籽棉回潮率自動測量裝備的試驗研究

王夢　劉克毅　坎雜　李成松　王麗紅

摘 要：為探索籽棉回潮率自動測量裝備的工作性能，結合前期虛擬樣機的結構設計和性能分析，完成了籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的搭建；按照整機操作規程，以單車測量時間和測量精度為試驗指標，進行了整機性能試驗研究，試驗結果表明：單車測量時間為228秒，測量精度為98.9%，該裝備的研究對提高測量效率、減輕勞動強度，實現籽棉回潮率的自動化和智能化測量具有重要意義。

關鍵詞：籽棉回潮率；測量裝備；試驗研究

棉花作為新疆的支柱產業，對于新疆的經濟建設具有重要推動作用和戰略意義。籽棉收購作為棉花產業鏈的重要環節，對于穩定棉花市場、保障市場供應具有重要作用。已采收的籽棉通過運棉車裝載運送至棉花加工廠進行交易，其回潮率的測量是籽棉貿易結算的重要依據，影響著交易雙方的經濟利益，是交易雙方關注的焦點。但目前此過程的進行還依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進行測量，存在的以人力為主、測量數據人為誤差大、測量方法不夠規范、勞動強度大、自動化信息化程度低等問題，制約了新疆棉花加工廠籽棉交易自動化和智能化的發展。因此，研究一種籽棉回潮率自動測量裝備，可多點多層次的測量籽棉回潮率，并具有對采集的數據進行記錄、統計、儲存等功能，是籽棉回潮率自動化測量的發展方向之一。本研究根據前期設計的籽棉回潮率自動測量裝備，完成了物理樣機的搭建，并進行試驗研究，驗證了理論設計的可行性，確定了整機工作性能參數，為進一步完善和優化裝備奠定了一定基礎。

1 整機工作原理

籽棉回潮率自動測量裝備包括機械系統（機械裝置極其控制系統）和信息管理系統，機械系統用于裝卡回潮率采集儀器，并帶動其在三維空間里自由動作，實現采集儀器的隨機定位；信息管理系統用于采集儀器測量結果的顯示、統計、儲存和查詢等，實現測量結果的信息化管理；從而集成一套能夠快速測量多點、多層次運棉車內籽棉回潮率的自動測量裝備，可以降低人力測量所引起的誤差，實現運棉車內籽棉回潮率的自動化測量。

工作時，運棉車合理停至于機械裝置（圖1）下方——運行機械裝置控制系統人機操作界面（圖2）——點擊總開關（設備通電，準備啟動）——點擊開始測量按鈕（系統產生X、Y方向上運動的隨機值，并賦予PLC，實現X、Y方向的隨機運動，X、Y方向運行完畢后，Z方向上開始定量運動，從而使回潮率采集儀器插入運棉車內，進行數據采集）——系統停頓30秒（即Z方向運動完畢，籽棉回潮率采集儀器插入運棉車內，運行信息管理系統（圖3），點擊采集數據——點擊數據采集界面的開始采集按鈕（圖4）——測量結果通過藍牙傳輸至信息管理管理系統的數據采集界面，后續可進行統計、保存、查詢、打印等操作）——測量儀器從運棉車內抽出，設備歸為初始狀態，運棉車開出機械裝置，完成本次運棉車籽棉回潮率的測量，等待下次測量，設備操作流程如圖5。

2 物理樣機的實現

籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的實現，主要包括機械裝置及其控制系統的搭建。機械裝置的機架采用80×80×5的型鋼制成，絲杠采用45號鋼制成，螺母采用35號鋼制成，其余零部件采用普通碳鋼制成，驅動電機采用Y系列三相異步電動機Y90S-4：額定功率1.1千瓦、滿載轉速1400轉/分鐘、額定轉矩2.3牛米，減速器采用微型蝸輪蝸桿減速器NMRV-063-7.5-DZ1-Y1.1KW-4P-B1：中心距為63毫米、速比為7.5、單輸出形式。根據Solidworks設計模型，輸出機械裝置工程圖紙，進行零部件的加工制作，在此基礎上完成了機械裝置的安裝、調試。

機械裝置控制系統從PLC、交流接觸器、熔斷器、行程開關等硬件選擇，到電機控制原理圖、I/O分布與外部接線圖的繪制，以及控制系統實現程序的編寫，實現了控制系統硬件的搭建。

集成機械裝置及其控制系統，完成籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的搭建（圖6），測量裝備的外形尺寸如表1。

3 試驗研究

3.1 試驗目的

試驗研究是機械設計、加工制作、安裝調試、改進優化必不可少的組成部分之一。籽棉回潮率自動測量裝備的設計以采集效率高、可靠性高為目的，本次試驗的目的是檢驗籽棉回潮率自動測量裝備的單車測量時間、測量精度等性能參數是否滿足技術要求。

3.2 試驗準備與條件

（1）本次試驗所采用的儀器、儀表應首先檢驗是否符合試驗所需精度，其次應檢驗所用儀器儀表是否合格并在有效的使用期限內。測試用主要儀器儀表見表2。

（2）空載（無實物）試驗時應保證機械裝置內無人員或其他障礙物，以免傷人傷物和損壞設備。

（3）滿載（有實物）時，滿載運棉車車廂尺寸應滿足表3。

（4）對測試期間出現的一切異常現象，均應詳細記錄。

（5）試驗條件如表4。

3.3 試驗方法

目前國內未見籽棉回潮率自動測量裝備試驗方法行業標準，本試驗方法的設計參考GB/T5667-2008《農業機械生產試驗方法》以及GB/T 5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》，同時結合籽棉回潮率自動測量裝備的結構特點、工作原理、設計參數以及作業性能，制訂籽棉回潮率測量裝備試驗方法。選擇單車測量時間、測量精度作為試驗指標。

3.3.1 單車測量時間 單車測量時間是指本次運棉車從停至于測量裝置下至測量完畢開出測量裝置時所需的時間。該時間影響到裝置是否能滿足實際生產需求，單車測量時間單位為秒。

3.3.2 測量精度 測量精度是指整機采用機械驅動講采集儀器插入運棉車內測量的結果與手動插入測量存在的差異，測量精度可按式（1）進行計算。

（1）

式中：a為測量精度（%）；A為機械驅動測量值（%）；A0為手動驅動測量值（%）。

3.4 試驗結果分析

在前期空載調試（圖7），確定整機性能無誤后，進行了測量裝備的驗證試驗（圖8）。

本次驗證性試驗共進行了20組，單車測量時間和測量精度的試驗數據如表5和表6。

根據試驗數據分析計算，可得整機性能參數（表7）。

試驗結果表明：（1）集成機械裝置、機械裝置控制系統以及信息管理系統的籽棉回潮率自動測量設備是切實可行的，且采集效率高、運行可靠，能夠實現運棉車內籽棉回潮率多點多層次的測量，提高了采集效率、降低了勞動強度。（2）整機的實際性能指標能夠滿足理論設計的要求，驗證了理論設計的可行性。

4 結論

本研究基于籽棉回潮率自動測量裝備的虛擬樣機的結構設計和性能分析，進行了物理樣機的搭建；為驗證理論設計的可行性（技術要求：單車測量時間≤240秒，測量精度≥98%）和整機工作性能參數的確定，嚴格按照整機操作規程，以技術要求的兩個指標為試驗指標，進行了試驗研究，試驗結果表明：單車測量時間為228秒，測量精度為98.9%，滿足設計要求，驗證了理論設計的可行性，為整機性能的進一步優化，實現籽棉回潮率的自動化和智能化的測量具有重要意義，為將研究成果最終推向市場奠定了基礎。

基金項目：科技支疆計劃項目（2014AB029）。

作者簡介：王夢（1990- ），女，助教，碩士，從事現代機械設計的研究。Tel：15899256955，E-mail：727991831@qq.com