壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

張愛民,廖培旺,趙新學(xué),陳明江,劉凱凱,郝延杰

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所,山東 濱州 256600;2.濱州學(xué)院 機電工程學(xué)院,山東 濱州 256600;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京 210014)

0 引言

農(nóng)作物秸稈壓捆作業(yè)是打捆機具田間作業(yè)的一項重要工序,它與農(nóng)作物秸稈物理特征參數(shù)和壓捆機構(gòu)工藝參數(shù)的關(guān)系直接影響秸稈收獲的效率和收儲運成本。農(nóng)作物秸稈壓捆試驗參數(shù)是衡量秸稈壓捆作業(yè)的重要指標(biāo),但采用打捆機直接進行田間作業(yè)獲取壓捆試驗參數(shù)時,存在收獲季節(jié)性強、田間種植情況差異大、試驗重復(fù)性大和采集的數(shù)據(jù)精度不高等問題[1-2]。因此,為獲得高精度的秸稈壓捆試驗參數(shù),一些學(xué)者研制了壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng),并對稻麥、牧草等作物秸稈進行了壓捆試驗研究[3-6],得出了影響該物料的影響機理。

目前,研究農(nóng)作物秸稈物理特征參數(shù)和壓捆機構(gòu)的工藝參數(shù)與壓捆時的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系的方式主要分為“閉式壓縮”和“開式壓縮”[7]。國內(nèi)外學(xué)者大多采用“閉式壓縮”方式研究牧草等的壓縮特性,得出了部分經(jīng)驗公式及結(jié)論[8-11]。但是,農(nóng)作物實際壓捆作業(yè)中采用的是“開式壓縮”方式,“閉式壓縮”與實際生產(chǎn)過程有較大差異。因此,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)楊明韶等將苜蓿、稻麥、牧草等作為研究對象開展了一系列的“開式壓縮”試驗研究,并得出了開式壓縮的壓縮力-密度數(shù)學(xué)模型、牧草在壓縮室內(nèi)不同位置的壓縮力與壓縮時間之間的關(guān)系,以及草片在壓縮全過程承受最大壓縮力的變化規(guī)律等[12-16]。以上研究多數(shù)采用桶式壓縮室或液壓驅(qū)動的活塞,而實際打捆機采用的是方形壓縮室和機械驅(qū)動的活塞,因此研究結(jié)論與實際生產(chǎn)存在一定偏差;研究對象為苜蓿、稻麥、牧草等軟質(zhì)農(nóng)作物秸稈[17-18],而棉稈作為一種木質(zhì)素含量較高的硬質(zhì)農(nóng)作物秸稈,力學(xué)性能不同于軟質(zhì)農(nóng)作物秸稈,硬度和剛度均比稻麥和牧草大[19]。

為此,設(shè)計了一種基于側(cè)喂入打捆機的壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng),通過采集棉稈在實際壓捆過程中的功率消耗、壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力,開展棉稈壓捆機理的基礎(chǔ)性研究,綜合分析影響棉稈壓捆質(zhì)量的影響機理,為棉稈壓捆作業(yè)和棉稈壓捆新機具的研發(fā)提供理論支持。

1 試驗平臺整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng)主要由物料輸送裝置、動力機架、液壓升降系統(tǒng)、側(cè)喂入打捆機及測試系統(tǒng)等組成,如圖1所示。壓捆試驗平臺基于常用的側(cè)喂入打捆機,其試驗數(shù)據(jù)更接近實際的壓捆作業(yè),對棉稈實際壓捆作業(yè)更有指導(dǎo)意義。

為了能夠獲取不同棉稈喂入量和壓縮頻率,物料輸送裝置和側(cè)喂入打捆機由不同的變頻電機驅(qū)動。測試系統(tǒng)主要包括扭矩傳感器、拉壓傳感器、壓縮室壓力傳感器和采集軟件等,可一次性實時采集棉稈壓捆過程的主軸扭矩和轉(zhuǎn)速、曲柄滑塊機構(gòu)的拉壓力(壓縮棉稈的壓力)及壓縮室四周的壓力信號,并將試驗數(shù)據(jù)以Excel表格和波形圖的形式保存下來,便于數(shù)據(jù)處理和分析。

為了消除棉稈壓捆過程由于側(cè)牽引打捆機的振動對試驗數(shù)據(jù)的影響,在進行試驗之前采用液壓升降系統(tǒng)將動力機架和側(cè)喂入打捆機升到同一高度。液壓升降系統(tǒng)主要包括雙作用液壓缸、手動分配閥和電動液壓站。壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),如表1所示。

1.輸送輥 2.輸送帶 3.輸送變頻器 4.扭矩傳感器 5.曲柄滑塊機構(gòu) 6.壓板 7.壓縮室壓力傳感器 8.側(cè)板 9.側(cè)喂入打捆機 10.主變頻器

表1 壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

1.2 工作原理

將預(yù)處理的棉稈平鋪到物料輸送裝置上;啟動電動液壓站,控制手動分配閥給雙作用液壓缸供油使其動作將動力機架和側(cè)牽引打捆機升到距離地面12cm處;啟動主變頻器,根據(jù)所需活塞壓縮頻率設(shè)定頻率,啟動輸送變頻器,根據(jù)喂入量設(shè)定頻率;啟動數(shù)據(jù)采集軟件,根據(jù)采集需要設(shè)定參數(shù);啟動主電機和輸送電機,達到規(guī)定壓縮頻率和喂入量后,開始采集數(shù)據(jù);按數(shù)據(jù)采集要求采集完數(shù)據(jù),先關(guān)閉輸送電機,再關(guān)閉主電機;最后,將采集的數(shù)據(jù)進行保存,并統(tǒng)計壓捆密度。壓捆試驗平臺工作流程如圖2所示。

圖2 壓捆試驗平臺工作流程

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 棉稈喂入量

棉稈喂入量是影響棉稈壓捆質(zhì)量的一個重要因素,本研究主要通過改變輸送變頻器的頻率改變棉稈喂入量,從而研究棉稈喂入量與壓捆質(zhì)量之間的關(guān)系。根據(jù)變頻電機頻率、轉(zhuǎn)速、輸送輥線速度之間的關(guān)系,得出棉稈喂入量與輸送變頻器頻率之間的關(guān)系為

(1)

式中S—棉稈喂入量(kg/s);

R—輸送輥回轉(zhuǎn)半徑(m);

W—棉稈在輸送裝置上鋪放的寬度(m);

H—棉稈在輸送裝置上鋪放的高度(m);

f—輸送變頻器設(shè)定的頻率(Hz);

ρ—試驗棉稈的密度(kg/m);

i—輸送電機主軸與輸送輥的轉(zhuǎn)速比;

p—輸送電機的極對數(shù);

s—輸送電機的轉(zhuǎn)差率。

2.2 壓縮活塞頻率

側(cè)喂入打捆機通過曲柄滑塊機構(gòu)(見圖3)對棉稈進行壓縮,其壓縮頻率是影響棉稈壓捆質(zhì)量的另一個重要因素。本研究通過改變主變頻器的頻率改變曲柄滑塊機構(gòu)的壓縮頻率。根據(jù)變頻電機頻率、轉(zhuǎn)速、主電機主軸與曲柄的轉(zhuǎn)速比,得出曲柄滑塊機構(gòu)壓縮頻率與主變頻器頻率之間的關(guān)系為

(2)

式中F—曲柄滑塊機構(gòu)壓縮頻率(Hz);

f1—主變頻器設(shè)定的頻率(Hz);

i1—主電機主軸與曲柄的轉(zhuǎn)速比;

p1—主電機的極對數(shù);

s1—主電機的轉(zhuǎn)差率。

1.曲柄 2.拉壓傳感器 3.連桿 4.壓縮活塞

3 測試系統(tǒng)

壓捆試驗平臺測試系統(tǒng)主要包括電機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 壓捆試驗平臺測試系統(tǒng)框圖

由于傳感器輸出的是4～20mA的電流信號,數(shù)據(jù)采集卡采集模擬電壓信號,之后將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸送給安裝在PC機上的數(shù)據(jù)采集軟件,實現(xiàn)信號的實時采集。因此,在傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間并聯(lián)100Ω精密電阻,將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?/p>

3.1 電機控制系統(tǒng)

電機控制系統(tǒng)主要包括主電機控制和輸送電機控制:主電機控制用來為打捆機主軸提供動力,使打捆機按照指定壓縮頻率完成壓捆作業(yè);輸送電機控制用來為輸送帶提供動力,使輸送帶按照指定線速度將物料輸送到打捆機的喂入口,確保打捆機按指定喂入量進行壓捆作業(yè)。電機控制系統(tǒng)箱內(nèi)安裝有24V直流電源,為傳感器提供激勵電源,確保傳感器能夠正常工作。電機控制系統(tǒng)電控箱如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)采集軟件:數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器信號,將傳感器的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,便于傳感器信號的可視化顯示;數(shù)據(jù)采集軟件將采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化,并自動保存為EXCEL表格,便于數(shù)據(jù)的后續(xù)分析處理,可同時采集15路信號,每路信號可根據(jù)采集需要(扭矩、轉(zhuǎn)速、拉壓力、壓力)進行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖6所示。

1.主開關(guān) 2.輸送電機控制開關(guān) 3.主電機控制開關(guān) 4.直流電源

圖6 數(shù)據(jù)采集軟件界面

1)扭矩傳感器。為了保證數(shù)據(jù)采集精度,扭矩傳感器通過彈性聯(lián)軸器安裝在主電機主軸上,且同軸度≤0.05mm。根據(jù)試驗需要,試驗平臺使用的主電機功率為55kW,主軸轉(zhuǎn)速最小為300r/min,根據(jù)式(3)計算得主軸的最大轉(zhuǎn)矩為1 750.8N·m。因此,選擇量程0～±2 000N·m的扭矩傳感器。有

(3)

式中T—主電機主軸轉(zhuǎn)矩(N·m);

P—主電機功率(kW);

n—主電機主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

2)拉壓傳感器。本研究將拉壓傳感器安裝在連桿和軸承座之間(見圖3),用來測量棉稈在壓捆過程中連桿力的變化。為正確選擇拉壓傳感器的量程,本研究采用Adams動力學(xué)仿真軟件對曲柄滑塊機構(gòu)進行動力學(xué)仿真[20-22],得出主電機在額定轉(zhuǎn)速時,連稈作用力的變化曲線,如圖7所示。為確保拉壓傳感器工作時的安全性,連桿最大作用力為18 750N(安全系數(shù)1.5),因此選擇量程0～±2.0T的拉壓傳感器。

3)壓縮室壓力傳感器。為能正確采集棉稈壓捆過程中,壓縮室三維應(yīng)力變化情況,在壓縮室左右側(cè)板對稱安裝3組壓力傳感器(稱為側(cè)板壓力傳感器);上下壓板對稱安裝2組壓力傳感器(稱為壓板壓力傳感器),且中心線與安裝在側(cè)板上的后2組壓力傳感器的中心線位于同一平面內(nèi)。壓縮室壓力傳感器如圖8所示。

圖7 連稈作用力變化曲線

1.側(cè)板(壓板)壓力傳感器外板 2.側(cè)板(壓板)壓力傳感器內(nèi)板

為確保采集的數(shù)據(jù)連續(xù)精確,壓縮室壓力傳感器與壓捆過程中的棉稈采用面接觸,且側(cè)板(壓板)壓力傳感器內(nèi)板的外表面與壓縮室側(cè)板(壓板)的內(nèi)表面平齊,如圖9所示。

圖9 壓縮室壓力傳感器的安裝

采用初步試驗的方式確定壓力傳感器量程。根據(jù)初步試驗可知,棉稈壓捆過程中,壓縮室三維受力小于4 000N,因此選擇量程0～200kg的壓力傳感器。

4 試驗

試驗在無棣縣西小王鎮(zhèn)進行,棉稈選擇當(dāng)?shù)胤N植種類最多的K836。在試驗前,對棉稈進行預(yù)處理,保證棉稈的含水率、切斷長度等條件。除此之外,為便于棉稈的鋪放,保證均勻的喂入量,試驗前將棉稈的側(cè)枝去除,只利用棉稈的主干部分進行試驗(見圖10)。

4.1 試驗方案

為研究棉稈物理特征參數(shù)(棉稈含水率、棉稈切斷長度)和壓捆機構(gòu)的工藝參數(shù)(棉稈喂入量、壓縮活塞頻率)與棉稈壓捆時的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,選取棉稈含水率、棉稈切斷長度、棉稈喂入量和壓縮活塞頻率作為試驗變量;將棉稈壓捆密度、消耗功率、壓縮活塞拉壓力和壓板(側(cè)板)壓力作為試驗指標(biāo),每個試驗變量選取4個試驗水平(見表2)[23],進行棉稈壓捆的單因素和多因素試驗[24]。試驗時,每組試驗連續(xù)壓10個捆,每個捆的數(shù)據(jù)單獨采集,壓每個捆時的力值取最大值作為壓這個捆時的最終值;最后,取10個捆的平均值作為這組試驗的力值和密度的最終值。

表2 試驗因素與水平

4.2 試驗結(jié)果與分析

設(shè)定上面的壓板為上壓板,在下的壓板為下壓板,面向打捆機分為左右兩側(cè),按照物料沿壓縮室流動的反向分為前后,如圖11所示。因此,壓板壓力傳感器分為上前、上后、下前及下后4個壓板壓力傳感器;側(cè)板壓力傳感器分為右前、右中、右后、左前、左中及左后6個壓板壓力傳感器。

圖11 方向指示圖

4.2.1 單因素試驗

采用控制變量法進行單因素試驗時,固定含水率(15%)、喂入量(2.5kg/s)、壓縮頻率(80Hz)、切斷長度(20cm)的其中3個及另一個在確定的試驗水平中變化。

1)含水率15%、喂入量2.5kg/s、壓縮頻率80Hz時,棉稈切斷長度變化時的試驗結(jié)果如圖12所示。

分析可知:棉稈在壓捆過程中,棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側(cè)板的壓力均為前面最大,中間最小;對左側(cè)板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率成正相關(guān),且在棉稈切斷長度為30cm時最大;棉稈切斷長度≤25cm時,壓捆密度、消耗功率與棉稈切斷長度成負(fù)相關(guān)。

由于棉稈切斷長度為25cm時,在壓捆過程中,壓縮室整體壓力、壓縮活塞拉壓力、消耗功率均最小,且壓捆密度相差不大。因此,在其他條件不變時,進行棉稈壓捆,棉稈切斷長度為25cm是比較理想的。

2)含水率15%、壓縮頻率80Hz和切斷長度為20cm時,棉稈喂入量變化時的試驗結(jié)果如圖13所示。

分析可知:棉稈在壓捆過程中,棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側(cè)板的壓力均為前面最大,中間最小;對左側(cè)板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率成正相關(guān),與喂入量成反相關(guān),且在喂入量為1.5kg/s時最大;消耗功率與喂入量成負(fù)相關(guān)。

由于棉稈喂入量為3.5kg/s時,在壓捆過程中,壓縮室整體壓力、消耗功率均最小,且壓縮活塞拉壓力也比較小,壓捆密度相差不大。因此,在其他條件不變時,進行棉稈壓捆,棉稈喂入量為3.5kg/s是比較理想的。

圖12 棉稈切斷長度變化時的單因素試驗結(jié)果

圖13 喂入量變化時的單因素試驗結(jié)果

3)含水率15%、喂入量2.5kg/s和切斷長度為20cm時,壓縮頻率變化時的試驗結(jié)果如圖14所示。

分析可知:棉稈在壓捆過程中,棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側(cè)板的壓力均為前面最大,中間最小;對左側(cè)板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與消耗功率、喂入量均成反相關(guān),且在壓縮頻率為80Hz時最大;消耗功率與壓縮頻率成正相關(guān)。

由于壓縮頻率為90Hz時,在壓捆過程中,消耗功率最小、壓捆密度最大,且壓縮室壓力、壓縮活塞拉壓力也較小。因此,在其他條件不變時,進行棉稈壓捆,壓縮頻率為90Hz是比較理想的。

圖14 壓縮頻率變化時的單因素試驗結(jié)果

4)喂入量2.5kg/s、壓縮頻率80Hz和切斷長度為20cm時,含水率變化時的試驗結(jié)果如圖15所示。

分析可知:棉稈在壓捆過程中,棉稈捆對上壓板和下壓板的壓力均由前向后增大;對右側(cè)板的壓力均為前面最大,中間最小;對左側(cè)板的壓力均由前向后逐漸減小;壓捆密度與含水率成正相關(guān)相關(guān),且在含水率為30%時最大;棉稈含水率≤25%時,壓捆密度與消耗功率成正相關(guān)、消耗功率與含水率成正相關(guān);壓縮活塞拉壓力與含水率成正相關(guān)。

由于含水率為30%時,在壓捆過程中,消耗功率最小、壓捆密度最大,且壓縮室整體壓力、壓縮活塞拉壓力相差不大。因此,在其他條件不變時,進行棉稈壓捆,含水率為30%是比較理想的。

圖15 含水率變化時的單因素試驗結(jié)果

分析圖12～圖15可知:不管在何種工況條件下,棉稈壓捆過程中,壓縮室左右兩側(cè)板前端所受的壓力遠(yuǎn)大于中部和后面的壓力。因此,為延長側(cè)喂入打捆機的使用壽命,壓縮室左右側(cè)板的前端必須使用加強筋進行加強。壓縮室壓力由前向后的變化趨勢與棉稈的切斷長度、喂入量、含水率和壓縮活塞的壓縮頻率無關(guān)。

4.2.2 多因素試驗

試驗選取了4個因素,每個因素又選取了4個水平(見表2),如果采用全面試驗法進行試驗,則需要進行256次試驗,將使試驗的工作量很大。因此,為保證多因素試驗的高效性、全面性及準(zhǔn)確性,本研究采用4因素4水平的正交試驗設(shè)計進行多因素試驗[25],僅需進行16次試驗。正交試驗設(shè)計如表3所示。

根據(jù)表3中的試驗因素、水平組合進行多因素正交試驗,得到壓縮活塞拉壓力、壓縮室壓力和壓捆密度的試驗結(jié)果,對試驗結(jié)果進行極差分析(見表4),比較各因素對各試驗指標(biāo)的影響程度(見表5)[26]。

表3 正交試驗設(shè)計

續(xù)表3

分析表5可知:棉稈壓捆過程中,各因素對壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力影響最大的是棉稈切斷長度,其次為含水率,喂入量和壓縮頻率對其影響差不多;各因素對壓捆密度影響程度從大到小依次為含水率、棉稈切斷長度、壓縮頻率、喂入量。

由于棉稈壓捆密度是衡量棉稈壓捆質(zhì)量最重要的指標(biāo),有必要確定各因素影響棉稈壓捆密度的優(yōu)組合。

通過計算每個因素的第j個水平的均值[27],得出:當(dāng)含水率為30%、喂入量為2.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、棉稈切斷長度為20cm時棉稈壓捆密度最好。

表4 正交試驗極差分析

表5 各因素對各試驗指標(biāo)的影響程度

5 結(jié)論

1)設(shè)計的壓捆試驗平臺及其測試系統(tǒng)基于常見的側(cè)喂入打捆機,可一次性實時采集棉稈壓捆過程的主軸扭矩和轉(zhuǎn)速、曲柄滑塊機構(gòu)的拉壓力(壓縮棉稈的壓力)及壓縮室四周的壓力信號,并將試驗數(shù)據(jù)以Excel表格和波形圖的形式保存下來,便于數(shù)據(jù)的處理和分析。

2)單因素試驗結(jié)果表明:棉稈切斷長度為25cm、喂入量為3.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、含水率為30%時,棉稈進行壓捆作業(yè)時,功率消耗、壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力相對較小,且壓捆密度相對較大。

3)多因素正交試驗結(jié)果表明:各因素對壓縮活塞拉壓力和壓縮室壓力影響最大的是棉稈切斷長度,其次為含水率,喂入量和壓縮頻率對其影響差不多。各因素對壓捆密度影響程度從大到小依次為:含水率、棉稈切斷長度、壓縮頻率、喂入量。

4)試驗結(jié)果表明:當(dāng)含水率為30%、喂入量為2.5kg/s、壓縮頻率為90Hz、棉稈切斷長度為20cm時,棉稈壓捆密度最好。