張東明，衣淑娟，陶桂香，毛 欣

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

現(xiàn)代人們不斷追求科學(xué)健康的飲食習(xí)慣，對小米的需求量迅速增加，谷子種植面積開始呈上升趨勢。目前，谷子生產(chǎn)水平落后于大宗作物，機械化水平較低，雖然北方、山西等地區(qū)使用脫粒機對谷子進行收獲，但是現(xiàn)有的脫粒裝置大多由其他種類脫粒機改造而成，存在脫粒間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒元件形式及凹板篩柵格尺寸參數(shù)對谷子果穗形態(tài)結(jié)構(gòu)、各部之間連接力和籽粒粒徑的不適應(yīng)問題[1-4]。所以，要提高谷子等作物收獲水平，研制與其配套的農(nóng)機具，提高其生產(chǎn)機械化水平是必要的。

收獲過程中所用的脫粒裝置形式大體分為切流式脫分裝置和軸流式脫分裝置，試驗臺結(jié)構(gòu)選用前段脫粒、后段旋轉(zhuǎn)分離的軸流式脫分裝置[5-7]。脫粒裝置是收獲過程的核心部分，但由于作物性狀復(fù)雜，脫粒裝置的脫粒分離性能是不可能穩(wěn)定地適應(yīng)全程作業(yè)，所以具有較先進的配置、更多的調(diào)整功能且方便調(diào)整的脫粒裝置才能有更好的適應(yīng)性，進而降低含雜率、斷穗率、總損失率，還能降低滾筒工作功耗，節(jié)約能源[8-9]。谷子軸流脫分試驗臺針對目前谷子收獲現(xiàn)狀進行設(shè)計，鑒于試驗臺室內(nèi)試驗相比于田間試驗在參數(shù)調(diào)控及數(shù)據(jù)采集方面擁有顯著優(yōu)勢，研制了軸流脫粒與分離試驗臺，以實現(xiàn)多參數(shù)的試驗研究，為傳統(tǒng)機型的改造和新機型的研制提供依據(jù)。

1 總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

試驗臺工作部分采用軸流式脫分裝置，在傳統(tǒng)脫分裝置功能基礎(chǔ)上，配有工作及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。試驗臺主要由傳送皮帶、喂入過橋、桿齒式軸流脫分滾筒、柵格凹板及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

將谷子作物均勻放置在傳送皮帶上，通過調(diào)速輸送帶秤及DA-25型差動變壓器式直線位移傳感器采集喂入量信息后，作物經(jīng)過橋進入脫分裝置，再利用YB-2型應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對滾筒轉(zhuǎn)速、承受扭矩進行采集；采集的數(shù)據(jù)通過MCGS組態(tài)軟件儲存數(shù)據(jù)并生成實時曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線，軟件還可通過“OPC”“ODBC”“DDE”“ActiveX”等方式與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)，以便試驗數(shù)據(jù)的分析、處理。試驗臺配有電氣控制柜，通過RS-485局域網(wǎng)實現(xiàn)對下位SIMENSMDV45及SIMENSMDV4型變頻器的變頻參數(shù)采集、啟?？刂坪娃D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，利用其恒轉(zhuǎn)矩的特性實現(xiàn)平滑改變電機轉(zhuǎn)速；電磁離合器減少了頻繁啟動、停止對電機的損害，制動器可以使試驗設(shè)備瞬時停車。

1.2 主要參數(shù)

整個試驗臺工作部分占地總長20m、寬1.2m、高1.8m，主要技術(shù)參數(shù)值如表1所示。

1.傳送皮帶 2.重量傳感器 3.喂入過橋 4.桿齒式軸流滾筒 5.柵格凹板 6.接料車 7.速度、扭矩傳感器 8.電機 9.溫濕度傳感器 10.電氣控制柜 11.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1 谷子軸流脫粒試驗臺總體示意圖Fig.1 Millet threshing test stand overall diagram

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters

2 關(guān)鍵參數(shù)確定

試驗臺作業(yè)工作部件包括軸流脫粒與分離滾筒、柵格凹板、喂入過橋及輸送臺等。

2.1 軸流脫粒與分離滾筒

脫分裝置采用軸流式脫粒滾筒，呈開式，由于脫分裝置較長，采用了梳刷作物能力強的桿齒作為脫粒元件，螺旋排列，谷物在滾筒的前部分在桿齒作用下進行脫粒，緊接著在后面部分實現(xiàn)谷物籽粒與莖稈的分離。試驗臺采用軸向自動喂入，作物不易進入滾筒凹板間隙，為此配置了專用的螺旋葉輪，把作物導(dǎo)入脫粒裝置，滾筒尾部設(shè)置了推出葉片，為防止廢物由推出葉片通過排出口排出裝置外時出現(xiàn)拋射、上揚情況對試驗過程造成不便，推出葉片設(shè)計了一定的下壓角度[10-14]。滾筒形式如圖2所示。

1.螺旋葉輪 2.彎頭桿齒 3.推出葉片圖2 桿齒式軸流滾筒Fig.2 Rod-type axial roller

脫分裝置工藝流程選用軸向喂入，由徑向排出，軸流滾筒由錐臺和直滾筒兩部分組成。工作時，首先是螺旋葉輪的輔助喂入，物料在與前端錐臺接觸時部分脫粒開始，但籽粒并沒有立刻與莖稈分離，待物料進入到直滾筒后隨著繼續(xù)被脫下的籽粒、穎殼、斷穗等脫出物一起從凹板排出落入料車，長莖稈由排出口排出機體外。谷物在桿齒前部分進行脫粒作業(yè)，后面部分進行籽粒與莖稈的分離作業(yè)。由于采用的軸流式脫粒滾筒軸向喂入過程中滾筒前后均有配套的喂入、推出元件，對生產(chǎn)和裝配工藝有較高的要求,在實現(xiàn)較大喂入量的同時可在裝置內(nèi)對作物進行脫粒和螺旋分離。

2.1.1 桿齒數(shù)。

脫粒滾筒上的圓柱桿齒數(shù)Z按脫粒設(shè)備的生產(chǎn)率計算，圓筒釘齒按一定間距均勻分布并固定在外側(cè)的8根齒桿上，這些圓柱釘齒在齒桿上呈環(huán)形均勻分布。其計算公式為

其中，q為試驗臺喂入量(kg/s)，q=2kg/s；β為喂入作物中籽粒所占比重，β=0.4；qb為每個釘齒的脫粒能力(kg/s)，此處qb=0.025kg/s。經(jīng)計算釘齒數(shù)Z≥80，為保證其平衡性能，釘齒數(shù)Z取88。

2.1.2 螺旋頭數(shù)

螺旋頭數(shù)K即螺旋線條數(shù)，螺旋頭數(shù)越多，谷子送進速度也就越快，單位時間內(nèi)的喂入量越大，滾筒脫粒能力越強。齒板數(shù)M和螺旋頭數(shù)K的比值決定許多結(jié)果參數(shù)，一般為了保證產(chǎn)物質(zhì)量，取M/K≥2，此處取2。

2.1.3 桿齒形狀及排列方式

為防止纏草現(xiàn)象出現(xiàn)，影響脫粒質(zhì)量，采用彎頭桿齒，直徑為φ12的桿齒上端部向后彎曲，如圖3所示。脫粒齒在滾筒上為交錯等距離均列式排列，在按照螺旋線均勻配置的齒組式排列，如圖4所示。

圖3 彎頭桿齒Fig.3 Elbow pole tooth

圖4中：1-1’，2-2’…，橫線為齒板數(shù)M，橫線之間間距為齒板間距s，s值為287.1mm；橫向為軸流滾筒長度L；縱向長度πD是滾筒齒頂圓周長2 009.6mm；斜線為滾筒圓柱面上螺旋線，各齒板與斜線交點即為釘齒分布位置，相鄰兩齒跡間隔為齒跡距a值為350mm。

圖4 桿齒排列圖Fig.4 Pole teeth arrangement

2.2 凹板

凹板是脫粒作業(yè)的主要部件，如圖5所示。首先，凹板在脫粒裝置中進行作業(yè)時必須與脫粒滾筒有一定的配合關(guān)系，使得作物在柵格凹板與脫粒滾筒之間的間隙里充分的搓擦，使籽粒、莖稈分離；其次，凹板上的柵格小孔尺寸是根據(jù)谷子的特性設(shè)計的，其孔徑必須滿足脫粒過程可以使脫下來的籽粒通過柵格掉入下方的接料車里，同時要盡量保證阻隔長莖稈等雜質(zhì)落入料車，影響產(chǎn)物的雜質(zhì)率[15-16]；最后，凹板表面比較平滑，能與多種類型的脫粒滾筒進行配合，方便設(shè)備的調(diào)試。試驗臺通過更換凹板進行柵格尺寸的調(diào)節(jié)，脫粒間隙的調(diào)節(jié)是通過對凹板的位置調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。機構(gòu)通過螺旋結(jié)構(gòu)，調(diào)整凹板位置高度，同時起到固定凹板位置的作用。本柵格凹板長度為1 950mm，包角為180°。

圖5 柵格凹板Fig.5 Grid concave plate

谷子作物的生產(chǎn)率與裝置中的柵格凹板直徑有一定的關(guān)系，柵格凹板直徑與作物產(chǎn)率成正比，但并不呈一次線性關(guān)系。凹板直徑D1為

D1=D+2δ

式中D1—凹板直徑(mm)；

D—滾筒齒頂圓直徑(mm)；

δ—脫粒間隙(mm)。

把D=640mm、δ=5mm代入得D1=650mm。

2.3 喂入過橋

喂入過橋在試驗過程作為傳送皮帶與主軸動力臺的中間傳遞設(shè)備，在整個作物運送中起紐帶作用，如圖6所示。由于主軸動力臺喂入口所在水平方向與傳送皮帶傳輸方向不在同一水平線上，所以在傳輸環(huán)節(jié)使用了喂入過橋進行有效傳輸。

圖6 喂入過橋裝配Fig.6 Feeding bridge assembly

2.4 輸送臺

輸送臺總長度約為15m，設(shè)計了30m長的輸送平帶，在平帶靠近喂入過橋的部分裝有調(diào)速傳送帶秤，試驗準備階段，先將谷子作物均勻地鋪在傳送皮帶上，在一定速度下，經(jīng)過稱重傳感器、速度傳感器進入喂入過橋，采集有效喂入量數(shù)據(jù)。

2.4.1 調(diào)速傳送帶秤

調(diào)速傳送帶秤用于測試喂入量，主體由稱重傳感器、速度傳感器、稱量控制器及秤體組成。調(diào)速秤為3組單杠桿稱量托輥，側(cè)匯力式結(jié)構(gòu)，安置在輸送平帶靠近喂入口側(cè)，如圖7所示。選用拉伸式結(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，測量范圍0～150kg，綜合準確度優(yōu)于0.03%，靈敏度為2.0×10-3，重復(fù)性為0.015%F.S，非線性為0.02%F.S。

3 控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 電氣控制柜控制部分

控制柜控制電源及試驗設(shè)備各個部分的參數(shù)，利用免測速矢量型SIMENSMDV45變頻器的恒轉(zhuǎn)矩特性平滑改變電機轉(zhuǎn)速，包括輸送帶速度、喂入過橋傳送速度及脫分滾筒的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)各部速度參數(shù)來調(diào)節(jié)喂入量、喂入速度及主軸轉(zhuǎn)速等主要試驗參數(shù)[17-18]。電氣控制柜實物圖如圖8所示。

圖7 傳送皮帶裝配Fig.7 Conveyor assembly

圖8 電氣控制柜實物圖Fig.8 Electrical control cabinet physical map

控制柜對各部分可以實現(xiàn)快速啟動和停止，方便參數(shù)的調(diào)整，且每個部分都裝有電磁離合器。試驗開始時，首先打開總電源，可提前設(shè)定好轉(zhuǎn)速信息，然后打開動力臺電源，確認電機開始工作后，按下離合器開關(guān)，離合器嚙合，主軸轉(zhuǎn)動；再按照上述步驟依次打開過橋電源、過橋離合器和輸送臺電源、輸送臺離合器即可開始作業(yè)。

3.2 總體采集控制過程

通過定時/計數(shù)器板分別完成對于主軸轉(zhuǎn)矩、主軸轉(zhuǎn)速及光電編碼器的數(shù)據(jù)采集，A /D采集板通過接線端子板完成對于溫度傳感器、濕度傳感器及位移傳感器的數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計采用的是ISA總線通信模式，通過工控機控制整個系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器上顯示[19]。計算機控制圖如圖9所示。

圖9 計算機控制結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Computer control structure diagram

3.3 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)計算

3.3.1 脫粒滾筒線速度計算

經(jīng)過轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)速頻率量換算，得出脫粒滾筒線速度，計算公式為

式中n1—脫粒滾筒轉(zhuǎn)速；

R—滾筒半徑(mm)，本系統(tǒng)中選R=320。

3.3.2 電機軸輸出功率

電機軸輸出功率可以通過轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速信號值，再經(jīng)過系統(tǒng)的計算后得出具體數(shù)值，計算公式為

式中M—轉(zhuǎn)矩；

Z—傳動效率，本系統(tǒng)中Z=0.91。

3.3.3 喂入速度

喂入速度的計算公式為

式中n2—被動輥轉(zhuǎn)速；

L1—被動輥每轉(zhuǎn)1周輸送帶的位移(mm)，本系統(tǒng)取L1=1.004 595。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用MCGS組態(tài)軟件平臺，可以實現(xiàn)工作參數(shù)實時曲線、工作參數(shù)儀表盤、工作參數(shù)組合歷史曲線、獨立參數(shù)歷史曲線及報警顯示功能，也能對影響試驗臺工作穩(wěn)定性能的因素進行分析。

采集系統(tǒng)主界面包括系統(tǒng)時鐘、工作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。其中，時鐘顯示日期時間，工作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)提供實時的數(shù)字顯示，實時的主軸功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線等顯示在主界面右側(cè)的坐標系中，如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面Fig.10 Data acquisition system interface

3.5 模擬采集試驗

完成設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試，對設(shè)備進行空運轉(zhuǎn)模擬試驗，設(shè)備各部分運轉(zhuǎn)正常，滾筒、過橋、皮帶轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平穩(wěn)，采集系統(tǒng)各模塊功能正常，各項工作、環(huán)境參數(shù)實時顯示在系統(tǒng)界面上。其中，脫粒滾筒的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速形成曲線反映在系統(tǒng)中，當通過控制柜對轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)時，數(shù)據(jù)采集正確、完整，曲線變化正確。模擬試驗表明：該試驗臺具有在設(shè)備運行中實時采集數(shù)據(jù)、繪制曲線并形成報表的功能，可為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1)研制了具有數(shù)據(jù)采集功能的桿齒式軸流脫粒分離試驗臺，可對谷子進行脫粒、分離作業(yè)。試驗臺可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙等，亦可更換滾筒、凹板改變滾筒形式及柵格尺寸，實現(xiàn)多參數(shù)的試驗研究。

2)工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、各部傳感器、電子硬件設(shè)備，以及在MCGS組態(tài)軟件平臺上開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與開關(guān)量控制軟件構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫，以報表形式顯示實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)變化曲線。