羊用撒料試驗臺測試系統的設計

尚鳳嬌，李景彬，坎　雜

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　 832000)

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羊用撒料試驗臺測試系統的設計

尚鳳嬌，李景彬，坎雜

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

摘要：為了解決羊用攪龍式撒料車撒料不均勻、投料效率低等問題，在維持原有工況條件下，研制開發了具有測試系統的撒料試驗臺。該試驗臺基于成型的攪龍撒料車設計的機械系統，以labwindows/CVI為開發工具，結合PLC控制技術建立了撒料試驗臺測試系統。試驗臺同步監測均勻性影響因子及其關鍵轉動軸實時動態受力，測控系統與試驗臺的結合避免了傳統試驗與動態受力的不一致性，為后期撒料車優化設計提供了理論依據。

關鍵詞：labwindows/CVI；PLC控制；羊用撒料車

0引言

我國羊肉產量無法滿足市場需求，規模化肉羊養殖技術需要突破[1-3]。羊用撒料機械，主要應用在規模化的肉羊養殖場飼喂的撒料環節，工作時將飼料均勻拋撒在羊圈兩側,是高效提高肉羊養殖的技術；但現有的羊用撒料機械均存在撒料均勻性不足、工作效率較低等問題，尋求解決方法成了研究關鍵。為此，通過對國內外飼養技術的消化和吸收，研發飼喂技術取得了突破；但撒料機械性能參數、結構特性仍無法得到合理的改善。

機械測試技術是機械制造領域不可或缺的重要組成部分，測試系統可實現對運動學、動力學參數進行采集，通過試驗繪制動態曲線，準確性比較高[4]。試驗臺機械測試系統的設計和應用高效地解決了現有機械系統存在的性能問題。劉文峰利用測試系統對秸稈粉碎機刀軸轉速、含水量等對粉碎質量的影響進行了研究[5]；田韶鵬利用測試系統對汽車機械式變速器同步器性能進行了研究[6]。

為此，基于成型的羊用撒料車，結合虛擬儀器技術對撒料均勻性影響參數搭建了控制測試試驗臺，為機械性能參數、結構特性的研究提供了參考依據。

1撒料試驗臺組成和原理

1.1試驗臺機械系統

1.1.1試驗臺總體結構

為了能更真實地反映原有撒料車實際工況，料箱沿用了撒料車料箱的結構形式，不改變物料流動特性及其輸送接觸形式，保留料箱及料箱底部關鍵尺寸，真實模擬物料在料箱中的流動和受力。試驗臺的刮板輸送裝置及投料攪龍裝置等機構均參照現有攪龍式撒料車原先尺寸設計，保持原有撒料車整體工作狀況；試驗臺機械結構系統采用料箱相對皮帶輸送物料運動來模擬現實撒料車自走撒料。

試驗臺機械系統主要由箱體、擋料棍裝置、撥料棍裝置、刮板輸送機裝置、雙向投料攪龍裝置及帶式輸送機裝置組成。箱體由料箱部分和箱體底部的機槽組成；擋料棍裝置由擋料棍、撥齒、擋料棍電機及其附屬部分組成；撥料棍裝置有撥料棍、撥齒、撥料棍電機及其附屬部分組成；刮板輸送機裝置由刮板輸送機、刮板輸送機電機及其附屬部分組成；投料攪龍裝置由雙向攪龍、攪龍電機及其附屬部分組成；帶輸送機裝置由帶式輸送機、帶式輸送機電機及其附屬部分組成。試驗臺機械系統如圖1所示。

1.1.2試驗臺關鍵機構設計

刮板輸送裝置是基于刮板輸送機原理設計而成，橫鋪在料箱底部機槽內，工作時在車廂機槽內循環運行，把車廂內物料刮送到車尾。由于刮料板間距影響投料均勻性，鏈條鏈節上設有多個耳朵，刮料板可通過選擇不同的耳朵來調節刮料板間距，其結構如圖2所示。投料攪龍采用螺旋對中設計，兩端攪龍螺旋方向相反，可實現兩側對稱下料；攪龍中間位置設有鏈輪，通過鏈傳動帶動攪龍轉動，提高兩側攪龍投料一致性，其結構如圖3所示。試驗臺機械結構系統采用的是料箱相對輸送皮帶運動來模擬現實撒料車自走撒料。由底座、輸送帶和帶輪滾筒3部分組成，試驗時輸送帶中間處放置在攪龍正下方。試驗臺工作時，料箱內部的物料隨著刮板輸送機轉動，被推送到車尾部投料攪龍上，輸送途中物料會受到與下方刮板輸送機轉向相反擋料棍的阻力及轉向相同撥料棍的推力；落到投料攪龍上的物料在攪龍轉動推力作用下把物料推到攪龍邊緣的帶式輸送機上，并隨著帶式輸送機轉動輸送到機尾端，其結構和位置如圖4所示。為了避免物料不足給試驗帶來的影響，在料箱箱架裝有壓力傳感器，以便對物料量進行監測。

1.箱體　2.擋料棍裝置　3.撥料棍裝置　4.刮板輸送機裝置

1.主動鏈輪　2.驅動軸　3.刮板鏈條　4.刮板

圖3　雙螺旋投料攪龍

圖4　投料與皮帶輸送示意圖

1.2信息采集系統工作原理

基于現有羊用攪龍式撒料車的結構形式及其工作方式，設計了撒料試驗臺。試驗臺以PC機作為上位機，以PLC作為下位機， PC界面是基于WindowsXP系統利用虛擬儀器軟件開發工具(labwindows/CVI)編寫而成的，可有效檢測各個性能參數同時又可作動態顯示，其原理如圖5所示。

圖5　信息采集系統原理框圖

1.3試驗臺控制系統設計

攪龍式撒料車實際工作表明：其撒料均勻性和工作效率除了受物料特性及料箱內不斷變化的物料質量影響外，還與攪龍轉速、刮板輸送機速度和刮料板間距、擋料棍轉速與安裝位置，以及撥料棍轉速與安裝位置等因素有關，為獲得其影響權重及其較優參數組合，建立了如圖6所示的控制系統。以PC機作為上位機，通過RS232/RS485與下位機(三菱PLC)連接通訊，對各個轉速扭矩進行數據采集，并對轉動中間軸進行實時扭矩動態顯示，以便為后期動靜力學分析時提高可靠受力數據。控制顯示界面是基于WindowsXP系統利用虛擬儀器軟件開發工具(labwindows/CVI)編寫而成，不僅可對試驗臺各個影響參數進行控制、顯示及對料箱物料儲存進行報警顯示，且可排除因物料不足帶來偶然影響，進一步提高試驗可靠性。

圖6　控制原理框圖

三菱PLC與PC機及其變頻器間通訊采用是Mobus現場總線通訊。由于受三菱PLC的I/O限制，不僅對影響試驗結果可行性的輸送狀態和料箱物料質量進行了狀態顯示與報警，并未對變頻器的故障等狀態進行顯示和報警。其具體I/O分配，如圖7所示。

圖7　三菱PLC通訊模型與I/O分配圖

1.4試驗臺Labwindows/CVI控制界面的設計

Labwindows/CVI控制界面主要包括主界面、測試控制界面及動態曲線顯示界面。主界面主要用于系統的初始化、數據打印、界面選擇以下部分及其系統自檢和關機。測試控制界面主要由3部分組成：①速度控制顯示區。圖8中圓形表盤為速度動態顯示指式且每個速度動態顯示正下都對應變頻調速旋鈕，可根據控制需求輸入或旋動按鈕控制電機速度。②料箱物料質量顯示區。包括料箱物料質量實時走勢圖及其對應當前的物料量。

圖8　Labwindows/CVI控制界面

基于PC機與PLC間的R485串口通訊，利用虛擬儀器軟件開發工具(labwindows/CVI)編寫動態中間軸的扭矩實時輸出曲線顯示界面；依靠labwindows/CVI提供的串口通訊函數庫，按設定的串口通訊協議，接受來自PLC的Modbus總線采集到的扭矩傳感器數據，并將顯示與曲線輸出界面中。其中，PC機與PLC間的R485串口通訊采用多點通訊，設置數據長度為8位，停止位為1位，偶校驗，傳送速率為9 600b/s。其labwindows/CVI扭矩T-t動態曲線顯示界面如圖9所示。試驗臺控制系統主要實驗原理如表1所示。

圖9　Labwindows/CVI扭矩T-t動態曲線顯示界面

名稱規格變頻器FR-F740-1.5K-CHT/2.2K-CHT/5.5K-CHT交流電機Y90L-4/1.5kw Y100L1-4/2.2kwY132S-4/5.5kW扭矩傳感器量程:20Nm,50Nm,測量精度:0.5%Fs

續表1

2結論

1)基于WindowsXP系統利用虛擬儀器軟件開發工具labwindows/CVI與PLC控制技術的結合突破了原有試驗與動態受力的不一致性。

2)為了減小試驗臺與撒料車工作狀態不一致性，本試驗臺采用原始結構特征及其工作狀態設計而成，減小了機械機構本身的試驗不精準性。

3)本試驗臺實時輸出動態扭矩曲線，可有效地為后期撒料車優化設計提供受力數據，可進一步對撒料車的總體結構及其質量分布進行改進，并為后期驗證提供了驗證平臺。

本試驗臺測控系統為羊用撒料車撒料均勻性及其結構合理性，提供了試驗平臺。同時，對影響撒料均勻性和投料量的可控因素進行實時測試控制，突破了以往僅從理論上對撒料車撒料均勻性的研究，從實際工況探討了可控因素對撒料均勻性的影響因子及各因素間參數匹配的最佳投料效果，為撒料車的高性能工作參數和結構設計提供了參考。

參考文獻：

[1]張莉,杜立新,李捷.我國肉羊業現狀及發展對策[J].草食家畜,2014(3):1-6.

[2]張杰,王曉冬,史建新,等.淺談新疆肉羊肉牛設施養殖裝備存在的問題與發展建議[J].新疆農機化,2014(5):36-38.

[3]李捷,張艷康,蘇尤力,等.新疆肉羊規模養殖與羊肉生產的發展現狀分析[J].草食家畜,2013(1):1-8.

[4]宋立權,李輝.機械性能綜合測試系統開發研究[J].機械與電子,2011(12):6-9.

[5]劉文峰,陳黎卿,張健美.秸稈粉碎機性能測試試驗臺設計[J].機械設計,2015(2):32-36.

[6]田韶鵬,陳誠.汽車機械式變速器同步器性能測試系統的研究[J].機械傳動,2014(11):111-115.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0156-EA

Design of Sheep with Material Test Bench and Test System

Shang Fengjiao, Li Jingbin, Kan Za

(College of Mechanical Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：In order to solve the problems of uneven sprinkle material and low feeding efficiency of Double Helix Caesar feeding car,while maintaining the original working conditions, a Test bench with test system is established . Based on the forming of the dragon skip，the mechanical system is designed,with labwindows / CVI as the development tool combining with PLC control technology so as to simultaneously monitor uniformity factor and its real-time dynamic key rotation axis force.The testing rig is combined with the control system to avoid inconsistency of the traditional test and the dynamic force and to provide real-time dynamic force data for the latter mechanical optimization design.

Key words：labwindows / CVI; PLC control; caesar skip

文章編號：1003-188X(2016)05-0156-04

中圖分類號：S237

文獻標識碼：A

作者簡介：尚鳳嬌(1988-)，女，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)shangfengjiaode@163.com。通訊作者：坎雜(1963-)，男，新疆精河人，教授，碩士生導師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項目：國家中小型企業創新基金項目(14C26216513810)

收稿日期：2015-04-24