【《玉米收获机控制元件设计案例》6700字】

玉米收获机控制元件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27262玉米收获机控制元件设计案例 1269851.1割台系统控制元件 1306691.1.1割台系统工作原理 157981.1.2玉米收获机割台结构 222975(1)分禾器 230837(2)割台搅龙 320352(3)摘穗装置 312104(4)输送过桥 397021.1.3割台系统控制元件设计 429215(1)喂入量实时检测 426469(2)割台速度调节推杆 4315351.2脱粒清选系统控制元件 583694.2.1脱粒清选系统工作原理 567824.2.2脱粒清选系统结构分析 61866(1)脱粒系统结构分析 69919(2)清选系统结构分析 6311094.2.3脱粒清选系统控制元件设计 71460(1)含水率检测 719413(2)凹板筛间隙调节方式 94308(3)清选风机调速推杆 1113663(4)脱粒滚筒调速方式 12221.3关键转速实时检测 13322831.4液压油温检测 141.1割台系统控制元件1.1.1割台系统工作原理割台系统工作时，分禾器先进行作用，随后切割器将玉米植株切断，在拨禾链的带动下将玉米送入割台搅龙，通过割台搅龙的作用，将玉米果穗送至输送过桥处，之后通过过桥送至脱粒清选系统[50]。在割台工作过程中，待玉米植株进入夹持部分时，被分离成两部分，即玉米果穗与玉米秸秆，玉米果穗被送至过桥，玉米秸秆在切割器的作用下被切碎，之后可以直接还田或者可打包成饲料进行处理。实物图如图1.1所示，工作流程如图1.2所示。图1.1割台实物图图1.2割台系统工作过程图1.1.2玉米收获机割台结构对于玉米收获机而言，割台是收获过程中的关键组成部件之一，割台结构主要由摘穗装置、分禾器、机架和搅龙等构成，如图1.3所示。图1.3玉米收获机割台系统组成分禾器分禾器的功能是将玉米植株进行分离，并随着收获机的前进，将玉米植株带入摘穗机构，其三维模型建模如图1.4所示。分禾器的主要作用[51]：可以将已经倒地的植株扶起来，由于玉米植株容易受到自然条件的影响，一些玉米指挥会发生折断或倒伏，而分禾器则可以将其扶起，从而完成后续工作，可以减少漏摘的问题出现；可以确定玉米收获机的行距，我国有许多地区的玉米种植间距有很大的差异，而分禾器就是可以确定玉米收获机行距的重要因素，分禾器可以根据种植情况将间距差异的玉米植株完整归拢到摘穗结构。图1.4两种不同形状的分禾器模型图割台搅龙割台搅龙又叫螺旋输送器，其三维建模图如图1.5所示，其主要的作用就是将宅随装置摘下的玉米果穗输送到玉米收获机输送过桥处，已便于完成后续工作。搅龙的材料为冷板，比普通钢板具有更高的耐磨性和硬度，既方便了玉米运输，又降低了玉米植株在输送过程中出现破损的情况，提高了运输效率。图1.5搅龙三维建模图摘穗装置在玉米收获机中主要的摘穗装置有立辊式、拉茎辊摘穗板组合式、纵卧辊式[52]，本文所研究的玉米收获机采用了摘穗辊摘穗板组合式摘穗装置。摘穗装置主要由拨禾链、摘穗辊、齿轮箱等几部分结构组成，其主要功能是用来完成玉米的摘穗作业任务，其结构如图1.6所示。图1.6摘穗结构模型图输送过桥输送过桥的主要作用是将经过割台处理后的作物输送给脱粒清选系统的中间结构。在市场现有的玉米收获机中输送过桥中的输送装置主要有链耙式、带耙式和转轮式等结构[53]。本文所研究的玉米收获机机型输送过桥采用的是链耙式，此结构比较简单、维修保养方便，而且比较容易进行拆卸和连接割台。链耙式结构主要由主动链轮、主动带轮、从动链轮、浮动滚筒、链耙、链条等组成，链耙的上面为工作边，在输送过桥上端开有观察维修口，为了方便内部结构的维修及保养，结构如图1.7所示。54321543211.观察维修口2.主动轮3.主动链轮1.从动链轮5.链条图1.7输送过桥结构图1.1.3割台系统控制元件设计喂入量实时检测由第二章可知，本文采用S型压力传感器进行玉米收获机喂入量实时检测。把压力传感器配置在过桥两端对底板调节螺栓处，即可对玉米收获机当不同质量的作物进入输送过桥的时候对底板产生的压力进行检测，完成玉米收获机喂入量实时监测工作。通过分析采集收获机实际作业的参数，选取了DYLY-103型压力传感器，压力量程为0-100kg，标定工作温度为-20-65℃，灵敏度为2.0mV/V且配有信号变送器，可直接输出4-20mA标准电流信号与控制器模拟量输入单元相连，。割台速度调节推杆结合玉米收获机结构设计与电子技术，采用直流式电动推杆代替该机构，直流电动推杆可实现推杆的正转、反转、停止功能，可以控制推杆的伸长长度来决定传动皮带的张紧程度，而且推杆本身自带自锁功能，可以稳定张紧，不会出现张紧轮松动的现象出现，具体安装方法如图1.8所示。（a）未压紧状态（b）压紧状态图1.8割台传动调速推杆安装图查阅本机技术手册可知，割台传动皮带张紧轮重量为3kg，张紧轮在完全压紧该传动皮带时所需要的力为460N，压紧行程为100mm，整机额定电压为24V。因此，基于以上技术数据，选用行程为200mm，最大额定推力为1000N，运行速度为20mm/s，匀速运动，额定电压为24V，带有自锁、可以随时停止且内部带有限位开关的梯形丝杠型直流式电动推杆，可以满足本文中所设计需要。根据公式：（1.1）式中：S为压紧行程；v为电动推杆运行速度。由此可得电动推杆从静止到皮带完全被张紧需要运行时间为5s。1.2脱粒清选系统控制元件脱粒清选系统工作原理玉米果穗从输送过桥进入到脱粒清选室中，本机型的脱粒滚筒采用的是单纵轴流钉齿式脱粒滚筒。在收获机脱粒清选系统运行过程中，脱粒滚筒进行高速的旋转，此时脱粒滚筒上的脱粒纹杆和分离钉齿会对进入脱粒清选室中的玉米果穗进行碰撞与摩擦，实现玉米果穗的脱粒工作，同时玉米芯与进入的玉米秸秆被打碎[54]。在脱粒滚筒的后半部只有分离钉齿，对一些未被完全脱粒的果穗再次进行脱粒工作，确保脱粒的效率。脱粒完成的玉米籽粒与被打碎的其余杂物将透过凹板筛进去清选室中，对于无法通过凹板筛的较大杂余，会被脱离滚筒带到末端，排出脱粒装置。被脱粒完成的玉米籽粒与其余杂物通过凹板筛进入清选室，通过清选室中振动筛的作用，在其前后左右方向均存在一定的振动位移。落入振动筛上的玉米籽粒与其余杂物，首先通过上筛的振动将玉米籽粒与比较小的杂物落入下筛，完成粗筛过程。落入下筛的玉米脱出物，会再次进行筛选，在清选风机的作用下，将剩余的杂物吹出清选室，而由于重量因素，玉米籽粒无法被吹出，从而落入籽粒箱中，完成清选过程[55]。结构如图1.9所示。图1.9脱粒清选系统结构实物图脱粒清选系统结构分析脱粒系统结构分析脱粒滚筒对谷物脱粒过程是比较复杂的，但不同滚筒之间的相同之处在于均是由脱粒滚筒与凹板筛形成一定的间隙，使作物可以在间隙之间穿过，然后经过脱粒元件作用实现脱粒过程[56]。本机脱粒滚筒脱粒部件为钉尺式脱粒装置，如图1.10所示。钉齿装在滚筒的齿杆上主要原因是为了加强其脱粒能力，脱粒结构主要是采用冲击和震动对作物进行脱粒工作。图1.10钉齿式脱粒滚筒三维建模图清选系统结构分析本文所研究玉米收获机的清选装置，其结构为多层筛结构，主要包括抖动板面、上筛面、下筛面和尾筛面，三维模型图如图1.11所示。1.抖动板面2.上筛面3.下筛面1.尾筛面5.筛壁6.籽粒箱7.清选风机图1.11清选系统三维建模图抖动板位于最上的一层，表面比较光滑，在抖动板的中间位置装有一个隔板；上筛筛孔与鱼鳞形状相似，降低被打碎杂余物通过筛板的效率，而且可以提高玉米脱出物的效率，可用作粗略筛选；下筛筛孔的形状为圆形，其大小比玉米籽粒稍大，一般用于玉米籽粒细筛；尾筛和抖动板没有筛孔，他主要作用是用来进行籽粒的运输[57]。各层筛板的布局方式相对交错，其空间位置如图1.12所示。1.抖动板面2.上筛面3.下筛面1.尾筛面图1.12筛体空间示意图脱粒清选系统控制元件设计含水率检测在我国玉米籽粒含水率低于25%的地区，进行玉米机械收获时最后收获物为玉米果穗，即使有少数籽粒直收式玉米收获机，但脱粒清选系统的结构不够先进，而且在进行脱粒和清选时完全只是凭借经验进行，很少进行玉米籽粒含水率的检测，由此造成了籽粒破损率高和籽粒含杂率高的问题[58]，所以本文对玉米籽粒含水率进行实时检测。对玉米籽粒含水率检测的过程中，由于相同数量的玉米籽粒电容值主要是由于玉米籽粒含水率的大小，而且电容量与玉米籽粒含水率大小之间的关系呈正线性相关，本文基于此特征，采取利用电容式水分传感器检测玉米籽粒含水率的方式，如图1.13所示为其等效电路图。图1.13电容式水分传感器等效电路图在对玉米籽粒含水率进行检测的时候，最终结果与环境的温度有很大的关系，所以必须要对环境温度进行检测，并对最终结果进行温度补偿计算，其公式为：（1.2）式中：Y为玉米籽粒含水率；C为玉米籽粒的标定参数；X为传感器输出的差分电压；O为偏差量；T为检测时的环境温度。基于以上特点本文选用了建大仁科RS-WS-N01-TR型电容式水分传感器对玉米籽粒含水量进行实时检测，此传感器可以输出4-20mA的电流信号可直接与控制器模拟量输入单元相连接，使用方便，便于接受数据，如表1.2所示为基本技术参数，水分传感器接线图如图1.14所示。图1.14水分传感器接线图表1.1水分传感器技术参数项目技术参数水分精度±3.0%水分量程0%~100%温度量程-20~80℃供电电压10~30V输出信号4~20mA电导率精度±3.0%响应时间<1s由于水分传感器的安装位置不仅需要可以准确地测量出其含水率的大小而且不可以对正常的工作过程产生影响，因此决定在玉米收获机升运装置出口处安装玉米籽粒含水率检测盒，将水分传感器安装在其中，既不影响其收获作业也可以保证准确的测量，其三维结构如图1.15所示。1.水分检测箱2.弹簧3.底侧弹簧板1.水分传感器5.输送通道6.粮仓图1.15水分传感器安装位置三维示意图为了建立智能化脱粒清选系统需要对本机脱粒清选某些结构进行相应的优化，可使控制器根据水分传感器所测出的实时玉米籽粒含水率及压力传感器所测出的实时喂入量数值对各脱粒清选系统中的机构进行相应的自动调整，提高整机脱粒清选效率，降低玉米籽粒破损率及其含杂率，因此基于玉米收获机相关技术参数及脱粒清选系统工作原理，结合自动化技术有关知识对玉米收获机脱粒清选系统的中三个可以影响脱粒清选效率的机构进行相应的控制，即凹板筛间隙、清选风机转速及脱粒滚筒转速。凹板筛间隙调节方式凹板筛间隙是指在脱粒滚筒轴的正下方测量的脱粒齿顶端与凹板筛上端面的最小径向间隙，凹板筛间隙是脱粒系统的重要设计参数，不同的玉米收获机设计的凹板筛间隙参数不同。在确定了脱粒滚筒转速的情况下，脱离清选系统的脱粒质量主要取决于凹板筛间隙，间隙越小，脱粒越干净，但同时也会加大其脱粒负担，在长时间的工作下会很容易发生堵塞的现象；倘若增大间隙，则容易发生“糊板”现象，造成无法完全脱粒的情况出现[59]。因此，在脱粒清选工作的过程中实现凹板筛间隙的实时调节就变得十分重要。现在的玉米收获机在收获过程中，如果发生了堵塞的情况出现，操作人员必须立刻停机，利用手动的方式凭借经验调节凹板筛的间隙，将堵塞物进行排出，随后再调整到合适位置，这种手动调节的方式极大影响了收获效率而且很容易造成人员受伤情况出现。本机原来凹板筛间隙调节方式是通过调整凹板间隙调节装置中螺杆的上下位置来实现。在本机凹板筛下方前端与后端均设置支撑杆，用于调节间隙时托起凹板筛。调整方法为：首先打开左右两侧壁上前后两个观察孔盖，再松开左右两侧壁上前后两件调节螺杆上两螺母，上提或下落螺杆（上提螺杆凹板间隙减小，下落螺杆凹板间隙则增大），通过观察孔测量滚筒与凹板之间的间隙，直到满足要求为止，如图1.16所示。图1.16手动凹板筛间隙调节方式针对人工操作凹板筛间隙的调节方式，结合脱离滚筒的工作原理及电控技术，本文中采用直流式电动推杆代替凹板筛间隙调节螺杆，采用自动化控制方式根据传感器所采集到的收获机相关数据对凹板筛间隙进行自动调整，利用继电器开合时间控制电动推杆的伸长长度。查阅本机相关技术资料，凹板筛质量为110kg，凹板筛前端与后端调节位置所受的重量可看做凹板筛质量均匀分布于这四个点，每个点所受重力约为540N，因此凹板筛间隙调节电机可以选择推力为1000N。基于上文所述凹板筛间隙调节范围在5~40mm，其电动推杆行程可选为100mm。综上所述，本文选择凹板筛调节推杆为额定电压24V，额定推拉力1000N，行程100mm，运行速度为12mm/s，安装位置如图1.17所示。图1.17凹板筛间隙调节推杆安装清选风机调速推杆本文所研究的玉米收获机清选风机结构为离心式，风扇转速可以进行手动调节。在收获机收获工作过程中，合适的风量可以提高清选效率，所以必须根据不同作业环境及时去调节，调节方式如图1.18所示。431243121.清选风机从动轮2.清选风机扇叶3.传动皮带张紧轮1.传动皮带图1.18清选风机转速调速机构该调整方式需要人工观察田间的状况及作业条件进行手动调节，调节幅度只能依靠操作人员的经验进行，不具有准确性，该调整方式对传动皮带张紧程度具有不可控性，容音加速传动皮带的疲劳损伤，且风机转速无法稳定，清选效果提高不明显。因此，本文准备利用直流式电动推杆代替人工调节，通过选择合适的电动推杆结合自动化控制技术，将传感器所检测的收获机各数据利用控制器进行处理，设定合适的控制逻辑对其进行合理控制，从而调节清选风机的转速。通过查阅收获机技术参数可知，本机清选风机张紧轮重量为2kg，传动皮带最大张紧程度时张紧轮所受力为510N，张紧轮压紧行程最大为150mm，整机额定电压为24V。因此，基于以上技术数据，选用行程为200mm，最大额定推力为1000N，运行速度为12mm/s，额定电压为24V，带有自锁、可以随时停止且内部带有限位开关的梯形丝杠型直流式电动推杆，可以满足本文中所设计需要。脱粒滚筒调速方式当收获机运转时，通过转动脱离滚筒转速调节摇杆，小齿轮通过链条带动主动盘调整链轮旋转，主动盘调整链轮横向移动，引起主动变速轮动盘横向移动，用过皮带及从动变速轮弹簧作用，使从动变速轮动盘横向移动，改变动盘左右带槽工作直径，达到变速目的，如图1.19所示。1.主动变速轮定盘2.滚筒调速链轮3.密封橡胶套1.脱粒滚筒调速轴承座5.第二中间轴（a）主动变速轮示意图1.脱粒滚筒变速轮轴2.从动变速轮总成3.脱粒滚筒前轴承座装配（b）从动变速轮装配图1.19脱粒滚筒转速调整原理图如上述所说，在操作人员对脱粒滚筒转速进行调节时，需要转动主动轮变速链轮，如图1.20所示。该调整方式必须在收获机启动时进行操作，对人员具有一定的危险性，而且无法准确调整转速大小，只是凭借操作人员经验所为。因此本文将采用自动化控制方式对脱粒滚筒转速进行调节。3123121.脱粒滚筒转速调节摇杆2.脱粒滚筒主动轮3.脱粒滚筒转速调节链图1.20脱粒滚筒转速变速调节机构由于步进电机是可以对位置和速度进行精确控制，步进电机的数字性特点可以在接收到控制器发出的脉冲信号，在驱动器的作用转动一定的角度，而且通过控制控制器发出脉冲信号的频率，控制电机的转动速度[60]。因此本文将采用步进电机代替人工转动脱粒滚筒变速链轮。为了放置步进电机输出扭矩不足以带动脱粒滚筒调速链轮的旋转，因为在步进电机输出轴上安装蜗轮蜗杆减速机，从而使其具有足够的扭矩转动脱粒滚筒调速链轮，根据现有减速机型号，结合步进电机选型原则对所需步进电机进行选型。现有减速机型号为NRV040型蜗轮蜗杆减速机，速比为1:10，传动和效率为92%，脱粒滚筒转速调节所需扭矩为112N·m。根据以上数据参数，选择86型步进电机，恒定扭矩2.5N·m，安装方式如图1.21所示。1.步进电机2.联轴器3.机器支架1.减速器5.传动机构6.脱粒滚筒图1.21三维安装示意图1.3关键转速实时检测玉米收获机工作过程中较为关键的转速有发动机转速、脱粒滚筒转速、清选风机转速、绞龙转速、升运转速及割台转速。发动机转速、割台转速及绞龙转速决定喂入量大小，脱粒滚筒转速直接影响着其脱粒质量，清选风机