基于雙變頻電機驅動的膠輥礱谷機研究與實踐

劉亞奇，任瑞龍，顧仁剛，尚 微，張士雄*，阮競蘭

（1.河南工業大學機電工程學院，鄭州 450001；2.布勒(無錫)商業有限公司，江蘇 無錫 214023）

電動機是機械系統的核心部件。考慮到空間和成本因素，傳統的機械系統多采用單電動機驅動，通過齒輪、同步帶、鏈條傳動等方式，產生所需要的多種轉速和轉矩。雖然這類機械系統的電氣結構比較簡單，但傳動機構復雜、易磨損、噪聲大，可靠性也低。多電機驅動系統是由兩個或多個電機驅動的機械系統，由于具有效率高、響應速度快、運動部件之間依賴度低等特點，被廣泛地應用到機械設備中，比如采用多電機的伺服控制系統可以保證多電機準確的交互位置和轉速的信息，使得多電機驅動控制更加準確高效[1]。隨著我國機械自動化水平提高，多電機驅動方式被應用到許多糧食機械中，如礱谷機[2]、糧食扦樣機[3]、運糧機[4]等，同時設備在響應速度、同步精度、魯棒性等方面，也對多電機驅動提出了更高的要求。端夢云[3]設計的多電機雙桿糧食扦樣機，相比傳統的固定式扦樣機具有扦樣范圍大，扦樣效率高、扦樣桿不易堵等優點；王銀明[4]設計的基于多變頻電機的自動運糧機，相比傳統的運糧機具有運行更加平穩、用電量明顯下降、效率顯著提升的優點。

民以食為天，糧食工業關乎國計民生，與我們的生活息息相關。我國是一個農業大國，其中稻米的種植和食用都具有悠久的歷史，所以稻谷加工機械的發展也是經歷了一個漫長的過程，礱谷機是將稻谷脫去穎殼的一種典型的機電系統，是稻谷加工機械中最重要的設備之一，膠輥礱谷機在稻米的脫殼機械中是最常見的，技術也最為成熟，其性能直接影響稻谷的加工質量。國內也有不少研究人員對傳統的由齒輪變速箱傳動的膠輥礱谷機進行了改進，例如孟飛等[5]提出了一種三輥代替齒輪變速箱的傳動方式，他采用變頻電機帶動左右兩個快輥和中間一個慢輥，通過電機的正反轉使中間的慢輥向左右兩個快輥合攏，達到擠壓、撕裂稻谷和脫殼的目的。實驗結果表明該傳動方式具有一定的優點，但是結構較復雜，不易于實際工程中應用。

1 膠輥礱谷機的結構和工作原理

膠輥礱谷機的主要機構分為進料機構、脫殼裝置、傳動裝置和風選裝置4個部分，如圖1所示[6]。

圖1 膠輥礱谷機結構示意圖

稻谷經進料口的淌板進入礱谷機，在經過一對相向不等速旋轉的膠輥時，通過壓砣的壓力使稻谷受到擠壓和撕裂達到脫殼的目的。脫殼之后的物料下落進入風選裝置，谷糙混合物與稻殼在氣流的作用下分離。傳統的膠輥礱谷機大多數采用齒輪變速箱、同步齒形帶等傳動，通過與雙皮帶相結合或單根皮帶關聯傳動的方式與驅動電機相聯[2]。該傳動方式具有傳動穩定、成本低、易于推廣的優點，同時也普遍存在結構復雜、噪聲大、振動、故障率高、漏油及污染糧食等問題，這些缺陷大大限制了膠輥礱谷機的發展與提高，也使國產礱谷機喪失了與國際品牌競爭的機會。

2 雙電機驅動在膠輥礱谷機上的應用研究

參考文獻[2]在總結傳統膠輥礱谷機的缺陷的基礎上，研究設計了一種膠輥礱谷機雙變頻電機驅動裝置及自動控制系統，用雙變頻電機傳動代替齒輪變速箱傳動，并應用到了工程實踐中，獲得了很好的實驗效果，這個傳動方式的提出大力推動了膠輥礱谷機的發展和應用，也為以后膠輥礱谷機的改進提供了新的方向。

2.1 雙變頻電機膠輥礱谷機的特點

雙變頻電機膠輥礱谷機的工藝原理與傳統礱谷機相同，即在一定的輥壓下，通過兩個膠輥的相向、差速摩擦，對谷物產生撕搓作用，達到脫殼的目的。對于傳統礱谷機而言，兩個膠輥的相向、差速旋轉由變速箱或皮帶產生，受傳動機械的制約，兩個膠輥的轉速以及轉速差無法自由調節，從而限制了用戶對工藝參數的自由調節。另外，由于膠輥的磨損，使得礱谷機在使用過程中線速度不斷變化，導致工藝參數隨之變化，因此工藝效果難以保證。相比傳統的齒輪變速箱傳動的膠輥礱谷機，雙變頻電機膠輥礱谷機采用兩臺變頻電機分別驅動礱谷機的快、慢輥，每臺電機運動是相對獨立的，通過變頻電機直接驅動快、慢輥產生相向運動，擠壓稻谷來脫殼。雙變頻電機的傳動方式使快、慢輥的轉速度以及相應的線速度解耦，徹底消除了快、慢輥轉速與線速度的耦合，結構得到簡化，消除了傳統齒輪箱傳動的噪音與振動等問題。在雙變頻電機驅動的礱谷機上，出現了定輥和動輥的叫法，定輥即固定輥，其兩端軸承固定在礱谷機機身上，輥及軸只能旋轉不能移動；動輥即移動輥，其兩端軸承固定在移動部件上，軸承可以在外力的作用下使移動輥與固定輥接觸或分離。傳統礱谷機上定輥一般是快輥，動輥一般是慢輥，然而在雙變頻電機驅動的礱谷機上，由于兩個膠輥轉速或線速度可以獨立、自由調節，所有定輥既可以做快輥又可以做慢輥，動輥亦如此，并且快、慢輥可以隨時自動交換，以便均衡兩個磨損程度和溫升，從而延長膠輥使用壽命。

2.2 雙變頻電機膠輥礱谷機的發展與應用

自2013年雙變頻電機驅動的全自動膠輥礱谷機被首次提出并實現以來至今已有8年[7]。由于采用雙變頻電機驅動后，礱谷機的快慢輥可以自動交換、各項工藝參數可以獨立、精確地控制，且在降低能耗、降低膠耗、節省人工方面效果明顯，近幾年得到越來越多客戶的青睞，成為未來取代傳統膠輥礱谷機的必然趨勢。在礱谷機領域，雙變頻電機膠輥礱谷機的出現解決了礱谷機的自動化問題，但在智能化方向，礱谷機尚有更廣闊的發展空間。目前雙變頻膠輥礱谷機發展出了很多優秀的國產品牌，布勒公司作為谷物加工行業的領軍企業，開發和研究此項技術對行業的發展具有重要意義。

布勒公司的礱谷機技術起步較早，且起點較高。布勒公司在20世紀90年代已經把嵌入式控制技術應用于礱谷機，其礱谷機采用1臺異步電機作為動力源，通過皮帶和帶輪傳動將電機的單向旋轉變為兩個差速反向旋轉，分別帶動快輥和慢輥旋轉。機械結構式采用懸臂式氣壓緊輥。該傳動方式具有傳動效率高、噪音小、壽命長等優點。隨著雙變頻電機驅動礱谷機技術的不斷發展和成熟，該項技術的市場認可度越來越高。2020年布勒公司與河南工業大學通過技術合作，開始了新一代礱谷機的研制工作。結合目前最新的傳感器技術和智能制造理念，雙方于2021年成功研制出最新一代全自動礱谷機系列——DRHK2021（如圖2）。與布勒公司經典的礱谷機機型DRHK相比，DRHK2021不僅繼承了其原有的高可靠性和優良的工藝效果，還增加了自動換輥、配方管理、專家模式、工藝參數實時反饋等功能，使其性能更加卓越。而與行業內其它類型的全自動礱谷機相比，DRHK2021在器件選型上更加苛刻，測試標準上更為嚴格，通信接口和軟件平臺與智能生產線和智能工程的融合更加便利和靈活，適應了智能膠輥礱谷機未來的發展趨勢。

圖2 布勒公司DRHK2021型全自動礱谷機

2.3 雙變頻電機膠輥礱谷機的控制系統

布勒公司在20世紀90年代已經把獲得專利的嵌入式控制技術應用于礱谷機，具有輥壓和振動喂料速度的連續自動調節功能以及工藝性能穩定的優點，在行業內技術水平處于領先地位。在新系列產品—DRHK2021中，同樣基于布勒公司的工業系統軟件平臺，與布勒公司WinCos系統的通信兼容。該礱谷機采用了目前最新的電控器件和傳感器，在人機交互方面結合人工智能技術進行了優化設計，操作更加簡單，性能更加可靠。面向初級用戶的全自動運行界面，選定工藝參數配方后可以一鍵啟動礱谷機，一鍵停機，對操作人員的技術水平無要求。面向專家用戶的手動運行界面，同樣具有一鍵啟、停機，但是具備了對全部工藝參數的精細調整功能，參數調到最佳性能后可以一鍵存為配方，供全自動運行界面調用。界面同時顯示工藝參數的設定值和反饋值，避免了設定參數和實際參數不一致的問題。控制柜與機械機構分離，避免了灰塵和振動對控制系統穩定性的影響。實現智能化需要設備間具有高效的通信接口，所以控制器需要具有網絡接口，設置工藝參數、生產控制、查看工藝效果均可以通過網絡遠程集中實現。布勒公司礱谷機實現了這一點，具有遠程調控的網絡接口，實現了遠程控制調試的功能。

2.4 實驗分析

在江蘇某農場按照中國機械行業標準JB/T10267-2013進行了加工測試，并對測試數據進行了分析。測試中采用的水稻品種為綠色7號（粳稻）（如圖 3）和雜交稻 118+608（秈稻）（如圖 4），采用的機型分別為布勒公司DRHK以及DRHK2021，同等產量下在脫殼率、糙碎率、膠耗及能耗等關鍵工藝參數和性能參數上進行了分析對比。

圖3 綠色7號

圖4 雜交稻118+608

測試結果：DRHK（如圖 5）與 DRHK2021（如圖6）通過調節工藝參數，均能達到較高的脫殼率和較低的糙碎率，兩者工藝效果基本相當。同等脫殼率下，原糧為雜交稻118+608時，DRHK2021的糙碎率在各個產量時均低于DRHK，平均約低0.3%；原糧為綠色7號時，同等脫殼率下，DRHK2021的糙碎率在各個產量均低于DRHK，平均約低0.1%；膠耗方面：分別在兩個機型上加工280 t原糧，DRHK2021的平均膠耗為DRHK平均膠耗的47%，由此可見膠耗降低明顯；DRHK2021在節能降耗方面也有較為顯著的提升，非連續加工原糧6 d后，相對于DRHK，DRHK2021的節能率約為7%。

圖5 礱谷機DRHK

圖6 自動礱谷機DRHK 2021

由此可見，由于具有精確的工藝參數獨立控制能力，DRHK2021的工藝參數可以在更廣的參數范圍內獲得更優的參數組合，從而達到更優的工藝效果。同時，由于具有膠輥磨損補償算法，DRHK2021可以在膠輥整個生命周期內始終維持穩定的工藝效果，而不受膠輥磨損量的影響，再配合自動換輥功能，使之相對于其它機型具有更高的綜合性能指標。

3 結論

智能化是糧食機械發展的趨勢，而智能化建立在自動化基礎之上。礱谷機作為工廠和生產線的一部分，單純解決本身的自動化問題對于提高全廠綜合生產率和提高糧食品質作用并不明顯。設備基于統一的軟件平臺和統一的設計理念，不僅在糧機行業適用，同樣適用于其它類型生產線設備。實驗結果表明無錫布勒公司膠輥礱谷機相比傳統的齒輪箱傳動的膠輥礱谷機，具有結構簡單、運行平穩、震動和噪聲小的優點，同時降低了能耗、提高了工作效率、減少了糧食污染、優化了生產方式，有效解決了傳統膠輥礱谷機工作穩定性差、脫殼率低、單機產量小、自動化水平低等問題，值得在市場上大力推廣應用。

表1 膠輥測試數據

表2 實際使用能耗數據