水稻插秧機移箱機構(gòu)性能檢測試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：為了準確測量插秧機移箱機構(gòu)在工作過程中的各項性能參數(shù)，研究各參數(shù)對移箱機構(gòu)工作性能的影響，研制了一套基于LABVIEW虛擬儀器的移箱機構(gòu)性能檢測裝置。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動裝置、機械系統(tǒng)、移箱機構(gòu)、加載系統(tǒng)和檢測顯示系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)了螺旋軸速度可調(diào)以及工作過程中的螺旋軸轉(zhuǎn)速、滑塊加速度、速度等信號實時采集與顯示，并且能夠保存和回放相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：移箱機構(gòu)；性能；LABVIEW；試驗臺

中圖分類號 S223 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）13-151-04

移箱機構(gòu)是水稻插秧機中的重要機構(gòu)，用以實現(xiàn)插秧機的插秧均勻度，滿足農(nóng)藝要求。插秧機移箱機構(gòu)的各項性能參數(shù)優(yōu)劣將決定機器是否滿足插秧要求[1-3]。隨著高速水稻插秧機工作效率的提高，現(xiàn)代高速水稻插秧機向著高速大型化發(fā)展，插秧機移箱機構(gòu)的負荷越來越大，勢必造成螺旋軸兩端反向段的齒槽和滑塊的沖擊加大，螺旋幅的磨損增加，尤其是滑塊的磨損和疲勞破壞增加，減少了移箱機構(gòu)的壽命。移箱機構(gòu)的壽命、耐磨等性能對插秧機的工作有至關(guān)重要的影響。為了更好地分析和研究水稻插秧機的移箱機構(gòu)，可以利用試驗裝置對移箱機構(gòu)進行試驗，通過試驗裝置中的傳感器以及數(shù)據(jù)采集裝置對工作過程中相關(guān)參數(shù)進行采集和顯示。

國內(nèi)的插秧機性能研究方法主要有整機下田試驗和性能檢測試驗臺[4]。下田試驗需要耗費大量的人力、物力以及時間，目前國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)有插秧機綜合性能檢測試驗裝置，主要用于對插秧機技術(shù)指標進行綜合性能評價。但是針對插秧機移箱機構(gòu)進行性能檢測的試驗裝置非常少，無法對移箱機構(gòu)進行性能檢測，從而很難生產(chǎn)出可靠的移箱機構(gòu)。因此，需要設(shè)計出專門針對插秧機移箱機構(gòu)進行分析的性能檢測試驗臺，用來代替原來的通過仿真軟件進行的仿真分析或者整機試驗，對制造出的移箱機構(gòu)進行相關(guān)測試，以分析其性能，為建立移箱機構(gòu)的運動學和動力學模型提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，其研制成功有利于加速產(chǎn)品實用化的步伐，有利于促進水稻種植機械化的發(fā)展，為我國水稻插秧機移箱機構(gòu)的研制提供快速的實驗研究手段。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗臺主要是由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動裝置、試驗臺機械系統(tǒng)、移箱機構(gòu)、加載系統(tǒng)和檢測顯示系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工作過程是：啟動電動機，通過變頻器將電機轉(zhuǎn)速調(diào)至試驗所需轉(zhuǎn)速，等待螺旋軸的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，再開啟PC機電源。電機動力通過皮帶副傳遞給傳動軸，傳動軸與螺旋軸之間通過銷連接，傳動軸將動力帶給螺旋軸，螺旋軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的橫向運動，滑塊通過連接支架與載荷架相連，滑塊帶動載荷架在導(dǎo)軌上橫向移動，載荷質(zhì)量塊安裝在載荷架上，通過載荷架連接螺栓連接，可以通過不同的載荷質(zhì)量塊之間的組合來滿足不同的插秧機要求。轉(zhuǎn)速傳感器安裝主架體上，用來采集傳動軸的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)數(shù)信號，加速度傳感器安裝在滑塊上，采集滑塊的加速度信號，經(jīng)積分的到滑塊的速度信號。傳感器模塊采集到的信號通過數(shù)據(jù)采集卡進行采集調(diào)理得到相關(guān)信號，該信號通過相關(guān)線路傳動至計算機，當螺旋軸運轉(zhuǎn)時，即有信號輸入計算機。通過LABVIEW語言編程，即可在計算機上顯示出圖形。

轉(zhuǎn)速傳感器安裝在傳動軸上，用于測量螺旋軸工作時的轉(zhuǎn)速；加速度傳感器安裝在滑塊上，同滑塊一起運動，測得滑塊的加速度數(shù)據(jù)之后，通過加速度與碰撞力的關(guān)系得到碰撞力數(shù)據(jù)。

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圖1 試驗臺整體結(jié)構(gòu)示意

注：1.主架體，2.導(dǎo)軌連接螺栓，3.導(dǎo)軌，4.三軸加速度傳感器，5.載荷架連接螺栓，6.載荷架，7.連接支架與載荷架連接螺栓，8.軸承一，9.連接支架，10.連接支架與滑塊連接螺栓，11.滑塊，12.滑塊蓋，13.滑塊蓋與滑塊連接螺栓，14.螺旋軸，15.轉(zhuǎn)速傳感器連接螺栓，16.轉(zhuǎn)速傳感器，17.傳動軸，18.軸承二，19.皮帶輪一，20.皮帶，21.皮帶輪二，22.電動機。

2 關(guān)鍵部件選擇與設(shè)計

2.1 電動機 電動機通過皮帶傳動帶動螺旋軸運動，螺旋軸最高轉(zhuǎn)速為n=400r/min，軸安裝軸承段最小的軸徑為D=15mm，螺旋軸材料為40Cr，該材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為35-55MPa，這里選取[τT]=40MPa[5]。軸有效功率計算如下：

[τΤ=TWT≤τΤ] （1）

[9 550Pn?πD316≤τΤ] （2）

則有

[P≤[τΤ]?n?πD39 550×16] （3）

將數(shù)據(jù)代入公式并計算得

[P≤1.25Kw] （4）

式中，式中，WT-抗扭截面系數(shù)；T-扭矩。

根據(jù)計算得到的結(jié)果選擇三相交流異步電動機的功率應(yīng)為1.5kW，型號為Y90S-2，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電動機性能參數(shù)

[名稱＼電動機＼型號＼Y90S-2＼功率（kW）＼1.5＼額定轉(zhuǎn)速（r/min）＼2 840＼額定轉(zhuǎn)矩（N·m）＼2.3＼]

2.2 變頻器 該試驗臺采用了1臺功率為1.5kW的MM440變頻器（西門子中國有限公司）調(diào)節(jié)驅(qū)動電動機的速度，表2為該變頻器的各項性能參數(shù)。該變頻器調(diào)試簡單并具有完善的變頻器和電動機保護功能。變頻器與工控機之間通過通用的串行接口協(xié)議（USS）進行通信，該通信方式允許總線上連接一個主站和最多31個從站，便于工控機與驅(qū)動電動機變頻器的通信。圖2為設(shè)定的變頻器USS通信報文結(jié)構(gòu)圖，通過對ADR、PKW和PZD的操作可以對驅(qū)動電動機變頻器的運行方式、輸出頻率進行設(shè)定，并可以讀取變頻器的故障、過載、實際輸出頻率等信息，從而提高整個系統(tǒng)的安全性和準確性[6-8]。

表2 變頻器性能參數(shù)

[名稱＼變頻器＼型號＼6SE6440-2UD21-5AA1＼電動機額定輸出功率（kW）＼1.5＼輸出功率（kV·A）＼3.0＼]

[STX＼LGE＼ADR＼PKW＼PZD＼BCC＼]

圖2 變頻器USS通信報文結(jié)構(gòu)

注：STX為報文開始標志；LGE為報文長度說明；ADR為變頻器地址；PKW為參數(shù)識別標記ID；PZD為變頻器控制與檢測區(qū)；BCC為校驗和。

2.3 傳感器 該試驗臺將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在傳動軸上，通過它采集螺旋軸工作時轉(zhuǎn)速的變化情況；將加速度傳感器安裝在滑塊上，通過它采集滑塊運動時加速度變化情況，從而得到相應(yīng)的碰撞力變化情況，圖3、圖4為傳感器的安裝示意圖，表3為傳感器的性能參數(shù)。具有精度高、反應(yīng)快、非接觸、性能可靠等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣[9-10]。三軸加速度傳感器具有體積小和重量輕特點，可以測量空間加速度，能夠全面準確反映物體的運動性質(zhì)[11]。

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圖3 轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意

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圖4 加速度傳感器安裝示意

表3 傳感器性能參數(shù)

[名稱＼轉(zhuǎn)速傳感器＼加速度傳感器＼型號＼GT-1＼BMA250＼量程＼0～12 000r/min＼0～±16g＼輸出方式＼SPI，I2C＼NPN集電極開路接2K上拉電阻＼工作電壓（V）＼+5～+15＼1.2～3.6＼響應(yīng)頻率（Hz）＼0～200＼8～1000＼]

2.4 數(shù)據(jù)采集卡 該系統(tǒng)采用PCI 2013A帶緩存數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡（研華科技中國有限公司）采集扭矩信號和拉壓力信號，該數(shù)據(jù)采集卡常用的測量與控制功能有：16路單端或8路差分模擬量輸入；采樣速率可達100kHz；2路12位模擬量輸出；16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出。PCI 2013A卡上有一個可存儲8 kB A/D采樣值的FIFO先入先出緩沖器，當FIFO半滿時，板卡產(chǎn)生一個中斷，該特性為檢測系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速和加速度信號的高速采集提供了保證。數(shù)據(jù)采集卡前端采用A37D接線端子板降低模擬信號的輸入噪聲和信號間的交叉干擾，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力[12]。

2.5 軟件系統(tǒng) 本系統(tǒng)檢測軟件使用美國NI公司的LABVIEW語言開發(fā)完成的。LABVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，功能強大且靈活，有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能，可實時、直接地對數(shù)據(jù)進行編輯，適用于測量和控制儀器或系統(tǒng)的組建和控制，是一種面向最終用戶的開發(fā)工具。由于虛擬儀器關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設(shè)備連接比較容易實現(xiàn)。而且虛擬儀器可以方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用連接，還可以利用網(wǎng)絡(luò)進行多用戶數(shù)據(jù)共享[13-17]。

采用LABVIEW程序開發(fā)的螺旋軸的轉(zhuǎn)速采集界面如圖5所示。

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圖5 轉(zhuǎn)速信號采集操作面板

插秧機移箱機構(gòu)性能檢測試驗臺檢測系統(tǒng)操作面板主要包括螺旋軸轉(zhuǎn)速曲線顯示、滑塊加速度曲線顯示、滑塊速度曲線顯示及數(shù)據(jù)采集報警等功能。試驗過程中將通過PCI 2013A數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)速信號和加速度信號實時的顯示出來，并在數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)錯誤時及時報警。

采用LABVIEW程序開發(fā)的螺旋軸的轉(zhuǎn)速采集界面如圖6所示。

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圖6 加速度信號采集操作面板

2.6 加載系統(tǒng) 插秧機秧箱由于體積較大，安裝不方便，不方便將其放置在試驗臺上。因此需要設(shè)計出相應(yīng)可以替代其功能的部件或者機構(gòu)，可以通過給關(guān)鍵部件加載來模擬該部件在工作過程中受力狀態(tài)。試驗中的加載方式多種多樣，有重力加載、液壓加載、氣壓加載等等。考慮到成本和是否滿足試驗要求，這里選擇的加載方式是使用質(zhì)量加載塊進行加載。加載部分，如圖7所示，由載荷架、加載質(zhì)量塊和導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌如圖8。載荷架安裝在導(dǎo)軌上，可以沿著導(dǎo)軌移動，導(dǎo)軌是固定在試驗臺上的。載荷架通過連接支架和移箱部分中的滑塊連接在一起的，載荷架模擬了秧箱對滑塊的作用力，通過改變加載質(zhì)量塊的組合便能改變所加載荷大小，方便可靠。

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圖7 加載機構(gòu)

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圖8 加載機構(gòu)導(dǎo)軌

3 結(jié)論

（1）在LABVIEW虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一種插秧機移箱機構(gòu)性能檢測試驗臺，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動電動機速度的調(diào)節(jié)；可以對插秧機螺旋軸轉(zhuǎn)速和滑塊加速度信號進行高速采集與處理并實時顯示和保存；具有良好的可操作性和人機交互界面。

（2）另外設(shè)計出相應(yīng)的加載部分，用來模擬移箱機構(gòu)在工作工程中所受到的秧箱的作用力。

（3）應(yīng)用該性能檢測試驗臺進行了螺旋軸轉(zhuǎn)速對插秧機工作性能影響試驗，得到螺旋軸在不同的轉(zhuǎn)速下插秧機的工作性能，并進行比較得出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

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