甘蔗聯(lián)合收割機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度的跟蹤控制

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

引言

甘蔗聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)時(shí)，各工作子系統(tǒng)間需要有合理的速比匹配控制，以適應(yīng)蔗田復(fù)雜工況的變化。如果匹配不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致甘蔗宿根破頭率、損失率、含雜率增大，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致甘蔗物流通道堵塞，從而影響甘蔗收割機(jī)的工作效率和蔗農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

邢克鵬等[3]通過(guò)理論分析，采用回油節(jié)流調(diào)速來(lái)控制剝?nèi)~馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使剝?nèi)~馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速能較好地配合行走系統(tǒng)，提高剝?nèi)~效果。張堯等[4]對(duì)甘蔗收割機(jī)各子系統(tǒng)進(jìn)行了控制方案的分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)各傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)控制器進(jìn)行控制，使收割機(jī)保持在額定工況附近工作。Neves等[5]利用速度傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)輸入到控制系統(tǒng)控制流量閥，實(shí)現(xiàn)了輸送輥的速度調(diào)節(jié)，通過(guò)這種變速控制降低了甘蔗的機(jī)械損傷。陸聰玲[6]通過(guò)PID控制使剝?nèi)~轉(zhuǎn)速始終比輸送滾筒轉(zhuǎn)速高250 r/min，剝?nèi)~馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以很好地跟蹤輸送馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化，保證工作的協(xié)調(diào)性。

本課題組前期提出了一種基于機(jī)械式速度跟蹤器的機(jī)液速度反饋控制系統(tǒng)[7]，通過(guò)仿真表明該系統(tǒng)可用于甘蔗聯(lián)合收割機(jī)各子系統(tǒng)間轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，經(jīng)濟(jì)性好，但響應(yīng)頻率偏低。

本研究對(duì)比分析了兩種砍蔗刀盤電液速度控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，為甘蔗聯(lián)合收割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇提供參考。

1 刀盤轉(zhuǎn)速與行走速度組合匹配試驗(yàn)

甘蔗收割機(jī)在工作過(guò)程中行走速度是根據(jù)天氣、地形以及甘蔗品種、長(zhǎng)勢(shì)等情況的變化而變化的，切割刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度的跟蹤匹配顯著影響到甘蔗的切割質(zhì)量[8]。因此，需要找到行走速度與切割刀盤轉(zhuǎn)速的合理匹配關(guān)系，保證收割機(jī)的收割效率，減少破頭率，提高宿根切割質(zhì)量。試驗(yàn)以甘蔗破頭率為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)出不同行走速度條件下的最佳刀盤轉(zhuǎn)速，為后續(xù)刀盤轉(zhuǎn)速與行走速度跟蹤控制提供決策依據(jù)。

1.1 試驗(yàn)方案

在田間對(duì)甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行行走速度的單因素試驗(yàn)，甘蔗聯(lián)合收割機(jī)行走速度分別以1, 2, 3 km/h收割時(shí)，將刀盤轉(zhuǎn)速分別以不同的轉(zhuǎn)速(540, 570, 620, 660 r/min)進(jìn)行收割，統(tǒng)計(jì)出同一行走速度下不同刀盤轉(zhuǎn)速的甘蔗破頭率，破頭率最低即為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。

圖1 速度組合匹配試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式(1)統(tǒng)計(jì)出破頭率，見(jiàn)表1。

CP=(NP/Na)×100%

(1)

式中,CP為甘蔗破頭率；NP為甘蔗宿根破頭數(shù)；Na為甘蔗總根數(shù)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

各行走速度下的甘蔗平均破頭率趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 不同行走速度下甘蔗破頭率趨勢(shì)圖

從表1和圖2可得出如下結(jié)論：當(dāng)行走速度為1, 2 km/h時(shí)，破頭率α隨著刀盤轉(zhuǎn)速升高先降低后升高，分析是由于刀盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)甘蔗宿根被多次切割，容易導(dǎo)致破頭率增加；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速不斷升高時(shí)，由于行走速度較慢，已經(jīng)被切斷的甘蔗宿根又被重復(fù)切割，導(dǎo)致宿根破裂，從而破頭率增加；當(dāng)行走速度為3 km/h時(shí)，破頭率隨著刀盤轉(zhuǎn)速升高而降低，刀盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)甘蔗宿根存在被多次切割或者有漏割現(xiàn)象，導(dǎo)致破頭率增加。行走速度和刀盤轉(zhuǎn)速最優(yōu)匹配組合為(1 km/h，570 r/min)、(2 km/h，620 r/min)、(3 km/h，660 r/min)時(shí)破頭率最低。上述優(yōu)化匹配組合條件下甘蔗的平均破頭率為6.96%，滿足機(jī)收甘蔗破頭率小于10%的標(biāo)準(zhǔn)[9]，圖3為不同行走速度下對(duì)應(yīng)刀盤轉(zhuǎn)速的最佳匹配曲線。

圖3 行走速度和刀盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系

2 仿真模型的建立

2.1 兩種刀盤轉(zhuǎn)速控制方案

方案一采用電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，方案二采用電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如圖4、圖5所示，速度傳感器將采集到的行走速度信號(hào)傳送至控制器，控制器根據(jù)試驗(yàn)所得的最優(yōu)匹配組合，計(jì)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)化為控制參數(shù)輸出給三位四通比例換向閥或者比例流量閥，調(diào)節(jié)其閥口開(kāi)度，控制進(jìn)入馬達(dá)的流量，從而使砍蔗刀盤馬達(dá)的轉(zhuǎn)速跟蹤行走速度而變化，保證砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速與行走速度的速比約束關(guān)系。

1.行走馬達(dá) 2.速度傳感器 3.控制器 4.刀盤馬達(dá)5.三位四通比例換向閥 6.溢流閥 7.液壓泵 圖4 方案一：電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)仿真模型的建立

通過(guò)AMESim建立電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型分別如圖6、圖7所示。為了減小啟動(dòng)和變速瞬間帶來(lái)的沖擊，在設(shè)置行走變量泵控制信號(hào)時(shí)使用斜坡函數(shù)。車輪半徑r為1.25 m，則行走速度的函數(shù)關(guān)系式為：

f1(x)=2πrx1=0.2335x1

(2)

1.行走馬達(dá) 2.速度傳感器 3.控制器 4.比例流量閥5.刀盤馬達(dá) 6.溢流閥 7.液壓泵 8.三位四通電磁換向閥圖5 方案二：電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

圖6 方案一：電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖7 方案二：電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)仿真摸型

刀盤馬達(dá)經(jīng)減速比為2 ∶1的減速裝置后得出實(shí)際刀盤轉(zhuǎn)速值，則實(shí)際刀盤轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系為：

f2(x)=0.5x2

(3)

在AMESim中將比例閥的控制信號(hào)與刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)二次項(xiàng)擬合后得到電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的控制信號(hào)函數(shù)關(guān)系分別為：

(4)

(5)

式中,x1為行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速；x2為刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速；x3為行走速度f(wàn)1(x)；r為車輪半徑。

2.3 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)根據(jù)甘蔗聯(lián)合收割機(jī)上的各液壓元件的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。設(shè)置仿真時(shí)間為80 s，通信間隔為0.001 s。

表2 仿真參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果與分析

如圖8所示為2個(gè)電液比例調(diào)速系統(tǒng)仿真得到的砍蔗刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)刀盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速的跟蹤對(duì)比曲線，可以發(fā)現(xiàn)：方案一電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的砍蔗刀盤馬達(dá)經(jīng)過(guò)1.49 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在620 r/min附近，誤差在0.1%以內(nèi)，后續(xù)的調(diào)整時(shí)間和誤差為(1.49 s，0.1%)；方案二電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)砍蔗刀盤馬達(dá)經(jīng)過(guò)1.24 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在620 r/min附近，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速620 r/min誤差在0.1%以內(nèi)，后續(xù)的調(diào)整時(shí)間和誤差為(1.24 s，0.1%)，說(shuō)明電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速跟蹤誤差小，精度高，調(diào)整時(shí)間短，控制效果好。

圖8 刀盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線對(duì)比圖

圖9為兩種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的比例閥輸出流量和砍蔗刀盤馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線。方案一的電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)砍蔗刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速與比例閥輸出流量大小的變化趨勢(shì)相同；方案二的電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)砍蔗刀盤液壓系統(tǒng)采用旁通節(jié)流調(diào)速，比例閥開(kāi)度越小，分流越少，砍蔗刀盤馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速越高。

圖9 比例閥輸出流量與砍蔗刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

刀盤速度對(duì)行走速度的響應(yīng)曲線如圖10所示。方案一電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.7159 s，方案二電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.8062 s。甘蔗聯(lián)合收割機(jī)正常收割作業(yè)時(shí)的平均行走速度約為0.55 m/s左右，因此在0.8062 s的時(shí)間內(nèi)甘蔗收割機(jī)前行距離為0.44 m左右。

圖10 刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度的響應(yīng)曲線

據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，甘蔗種植時(shí)兩簇間距的平均值約為0.49 m[10]，因此控制方案的過(guò)渡過(guò)程對(duì)甘蔗收割作業(yè)質(zhì)量影響較小。

圖11為回路效率曲線。液壓回路的效率公式：

η=PN/PM

(6)

式中,η為回路的效率；PN為刀盤馬達(dá)的輸出功率；PM為泵輸入功率。

方案一電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的泵輸出功率為26.84 kW，刀盤馬達(dá)的平均輸出功率為14.52 kW，回路的平均效率54.11%；方案二電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的泵輸出功率為7.92 kW，刀盤馬達(dá)的平均輸出功率為6.54 kW，回路的平均效率82.60%，因此，方案一電液比例進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的回路效率較低，會(huì)導(dǎo)致油溫的升高和泄漏量的增加以及較高的油耗。

圖11 回路效率曲線

綜上可見(jiàn)，方案二電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤馬達(dá)的調(diào)整時(shí)間較短，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間能夠滿足甘蔗收割機(jī)的正常收割，回路的效率高，能耗較低，較適用于甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度的跟蹤控制，故選擇該方案進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備主要包括某中型切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)1臺(tái)、1個(gè)PVG-32-1-PVEM比例閥、2個(gè)接近轉(zhuǎn)速傳感器、3個(gè)GSEE-TECH壓力傳感器、1個(gè)S7-200 PLC、1個(gè)EM235擴(kuò)展模塊、1個(gè)SAMKOON AK-070MG觸摸屏、24 V車載直流電源、1臺(tái)筆記本電腦、10 m卷尺等。試驗(yàn)地點(diǎn)：廣西大學(xué)扶綏甘蔗試驗(yàn)基地，甘蔗品種：中蔗1號(hào)。圖12為搭建的測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

圖12 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

田間驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，甘蔗聯(lián)合收割機(jī)行走速度分別以1, 2, 3 km/h收割，控制系統(tǒng)按照行走速度和刀盤轉(zhuǎn)速最優(yōu)匹配組合(1 km/h，570 r/min)、(2 km/h，620 r/min)、(3 km/h，660 r/min)對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配控制。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束后將行走速度和刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后繪制曲線圖，如圖13所示。刀盤轉(zhuǎn)速能按照最佳匹配值跟蹤行走速度的變化而變化，甘蔗聯(lián)合收割機(jī)正常收割時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)比預(yù)控的轉(zhuǎn)速低10～20 r/min，分析是由于收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)時(shí)是帶負(fù)載工作的，收割時(shí)系統(tǒng)的壓力比空載要高，比例閥兩端的壓差增大，通過(guò)的流量也會(huì)增大，分流增大，故刀盤轉(zhuǎn)速比空載時(shí)要低。刀盤轉(zhuǎn)速的最大誤差為3.51%，說(shuō)明該控制系統(tǒng)能夠滿足甘蔗聯(lián)合收割機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制的要求。

圖13 刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度跟蹤曲線

由圖14可知當(dāng)行走速度改變時(shí)，刀盤壓力和切段壓力始終處于最佳的工作壓力的范圍之內(nèi)，即刀盤壓力為7～12 MPa，切段壓力為5～8 MPa，說(shuō)明收割機(jī)一直處于高效的收割工作狀態(tài)。

圖14 行走速度與刀盤壓力、切段壓力曲線

由表3甘蔗破頭率數(shù)可知，甘蔗破頭率在5%～8%之間，平均破頭率為7.02%，與刀盤轉(zhuǎn)速和行走速度優(yōu)化匹配組合條件下的平均破頭率6.96%基本一致，滿足收割機(jī)的設(shè)計(jì)要求。圖15為甘蔗宿根切口質(zhì)量對(duì)比圖，未進(jìn)行刀盤轉(zhuǎn)速和行走速度跟蹤控制的甘蔗宿根切口出現(xiàn)一簇甘蔗被兩刀甚至多刀切割，從而影響來(lái)年的宿根發(fā)芽率；進(jìn)行刀盤轉(zhuǎn)速和行走速度跟蹤控制后，甘蔗宿根切口平整，切割質(zhì)量較好。

表3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)破頭率

圖15 甘蔗宿根切口質(zhì)量對(duì)比圖

4 結(jié)論

(1) 仿真對(duì)比結(jié)果表明，電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間較短，回路效率較高。能夠滿足砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)行走速度的跟蹤要求，較適合于甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的刀盤協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制；

(2) 田間試驗(yàn)驗(yàn)證了電液比例閥旁路節(jié)流調(diào)速控制方案的可行性。通過(guò)甘蔗收割試驗(yàn)，控制系統(tǒng)在高效的收割工作狀態(tài)下能根據(jù)要求對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制，刀盤轉(zhuǎn)速的最大誤差為3.51%，平均破頭率為7.02%；甘蔗宿根切口平整，切割質(zhì)量好。