甘蔗收割機切割刀盤浮動控制系統的設計與試驗

王海瑞

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

在鄉村振興和產業振興背景下，如何實現甘蔗全面全程機械化生產，成為所有相關部門和技術人員必須面對并解決的問題。基于此，筆者以甘蔗收割機為例，分析切割刀盤浮動控制系統設計，使得切割刀盤可以隨著甘蔗壟高度變化自動調節，避免割刀磨損加劇和能量浪費，并且通過試驗，做好刀盤軸的尺寸優化和控制系統。

1 甘蔗收割機基本介紹和工作原理

本研究主要以4GDL-132型甘蔗聯合收割機為例，采用履帶行走底盤，收割作業狀態最大爬坡坡度為6°，適應壟高10 cm～20 cm，最高作業速度為3 km/h，切割刀臺與切割刀盤為固定連接整體，適應種植行距1.2 m以上，具體收割機結構圖如圖1所示。

圖1 切割刀盤浮動控制系統結構圖

該裝置的工作原理：系統主要由升降系統、車身、控制系統、切割系統等多個部分組成。液壓壓力數據采集系統在甘蔗切割過程中，測試出液壓馬達的壓力數據，壓力數據是實時變化的，裝置可根據壟高變化自動調節。車身用于搭載部分系統硬件結構，液壓馬達帶動刀盤轉動，主控制器根據切割液壓對甘蔗進行切割，并控制電磁換向閥自動換向，實現切割刀盤的自動升降，并判斷刀盤入土切割深度。刀盤升降自動控制原理如圖2所示。

圖2 刀盤升降自動控制原理

2 刀盤浮動控制系統設計總思路

以廣西某地甘蔗種植區為例，在大規模機械化推廣模式下，該種種植方式占種植作業總量的70%，但仍然需要較多人力配合作業[1]。并且在檢測甘蔗根部入土位置時較為困難，難以實現刀盤切割位置控制的標準化，因此要想掌握切割深度，尤其為了在丘陵種植地區檢測出壟間地面高度變化情況，在收獲過程中保護宿根，應該盡量實現“根據地形變化實時快速調整切割刀盤”的功能，控制刀盤刀尖與地面之間的距離，將刀尖剛好調整到預定高度。將設計思路總結為以下幾點：

1）距離檢測（超聲波雷達測距）；

2）行進速度檢測；

3）高度調整（調節刀盤高度±2 cm偏差范圍內）；

4）推算延時調整時間（單片機電路計算），做出刀臺的抬升或下降動作。

通過以上內容，利用STM32F070CBT6主控單片機，20 MPa液壓壓力傳感器（精度0.1級，型號為CYYZ31型）、液晶顯示模塊、AD7606模數轉換芯片、E6B2-CWZ6C光電編碼器等組成自動控制系統，做好液壓馬達壓力采集，將馬達壓力數據采集裝置安裝到甘蔗聯合收割機上。收割機適應行距不小于1.2 m，宿根破頭率小于15%，最大量程為20 MPa。甘蔗種植區域株距約0.5 m，采用速度傳感器測量行進速度，刀盤切割轉速為600 r/min～650 r/min，采樣頻率為490 Hz，最后確定切割壓力數據，根據數據結果推算出刀盤高度升降自動控制是否可行。

3 具體設計方案

3.1 傳感器選型

選擇超聲波測距傳感器（型號為JSN-SR04T），量程為25 cm～100 cm，可按要求控制啟動距離檢測，測量精度1 cm，測距精度可達3 mm，測量角度為30°（±10°），工作電流為40 mA，輸入觸發信號為10 μs，模塊工作電壓為5 VDC，模塊電路板尺寸為40 mm×39 mm。技術人員根據甘蔗種植區的地貌情況，設計探頭引線長度和尺寸。

3.2 液壓設計

要想提升切割刀盤浮動控制系統精準度，必須確定測距板和駕駛室底板之間的距離[2]。測距板在收割機作業時，與液壓缸牽引絞點形成同一平面，測距雷達與被測平面基本垂直，之后對行進速度進行檢測，控制系統液壓油路、動力分配系統轉速傳動比為1∶1。切割刀盤通過一個多路閥控制調整動作油路，在收獲作業狀態下持續工作，切割刀臺的抬升與下降由換向閥進行控制，油路系統流量設計為60.26 L/min，通過操縱主閥芯動作進行換向，快速實行動作，確保在大流量液壓系統下切割刀盤到達預定位置。電液換向閥允許最大流量為160 L/min，型號為CYD-03-3C2-D24-Z4L-80，電液換向閥配套NG10底板。液壓缸調整周期為200 ms～300 ms，最高作業速度下最大坡度為6°，之后通過液壓缸移動速度計算，得出液壓缸拉桿的移動速度，確保本次試驗在經過最大坡度變化路面時，可以滿足行進要求。在設計液壓管路通徑時，接口管路通徑不能過小，取液壓缸管道接口通徑為19.05 mm以上。

3.3 電路設計

切割刀盤浮動控制系統設計中，根據電路原理圖繪制PCB板線路，如圖3所示，在滿足理論功能的基礎上，設置甘蔗收割機配備電源，測距雷達工作電壓為5 VDC。電源模塊在長時間使用過程中，需要加入冷卻風扇進行散熱，避免因過熱對穩壓模塊造成損害，散熱風扇工作電壓為12 V～15 V，電源模塊輸入電壓為36 VDC，使電源模塊更加穩定有效地工作。在測量與控制系統中，利用信號光耦隔離電路，采用光耦隔離技術，可以防止輸出信號反饋到輸入端，提升運算控制時的穩定性與準確性，比如電路中光耦芯片U8信號輸入端2腳連接1個限流電阻（470 Ω），與供電電源5 VDC連接，輸出端部分使光耦電路保持工作狀態，電源正極輸入端8腳應該與7腳短接，輸出端6腳與開路信號輸出端連接，以此減小對電源的干擾。

圖3 切割刀盤浮動編碼器輸入信號光耦隔離電路設計

4 試驗數據和結論

4.1 刀盤材料參數設置

每種材料都有特定的材料參數，并決定了刀盤工作時的強度，本研究以Q345材料參數為例，屈服強度為345 MPa，抗拉強度為480 MPa，彈性模量200 000 MPa。之后建立刀盤三維實體模型，提高計算機運算速度，扭矩載荷的最大值為1 380 N·m，彎矩均值約為200 N·m，當網格數大于81 132時，最大應力值為67.27 MPa，最終判斷出刀盤符合設計要求。

4.2 刀盤軸的尺寸優化

自動根據計算結果判斷刀盤軸的拓撲優化，要對刀盤軸進行優化設計[3-7]。根據計算結果構造響應面，在不改變刀盤軸輪廓總體結構的基礎上，選取刀盤軸首尾兩端的圓盤結構，確保甘蔗收割機的正常工作。優化設計變量為筋板的厚度，根據原始值，判斷參數優化的選取范圍。如果原始值參數為18 MPa，優化后的選取范圍為5 MPa～19.5 MPa；如果原始值參數為15 MPa，優化后的選取范圍為5 MPa～13.2 MPa；如果原始值參數為12 MPa，優化后的選取范圍為4 MPa～13.2 MPa；如果原始值參數為10 MPa，優化后的選取范圍為5 MPa～16.5 MPa。

在具體試驗和修正方案中，應該對刀盤軸建立有限元模型，選擇最大形變量較小的方案，最終優化參數[8]。原始值參數為18 MPa時，優化值為16.596 MPa，修正值為17；原始值參數為15 MPa時，優化值為12.716 MPa，修正值為13；原始值參數為12 MPa時，優化值為5.295 MPa，修正值為5；原始值參數為10 MPa時，優化值為12.48 MPa，修正值為4。之后測定切割液壓壓力和入土切割深度。

4.3 切割液壓壓力試驗

選取物理特性基本一致的甘蔗，以此驗證自動調節裝置控制的可靠性。將其切為40 cm長的段，土槽底部每排固定3節，固定長寬高分別為250 cm、45 cm、35 cm的土槽底部，相鄰距離約為8 cm，按數字順序對甘蔗編號，相鄰兩排距離約15 cm，土槽土層平均厚度為28 cm。切割刀盤前進速度主要通過傳感器測量，甘蔗直徑3.3 cm～3.7 cm，土壤含水率為18.2%，土槽中土壤密度為1.65 g/cm3，之后利用游標卡尺測量收割最大切深，之后得出數據[9]。如表1所示。

表1 切割壓力數據結果

在本次試驗中，刀盤轉速為700 r/min，入土收割2 cm～5 cm，液壓缸上升和下降速度分別維持在0.55 m/s、0.60 m/s左右，刀盤前進速度分別為0.25 m/s和0.40 m/s，入土基準切深為3 cm和5 cm，采樣頻率為75 Hz。可以看出空載時刀盤液壓馬達的平均壓力為0.99 MPa～1.02 MPa，不隨刀盤前進速度改變，入土3 cm、5 cm切割甘蔗時平均壓力比不入土切割甘蔗時大，當刀盤入土3 cm、5 cm切割甘蔗時，刀盤入土切割深度增加，液壓回路壓力改變較小，切割液壓壓力隨入土切割深度增加而增大，切割阻力發生明顯變化[10]。

4.4 入土切割深度試驗

模擬丘陵山區甘蔗地（不平整地區壟高出現變化），試驗地坡度約1/20，刀盤行進速度為0.25 m/s、0.4 m/s，土壤含水率18.3%。當甘蔗種植密度和物理特性不變時，數據采集頻率75 Hz，得出不入土收割壓力范圍，分析控制裝置安裝之后的切割高度控制效果，可以得出刀盤升降自動控制方案，如表2所示。

表2 切割刀盤升降自動控制方案

重復試驗之后，得出如下結論：當以0.25 m/s速度前進切割時，阻力由3.51 MPa增加到9.45 MPa，入土切割深度由3 cm增加到10.6 cm[11]；刀盤深度均保持在入土3 cm左右，最大誤差0.7 cm，可以說明通過優化硬件可以降低切割深度控制誤差，符合割茬小于3 cm為合格切割的規定；通過該種切割刀盤高度自動調節裝置，可以根據不同蔗地環境以及切割狀態，建立數據庫，利用人機交互界面，制定不同的控制方案，最終實現切割刀盤高度的自動調節。

5 結束語

綜上所述，通過切割刀盤浮動控制系統設計，可以根據幾何關系推算刀尖實際高度，刀盤切割深度能夠實現自動調節，滿足甘蔗收割機割茬要求，根據田間具體試驗論證，得出該種方案確實可行，可以根據不同蔗地環境自動調節切割刀盤高度。