小型聯(lián)合收割機脫粒性能檢測平臺設(shè)計

李 平，崔晉波，馮 偉，張先鋒

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329)

0 引言

小型聯(lián)合收割機現(xiàn)已成為丘陵山地農(nóng)機發(fā)展的主力機型，從事研發(fā)制造的企業(yè)數(shù)量眾多，是目前丘陵山區(qū)谷物收獲機械裝備研究的重要方向。作為市場需求最緊迫的一種機具，一旦收割機的作業(yè)適應(yīng)及穩(wěn)定性能有較大提高，將有望大幅度提高丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化整體水平。但是，當(dāng)前小型聯(lián)合收割機的脫粒性能檢測系統(tǒng)不完善，特別是西南丘陵山區(qū)小型聯(lián)合收割機設(shè)計參數(shù)獲取不易，在設(shè)計過程中，很多企業(yè)都是各自按自己的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，且很多農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊提供的設(shè)計參數(shù)幅度太大，大多都是針對北方大型農(nóng)業(yè)機械裝備，因此在小型聯(lián)合收割機技術(shù)參數(shù)設(shè)計、確定及試驗過程中問題重重。很多參數(shù)在田間又不易直接檢測，且勞動強度和工作量大，數(shù)據(jù)獲取困難，因此有必要設(shè)計一款小型聯(lián)合收割機脫粒性能檢測平臺，可以在室內(nèi)完成對小型聯(lián)合收割機脫粒性能的多方面檢測，并據(jù)此提供合理的收割機技術(shù)參數(shù)，以便提高收割機設(shè)計的整體效率。

1 檢測平臺主要功能

本小型聯(lián)合收割機脫粒系統(tǒng)檢測平臺主要是針對于西南地區(qū)地產(chǎn)小型聯(lián)合收割機脫粒系統(tǒng)進(jìn)行檢測和分析。目前，西南地區(qū)地產(chǎn)小型聯(lián)合收割機普遍存在作業(yè)性能不完善、適應(yīng)性差及收割機整體功率分配不均的問題，通過對標(biāo)的收割機的脫粒系統(tǒng)檢測和分析，可以精確得到收割機在既定喂入量的脫粒系統(tǒng)功率消耗、主要落料區(qū)分布、脫粒損失率和脫粒滾筒與凹板曬不同脫粒間隙對不同作物作業(yè)性能的影響。然后，通過數(shù)據(jù)分析將收割機的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高西南地區(qū)收割機的作業(yè)性能及適應(yīng)性，對促進(jìn)西南地區(qū)收割機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 檢測平臺機械系統(tǒng)設(shè)計及工作過程

2.1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)計參數(shù)確定

小型聯(lián)合收獲機脫粒性能檢測平臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。其中，機械系統(tǒng)主要由鑄鐵T型槽平臺、送料臺、割臺、中間輸送裝置、動力臺、脫粒裝置、安裝卡緊裝置，以及谷物稻草收集機構(gòu)等組成。測控系統(tǒng)由變頻電機、非接觸式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、工控機、高速攝像機、系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換接口、計算機存儲及打印設(shè)備組成。西南地區(qū)小型聯(lián)合收割機設(shè)定喂入量在2.5kg/s以下，谷物的草谷比設(shè)為1.2。送料平臺采用膠帶運輸，寬度為1m，驅(qū)動采用0.7kW交流電機驅(qū)動，其輸送速度可以0～3m/s連續(xù)可調(diào)，且在膠帶下方安裝有4個重量傳感器，以保證單位面積鋪放的作物質(zhì)量在允許的偏差范圍。脫粒主軸采用調(diào)速電機驅(qū)動，其輸出轉(zhuǎn)速在200～1 500r/min連續(xù)可調(diào)。為了適應(yīng)不同收割機脫粒主軸的安裝位置，主軸驅(qū)動電機通過T型槽和液壓系統(tǒng)可以任意位置安裝。另外，在脫粒頂蓋端及側(cè)面端開孔采用玻璃覆蓋，采用高速攝像機AZ9501記錄下頂部物料在滾筒的運動軌跡和側(cè)面端的篩面主要落料分布區(qū)域。測試平臺的底部采用鑄鐵的T型槽結(jié)構(gòu)，尺寸為2 000mm×3 000mm，精度等級為3級。采用固定螺栓將收割機固定在測試臺架上并切斷與發(fā)動機的所有動力連接。

1.T型槽平臺 2.送料臺 3.割臺 4.中間輸送 5.動力臺 6.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 7.脫粒裝置 8.谷物收集盒 9.安裝夾緊裝置 10.秸稈收集袋 11.總線 12.電控柜 13.操作臺

2.2 工作過程

首先將聯(lián)合收割機固定到T型槽臺架上，切斷脫粒滾筒及其附屬部件動力傳動，接連好與割臺喂入系統(tǒng)的膠帶輸送機并調(diào)整好輸送速度和主軸及其割臺、中間輸送等獨立傳動控制單元。通電并啟動主程序?qū)⑾到y(tǒng)的各項待測試的參數(shù)置零，將預(yù)先做好的柵格式接料小車和草料收集裝置固定在相應(yīng)位置。然后，根據(jù)收割機廠家提供的脫粒滾筒設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)和凹板篩間隙，并在脫粒滾筒頂端和側(cè)面開孔并以玻璃覆蓋，安裝好攝像頭和照明系統(tǒng)。工作時，將設(shè)定好喂入量的谷物均勻鋪設(shè)在輸送帶上，啟動主軸電機和高速攝像機，待轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值時，啟動膠帶輸送機、割臺傳動系統(tǒng)和中間輸送系統(tǒng)，待喂入量達(dá)到正常值啟動高速攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；谷物通過脫粒滾筒的打擊、揉搓和柵格篩的分離清選后，依次落入預(yù)先鋪設(shè)好的柵格式接料小車中，待一個試驗周期完成后，通過高速攝像機記錄下完整的試驗過程。將脫出物料和籽粒進(jìn)行收集，將物料分離的主要落料區(qū)、落料百分比分別計算和記錄，計算出整個脫粒系統(tǒng)的夾帶損失率、未脫凈率、破碎率和總損失率；然后，通過側(cè)端高速攝像機完成物料集中區(qū)分布分析和頂端高速攝像機物料脫粒過程分析。

3 檢測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)組成及主要測試部件設(shè)計

3.1.1硬件系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)硬件由變頻電機、非接觸式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、工控機、高速攝像機、系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換接口、計算機存儲及打印設(shè)備組成，如圖2所示。工作時，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的4～20mA電流模擬信號傳送到信號采集卡，經(jīng)采集卡的A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后與工控機進(jìn)行通訊；通過工控機與控制柜進(jìn)行通訊，控制柜通過變頻器控制驅(qū)動脫粒裝置的變頻電機，實現(xiàn)變頻電機的轉(zhuǎn)速無極可調(diào)。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 主軸電機的功率和扭矩轉(zhuǎn)速傳感器確定

按西南地區(qū)小型收割機最大喂入量2.5kg/s計算,計算單位長度釘齒的生產(chǎn)率q，即

式中Z—釘齒根數(shù);

n—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min);

L—滾筒長度(m)；

μ0—單位長度脫粒能力，本次設(shè)計采用0.024kg/m。

帶入此設(shè)計平臺測量的最大喂入量計算得到q=1.95kg/s。

滾筒消耗的總功率為

式中ω—滾筒角速度；

v—滾筒圓周速度；

A—軸承摩擦因數(shù)，取A為0.2×10-3；

B—滾筒轉(zhuǎn)動的迎風(fēng)面積系數(shù)，取B為0.58×10-6；

f—摩擦因數(shù)，本次取f為0.7。

帶入上述公式，得出喂入量在2.5kg/s時消耗的功率需要9.25kW。為了確保有足夠的功率，功率系數(shù)放1.5倍，得到最大消耗功率13.87kW。故選擇電機最大功率為14kW，便滿足要求。

通過功率和扭矩的計算關(guān)系得到電機最大扭矩 (設(shè)定調(diào)速電機最低轉(zhuǎn)速200r/min) 為668.5N·m。

通過以上計算，選取的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器采用北京中航科電測控技術(shù)有限公司ZH07-X型非接觸式扭矩傳感器,最大承受扭矩1 000N·m， 輸出信號為4～20mA，如圖3所示。

圖3 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 PLC數(shù)據(jù)采集部分

本次PLC的轉(zhuǎn)速信號采集來自扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字脈沖信號傳輸?shù)絇LC端，采用PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器采集脈沖信號，根據(jù)M算法，在采樣時間T內(nèi)捕捉轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)為M，則電機的轉(zhuǎn)速為

其中n—電機轉(zhuǎn)速；

Z—編碼器分辨率；

M—采樣脈沖數(shù)；

T—采樣時間。

扭矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩模擬信號也以相同的算法得到，數(shù)字信號經(jīng)過PLC完成轉(zhuǎn)速和扭矩的采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供方便。

3.2.2 工控機監(jiān)控部分

工控機監(jiān)控顯示部分基于lab VIEW虛擬技術(shù)，通過對PLC發(fā)出的讀請求后將PLC緩沖區(qū)中的轉(zhuǎn)速、扭矩實時顯示出來，并通過簡單的計算，將主軸消耗的功率也同時計算出來顯示在工控機上，如圖4所示。在軟件的另一個窗口以曲線的方式將3種參數(shù)同時顯示出來，當(dāng)整個測量過程完成之后，系統(tǒng)將停止記錄，并生成一個EXCEL表格文件，將本次測量的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率3個項目的最大值、最小值及平均值計算出來。

圖4 脫粒系統(tǒng)測試主界面

4 測試參數(shù)及結(jié)果

4.1 平臺測試參數(shù)

本檢測平臺的測試參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速和扭矩、主軸消耗的功率、物料落料區(qū)的分布、夾帶損失率、未脫凈率、破碎率和總損失率。其中，主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速通過數(shù)字化顯示器便可以顯示和記錄，如圖5所示。物料落料區(qū)分布采用網(wǎng)格化記錄方式，物料經(jīng)過脫粒滾筒分離出來的脫出物沿凹版篩直接落入下方網(wǎng)格化的接料車中；接料車沿脫粒滾筒軸線方向平均分成8個區(qū)域，徑向分成6個區(qū)域，每個測試區(qū)大小為200mm×110mm；籽粒和草混合物直接落入接料小車中，用于測定凹版篩脫出物料分布情況。其計算方法如下：

夾帶損失Sj為

Sj=(Wj/W)×100%

式中Wj—夾帶損失籽粒質(zhì)量(g)；

W—總籽粒質(zhì)量(g)。

夾帶損失籽粒質(zhì)量的測定方法是在收割機排草口每次收集的脫出的草和籽粒混合物經(jīng)過人工清選去除雜草剩余籽粒的質(zhì)量。

未脫凈損失Sw為

Sw=(Ww/W)×100%

式中Ww—未脫掉損失籽粒質(zhì)量(g)；

W—總籽粒質(zhì)量(g)。

未脫凈籽粒質(zhì)量的測定方法是在收割機排草口每次試驗排出的草中找到未脫粒完的籽粒，然后收集稱重。

破碎率Zp為

Zp=(Wp/Wx)×100%

式中Wp—每個測試小盒中破碎籽粒質(zhì)量(g)；

Wx—每個測試小盒中全部籽粒質(zhì)量(g)。

破碎率測定方法：將48個測試區(qū)域中的破碎籽粒與全部籽粒稱重，然后求平均數(shù)。

總損失率S為

S=Sw+Sj

圖5 主軸轉(zhuǎn)速扭矩顯示儀

4.2 主軸轉(zhuǎn)速、扭矩測試結(jié)果及優(yōu)化

以重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主研發(fā)的4LZ-1.5小型稻麥聯(lián)合收割機為樣品，設(shè)定其脫粒滾筒在喂入量為1.5kg/s、轉(zhuǎn)速為1 200r/min、凹板篩間隙入口20mm、出口間隙10mm，檢測其工作時轉(zhuǎn)速、扭矩及功率，如圖6～圖8所示。

圖6 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速曲線表

圖7 脫粒滾筒扭矩曲線表

圖8 脫粒滾筒功率曲線表

通過以上圖表分析可知：收割機脫粒滾筒在工作時由于喂入量的不均衡，其功率、扭矩和轉(zhuǎn)速有很大波動區(qū)間。通過試驗可知：南方小型收割機在收普通雜交稻品種，草谷比為1.2時，每1kg喂入量消耗的功率大約在4.5kW左右，但在本次測試由于出草口間隙過小，造成了稻草在凹版篩的過度揉搓，有的被搓成了“麻花”。在第二次試驗時，將出口間隙調(diào)整在15mm，重做試驗，其每1kg喂入量消耗的平均功率約在4kW左右，搓成“麻花”的稻草有了明顯的好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了一款針對小型聯(lián)合收割機的脫粒性能檢測平臺，可在室內(nèi)模擬完成收割機的多種脫粒狀態(tài)，并對脫粒系統(tǒng)消耗的扭矩和功率、作業(yè)時最大的喂入量及脫粒系統(tǒng)的夾帶損失率和含雜率等參數(shù)進(jìn)行定量研究。

2)檢測系統(tǒng)采用動態(tài)扭矩傳感器，配合扭矩功率測試儀，通過RS232接口和電腦通訊，采集扭矩功率測試儀的扭矩、轉(zhuǎn)速及功率信號，進(jìn)行相關(guān)操作。

3)檢測平臺通過變頻調(diào)速電機可實現(xiàn)對多個運動部件參數(shù)的無級、實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對聯(lián)合收割機在各種工況下的脫粒性能檢測。

4)檢測平臺在通過廠家既定的收割機技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗以后，可以通過調(diào)整不同的滾筒轉(zhuǎn)速和凹版篩的間隙，調(diào)整物料的落料區(qū)和凹版篩的揉搓性能，避免物料落料區(qū)太靠近滾筒前部分而增加多余的揉搓過程，造成功率的損失，從而提高收割機的作業(yè)性能和適應(yīng)性。