(wèn)題，這些缺陷大大限制了膠輥礱谷機(jī)的發(fā)展與提高，也使國(guó)產(chǎn)礱谷機(jī)喪失了與國(guó)際品牌競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。

2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)在膠輥礱谷機(jī)上的應(yīng)用研究

參考文獻(xiàn)[2]在總結(jié)傳統(tǒng)膠輥礱谷機(jī)的缺陷的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種膠輥礱谷機(jī)雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及自動(dòng)控制系統(tǒng)，用雙變頻電機(jī)傳動(dòng)代替齒輪變速箱傳動(dòng)，并應(yīng)用到了工程實(shí)踐中，獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果，這個(gè)傳動(dòng)方式的提出大力推動(dòng)了膠輥礱谷機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，也為以后膠輥礱谷機(jī)的改進(jìn)提供了新的方向。

2.1 雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)的特點(diǎn)

雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)的工藝原理與傳統(tǒng)礱谷機(jī)相同，即在一定的輥壓下，通過(guò)兩個(gè)膠輥的相向、差速摩擦，對(duì)谷物產(chǎn)生撕搓作用，達(dá)到脫殼的目的。對(duì)于傳統(tǒng)礱谷機(jī)而言，兩個(gè)膠輥的相向、差速旋轉(zhuǎn)由變速箱或皮帶產(chǎn)生，受傳動(dòng)機(jī)械的制約，兩個(gè)膠輥的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速差無(wú)法自由調(diào)節(jié)，從而限制了用戶對(duì)工藝參數(shù)的自由調(diào)節(jié)。另外，由于膠輥的磨損，使得礱谷機(jī)在使用過(guò)程中線速度不斷變化，導(dǎo)致工藝參數(shù)隨之變化，因此工藝效果難以保證。相比傳統(tǒng)的齒輪變速箱傳動(dòng)的膠輥礱谷機(jī)，雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)采用兩臺(tái)變頻電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)礱谷機(jī)的快、慢輥，每臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)獨(dú)立的，通過(guò)變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)快、慢輥產(chǎn)生相向運(yùn)動(dòng)，擠壓稻谷來(lái)脫殼。雙變頻電機(jī)的傳動(dòng)方式使快、慢輥的轉(zhuǎn)速度以及相應(yīng)的線速度解耦，徹底消除了快、慢輥轉(zhuǎn)速與線速度的耦合，結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，消除了傳統(tǒng)齒輪箱傳動(dòng)的噪音與振動(dòng)等問(wèn)題。在雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的礱谷機(jī)上，出現(xiàn)了定輥和動(dòng)輥的叫法，定輥即固定輥，其兩端軸承固定在礱谷機(jī)機(jī)身上，輥及軸只能旋轉(zhuǎn)不能移動(dòng)；動(dòng)輥即移動(dòng)輥，其兩端軸承固定在移動(dòng)部件上，軸承可以在外力的作用下使移動(dòng)輥與固定輥接觸或分離。傳統(tǒng)礱谷機(jī)上定輥一般是快輥，動(dòng)輥一般是慢輥，然而在雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的礱谷機(jī)上，由于兩個(gè)膠輥轉(zhuǎn)速或線速度可以獨(dú)立、自由調(diào)節(jié)，所有定輥既可以做快輥又可以做慢輥，動(dòng)輥亦如此，并且快、慢輥可以隨時(shí)自動(dòng)交換，以便均衡兩個(gè)磨損程度和溫升，從而延長(zhǎng)膠輥使用壽命。

2.2 雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

自2013年雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全自動(dòng)膠輥礱谷機(jī)被首次提出并實(shí)現(xiàn)以來(lái)至今已有8年[7]。由于采用雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，礱谷機(jī)的快慢輥可以自動(dòng)交換、各項(xiàng)工藝參數(shù)可以獨(dú)立、精確地控制，且在降低能耗、降低膠耗、節(jié)省人工方面效果明顯，近幾年得到越來(lái)越多客戶的青睞，成為未來(lái)取代傳統(tǒng)膠輥礱谷機(jī)的必然趨勢(shì)。在礱谷機(jī)領(lǐng)域，雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)的出現(xiàn)解決了礱谷機(jī)的自動(dòng)化問(wèn)題，但在智能化方向，礱谷機(jī)尚有更廣闊的發(fā)展空間。目前雙變頻膠輥礱谷機(jī)發(fā)展出了很多優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)品牌，布勒公司作為谷物加工行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，開發(fā)和研究此項(xiàng)技術(shù)對(duì)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

布勒公司的礱谷機(jī)技術(shù)起步較早，且起點(diǎn)較高。布勒公司在20世紀(jì)90年代已經(jīng)把嵌入式控制技術(shù)應(yīng)用于礱谷機(jī)，其礱谷機(jī)采用1臺(tái)異步電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)皮帶和帶輪傳動(dòng)將電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)差速反向旋轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)快輥和慢輥旋轉(zhuǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)式采用懸臂式氣壓緊輥。該傳動(dòng)方式具有傳動(dòng)效率高、噪音小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著雙變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)礱谷機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，該項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)認(rèn)可度越來(lái)越高。2020年布勒公司與河南工業(yè)大學(xué)通過(guò)技術(shù)合作，開始了新一代礱谷機(jī)的研制工作。結(jié)合目前最新的傳感器技術(shù)和智能制造理念，雙方于2021年成功研制出最新一代全自動(dòng)礱谷機(jī)系列——DRHK2021（如圖2）。與布勒公司經(jīng)典的礱谷機(jī)機(jī)型DRHK相比，DRHK2021不僅繼承了其原有的高可靠性和優(yōu)良的工藝效果，還增加了自動(dòng)換輥、配方管理、專家模式、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)反饋等功能，使其性能更加卓越。而與行業(yè)內(nèi)其它類型的全自動(dòng)礱谷機(jī)相比，DRHK2021在器件選型上更加苛刻，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)上更為嚴(yán)格，通信接口和軟件平臺(tái)與智能生產(chǎn)線和智能工程的融合更加便利和靈活，適應(yīng)了智能膠輥礱谷機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 布勒公司DRHK2021型全自動(dòng)礱谷機(jī)

2.3 雙變頻電機(jī)膠輥礱谷機(jī)的控制系統(tǒng)

布勒公司在20世紀(jì)90年代已經(jīng)把獲得專利的嵌入式控制技術(shù)應(yīng)用于礱谷機(jī)，具有輥壓和振動(dòng)喂料速度的連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以及工藝性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位。在新系列產(chǎn)品—DRHK2021中，同樣基于布勒公司的工業(yè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，與布勒公司W(wǎng)inCos系統(tǒng)的通信兼容。該礱谷機(jī)采用了目前最新的電控器件和傳感器，在人機(jī)交互方面結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，操作更加簡(jiǎn)單，性能更加可靠。面向初級(jí)用戶的全自動(dòng)運(yùn)行界面，選定工藝參數(shù)配方后可以一鍵啟動(dòng)礱谷機(jī)，一鍵停機(jī)，對(duì)操作人員的技術(shù)水平無(wú)要求。面向?qū)＜矣脩舻氖謩?dòng)運(yùn)行界面，同樣具有一鍵啟、停機(jī)，但是具備了對(duì)全部工藝參數(shù)的精細(xì)調(diào)整功能，參數(shù)調(diào)到最佳性能后可以一鍵存為配方，供全自動(dòng)運(yùn)行界面調(diào)用。界面同時(shí)顯示工藝參數(shù)的設(shè)定值和反饋值，避免了設(shè)定參數(shù)和實(shí)際參數(shù)不一致的問(wèn)題?？刂乒衽c機(jī)械機(jī)構(gòu)分離，避免了灰塵和振動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實(shí)現(xiàn)智能化需要設(shè)備間具有高效的通信接口，所以控制器需要具有網(wǎng)絡(luò)接口，設(shè)置工藝參數(shù)、生產(chǎn)控制、查看工藝效果均可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集中實(shí)現(xiàn)。布勒公司礱谷機(jī)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，具有遠(yuǎn)程調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制調(diào)試的功能。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

在江蘇某農(nóng)場(chǎng)按照中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10267-2013進(jìn)行了加工測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。測(cè)試中采用的水稻品種為綠色7號(hào)（粳稻）（如圖 3）和雜交稻 118+608（秈稻）（如圖 4），采用的機(jī)型分別為布勒公司DRHK以及DRHK2021，同等產(chǎn)量下在脫殼率、糙碎率、膠耗及能耗等關(guān)鍵工藝參數(shù)和性能參數(shù)上進(jìn)行了分析對(duì)比。

圖3 綠色7號(hào)

圖4 雜交稻118+608

測(cè)試結(jié)果：DRHK（如圖 5）與 DRHK2021（如圖6）通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，均能達(dá)到較高的脫殼率和較低的糙碎率，兩者工藝效果基本相當(dāng)。同等脫殼率下，原糧為雜交稻118+608時(shí)，DRHK2021的糙碎率在各個(gè)產(chǎn)量時(shí)均低于DRHK，平均約低0.3%；原糧為綠色7號(hào)時(shí)，同等脫殼率下，DRHK2021的糙碎率在各個(gè)產(chǎn)量均低于DRHK，平均約低0.1%；膠耗方面：分別在兩個(gè)機(jī)型上加工280 t原糧，DRHK2021的平均膠耗為DRHK平均膠耗的47%，由此可見膠耗降低明顯；DRHK2021在節(jié)能降耗方面也有較為顯著的提升，非連續(xù)加工原糧6 d后，相對(duì)于DRHK，DRHK2021的節(jié)能率約為7%。

圖5 礱谷機(jī)DRHK

圖6 自動(dòng)礱谷機(jī)DRHK 2021

由此可見，由于具有精確的工藝參數(shù)獨(dú)立控制能力，DRHK2021的工藝參數(shù)可以在更廣的參數(shù)范圍內(nèi)獲得更優(yōu)的參數(shù)組合，從而達(dá)到更優(yōu)的工藝效果。同時(shí)，由于具有膠輥磨損補(bǔ)償算法，DRHK2021可以在膠輥整個(gè)生命周期內(nèi)始終維持穩(wěn)定的工藝效果，而不受膠輥磨損量的影響，再配合自動(dòng)換輥功能，使之相對(duì)于其它機(jī)型具有更高的綜合性能指標(biāo)。

3 結(jié)論

智能化是糧食機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)，而智能化建立在自動(dòng)化基礎(chǔ)之上。礱谷機(jī)作為工廠和生產(chǎn)線的一部分，單純解決本身的自動(dòng)化問(wèn)題對(duì)于提高全廠綜合生產(chǎn)率和提高糧食品質(zhì)作用并不明顯。設(shè)備基于統(tǒng)一的軟件平臺(tái)和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念，不僅在糧機(jī)行業(yè)適用，同樣適用于其它類型生產(chǎn)線設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)錫布勒公司膠輥礱谷機(jī)相比傳統(tǒng)的齒輪箱傳動(dòng)的膠輥礱谷機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、震動(dòng)和噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了能耗、提高了工作效率、減少了糧食污染、優(yōu)化了生產(chǎn)方式，有效解決了傳統(tǒng)膠輥礱谷機(jī)工作穩(wěn)定性差、脫殼率低、單機(jī)產(chǎn)量小、自動(dòng)化水平低等問(wèn)題，值得在市場(chǎng)上大力推廣應(yīng)用。

表1 膠輥測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 實(shí)際使用能耗數(shù)據(jù)