压捆试验平台及其测试系统的设计与试验

张爱民,廖培旺,赵新学,陈明江,刘凯凯,郝延杰

(1.滨州市农业机械化科学研究所,山东 滨州 256600;2.滨州学院 机电工程学院,山东 滨州 256600;3.农业农村部南京农业机械化研究所,南京 210014)

0 引言

农作物秸秆压捆作业是打捆机具田间作业的一项重要工序,它与农作物秸秆物理特征参数和压捆机构工艺参数的关系直接影响秸秆收获的效率和收储运成本。农作物秸秆压捆试验参数是衡量秸秆压捆作业的重要指标,但采用打捆机直接进行田间作业获取压捆试验参数时,存在收获季节性强、田间种植情况差异大、试验重复性大和采集的数据精度不高等问题[1-2]。因此,为获得高精度的秸秆压捆试验参数,一些学者研制了压捆试验平台及其测试系统,并对稻麦、牧草等作物秸秆进行了压捆试验研究[3-6],得出了影响该物料的影响机理。

目前,研究农作物秸秆物理特征参数和压捆机构的工艺参数与压捆时的运动学和动力学参数的关系的方式主要分为“闭式压缩”和“开式压缩”[7]。国内外学者大多采用“闭式压缩”方式研究牧草等的压缩特性,得出了部分经验公式及结论[8-11]。但是,农作物实际压捆作业中采用的是“开式压缩”方式,“闭式压缩”与实际生产过程有较大差异。因此,内蒙古农业大学杨明韶等将苜蓿、稻麦、牧草等作为研究对象开展了一系列的“开式压缩”试验研究,并得出了开式压缩的压缩力-密度数学模型、牧草在压缩室内不同位置的压缩力与压缩时间之间的关系,以及草片在压缩全过程承受最大压缩力的变化规律等[12-16]。以上研究多数采用桶式压缩室或液压驱动的活塞,而实际打捆机采用的是方形压缩室和机械驱动的活塞,因此研究结论与实际生产存在一定偏差;研究对象为苜蓿、稻麦、牧草等软质农作物秸秆[17-18],而棉秆作为一种木质素含量较高的硬质农作物秸秆,力学性能不同于软质农作物秸秆,硬度和刚度均比稻麦和牧草大[19]。

为此,设计了一种基于侧喂入打捆机的压捆试验平台及其测试系统,通过采集棉秆在实际压捆过程中的功率消耗、压缩活塞拉压力和压缩室压力,开展棉秆压捆机理的基础性研究,综合分析影响棉秆压捆质量的影响机理,为棉秆压捆作业和棉秆压捆新机具的研发提供理论支持。

1 试验平台整体结构及工作原理

1.1 整体结构

压捆试验平台及其测试系统主要由物料输送装置、动力机架、液压升降系统、侧喂入打捆机及测试系统等组成,如图1所示。压捆试验平台基于常用的侧喂入打捆机,其试验数据更接近实际的压捆作业,对棉秆实际压捆作业更有指导意义。

为了能够获取不同棉秆喂入量和压缩频率,物料输送装置和侧喂入打捆机由不同的变频电机驱动。测试系统主要包括扭矩传感器、拉压传感器、压缩室压力传感器和采集软件等,可一次性实时采集棉秆压捆过程的主轴扭矩和转速、曲柄滑块机构的拉压力(压缩棉秆的压力)及压缩室四周的压力信号,并将试验数据以Excel表格和波形图的形式保存下来,便于数据处理和分析。

为了消除棉秆压捆过程由于侧牵引打捆机的振动对试验数据的影响,在进行试验之前采用液压升降系统将动力机架和侧喂入打捆机升到同一高度。液压升降系统主要包括双作用液压缸、手动分配阀和电动液压站。压捆试验平台及其测试系统的主要技术参数,如表1所示。

1.输送辊 2.输送带 3.输送变频器 4.扭矩传感器 5.曲柄滑块机构 6.压板 7.压缩室压力传感器 8.侧板 9.侧喂入打捆机 10.主变频器

表1 压捆试验平台及其测试系统的主要技术参数

续表1

1.2 工作原理

将预处理的棉秆平铺到物料输送装置上;启动电动液压站,控制手动分配阀给双作用液压缸供油使其动作将动力机架和侧牵引打捆机升到距离地面12cm处;启动主变频器,根据所需活塞压缩频率设定频率,启动输送变频器,根据喂入量设定频率;启动数据采集软件,根据采集需要设定参数;启动主电机和输送电机,达到规定压缩频率和喂入量后,开始采集数据;按数据采集要求采集完数据,先关闭输送电机,再关闭主电机;最后,将采集的数据进行保存,并统计压捆密度。压捆试验平台工作流程如图2所示。

图2 压捆试验平台工作流程

2 关键参数设计

2.1 棉秆喂入量

棉秆喂入量是影响棉秆压捆质量的一个重要因素,本研究主要通过改变输送变频器的频率改变棉秆喂入量,从而研究棉秆喂入量与压捆质量之间的关系。根据变频电机频率、转速、输送辊线速度之间的关系,得出棉秆喂入量与输送变频器频率之间的关系为

(1)

式中S—棉秆喂入量(kg/s);

R—输送辊回转半径(m);

W—棉秆在输送装置上铺放的宽度(m);

H—棉秆在输送装置上铺放的高度(m);

f—输送变频器设定的频率(Hz);

ρ—试验棉秆的密度(kg/m);

i—输送电机主轴与输送辊的转速比;

p—输送电机的极对数;

s—输送电机的转差率。

2.2 压缩活塞频率

侧喂入打捆机通过曲柄滑块机构(见图3)对棉秆进行压缩,其压缩频率是影响棉秆压捆质量的另一个重要因素。本研究通过改变主变频器的频率改变曲柄滑块机构的压缩频率。根据变频电机频率、转速、主电机主轴与曲柄的转速比,得出曲柄滑块机构压缩频率与主变频器频率之间的关系为

(2)

式中F—曲柄滑块机构压缩频率(Hz);

f1—主变频器设定的频率(Hz);

i1—主电机主轴与曲柄的转速比;

p1—主电机的极对数;

s1—主电机的转差率。

1.曲柄 2.拉压传感器 3.连杆 4.压缩活塞

3 测试系统

压捆试验平台测试系统主要包括电机控制系统和数据采集系统,系统框图如图4所示。

图4 压捆试验平台测试系统框图

由于传感器输出的是4～20mA的电流信号,数据采集卡采集模拟电压信号,之后将其转变为数字信号输送给安装在PC机上的数据采集软件,实现信号的实时采集。因此,在传感器和数据采集卡之间并联100Ω精密电阻,将电流信号转变为电压信号。

3.1 电机控制系统

电机控制系统主要包括主电机控制和输送电机控制:主电机控制用来为打捆机主轴提供动力,使打捆机按照指定压缩频率完成压捆作业;输送电机控制用来为输送带提供动力,使输送带按照指定线速度将物料输送到打捆机的喂入口,确保打捆机按指定喂入量进行压捆作业。电机控制系统箱内安装有24V直流电源,为传感器提供激励电源,确保传感器能够正常工作。电机控制系统电控箱如图5所示。

3.2 数据采集系统

数据采集系统主要包括数据采集卡及数据采集软件:数据采集卡采集传感器信号,将传感器的电压信号转换成数字信号,便于传感器信号的可视化显示;数据采集软件将采集的数据实现可视化,并自动保存为EXCEL表格,便于数据的后续分析处理,可同时采集15路信号,每路信号可根据采集需要(扭矩、转速、拉压力、压力)进行设置。数据采集软件界面如图6所示。

1.主开关 2.输送电机控制开关 3.主电机控制开关 4.直流电源

图6 数据采集软件界面

1)扭矩传感器。为了保证数据采集精度,扭矩传感器通过弹性联轴器安装在主电机主轴上,且同轴度≤0.05mm。根据试验需要,试验平台使用的主电机功率为55kW,主轴转速最小为300r/min,根据式(3)计算得主轴的最大转矩为1 750.8N·m。因此,选择量程0～±2 000N·m的扭矩传感器。有

(3)

式中T—主电机主轴转矩(N·m);

P—主电机功率(kW);

n—主电机主轴转速(r/min)。

2)拉压传感器。本研究将拉压传感器安装在连杆和轴承座之间(见图3),用来测量棉秆在压捆过程中连杆力的变化。为正确选择拉压传感器的量程,本研究采用Adams动力学仿真软件对曲柄滑块机构进行动力学仿真[20-22],得出主电机在额定转速时,连秆作用力的变化曲线,如图7所示。为确保拉压传感器工作时的安全性,连杆最大作用力为18 750N(安全系数1.5),因此选择量程0～±2.0T的拉压传感器。

3)压缩室压力传感器。为能正确采集棉秆压捆过程中,压缩室三维应力变化情况,在压缩室左右侧板对称安装3组压力传感器(称为侧板压力传感器);上下压板对称安装2组压力传感器(称为压板压力传感器),且中心线与安装在侧板上的后2组压力传感器的中心线位于同一平面内。压缩室压力传感器如图8所示。

图7 连秆作用力变化曲线

1.侧板(压板)压力传感器外板 2.侧板(压板)压力传感器内板

为确保采集的数据连续精确,压缩室压力传感器与压捆过程中的棉秆采用面接触,且侧板(压板)压力传感器内板的外表面与压缩室侧板(压板)的内表面平齐,如图9所示。

图9 压缩室压力传感器的安装

采用初步试验的方式确定压力传感器量程。根据初步试验可知,棉秆压捆过程中,压缩室三维受力小于4 000N,因此选择量程0～200kg的压力传感器。

4 试验

试验在无棣县西小王镇进行,棉秆选择当地种植种类最多的K836。在试验前,对棉秆进行预处理,保证棉秆的含水率、切断长度等条件。除此之外,为便于棉秆的铺放,保证均匀的喂入量,试验前将棉秆的侧枝去除,只利用棉秆的主干部分进行试验(见图10)。

4.1 试验方案

为研究棉秆物理特征参数(棉秆含水率、棉秆切断长度)和压捆机构的工艺参数(棉秆喂入量、压缩活塞频率)与棉秆压捆时的运动学和动力学参数的关系,选取棉秆含水率、棉秆切断长度、棉秆喂入量和压缩活塞频率作为试验变量;将棉秆压捆密度、消耗功率、压缩活塞拉压力和压板(侧板)压力作为试验指标,每个试验变量选取4个试验水平(见表2)[23],进行棉秆压捆的单因素和多因素试验[24]。试验时,每组试验连续压10个捆,每个捆的数据单独采集,压每个捆时的力值取最大值作为压这个捆时的最终值;最后,取10个捆的平均值作为这组试验的力值和密度的最终值。

表2 试验因素与水平

4.2 试验结果与分析

设定上面的压板为上压板,在下的压板为下压板,面向打捆机分为左右两侧,按照物料沿压缩室流动的反向分为前后,如图11所示。因此,压板压力传感器分为上前、上后、下前及下后4个压板压力传感器;侧板压力传感器分为右前、右中、右后、左前、左中及左后6个压板压力传感器。

图11 方向指示图

4.2.1 单因素试验

采用控制变量法进行单因素试验时,固定含水率(15%)、喂入量(2.5kg/s)、压缩频率(80Hz)、切断长度(20cm)的其中3个及另一个在确定的试验水平中变化。

1)含水率15%、喂入量2.5kg/s、压缩频率80Hz时,棉秆切断长度变化时的试验结果如图12所示。

分析可知:棉秆在压捆过程中,棉秆捆对上压板和下压板的压力均由前向后增大;对右侧板的压力均为前面最大,中间最小;对左侧板的压力均由前向后逐渐减小;压捆密度与消耗功率成正相关,且在棉秆切断长度为30cm时最大;棉秆切断长度≤25cm时,压捆密度、消耗功率与棉秆切断长度成负相关。

由于棉秆切断长度为25cm时,在压捆过程中,压缩室整体压力、压缩活塞拉压力、消耗功率均最小,且压捆密度相差不大。因此,在其他条件不变时,进行棉秆压捆,棉秆切断长度为25cm是比较理想的。

2)含水率15%、压缩频率80Hz和切断长度为20cm时,棉秆喂入量变化时的试验结果如图13所示。

分析可知:棉秆在压捆过程中,棉秆捆对上压板和下压板的压力均由前向后增大;对右侧板的压力均为前面最大,中间最小;对左侧板的压力均由前向后逐渐减小;压捆密度与消耗功率成正相关,与喂入量成反相关,且在喂入量为1.5kg/s时最大;消耗功率与喂入量成负相关。

由于棉秆喂入量为3.5kg/s时,在压捆过程中,压缩室整体压力、消耗功率均最小,且压缩活塞拉压力也比较小,压捆密度相差不大。因此,在其他条件不变时,进行棉秆压捆,棉秆喂入量为3.5kg/s是比较理想的。

图12 棉秆切断长度变化时的单因素试验结果

图13 喂入量变化时的单因素试验结果

3)含水率15%、喂入量2.5kg/s和切断长度为20cm时,压缩频率变化时的试验结果如图14所示。

分析可知:棉秆在压捆过程中,棉秆捆对上压板和下压板的压力均由前向后增大;对右侧板的压力均为前面最大,中间最小;对左侧板的压力均由前向后逐渐减小;压捆密度与消耗功率、喂入量均成反相关,且在压缩频率为80Hz时最大;消耗功率与压缩频率成正相关。

由于压缩频率为90Hz时,在压捆过程中,消耗功率最小、压捆密度最大,且压缩室压力、压缩活塞拉压力也较小。因此,在其他条件不变时,进行棉秆压捆,压缩频率为90Hz是比较理想的。

图14 压缩频率变化时的单因素试验结果

4)喂入量2.5kg/s、压缩频率80Hz和切断长度为20cm时,含水率变化时的试验结果如图15所示。

分析可知:棉秆在压捆过程中,棉秆捆对上压板和下压板的压力均由前向后增大;对右侧板的压力均为前面最大,中间最小;对左侧板的压力均由前向后逐渐减小;压捆密度与含水率成正相关相关,且在含水率为30%时最大;棉秆含水率≤25%时,压捆密度与消耗功率成正相关、消耗功率与含水率成正相关;压缩活塞拉压力与含水率成正相关。

由于含水率为30%时,在压捆过程中,消耗功率最小、压捆密度最大,且压缩室整体压力、压缩活塞拉压力相差不大。因此,在其他条件不变时,进行棉秆压捆,含水率为30%是比较理想的。

图15 含水率变化时的单因素试验结果

分析图12～图15可知:不管在何种工况条件下,棉秆压捆过程中,压缩室左右两侧板前端所受的压力远大于中部和后面的压力。因此,为延长侧喂入打捆机的使用寿命,压缩室左右侧板的前端必须使用加强筋进行加强。压缩室压力由前向后的变化趋势与棉秆的切断长度、喂入量、含水率和压缩活塞的压缩频率无关。

4.2.2 多因素试验

试验选取了4个因素,每个因素又选取了4个水平(见表2),如果采用全面试验法进行试验,则需要进行256次试验,将使试验的工作量很大。因此,为保证多因素试验的高效性、全面性及准确性,本研究采用4因素4水平的正交试验设计进行多因素试验[25],仅需进行16次试验。正交试验设计如表3所示。

根据表3中的试验因素、水平组合进行多因素正交试验,得到压缩活塞拉压力、压缩室压力和压捆密度的试验结果,对试验结果进行极差分析(见表4),比较各因素对各试验指标的影响程度(见表5)[26]。

表3 正交试验设计

续表3

分析表5可知:棉秆压捆过程中,各因素对压缩活塞拉压力和压缩室压力影响最大的是棉秆切断长度,其次为含水率,喂入量和压缩频率对其影响差不多;各因素对压捆密度影响程度从大到小依次为含水率、棉秆切断长度、压缩频率、喂入量。

由于棉秆压捆密度是衡量棉秆压捆质量最重要的指标,有必要确定各因素影响棉秆压捆密度的优组合。

通过计算每个因素的第j个水平的均值[27],得出:当含水率为30%、喂入量为2.5kg/s、压缩频率为90Hz、棉秆切断长度为20cm时棉秆压捆密度最好。

表4 正交试验极差分析

表5 各因素对各试验指标的影响程度

5 结论

1)设计的压捆试验平台及其测试系统基于常见的侧喂入打捆机,可一次性实时采集棉秆压捆过程的主轴扭矩和转速、曲柄滑块机构的拉压力(压缩棉秆的压力)及压缩室四周的压力信号,并将试验数据以Excel表格和波形图的形式保存下来,便于数据的处理和分析。

2)单因素试验结果表明:棉秆切断长度为25cm、喂入量为3.5kg/s、压缩频率为90Hz、含水率为30%时,棉秆进行压捆作业时,功率消耗、压缩活塞拉压力和压缩室压力相对较小,且压捆密度相对较大。

3)多因素正交试验结果表明:各因素对压缩活塞拉压力和压缩室压力影响最大的是棉秆切断长度,其次为含水率,喂入量和压缩频率对其影响差不多。各因素对压捆密度影响程度从大到小依次为:含水率、棉秆切断长度、压缩频率、喂入量。

4)试验结果表明:当含水率为30%、喂入量为2.5kg/s、压缩频率为90Hz、棉秆切断长度为20cm时,棉秆压捆密度最好。