基于轉速調控的玉米收獲機脫粒裝置優化研究

馮少源,周章金

(西藏民族大學,陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著我國各種類型收獲機械智能化水平的不斷提升,傳統的人工收獲及半機械化收獲已不能滿足當前農業的發展需求。目前,新的信息傳感技術和無級調控技術得到成熟化推廣,功能各異的玉米收獲機自動化作業機具紛紛問世,但多數在調解滾筒堵塞及在線監測功能融合方面取得進展,對于轉速調控有待深度研究。玉米作為主要糧食作物之一,多數地區一直存在收獲問題、收獲周期長等困難。為了進一步提高玉米收獲效率,降低農民的勞動強度,筆者充分分析了當前的玉米收獲機結構組成,以柔性智能轉速調控為原則,結合收獲機整機的結構原理,就如何優化、實現脫粒分離裝置的工作效能進行探究。

1 玉米收獲機概述

玉米收獲機作為大型智能收獲裝置,在動力源(電機)帶動下,隨著整車車體的行進,經撥禾、摘穗、脫粒、分離等系列動作,完成大面積的玉米收獲工作。其中,脫粒分離是核心環節。如何確保此裝置模塊的適用性、效率性及結構科學性,一直都是學者致力研究的方向。圖1為通用型玉米收獲機脫粒分離裝置核心結構。工作時,玉米果穗經割臺、輸送裝置后到達脫離裝置,需要完成籽粒的分離及玉米棒芯的回收。其中,脫粒滾筒與連接部件的合理位置關系會對玉米脫粒分離作業起到不可忽視的作用。例如,脫粒齒形的選擇、各位置篩板間隙的控制等均需精度敏銳的參數感應裝置執行,在調控電機的恰當配置與有效監控下,脫粒組件與分離組件協調動作完成一次收獲作業。

圖1 玉米收獲機脫粒分離裝置核心結構簡圖Fig.1 Diagram of core structures of threshing and separating device of the corn harvester

2 脫粒分離裝置優化

2.1 數學模型搭建

以上述玉米收獲機脫粒分離裝置結構為出發點,選定軸流式脫粒滾筒為核心優化組件,通過性能提升與控制算法同步融合,采取超聲波轉速調控思維方法,進行轉速調控應用下的數學模型的搭建分析。

考慮轉速調控的精準性與及時性,選定超聲波電機動態調節,將玉米收獲機脫粒分離裝置的喂入量轉化為電機電壓及幅值的表征,著重處理脫離裝置作業過程的卡堵現象。以整機不同的行進速度為基礎,以電機轉速與脫粒滾筒為調控關聯對象,以內部的調控算法規則與裝置動作執行反饋為主體優化,建立數學模型,即

(1)

式中ne—玉米收獲機發動機轉速;

n—玉米收獲機脫粒滾筒轉速;

η—玉米收獲機傳動效率;

v—玉米收獲機脫粒分離裝置線速度;

r—玉米收獲機脫粒滾筒半徑;

i—玉米收獲機脫粒分離裝置傳動比。

依據相電壓實現幅值控制目標,增設可調控相移PWM發生器,形成玉米收獲機脫粒裝置的轉速調控設計簡圖,如圖2所示。將轉速調節控制器獲得的裝置分離處理信號經頻率調節與占空比調節同步進入PWM發生器,進行位置狀態信息判定,從而啟動脫粒分離驅動控制程序;經信號深度處理、電機聲波精準調節后完成結果輸出。

圖2 玉米收獲機脫粒裝置的轉速調控設計簡圖Fig.2 Design diagram of the rotation speed control of threshing device of the corn harvester

2.2 裝置控制優化

從整機脫離過程的運行機理出發,以滾筒轉速、喂入量及裝置間隙作為初始考慮因素,建立具有動態非線性調速控制功能的參數變化關系,得出基于轉速調控的玉米收獲機脫粒裝置動態參數計算實現優化簡圖,如圖3所示。將三者參數進行匯融后集成放大,可實現裝置參數的自動獲取、監測及調節的敏捷性,降低參數匹配的不平衡性,對田間玉米收獲各作業環境有較強的適應基礎,進而利用調控與參數計算方程計算得到最佳的脫粒動作執行時間,較好地完成動態參數柔性化調控與非線性計算過程。

針對裝置的轉速控制程序執行,在原有PLC控制基礎上實施優化,并將作業功率給予10%的參數優化提升,設定360kW為平穩聯調指標,將滾筒轉速及喂入量調控的過程進行自動在線監測信號獲取;同時,在接線布置環節以A/D轉換、擴展功能、堵塞預警為新優化創新點,同步增設喂入量與滾筒轉速之間的信號傳遞、參數控制誤差精細化處理程序,通過穩定模糊控制技術確保準確性。

圖3 基于轉速調控的脫粒裝置動態參數計算實現簡圖Fig.3 Simple realization diagram of dynamic parameter calculation of threshing device based on the speed regulation

2.3 裝置部件改進

為了降低脫粒滾筒在執行脫粒作業中的受力及卡頓,增強脫離裝置的運轉平穩度,在結構尺寸參數方面確保離心力充裕的前提下,進行同比例縮小,著重針對脫離的防堵裝置進行改進,如圖4所示。此改進執行流程中,將先前的逐一判定閾值調節改進為喂入量與滾筒轉速同步調節,一方面實現了調節的高效率,另一方面基于調節的同理特征進行脫粒凹板間隙調節,實現對資源的最佳配置。

圖4 基于轉速調控的玉米收獲脫粒防堵裝置改進簡圖Fig.4 Improvement diagram of the corn harvest threshing anti blocking device based on the speed control

針對玉米收獲機作業特點及部件間的動作關系,采用無級式調節方法,進行核心調控參數的匹配及對應動作執行裝置的選型工作。結合收獲裝置優化目標,得到轉速調控玉米收獲機脫粒分離裝置參數選定列表,如表1所示。

表1 轉速調控玉米收獲機脫粒分離裝置參數選定列表

對調速裕量、滾筒轉速兩個參數進行了仿真計算論證,并進一步給出此收獲機基于轉速調控的整機作業運行流程簡圖,如圖5所示。此裝置的轉速調控系統與執行裝置在調速器、執行控制器的連接作用下完成收獲狀態信息的共享與互通,進而完成收獲脫粒壓力與速度之間的動態式調控。

3 整機應用試驗

3.1 作業條件

基于上述轉速調控優化下的玉米收獲機脫粒裝置設計方案,選擇800m×2200m的試驗田,進行玉米收獲作業的整機優化性能驗證。設置主要作業條件為:①整個監測收獲作業過程參數一致性,如人、機、料、法、環、測等;②整機運轉良好,各部件動作連接平順,數據輸出連續有效;③實施脫粒分離過程滿足整機裝備的設計要求。

3.2 過程分析

考慮到整機行進速度與脫粒分離實現高效作業之間的內在關聯,設定行進速度為1.05～1.55m/s,以0.1m/s的速度遞增,監測得出各行進速度下的玉米收獲籽粒損失情況,輸出玉米收獲機作業試驗脫粒裝置夾帶損失情況數據統計,如表2所示。由表2可看出:各速度下收獲損失籽粒質量不大,且夾帶損失率維持在1.25%～1.40%之間。其中,當行進速度為1.35m/s時,監測得到的損失籽粒質量為0.51kg,此時脫粒裝置的夾帶損失率為1.25%;從平均參數來看,當整機的行進速度維持在1.30m/s時,脫粒裝置的夾帶損失率可控制在1.34%。

表2 玉米收獲機作業試驗脫粒裝置夾帶損失情況數據統計

進一步考慮脫粒分離環節對于整機收獲的綜合效率影響,在上述轉速調控模型的應用下,選取該玉米收獲機的果穗脫凈率、平均含雜率、籽粒破損率、裝置穩定率與整機收獲效率作為優化評定參數,得到基于轉速調控的玉米收獲機脫粒裝置性能優化對比列表,如表3所示。由表3可知:同等條件下,果穗脫凈率可由85.50%提升為93.50%,平均含雜率相應由1.25%降低至0.76%,籽粒破損率相應由0.94%降低至0.58%,脫離裝置的穩定率由87.50%改善至95.30%,整機收獲效率由86.88%提升至94.93%。這說明,自調控技術的應用使收獲機速度調節性能得到明顯提升。

表3 基于轉速調控的玉米收獲機脫粒裝置性能優化對比列表

4 結論

1) 以玉米收獲機脫粒裝置的核心構造為研究基礎,通過搭建正確、適用的轉速調控數學模型,實現整機脫粒裝置的控制優化與部件改進。整機收獲作業展開性能提升驗證結果表明:基于轉速調控技術優化玉米收獲機脫粒裝置,其收獲效率相對提升8.05%,收獲籽粒破損率相對降低0.36%,裝置收獲、分粒、脫離過程運行良好。

2) 通過收獲機內部作業動態參數調控計算與防堵模塊的重點改進,確保此轉速調控下的玉米收獲機各部件作業順暢,是農用收獲機智能化、創新化完善的前提條件之一,可為其他類似收獲裝備提供借鑒及參考。