小型联合收割机脱粒性能检测平台设计

李 平，崔晋波，冯 伟，张先锋

(重庆市农业科学院，重庆 401329)

0 引言

小型联合收割机现已成为丘陵山地农机发展的主力机型，从事研发制造的企业数量众多，是目前丘陵山区谷物收获机械装备研究的重要方向。作为市场需求最紧迫的一种机具，一旦收割机的作业适应及稳定性能有较大提高，将有望大幅度提高丘陵山区的农业机械化整体水平。但是，当前小型联合收割机的脱粒性能检测系统不完善，特别是西南丘陵山区小型联合收割机设计参数获取不易，在设计过程中，很多企业都是各自按自己的标准和经验数据，且很多农业机械设计手册提供的设计参数幅度太大，大多都是针对北方大型农业机械装备，因此在小型联合收割机技术参数设计、确定及试验过程中问题重重。很多参数在田间又不易直接检测，且劳动强度和工作量大，数据获取困难，因此有必要设计一款小型联合收割机脱粒性能检测平台，可以在室内完成对小型联合收割机脱粒性能的多方面检测，并据此提供合理的收割机技术参数，以便提高收割机设计的整体效率。

1 检测平台主要功能

本小型联合收割机脱粒系统检测平台主要是针对于西南地区地产小型联合收割机脱粒系统进行检测和分析。目前，西南地区地产小型联合收割机普遍存在作业性能不完善、适应性差及收割机整体功率分配不均的问题，通过对标的收割机的脱粒系统检测和分析，可以精确得到收割机在既定喂入量的脱粒系统功率消耗、主要落料区分布、脱粒损失率和脱粒滚筒与凹板晒不同脱粒间隙对不同作物作业性能的影响。然后，通过数据分析将收割机的技术参数进行优化，以提高西南地区收割机的作业性能及适应性，对促进西南地区收割机产业的发展具有重要意义。

2 检测平台机械系统设计及工作过程

2.1 机械系统结构及相关设计参数确定

小型联合收获机脱粒性能检测平台主要由机械系统和测控系统两大部分组成，如图1所示。其中，机械系统主要由铸铁T型槽平台、送料台、割台、中间输送装置、动力台、脱粒装置、安装卡紧装置，以及谷物稻草收集机构等组成。测控系统由变频电机、非接触式扭矩转速传感器、工控机、高速摄像机、系统及转换接口、计算机存储及打印设备组成。西南地区小型联合收割机设定喂入量在2.5kg/s以下，谷物的草谷比设为1.2。送料平台采用胶带运输，宽度为1m，驱动采用0.7kW交流电机驱动，其输送速度可以0～3m/s连续可调，且在胶带下方安装有4个重量传感器，以保证单位面积铺放的作物质量在允许的偏差范围。脱粒主轴采用调速电机驱动，其输出转速在200～1 500r/min连续可调。为了适应不同收割机脱粒主轴的安装位置，主轴驱动电机通过T型槽和液压系统可以任意位置安装。另外，在脱粒顶盖端及侧面端开孔采用玻璃覆盖，采用高速摄像机AZ9501记录下顶部物料在滚筒的运动轨迹和侧面端的筛面主要落料分布区域。测试平台的底部采用铸铁的T型槽结构，尺寸为2 000mm×3 000mm，精度等级为3级。采用固定螺栓将收割机固定在测试台架上并切断与发动机的所有动力连接。

1.T型槽平台 2.送料台 3.割台 4.中间输送 5.动力台 6.扭矩转速传感器 7.脱粒装置 8.谷物收集盒 9.安装夹紧装置 10.秸秆收集袋 11.总线 12.电控柜 13.操作台

2.2 工作过程

首先将联合收割机固定到T型槽台架上，切断脱粒滚筒及其附属部件动力传动，接连好与割台喂入系统的胶带输送机并调整好输送速度和主轴及其割台、中间输送等独立传动控制单元。通电并启动主程序将系统的各项待测试的参数置零，将预先做好的栅格式接料小车和草料收集装置固定在相应位置。然后，根据收割机厂家提供的脱粒滚筒设定转速参数和凹板筛间隙，并在脱粒滚筒顶端和侧面开孔并以玻璃覆盖，安装好摄像头和照明系统。工作时，将设定好喂入量的谷物均匀铺设在输送带上，启动主轴电机和高速摄像机，待转速达到规定值时，启动胶带输送机、割台传动系统和中间输送系统，待喂入量达到正常值启动高速摄像机和数据采集系统；谷物通过脱粒滚筒的打击、揉搓和栅格筛的分离清选后，依次落入预先铺设好的栅格式接料小车中，待一个试验周期完成后，通过高速摄像机记录下完整的试验过程。将脱出物料和籽粒进行收集，将物料分离的主要落料区、落料百分比分别计算和记录，计算出整个脱粒系统的夹带损失率、未脱净率、破碎率和总损失率；然后，通过侧端高速摄像机完成物料集中区分布分析和顶端高速摄像机物料脱粒过程分析。

3 检测系统的设计

3.1 硬件系统组成及主要测试部件设计

3.1.1硬件系统组成及结构

测控系统硬件由变频电机、非接触式扭矩转速传感器、工控机、高速摄像机、系统及转换接口、计算机存储及打印设备组成，如图2所示。工作时，转矩转速传感器产生的4～20mA电流模拟信号传送到信号采集卡，经采集卡的A/D转化为数字信号，然后与工控机进行通讯；通过工控机与控制柜进行通讯，控制柜通过变频器控制驱动脱粒装置的变频电机，实现变频电机的转速无极可调。

图2 检测系统硬件结构图

3.1.2 主轴电机的功率和扭矩转速传感器确定

按西南地区小型收割机最大喂入量2.5kg/s计算,计算单位长度钉齿的生产率q，即

式中Z—钉齿根数;

n—滚筒转速(r/min);

L—滚筒长度(m)；

μ0—单位长度脱粒能力，本次设计采用0.024kg/m。

带入此设计平台测量的最大喂入量计算得到q=1.95kg/s。

滚筒消耗的总功率为

式中ω—滚筒角速度；

v—滚筒圆周速度；

A—轴承摩擦因数，取A为0.2×10-3；

B—滚筒转动的迎风面积系数，取B为0.58×10-6；

f—摩擦因数，本次取f为0.7。

带入上述公式，得出喂入量在2.5kg/s时消耗的功率需要9.25kW。为了确保有足够的功率，功率系数放1.5倍，得到最大消耗功率13.87kW。故选择电机最大功率为14kW，便满足要求。

通过功率和扭矩的计算关系得到电机最大扭矩 (设定调速电机最低转速200r/min) 为668.5N·m。

通过以上计算，选取的扭矩转速传感器采用北京中航科电测控技术有限公司ZH07-X型非接触式扭矩传感器,最大承受扭矩1 000N·m， 输出信号为4～20mA，如图3所示。

图3 扭矩转速传感器

3.2 软件系统

3.2.1 PLC数据采集部分

本次PLC的转速信号采集来自扭矩转速传感器输出的模拟信号经过A/D转换后变成数字脉冲信号传输到PLC端，采用PLC内部的高速计数器采集脉冲信号，根据M算法，在采样时间T内捕捉转换器输出的脉冲数为M，则电机的转速为

其中n—电机转速；

Z—编码器分辨率；

M—采样脉冲数；

T—采样时间。

扭矩传感器输出的转矩模拟信号也以相同的算法得到，数字信号经过PLC完成转速和扭矩的采集，为后续数据处理提供方便。

3.2.2 工控机监控部分

工控机监控显示部分基于lab VIEW虚拟技术，通过对PLC发出的读请求后将PLC缓冲区中的转速、扭矩实时显示出来，并通过简单的计算，将主轴消耗的功率也同时计算出来显示在工控机上，如图4所示。在软件的另一个窗口以曲线的方式将3种参数同时显示出来，当整个测量过程完成之后，系统将停止记录，并生成一个EXCEL表格文件，将本次测量的扭矩、转速、功率3个项目的最大值、最小值及平均值计算出来。

图4 脱粒系统测试主界面

4 测试参数及结果

4.1 平台测试参数

本检测平台的测试参数主要有主轴转速和扭矩、主轴消耗的功率、物料落料区的分布、夹带损失率、未脱净率、破碎率和总损失率。其中，主轴的扭矩和转速通过数字化显示器便可以显示和记录，如图5所示。物料落料区分布采用网格化记录方式，物料经过脱粒滚筒分离出来的脱出物沿凹版筛直接落入下方网格化的接料车中；接料车沿脱粒滚筒轴线方向平均分成8个区域，径向分成6个区域，每个测试区大小为200mm×110mm；籽粒和草混合物直接落入接料小车中，用于测定凹版筛脱出物料分布情况。其计算方法如下：

夹带损失Sj为

Sj=(Wj/W)×100%

式中Wj—夹带损失籽粒质量(g)；

W—总籽粒质量(g)。

夹带损失籽粒质量的测定方法是在收割机排草口每次收集的脱出的草和籽粒混合物经过人工清选去除杂草剩余籽粒的质量。

未脱净损失Sw为

Sw=(Ww/W)×100%

式中Ww—未脱掉损失籽粒质量(g)；

W—总籽粒质量(g)。

未脱净籽粒质量的测定方法是在收割机排草口每次试验排出的草中找到未脱粒完的籽粒，然后收集称重。

破碎率Zp为

Zp=(Wp/Wx)×100%

式中Wp—每个测试小盒中破碎籽粒质量(g)；

Wx—每个测试小盒中全部籽粒质量(g)。

破碎率测定方法：将48个测试区域中的破碎籽粒与全部籽粒称重，然后求平均数。

总损失率S为

S=Sw+Sj

图5 主轴转速扭矩显示仪

4.2 主轴转速、扭矩测试结果及优化

以重庆市农业科学院自主研发的4LZ-1.5小型稻麦联合收割机为样品，设定其脱粒滚筒在喂入量为1.5kg/s、转速为1 200r/min、凹板筛间隙入口20mm、出口间隙10mm，检测其工作时转速、扭矩及功率，如图6～图8所示。

图6 脱粒滚筒转速曲线表

图7 脱粒滚筒扭矩曲线表

图8 脱粒滚筒功率曲线表

通过以上图表分析可知：收割机脱粒滚筒在工作时由于喂入量的不均衡，其功率、扭矩和转速有很大波动区间。通过试验可知：南方小型收割机在收普通杂交稻品种，草谷比为1.2时，每1kg喂入量消耗的功率大约在4.5kW左右，但在本次测试由于出草口间隙过小，造成了稻草在凹版筛的过度揉搓，有的被搓成了“麻花”。在第二次试验时，将出口间隙调整在15mm，重做试验，其每1kg喂入量消耗的平均功率约在4kW左右，搓成“麻花”的稻草有了明显的好转。

5 结论

1)设计了一款针对小型联合收割机的脱粒性能检测平台，可在室内模拟完成收割机的多种脱粒状态，并对脱粒系统消耗的扭矩和功率、作业时最大的喂入量及脱粒系统的夹带损失率和含杂率等参数进行定量研究。

2)检测系统采用动态扭矩传感器，配合扭矩功率测试仪，通过RS232接口和电脑通讯，采集扭矩功率测试仪的扭矩、转速及功率信号，进行相关操作。

3)检测平台通过变频调速电机可实现对多个运动部件参数的无级、实时调节，实现对联合收割机在各种工况下的脱粒性能检测。

4)检测平台在通过厂家既定的收割机技术参数进行试验以后，可以通过调整不同的滚筒转速和凹版筛的间隙，调整物料的落料区和凹版筛的揉搓性能，避免物料落料区太靠近滚筒前部分而增加多余的揉搓过程，造成功率的损失，从而提高收割机的作业性能和适应性。