青貯收獲機動定刀間隙自動調節裝置與控制系統研究

陳美舟 徐廣飛 宋志才 魏懋健 刁培松 辛世界

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；2.山東理工大學機械工程學院，淄博 255000)

0 引言

動刀與定刀間隙直接影響玉米青貯收獲機切碎裝置對作物的切碎質量[1-2]。間隙過大，作物易被滯留在間隙內，導致切割作物的摩擦力增加，動刀易出現打滑，使作物被拉斷而非切斷[3]，造成斷面不齊，切段長度增加[4]；間隙過小，安裝難度增加，易打刀，影響正常青貯作業，甚至出現安全問題[5-8]，因此，準確調節動定刀間隙至關重要。

歐美發達國家對青貯收獲技術與關鍵裝備的研究起步較早，以科樂收、凱斯和紐荷蘭為代表，已經實現對動定刀間隙的自動調整與控制，紐荷蘭的FX系列自走式青貯收獲機，裝配有Adjust-O-Matic自動控制系統，駕駛員通過顯示屏設定間隙后，控制系統按照設定指令自動調節間隙，智能化水平高，但價格昂貴，受切碎裝置結構與整機配置關系的影響，并不適合國內青貯收獲機，因此未見相關推廣應用[9-10]。近年來，我國大力支持青貯產業，國產青貯收獲機得以快速發展。國產青貯收獲機在磨削動刀或更換動刀后，依賴人工手動調節間隙，調節精度非常低，同時復雜繁瑣的操作過程增加了操作者的勞動強度，甚至延誤農時[11-12]。因此，迫切需要研制一種動定刀間隙調節裝置并實現精準自動控制，提升國產青貯收獲裝備的自動化水平。

本文針對人字形排布的平板式動刀與定刀的間隙調節要求，提出先接觸后退刀的研究思路，設計一種電驅搖臂偏心式動定刀間隙調節裝置，分別安裝在切碎裝置兩側，定刀在左、右兩側間隙調節搖臂的帶動下先“接觸”動刀使間隙“清零”，后退定刀重新調節間隙至設定值；設計基于振動加速度傳感器的間隙調節控制系統，通過臺架試驗驗證間隙自動調節裝置及控制系統對左、右兩側間隙同步調節的精準性。

1 間隙調節原理

為將動定刀間隙準確調節至設定值，提出先接觸后退刀的間隙調節思路。首先使定刀靠近動刀，將動定刀間隙“清零”，再使定刀后退遠離動刀，定刀后退距離即為重新調節后的動定刀間隙。需要注意的是，此處“清零”指的是動定刀間隙盡可能趨近于零而非接觸，否則會出現打刀現象。

動刀以一定轉速旋轉時，定刀靠近動刀的過程會感受到逐漸增強的振動。由于定刀硬度較大，不易鉆孔，因此，在定刀座左、右端各安裝一個振動加速度傳感器，用以采集定刀將要“接觸”動刀時的振動加速度信號，以此判定間隙是否“清零”。

2 整體結構與工作原理

2.1 整體結構

電驅搖臂偏心式動定刀間隙調節裝置，主要由偏心軸承、搖臂、螺紋銷、螺紋軸、相貫線型底座、萬向聯軸器、間隙調節驅動器等組成，如圖1所示。

圖1 動定刀間隙自動調節裝置結構示意圖

自動調節裝置的安裝位置如圖2所示。定刀座與搖臂下端斜面通過螺栓連接，搖臂下端通過偏心軸承與機架固定軸連接，搖臂上端與螺紋銷焊接；螺紋軸一端與螺紋銷通過螺紋連接，另一端穿過相貫線型底座通過平鍵與萬向聯軸器連接；萬向聯軸器另一端與固定在機架上的間隙調節驅動器連接。

圖2 動定刀間隙自動調節裝置安裝位置及原理圖

2.2 工作原理

工作時，間隙調節驅動器通過萬向聯軸器帶動螺紋軸旋轉，隨著螺紋軸的旋轉，搖臂上端隨之前后擺動，搖臂下端則繞著偏心軸轉動，帶動定刀繞定刀回轉軸旋轉，完成靠近或遠離動刀的動作。當螺紋軸隨間隙調節驅動逆時針旋轉時，搖臂上端向前移動，搖臂下端帶動定刀逆時針轉動，完成退定刀動作，退刀原理如圖3所示。定刀旋轉方向與間隙調節驅動電機旋轉方向一致。

圖3 退定刀原理圖

3 關鍵部件設計

3.1 定刀回轉軌跡

對磨損的動刀進行磨削后，需重新調節動定刀間隙，因此，定刀的回轉軌跡為先“接觸”磨削后的動刀，再后退至間隙設定值。定刀回轉軌跡如圖4所示，O1為定刀回轉軸心，O2為動刀回轉軸心，兩軸心距離為L。P1為定刀刃的初始位置，定刀刃回轉半徑為R。初始位置時，磨損后的動刀回轉半徑為R1，定刀刃與磨損后的動刀間隙為δ1，磨刀后，動刀回轉半徑變為R2。啟動間隙自動調節，假設定刀靠近動刀，接觸點為P2，之后定刀刃后退至P3處，此時定刀刃與動刀的間隙為δ2，為動定刀間隙設定值，定刀刃的旋轉角度為θ。

圖4 定刀回轉軌跡示意圖

間隙調節后，定刀刃與動刀回轉軸間的關系為

lO2P3=δ2+R2

(1)

由△O1O2P2和△O1O2P3的幾何關系可得定刀刃回轉角θ與動定刀間隙設定值δ2間的關系為

θ=θ1-θ2

(2)

其中

(3)

(4)

將式(3)、(4)代入式(2)，得動定刀間隙設定值δ2與定刀刃回轉角θ之間的數學模型為

(5)

基于課題組設計的自動磨刀裝置，每次磨刀的磨削量為0.5 mm，磨削后，設定動定刀間隙為 0.3 mm[13]，則動刀刃回轉半徑R2由300 mm變為299.5 mm。將L=354.5 mm、R=134 mm、δ2=0.3 mm 代入式(5)得θ=0.13°。

3.2 搖臂

搖臂需帶動定刀座繞回轉軸旋轉。青貯作業時，定刀座需要保持固定，避免動定刀間隙發生變化。搖臂的旋轉中心即定刀座回轉軸，因此搖臂下端與機架的連接需要偏心，搖臂下端通過偏心軸承與機架固定軸連接，如圖5a所示。

圖5 搖臂

(6)

(7)

根據經驗，刀片磨損超過1 cm后需要更換，確定間隙δ2的最大值為10 mm，代入式(5)得定刀座最大旋轉角度θ0為4.4°。

設計定刀座回轉軸與搖臂下端孔的距離Sz為163.5 mm，與搖臂上端螺紋銷中心的距離Sy為433.4 mm，分別代入式(6)、(7)，確定搖臂下端孔的偏心量為12.56 mm，搖臂上端螺紋銷的偏心量為33.26 mm。聯立式(5)、(7)得，搖臂偏心量l與間隙δ2之間的關系為

(8)

螺紋軸和螺紋銷選用2.5 mm的細牙螺紋[14-15]，螺紋軸旋轉一圈，螺紋銷移動距離為 2.5 mm，據此，螺紋軸旋轉角度θy與搖臂偏心量l之間的關系為

(9)

根據式(8)、(9)可以確定有刷直流電機的旋轉角度與動定刀間隙之間的關系。

3.3 相貫線型底座

設計的相貫線型底座如圖6所示，由兩對半月型金屬塊組成，左、右金屬塊為光孔，確保螺紋軸能旋轉并在貫穿相貫線型底座處上下浮動。

圖6 相貫線型底座結構示意圖

4 控制系統

4.1 控制系統方案

間隙調節時，動刀按設定轉速由切碎電機驅動旋轉，安裝在動刀軸一側的測速齒輪與轉速傳感器配合，實時監測動刀轉速并反饋給控制器；控制器通過間隙調節驅動器使定刀順時針旋轉“接觸”動刀，安裝在定刀兩端的振動加速度傳感器檢測到定刀將要接觸動刀的振動加速度信號，并將信號傳遞給控制器，控制器再通過間隙調節驅動器使定刀順時針旋轉，實現后“退刀”，間隙調節驅動有刷直流電機依據動定刀間隙設定值旋轉相應角度?？刂葡到y原理如圖7所示。

圖7 控制系統原理圖

4.2 控制系統硬件組成

建立基于振動加速度傳感器的間隙調節控制系統，主要由控制器、信號檢測模塊、切碎電機及變頻器和間隙調節驅動器等組成，如圖8所示。

圖8 間隙調節控制系統硬件構成圖

4.2.1控制器

控制器選用STM32F系列105單片機(72 MHz主頻，64引腳，供電電源DC 5V，I/O引腳輸入電壓2～3.6 V)，具有2個12位數模轉換器以及通用、高級和基本共10個定時器，滿足定時、計數脈沖和輸出PWM信號的要求，14個通信接口中含2個CAN接口。

4.2.2信號檢測模塊

(1)振動加速度傳感器

選用OMRON公司D7F-S01-10型壓電式振動傳感器，適用于機械接觸與碰撞的振動環境，靈敏度為5.1 mV，檢測頻率為0.02～2 kHz(±3 dB)，最大加速度為784 m/s2，單振幅2 mm或 392 m/s2。振動加速度傳感器通過螺紋固定在定刀座上，安裝位置如圖9所示。該傳感器檢測的僅是沿傳感器軸向方向的振動，其他由發動機等造成的振動對振動加速度傳感器的信號采集影響非常小，完全可忽略。

為保證振動加速度信號的可信度，利用專門的傳感器標定校準系統，對振動加速度傳感器進行標定。

(2)轉速傳感器

安裝在動刀主軸上的測速齒輪與轉速傳感器配合，測速齒輪隨動刀軸旋轉時，轉速傳感器感應到一定幅度的脈沖信號。選用以諾電氣自動化公司的YN18-2N20H型轉速傳感器，霍爾式，NPN輸出，安裝螺紋M18，檢測距離2 mm。安裝位置如圖10所示。

圖10 轉速傳感器安裝圖

4.2.3切碎電機及變頻器

選用六安益升電機有限公司YE2-20CL1-2型三相異步電動機作為切碎電機，額定功率30 kW，額定轉速2 950 r/min，電壓380 V AC。選用上海正控電氣有限公司ZK880-30KWG-3型變頻器控制切碎電機，輸入電流62 A，輸入電壓380 V±15%，輸出電壓0～380 V，輸出頻率0～600 Hz，PWM信號驅動電動機調速。

4.2.4間隙調節驅動器

間隙調節驅動器由霍爾式磁性編碼器、電磁制動器、有刷直流電機以及行星齒輪減速器組成。通過對搖臂運動軌跡的理論分析知，螺紋軸的旋轉量較小，需要采用減速器降低電機轉速；為避免斷電時，電機被負載帶動反向旋轉，采用電磁制動器鎖住電機；霍爾式磁性編碼器采集電機的轉角信號輸送至控制器，控制器根據轉角信號輸出電機驅動信號，控制間隙調節電機動作。

采用溫州恒捷電機有限公司HJX50RNA970i-X1201-BM型直流有刷行星減速電機，供電電壓交流24 V，額定轉速3 600 r/min，減速后額定輸出轉速3.7 r/min；內置減速器為三級行星減速器，減速比為1/970，輸出軸通過萬向聯軸器(WSP型可伸縮小型十字軸、型號WSP1-PB-Φ16-Φ16-190/220)與螺紋軸連接；電磁制動器采用TJ-D-10型斷電剎車器，斷電時磁通迅速消失，電機斷電停止旋轉；霍爾式磁性編碼器為上海角盟自動化設備有限公司DRT系列孔型編碼器，供電電壓交流24 V，編碼器輸出A相和B相兩路信號，相位差90°，據此辨別電機的旋轉方向，每轉輸出16個方波脈沖。

4.3 控制系統軟件設計

使用C語言，基于Microsoft Visual Studio(VS)2015開發平臺結合Structured Query Language(SQL)2012數據庫，開發上位機控制軟件[16]。軟件系統在VS2015軟件平臺開發主體程序，利用SQL2012數據庫實現振動加速度信號和轉速信號的上傳和存儲，包括系統通訊模塊、參數設置模塊和作業控制模塊。

系統通訊模塊使用RS485總線通訊，兩線制接線方式，實現多點模擬信號或開關信號的傳輸。參數設置模塊實現對設備信息、所需轉速和間隙值的設置和存儲。作業控制模式分為點動和自動控制模式，點動控制模式下，通過觀察左、右兩側的振動加速度參數，點動調節定刀左、右兩側與動刀的間隙，確保定刀兩端間隙一致；自動控制模式下，左右兩側的動定刀間隙調節裝置同步動作，點動與自動模式界面如圖11所示?？刂葡到y流程如圖12所示。

圖11 軟件控制界面

圖12 系統控制流程圖

5 臺架試驗

5.1 試驗設備與儀器

搭建動定刀間隙自動調節試驗臺，確保在環境因素可控的條件下驗證間隙調節裝置結構的可靠性及控制系統的準確性，考察各變量對間隙調節過程的影響，為后期田間試驗提供參考。試驗臺主要由液壓系統、傳動系統、切碎滾筒、間隙調節裝置、自動磨刀裝置、喂入裝置、機架以及控制系統等組成，如圖13所示。

圖13 動定刀間隙自動調節試驗臺

采用世達工具有限公司生產的公英制式塞尺測量動定刀間隙，測量精度0.02～1 mm。

5.2 試驗方法與指標

5.2.1試驗因素

不同作物對青貯切段長度的要求不同，對動定刀間隙的需求也不一致，通常為0.2～1 mm[17]。本文期望盡可能達到設定的間隙，但受機械結構、傳感器精度及靈敏度等影響，間隙設定值與實際間隙存在偏差。為了考察不同動定刀間隙設定值下間隙調節的準確性，分別選取間隙設定值0.2、0.6、1.0 mm進行試驗。

本文依靠振動加速度傳感器采集動定刀即將接觸時定刀座的振動信號，而振動加速度受切碎滾筒轉速的影響非常大，滾筒轉速越高，定刀靠近動刀時定刀座的振動越強烈。為了考察切碎滾筒轉速對間隙調節準確性的影響，參考磨刀時滾筒轉速范圍500～1 100 r/min[18]，本文選取500、800、1 100 r/min進行試驗。

5.2.2試驗內容與指標

選取間隙均勻性變異系數作為試驗指標，進行雙因素重復試驗，測試間隙設定值和滾筒轉速對間隙調節性能的影響規律[19-20]。分別在左、右兩側切碎輥上，隨機選取3把動刀，標記為左1、左2、左3、右1、右2、右3，每把動刀上選取3個點，測量其與定刀的間隙，3點分別標記為A、B、C，如圖14所示。共進行9組試驗，每組試驗重復3次。每組試驗結束后，利用塞尺測量各點間隙，求每把動刀與定刀間隙的均值、標準差，最終計算出間隙均勻性變異系數。

圖14 標記位置

間隙測量方法：測量間隙時停機斷電，確保人員安全。測量時用單條或多條尺片組合插入測量點動定刀之間，手動旋轉切碎輥，正好合適時，尺片組合為該點的實際間隙。間隙測量方法如圖15所示。

圖15 右A點間隙測量過程

5.3 試驗結果與分析

試驗過程中，間隙自動調節裝置運行可靠，未出現打刀、系統停頓或報警等現象，控制系統穩定精確，滿足間隙調節的要求。滾筒轉速為500 r/min，間隙設定值為0.6 mm時，截取示波器上定刀與動刀“接觸”時振動加速度的采樣波形圖，如圖16所示。

觀察發現，振動加速度曲線出現間歇但均勻連續的峰值，應為每把動刀與定刀將要“接觸”時分別采集到的信號。由于定、動刀“接觸”時要求間隙驅動電機立即反轉退刀，因此采樣周期較短。動定刀間隙非常小，且定刀的旋轉變化并不明顯，但是通過聯軸器的轉角可以看出間隙調節電機的輸出變化，聯軸器旋轉帶動螺桿旋轉，搖臂隨之帶動定刀轉動。圖17為間隙自動調節過程中13～16 s時，間隙調節電機輸出轉角變化示意圖。

圖17 間隙調節電機輸出轉角

間隙均勻性變異系數試驗結果如表1所示，不同間隙設定值和滾筒轉速下的間隙均勻性變異系數變化曲線如圖18所示，方差分析如表2所示[21-22]。

表2 方差分析

圖18 不同間隙設定值和滾筒轉速時間隙均勻性變異系數變化曲線

表1 間隙均勻性變異系數試驗結果

左、右側間隙調節結果顯示，隨著間隙設定值的增加，間隙均勻性變異系數呈減小趨勢。間隙設定值為0.2、0.6、1.0 mm時，左側平均間隙均勻性變異系數分別為6.65%、6.52%、6.21%；右側平均間隙均勻性變異性系數分別為6.58%、6.46%、6.15%。隨著間隙設定值的增加，間隙調節愈加精確。間隙設定值較小時，受偏心搖臂及螺紋軸的機械加工精度影響，調節相對不準確；隨著滾筒轉速的增加，間隙均勻性變異系數呈增加趨勢，滾筒轉速為500 r/min時，左側平均間隙均勻性變異系數分別為5.74%、6.46%、7.11%，右側平均間隙均勻性變異系數分別為5.7%、6.34%、7.01%。滾筒轉速較高時，定刀座所受振動頻率增加，影響傳感器采集信號的靈敏度，定刀距離動刀較遠時即被誤認為已經“接觸”，造成間隙調節準確性降低。

由圖18可知，左、右兩側間隙調節受間隙設定值和滾筒轉速的影響趨勢相同，平均間隙均勻性變異系數隨間隙設定值的增加而減小，隨滾筒轉速的增加而增加。隨著間隙設定值增加，左、右兩側平均間隙均勻性變異系數差別逐漸減小，0.2 mm時相差0.07%，0.6、1.0 mm時均相差0.06%；隨滾筒轉速增加，左、右兩側平均間隙均勻性變異系數差別也隨之增加，500 r/min時相差0.04%，800、1 100 r/min時，差異分別為0.12%和0.11%。

綜上，左、右兩側間隙調節裝置同步調節的誤差非常小，最高誤差僅為0.12%(<1%)，可見控制系統調節準確性高，能夠滿足高精度間隙調節的設計要求。

通過方差分析可知(表2)，左、右兩側間隙調節時，間隙設定值和滾筒轉速對間隙均勻性變異系數均有非常顯著的影響(P<0.01)，而間隙設定值與滾筒轉速之間的交互作用影響不顯著。不同作物的硬度及青貯切碎長度要求不同，所需動定刀間隙值也不同，但滾筒轉速為500 r/min時，各間隙設定值下調節最為準確。當滾筒轉速為500 r/min，間隙設定值為0.2、0.6、1.0 mm時，左、右兩側間隙均勻性變異系數均值分別為6.03%、5.78%、5.36%，定刀與各動刀間隙均勻一致性較好。

5.4 討論

受傳感器質量、偏心搖臂式間隙調節機構機械加工精度以及控制系統信號采集、傳輸與響應速度的影響，左、右兩側間隙調節存在一定的誤差，但是較傳統人工間隙調節的準確度上明顯提高，極大縮減了人工調節間隙的繁瑣步驟，提高了間隙調節的精度和效率。經驗證，通過人工補償誤差的辦法一定程度上可以減小系統誤差。

試驗臺以青貯收獲機原裝切碎裝置為基礎，臺架試驗操作與田間作業過程要求一致，因此，臺架試驗能夠模擬大田試驗，驗證在環境變量可控條件下間隙自動調節技術的可行性。但實際青貯作業后，動定刀狀態發生了改變，間隙自動調節的精度及控制系統的準確性需進一步試驗。

6 結論

(1)提出了先接觸后退刀的間隙調節思路，基于青貯收獲機人字形排布的平板式動刀切碎裝置，設計了電驅搖臂偏心式動定刀間隙調節裝置，間隙調節搖臂在電機驅動下進行偏心搖擺，控制器根據振動加速度信號驅動間隙調節電機，帶動定刀靠近或遠離動刀，實現間隙的重新調節。

(2)搭建了動定刀間隙自動調節試驗臺，以間隙設定值、滾筒轉速為試驗因素進行臺架試驗。試驗表明，間隙自動調節裝置運行可靠、無干涉；左、右兩側間隙同步調節精度高，最高誤差僅為0.12%(<1%)，控制系統運行穩定，能夠滿足動定刀間隙高精度自動調節的要求。間隙設定值、滾筒轉速對間隙均勻性具有非常顯著的影響，二者之間交互作用不顯著。

(3)滾筒轉速為500 r/min時，各間隙設定值下間隙調節精度均最高；在此轉速下，間隙設定值為0.2、0.6、1.0 mm時，間隙均勻性變異系數均值分別為6.03%、5.78%、5.36%，符合設計要求(≤10%)。試驗表明，間隙設定值越大，滾筒轉速越低，間隙調節越準確均勻。該研究實現了人字形排布的平板式動刀與定刀間隙的自動精準調節與控制。