棉籽機械脫絨測控系統試驗分析

陳 強，王國峰，王天佐，王 赫，韓 寧

（石河子開發區天佐種子機械有限責任公司，新疆石河子市832014）

1 棉籽機械脫絨測控系統

為實現棉籽機械脫絨裝置的自動化控制，設計了棉籽脫絨機測控系統，如圖1。

棉籽脫絨測控系統主要包括傳感器、電動推桿、PLC 等，可完成中間級和末級滾筒運動狀態監測，實現滾筒的轉矩自動控制以及出料口的開度自動控制。

控制方式由三級轉矩轉速傳感器分別獲得各級滾筒的實時轉矩轉速信息，PLC 的數據采集模塊將所獲得的傳感器脈沖信號進行轉換處理得到實時地轉矩和轉速信息，控制器根據轉速轉矩判定滾筒的實時工作負荷，并根據滾筒的負荷來控制進料量和出料量，以保證各滾筒的工作負荷均勻。

脫絨滾筒的工作負荷是影響脫絨效果的關鍵因素之一。若負荷過重容易導致脫絨滾筒發生阻塞，種子在內部被過度摩擦，在給驅動電機造成嚴重影響的同時，也會導致種子由于摩擦使表面溫度急劇上升影響品質并且使破碎率升高；若負荷過小，則滾筒處于不飽和工作狀態，影響加工效率并且也容易出現棉種在內部脫絨不充分的情況。因此，在脫絨加工過程中，對滾筒工作負荷進行在線監控對于提高脫絨效率，改善脫絨品質具有重要意義。判斷工作負荷最直接有效的方法是對滾筒工作的轉矩和轉速進行在線監測。

經過特殊定制的應變式扭矩傳感器，在被測彈性軸上將專用的測扭應變片用應變膠粘貼上組成應變橋，通過特殊環形變壓器的能源輸入給應變橋提供電源，即可得到彈性軸受扭的信號，然后將該信號通過信號放大器放大，經電壓/頻率（V/F）轉換，使其受到的扭矩值與測到的頻率值成正比關系，最后通過特殊環形變壓器輸出其頻率信號（原理框圖如圖2）。

由于棉籽脫絨機的工作負荷對于脫絨棉籽的品質具有重要影響。過大或過小都會對脫絨作業造成不利影響。因此，需控制棉籽脫絨機的工作負荷處于一定的范圍內，以保證脫絨棉籽的質量。根據試驗分析，棉籽脫絨機在工作時，三級滾筒的工作負荷相差較大。第一級滾筒在棉籽由進料口進入滾筒內后，經初步脫絨后很快進入第二級滾筒，其工作負荷相對較小，且較為穩定；二級滾筒與一級滾筒基本類似。第三級滾筒受出料口開度影響，其工作負荷最大。因此需要通過出料口開度自動調節完成第三級脫絨滾筒負荷的控制。

2 影響棉籽機械脫絨性能分析

為了確定棉籽脫絨裝置的工作性能，研究了棉籽脫絨測控系統的優化策略，對所試制的棉籽脫絨裝置進行了一系列影響性能試驗分析。

2.1 出料口開度

棉籽脫絨機的出料口開度對脫絨滾筒的工作負荷有顯著影響。開度過大，脫絨滾筒工作負荷變小，部分棉籽未經充分脫絨后排出，造成殘絨率過高。開度過小，則會使滾筒負荷加重，棉籽在滾筒內被過度摩擦，使破碎率增大。因此需要通過試驗研究出口開度與滾筒負荷、棉籽破碎率及殘絨率的關系。試驗中人為設定出料擋板處于不同的出口位置，記錄穩定狀態下兩級滾筒的轉矩值，同時從出料口取樣，以人工方法確定樣品的殘絨率和破碎率，試驗結果見表1。

表1 出料口開度試驗分析結果

從表1 可以看出，隨著出料口開度的減小，末級滾筒和中間滾筒的轉矩逐漸增大，出料種子的殘絨率降低，破碎率升高。分析其原因主要是由于開度減小后，棉籽出料量減少，滾筒內部脫絨腔內棉籽增多導致滾筒負荷增大，從而使滾筒的轉矩增大。由于棉籽在滾筒內部停留時間加長，且與滾筒刷接觸充分，因此其殘絨率下降，當開度減小到一定程度時，由于滾筒負荷過大，棉籽在脫絨腔內部摩擦過度，從而導致破碎率顯著升高。

2.2 滾筒開度

本試驗主要是驗證測控系統開度控制功能的實際工作效果，檢驗開度調節的隨動性。依次設定出料口期望開度分別為30 mm、63 mm、96 mm 及129 mm，在設定完成后啟動測控系統的開度自動控制功能，待出料口開度固定后，人工測量出料口實際開度，并與期望開度比較，試驗結果見表2。

從表2 中可以看出，出料口開度的調節精度較高，其最大誤差僅為1 mm，這也為后續實施高性能的轉矩控制奠定基礎。

表2 滾筒開度調節測試結果

2.3 滾筒轉矩

末級滾筒的轉矩變化反映了脫絨裝置的實時負荷。在實際生產中，應盡量保證末級滾筒的工作負荷保持在一個較優化的狀態，為此針對所設計的末級脫絨滾筒轉矩的自動控制系統進行了性能測試。

試驗時，首先設定啟動棉籽機械脫絨機并使其工作于正常狀態，啟動棉籽機械脫絨機測控系統，并在上位機設定期望轉矩。為了檢驗轉矩控制的動態性能，首先設定期望轉矩為140Nm。觀察出料口開度變化及滾筒轉矩變化。待滾筒轉矩基本穩定后，可得到滾筒轉矩變化的響應曲線如圖3。

從圖3 中可以看出，滾筒的轉矩能夠較快的跟隨設定值的變化，且穩態誤差小，達到期望的控制效果。

3 結論

為進一步確定棉籽機械脫絨系統的控制效果，通過多次試驗并結合表1 數據，初步設定優化后的末級滾筒轉矩為85 Nm，在達到期望轉矩后，采集出料口樣品，并人工測量樣品棉籽的破碎率，三次試驗的棉籽平均破碎率為1.8%。這也表明棉籽機械脫絨測控系統能夠較好地對滾筒的負荷進行調節，并且具有良好的控制效果。