劉宏博，何培祥，蔣　猛，袁　瑛，康　杰，趙　進(jìn)，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

?

小型割前脫粒收獲機雙滾筒恒速控制研究

劉宏博，何培祥，蔣猛，袁瑛，康杰，趙進(jìn)，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400715)

摘要：對一種小型割前脫粒收獲機雙滾筒恒速控制問題進(jìn)行了研究。建立了行走速度與滾筒角速度的數(shù)學(xué)模型，確定了在作物密度不可控的情況下，可以通過控制行走速度來穩(wěn)定滾筒角速度。進(jìn)行基本試驗得到了收獲機在額定工作時的喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速范圍，以此作為恒速控制的基準(zhǔn)值。在實際工作過程中，滾筒轉(zhuǎn)速傳感器實時檢測滾筒轉(zhuǎn)速反饋給控制器，控制器通過控制步進(jìn)電機調(diào)節(jié)變量泵排量來控制收獲機減速或加速，從而穩(wěn)定滾筒轉(zhuǎn)速。試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)提高了割前脫粒收割機雙滾筒工作轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，減輕了操作者的勞動強度。

關(guān)鍵詞：收獲機；割前脫粒；雙滾筒；恒速控制；穩(wěn)定性

0引言

稻麥?zhǔn)斋@機脫粒滾筒的恒速控制可以保證脫粒質(zhì)量、減小機身振動、提高作業(yè)效率、降低滾筒堵塞率及減輕操作者勞動強度[1]，在收獲機運行過程中需要盡可能保持滾筒的轉(zhuǎn)速恒定。

美國、德國等發(fā)達(dá)國家對于大中型稻麥聯(lián)合收獲機脫粒滾筒的恒速控制研究比較成熟[2]，部分產(chǎn)品已經(jīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如Massey Ferguson的MF760聯(lián)合收割機。中國西南地區(qū)以丘陵山區(qū)為主，大中型稻麥聯(lián)合收獲機并不適用，而手扶式稻麥?zhǔn)斋@機更適合發(fā)展應(yīng)用。國內(nèi)對小型稻麥?zhǔn)斋@機的使用還完全依賴于操作者的經(jīng)驗，導(dǎo)致收獲機脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化較大、作業(yè)質(zhì)量低；另外，操作者需要不斷調(diào)整收獲機的作業(yè)速度，勞動強度也較大。目前，國內(nèi)還缺少對小型稻麥?zhǔn)斋@機脫粒滾筒恒速控制的研究[3]。為了提高小型稻麥?zhǔn)斋@機作業(yè)質(zhì)量以及減輕操作者勞動強度，設(shè)計了一種小型割前脫粒機雙滾筒恒速控制系統(tǒng)。

1材料和方法

研究對象是一款用于重慶等丘陵山區(qū)的手扶式小麥割前脫粒收獲機[4-5]，其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，脫粒部件的三維模型如圖2所示。圖1中虛線表示動力來源。

1.脫粒滾筒　2.螺旋輸送器　3.扶禾器　4.分禾器　5.機架

圖2　割前脫粒收獲機的脫粒裝置模型

工作時，小麥通過扶禾器及夾持鏈被送入脫粒滾筒中進(jìn)行脫粒，脫粒完成后的秸稈被切割器切斷后倒向兩側(cè)。脫粒裝置的傾斜角度可以調(diào)節(jié)以滿足不同的工況要求。為了便于動力傳遞，脫粒滾筒采用直流電動機提供動力，而收獲機的其他動力，如行走、清選等均由汽油機提供，該收獲機的具體機械結(jié)構(gòu)和工作方式參見文獻(xiàn)[4-6]。

2脫粒滾筒運動模型

基于滾筒角速度、發(fā)電機功率、作物密度、機器行走速度的功耗模型反映了滾筒的功耗與脫粒機的結(jié)構(gòu)、運動參數(shù)的關(guān)系為[7]

(1)

q=Hρυ

(2)

其中，J為轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；ω為滾筒角速度(rad/s)；N為輸入功率(W)；A,B為常數(shù)；R為滾筒半徑(m)；f為滾筒搓擦因數(shù)；γ為谷草比；λ為谷物出口速度比；q為喂入量(kg/s)；H為割幅寬度(m)；ρ為作物密度(kg/m2)；v為行走速度(m/s)；t為時間(s)。

對于一定的收獲機和谷物，只有ω、v、ρ是變化量。在作物密度ρ不可控的情況下，可以通過改變行走速度v來保證滾筒角速度ω恒定。

收獲機的行走系統(tǒng)采用液壓傳動裝置實現(xiàn)無級變速，通過步進(jìn)電機調(diào)節(jié)變量泵的排量，可以滿足傳動系統(tǒng)不同傳動比的需要。由于液壓無級變速機構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，難以進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述，可以將其作為一個慣性加延遲的過程來處理[8]。其傳遞函數(shù)可以表示為

(3)

其中， τ為延遲時間；Ka為無級變速系統(tǒng)的放大系數(shù)；T1為慣性時間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

由式(1)～式(3)可以得到圖3所示模型框圖，圖中u為指令行走速度。

圖3　脫粒滾筒轉(zhuǎn)速開環(huán)模型結(jié)構(gòu)框圖

3脫粒滾筒恒速控制

為了確定該收獲機脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的控制范圍，需要對該脫粒裝置進(jìn)行性能試驗。在實驗室條件下，將脫粒裝置固定，試驗臺下方的夾持鏈將未脫粒帶秸稈的等質(zhì)量小麥均勻送入脫粒裝置內(nèi)部進(jìn)行脫粒，喂入量通過改變夾持鏈的輸送速度來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在脫粒滾筒軸處安裝扭矩傳感器(固定在試驗臺上)和轉(zhuǎn)速傳感器以檢測脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速并通過LED直接顯示實時扭矩和轉(zhuǎn)速；當(dāng)進(jìn)行不同喂入量試驗時，在脫粒滾筒穩(wěn)定工作時記錄下脫粒滾筒軸的扭矩、轉(zhuǎn)速，以此研究不同喂入量時脫粒滾筒扭矩和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律和趨勢。

首先對于該小型割前脫粒收獲機進(jìn)行空載試驗，喂入量在0.1~ 1kg/s之間進(jìn)行10組試驗，每組相差0.1kg/s。由于對于同一喂入量，脫粒裝置的作業(yè)負(fù)荷也是在一定范圍內(nèi)變化的，故扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)也不恒定，這里取它們的平均值作為此時喂入量對應(yīng)的試驗參數(shù)值。為了更好地反映結(jié)果的變化規(guī)律和趨勢，通過平滑曲線連接的離散試驗結(jié)果如圖4所示，主軸1、主軸2為兩滾筒主軸。

脫粒滾筒的扭矩能及時、準(zhǔn)確反映脫粒滾筒作業(yè)負(fù)荷[9]。圖4中，對稱設(shè)計的兩個脫粒滾筒具有較為一致的工作特性。隨著喂入量的增大，脫粒滾筒的扭矩持續(xù)增加，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也在不斷降低；當(dāng)喂入量在0.6～0.7kg/s時，脫粒滾筒的扭矩和轉(zhuǎn)速都比較平穩(wěn)，此時脫粒裝置處于額定工況下工作，該額定工況的喂入量范圍取決于脫粒滾筒裝置的機械設(shè)計參數(shù)；當(dāng)喂入量超過0.8kg/s以上時，脫粒滾筒的扭矩上升較為明顯，轉(zhuǎn)速下降也較快，說明此時收獲機的作業(yè)負(fù)荷較大并有過載的征兆，繼續(xù)在該負(fù)荷下工作，容易造成脫粒滾筒堵塞，收獲機工作振動變大，作業(yè)性能降低。

(a)　滾筒作業(yè)扭矩變化曲線

(b)　滾筒作業(yè)轉(zhuǎn)速變化曲線

從脫凈率和損失率方面考慮，處于額定工況下的脫粒滾筒具有比較合適且穩(wěn)定的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速，因此可以達(dá)到更好的脫粒效果[10]。結(jié)合該割前脫粒收獲機脫粒滾筒額定工作時的轉(zhuǎn)速范圍，考慮測量誤差，最終確定系統(tǒng)恒速控制轉(zhuǎn)速的范圍為750～760r/min。在收獲機作業(yè)過程中，當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)速低于或高于該控制范圍時，控制器通過步進(jìn)電機調(diào)節(jié)變量泵的排量進(jìn)而控制收獲機行走的減速或加速，直到脫粒滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在恒速控制所設(shè)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)速度的動態(tài)調(diào)節(jié)，達(dá)到恒速控制的目的，圖5為該脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)流程圖。

圖5　脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)流程圖

4田間試驗

田間試驗在重慶市潼南縣群力鎮(zhèn)小麥生產(chǎn)基地進(jìn)行。測試條件為：作物平均高度為820mm，穗幅差為160mm，莖稈平均含水率為23%，籽粒平均含水率為22%，作物長勢均勻。為了測試收獲機脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了兩組對比試驗。第1組試驗(試驗1)中，安裝了該控制系統(tǒng)的收獲機進(jìn)行自動作業(yè)，操作人員完成對收獲機的啟動、停止和方向控制等輔助工作。第2組試驗(試驗2)中，仍然對脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，但不對收獲機進(jìn)行控制，同一操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗對收獲機的作業(yè)速度進(jìn)行控制。兩組試驗中由控制器檢測滾筒轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)濾波后記錄到存儲器中。每一組試驗結(jié)束后，操作人員都要進(jìn)行勞動強度測定。勞動強度指數(shù)越高，操作者的工作強度越大，GB/T 3869-1997對勞動者勞動強度進(jìn)行了標(biāo)定，也提供了必要的參數(shù)和測定方法[10]。

5結(jié)果和討論

定義轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)V來表示收獲機脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)的效果，該系數(shù)指的是在收獲機作業(yè)過程中脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化的程度。其算法為

(4)

由實驗室試驗結(jié)果可知：采用對稱設(shè)計的兩個脫粒滾筒工作時的轉(zhuǎn)速比較一致，故取兩組田間試驗中脫粒滾筒1的作業(yè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6　田間試驗結(jié)果

由圖6中收獲機穩(wěn)定作業(yè)時測量的數(shù)據(jù)可知：試驗1的脫粒滾筒轉(zhuǎn)70%的時間都穩(wěn)定在控制轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速起伏比較平穩(wěn),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過或者低于控制范圍時，控制系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)將轉(zhuǎn)速控制到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)；當(dāng)局部作物密度變化較大時，如在26～29s區(qū)間，由于轉(zhuǎn)速檢測有一定的滯后性，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化幅度較大，使收割機的工作不平穩(wěn)。試驗2中,由于操作員的經(jīng)驗操作,收獲機容易工作在大于額定負(fù)荷的狀態(tài)下，脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速近90%的時間都低于其額定轉(zhuǎn)速，而且起伏較大，同時,在部分作物密度較大的區(qū)域,如在76～81s區(qū)間，由于操作人員經(jīng)驗判斷的滯后性較大，收獲機負(fù)載突增，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速下降明顯，在5s內(nèi)從740r/min下降到711r/min。

表1是兩組試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)對比。由于恒速控制系統(tǒng)對收獲機進(jìn)行實時控制，能保證其工作在額定工況下；而人工控制的收獲機大多時間工作在大于額定負(fù)荷的狀態(tài)下，故后者的收獲效率相對較高，作業(yè)速度0.63m/s，大于前者的0.41m/s，但是前者平均轉(zhuǎn)速757r/min高于后者737r/min。表1中，試驗1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為5.40，小于試驗2的9.39，通過式(4)計算出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)V，試驗1為0.71%，小于試驗2的1.27%，說明恒速控制系統(tǒng)可以提高收獲機滾筒工作轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。同時，當(dāng)采用恒速控制時，操作者的勞動強度系數(shù)為9，小于人工操作時的14，說明降低了勞動者的勞動強度。

表1　兩種方法試驗結(jié)果對比

6結(jié)論

本文對一種小型割前脫粒收獲機脫粒滾筒的恒速控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過實驗室試驗獲得了該收獲機額定工作時脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速，為該恒速控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制范圍提供了可靠的參考。通過液壓傳動裝置對收獲機進(jìn)行無級調(diào)速，間接控制喂入量，從而使?jié)L筒轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)使脫離滾筒的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變異系數(shù)從1.27%降到了0.71%，平均轉(zhuǎn)速從737r/min提高到了757r/min，勞動強度系數(shù)從14降到9，提高了脫離滾筒轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，減小了操作者的勞動強度。

為提高收獲機對作物密度的適應(yīng)性，后期還需結(jié)合一些輔助檢測手段，如脫粒滾筒扭矩檢測、直流電動機電流檢測等。對收獲機的作業(yè)負(fù)荷進(jìn)行實時檢測，以便對脫粒滾筒轉(zhuǎn)速變化趨勢進(jìn)行一定預(yù)測，在轉(zhuǎn)速突變前就可以及時調(diào)整收獲機的作業(yè)速度，保證滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國棟,李勇智,張際先，等.聯(lián)合收獲機脫粒滾筒的PID恒速控制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2000(1):48-50.

[2]陳慶文,韓增德,崔俊偉，等.自走式谷物聯(lián)合收割機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2015(1): 109-114.

[3]李君略,俞龍,劉華，等.聯(lián)合收割機檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2005(12): 46-48.

[4]何培祥,蔣猛,李光林，等.一種雙滾筒脫粒裝置：中國，CN102388728A[P].2012-03-28.

[5]何培祥,孔維蓉,蔣猛，等.一種雙滾筒脫粒機構(gòu)上的防谷粒濺落裝置：中國，CN103168572A[P].2013-06-26.

[6]蔣猛,何培祥,李慶東,等.一種微型割前脫粒聯(lián)合收割機：中國，CN102440116A[P].2012-5-9.

[7]王意.車輛與行走機械的靜液壓驅(qū)動[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[8]盧文濤,張東興,鄧志剛.聯(lián)合收獲機脫粒滾筒PID恒負(fù)荷控制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(5):49-55.

[9]陳度,王書茂,康峰，等.聯(lián)合收割機喂入量與收獲過程損失模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011(9):18-21.

[10]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 3869-1997,體力勞動強度分級[S].

[11]Wilson W J, Hulls C W, Bell G S .Relative end-effector control using cartesian position based visual servo [J].IEEE Transaction on Robotics and Automation, 1996,12(5):684-696.

[12]閆蘭娟.聯(lián)合收割機脫粒滾筒轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2007.

[13]夏連慶,梁學(xué)修,偉利國，等.聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機械，2013(7):141-143.

[14]Jetto L, Longhi S, Venturini G. Development and experimental validation of an adaptive extended Kalman filter for the localization of mobile robots [J].IEEE Transaction on Robotics and Automation,1991,15(2):219-229.

[15]李國棟,韓金倉,桑正中.聯(lián)合收獲機脫粒滾筒恒速智能控制器設(shè)計[J].控制工程,2007,14(2):154-156.

[16]秦云,趙德安,李發(fā)忠，等.基于RBF網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合收獲機脫粒滾筒恒速控制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2009(11):59-63.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0210-EA

Study on Double-cylinder’s Constant-speed Control of a Miniature Preceding Reaping Threshing Harvester

Liu Hongbo， He Peixiang， Jiang Meng， Yuan Ying， Kang Jie， Zhao Jin， Zhu Kangxi

(College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract：This paper studies the double-cylinder’s constant speed-control problem of a miniature preceding reaping threshing harvester. Through creating a mathematical model based on traveling speed and the angular speed of the cylinder, in the situation of crop’s density uncontrollable, we can stabilize the angular speed of the cylinder by controlling the traveling speed. We obtain the range of feed rate and the rotational speed of cylinder as the reference value of constant speed control when the harvester at rated operation by the basic test. In the process of working, cylinder’s speed sensor detects the rotational speed of cylinder in the real time, and feeds it back to controller. Controller controls stepper motor to adjust pump output, which affects harvester to decelerate or accelerate, thus stabilizing the angular speed of the cylinder. The test result shows that the control system can both improve the stability of cylinder’s rotating speed and reduce labor intensity.

Key words：harvester; preceding reaping threshing; double-cylinder; constant speed control; stability

中圖分類號：S225;S24

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0210-04

作者簡介：劉宏博(1991-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail)lhb2391111@foxmail.com。通訊作者：何培祥(1965-)，男，四川廣安人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hpx65@yohoo.com。

基金項目：重慶市科委應(yīng)用開發(fā)計劃項目(CSTC2013yykfa80003)；中央高校基本業(yè)務(wù)費專項(XDJK2012B001)

收稿日期：2015-08-14