尹建軍 王新新 高 強(qiáng)

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013)

打結(jié)器連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)方法與疲勞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

尹建軍 王新新 高 強(qiáng)

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)國(guó)內(nèi)缺乏打結(jié)器連續(xù)打結(jié)的性能測(cè)試與疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬方捆機(jī)捆草作業(yè)過(guò)程，提出了一種打結(jié)器連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)方法與疲勞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)設(shè)計(jì)可模擬草捆回彈特性的拉繩裝置使其在水平面按矩形軌跡拉繩，在繩針?biāo)屠K動(dòng)作配合下在垂直面形成矩形繩環(huán)，使受測(cè)試的打結(jié)器完成打結(jié)。試驗(yàn)臺(tái)循環(huán)實(shí)現(xiàn)拉繩-送繩-打結(jié)動(dòng)作，同時(shí)測(cè)試打結(jié)過(guò)程中的捆繩張力、主軸轉(zhuǎn)矩和主軸轉(zhuǎn)角。按此方案在Solidworks下建立了試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)三維模型，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型。構(gòu)建了試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，基于拉繩-送繩-打結(jié)動(dòng)作邏輯設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)控制流程，采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)了測(cè)試與控制程序。打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠，連續(xù)打結(jié)效率為3個(gè)/min，可為打結(jié)器研發(fā)及短時(shí)疲勞壽命考核提供試驗(yàn)平臺(tái)。

打捆機(jī)； 打結(jié)器； 試驗(yàn)臺(tái)； 控制； 疲勞試驗(yàn)

引言

打結(jié)器成結(jié)率與可靠性是評(píng)價(jià)打結(jié)器性能的重要指標(biāo)，尤其是研發(fā)或量產(chǎn)打結(jié)器時(shí)特別需要連續(xù)測(cè)試打結(jié)器成結(jié)率與可靠性的設(shè)備。當(dāng)前對(duì)打結(jié)器的研究主要集中在：D型打結(jié)器的成結(jié)動(dòng)作過(guò)程仿真與解析[1-5]、打結(jié)器支架等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)逆向重建[6-7]、打結(jié)器空間參數(shù)分析[8-9]、打結(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析[10-15]、打結(jié)器參數(shù)優(yōu)化與新型打結(jié)器研發(fā)[16-18]。對(duì)打結(jié)器試驗(yàn)系統(tǒng)研究較少，已開(kāi)發(fā)的打結(jié)器試驗(yàn)系統(tǒng)[19]僅能在人工輔助下打結(jié)，可通過(guò)研究打結(jié)器動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行打結(jié)原理驗(yàn)證，但不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)，且測(cè)量參數(shù)少，難以滿足在實(shí)驗(yàn)室模擬方捆機(jī)上萬(wàn)次捆扎草捆進(jìn)行連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)研究的功能要求。

本文針對(duì)研發(fā)或量產(chǎn)打結(jié)器過(guò)程中缺乏試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行打結(jié)器連續(xù)測(cè)試的問(wèn)題，提出一種打結(jié)器連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)方法，據(jù)此設(shè)計(jì)一種能模擬方捆機(jī)捆扎草捆的打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)，可開(kāi)展打結(jié)器打結(jié)原理驗(yàn)證、打結(jié)動(dòng)作時(shí)序測(cè)試、成結(jié)率檢測(cè)與短時(shí)連續(xù)疲勞試驗(yàn)，為打結(jié)器性能測(cè)試與核心技術(shù)自主化提供試驗(yàn)裝置。

1 連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)方法

方捆機(jī)捆扎草捆之前，繩針先將第一股捆繩送至打結(jié)器的夾繩器夾緊，之后物料通過(guò)撿拾機(jī)構(gòu)輸送至壓捆室，在壓捆室活塞的作用下，物料擠壓第一股捆繩，并沿著成捆室出口移動(dòng)，捆繩逐漸張緊并從繩卷拉出逐漸包絡(luò)草捆，如圖1a所示。

圖1 方草捆形成過(guò)程示意圖Fig.1 Sketch of forming square type of straw bale1.活塞 2.壓捆室 3.夾繩器 4.草捆 5.繩針 6.捆繩 7.送繩桿

當(dāng)草捆達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，草捆長(zhǎng)度控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，打結(jié)主軸傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)送繩機(jī)構(gòu)的繩針將第二股捆繩送至打結(jié)器的夾繩器處，打結(jié)器依序完成夾繩-繞扣-鉗咬-割繩-脫扣動(dòng)作，形成“φ”狀繩結(jié)，如圖1b所示。

當(dāng)繩針回落到初始位置時(shí)，第二股捆繩被夾繩器夾持，繼續(xù)被壓縮草片擠壓，第二股捆繩搭接在打結(jié)嘴上，變?yōu)榈谝还衫K，為下一個(gè)草捆自動(dòng)捆扎做準(zhǔn)備，如圖1c所示。

由于試驗(yàn)臺(tái)不設(shè)計(jì)物料喂入，根據(jù)上述方捆機(jī)連續(xù)捆草的工作循環(huán)特點(diǎn)，需要模擬草捆擠壓捆繩的縱向移動(dòng)。為了打結(jié)能夠循環(huán)進(jìn)行，在下一次打結(jié)之前，需要模擬草捆橫向移動(dòng)以避開(kāi)處于初始位置的捆繩。為此，模擬草捆設(shè)計(jì)為一個(gè)拉繩裝置，其運(yùn)動(dòng)軌跡在水平面內(nèi)為矩形，完成上述所需的橫、縱兩個(gè)方向的移動(dòng)，如圖2a所示。拉繩裝置采用3個(gè)滾輪來(lái)模擬草捆對(duì)捆繩的支撐作用，在繩針?biāo)屠K動(dòng)作配合下在垂直面形成矩形繩環(huán)，如圖2b所示。

圖2 打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)拉繩運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)Fig.2 Rope-pulling motion design of knotter fatigue test bench

考慮到草捆被壓縮后具有回彈特性，拉繩裝置的3個(gè)滾輪不應(yīng)設(shè)計(jì)為剛性結(jié)構(gòu)，左側(cè)單個(gè)滾輪固定在拉繩裝置上，右側(cè)兩個(gè)滾輪采用導(dǎo)軌滑塊、拉簧和限位塊組成可伸縮運(yùn)動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)，使左側(cè)單個(gè)滾輪與右側(cè)兩個(gè)滾輪之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，用來(lái)模擬打結(jié)時(shí)草捆的回彈特性，如圖3所示。

圖3 模擬草捆回彈特性的拉繩裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale1.導(dǎo)軌 2.后部滾輪 3.滑塊 4.拉簧 5.橫梁

通過(guò)設(shè)計(jì)可模擬草捆回彈特性的拉繩裝置使其在水平面按矩形軌跡拉繩，模擬圖1a所示的草捆擠壓捆繩過(guò)程。在繩針?biāo)屠K動(dòng)作配合下在垂直面形成矩形繩環(huán)，使受測(cè)試的打結(jié)器完成打結(jié)，完成圖1b與圖1c所示的捆扎動(dòng)作。試驗(yàn)臺(tái)可循環(huán)實(shí)現(xiàn)拉繩-送繩-打結(jié)動(dòng)作，達(dá)到可連續(xù)打結(jié)的試驗(yàn)要求。

2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述打結(jié)器連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)，打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)主要包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、十字滑臺(tái)、模擬草捆回彈特性的拉繩裝置、捆繩預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置和送繩機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。

圖4 打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Structure composition of knotter fatigue test bench1.控制柜 2.控制按鈕 3.行程開(kāi)關(guān) 4.拉力傳感器 5.模擬草捆回彈特性的拉繩裝置 6.十字滑臺(tái)裝置 7.送繩機(jī)構(gòu) 8.捆繩預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置 9.繩卷 10.扭矩傳感器 11.打結(jié)器 12.編碼器 13.鏈傳動(dòng)裝置 14.電磁離合器 15.錐齒輪 16.變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī) 17.顯示器

試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與主軸傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)(永坤WCM28-1500-20S型)通過(guò)一對(duì)錐齒輪將動(dòng)力傳至電磁離合器(仟岱CDB010AA型)，電磁離合器再將動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在打結(jié)器軸系上的扭矩傳感器與編碼器分別獲取打結(jié)器動(dòng)作時(shí)的扭矩與打結(jié)主軸轉(zhuǎn)角，為控制電磁離合器通斷提供判斷信號(hào)。

圖5 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與主軸傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.5 Power drive and transmission system of main shaft1.編碼器 2、4、6.軸承座 3.打結(jié)器 5.扭矩傳感器 7.送繩曲柄 8.電磁離合器 9.變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī) 10.錐齒輪

模擬草捆回彈特性的拉繩裝置如圖6所示，拉繩滾輪1和拉繩滾輪2固定在滑塊上，一端固定在橫梁上的拉簧與滑塊連接，使右側(cè)兩個(gè)滾輪沿固結(jié)在橫梁上的導(dǎo)軌縱向移動(dòng)，左側(cè)單個(gè)滾輪與橫梁固定。拉繩時(shí)拉繩裝置從左向右移動(dòng)，滾輪組被壓縮，拉簧伸長(zhǎng)，繩圈后移，模擬捆繩被草捆擠壓的過(guò)程。打結(jié)開(kāi)始時(shí)繩針將捆繩送至打結(jié)器的夾繩器處，滾輪組繼續(xù)被壓縮。打結(jié)器繞扣時(shí)滾輪組再次被壓縮，打結(jié)器脫扣時(shí)滾輪組被放松回至原位，模擬了被壓縮的草捆捆扎過(guò)程的回彈特性。拉繩裝置中設(shè)置拉力傳感器，與右側(cè)下方的拉繩滾輪2連接，用來(lái)采集拉繩與打結(jié)過(guò)程中的捆繩拉力。

圖6 模擬草捆回彈特性的拉繩裝置Fig.6 Rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale1.捆繩 2.直線滑軌 3.滾輪支撐板 4.拉繩滑塊 5.拉繩滾輪1 6.拉簧 7.橫向絲杠螺母 8.橫向運(yùn)動(dòng)滑塊 9.橫向運(yùn)動(dòng)板 10.拉繩滾輪2 11.壓力傳感器 12.拉繩橫梁 13.拉繩滾輪3

十字滑臺(tái)如圖7所示，由橫向和縱向布置的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(億星110J18135EC-1000型)驅(qū)動(dòng)的絲桿、螺母、直線導(dǎo)軌與滑塊組成，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器直連?？v向運(yùn)動(dòng)板固結(jié)滑塊和螺母，在縱向絲杠與螺母形成的螺旋副驅(qū)動(dòng)下縱向運(yùn)動(dòng)板沿固結(jié)在機(jī)架上的縱向直線導(dǎo)軌移動(dòng)。橫向布置的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋傳動(dòng)，與直線導(dǎo)軌滑塊均布置在縱向運(yùn)動(dòng)板上，橫向運(yùn)動(dòng)板固結(jié)滑塊和螺母，在橫向絲杠與螺母形成的螺旋副驅(qū)動(dòng)下橫向運(yùn)動(dòng)板沿固結(jié)在縱向運(yùn)動(dòng)板的橫向直線導(dǎo)軌移動(dòng)。模擬草捆回彈特性的拉繩裝置通過(guò)橫梁固定在橫向運(yùn)動(dòng)板上。這樣，拉繩裝置可按圖2a所示的矩形軌跡運(yùn)動(dòng)。為了補(bǔ)償絲杠傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)誤差，并感知運(yùn)動(dòng)板移動(dòng)極限位置，在橫向和縱向的正反方向設(shè)置4個(gè)行程開(kāi)關(guān)，為控制十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)提供限位信號(hào)。

圖7 十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Structure composition of cross sliding table1.縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2.縱向絲杠 3.縱向直線滑軌 4.橫向直線滑軌 5.縱向運(yùn)動(dòng)板 6.橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 7.行程開(kāi)關(guān)1 8.橫向運(yùn)動(dòng)板 9.行程開(kāi)關(guān)2 10.行程開(kāi)關(guān)3 11.橫向絲杠12.模擬草捆回彈特性的拉繩裝置 13.行程開(kāi)關(guān)4

3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試與控制系統(tǒng)組成

如圖8所示，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試與控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)(研華IPC-610L型)、4軸通用步進(jìn)脈沖伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡(研華PCI-1245L型)、數(shù)據(jù)采集卡(研華PCI-1710U型)、驅(qū)動(dòng)器(億星3HSS2208H型)、絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器(歐姆龍E6C3-AG5C 1024P/R型)、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器(金諾JN-DN200型，量程200 N·m)、壓力傳感器(隆順NJLS-1型，量程50 kg)、行程開(kāi)關(guān)(歐姆龍WLD-Q型)、繼電器和按鈕組成。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試與控制系統(tǒng)組成Fig.8 Composition of measurement and control system of test bench

為參數(shù)采集、存儲(chǔ)與界面顯示以及控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)采用研華工控機(jī)拓展4軸運(yùn)動(dòng)控制卡連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服器，控制十字滑臺(tái)中橫向和縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。采用研華數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集按鈕、行程開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、壓力傳感器、扭矩傳感器的電壓信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口控制繼電器線圈吸合與斷開(kāi)，從而控制電磁離合器的通斷。

3.2基于拉繩-送繩-打結(jié)動(dòng)作邏輯的試驗(yàn)臺(tái)控制流程設(shè)計(jì)

按照連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)方法提出的拉繩-送繩-打結(jié)的循環(huán)工作過(guò)程[20]，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)后，首先判斷十字滑臺(tái)是否在基準(zhǔn)位置，若不在預(yù)設(shè)初始位置，則工控機(jī)的測(cè)試與控制程序發(fā)出指令給伺服器使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)十字滑臺(tái)裝置回到起點(diǎn)位置，即起點(diǎn)位置側(cè)的兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)均有接觸信號(hào)。然后，十字滑臺(tái)按矩形軌跡移動(dòng)，依次采集行程開(kāi)關(guān)判斷橫向、縱向運(yùn)動(dòng)板是否到達(dá)極限位置，同時(shí)通過(guò)拉力傳感器獲取捆繩拉力大小，判斷是否成功拉繩。拉繩成功后，控制程序發(fā)出指令給繼電器使電磁離合器接合，調(diào)速電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給打結(jié)主軸軸系，驅(qū)動(dòng)送繩機(jī)構(gòu)送繩到打結(jié)器，受測(cè)打結(jié)器完成打結(jié)，同時(shí)扭矩傳感器采集主軸扭矩、編碼器采集主軸轉(zhuǎn)角，并判斷打結(jié)是否成功。打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制流程如圖9所示，測(cè)試與控制程序采用LabVIEW提供的圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)?？紤]到試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試需要，設(shè)計(jì)了手動(dòng)與電動(dòng)切換旋鈕，當(dāng)旋鈕置于手動(dòng)擋位時(shí)，程序響應(yīng)“前、后、左、右”4個(gè)瞬動(dòng)型按鈕的通斷信號(hào)，使十字滑臺(tái)移動(dòng)。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：按照十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的先后順序分為橫向運(yùn)動(dòng)板負(fù)向移動(dòng)、縱向運(yùn)動(dòng)板負(fù)向移動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)板正向移動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)板正向移動(dòng)(以遠(yuǎn)離步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方向?yàn)樨?fù)，靠近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向?yàn)檎?。為了精確定位十字滑臺(tái)的停止位置，并縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用加速—?jiǎng)蛩佟獪p速運(yùn)動(dòng)模式。運(yùn)動(dòng)板觸碰行程開(kāi)關(guān)之后步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，表示完成該方向的運(yùn)動(dòng)。

由于電磁離合器線圈吸合有時(shí)間延遲，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定電磁離合器的線圈吸合延遲時(shí)間為0.15 s，打結(jié)器主軸需要準(zhǔn)確地停止在初始位置，則需要對(duì)電磁離合器斷開(kāi)制動(dòng)的判斷角度進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及鏈輪傳動(dòng)比計(jì)算得到主軸角速度，其表達(dá)式為

(1)

式中z1——主動(dòng)鏈輪齒數(shù)

z2——從動(dòng)鏈輪齒數(shù)

n1——變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

ω——打結(jié)器主軸角速度

圖9 打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制流程圖Fig.9 Control flow chart of knotter fatigue test bench

將n1=71 r/min、z1=13、z2=19代入式(1)，得出ω=291.47(°)/s，則需要補(bǔ)償?shù)慕嵌葹?/p>

θ=0.15×291.47=43.72°

即電磁離合器在主軸轉(zhuǎn)角達(dá)到316.28°時(shí)控制程序發(fā)出電磁離合器斷開(kāi)制動(dòng)指令。

十字滑臺(tái)完成拉繩動(dòng)作后，控制系統(tǒng)判斷主軸旋轉(zhuǎn)角度是否小于100°，若小于100°則繼續(xù)采集主軸轉(zhuǎn)角，再判斷主軸旋轉(zhuǎn)角度是否大于等于316.28°，若大于等于該角度則控制電磁離合器閉合，完成打結(jié)動(dòng)作。若打結(jié)器正常脫扣，此時(shí)拉力傳感器拉力理論上為零，出于安全考慮，設(shè)置控制系統(tǒng)拉力判斷條件為10 N，檢測(cè)打結(jié)器是否打結(jié)成功。在打結(jié)完成以后，若捆繩拉力大于10 N，表明打結(jié)器脫扣不成功，捆繩纏繞在打結(jié)嘴上，此時(shí)控制系統(tǒng)報(bào)警且停止程序；若捆繩拉力小于10 N則循環(huán)運(yùn)行程序，進(jìn)入下一個(gè)打結(jié)循環(huán)。

4 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺(tái)功能測(cè)試

通過(guò)外購(gòu)件采購(gòu)、自制零件加工和測(cè)控程序調(diào)試，安裝完畢的試驗(yàn)臺(tái)如圖10所示。

圖10 打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Knotter fatigue test bench

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)功能和性能指標(biāo)，采用德國(guó)Rasspe公司的D型打結(jié)器作為受測(cè)打結(jié)器，安裝在試驗(yàn)臺(tái)主軸軸系上。試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程如圖11所示。

圖11 打結(jié)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程Fig.11 Running processes of knotter fatigue test bench

圖12 打結(jié)主軸扭矩和捆繩拉力波形圖Fig.12 Torque oscillogram of main shaft of knotter and tension force oscillogram of rope

打結(jié)試驗(yàn)采集到的捆繩拉力和主軸扭矩變化曲線如圖12所示，打結(jié)主軸扭矩和捆繩拉力的變化趨勢(shì)同步，表明打結(jié)主軸扭矩與捆繩施加給打結(jié)嘴的負(fù)載呈正相關(guān)。捆繩預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置對(duì)捆繩的夾緊程度影響送繩階段的捆繩拉力，在打結(jié)階段打結(jié)嘴的載荷主要由拉繩裝置的拉簧剛度決定。根據(jù)測(cè)得的打結(jié)主軸扭矩和捆繩拉力，可以為打結(jié)器成結(jié)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析提供驅(qū)動(dòng)力矩和打結(jié)載荷，借助ADAMS軟件可對(duì)錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)、繞扣機(jī)構(gòu)、脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，從而為打結(jié)嘴等關(guān)鍵零件的疲勞強(qiáng)度分析提供計(jì)算依據(jù)。

試驗(yàn)中測(cè)得十字滑臺(tái)的縱向滑塊單程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4.5 s，橫向滑塊單程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為3.5 s，模擬草捆運(yùn)動(dòng)過(guò)程總時(shí)間為16 s，電磁離合器開(kāi)閉時(shí)間和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為2 s，合計(jì)完成一個(gè)打結(jié)循環(huán)所用時(shí)間為18 s。據(jù)此，該試驗(yàn)臺(tái)打結(jié)效率達(dá)到3個(gè)/min，十字滑臺(tái)最大移動(dòng)速度為0.125 m/s，打結(jié)器主軸停止角度精度360°±3°。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行600次重復(fù)打結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)打結(jié)成功，未有不打結(jié)或打結(jié)器主軸多次轉(zhuǎn)動(dòng)的情況出現(xiàn)，表明試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，滿足連續(xù)打結(jié)的疲勞測(cè)試要求。

4.2 打結(jié)器時(shí)序測(cè)試

利用試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量打結(jié)主軸轉(zhuǎn)角的功能，對(duì)德國(guó)Rasspe公司D型打結(jié)器動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，為打結(jié)器研發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。

利用試驗(yàn)臺(tái)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄驅(qū)動(dòng)打結(jié)主軸軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄打結(jié)器從夾繩開(kāi)始、送繩到最高點(diǎn)、繞扣開(kāi)始、繞扣90°、繞扣180°、鉗咬開(kāi)始、鉗咬開(kāi)口最大角度、鉗咬完成、夾繩結(jié)束、割繩脫扣結(jié)束等關(guān)鍵動(dòng)作的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如圖13所示，分圖題中括號(hào)內(nèi)角度值表示打結(jié)器主軸轉(zhuǎn)角。據(jù)此繪制的D型打結(jié)器動(dòng)作時(shí)序圖如圖14所示。

4.3 雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器疲勞試驗(yàn)

如圖15所示，將課題組研發(fā)的雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器[16-17]安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行連續(xù)打結(jié)試驗(yàn)，檢驗(yàn)雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器的成結(jié)率和零件疲勞壽命[21]。通過(guò)捆繩預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置調(diào)整捆繩拉力大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器的打結(jié)嘴加載。試驗(yàn)過(guò)程中，捆繩拉力在120～200 N之間。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)捆繩拉力超過(guò)200 N，試驗(yàn)臺(tái)停止工作，導(dǎo)致打結(jié)中斷，原因?yàn)槔K預(yù)緊力過(guò)大，送繩時(shí)打結(jié)主軸扭矩過(guò)大，超過(guò)電磁離合器傳遞扭矩，此時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)電磁離合器，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。10 000次的打結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器成結(jié)可靠，成結(jié)率100%，試驗(yàn)臺(tái)整體運(yùn)行良好，測(cè)控程序工作可靠，機(jī)械系統(tǒng)未有損壞。

后期課題組將持續(xù)對(duì)雙齒盤(pán)打結(jié)器開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，檢測(cè)打結(jié)器是否滿足打結(jié)器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的60 000次無(wú)故障要求。

圖13 D型打結(jié)器時(shí)序試驗(yàn)Fig.13 Timing sequence test of D-knotter

圖14 D型打結(jié)器時(shí)序圖Fig.14 Timing sequence chart of D-knotter

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了實(shí)驗(yàn)室條件下能夠模擬方捆機(jī)田間作業(yè)的打結(jié)器連續(xù)試驗(yàn)方法與疲勞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，可模擬草捆回彈特性，捆繩施加給打結(jié)嘴的載荷可調(diào)可測(cè)，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行試驗(yàn)表明，試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，基于拉繩-送繩-打結(jié)動(dòng)作邏輯的試驗(yàn)臺(tái)控制流程設(shè)計(jì)正確，連續(xù)打結(jié)效率為3個(gè)/min，可為打結(jié)器研發(fā)及短時(shí)疲勞壽命考核提供試驗(yàn)平臺(tái)。

圖15 雙齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)打結(jié)器疲勞試驗(yàn)Fig.15 Fatigue tests of knotter driven by double gear-discs

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ContinuousKnot-tyingTestMethodofKnotterandKnotterFatigueTestBenchDesign

YIN Jianjun WANG Xinxin GAO Qiang

(KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In view of lack of continuous knot-tying performance test and fatigue test system of knotter in China, a kind of continuous knot-tying test method of knotter and design scheme of knotter fatigue test bench were proposed to simulate straw-bundling processes of square baler.By designing a rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale, the device moved on horizontal plane to pull rope according to rectangle path, and a rectangle rope ring was formed on vertical plane in cooperation with rope-sending motion of rope needle, and the tested knotter finished knot-tying.The test bench realized rope-pulling, rope-sending and knot-tying motion circularly, and tension force of the rope, torque and rotation angle of the main shaft can be measured at the same time.3D model of mechanical system of the test bench was established under the software of Solidworks according to the proposed scheme, and type selection of its key parts was done.Parameters measurement and motion control system of the test bench was built up, and control flow of the test bench was designed on the basis of the logic among rope-pulling, rope-sending and knot-tying motion.Graphical programming language of LabVIEW was used to program the measurement and control program of the test bench.The running test results of knotter fatigue test bench showed that the mechanical system, measurement and control system of the test bench worked reliably, and continuous knot-tying efficiency of the test bench reached three knots per minute.The test bench may provide a test platform for knotter development and short-term fatigue life evaluation of knotter.

baler； knotter； test bench； control； fatigue test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.010

S225.2+2； TP391.9

A

1000-1298(2017)10-0084-08

2017-02-07

2017-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375215)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701700)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2014]37號(hào))

尹建軍(1973—)，男，研究員，博士，主要從事收獲機(jī)械集成設(shè)計(jì)與農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究，E-mail：yinjianjun@ujs.edu.cn