李 平，崔晉波，馮 偉，張先鋒

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329)

0 引言

小型聯(lián)合收割機(jī)現(xiàn)已成為丘陵山地農(nóng)機(jī)發(fā)展的主力機(jī)型，從事研發(fā)制造的企業(yè)數(shù)量眾多，是目前丘陵山區(qū)谷物收獲機(jī)械裝備研究的重要方向。作為市場(chǎng)需求最緊迫的一種機(jī)具，一旦收割機(jī)的作業(yè)適應(yīng)及穩(wěn)定性能有較大提高，將有望大幅度提高丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化整體水平。但是，當(dāng)前小型聯(lián)合收割機(jī)的脫粒性能檢測(cè)系統(tǒng)不完善，特別是西南丘陵山區(qū)小型聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)獲取不易，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多企業(yè)都是各自按自己的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且很多農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)幅度太大，大多都是針對(duì)北方大型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，因此在小型聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)、確定及試驗(yàn)過(guò)程中問(wèn)題重重。很多參數(shù)在田間又不易直接檢測(cè)，且勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量大，數(shù)據(jù)獲取困難，因此有必要設(shè)計(jì)一款小型聯(lián)合收割機(jī)脫粒性能檢測(cè)平臺(tái)，可以在室內(nèi)完成對(duì)小型聯(lián)合收割機(jī)脫粒性能的多方面檢測(cè)，并據(jù)此提供合理的收割機(jī)技術(shù)參數(shù)，以便提高收割機(jī)設(shè)計(jì)的整體效率。

1 檢測(cè)平臺(tái)主要功能

本小型聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)主要是針對(duì)于西南地區(qū)地產(chǎn)小型聯(lián)合收割機(jī)脫粒系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和分析。目前，西南地區(qū)地產(chǎn)小型聯(lián)合收割機(jī)普遍存在作業(yè)性能不完善、適應(yīng)性差及收割機(jī)整體功率分配不均的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)標(biāo)的收割機(jī)的脫粒系統(tǒng)檢測(cè)和分析，可以精確得到收割機(jī)在既定喂入量的脫粒系統(tǒng)功率消耗、主要落料區(qū)分布、脫粒損失率和脫粒滾筒與凹板曬不同脫粒間隙對(duì)不同作物作業(yè)性能的影響。然后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析將收割機(jī)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高西南地區(qū)收割機(jī)的作業(yè)性能及適應(yīng)性，對(duì)促進(jìn)西南地區(qū)收割機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作過(guò)程

2.1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

小型聯(lián)合收獲機(jī)脫粒性能檢測(cè)平臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。其中，機(jī)械系統(tǒng)主要由鑄鐵T型槽平臺(tái)、送料臺(tái)、割臺(tái)、中間輸送裝置、動(dòng)力臺(tái)、脫粒裝置、安裝卡緊裝置，以及谷物稻草收集機(jī)構(gòu)等組成。測(cè)控系統(tǒng)由變頻電機(jī)、非接觸式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、工控機(jī)、高速攝像機(jī)、系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換接口、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)及打印設(shè)備組成。西南地區(qū)小型聯(lián)合收割機(jī)設(shè)定喂入量在2.5kg/s以下，谷物的草谷比設(shè)為1.2。送料平臺(tái)采用膠帶運(yùn)輸，寬度為1m，驅(qū)動(dòng)采用0.7kW交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸送速度可以0～3m/s連續(xù)可調(diào)，且在膠帶下方安裝有4個(gè)重量傳感器，以保證單位面積鋪放的作物質(zhì)量在允許的偏差范圍。脫粒主軸采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出轉(zhuǎn)速在200～1 500r/min連續(xù)可調(diào)。為了適應(yīng)不同收割機(jī)脫粒主軸的安裝位置，主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)T型槽和液壓系統(tǒng)可以任意位置安裝。另外，在脫粒頂蓋端及側(cè)面端開(kāi)孔采用玻璃覆蓋，采用高速攝像機(jī)AZ9501記錄下頂部物料在滾筒的運(yùn)動(dòng)軌跡和側(cè)面端的篩面主要落料分布區(qū)域。測(cè)試平臺(tái)的底部采用鑄鐵的T型槽結(jié)構(gòu)，尺寸為2 000mm×3 000mm，精度等級(jí)為3級(jí)。采用固定螺栓將收割機(jī)固定在測(cè)試臺(tái)架上并切斷與發(fā)動(dòng)機(jī)的所有動(dòng)力連接。

1.T型槽平臺(tái) 2.送料臺(tái) 3.割臺(tái) 4.中間輸送 5.動(dòng)力臺(tái) 6.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 7.脫粒裝置 8.谷物收集盒 9.安裝夾緊裝置 10.秸稈收集袋 11.總線 12.電控柜 13.操作臺(tái)

2.2 工作過(guò)程

首先將聯(lián)合收割機(jī)固定到T型槽臺(tái)架上，切斷脫粒滾筒及其附屬部件動(dòng)力傳動(dòng)，接連好與割臺(tái)喂入系統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)并調(diào)整好輸送速度和主軸及其割臺(tái)、中間輸送等獨(dú)立傳動(dòng)控制單元。通電并啟動(dòng)主程序?qū)⑾到y(tǒng)的各項(xiàng)待測(cè)試的參數(shù)置零，將預(yù)先做好的柵格式接料小車(chē)和草料收集裝置固定在相應(yīng)位置。然后，根據(jù)收割機(jī)廠家提供的脫粒滾筒設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)和凹板篩間隙，并在脫粒滾筒頂端和側(cè)面開(kāi)孔并以玻璃覆蓋，安裝好攝像頭和照明系統(tǒng)。工作時(shí)，將設(shè)定好喂入量的谷物均勻鋪設(shè)在輸送帶上，啟動(dòng)主軸電機(jī)和高速攝像機(jī)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)膠帶輸送機(jī)、割臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)和中間輸送系統(tǒng)，待喂入量達(dá)到正常值啟動(dòng)高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；谷物通過(guò)脫粒滾筒的打擊、揉搓和柵格篩的分離清選后，依次落入預(yù)先鋪設(shè)好的柵格式接料小車(chē)中，待一個(gè)試驗(yàn)周期完成后，通過(guò)高速攝像機(jī)記錄下完整的試驗(yàn)過(guò)程。將脫出物料和籽粒進(jìn)行收集，將物料分離的主要落料區(qū)、落料百分比分別計(jì)算和記錄，計(jì)算出整個(gè)脫粒系統(tǒng)的夾帶損失率、未脫凈率、破碎率和總損失率；然后，通過(guò)側(cè)端高速攝像機(jī)完成物料集中區(qū)分布分析和頂端高速攝像機(jī)物料脫粒過(guò)程分析。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)組成及主要測(cè)試部件設(shè)計(jì)

3.1.1硬件系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

測(cè)控系統(tǒng)硬件由變頻電機(jī)、非接觸式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、工控機(jī)、高速攝像機(jī)、系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換接口、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)及打印設(shè)備組成，如圖2所示。工作時(shí)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的4～20mA電流模擬信號(hào)傳送到信號(hào)采集卡，經(jīng)采集卡的A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后與工控機(jī)進(jìn)行通訊；通過(guò)工控機(jī)與控制柜進(jìn)行通訊，控制柜通過(guò)變頻器控制驅(qū)動(dòng)脫粒裝置的變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)極可調(diào)。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 主軸電機(jī)的功率和扭矩轉(zhuǎn)速傳感器確定

按西南地區(qū)小型收割機(jī)最大喂入量2.5kg/s計(jì)算,計(jì)算單位長(zhǎng)度釘齒的生產(chǎn)率q，即

式中Z—釘齒根數(shù);

n—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min);

L—滾筒長(zhǎng)度(m)；

μ0—單位長(zhǎng)度脫粒能力，本次設(shè)計(jì)采用0.024kg/m。

帶入此設(shè)計(jì)平臺(tái)測(cè)量的最大喂入量計(jì)算得到q=1.95kg/s。

滾筒消耗的總功率為

式中ω—滾筒角速度；

v—滾筒圓周速度；

A—軸承摩擦因數(shù)，取A為0.2×10-3；

B—滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的迎風(fēng)面積系數(shù)，取B為0.58×10-6；

f—摩擦因數(shù)，本次取f為0.7。

帶入上述公式，得出喂入量在2.5kg/s時(shí)消耗的功率需要9.25kW。為了確保有足夠的功率，功率系數(shù)放1.5倍，得到最大消耗功率13.87kW。故選擇電機(jī)最大功率為14kW，便滿足要求。

通過(guò)功率和扭矩的計(jì)算關(guān)系得到電機(jī)最大扭矩 (設(shè)定調(diào)速電機(jī)最低轉(zhuǎn)速200r/min) 為668.5N·m。

通過(guò)以上計(jì)算，選取的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器采用北京中航科電測(cè)控技術(shù)有限公司ZH07-X型非接觸式扭矩傳感器,最大承受扭矩1 000N·m， 輸出信號(hào)為4～20mA，如圖3所示。

圖3 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 PLC數(shù)據(jù)采集部分

本次PLC的轉(zhuǎn)速信號(hào)采集來(lái)自扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字脈沖信號(hào)傳輸?shù)絇LC端，采用PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器采集脈沖信號(hào)，根據(jù)M算法，在采樣時(shí)間T內(nèi)捕捉轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)為M，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為

其中n—電機(jī)轉(zhuǎn)速；

Z—編碼器分辨率；

M—采樣脈沖數(shù)；

T—采樣時(shí)間。

扭矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩模擬信號(hào)也以相同的算法得到，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC完成轉(zhuǎn)速和扭矩的采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供方便。

3.2.2 工控機(jī)監(jiān)控部分

工控機(jī)監(jiān)控顯示部分基于lab VIEW虛擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)PLC發(fā)出的讀請(qǐng)求后將PLC緩沖區(qū)中的轉(zhuǎn)速、扭矩實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，將主軸消耗的功率也同時(shí)計(jì)算出來(lái)顯示在工控機(jī)上，如圖4所示。在軟件的另一個(gè)窗口以曲線的方式將3種參數(shù)同時(shí)顯示出來(lái)，當(dāng)整個(gè)測(cè)量過(guò)程完成之后，系統(tǒng)將停止記錄，并生成一個(gè)EXCEL表格文件，將本次測(cè)量的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率3個(gè)項(xiàng)目的最大值、最小值及平均值計(jì)算出來(lái)。

圖4 脫粒系統(tǒng)測(cè)試主界面

4 測(cè)試參數(shù)及結(jié)果

4.1 平臺(tái)測(cè)試參數(shù)

本檢測(cè)平臺(tái)的測(cè)試參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速和扭矩、主軸消耗的功率、物料落料區(qū)的分布、夾帶損失率、未脫凈率、破碎率和總損失率。其中，主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)數(shù)字化顯示器便可以顯示和記錄，如圖5所示。物料落料區(qū)分布采用網(wǎng)格化記錄方式，物料經(jīng)過(guò)脫粒滾筒分離出來(lái)的脫出物沿凹版篩直接落入下方網(wǎng)格化的接料車(chē)中；接料車(chē)沿脫粒滾筒軸線方向平均分成8個(gè)區(qū)域，徑向分成6個(gè)區(qū)域，每個(gè)測(cè)試區(qū)大小為200mm×110mm；籽粒和草混合物直接落入接料小車(chē)中，用于測(cè)定凹版篩脫出物料分布情況。其計(jì)算方法如下：

夾帶損失Sj為

Sj=(Wj/W)×100%

式中Wj—夾帶損失籽粒質(zhì)量(g)；

W—總籽粒質(zhì)量(g)。

夾帶損失籽粒質(zhì)量的測(cè)定方法是在收割機(jī)排草口每次收集的脫出的草和籽?；旌衔锝?jīng)過(guò)人工清選去除雜草剩余籽粒的質(zhì)量。

未脫凈損失Sw為

Sw=(Ww/W)×100%

式中Ww—未脫掉損失籽粒質(zhì)量(g)；

W—總籽粒質(zhì)量(g)。

未脫凈籽粒質(zhì)量的測(cè)定方法是在收割機(jī)排草口每次試驗(yàn)排出的草中找到未脫粒完的籽粒，然后收集稱(chēng)重。

破碎率Zp為

Zp=(Wp/Wx)×100%

式中Wp—每個(gè)測(cè)試小盒中破碎籽粒質(zhì)量(g)；

Wx—每個(gè)測(cè)試小盒中全部籽粒質(zhì)量(g)。

破碎率測(cè)定方法：將48個(gè)測(cè)試區(qū)域中的破碎籽粒與全部籽粒稱(chēng)重，然后求平均數(shù)。

總損失率S為

S=Sw+Sj

圖5 主軸轉(zhuǎn)速扭矩顯示儀

4.2 主軸轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)試結(jié)果及優(yōu)化

以重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主研發(fā)的4LZ-1.5小型稻麥聯(lián)合收割機(jī)為樣品，設(shè)定其脫粒滾筒在喂入量為1.5kg/s、轉(zhuǎn)速為1 200r/min、凹板篩間隙入口20mm、出口間隙10mm，檢測(cè)其工作時(shí)轉(zhuǎn)速、扭矩及功率，如圖6～圖8所示。

圖6 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速曲線表

圖7 脫粒滾筒扭矩曲線表

圖8 脫粒滾筒功率曲線表

通過(guò)以上圖表分析可知：收割機(jī)脫粒滾筒在工作時(shí)由于喂入量的不均衡，其功率、扭矩和轉(zhuǎn)速有很大波動(dòng)區(qū)間。通過(guò)試驗(yàn)可知：南方小型收割機(jī)在收普通雜交稻品種，草谷比為1.2時(shí)，每1kg喂入量消耗的功率大約在4.5kW左右，但在本次測(cè)試由于出草口間隙過(guò)小，造成了稻草在凹版篩的過(guò)度揉搓，有的被搓成了“麻花”。在第二次試驗(yàn)時(shí)，將出口間隙調(diào)整在15mm，重做試驗(yàn)，其每1kg喂入量消耗的平均功率約在4kW左右，搓成“麻花”的稻草有了明顯的好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一款針對(duì)小型聯(lián)合收割機(jī)的脫粒性能檢測(cè)平臺(tái)，可在室內(nèi)模擬完成收割機(jī)的多種脫粒狀態(tài)，并對(duì)脫粒系統(tǒng)消耗的扭矩和功率、作業(yè)時(shí)最大的喂入量及脫粒系統(tǒng)的夾帶損失率和含雜率等參數(shù)進(jìn)行定量研究。

2)檢測(cè)系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，配合扭矩功率測(cè)試儀，通過(guò)RS232接口和電腦通訊，采集扭矩功率測(cè)試儀的扭矩、轉(zhuǎn)速及功率信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)操作。

3)檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)變頻調(diào)速電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件參數(shù)的無(wú)級(jí)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)在各種工況下的脫粒性能檢測(cè)。

4)檢測(cè)平臺(tái)在通過(guò)廠家既定的收割機(jī)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)以后，可以通過(guò)調(diào)整不同的滾筒轉(zhuǎn)速和凹版篩的間隙，調(diào)整物料的落料區(qū)和凹版篩的揉搓性能，避免物料落料區(qū)太靠近滾筒前部分而增加多余的揉搓過(guò)程，造成功率的損失，從而提高收割機(jī)的作業(yè)性能和適應(yīng)性。