液壓驅(qū)動彈齒式清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計

尤曉東 魏傳省 白偉 張旭

摘要：為提高免耕播種機的苗帶秸稈清理效果、減少清秸裝置的動力浪費，利用運動學分析探究了清秸裝置轉(zhuǎn)速與免耕播種機作業(yè)速度之間的關系，設計液壓驅(qū)動彈齒式清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)清秸裝置轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度的匹配。

關鍵詞：苗帶清理;彈齒清秸裝置;液壓驅(qū)動;轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

中圖分類號：S223.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2022）01-0034-03

秸稈還田后地表存在大量秸稈，會導致播種質(zhì)量下降，因此提高苗帶秸稈的清理效果對保護性耕作有重要的意義。液壓驅(qū)動彈齒式清秸裝置可以使彈齒清秸部件高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)苗帶秸稈的清理，但清秸裝置的轉(zhuǎn)速過高時，會導致動力浪費和土壤擾動量過大;轉(zhuǎn)速過低時，秸稈清理效果不佳。探究清秸裝置轉(zhuǎn)速與免耕播種機作業(yè)速度之間的關系，設計彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，對提高免耕播種作業(yè)苗帶秸稈清理效果十分必要。

1 工作原理與運動學分析

1.1 從動式清秸裝置工作原理

從動式清秸裝置包括主機架、清秸機架、彈齒清秸裝置、破茬刀等，如圖1所示。

該清秸裝置通過軸承座安裝在免耕播種單體的正前方，沿拖拉機前進方向運動。作業(yè)時清秸裝置通過秸稈摩擦力作用發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過彈齒的撥、彈作用，將秸稈清理至苗帶兩側(cè)。

從動式清秸裝置結(jié)構簡單，安裝方便，可以實現(xiàn)苗帶秸稈的清理。但當清秸部件產(chǎn)生滑移時，容易導致轉(zhuǎn)速較低，從而影響苗帶秸稈的清理效果。

1.2 液壓驅(qū)動式清秸裝置工作原理

液壓驅(qū)動彈齒清秸裝置在從動式清秸裝置的基礎上增加液壓驅(qū)動及控制部分，由拖拉機后液壓輸出、液壓控制閥和液壓馬達為清秸裝置提供動力。液壓馬達帶動彈齒清秸部件高速轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)苗帶秸稈的清理，工作原理如圖2所示。

液壓驅(qū)動彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)動角速度最小值應與從動式清秸裝置在秸稈摩擦力作用下的理論角速度相等，即：

ω≥ω0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： ω—彈齒清秸裝置角速度，rad/s;ω0 —從動式清秸裝置轉(zhuǎn)動角速度，rad/s。

1.3 清秸裝置運動學分析

對從動式彈齒清秸裝置進行運動分析，如圖3所示，清秸裝置的運動由x軸方向的滾動運動和沿y軸負方向的滑移運動組合而成，滾動速度和滑移速度是前進速度v在x軸和y軸負方向的速度分量，即v為機具前進速度，v1為彈齒清秸裝置的純滾動速度，v2是彈齒清秸裝置的純滑移速度。

從動式清秸裝置在秸稈摩擦力作用下的理論角速度為：

ω0 ==? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：v—免耕播種機前進速度，m/s;v1—從動式清秸裝置理論滾動速度，m/s;r—彈齒清秸裝置投影半徑，m;α—彈齒清秸裝置與機具前進方向夾角，°。

根據(jù)轉(zhuǎn)速與角速度的關系可得彈齒清秸裝置的理論轉(zhuǎn)速為：

n==? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中： n—彈齒清秸裝置的理論轉(zhuǎn)速，r/min。

為保證良好的播種質(zhì)量，免耕播種作業(yè)時前進速度應控制在8 km/h左右，最大不超過10 km/h，最小不低于3 km/h。則可得免耕播種機前進速度為8 km/h時的彈齒清秸裝置理論角速度為13.9 rad/s，理論轉(zhuǎn)速為132.8 r/min。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

控制器根據(jù)輪速傳感器采集到的機具前進速度計算清秸裝置目標轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器采集到的清秸裝置實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的差值調(diào)節(jié)液壓馬達的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速的精準控制。系統(tǒng)總體設計如圖4所示。

轉(zhuǎn)速傳感器選用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，控制器解析脈沖信號，根據(jù)公式4計算得到機具前進速度：

v=πdf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中： df—地輪直徑，m;pt—編碼器單位時間脈沖數(shù)，個;np—編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，個。

2.2 控制器程序設計

系統(tǒng)初始化后，控制器采集輪速傳感器的脈沖數(shù)據(jù)用以計算機具前進速度，根據(jù)公式（3）計算清秸裝置目標轉(zhuǎn)速，采集編碼器脈沖數(shù)據(jù)用以計算清秸裝置實際轉(zhuǎn)速，并判斷實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速是否相等。若不相等，則通過PID控制計算比例閥控制信號的輸出量，從而調(diào)節(jié)液壓馬達轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)清秸裝置轉(zhuǎn)速的控制。清秸裝置轉(zhuǎn)速控制的程序流程圖如圖5所示：

3 結(jié)論

介紹了從動式和液壓驅(qū)動式彈齒清秸裝置的工作原理，通過運動學分析得到了清秸裝置理論轉(zhuǎn)速與車速之間的關系;設計了清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速與機具前進速度的匹配。

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Design of Rotating Speed Control System of Straw Cleaning Device?of Spring Finger Driven by Hydraulic

YOU Xiaodong1， WEI Chuansheng1， BAI Wei2， ZHANG Xu1*

（1. Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2. Institute of Crop Cultivation and Farming System， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161， China）

Abstract： In order to improve the cleaning effect of the seedling belt of the no-tillage planter and reduce the power waste of the straw cleaning device， this paper uses kinematic analysis to explore the relationship between the speed of the straw cleaning device and the operating speed of the no-tillage planter， and design a hydraulically driven spring-tooth type the control system of the straw cleaning device.

Key words： straw cleaning device of spring finger; hydraulic drive; speed control system; seedling belt cleaningBB7850AE-A12D-4AB7-9C32-3D4BB8697829