基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的玉米收獲機(jī)脫粒裝置優(yōu)化研究

馮少源,周章金

(西藏民族大學(xué),陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著我國各種類型收獲機(jī)械智能化水平的不斷提升,傳統(tǒng)的人工收獲及半機(jī)械化收獲已不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。目前,新的信息傳感技術(shù)和無級(jí)調(diào)控技術(shù)得到成熟化推廣,功能各異的玉米收獲機(jī)自動(dòng)化作業(yè)機(jī)具紛紛問世,但多數(shù)在調(diào)解滾筒堵塞及在線監(jiān)測(cè)功能融合方面取得進(jìn)展,對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)控有待深度研究。玉米作為主要糧食作物之一,多數(shù)地區(qū)一直存在收獲問題、收獲周期長等困難。為了進(jìn)一步提高玉米收獲效率,降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度,筆者充分分析了當(dāng)前的玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)組成,以柔性智能轉(zhuǎn)速調(diào)控為原則,結(jié)合收獲機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)原理,就如何優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)脫粒分離裝置的工作效能進(jìn)行探究。

1 玉米收獲機(jī)概述

玉米收獲機(jī)作為大型智能收獲裝置,在動(dòng)力源(電機(jī))帶動(dòng)下,隨著整車車體的行進(jìn),經(jīng)撥禾、摘穗、脫粒、分離等系列動(dòng)作,完成大面積的玉米收獲工作。其中,脫粒分離是核心環(huán)節(jié)。如何確保此裝置模塊的適用性、效率性及結(jié)構(gòu)科學(xué)性,一直都是學(xué)者致力研究的方向。圖1為通用型玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置核心結(jié)構(gòu)。工作時(shí),玉米果穗經(jīng)割臺(tái)、輸送裝置后到達(dá)脫離裝置,需要完成籽粒的分離及玉米棒芯的回收。其中,脫粒滾筒與連接部件的合理位置關(guān)系會(huì)對(duì)玉米脫粒分離作業(yè)起到不可忽視的作用。例如,脫粒齒形的選擇、各位置篩板間隙的控制等均需精度敏銳的參數(shù)感應(yīng)裝置執(zhí)行,在調(diào)控電機(jī)的恰當(dāng)配置與有效監(jiān)控下,脫粒組件與分離組件協(xié)調(diào)動(dòng)作完成一次收獲作業(yè)。

圖1 玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置核心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of core structures of threshing and separating device of the corn harvester

2 脫粒分離裝置優(yōu)化

2.1 數(shù)學(xué)模型搭建

以上述玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn),選定軸流式脫粒滾筒為核心優(yōu)化組件,通過性能提升與控制算法同步融合,采取超聲波轉(zhuǎn)速調(diào)控思維方法,進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控應(yīng)用下的數(shù)學(xué)模型的搭建分析。

考慮轉(zhuǎn)速調(diào)控的精準(zhǔn)性與及時(shí)性,選定超聲波電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),將玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置的喂入量轉(zhuǎn)化為電機(jī)電壓及幅值的表征,著重處理脫離裝置作業(yè)過程的卡堵現(xiàn)象。以整機(jī)不同的行進(jìn)速度為基礎(chǔ),以電機(jī)轉(zhuǎn)速與脫粒滾筒為調(diào)控關(guān)聯(lián)對(duì)象,以內(nèi)部的調(diào)控算法規(guī)則與裝置動(dòng)作執(zhí)行反饋為主體優(yōu)化,建立數(shù)學(xué)模型,即

(1)

式中ne—玉米收獲機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;

n—玉米收獲機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速;

η—玉米收獲機(jī)傳動(dòng)效率;

v—玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置線速度;

r—玉米收獲機(jī)脫粒滾筒半徑;

i—玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置傳動(dòng)比。

依據(jù)相電壓實(shí)現(xiàn)幅值控制目標(biāo),增設(shè)可調(diào)控相移PWM發(fā)生器,形成玉米收獲機(jī)脫粒裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)控設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器獲得的裝置分離處理信號(hào)經(jīng)頻率調(diào)節(jié)與占空比調(diào)節(jié)同步進(jìn)入PWM發(fā)生器,進(jìn)行位置狀態(tài)信息判定,從而啟動(dòng)脫粒分離驅(qū)動(dòng)控制程序;經(jīng)信號(hào)深度處理、電機(jī)聲波精準(zhǔn)調(diào)節(jié)后完成結(jié)果輸出。

圖2 玉米收獲機(jī)脫粒裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)控設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Design diagram of the rotation speed control of threshing device of the corn harvester

2.2 裝置控制優(yōu)化

從整機(jī)脫離過程的運(yùn)行機(jī)理出發(fā),以滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量及裝置間隙作為初始考慮因素,建立具有動(dòng)態(tài)非線性調(diào)速控制功能的參數(shù)變化關(guān)系,得出基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的玉米收獲機(jī)脫粒裝置動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)優(yōu)化簡(jiǎn)圖,如圖3所示。將三者參數(shù)進(jìn)行匯融后集成放大,可實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)的自動(dòng)獲取、監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)的敏捷性,降低參數(shù)匹配的不平衡性,對(duì)田間玉米收獲各作業(yè)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)基礎(chǔ),進(jìn)而利用調(diào)控與參數(shù)計(jì)算方程計(jì)算得到最佳的脫粒動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間,較好地完成動(dòng)態(tài)參數(shù)柔性化調(diào)控與非線性計(jì)算過程。

針對(duì)裝置的轉(zhuǎn)速控制程序執(zhí)行,在原有PLC控制基礎(chǔ)上實(shí)施優(yōu)化,并將作業(yè)功率給予10%的參數(shù)優(yōu)化提升,設(shè)定360kW為平穩(wěn)聯(lián)調(diào)指標(biāo),將滾筒轉(zhuǎn)速及喂入量調(diào)控的過程進(jìn)行自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)信號(hào)獲取;同時(shí),在接線布置環(huán)節(jié)以A/D轉(zhuǎn)換、擴(kuò)展功能、堵塞預(yù)警為新優(yōu)化創(chuàng)新點(diǎn),同步增設(shè)喂入量與滾筒轉(zhuǎn)速之間的信號(hào)傳遞、參數(shù)控制誤差精細(xì)化處理程序,通過穩(wěn)定模糊控制技術(shù)確保準(zhǔn)確性。

圖3 基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的脫粒裝置動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖Fig.3 Simple realization diagram of dynamic parameter calculation of threshing device based on the speed regulation

2.3 裝置部件改進(jìn)

為了降低脫粒滾筒在執(zhí)行脫粒作業(yè)中的受力及卡頓,增強(qiáng)脫離裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)度,在結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)方面確保離心力充裕的前提下,進(jìn)行同比例縮小,著重針對(duì)脫離的防堵裝置進(jìn)行改進(jìn),如圖4所示。此改進(jìn)執(zhí)行流程中,將先前的逐一判定閾值調(diào)節(jié)改進(jìn)為喂入量與滾筒轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié),一方面實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)的高效率,另一方面基于調(diào)節(jié)的同理特征進(jìn)行脫粒凹板間隙調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的最佳配置。

圖4 基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的玉米收獲脫粒防堵裝置改進(jìn)簡(jiǎn)圖Fig.4 Improvement diagram of the corn harvest threshing anti blocking device based on the speed control

針對(duì)玉米收獲機(jī)作業(yè)特點(diǎn)及部件間的動(dòng)作關(guān)系,采用無級(jí)式調(diào)節(jié)方法,進(jìn)行核心調(diào)控參數(shù)的匹配及對(duì)應(yīng)動(dòng)作執(zhí)行裝置的選型工作。結(jié)合收獲裝置優(yōu)化目標(biāo),得到轉(zhuǎn)速調(diào)控玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置參數(shù)選定列表,如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速調(diào)控玉米收獲機(jī)脫粒分離裝置參數(shù)選定列表

對(duì)調(diào)速裕量、滾筒轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算論證,并進(jìn)一步給出此收獲機(jī)基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的整機(jī)作業(yè)運(yùn)行流程簡(jiǎn)圖,如圖5所示。此裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)與執(zhí)行裝置在調(diào)速器、執(zhí)行控制器的連接作用下完成收獲狀態(tài)信息的共享與互通,進(jìn)而完成收獲脫粒壓力與速度之間的動(dòng)態(tài)式調(diào)控。

3 整機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 作業(yè)條件

基于上述轉(zhuǎn)速調(diào)控優(yōu)化下的玉米收獲機(jī)脫粒裝置設(shè)計(jì)方案,選擇800m×2200m的試驗(yàn)田,進(jìn)行玉米收獲作業(yè)的整機(jī)優(yōu)化性能驗(yàn)證。設(shè)置主要作業(yè)條件為:①整個(gè)監(jiān)測(cè)收獲作業(yè)過程參數(shù)一致性,如人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等;②整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好,各部件動(dòng)作連接平順,數(shù)據(jù)輸出連續(xù)有效;③實(shí)施脫粒分離過程滿足整機(jī)裝備的設(shè)計(jì)要求。

3.2 過程分析

考慮到整機(jī)行進(jìn)速度與脫粒分離實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),設(shè)定行進(jìn)速度為1.05～1.55m/s,以0.1m/s的速度遞增,監(jiān)測(cè)得出各行進(jìn)速度下的玉米收獲籽粒損失情況,輸出玉米收獲機(jī)作業(yè)試驗(yàn)脫粒裝置夾帶損失情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表2所示。由表2可看出:各速度下收獲損失籽粒質(zhì)量不大,且夾帶損失率維持在1.25%～1.40%之間。其中,當(dāng)行進(jìn)速度為1.35m/s時(shí),監(jiān)測(cè)得到的損失籽粒質(zhì)量為0.51kg,此時(shí)脫粒裝置的夾帶損失率為1.25%;從平均參數(shù)來看,當(dāng)整機(jī)的行進(jìn)速度維持在1.30m/s時(shí),脫粒裝置的夾帶損失率可控制在1.34%。

表2 玉米收獲機(jī)作業(yè)試驗(yàn)脫粒裝置夾帶損失情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步考慮脫粒分離環(huán)節(jié)對(duì)于整機(jī)收獲的綜合效率影響,在上述轉(zhuǎn)速調(diào)控模型的應(yīng)用下,選取該玉米收獲機(jī)的果穗脫凈率、平均含雜率、籽粒破損率、裝置穩(wěn)定率與整機(jī)收獲效率作為優(yōu)化評(píng)定參數(shù),得到基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的玉米收獲機(jī)脫粒裝置性能優(yōu)化對(duì)比列表,如表3所示。由表3可知:同等條件下,果穗脫凈率可由85.50%提升為93.50%,平均含雜率相應(yīng)由1.25%降低至0.76%,籽粒破損率相應(yīng)由0.94%降低至0.58%,脫離裝置的穩(wěn)定率由87.50%改善至95.30%,整機(jī)收獲效率由86.88%提升至94.93%。這說明,自調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用使收獲機(jī)速度調(diào)節(jié)性能得到明顯提升。

表3 基于轉(zhuǎn)速調(diào)控的玉米收獲機(jī)脫粒裝置性能優(yōu)化對(duì)比列表

4 結(jié)論

1) 以玉米收獲機(jī)脫粒裝置的核心構(gòu)造為研究基礎(chǔ),通過搭建正確、適用的轉(zhuǎn)速調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)整機(jī)脫粒裝置的控制優(yōu)化與部件改進(jìn)。整機(jī)收獲作業(yè)展開性能提升驗(yàn)證結(jié)果表明:基于轉(zhuǎn)速調(diào)控技術(shù)優(yōu)化玉米收獲機(jī)脫粒裝置,其收獲效率相對(duì)提升8.05%,收獲籽粒破損率相對(duì)降低0.36%,裝置收獲、分粒、脫離過程運(yùn)行良好。

2) 通過收獲機(jī)內(nèi)部作業(yè)動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)控計(jì)算與防堵模塊的重點(diǎn)改進(jìn),確保此轉(zhuǎn)速調(diào)控下的玉米收獲機(jī)各部件作業(yè)順暢,是農(nóng)用收獲機(jī)智能化、創(chuàng)新化完善的前提條件之一,可為其他類似收獲裝備提供借鑒及參考。