籽棉回潮率自动测量装备的试验研究

王梦　刘克毅　坎杂　李成松　王丽红

摘 要：为探索籽棉回潮率自动测量装备的工作性能，结合前期虚拟样机的结构设计和性能分析，完成了籽棉回潮率自动测量装备物理样机的搭建；按照整机操作规程，以单车测量时间和测量精度为试验指标，进行了整机性能试验研究，试验结果表明：单车测量时间为228秒，测量精度为98.9%，该装备的研究对提高测量效率、减轻劳动强度，实现籽棉回潮率的自动化和智能化测量具有重要意义。

关键词：籽棉回潮率；测量装备；试验研究

棉花作为新疆的支柱产业，对于新疆的经济建设具有重要推动作用和战略意义。籽棉收购作为棉花产业链的重要环节，对于稳定棉花市场、保障市场供应具有重要作用。已采收的籽棉通过运棉车装载运送至棉花加工厂进行交易，其回潮率的测量是籽棉贸易结算的重要依据，影响着交易双方的经济利益，是交易双方关注的焦点。但目前此过程的进行还依靠人工利用手持式籽棉回潮仪进行测量，存在的以人力为主、测量数据人为误差大、测量方法不够规范、劳动强度大、自动化信息化程度低等问题，制约了新疆棉花加工厂籽棉交易自动化和智能化的发展。因此，研究一种籽棉回潮率自动测量装备，可多点多层次的测量籽棉回潮率，并具有对采集的数据进行记录、统计、储存等功能，是籽棉回潮率自动化测量的发展方向之一。本研究根据前期设计的籽棉回潮率自动测量装备，完成了物理样机的搭建，并进行试验研究，验证了理论设计的可行性，确定了整机工作性能参数，为进一步完善和优化装备奠定了一定基础。

1 整机工作原理

籽棉回潮率自动测量装备包括机械系统（机械装置极其控制系统）和信息管理系统，机械系统用于装卡回潮率采集仪器，并带动其在三维空间里自由动作，实现采集仪器的随机定位；信息管理系统用于采集仪器测量结果的显示、统计、储存和查询等，实现测量结果的信息化管理；从而集成一套能够快速测量多点、多层次运棉车内籽棉回潮率的自动测量装备，可以降低人力测量所引起的误差，实现运棉车内籽棉回潮率的自动化测量。

工作时，运棉车合理停至于机械装置（图1）下方——运行机械装置控制系统人机操作界面（图2）——点击总开关（设备通电，准备启动）——点击开始测量按钮（系统产生X、Y方向上运动的随机值，并赋予PLC，实现X、Y方向的随机运动，X、Y方向运行完毕后，Z方向上开始定量运动，从而使回潮率采集仪器插入运棉车内，进行数据采集）——系统停顿30秒（即Z方向运动完毕，籽棉回潮率采集仪器插入运棉车内，运行信息管理系统（图3），点击采集数据——点击数据采集界面的开始采集按钮（图4）——测量结果通过蓝牙传输至信息管理管理系统的数据采集界面，后续可进行统计、保存、查询、打印等操作）——测量仪器从运棉车内抽出，设备归为初始状态，运棉车开出机械装置，完成本次运棉车籽棉回潮率的测量，等待下次测量，设备操作流程如图5。

2 物理样机的实现

籽棉回潮率自动测量装备物理样机的实现，主要包括机械装置及其控制系统的搭建。机械装置的机架采用80×80×5的型钢制成，丝杠采用45号钢制成，螺母采用35号钢制成，其余零部件采用普通碳钢制成，驱动电机采用Y系列三相异步电动机Y90S-4：额定功率1.1千瓦、满载转速1400转/分钟、额定转矩2.3牛米，减速器采用微型蜗轮蜗杆减速器NMRV-063-7.5-DZ1-Y1.1KW-4P-B1：中心距为63毫米、速比为7.5、单输出形式。根据Solidworks设计模型，输出机械装置工程图纸，进行零部件的加工制作，在此基础上完成了机械装置的安装、调试。

机械装置控制系统从PLC、交流接触器、熔断器、行程开关等硬件选择，到电机控制原理图、I/O分布与外部接线图的绘制，以及控制系统实现程序的编写，实现了控制系统硬件的搭建。

集成机械装置及其控制系统，完成籽棉回潮率自动测量装备物理样机的搭建（图6），测量装备的外形尺寸如表1。

3 试验研究

3.1 试验目的

试验研究是机械设计、加工制作、安装调试、改进优化必不可少的组成部分之一。籽棉回潮率自动测量装备的设计以采集效率高、可靠性高为目的，本次试验的目的是检验籽棉回潮率自动测量装备的单车测量时间、测量精度等性能参数是否满足技术要求。

3.2 试验准备与条件

（1）本次试验所采用的仪器、仪表应首先检验是否符合试验所需精度，其次应检验所用仪器仪表是否合格并在有效的使用期限内。测试用主要仪器仪表见表2。

（2）空载（无实物）试验时应保证机械装置内无人员或其他障碍物，以免伤人伤物和损坏设备。

（3）满载（有实物）时，满载运棉车车厢尺寸应满足表3。

（4）对测试期间出现的一切异常现象，均应详细记录。

（5）试验条件如表4。

3.3 试验方法

目前国内未见籽棉回潮率自动测量装备试验方法行业标准，本试验方法的设计参考GB/T5667-2008《农业机械生产试验方法》以及GB/T 5262-2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》，同时结合籽棉回潮率自动测量装备的结构特点、工作原理、设计参数以及作业性能，制订籽棉回潮率测量装备试验方法。选择单车测量时间、测量精度作为试验指标。

3.3.1 单车测量时间 单车测量时间是指本次运棉车从停至于测量装置下至测量完毕开出测量装置时所需的时间。该时间影响到装置是否能满足实际生产需求，单车测量时间单位为秒。

3.3.2 测量精度 测量精度是指整机采用机械驱动讲采集仪器插入运棉车内测量的结果与手动插入测量存在的差异，测量精度可按式（1）进行计算。

（1）

式中：a为测量精度（%）；A为机械驱动测量值（%）；A0为手动驱动测量值（%）。

3.4 试验结果分析

在前期空载调试（图7），确定整机性能无误后，进行了测量装备的验证试验（图8）。

本次验证性试验共进行了20组，单车测量时间和测量精度的试验数据如表5和表6。

根据试验数据分析计算，可得整机性能参数（表7）。

试验结果表明：（1）集成机械装置、机械装置控制系统以及信息管理系统的籽棉回潮率自动测量设备是切实可行的，且采集效率高、运行可靠，能够实现运棉车内籽棉回潮率多点多层次的测量，提高了采集效率、降低了劳动强度。（2）整机的实际性能指标能够满足理论设计的要求，验证了理论设计的可行性。

4 结论

本研究基于籽棉回潮率自动测量装备的虚拟样机的结构设计和性能分析，进行了物理样机的搭建；为验证理论设计的可行性（技术要求：单车测量时间≤240秒，测量精度≥98%）和整机工作性能参数的确定，严格按照整机操作规程，以技术要求的两个指标为试验指标，进行了试验研究，试验结果表明：单车测量时间为228秒，测量精度为98.9%，满足设计要求，验证了理论设计的可行性，为整机性能的进一步优化，实现籽棉回潮率的自动化和智能化的测量具有重要意义，为将研究成果最终推向市场奠定了基础。

基金项目：科技支疆计划项目（2014AB029）。

作者简介：王梦（1990- ），女，助教，硕士，从事现代机械设计的研究。Tel：15899256955，E-mail：727991831@qq.com