打結器連續打結試驗方法與疲勞試驗臺設計

尹建軍 王新新 高 強

(江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，鎮江 212013)

打結器連續打結試驗方法與疲勞試驗臺設計

尹建軍 王新新 高 強

(江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，鎮江 212013)

針對國內缺乏打結器連續打結的性能測試與疲勞試驗系統，模擬方捆機捆草作業過程，提出了一種打結器連續打結試驗方法與疲勞試驗臺設計方案。通過設計可模擬草捆回彈特性的拉繩裝置使其在水平面按矩形軌跡拉繩，在繩針送繩動作配合下在垂直面形成矩形繩環，使受測試的打結器完成打結。試驗臺循環實現拉繩-送繩-打結動作，同時測試打結過程中的捆繩張力、主軸轉矩和主軸轉角。按此方案在Solidworks下建立了試驗臺機械系統三維模型，并對關鍵部件進行選型。構建了試驗臺參數測量與運動控制系統，基于拉繩-送繩-打結動作邏輯設計了試驗臺控制流程，采用LabVIEW圖形化編程語言編寫了測試與控制程序。打結器疲勞試驗臺的運行試驗結果表明，該試驗臺機械系統與測控系統運行可靠，連續打結效率為3個/min，可為打結器研發及短時疲勞壽命考核提供試驗平臺。

打捆機； 打結器； 試驗臺； 控制； 疲勞試驗

引言

打結器成結率與可靠性是評價打結器性能的重要指標，尤其是研發或量產打結器時特別需要連續測試打結器成結率與可靠性的設備。當前對打結器的研究主要集中在：D型打結器的成結動作過程仿真與解析[1-5]、打結器支架等關鍵部件的結構參數逆向重建[6-7]、打結器空間參數分析[8-9]、打結器執行機構分析[10-15]、打結器參數優化與新型打結器研發[16-18]。對打結器試驗系統研究較少，已開發的打結器試驗系統[19]僅能在人工輔助下打結，可通過研究打結器動作過程進行打結原理驗證，但不能實現自動連續打結試驗，且測量參數少，難以滿足在實驗室模擬方捆機上萬次捆扎草捆進行連續打結試驗研究的功能要求。

本文針對研發或量產打結器過程中缺乏試驗設備進行打結器連續測試的問題，提出一種打結器連續打結試驗方法，據此設計一種能模擬方捆機捆扎草捆的打結器疲勞試驗臺，可開展打結器打結原理驗證、打結動作時序測試、成結率檢測與短時連續疲勞試驗，為打結器性能測試與核心技術自主化提供試驗裝置。

1 連續打結試驗方法

方捆機捆扎草捆之前，繩針先將第一股捆繩送至打結器的夾繩器夾緊，之后物料通過撿拾機構輸送至壓捆室，在壓捆室活塞的作用下，物料擠壓第一股捆繩，并沿著成捆室出口移動，捆繩逐漸張緊并從繩卷拉出逐漸包絡草捆，如圖1a所示。

圖1 方草捆形成過程示意圖Fig.1 Sketch of forming square type of straw bale1.活塞 2.壓捆室 3.夾繩器 4.草捆 5.繩針 6.捆繩 7.送繩桿

當草捆達到設定長度時，草捆長度控制機構動作，打結主軸傳遞動力，帶動送繩機構的繩針將第二股捆繩送至打結器的夾繩器處，打結器依序完成夾繩-繞扣-鉗咬-割繩-脫扣動作，形成“φ”狀繩結，如圖1b所示。

當繩針回落到初始位置時，第二股捆繩被夾繩器夾持，繼續被壓縮草片擠壓，第二股捆繩搭接在打結嘴上，變為第一股捆繩，為下一個草捆自動捆扎做準備，如圖1c所示。

由于試驗臺不設計物料喂入，根據上述方捆機連續捆草的工作循環特點，需要模擬草捆擠壓捆繩的縱向移動。為了打結能夠循環進行，在下一次打結之前，需要模擬草捆橫向移動以避開處于初始位置的捆繩。為此，模擬草捆設計為一個拉繩裝置，其運動軌跡在水平面內為矩形，完成上述所需的橫、縱兩個方向的移動，如圖2a所示。拉繩裝置采用3個滾輪來模擬草捆對捆繩的支撐作用，在繩針送繩動作配合下在垂直面形成矩形繩環，如圖2b所示。

圖2 打結器疲勞試驗臺拉繩運動設計Fig.2 Rope-pulling motion design of knotter fatigue test bench

考慮到草捆被壓縮后具有回彈特性，拉繩裝置的3個滾輪不應設計為剛性結構，左側單個滾輪固定在拉繩裝置上，右側兩個滾輪采用導軌滑塊、拉簧和限位塊組成可伸縮運動的支撐結構，使左側單個滾輪與右側兩個滾輪之間產生相對移動，用來模擬打結時草捆的回彈特性，如圖3所示。

圖3 模擬草捆回彈特性的拉繩裝置簡圖Fig.3 Sketch of rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale1.導軌 2.后部滾輪 3.滑塊 4.拉簧 5.橫梁

通過設計可模擬草捆回彈特性的拉繩裝置使其在水平面按矩形軌跡拉繩，模擬圖1a所示的草捆擠壓捆繩過程。在繩針送繩動作配合下在垂直面形成矩形繩環，使受測試的打結器完成打結，完成圖1b與圖1c所示的捆扎動作。試驗臺可循環實現拉繩-送繩-打結動作，達到可連續打結的試驗要求。

2 試驗臺機械系統設計

根據上述打結器連續打結試驗過程設計，打結器疲勞試驗臺的機械系統主要包括動力驅動系統、主軸傳動系統、十字滑臺、模擬草捆回彈特性的拉繩裝置、捆繩預緊力調節裝置和送繩機構等組成，如圖4所示。

圖4 打結器疲勞試驗臺的結構組成Fig.4 Structure composition of knotter fatigue test bench1.控制柜 2.控制按鈕 3.行程開關 4.拉力傳感器 5.模擬草捆回彈特性的拉繩裝置 6.十字滑臺裝置 7.送繩機構 8.捆繩預緊力調節裝置 9.繩卷 10.扭矩傳感器 11.打結器 12.編碼器 13.鏈傳動裝置 14.電磁離合器 15.錐齒輪 16.變頻調速電動機 17.顯示器

試驗臺動力驅動與主軸傳動系統如圖5所示，變頻調速電動機(永坤WCM28-1500-20S型)通過一對錐齒輪將動力傳至電磁離合器(仟岱CDB010AA型)，電磁離合器再將動力通過鏈傳動驅動打結器軸系轉動。安裝在打結器軸系上的扭矩傳感器與編碼器分別獲取打結器動作時的扭矩與打結主軸轉角，為控制電磁離合器通斷提供判斷信號。

圖5 動力驅動與主軸傳動系統Fig.5 Power drive and transmission system of main shaft1.編碼器 2、4、6.軸承座 3.打結器 5.扭矩傳感器 7.送繩曲柄 8.電磁離合器 9.變頻調速電動機 10.錐齒輪

模擬草捆回彈特性的拉繩裝置如圖6所示，拉繩滾輪1和拉繩滾輪2固定在滑塊上，一端固定在橫梁上的拉簧與滑塊連接，使右側兩個滾輪沿固結在橫梁上的導軌縱向移動，左側單個滾輪與橫梁固定。拉繩時拉繩裝置從左向右移動，滾輪組被壓縮，拉簧伸長，繩圈后移，模擬捆繩被草捆擠壓的過程。打結開始時繩針將捆繩送至打結器的夾繩器處，滾輪組繼續被壓縮。打結器繞扣時滾輪組再次被壓縮，打結器脫扣時滾輪組被放松回至原位，模擬了被壓縮的草捆捆扎過程的回彈特性。拉繩裝置中設置拉力傳感器，與右側下方的拉繩滾輪2連接，用來采集拉繩與打結過程中的捆繩拉力。

圖6 模擬草捆回彈特性的拉繩裝置Fig.6 Rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale1.捆繩 2.直線滑軌 3.滾輪支撐板 4.拉繩滑塊 5.拉繩滾輪1 6.拉簧 7.橫向絲杠螺母 8.橫向運動滑塊 9.橫向運動板 10.拉繩滾輪2 11.壓力傳感器 12.拉繩橫梁 13.拉繩滾輪3

十字滑臺如圖7所示，由橫向和縱向布置的步進電動機(億星110J18135EC-1000型)驅動的絲桿、螺母、直線導軌與滑塊組成，步進電動機與絲杠通過聯軸器直連?？v向運動板固結滑塊和螺母，在縱向絲杠與螺母形成的螺旋副驅動下縱向運動板沿固結在機架上的縱向直線導軌移動。橫向布置的步進電動機驅動螺旋傳動，與直線導軌滑塊均布置在縱向運動板上，橫向運動板固結滑塊和螺母，在橫向絲杠與螺母形成的螺旋副驅動下橫向運動板沿固結在縱向運動板的橫向直線導軌移動。模擬草捆回彈特性的拉繩裝置通過橫梁固定在橫向運動板上。這樣，拉繩裝置可按圖2a所示的矩形軌跡運動。為了補償絲杠傳動的運動誤差，并感知運動板移動極限位置，在橫向和縱向的正反方向設置4個行程開關，為控制十字滑臺運動提供限位信號。

圖7 十字滑臺結構組成Fig.7 Structure composition of cross sliding table1.縱向步進電動機 2.縱向絲杠 3.縱向直線滑軌 4.橫向直線滑軌 5.縱向運動板 6.橫向步進電動機 7.行程開關1 8.橫向運動板 9.行程開關2 10.行程開關3 11.橫向絲杠12.模擬草捆回彈特性的拉繩裝置 13.行程開關4

3 試驗臺測試與控制系統設計

3.1 試驗臺測試與控制系統組成

如圖8所示，試驗臺測試與控制系統主要由工控機(研華IPC-610L型)、4軸通用步進脈沖伺服電機運動控制卡(研華PCI-1245L型)、數據采集卡(研華PCI-1710U型)、驅動器(億星3HSS2208H型)、絕對值型旋轉編碼器(歐姆龍E6C3-AG5C 1024P/R型)、動態扭矩傳感器(金諾JN-DN200型，量程200 N·m)、壓力傳感器(隆順NJLS-1型，量程50 kg)、行程開關(歐姆龍WLD-Q型)、繼電器和按鈕組成。

圖8 試驗臺測試與控制系統組成Fig.8 Composition of measurement and control system of test bench

為參數采集、存儲與界面顯示以及控制結構簡化，試驗臺測控系統采用研華工控機拓展4軸運動控制卡連接步進電動機伺服器，控制十字滑臺中橫向和縱向步進電動機。采用研華數據采集卡來采集按鈕、行程開關、旋轉編碼器、壓力傳感器、扭矩傳感器的電壓信號，并通過數據采集卡的輸出端口控制繼電器線圈吸合與斷開，從而控制電磁離合器的通斷。

3.2基于拉繩-送繩-打結動作邏輯的試驗臺控制流程設計

按照連續打結試驗方法提出的拉繩-送繩-打結的循環工作過程[20]，當試驗臺啟動后，首先判斷十字滑臺是否在基準位置，若不在預設初始位置，則工控機的測試與控制程序發出指令給伺服器使步進電動機驅動十字滑臺裝置回到起點位置，即起點位置側的兩個行程開關均有接觸信號。然后，十字滑臺按矩形軌跡移動，依次采集行程開關判斷橫向、縱向運動板是否到達極限位置，同時通過拉力傳感器獲取捆繩拉力大小，判斷是否成功拉繩。拉繩成功后，控制程序發出指令給繼電器使電磁離合器接合，調速電動機的動力傳遞給打結主軸軸系，驅動送繩機構送繩到打結器，受測打結器完成打結，同時扭矩傳感器采集主軸扭矩、編碼器采集主軸轉角，并判斷打結是否成功。打結器疲勞試驗臺控制流程如圖9所示，測試與控制程序采用LabVIEW提供的圖形化編程語言編寫?？紤]到試驗臺調試需要，設計了手動與電動切換旋鈕，當旋鈕置于手動擋位時，程序響應“前、后、左、右”4個瞬動型按鈕的通斷信號，使十字滑臺移動。

具體實現過程如下：按照十字滑臺運動的先后順序分為橫向運動板負向移動、縱向運動板負向移動、橫向運動板正向移動和縱向運動板正向移動(以遠離步進電動機的方向為負，靠近步進電動機方向為正)。為了精確定位十字滑臺的停止位置，并縮短運動時間，步進電動機采用加速—勻速—減速運動模式。運動板觸碰行程開關之后步進電動機停止轉動，表示完成該方向的運動。

由于電磁離合器線圈吸合有時間延遲，經過試驗確定電磁離合器的線圈吸合延遲時間為0.15 s，打結器主軸需要準確地停止在初始位置，則需要對電磁離合器斷開制動的判斷角度進行補償。根據電動機轉速以及鏈輪傳動比計算得到主軸角速度，其表達式為

(1)

式中z1——主動鏈輪齒數

z2——從動鏈輪齒數

n1——變頻電動機轉速

ω——打結器主軸角速度

圖9 打結器疲勞試驗臺控制流程圖Fig.9 Control flow chart of knotter fatigue test bench

將n1=71 r/min、z1=13、z2=19代入式(1)，得出ω=291.47(°)/s，則需要補償的角度為

θ=0.15×291.47=43.72°

即電磁離合器在主軸轉角達到316.28°時控制程序發出電磁離合器斷開制動指令。

十字滑臺完成拉繩動作后，控制系統判斷主軸旋轉角度是否小于100°，若小于100°則繼續采集主軸轉角，再判斷主軸旋轉角度是否大于等于316.28°，若大于等于該角度則控制電磁離合器閉合，完成打結動作。若打結器正常脫扣，此時拉力傳感器拉力理論上為零，出于安全考慮，設置控制系統拉力判斷條件為10 N，檢測打結器是否打結成功。在打結完成以后，若捆繩拉力大于10 N，表明打結器脫扣不成功，捆繩纏繞在打結嘴上，此時控制系統報警且停止程序；若捆繩拉力小于10 N則循環運行程序，進入下一個打結循環。

4 試驗臺運行試驗

4.1 試驗臺功能測試

通過外購件采購、自制零件加工和測控程序調試，安裝完畢的試驗臺如圖10所示。

圖10 打結器疲勞試驗臺Fig.10 Knotter fatigue test bench

為了測試設計的打結器疲勞試驗臺功能和性能指標，采用德國Rasspe公司的D型打結器作為受測打結器，安裝在試驗臺主軸軸系上。試驗臺運行過程如圖11所示。

圖11 打結器疲勞試驗臺運行過程Fig.11 Running processes of knotter fatigue test bench

圖12 打結主軸扭矩和捆繩拉力波形圖Fig.12 Torque oscillogram of main shaft of knotter and tension force oscillogram of rope

打結試驗采集到的捆繩拉力和主軸扭矩變化曲線如圖12所示，打結主軸扭矩和捆繩拉力的變化趨勢同步，表明打結主軸扭矩與捆繩施加給打結嘴的負載呈正相關。捆繩預緊力調節裝置對捆繩的夾緊程度影響送繩階段的捆繩拉力，在打結階段打結嘴的載荷主要由拉繩裝置的拉簧剛度決定。根據測得的打結主軸扭矩和捆繩拉力，可以為打結器成結過程的動力學分析提供驅動力矩和打結載荷，借助ADAMS軟件可對錐齒輪和蝸桿傳動、繞扣機構、脫扣機構進行動力學分析，從而為打結嘴等關鍵零件的疲勞強度分析提供計算依據。

試驗中測得十字滑臺的縱向滑塊單程運動時間為4.5 s，橫向滑塊單程運動時間為3.5 s，模擬草捆運動過程總時間為16 s，電磁離合器開閉時間和主軸轉動時間為2 s，合計完成一個打結循環所用時間為18 s。據此，該試驗臺打結效率達到3個/min，十字滑臺最大移動速度為0.125 m/s，打結器主軸停止角度精度360°±3°。對試驗臺進行600次重復打結試驗，試驗臺連續打結成功，未有不打結或打結器主軸多次轉動的情況出現，表明試驗臺測控系統與機械系統設計正確，滿足連續打結的疲勞測試要求。

4.2 打結器時序測試

利用試驗臺能夠實現測量打結主軸轉角的功能，對德國Rasspe公司D型打結器動作時序進行測試，為打結器研發提供參考數據。

利用試驗臺手動轉動搖柄驅動打結主軸軸系轉動，記錄打結器從夾繩開始、送繩到最高點、繞扣開始、繞扣90°、繞扣180°、鉗咬開始、鉗咬開口最大角度、鉗咬完成、夾繩結束、割繩脫扣結束等關鍵動作的主軸轉動角度，如圖13所示，分圖題中括號內角度值表示打結器主軸轉角。據此繪制的D型打結器動作時序圖如圖14所示。

4.3 雙齒盤驅動打結器疲勞試驗

如圖15所示，將課題組研發的雙齒盤驅動打結器[16-17]安裝在試驗臺上，進行連續打結試驗，檢驗雙齒盤驅動打結器的成結率和零件疲勞壽命[21]。通過捆繩預緊力調節裝置調整捆繩拉力大小，實現對雙齒盤驅動打結器的打結嘴加載。試驗過程中，捆繩拉力在120～200 N之間。試驗中發現捆繩拉力超過200 N，試驗臺停止工作，導致打結中斷，原因為捆繩預緊力過大，送繩時打結主軸扭矩過大，超過電磁離合器傳遞扭矩，此時控制系統自動斷開電磁離合器，對試驗臺進行過載保護。10 000次的打結試驗結果表明雙齒盤驅動打結器成結可靠，成結率100%，試驗臺整體運行良好，測控程序工作可靠，機械系統未有損壞。

后期課題組將持續對雙齒盤打結器開展疲勞試驗，檢測打結器是否滿足打結器標準中規定的60 000次無故障要求。

圖13 D型打結器時序試驗Fig.13 Timing sequence test of D-knotter

圖14 D型打結器時序圖Fig.14 Timing sequence chart of D-knotter

5 結束語

提出了實驗室條件下能夠模擬方捆機田間作業的打結器連續試驗方法與疲勞試驗臺設計方案，可模擬草捆回彈特性，捆繩施加給打結嘴的載荷可調可測，試驗臺運行試驗表明，試驗臺機械系統和測控系統設計運行可靠，基于拉繩-送繩-打結動作邏輯的試驗臺控制流程設計正確，連續打結效率為3個/min，可為打結器研發及短時疲勞壽命考核提供試驗平臺。

圖15 雙齒盤驅動打結器疲勞試驗Fig.15 Fatigue tests of knotter driven by double gear-discs

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18 尹建軍,張萬慶,陳亞明,等.打結器夾繩-繞扣-鉗咬動作參數分析與打結試驗[J/OL].農業機械學報, 2015, 46(9): 135-143.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150920&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.09.020.

YIN Jianjun, ZHANG Wanqing, CHEN Yaming, et al.Parameters analysis of rope-holding motion, knot-winding motion, rope-biting motion of knotter and knotting tests[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9):135-143.(in Chinese)

19 布庫, 萬其號, 李巖, 等.打結器試驗臺的設計[J].機械設計與制造, 2010, 8(8): 37-39.

BU Ku, WAN Qihao, LI Yan, et al.Design of D-knotter test-bench[J].Machinery Design & Manufacture, 2010, 8(8): 37-39.(in Chinese)

20 高強.基于剛柔接觸動力學的打結器設計方法與打結試驗研究[D].鎮江：江蘇大學, 2016.

GAO Qiang.Research on design method of knotter based on rigid-flexible contact dynamics and knotting test [D].Zhenjiang: Jiangsu University, 2016.(in Chinese)

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CHEN Yaming.Wear resistant design and experimental research of trip mechanism of knotter[D].Zhenjiang: Jiangsu University, 2016.(in Chinese)

ContinuousKnot-tyingTestMethodofKnotterandKnotterFatigueTestBenchDesign

YIN Jianjun WANG Xinxin GAO Qiang

(KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In view of lack of continuous knot-tying performance test and fatigue test system of knotter in China, a kind of continuous knot-tying test method of knotter and design scheme of knotter fatigue test bench were proposed to simulate straw-bundling processes of square baler.By designing a rope-pulling device which can simulate springback characteristic of straw bale, the device moved on horizontal plane to pull rope according to rectangle path, and a rectangle rope ring was formed on vertical plane in cooperation with rope-sending motion of rope needle, and the tested knotter finished knot-tying.The test bench realized rope-pulling, rope-sending and knot-tying motion circularly, and tension force of the rope, torque and rotation angle of the main shaft can be measured at the same time.3D model of mechanical system of the test bench was established under the software of Solidworks according to the proposed scheme, and type selection of its key parts was done.Parameters measurement and motion control system of the test bench was built up, and control flow of the test bench was designed on the basis of the logic among rope-pulling, rope-sending and knot-tying motion.Graphical programming language of LabVIEW was used to program the measurement and control program of the test bench.The running test results of knotter fatigue test bench showed that the mechanical system, measurement and control system of the test bench worked reliably, and continuous knot-tying efficiency of the test bench reached three knots per minute.The test bench may provide a test platform for knotter development and short-term fatigue life evaluation of knotter.

baler； knotter； test bench； control； fatigue test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.010

S225.2+2； TP391.9

A

1000-1298(2017)10-0084-08

2017-02-07

2017-03-26

國家自然科學基金項目(51375215)、國家重點研發計劃項目(2016YFD0701700)和江蘇高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦發[2014]37號)

尹建軍(1973—)，男，研究員，博士，主要從事收獲機械集成設計與農業機器人技術研究，E-mail：yinjianjun@ujs.edu.cn