青貯收獲機(jī)動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置與控制系統(tǒng)研究

陳美舟 徐廣飛 宋志才 魏懋健 刁培松 辛世界

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000)

0 引言

動(dòng)刀與定刀間隙直接影響玉米青貯收獲機(jī)切碎裝置對(duì)作物的切碎質(zhì)量[1-2]。間隙過大，作物易被滯留在間隙內(nèi)，導(dǎo)致切割作物的摩擦力增加，動(dòng)刀易出現(xiàn)打滑，使作物被拉斷而非切斷[3]，造成斷面不齊，切段長(zhǎng)度增加[4]；間隙過小，安裝難度增加，易打刀，影響正常青貯作業(yè)，甚至出現(xiàn)安全問題[5-8]，因此，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)動(dòng)定刀間隙至關(guān)重要。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)青貯收獲技術(shù)與關(guān)鍵裝備的研究起步較早，以科樂收、凱斯和紐荷蘭為代表，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)定刀間隙的自動(dòng)調(diào)整與控制，紐荷蘭的FX系列自走式青貯收獲機(jī)，裝配有Adjust-O-Matic自動(dòng)控制系統(tǒng)，駕駛員通過顯示屏設(shè)定間隙后，控制系統(tǒng)按照設(shè)定指令自動(dòng)調(diào)節(jié)間隙，智能化水平高，但價(jià)格昂貴，受切碎裝置結(jié)構(gòu)與整機(jī)配置關(guān)系的影響，并不適合國(guó)內(nèi)青貯收獲機(jī)，因此未見相關(guān)推廣應(yīng)用[9-10]。近年來，我國(guó)大力支持青貯產(chǎn)業(yè)，國(guó)產(chǎn)青貯收獲機(jī)得以快速發(fā)展。國(guó)產(chǎn)青貯收獲機(jī)在磨削動(dòng)刀或更換動(dòng)刀后，依賴人工手動(dòng)調(diào)節(jié)間隙，調(diào)節(jié)精度非常低，同時(shí)復(fù)雜繁瑣的操作過程增加了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至延誤農(nóng)時(shí)[11-12]。因此，迫切需要研制一種動(dòng)定刀間隙調(diào)節(jié)裝置并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)控制，提升國(guó)產(chǎn)青貯收獲裝備的自動(dòng)化水平。

本文針對(duì)人字形排布的平板式動(dòng)刀與定刀的間隙調(diào)節(jié)要求，提出先接觸后退刀的研究思路，設(shè)計(jì)一種電驅(qū)搖臂偏心式動(dòng)定刀間隙調(diào)節(jié)裝置，分別安裝在切碎裝置兩側(cè)，定刀在左、右兩側(cè)間隙調(diào)節(jié)搖臂的帶動(dòng)下先“接觸”動(dòng)刀使間隙“清零”，后退定刀重新調(diào)節(jié)間隙至設(shè)定值；設(shè)計(jì)基于振動(dòng)加速度傳感器的間隙調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及控制系統(tǒng)對(duì)左、右兩側(cè)間隙同步調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性。

1 間隙調(diào)節(jié)原理

為將動(dòng)定刀間隙準(zhǔn)確調(diào)節(jié)至設(shè)定值，提出先接觸后退刀的間隙調(diào)節(jié)思路。首先使定刀靠近動(dòng)刀，將動(dòng)定刀間隙“清零”，再使定刀后退遠(yuǎn)離動(dòng)刀，定刀后退距離即為重新調(diào)節(jié)后的動(dòng)定刀間隙。需要注意的是，此處“清零”指的是動(dòng)定刀間隙盡可能趨近于零而非接觸，否則會(huì)出現(xiàn)打刀現(xiàn)象。

動(dòng)刀以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，定刀靠近動(dòng)刀的過程會(huì)感受到逐漸增強(qiáng)的振動(dòng)。由于定刀硬度較大，不易鉆孔，因此，在定刀座左、右端各安裝一個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，用以采集定刀將要“接觸”動(dòng)刀時(shí)的振動(dòng)加速度信號(hào)，以此判定間隙是否“清零”。

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

電驅(qū)搖臂偏心式動(dòng)定刀間隙調(diào)節(jié)裝置，主要由偏心軸承、搖臂、螺紋銷、螺紋軸、相貫線型底座、萬(wàn)向聯(lián)軸器、間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器等組成，如圖1所示。

圖1 動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的安裝位置如圖2所示。定刀座與搖臂下端斜面通過螺栓連接，搖臂下端通過偏心軸承與機(jī)架固定軸連接，搖臂上端與螺紋銷焊接；螺紋軸一端與螺紋銷通過螺紋連接，另一端穿過相貫線型底座通過平鍵與萬(wàn)向聯(lián)軸器連接；萬(wàn)向聯(lián)軸器另一端與固定在機(jī)架上的間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器連接。

圖2 動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝位置及原理圖

2.2 工作原理

工作時(shí)，間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器通過萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)螺紋軸旋轉(zhuǎn)，隨著螺紋軸的旋轉(zhuǎn)，搖臂上端隨之前后擺動(dòng)，搖臂下端則繞著偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)定刀繞定刀回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，完成靠近或遠(yuǎn)離動(dòng)刀的動(dòng)作。當(dāng)螺紋軸隨間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，搖臂上端向前移動(dòng)，搖臂下端帶動(dòng)定刀逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，完成退定刀動(dòng)作，退刀原理如圖3所示。定刀旋轉(zhuǎn)方向與間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致。

圖3 退定刀原理圖

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 定刀回轉(zhuǎn)軌跡

對(duì)磨損的動(dòng)刀進(jìn)行磨削后，需重新調(diào)節(jié)動(dòng)定刀間隙，因此，定刀的回轉(zhuǎn)軌跡為先“接觸”磨削后的動(dòng)刀，再后退至間隙設(shè)定值。定刀回轉(zhuǎn)軌跡如圖4所示，O1為定刀回轉(zhuǎn)軸心，O2為動(dòng)刀回轉(zhuǎn)軸心，兩軸心距離為L(zhǎng)。P1為定刀刃的初始位置，定刀刃回轉(zhuǎn)半徑為R。初始位置時(shí)，磨損后的動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑為R1，定刀刃與磨損后的動(dòng)刀間隙為δ1，磨刀后，動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑變?yōu)镽2。啟動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)，假設(shè)定刀靠近動(dòng)刀，接觸點(diǎn)為P2，之后定刀刃后退至P3處，此時(shí)定刀刃與動(dòng)刀的間隙為δ2，為動(dòng)定刀間隙設(shè)定值，定刀刃的旋轉(zhuǎn)角度為θ。

圖4 定刀回轉(zhuǎn)軌跡示意圖

間隙調(diào)節(jié)后，定刀刃與動(dòng)刀回轉(zhuǎn)軸間的關(guān)系為

lO2P3=δ2+R2

(1)

由△O1O2P2和△O1O2P3的幾何關(guān)系可得定刀刃回轉(zhuǎn)角θ與動(dòng)定刀間隙設(shè)定值δ2間的關(guān)系為

θ=θ1-θ2

(2)

其中

(3)

(4)

將式(3)、(4)代入式(2)，得動(dòng)定刀間隙設(shè)定值δ2與定刀刃回轉(zhuǎn)角θ之間的數(shù)學(xué)模型為

(5)

基于課題組設(shè)計(jì)的自動(dòng)磨刀裝置，每次磨刀的磨削量為0.5 mm，磨削后，設(shè)定動(dòng)定刀間隙為 0.3 mm[13]，則動(dòng)刀刃回轉(zhuǎn)半徑R2由300 mm變?yōu)?99.5 mm。將L=354.5 mm、R=134 mm、δ2=0.3 mm 代入式(5)得θ=0.13°。

3.2 搖臂

搖臂需帶動(dòng)定刀座繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。青貯作業(yè)時(shí)，定刀座需要保持固定，避免動(dòng)定刀間隙發(fā)生變化。搖臂的旋轉(zhuǎn)中心即定刀座回轉(zhuǎn)軸，因此搖臂下端與機(jī)架的連接需要偏心，搖臂下端通過偏心軸承與機(jī)架固定軸連接，如圖5a所示。

圖5 搖臂

(6)

(7)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，刀片磨損超過1 cm后需要更換，確定間隙δ2的最大值為10 mm，代入式(5)得定刀座最大旋轉(zhuǎn)角度θ0為4.4°。

設(shè)計(jì)定刀座回轉(zhuǎn)軸與搖臂下端孔的距離Sz為163.5 mm，與搖臂上端螺紋銷中心的距離Sy為433.4 mm，分別代入式(6)、(7)，確定搖臂下端孔的偏心量為12.56 mm，搖臂上端螺紋銷的偏心量為33.26 mm。聯(lián)立式(5)、(7)得，搖臂偏心量l與間隙δ2之間的關(guān)系為

(8)

螺紋軸和螺紋銷選用2.5 mm的細(xì)牙螺紋[14-15]，螺紋軸旋轉(zhuǎn)一圈，螺紋銷移動(dòng)距離為 2.5 mm，據(jù)此，螺紋軸旋轉(zhuǎn)角度θy與搖臂偏心量l之間的關(guān)系為

(9)

根據(jù)式(8)、(9)可以確定有刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與動(dòng)定刀間隙之間的關(guān)系。

3.3 相貫線型底座

設(shè)計(jì)的相貫線型底座如圖6所示，由兩對(duì)半月型金屬塊組成，左、右金屬塊為光孔，確保螺紋軸能旋轉(zhuǎn)并在貫穿相貫線型底座處上下浮動(dòng)。

圖6 相貫線型底座結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)方案

間隙調(diào)節(jié)時(shí)，動(dòng)刀按設(shè)定轉(zhuǎn)速由切碎電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，安裝在動(dòng)刀軸一側(cè)的測(cè)速齒輪與轉(zhuǎn)速傳感器配合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)刀轉(zhuǎn)速并反饋給控制器；控制器通過間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器使定刀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“接觸”動(dòng)刀，安裝在定刀兩端的振動(dòng)加速度傳感器檢測(cè)到定刀將要接觸動(dòng)刀的振動(dòng)加速度信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給控制器，控制器再通過間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器使定刀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)后“退刀”，間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)依據(jù)動(dòng)定刀間隙設(shè)定值旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度?？刂葡到y(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)原理圖

4.2 控制系統(tǒng)硬件組成

建立基于振動(dòng)加速度傳感器的間隙調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，主要由控制器、信號(hào)檢測(cè)模塊、切碎電機(jī)及變頻器和間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器等組成，如圖8所示。

圖8 間隙調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

4.2.1控制器

控制器選用STM32F系列105單片機(jī)(72 MHz主頻，64引腳，供電電源DC 5V，I/O引腳輸入電壓2～3.6 V)，具有2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及通用、高級(jí)和基本共10個(gè)定時(shí)器，滿足定時(shí)、計(jì)數(shù)脈沖和輸出PWM信號(hào)的要求，14個(gè)通信接口中含2個(gè)CAN接口。

4.2.2信號(hào)檢測(cè)模塊

(1)振動(dòng)加速度傳感器

選用OMRON公司D7F-S01-10型壓電式振動(dòng)傳感器，適用于機(jī)械接觸與碰撞的振動(dòng)環(huán)境，靈敏度為5.1 mV，檢測(cè)頻率為0.02～2 kHz(±3 dB)，最大加速度為784 m/s2，單振幅2 mm或 392 m/s2。振動(dòng)加速度傳感器通過螺紋固定在定刀座上，安裝位置如圖9所示。該傳感器檢測(cè)的僅是沿傳感器軸向方向的振動(dòng)，其他由發(fā)動(dòng)機(jī)等造成的振動(dòng)對(duì)振動(dòng)加速度傳感器的信號(hào)采集影響非常小，完全可忽略。

為保證振動(dòng)加速度信號(hào)的可信度，利用專門的傳感器標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

(2)轉(zhuǎn)速傳感器

安裝在動(dòng)刀主軸上的測(cè)速齒輪與轉(zhuǎn)速傳感器配合，測(cè)速齒輪隨動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)到一定幅度的脈沖信號(hào)。選用以諾電氣自動(dòng)化公司的YN18-2N20H型轉(zhuǎn)速傳感器，霍爾式，NPN輸出，安裝螺紋M18，檢測(cè)距離2 mm。安裝位置如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速傳感器安裝圖

4.2.3切碎電機(jī)及變頻器

選用六安益升電機(jī)有限公司YE2-20CL1-2型三相異步電動(dòng)機(jī)作為切碎電機(jī)，額定功率30 kW，額定轉(zhuǎn)速2 950 r/min，電壓380 V AC。選用上海正控電氣有限公司ZK880-30KWG-3型變頻器控制切碎電機(jī)，輸入電流62 A，輸入電壓380 V±15%，輸出電壓0～380 V，輸出頻率0～600 Hz，PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

4.2.4間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器

間隙調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器由霍爾式磁性編碼器、電磁制動(dòng)器、有刷直流電機(jī)以及行星齒輪減速器組成。通過對(duì)搖臂運(yùn)動(dòng)軌跡的理論分析知，螺紋軸的旋轉(zhuǎn)量較小，需要采用減速器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速；為避免斷電時(shí)，電機(jī)被負(fù)載帶動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)，采用電磁制動(dòng)器鎖住電機(jī)；霍爾式磁性編碼器采集電機(jī)的轉(zhuǎn)角信號(hào)輸送至控制器，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)角信號(hào)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制間隙調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)作。

采用溫州恒捷電機(jī)有限公司HJX50RNA970i-X1201-BM型直流有刷行星減速電機(jī)，供電電壓交流24 V，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min，減速后額定輸出轉(zhuǎn)速3.7 r/min；內(nèi)置減速器為三級(jí)行星減速器，減速比為1/970，輸出軸通過萬(wàn)向聯(lián)軸器(WSP型可伸縮小型十字軸、型號(hào)WSP1-PB-Φ16-Φ16-190/220)與螺紋軸連接；電磁制動(dòng)器采用TJ-D-10型斷電剎車器，斷電時(shí)磁通迅速消失，電機(jī)斷電停止旋轉(zhuǎn)；霍爾式磁性編碼器為上海角盟自動(dòng)化設(shè)備有限公司DRT系列孔型編碼器，供電電壓交流24 V，編碼器輸出A相和B相兩路信號(hào)，相位差90°，據(jù)此辨別電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，每轉(zhuǎn)輸出16個(gè)方波脈沖。

4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用C語(yǔ)言，基于Microsoft Visual Studio(VS)2015開發(fā)平臺(tái)結(jié)合Structured Query Language(SQL)2012數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)上位機(jī)控制軟件[16]。軟件系統(tǒng)在VS2015軟件平臺(tái)開發(fā)主體程序，利用SQL2012數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的上傳和存儲(chǔ)，包括系統(tǒng)通訊模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和作業(yè)控制模塊。

系統(tǒng)通訊模塊使用RS485總線通訊，兩線制接線方式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)的傳輸。參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備信息、所需轉(zhuǎn)速和間隙值的設(shè)置和存儲(chǔ)。作業(yè)控制模式分為點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)控制模式，點(diǎn)動(dòng)控制模式下，通過觀察左、右兩側(cè)的振動(dòng)加速度參數(shù)，點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)定刀左、右兩側(cè)與動(dòng)刀的間隙，確保定刀兩端間隙一致；自動(dòng)控制模式下，左右兩側(cè)的動(dòng)定刀間隙調(diào)節(jié)裝置同步動(dòng)作，點(diǎn)動(dòng)與自動(dòng)模式界面如圖11所示?？刂葡到y(tǒng)流程如圖12所示。

圖11 軟件控制界面

圖12 系統(tǒng)控制流程圖

5 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

搭建動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)，確保在環(huán)境因素可控的條件下驗(yàn)證間隙調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)的可靠性及控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，考察各變量對(duì)間隙調(diào)節(jié)過程的影響，為后期田間試驗(yàn)提供參考。試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、切碎滾筒、間隙調(diào)節(jié)裝置、自動(dòng)磨刀裝置、喂入裝置、機(jī)架以及控制系統(tǒng)等組成，如圖13所示。

圖13 動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)

采用世達(dá)工具有限公司生產(chǎn)的公英制式塞尺測(cè)量動(dòng)定刀間隙，測(cè)量精度0.02～1 mm。

5.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

5.2.1試驗(yàn)因素

不同作物對(duì)青貯切段長(zhǎng)度的要求不同，對(duì)動(dòng)定刀間隙的需求也不一致，通常為0.2～1 mm[17]。本文期望盡可能達(dá)到設(shè)定的間隙，但受機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器精度及靈敏度等影響，間隙設(shè)定值與實(shí)際間隙存在偏差。為了考察不同動(dòng)定刀間隙設(shè)定值下間隙調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，分別選取間隙設(shè)定值0.2、0.6、1.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)。

本文依靠振動(dòng)加速度傳感器采集動(dòng)定刀即將接觸時(shí)定刀座的振動(dòng)信號(hào)，而振動(dòng)加速度受切碎滾筒轉(zhuǎn)速的影響非常大，滾筒轉(zhuǎn)速越高，定刀靠近動(dòng)刀時(shí)定刀座的振動(dòng)越強(qiáng)烈。為了考察切碎滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)間隙調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的影響，參考磨刀時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速范圍500～1 100 r/min[18]，本文選取500、800、1 100 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2.2試驗(yàn)內(nèi)容與指標(biāo)

選取間隙均勻性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行雙因素重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試間隙設(shè)定值和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)間隙調(diào)節(jié)性能的影響規(guī)律[19-20]。分別在左、右兩側(cè)切碎輥上，隨機(jī)選取3把動(dòng)刀，標(biāo)記為左1、左2、左3、右1、右2、右3，每把動(dòng)刀上選取3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量其與定刀的間隙，3點(diǎn)分別標(biāo)記為A、B、C，如圖14所示。共進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。每組試驗(yàn)結(jié)束后，利用塞尺測(cè)量各點(diǎn)間隙，求每把動(dòng)刀與定刀間隙的均值、標(biāo)準(zhǔn)差，最終計(jì)算出間隙均勻性變異系數(shù)。

圖14 標(biāo)記位置

間隙測(cè)量方法：測(cè)量間隙時(shí)停機(jī)斷電，確保人員安全。測(cè)量時(shí)用單條或多條尺片組合插入測(cè)量點(diǎn)動(dòng)定刀之間，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)切碎輥，正好合適時(shí)，尺片組合為該點(diǎn)的實(shí)際間隙。間隙測(cè)量方法如圖15所示。

圖15 右A點(diǎn)間隙測(cè)量過程

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中，間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行可靠，未出現(xiàn)打刀、系統(tǒng)停頓或報(bào)警等現(xiàn)象，控制系統(tǒng)穩(wěn)定精確，滿足間隙調(diào)節(jié)的要求。滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，間隙設(shè)定值為0.6 mm時(shí)，截取示波器上定刀與動(dòng)刀“接觸”時(shí)振動(dòng)加速度的采樣波形圖，如圖16所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)加速度曲線出現(xiàn)間歇但均勻連續(xù)的峰值，應(yīng)為每把動(dòng)刀與定刀將要“接觸”時(shí)分別采集到的信號(hào)。由于定、動(dòng)刀“接觸”時(shí)要求間隙驅(qū)動(dòng)電機(jī)立即反轉(zhuǎn)退刀，因此采樣周期較短。動(dòng)定刀間隙非常小，且定刀的旋轉(zhuǎn)變化并不明顯，但是通過聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)角可以看出間隙調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出變化，聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，搖臂隨之帶動(dòng)定刀轉(zhuǎn)動(dòng)。圖17為間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)過程中13～16 s時(shí)，間隙調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角變化示意圖。

圖17 間隙調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角

間隙均勻性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，不同間隙設(shè)定值和滾筒轉(zhuǎn)速下的間隙均勻性變異系數(shù)變化曲線如圖18所示，方差分析如表2所示[21-22]。

表2 方差分析

圖18 不同間隙設(shè)定值和滾筒轉(zhuǎn)速時(shí)間隙均勻性變異系數(shù)變化曲線

表1 間隙均勻性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

左、右側(cè)間隙調(diào)節(jié)結(jié)果顯示，隨著間隙設(shè)定值的增加，間隙均勻性變異系數(shù)呈減小趨勢(shì)。間隙設(shè)定值為0.2、0.6、1.0 mm時(shí)，左側(cè)平均間隙均勻性變異系數(shù)分別為6.65%、6.52%、6.21%；右側(cè)平均間隙均勻性變異性系數(shù)分別為6.58%、6.46%、6.15%。隨著間隙設(shè)定值的增加，間隙調(diào)節(jié)愈加精確。間隙設(shè)定值較小時(shí)，受偏心搖臂及螺紋軸的機(jī)械加工精度影響，調(diào)節(jié)相對(duì)不準(zhǔn)確；隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，間隙均勻性變異系數(shù)呈增加趨勢(shì)，滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，左側(cè)平均間隙均勻性變異系數(shù)分別為5.74%、6.46%、7.11%，右側(cè)平均間隙均勻性變異系數(shù)分別為5.7%、6.34%、7.01%。滾筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)，定刀座所受振動(dòng)頻率增加，影響傳感器采集信號(hào)的靈敏度，定刀距離動(dòng)刀較遠(yuǎn)時(shí)即被誤認(rèn)為已經(jīng)“接觸”，造成間隙調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性降低。

由圖18可知，左、右兩側(cè)間隙調(diào)節(jié)受間隙設(shè)定值和滾筒轉(zhuǎn)速的影響趨勢(shì)相同，平均間隙均勻性變異系數(shù)隨間隙設(shè)定值的增加而減小，隨滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增加。隨著間隙設(shè)定值增加，左、右兩側(cè)平均間隙均勻性變異系數(shù)差別逐漸減小，0.2 mm時(shí)相差0.07%，0.6、1.0 mm時(shí)均相差0.06%；隨滾筒轉(zhuǎn)速增加，左、右兩側(cè)平均間隙均勻性變異系數(shù)差別也隨之增加，500 r/min時(shí)相差0.04%，800、1 100 r/min時(shí)，差異分別為0.12%和0.11%。

綜上，左、右兩側(cè)間隙調(diào)節(jié)裝置同步調(diào)節(jié)的誤差非常小，最高誤差僅為0.12%(<1%)，可見控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性高，能夠滿足高精度間隙調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)要求。

通過方差分析可知(表2)，左、右兩側(cè)間隙調(diào)節(jié)時(shí)，間隙設(shè)定值和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)間隙均勻性變異系數(shù)均有非常顯著的影響(P<0.01)，而間隙設(shè)定值與滾筒轉(zhuǎn)速之間的交互作用影響不顯著。不同作物的硬度及青貯切碎長(zhǎng)度要求不同，所需動(dòng)定刀間隙值也不同，但滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，各間隙設(shè)定值下調(diào)節(jié)最為準(zhǔn)確。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，間隙設(shè)定值為0.2、0.6、1.0 mm時(shí)，左、右兩側(cè)間隙均勻性變異系數(shù)均值分別為6.03%、5.78%、5.36%，定刀與各動(dòng)刀間隙均勻一致性較好。

5.4 討論

受傳感器質(zhì)量、偏心搖臂式間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)機(jī)械加工精度以及控制系統(tǒng)信號(hào)采集、傳輸與響應(yīng)速度的影響，左、右兩側(cè)間隙調(diào)節(jié)存在一定的誤差，但是較傳統(tǒng)人工間隙調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度上明顯提高，極大縮減了人工調(diào)節(jié)間隙的繁瑣步驟，提高了間隙調(diào)節(jié)的精度和效率。經(jīng)驗(yàn)證，通過人工補(bǔ)償誤差的辦法一定程度上可以減小系統(tǒng)誤差。

試驗(yàn)臺(tái)以青貯收獲機(jī)原裝切碎裝置為基礎(chǔ)，臺(tái)架試驗(yàn)操作與田間作業(yè)過程要求一致，因此，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蚰M大田試驗(yàn)，驗(yàn)證在環(huán)境變量可控條件下間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的可行性。但實(shí)際青貯作業(yè)后，動(dòng)定刀狀態(tài)發(fā)生了改變，間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)的精度及控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性需進(jìn)一步試驗(yàn)。

6 結(jié)論

(1)提出了先接觸后退刀的間隙調(diào)節(jié)思路，基于青貯收獲機(jī)人字形排布的平板式動(dòng)刀切碎裝置，設(shè)計(jì)了電驅(qū)搖臂偏心式動(dòng)定刀間隙調(diào)節(jié)裝置，間隙調(diào)節(jié)搖臂在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行偏心搖擺，控制器根據(jù)振動(dòng)加速度信號(hào)驅(qū)動(dòng)間隙調(diào)節(jié)電機(jī)，帶動(dòng)定刀靠近或遠(yuǎn)離動(dòng)刀，實(shí)現(xiàn)間隙的重新調(diào)節(jié)。

(2)搭建了動(dòng)定刀間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)，以間隙設(shè)定值、滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行可靠、無(wú)干涉；左、右兩側(cè)間隙同步調(diào)節(jié)精度高，最高誤差僅為0.12%(<1%)，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足動(dòng)定刀間隙高精度自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求。間隙設(shè)定值、滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)間隙均勻性具有非常顯著的影響，二者之間交互作用不顯著。

(3)滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，各間隙設(shè)定值下間隙調(diào)節(jié)精度均最高；在此轉(zhuǎn)速下，間隙設(shè)定值為0.2、0.6、1.0 mm時(shí)，間隙均勻性變異系數(shù)均值分別為6.03%、5.78%、5.36%，符合設(shè)計(jì)要求(≤10%)。試驗(yàn)表明，間隙設(shè)定值越大，滾筒轉(zhuǎn)速越低，間隙調(diào)節(jié)越準(zhǔn)確均勻。該研究實(shí)現(xiàn)了人字形排布的平板式動(dòng)刀與定刀間隙的自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與控制。