黃賀東，趙 湛，尹建軍，田春杰

(江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國農作物秸稈資源豐富，每年可生產(chǎn)6 億t多的農作物秸稈。但是,秸稈的利用率較低，大量的秸稈被丟棄或焚燒，造成嚴重的浪費和環(huán)境污染。造成利用率低的主要原因是秸稈比較松散，堆積密度小，收集、運輸都比較困難。實驗研究表明：秸稈經(jīng)過打捆機壓縮成型后平均密度增大10倍，存儲空間減少90%，運輸成本降低70%[1-2]。

圓捆機可以將經(jīng)過切割和晾曬后的稻、麥等農作物秸稈或牧草撿拾后壓成高密度的草捆，是收獲秸稈和牧草的重要機具。按照打捆原理的不同，圓捆機主要分為內纏繞式和外纏繞式兩大類，內纏繞式以長膠帶式為主，外纏繞式以短膠帶式和鋼輥式兩種為主[3]。目前，國內普遍使用適合國情的外纏繞鋼輥式圓捆機，優(yōu)點是卷制的草捆外緊內松，易于通風干燥，不易霉爛[4]，缺點是容易堵塞。

為了解決鋼輥式圓捆機喂料口堵塞問題，國內企業(yè)紛紛采用螺旋喂料刀輥[5-7]，它將撿拾器撿起來的物料預壓縮并強行拋入成型室，促使草捆密度分布均勻，在一定程度上提高了圓捆機的喂入性能。為進一步提高其喂入性能，降低堵塞發(fā)生率，本文對9YGQ-1300鋼輥式圓捆機的喂料裝置進行改進，設計了喂料口開度自動控制裝置，為實現(xiàn)在工作過程中根據(jù)喂料負荷大小反饋控制喂料口開度提供了支持。

1 9YGQ-1300型圓捆機工作過程

9YGQ-1300鋼輥式圓捆機的結構如圖1所示。拖拉機通過懸掛裝置牽引圓捆機前進，并為圓捆機提供液壓動力。拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸、齒輪箱把動力傳給圓捆機主軸，圓捆機主軸通過鏈條分別帶動輥筒、喂料刀輥、纏網(wǎng)機構、絞龍和撿拾器工作。

1.萬向節(jié)傳動軸 2.牽引裝置千斤頂 3.平臺梯子 4.纏網(wǎng)機構 5.潤滑裝置 6.滾筒潤滑嘴 7.輥筒 8.尾門 9.卸草架 10.下顎板 11.撿拾器 12.仿形輪

工作過程中，隨著喂料刀輥喂入的物料增多，成型室內草捆逐漸變大，草捆對尾門的壓力也逐漸增大。當草捆成型后，圓捆機自動完成草捆纏網(wǎng)、割斷網(wǎng)繩。纏網(wǎng)結束后，駕駛員控制拖拉機換向閥來驅動尾門油缸頂開尾門，草捆從卸草架滾落。駕駛員控制換向閥關閉尾門，開始下一個打捆作業(yè)。

2 喂料裝置結構

圓捆機采用螺旋喂料刀輥，如圖2所示。喂料刀輥由34塊星形板并排焊接在空心輥筒上，星形板分為2個或3個1組，延軸線均勻排列，每組星形板排列角度相差24°。定刀安裝于喂料口正上方，用于清除隨星形板旋轉帶出的物料，同時防止喂料刀輥纏草。

圖2 喂料裝置實物圖

如圖3所示：下顎板承接撿拾器撿起的物料，其一端繞固定在機架上的軸轉動；另一端由兩個相同的油缸支撐，且油缸體通過轉動鉸鏈安裝在機架上。當油缸活塞桿伸出移動時，喂料口增大；當油缸活塞桿縮回移動時，喂料口減小。

圖3 喂料裝置結構示意圖

3 喂料口開度控制裝置設計與數(shù)據(jù)采集

3.1 喂料口開度調節(jié)油路設計

油缸是喂料口開度大小調節(jié)的執(zhí)行機構，設計的調節(jié)油路如圖4所示。圖4中，a和b端口需要和拖拉機的液壓系統(tǒng)連接，拖拉機提供的最大工作壓力為18MPa。

1.三位四通電磁換向閥 2.節(jié)流閥一 3.溢流閥 4.油缸一 5.無桿腔油壓傳感器 6.油缸二 7.有桿腔油壓傳感器 8.阻尼 9.蓄能器 10.液控單向閥 11.節(jié)流閥二

拖拉機輸出的高壓油從接口a進入喂料口開度調節(jié)油路，經(jīng)接口b 回油箱。當三位四通電磁換向閥的左線圈得電時，電磁換向閥處于左工作位，高壓油經(jīng)過電磁換向閥的左閥芯、節(jié)流閥一輸入油缸一和油缸二的無桿腔；液控單向閥在高壓作用下 A、B 通道打開，液壓油從油缸一和油缸二的有桿腔經(jīng)過液控單向閥、節(jié)流閥二、電磁換向閥的左閥芯進入拖拉機油箱，油缸一和油缸二的活塞桿作主動伸出運動；電磁換向閥的右線圈得電時，電磁換向閥處于右工作位，高壓油經(jīng)過電磁換向閥的右閥芯、節(jié)流閥二、液控單向閥輸入油缸一和油缸二的有桿腔，左油缸和右油缸的無桿腔內的液壓油經(jīng)過節(jié)流閥一、電磁換向閥的右閥芯進入拖拉機油箱，油缸一和油缸二的活塞桿作主動縮回運動；三位四通電磁換向閥的左、右線圈均不得電時，電磁換向閥處于中位，高壓油直接經(jīng)過電磁換向閥的中間閥芯回油箱，油缸一、油缸二、蓄能器及溢流閥構成封閉油路。由于換向閥存在間隙泄漏現(xiàn)象，在活塞桿承受的重力和物料擠壓力作用下，可能引起油缸活塞桿下滑，利用液控單向閥關閉的嚴密性，可防止油缸活塞桿由泄漏引起的下滑。

溢流閥的進油口和回油口分別連接油缸的有桿腔和無桿腔，設定壓力是25MPa，大于系統(tǒng)工作壓力，主要起到安全保護作用。當油缸的有桿腔內壓力超過 25MPa，P口和T口被連通，油缸有桿腔內的高壓油被卸掉，保護機構的安全。

蓄能器安裝在油缸有桿腔油路上，其預充壓力是13MPa。由于換向閥突然換向，油缸活塞桿瞬間受力較大等原因，會造成油管內的液壓油流動發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生沖擊壓力。蓄能器可以吸收和緩和這種沖擊，保護系統(tǒng)中的儀表、元件和密封裝置，還可以吸收油壓脈動、降低噪音。蓄能器入口處安裝了一個φ1.6 的阻尼孔，作用是減小液壓油壓力的急劇變化對蓄能器內部構件造成直接沖擊，保護蓄能器免受損害。

通過調節(jié)節(jié)流閥一和節(jié)流閥二的通徑大小可以實現(xiàn)對活塞桿伸出和縮回速度的調節(jié)。

3.2 控制裝置硬件設計

3.2.1 單片機的選擇

本系統(tǒng)采用了ST公司基于Cortex-M3內核的 32 位增強型閃存微控制器STM32F103ZET6作為控制核心。Cortex-M3 內核是世界最大的半導體公司之一的意法半導體有限公司專門設計的，能夠滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求[8]。STM32F103ZET6擁有64kB的SRAM、512kB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、3個12位ADC、2個DMA控制器(12個通道)、5個串口、1個USB、1個FSMC接口，以及112個通用IO口等豐富的片上資源，簡化了系統(tǒng)硬件，同時大大降低了系統(tǒng)功耗[9-11]。

3.2.2 控制裝置電路設計

由于單片機的功率不足，不能直接驅動三位四通電磁換向閥工作，需要設計專門的控制電路。

一般帶有線圈的電磁繼電器不能直接和單片機的IO口相連，因為在單片機IO口停止輸出的時候，可能會有反向電動勢從電磁繼電器的線圈向單片機IO口倒灌，輕則干擾單片機正常運行，重則擊穿單片機IO口；而固態(tài)繼電器(SSR)能有效避免損壞單片機的IO口[12]。

圖5為控制裝置電路，使用STM32單片機的PB5和PE5兩個IO口分別控制三位四通電磁換向閥的左工作位和右工作位線圈內電流的通斷。固態(tài)繼電器1的輸入端“+”連接高電平VDD3.3V，“-”連接PB5，輸出端“+”連接電源24V正極，“-”連接電磁換向閥的左工作位的線圈，輸出端構成封閉回路，固態(tài)繼電器1是一個被控的開關。PE5通過固態(tài)繼電器2控制電磁換向閥的右線圈內電流的通斷，和PB5的接線方法相同。在PB5和PE5的出口處各并聯(lián)一個發(fā)光二極管LED0和LED1，兩個發(fā)光二極管分別經(jīng)過一個上拉電阻(R1=R2=510Ω)后與高電平VDD3.3V相連，用于指示電磁換向閥的工作位的工作狀態(tài)。在PB5和PE5的出口處分別并聯(lián)一個帶自復位的按鈕1和2，開關的另一端接GND，用于PB5和PE5強制置0，實現(xiàn)電磁換向閥的手動控制。

圖5 控制裝置電路設計

3.3 傳感器的選擇與安裝

1)采用型號為ZSP3806GC的光電編碼器測量喂料刀輥的轉速。把編碼器轉軸與喂料刀輥軸通過聯(lián)軸器連接，喂料刀輥旋轉時帶動編碼器的轉軸轉動。編碼器的轉軸旋轉時會連續(xù)不斷地輸出脈沖信號，由于喂料刀輥的最大轉速為140r/min，為保證測量精度選用2 000P/r的編碼器。脈沖信號輸入單片機的PC6端口，接線方式如圖6所示。

圖6 傳感器接線圖

2)選用米朗KPC-100mm位移傳感器。位移傳感器和油缸平行安裝，測量桿隨油缸活塞桿移動，用于測量油缸活塞桿的伸出長度。油缸活塞桿的行程為90mm，因此選用的位移傳感器的量程為100mm。用單片機開發(fā)板上的3.3V電源給位移傳感器供電，其輸出信號范圍的是0～3.3V，接到單片機ADC的PA1引腳，如圖6所示。

3)通過油缸的有桿腔和無桿腔的壓力計算得到活塞桿的受力大小，計算公式為

式中F1—在無桿腔產(chǎn)生的力(推力)(N)；

F2—在有桿腔產(chǎn)生的力(拉力)(N)；

P1—無桿腔的壓力(Pa)；

P2—有桿腔的壓力(Pa)；

1.布置課后任務。教師布置課后任務，提醒學生繼續(xù)通過“雨課堂”完成相關任務，并向學生推送其它相關拓展資源的學習平臺，為本課程后續(xù)學習做好準備。設計意圖是通過“雨課堂”推送作業(yè)，預習PPT等學習資料直達學生手機APP端口，實現(xiàn)無紙化課堂，既節(jié)能環(huán)保，又方便快捷。

D—油缸內徑(m)，D=0.04；

d—活塞桿直徑(m)，d=0.025。

選用兩個相同MIK-P300型油壓傳感器安裝在油缸的無桿腔和有桿腔油路上，如圖4所示。油壓傳感器輸出信號為0～3.3V，量程范圍是0～25MPa。該傳感器需要外部電源供電，兩個油壓傳感器的正極接在24V直流電源的正極，COM端接電源的負極并和單片機的COM端連通，有桿腔油壓傳感器和無桿腔油壓傳感器的輸出信號線分別和單片機ADC的PA4和PA5引腳連接，如圖6所示。

3.4 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序主要實現(xiàn)單片機對傳感器信號的采集和運算，并控制輔助電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和通信。

ST公司為了方便用戶開發(fā)程序，提供了一套豐富的STM32固件庫，只需對STM32F103ZET6微控制器的外設進行簡單的初始化配置就可以使用。初始化配置主要包括對時鐘、串口、中斷、定時器、I/O端口、LCD、ADC等的配置。

3.4.1 喂料刀輥轉速采集程序設計

轉速采集程序的步驟：①開啟TIM3時鐘和GPIOC的時鐘，配置PC6為下拉輸入；②初始化TIM3，設置TIM3的自動裝載值ARR和預分頻值PSC；③設置輸入、濾波、分頻以及捕獲方式等，開啟輸入捕獲；④使能捕獲和更新中斷；⑤設置中斷分組，編寫中斷服務函數(shù)；⑥使能定時器，開始輸入捕獲。

在中斷函數(shù)里面完成捕獲計數(shù)和數(shù)據(jù)計算等關鍵操作：TIM3累計脈沖個數(shù)，同時每隔一個采樣周期發(fā)生定時中斷，輸出捕獲到的脈沖個數(shù)，并使計數(shù)器清零，開始下一個脈沖信號的捕獲。由每個采樣周期所捕獲的脈沖個數(shù)計算得到喂料刀輥軸的轉速，計算公式為

式中n—喂料刀輥轉速(r/min)；

N—一個采樣周期內接收的脈沖個數(shù)；

T—采樣周期(s)。

3.4.2 模擬信號采集程序設計

對模擬信號的采集包括對兩個油壓傳感器輸出信號和位移傳感器輸出信號的采集。配置ADC的掃描模式為連續(xù)掃描，ADC的時鐘為12MHz。在每次AD轉換結束后，DMA循環(huán)把轉換后的數(shù)據(jù)傳到內存中。在TIM3發(fā)生定時中斷時，主函數(shù)調用內存中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后在液晶顯示屏上顯示，同時通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端儲存。

4 試驗

在平地上鋪放草條，進行場地撿拾試驗以檢驗喂料口開度自動控制裝置的工作效果，如圖7所示。

圖7 場地撿拾喂料試驗

4.1 油缸運動試驗

程序初始化后，設置PB5=PE5=1。

1)手動控制油缸動作。按下按鈕1(PB5)，LED0亮，油缸一和油缸二的活塞桿作主動伸出運動，松開按鈕1(PB5)，LED0滅，活塞桿停止運動；按下按鈕2(PE5)，LED1亮，油缸一和油缸二的活塞桿作主動縮回運動，松開按鈕2(PE5)，LED1滅，活塞桿停止運動。

2)程序控制油缸動作。用程序對單片機的I/O口的高低電平強制轉換：

(1)PB5置0、PE5置1。LED0亮，LED1滅，油缸一和油缸二的活塞桿作主動伸出運動。

(2)PB5置1、PE5置0。LED1亮，LED0滅，油缸一和油缸二的活塞桿作主動縮回運動。

(3)PB5置1、PE5置1。LED0滅，LED1滅，活塞桿停止運動。

4.2 數(shù)據(jù)采集試驗

數(shù)據(jù)采集程序下載完成后打開PC機上的串口調試助手，設置波特率為115 200，從單片機傳輸?shù)絇C端的數(shù)據(jù)如圖8所示。四列數(shù)據(jù)從左到右分別為：喂料刀輥轉速、活塞桿伸出長度、有桿腔油壓及無桿腔油壓，后三列數(shù)據(jù)是傳感器信號經(jīng)過AD轉換后的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過計算得到其相應的實際值。圖9為液晶顯示屏顯示喂料刀輥轉速，活塞桿伸出長度和活塞桿所受拉力大小，與實際大小相符合。

圖8 PC端接收數(shù)據(jù)

圖9 數(shù)據(jù)顯示

經(jīng)過調試，液壓系統(tǒng)能在單片機的控制下，油缸活塞桿主動伸出和縮回，油缸活塞桿的運動速度可以通過節(jié)流閥一和節(jié)流閥二進行調節(jié)，其速度變化范圍是0～41.3mm/s。單片機能夠實現(xiàn)以50Hz的采樣頻率采集各傳感器的輸出信號，經(jīng)過AD轉換后，通過USB連接線傳輸給PC端的串口調試助手，在PC上存儲；同時，單片機對經(jīng)過AD轉換后的傳感器輸出信號進行計算得到喂料刀輥轉速、油缸活塞桿所受拉力和油缸活塞桿的伸出長度，并通過液晶顯示屏顯示。

5 結論

喂料口開度自動控制裝置的設計是在9YGQ-1300鋼輥式圓捆機的喂料裝置的基礎上設計的，經(jīng)過調試，該裝置能夠實現(xiàn)油缸的自動和手動控制，油缸活塞桿的運動速度可在 0～41.3mm/s 的范圍內調節(jié)，滿足控制要求。單片機能夠實現(xiàn)以50Hz的采樣頻率采集各傳感器的輸出信號，并能對數(shù)據(jù)進行顯示和儲存。該研究為實現(xiàn)在圓捆機工作過程中根據(jù)喂料負荷大小反饋控制喂料口開度提供支持。