甘蔗收割机切割刀盘浮动控制系统的设计与试验

王海瑞

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

在乡村振兴和产业振兴背景下，如何实现甘蔗全面全程机械化生产，成为所有相关部门和技术人员必须面对并解决的问题。基于此，笔者以甘蔗收割机为例，分析切割刀盘浮动控制系统设计，使得切割刀盘可以随着甘蔗垄高度变化自动调节，避免割刀磨损加剧和能量浪费，并且通过试验，做好刀盘轴的尺寸优化和控制系统。

1 甘蔗收割机基本介绍和工作原理

本研究主要以4GDL-132型甘蔗联合收割机为例，采用履带行走底盘，收割作业状态最大爬坡坡度为6°，适应垄高10 cm～20 cm，最高作业速度为3 km/h，切割刀台与切割刀盘为固定连接整体，适应种植行距1.2 m以上，具体收割机结构图如图1所示。

图1 切割刀盘浮动控制系统结构图

该装置的工作原理：系统主要由升降系统、车身、控制系统、切割系统等多个部分组成。液压压力数据采集系统在甘蔗切割过程中，测试出液压马达的压力数据，压力数据是实时变化的，装置可根据垄高变化自动调节。车身用于搭载部分系统硬件结构，液压马达带动刀盘转动，主控制器根据切割液压对甘蔗进行切割，并控制电磁换向阀自动换向，实现切割刀盘的自动升降，并判断刀盘入土切割深度。刀盘升降自动控制原理如图2所示。

图2 刀盘升降自动控制原理

2 刀盘浮动控制系统设计总思路

以广西某地甘蔗种植区为例，在大规模机械化推广模式下，该种种植方式占种植作业总量的70%，但仍然需要较多人力配合作业[1]。并且在检测甘蔗根部入土位置时较为困难，难以实现刀盘切割位置控制的标准化，因此要想掌握切割深度，尤其为了在丘陵种植地区检测出垄间地面高度变化情况，在收获过程中保护宿根，应该尽量实现“根据地形变化实时快速调整切割刀盘”的功能，控制刀盘刀尖与地面之间的距离，将刀尖刚好调整到预定高度。将设计思路总结为以下几点：

1）距离检测（超声波雷达测距）；

2）行进速度检测；

3）高度调整（调节刀盘高度±2 cm偏差范围内）；

4）推算延时调整时间（单片机电路计算），做出刀台的抬升或下降动作。

通过以上内容，利用STM32F070CBT6主控单片机，20 MPa液压压力传感器（精度0.1级，型号为CYYZ31型）、液晶显示模块、AD7606模数转换芯片、E6B2-CWZ6C光电编码器等组成自动控制系统，做好液压马达压力采集，将马达压力数据采集装置安装到甘蔗联合收割机上。收割机适应行距不小于1.2 m，宿根破头率小于15%，最大量程为20 MPa。甘蔗种植区域株距约0.5 m，采用速度传感器测量行进速度，刀盘切割转速为600 r/min～650 r/min，采样频率为490 Hz，最后确定切割压力数据，根据数据结果推算出刀盘高度升降自动控制是否可行。

3 具体设计方案

3.1 传感器选型

选择超声波测距传感器（型号为JSN-SR04T），量程为25 cm～100 cm，可按要求控制启动距离检测，测量精度1 cm，测距精度可达3 mm，测量角度为30°（±10°），工作电流为40 mA，输入触发信号为10 μs，模块工作电压为5 VDC，模块电路板尺寸为40 mm×39 mm。技术人员根据甘蔗种植区的地貌情况，设计探头引线长度和尺寸。

3.2 液压设计

要想提升切割刀盘浮动控制系统精准度，必须确定测距板和驾驶室底板之间的距离[2]。测距板在收割机作业时，与液压缸牵引绞点形成同一平面，测距雷达与被测平面基本垂直，之后对行进速度进行检测，控制系统液压油路、动力分配系统转速传动比为1∶1。切割刀盘通过一个多路阀控制调整动作油路，在收获作业状态下持续工作，切割刀台的抬升与下降由换向阀进行控制，油路系统流量设计为60.26 L/min，通过操纵主阀芯动作进行换向，快速实行动作，确保在大流量液压系统下切割刀盘到达预定位置。电液换向阀允许最大流量为160 L/min，型号为CYD-03-3C2-D24-Z4L-80，电液换向阀配套NG10底板。液压缸调整周期为200 ms～300 ms，最高作业速度下最大坡度为6°，之后通过液压缸移动速度计算，得出液压缸拉杆的移动速度，确保本次试验在经过最大坡度变化路面时，可以满足行进要求。在设计液压管路通径时，接口管路通径不能过小，取液压缸管道接口通径为19.05 mm以上。

3.3 电路设计

切割刀盘浮动控制系统设计中，根据电路原理图绘制PCB板线路，如图3所示，在满足理论功能的基础上，设置甘蔗收割机配备电源，测距雷达工作电压为5 VDC。电源模块在长时间使用过程中，需要加入冷却风扇进行散热，避免因过热对稳压模块造成损害，散热风扇工作电压为12 V～15 V，电源模块输入电压为36 VDC，使电源模块更加稳定有效地工作。在测量与控制系统中，利用信号光耦隔离电路，采用光耦隔离技术，可以防止输出信号反馈到输入端，提升运算控制时的稳定性与准确性，比如电路中光耦芯片U8信号输入端2脚连接1个限流电阻（470 Ω），与供电电源5 VDC连接，输出端部分使光耦电路保持工作状态，电源正极输入端8脚应该与7脚短接，输出端6脚与开路信号输出端连接，以此减小对电源的干扰。

图3 切割刀盘浮动编码器输入信号光耦隔离电路设计

4 试验数据和结论

4.1 刀盘材料参数设置

每种材料都有特定的材料参数，并决定了刀盘工作时的强度，本研究以Q345材料参数为例，屈服强度为345 MPa，抗拉强度为480 MPa，弹性模量200 000 MPa。之后建立刀盘三维实体模型，提高计算机运算速度，扭矩载荷的最大值为1 380 N·m，弯矩均值约为200 N·m，当网格数大于81 132时，最大应力值为67.27 MPa，最终判断出刀盘符合设计要求。

4.2 刀盘轴的尺寸优化

自动根据计算结果判断刀盘轴的拓扑优化，要对刀盘轴进行优化设计[3-7]。根据计算结果构造响应面，在不改变刀盘轴轮廓总体结构的基础上，选取刀盘轴首尾两端的圆盘结构，确保甘蔗收割机的正常工作。优化设计变量为筋板的厚度，根据原始值，判断参数优化的选取范围。如果原始值参数为18 MPa，优化后的选取范围为5 MPa～19.5 MPa；如果原始值参数为15 MPa，优化后的选取范围为5 MPa～13.2 MPa；如果原始值参数为12 MPa，优化后的选取范围为4 MPa～13.2 MPa；如果原始值参数为10 MPa，优化后的选取范围为5 MPa～16.5 MPa。

在具体试验和修正方案中，应该对刀盘轴建立有限元模型，选择最大形变量较小的方案，最终优化参数[8]。原始值参数为18 MPa时，优化值为16.596 MPa，修正值为17；原始值参数为15 MPa时，优化值为12.716 MPa，修正值为13；原始值参数为12 MPa时，优化值为5.295 MPa，修正值为5；原始值参数为10 MPa时，优化值为12.48 MPa，修正值为4。之后测定切割液压压力和入土切割深度。

4.3 切割液压压力试验

选取物理特性基本一致的甘蔗，以此验证自动调节装置控制的可靠性。将其切为40 cm长的段，土槽底部每排固定3节，固定长宽高分别为250 cm、45 cm、35 cm的土槽底部，相邻距离约为8 cm，按数字顺序对甘蔗编号，相邻两排距离约15 cm，土槽土层平均厚度为28 cm。切割刀盘前进速度主要通过传感器测量，甘蔗直径3.3 cm～3.7 cm，土壤含水率为18.2%，土槽中土壤密度为1.65 g/cm3，之后利用游标卡尺测量收割最大切深，之后得出数据[9]。如表1所示。

表1 切割压力数据结果

在本次试验中，刀盘转速为700 r/min，入土收割2 cm～5 cm，液压缸上升和下降速度分别维持在0.55 m/s、0.60 m/s左右，刀盘前进速度分别为0.25 m/s和0.40 m/s，入土基准切深为3 cm和5 cm，采样频率为75 Hz。可以看出空载时刀盘液压马达的平均压力为0.99 MPa～1.02 MPa，不随刀盘前进速度改变，入土3 cm、5 cm切割甘蔗时平均压力比不入土切割甘蔗时大，当刀盘入土3 cm、5 cm切割甘蔗时，刀盘入土切割深度增加，液压回路压力改变较小，切割液压压力随入土切割深度增加而增大，切割阻力发生明显变化[10]。

4.4 入土切割深度试验

模拟丘陵山区甘蔗地（不平整地区垄高出现变化），试验地坡度约1/20，刀盘行进速度为0.25 m/s、0.4 m/s，土壤含水率18.3%。当甘蔗种植密度和物理特性不变时，数据采集频率75 Hz，得出不入土收割压力范围，分析控制装置安装之后的切割高度控制效果，可以得出刀盘升降自动控制方案，如表2所示。

表2 切割刀盘升降自动控制方案

重复试验之后，得出如下结论：当以0.25 m/s速度前进切割时，阻力由3.51 MPa增加到9.45 MPa，入土切割深度由3 cm增加到10.6 cm[11]；刀盘深度均保持在入土3 cm左右，最大误差0.7 cm，可以说明通过优化硬件可以降低切割深度控制误差，符合割茬小于3 cm为合格切割的规定；通过该种切割刀盘高度自动调节装置，可以根据不同蔗地环境以及切割状态，建立数据库，利用人机交互界面，制定不同的控制方案，最终实现切割刀盘高度的自动调节。

5 结束语

综上所述，通过切割刀盘浮动控制系统设计，可以根据几何关系推算刀尖实际高度，刀盘切割深度能够实现自动调节，满足甘蔗收割机割茬要求，根据田间具体试验论证，得出该种方案确实可行，可以根据不同蔗地环境自动调节切割刀盘高度。