劉家君，郭輝，呂全貴，李林

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052；2. 新疆中收農(nóng)牧機(jī)械有限公司,烏魯木齊市，830011)

0 引言

我國(guó)的秸稈資源十分豐富，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量可達(dá)9億t，秸稈收獲類(lèi)機(jī)械在農(nóng)作物秸稈收獲利用方面起到重要作用[1-2]。而喂入量是體現(xiàn)收獲機(jī)械作業(yè)效率的重要參數(shù)之一，但由于秸稈收獲過(guò)程復(fù)雜多變，田間秸稈長(zhǎng)勢(shì)、秸稈含水率、秸稈品種以及作業(yè)速度、割幅寬度等因素的動(dòng)態(tài)變化都會(huì)使得喂入量發(fā)生波動(dòng)，從而影響收獲效率，嚴(yán)重時(shí)甚至造成機(jī)械故障。

為提高收獲機(jī)械的工作效率，同時(shí)減少因喂入量波動(dòng)造成的機(jī)械故障，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)喂入量的監(jiān)測(cè)和控制都做了一定的研究[3-4]。采用的方法主要可概括為扭矩功率監(jiān)測(cè)法和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)量法[5]。

其中通過(guò)測(cè)量扭矩或消耗功率來(lái)反映喂入量的方法，又因所監(jiān)測(cè)收獲機(jī)械的工作部件的不同而有所區(qū)別，可分為割臺(tái)消耗功率監(jiān)測(cè)、過(guò)橋提升消耗功率監(jiān)測(cè)以及脫粒滾筒或粉碎部件功率消耗監(jiān)測(cè)[6-11]。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)量法通常用于具有中間輸送裝置的收獲機(jī)械，借助稱(chēng)重傳感器測(cè)量物料在輸送過(guò)程中對(duì)輸送裝置底板的壓力，從而反映喂入量的大小[12]。

一般情況下，采用控制作業(yè)速度的方法控制喂入量，目前，自走式收獲機(jī)械通常采用帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)和閉式液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，其中后者更有利于實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度的自動(dòng)控制[13-15]。

在秸稈收獲作業(yè)過(guò)程中，由于秸稈長(zhǎng)勢(shì)不均，而圓捆機(jī)作業(yè)時(shí)速度基本不變，因此造成作業(yè)過(guò)程中秸稈喂入量波動(dòng)較大，使得圓捆機(jī)易發(fā)生堵塞故障。因此，本文提出以打捆負(fù)載為反饋控制作業(yè)速度，進(jìn)而控制喂入量的方法，實(shí)現(xiàn)降低圓捆機(jī)堵塞故障概率，同時(shí)保護(hù)機(jī)具、提高生產(chǎn)效率。

1 自走式圓捆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

自走式圓捆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為作業(yè)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，均由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

作業(yè)系統(tǒng)功能：實(shí)現(xiàn)秸稈從割臺(tái)收集、過(guò)橋提升、兩級(jí)破碎、中間輸送，最終再由強(qiáng)制喂入輥送入成捆室，形成圓捆的一系列過(guò)程。行走系統(tǒng)功能：通過(guò)閉式液壓系統(tǒng)為主動(dòng)輪提供動(dòng)力以及控制作業(yè)速度。

表1為圓捆機(jī)主要工作參數(shù)，行走系統(tǒng)依靠閉式液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度從0～7.7 km/h的控制。

圖1 圓捆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of round baler1.割臺(tái)及過(guò)橋 2.液壓馬達(dá)及齒輪箱 3.兩級(jí)破碎室 4.中間輸送帶5.打捆作業(yè)主軸 6.強(qiáng)制喂入輥 7.打捆室 8.閉式泵及比例閥9.發(fā)動(dòng)機(jī) 10.駕駛室 11.驅(qū)動(dòng)輪

表1 圓捆機(jī)主要作業(yè)參數(shù)Tab. 1 Main operation parameters of round baler

2 喂入量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自走式圓捆機(jī)喂入量控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別是以扭矩傳感器為核心的打捆負(fù)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和以電磁比例閥為核心的閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中打捆負(fù)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由車(chē)載控制器、終端顯示屏、扭矩傳感器、霍爾傳感器等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由閉式液壓泵、電磁比例閥、油箱、液壓馬達(dá)等組成，圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，從發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出的動(dòng)力主要分為兩個(gè)部分，第一部分通過(guò)閉式液壓泵為圓捆機(jī)行走系統(tǒng)提供動(dòng)力；另一部分通過(guò)作業(yè)主軸為作業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力。因此，借助扭矩傳感器和霍爾傳感器監(jiān)測(cè)作業(yè)主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速。車(chē)載控制器將采集的扭矩值、轉(zhuǎn)速值經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后，計(jì)算得到作業(yè)負(fù)載值。控制器根據(jù)作業(yè)負(fù)載與秸稈喂入量的關(guān)系，將負(fù)載值轉(zhuǎn)換為喂入量，并通過(guò)CAN總線發(fā)送至終端顯示屏。終端顯示屏設(shè)定作業(yè)負(fù)載范圍并發(fā)送至車(chē)載控制器，當(dāng)作業(yè)負(fù)載不在設(shè)定負(fù)載范圍時(shí)，車(chē)載控制器控制變量泵排量，實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量控制。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件選型

發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出功率為110 kW，由式(1)可得，主要用于打捆作業(yè)、行走以及機(jī)械磨損消耗。其中用于打捆作業(yè)消耗約占額定輸出功率的70%～80%。

PN=Px+Pz+Pm

(1)

式中：PN——發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出功率，kW；

Px——圓捆機(jī)行走消耗功率，kW；

Pz——圓捆機(jī)打捆作業(yè)消耗功率，kW；

Pm——圓捆機(jī)械磨損消耗功率，kW。

(2)

式中：Tz——作業(yè)主軸扭矩，N·m；

nz——作業(yè)主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)合作業(yè)主軸轉(zhuǎn)速范圍為1 200～1 500 r/min，可通過(guò)式(2)計(jì)算得到作業(yè)主軸扭矩的變化范圍為490～700 N·m，預(yù)留30%的扭矩余量，計(jì)算得到扭矩為910 N·m 較為合適，因此選用量程為0～1 000 N·m的LZ-DN1非接觸式扭矩傳感器。

控制系統(tǒng)接線圖如圖3所示，采用24 V直流電源，控制器、顯示屏和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信?？刂破鱔O1和XO2端口控制電磁比例閥，實(shí)現(xiàn)變量泵排量控制，XI1和XI2端口分別采集車(chē)速和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。元件參數(shù)及型號(hào)如表2所示。

圖3 控制系統(tǒng)接線圖Fig. 3 Wiring diagram of control system

表2 部分元件選型表Tab. 2 Selection table of some components

2.1.2 閉式液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變量泵型號(hào)為ACA3920302L1，輸入轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，排量變化范圍64～125 mL/r；定量馬達(dá)型號(hào)為HHD393001AA，其排量為64 mL/r；電磁比例閥型號(hào)為EKAAA2C，采用PWM輸入型，工作電壓為24 VDC。根據(jù)變量泵和定量泵的排量，以及齒輪箱傳動(dòng)比等可計(jì)算出圓捆機(jī)作業(yè)速度可控范圍是0～30 km/h，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig. 4 Schematic diagram of closed hydraulic drive system1.比例電磁閥 2.變量泵 3.補(bǔ)油泵 4.油箱 5.冷卻器 6.節(jié)流閥7.過(guò)濾器 8.溢流閥 9.定量馬達(dá) 10.單向閥

定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(3)

式中：nd——定量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，r/min；

nf——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min；

ib——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸到變量泵輸入軸傳動(dòng)比，取1.05；

Svb——變量泵排量，39～64 mL/r；

Svd——定量馬達(dá)排量，取64 mL/r。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min作業(yè)時(shí)，定量馬達(dá)可變轉(zhuǎn)速范圍是1 407～2 310 r/min，當(dāng)電磁比例閥位于中位時(shí)，變量泵排量為0，定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速也為0。

圓捆機(jī)作業(yè)速度

(4)

式中：VY——圓捆機(jī)作業(yè)速度，km/h；

ic——齒輪箱傳動(dòng)比，Ⅰ檔29.3，Ⅱ檔14.62，Ⅲ檔7.29，Ⅳ檔3.64，本文選擇Ⅱ檔14.62進(jìn)行計(jì)算；

il——輪邊減速器傳動(dòng)比，取5.41；

d——圓捆機(jī)主動(dòng)輪直徑，取1.33 m。

通過(guò)式(3)、式(4)計(jì)算可得，該行走系統(tǒng)速度范圍為0～29.39 km/h，田間作業(yè)時(shí)變速箱通常采用I檔或Ⅱ檔，得到作業(yè)速度范圍0～7.32 km/h，定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，作業(yè)速度為0。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

秸稈喂入量的大小受圓捆機(jī)作業(yè)速度、割幅寬度、割茬高度、秸稈長(zhǎng)勢(shì)、秸稈含水率等因素的影響。圓捆機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，割幅寬度為定值，割茬高度基本不變，而秸稈長(zhǎng)勢(shì)和秸稈含水率無(wú)法控制，因此本文采用控制作業(yè)速度的方法實(shí)現(xiàn)喂入量控制，控制流程圖如圖5所示。

q=VYWGρZε

(5)

式中：WG——割臺(tái)寬度，m；

ρZ——秸稈平均生長(zhǎng)密度，kg/m2；

ε——損失系數(shù)；

q——喂入量，kg/s。

圓捆機(jī)啟動(dòng)，并且主離合結(jié)合后，通過(guò)終端顯示屏設(shè)定作業(yè)負(fù)載安全范圍，并發(fā)送至車(chē)載控制器?？刂破髋袛喈?dāng)前作業(yè)負(fù)載是否滿(mǎn)足設(shè)定要求，若作業(yè)負(fù)載低于設(shè)定負(fù)載最小值，則控制電磁比例閥提高作業(yè)速度；若作業(yè)負(fù)載高于設(shè)定負(fù)載最大值，并且該狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間，表明圓捆機(jī)當(dāng)前喂入量較高，則需控制電磁比例閥降低作業(yè)速度，使圓捆機(jī)在發(fā)生堵塞故障之前，降低喂入量，使得作業(yè)負(fù)載逐漸恢復(fù)正常。當(dāng)作業(yè)負(fù)載恢復(fù)正常后，再適當(dāng)提高作業(yè)速度，恢復(fù)正常作業(yè)效率。

2.2.2 終端顯示器界面設(shè)計(jì)

借助HMIDeveloper集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的圖形庫(kù)完成終端顯示屏界面設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行槽函數(shù)的編寫(xiě)和每個(gè)圖框賦值以及其他操作，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)要求的功能。最終設(shè)計(jì)完成界面如圖6所示，分為工況監(jiān)測(cè)界面(a)和調(diào)試界面(b)。

(a) 工況監(jiān)測(cè)界面

(b) 調(diào)試界面圖6 終端顯示屏界面Fig. 6 Terminal display screen interface

工況監(jiān)測(cè)界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)打捆主動(dòng)軸的扭矩、轉(zhuǎn)速以及打捆負(fù)載(主軸功率)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使駕駛?cè)藛T對(duì)作業(yè)時(shí)打捆機(jī)的狀態(tài)有直觀的了解；調(diào)試界面用于設(shè)定打捆作業(yè)主軸扭矩安全范圍，并通過(guò)點(diǎn)擊標(biāo)定按鈕將設(shè)定的參數(shù)發(fā)送至控制器。

3 喂入量標(biāo)定試驗(yàn)

喂入量標(biāo)定試驗(yàn)主要探究在不同喂入量的工況下打捆負(fù)載的變化范圍，為喂入量的控制提供理論基礎(chǔ)。本試驗(yàn)以9LRZ-5.2型自走式青(黃)貯秸稈收獲機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)設(shè)定4塊試驗(yàn)區(qū)，每塊試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度為200 m，寬度為7行(5.2 m割幅剛好能收7行秸稈)。采用5點(diǎn)取樣法分別對(duì)每塊試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)1 m×7行樣方的(面積為5.2 m2)，以10 mm(圓捆機(jī)割茬高度(8～16 mm)左右的割茬高度人工收集樣方內(nèi)的秸稈，并計(jì)算每塊試驗(yàn)區(qū)秸稈的平均生長(zhǎng)密度(秸稈長(zhǎng)勢(shì))，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，每塊試驗(yàn)區(qū)秸稈平均種植密度基本一致，秸稈長(zhǎng)勢(shì)波動(dòng)較小，滿(mǎn)足圓捆機(jī)喂入量標(biāo)定試驗(yàn)要求。圓捆機(jī)分別以3.5、4.5、5.5、6.5 km/h的作業(yè)速度，在4個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行秸稈收獲作業(yè)，并記錄作業(yè)過(guò)程中作業(yè)主軸扭矩、轉(zhuǎn)速以及打捆平均負(fù)載等數(shù)據(jù)，如表4所示。

表3 秸稈長(zhǎng)勢(shì)情況評(píng)估Tab. 3 Evaluation of straw growth

表4 喂入量標(biāo)定Tab. 4 Feed rate calibration

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，圓捆機(jī)作業(yè)時(shí)作業(yè)主軸轉(zhuǎn)速基本不變，扭矩隨喂入量增大而增大，并且喂入量越高，扭矩的波動(dòng)越大?？蛰d時(shí)作業(yè)主軸扭矩基本穩(wěn)定。根據(jù)表4中喂入量與打捆負(fù)載的數(shù)據(jù)，得到圖7的關(guān)系曲線，并通過(guò)回歸分析得到喂入量與平均主軸負(fù)載的數(shù)學(xué)模型。

如圖7所示，喂入量與平均主軸負(fù)載的二次回歸數(shù)學(xué)模型

y=-0.001 9x2+0.264 5x-4.492 1

R2=0.994

(6)

式中：x——平均主軸負(fù)載，kW；

y——喂入量，kg/s。

圖7 喂入量與主軸負(fù)載關(guān)系曲線Fig. 7 Curve of relationship between feedingamount and baling load

R2為0.994，表明該曲線的擬合度較高，分析式(6)可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)負(fù)載值為69.5 kW時(shí)，喂入量達(dá)到最大值4.713 kg/s，之后負(fù)載上升喂入量反而下降，表明可能發(fā)生堵塞故障，因此將72 kW設(shè)為正常作業(yè)下系統(tǒng)允許的最高作業(yè)負(fù)載。該負(fù)載對(duì)應(yīng)的作業(yè)主軸扭矩為406 N·m，即當(dāng)扭矩監(jiān)測(cè)值小于406 N·m時(shí)，可確保圓捆機(jī)正常作業(yè)。取±5%的扭矩波動(dòng)范圍，得到最大允許扭矩為427 N·m。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理及方法

本文參考GB/T 35488—2017《聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：圓捆機(jī)以正常作業(yè)的最高作業(yè)速度(Ⅱ檔高速)，在田間連續(xù)作業(yè)，借助數(shù)據(jù)記錄儀，記錄作業(yè)主軸扭矩值大于設(shè)定的最高扭矩值情況下的扭矩?cái)?shù)據(jù)和車(chē)速數(shù)據(jù)，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖8所示，為驗(yàn)證自走式圓捆機(jī)喂入量控制系統(tǒng)的有效性，在新疆昌吉市新湖農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用到的工具和儀器有動(dòng)態(tài)扭矩監(jiān)測(cè)儀，CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀，含水率測(cè)定儀，皮尺等。動(dòng)態(tài)扭矩儀監(jiān)測(cè)儀與控制器通過(guò)串口連接，用于實(shí)時(shí)顯示作業(yè)主軸扭矩的變化。駕駛?cè)藛T可根據(jù)顯示數(shù)值手動(dòng)控制作業(yè)速度，以應(yīng)對(duì)當(dāng)主軸扭矩達(dá)到最大值，但控制系統(tǒng)卻沒(méi)有進(jìn)行減速控制的情況。含水率測(cè)定儀用于測(cè)定試驗(yàn)地的秸稈平均含水率，CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀記錄用于記錄作業(yè)主軸扭矩、轉(zhuǎn)速以及車(chē)速數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，其中數(shù)據(jù)記錄儀采樣周期為0.02 s。

圖8 田間試驗(yàn)Fig. 8 Field test

(a) 扭矩曲線

(b) 車(chē)速曲線圖9 打捆扭矩及車(chē)速數(shù)據(jù)Fig. 9 Baling torque and speed data

試驗(yàn)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)自走式圓捆機(jī)，在主離合結(jié)合之后，控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，逐漸提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 200 r/min(額定轉(zhuǎn)速)，此時(shí)作業(yè)速度為0，喂入量為0，駕駛?cè)藛T提升作業(yè)速度至7.5 km/h左右，并保持該作業(yè)速度進(jìn)行打捆試驗(yàn)。生產(chǎn)草捆5捆，其中第3捆出現(xiàn)打捆負(fù)載高于設(shè)定最高打捆負(fù)載的情況，其余4捆均正常作業(yè)。

分析第3捆的主軸扭矩和作業(yè)速度數(shù)據(jù)得到所示的扭矩曲線圖9(a)和速度曲線圖9(b)。從圖9可知由于作業(yè)速度較高，主軸扭矩波動(dòng)較大，在第1 000個(gè)采樣點(diǎn)之后主軸扭矩逐漸增大，在第1 408采樣點(diǎn)主軸扭矩超過(guò)設(shè)定最大扭矩值，并且仍在增加?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測(cè)到該狀態(tài)，并開(kāi)始降低作業(yè)速度，以降低喂入量。在第1 442個(gè)采樣點(diǎn)至第1 745個(gè)采樣點(diǎn)，作業(yè)速度降低至之前速度的50%，用時(shí)6.74 s。在此階段，作業(yè)主軸扭矩由最大463 N·m降低至244 N·m。作業(yè)速度在第2 090個(gè)采樣點(diǎn)之后恢復(fù)穩(wěn)定，即速度穩(wěn)定所需時(shí)間為13 s。作業(yè)扭矩在2 435個(gè)采樣點(diǎn)之后逐漸穩(wěn)定，即扭矩穩(wěn)定所需時(shí)間為20 s。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的喂入量控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

5 結(jié)論

本文為解決在打捆過(guò)程中因喂入量過(guò)高而造成的堵塞問(wèn)題，設(shè)計(jì)了自走式圓捆打捆機(jī)喂入量控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)以作業(yè)主軸負(fù)載為反饋，通過(guò)閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓捆機(jī)作業(yè)速度的有效控制。

經(jīng)田間調(diào)查得到試驗(yàn)地的平均秸稈生長(zhǎng)密度，進(jìn)一步通過(guò)喂入量標(biāo)定試驗(yàn)獲得作業(yè)主軸負(fù)載與喂入量的關(guān)系曲線，且回歸系數(shù)R2=0.994，表明回歸曲線擬合度較高。

通過(guò)田間試驗(yàn)，作業(yè)速度的調(diào)整時(shí)間小于7 s，扭矩穩(wěn)定所需時(shí)間小于20 s，表明該系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)主軸負(fù)載控制作業(yè)速度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量的有效控制。