黃賀東，趙 湛，尹建軍，田春杰

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，每年可生產(chǎn)6 億t多的農(nóng)作物秸稈。但是,秸稈的利用率較低，大量的秸稈被丟棄或焚燒，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)和環(huán)境污染。造成利用率低的主要原因是秸稈比較松散，堆積密度小，收集、運(yùn)輸都比較困難。實(shí)驗(yàn)研究表明：秸稈經(jīng)過(guò)打捆機(jī)壓縮成型后平均密度增大10倍，存儲(chǔ)空間減少90%，運(yùn)輸成本降低70%[1-2]。

圓捆機(jī)可以將經(jīng)過(guò)切割和晾曬后的稻、麥等農(nóng)作物秸稈或牧草撿拾后壓成高密度的草捆，是收獲秸稈和牧草的重要機(jī)具。按照打捆原理的不同，圓捆機(jī)主要分為內(nèi)纏繞式和外纏繞式兩大類(lèi)，內(nèi)纏繞式以長(zhǎng)膠帶式為主，外纏繞式以短膠帶式和鋼輥式兩種為主[3]。目前，國(guó)內(nèi)普遍使用適合國(guó)情的外纏繞鋼輥式圓捆機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是卷制的草捆外緊內(nèi)松，易于通風(fēng)干燥，不易霉?fàn)€[4]，缺點(diǎn)是容易堵塞。

為了解決鋼輥式圓捆機(jī)喂料口堵塞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛采用螺旋喂料刀輥[5-7]，它將撿拾器撿起來(lái)的物料預(yù)壓縮并強(qiáng)行拋入成型室，促使草捆密度分布均勻，在一定程度上提高了圓捆機(jī)的喂入性能。為進(jìn)一步提高其喂入性能，降低堵塞發(fā)生率，本文對(duì)9YGQ-1300鋼輥式圓捆機(jī)的喂料裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了喂料口開(kāi)度自動(dòng)控制裝置，為實(shí)現(xiàn)在工作過(guò)程中根據(jù)喂料負(fù)荷大小反饋控制喂料口開(kāi)度提供了支持。

1 9YGQ-1300型圓捆機(jī)工作過(guò)程

9YGQ-1300鋼輥式圓捆機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。拖拉機(jī)通過(guò)懸掛裝置牽引圓捆機(jī)前進(jìn)，并為圓捆機(jī)提供液壓動(dòng)力。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸、齒輪箱把動(dòng)力傳給圓捆機(jī)主軸，圓捆機(jī)主軸通過(guò)鏈條分別帶動(dòng)輥筒、喂料刀輥、纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)、絞龍和撿拾器工作。

1.萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸 2.牽引裝置千斤頂 3.平臺(tái)梯子 4.纏網(wǎng)機(jī)構(gòu) 5.潤(rùn)滑裝置 6.滾筒潤(rùn)滑嘴 7.輥筒 8.尾門(mén) 9.卸草架 10.下顎板 11.撿拾器 12.仿形輪

工作過(guò)程中，隨著喂料刀輥喂入的物料增多，成型室內(nèi)草捆逐漸變大，草捆對(duì)尾門(mén)的壓力也逐漸增大。當(dāng)草捆成型后，圓捆機(jī)自動(dòng)完成草捆纏網(wǎng)、割斷網(wǎng)繩。纏網(wǎng)結(jié)束后，駕駛員控制拖拉機(jī)換向閥來(lái)驅(qū)動(dòng)尾門(mén)油缸頂開(kāi)尾門(mén)，草捆從卸草架滾落。駕駛員控制換向閥關(guān)閉尾門(mén)，開(kāi)始下一個(gè)打捆作業(yè)。

2 喂料裝置結(jié)構(gòu)

圓捆機(jī)采用螺旋喂料刀輥，如圖2所示。喂料刀輥由34塊星形板并排焊接在空心輥筒上，星形板分為2個(gè)或3個(gè)1組，延軸線均勻排列，每組星形板排列角度相差24°。定刀安裝于喂料口正上方，用于清除隨星形板旋轉(zhuǎn)帶出的物料，同時(shí)防止喂料刀輥纏草。

圖2 喂料裝置實(shí)物圖

如圖3所示：下顎板承接撿拾器撿起的物料，其一端繞固定在機(jī)架上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；另一端由兩個(gè)相同的油缸支撐，且油缸體通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈安裝在機(jī)架上。當(dāng)油缸活塞桿伸出移動(dòng)時(shí)，喂料口增大；當(dāng)油缸活塞桿縮回移動(dòng)時(shí)，喂料口減小。

圖3 喂料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 喂料口開(kāi)度控制裝置設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

3.1 喂料口開(kāi)度調(diào)節(jié)油路設(shè)計(jì)

油缸是喂料口開(kāi)度大小調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)油路如圖4所示。圖4中，a和b端口需要和拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)連接，拖拉機(jī)提供的最大工作壓力為18MPa。

1.三位四通電磁換向閥 2.節(jié)流閥一 3.溢流閥 4.油缸一 5.無(wú)桿腔油壓傳感器 6.油缸二 7.有桿腔油壓傳感器 8.阻尼 9.蓄能器 10.液控單向閥 11.節(jié)流閥二

拖拉機(jī)輸出的高壓油從接口a進(jìn)入喂料口開(kāi)度調(diào)節(jié)油路，經(jīng)接口b 回油箱。當(dāng)三位四通電磁換向閥的左線圈得電時(shí)，電磁換向閥處于左工作位，高壓油經(jīng)過(guò)電磁換向閥的左閥芯、節(jié)流閥一輸入油缸一和油缸二的無(wú)桿腔；液控單向閥在高壓作用下 A、B 通道打開(kāi)，液壓油從油缸一和油缸二的有桿腔經(jīng)過(guò)液控單向閥、節(jié)流閥二、電磁換向閥的左閥芯進(jìn)入拖拉機(jī)油箱，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)伸出運(yùn)動(dòng)；電磁換向閥的右線圈得電時(shí)，電磁換向閥處于右工作位，高壓油經(jīng)過(guò)電磁換向閥的右閥芯、節(jié)流閥二、液控單向閥輸入油缸一和油缸二的有桿腔，左油缸和右油缸的無(wú)桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥一、電磁換向閥的右閥芯進(jìn)入拖拉機(jī)油箱，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)縮回運(yùn)動(dòng)；三位四通電磁換向閥的左、右線圈均不得電時(shí)，電磁換向閥處于中位，高壓油直接經(jīng)過(guò)電磁換向閥的中間閥芯回油箱，油缸一、油缸二、蓄能器及溢流閥構(gòu)成封閉油路。由于換向閥存在間隙泄漏現(xiàn)象，在活塞桿承受的重力和物料擠壓力作用下，可能引起油缸活塞桿下滑，利用液控單向閥關(guān)閉的嚴(yán)密性，可防止油缸活塞桿由泄漏引起的下滑。

溢流閥的進(jìn)油口和回油口分別連接油缸的有桿腔和無(wú)桿腔，設(shè)定壓力是25MPa，大于系統(tǒng)工作壓力，主要起到安全保護(hù)作用。當(dāng)油缸的有桿腔內(nèi)壓力超過(guò) 25MPa，P口和T口被連通，油缸有桿腔內(nèi)的高壓油被卸掉，保護(hù)機(jī)構(gòu)的安全。

蓄能器安裝在油缸有桿腔油路上，其預(yù)充壓力是13MPa。由于換向閥突然換向，油缸活塞桿瞬間受力較大等原因，會(huì)造成油管內(nèi)的液壓油流動(dòng)發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生沖擊壓力。蓄能器可以吸收和緩和這種沖擊，保護(hù)系統(tǒng)中的儀表、元件和密封裝置，還可以吸收油壓脈動(dòng)、降低噪音。蓄能器入口處安裝了一個(gè)φ1.6 的阻尼孔，作用是減小液壓油壓力的急劇變化對(duì)蓄能器內(nèi)部構(gòu)件造成直接沖擊，保護(hù)蓄能器免受損害。

通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥一和節(jié)流閥二的通徑大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿伸出和縮回速度的調(diào)節(jié)。

3.2 控制裝置硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 單片機(jī)的選擇

本系統(tǒng)采用了ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的 32 位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103ZET6作為控制核心。Cortex-M3 內(nèi)核是世界最大的半導(dǎo)體公司之一的意法半導(dǎo)體有限公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，能夠滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[8]。STM32F103ZET6擁有64kB的SRAM、512kB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)12位ADC、2個(gè)DMA控制器(12個(gè)通道)、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)FSMC接口，以及112個(gè)通用IO口等豐富的片上資源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)功耗[9-11]。

3.2.2 控制裝置電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)的功率不足，不能直接驅(qū)動(dòng)三位四通電磁換向閥工作，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的控制電路。

一般帶有線圈的電磁繼電器不能直接和單片機(jī)的IO口相連，因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)IO口停止輸出的時(shí)候，可能會(huì)有反向電動(dòng)勢(shì)從電磁繼電器的線圈向單片機(jī)IO口倒灌，輕則干擾單片機(jī)正常運(yùn)行，重則擊穿單片機(jī)IO口；而固態(tài)繼電器(SSR)能有效避免損壞單片機(jī)的IO口[12]。

圖5為控制裝置電路，使用STM32單片機(jī)的PB5和PE5兩個(gè)IO口分別控制三位四通電磁換向閥的左工作位和右工作位線圈內(nèi)電流的通斷。固態(tài)繼電器1的輸入端“+”連接高電平VDD3.3V，“-”連接PB5，輸出端“+”連接電源24V正極，“-”連接電磁換向閥的左工作位的線圈，輸出端構(gòu)成封閉回路，固態(tài)繼電器1是一個(gè)被控的開(kāi)關(guān)。PE5通過(guò)固態(tài)繼電器2控制電磁換向閥的右線圈內(nèi)電流的通斷，和PB5的接線方法相同。在PB5和PE5的出口處各并聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管LED0和LED1，兩個(gè)發(fā)光二極管分別經(jīng)過(guò)一個(gè)上拉電阻(R1=R2=510Ω)后與高電平VDD3.3V相連，用于指示電磁換向閥的工作位的工作狀態(tài)。在PB5和PE5的出口處分別并聯(lián)一個(gè)帶自復(fù)位的按鈕1和2，開(kāi)關(guān)的另一端接GND，用于PB5和PE5強(qiáng)制置0，實(shí)現(xiàn)電磁換向閥的手動(dòng)控制。

圖5 控制裝置電路設(shè)計(jì)

3.3 傳感器的選擇與安裝

1)采用型號(hào)為ZSP3806GC的光電編碼器測(cè)量喂料刀輥的轉(zhuǎn)速。把編碼器轉(zhuǎn)軸與喂料刀輥軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，喂料刀輥旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)編碼器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)連續(xù)不斷地輸出脈沖信號(hào)，由于喂料刀輥的最大轉(zhuǎn)速為140r/min，為保證測(cè)量精度選用2 000P/r的編碼器。脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)的PC6端口，接線方式如圖6所示。

圖6 傳感器接線圖

2)選用米朗KPC-100mm位移傳感器。位移傳感器和油缸平行安裝，測(cè)量桿隨油缸活塞桿移動(dòng)，用于測(cè)量油缸活塞桿的伸出長(zhǎng)度。油缸活塞桿的行程為90mm，因此選用的位移傳感器的量程為100mm。用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的3.3V電源給位移傳感器供電，其輸出信號(hào)范圍的是0～3.3V，接到單片機(jī)ADC的PA1引腳，如圖6所示。

3)通過(guò)油缸的有桿腔和無(wú)桿腔的壓力計(jì)算得到活塞桿的受力大小，計(jì)算公式為

式中F1—在無(wú)桿腔產(chǎn)生的力(推力)(N)；

F2—在有桿腔產(chǎn)生的力(拉力)(N)；

P1—無(wú)桿腔的壓力(Pa)；

P2—有桿腔的壓力(Pa)；

1.布置課后任務(wù)。教師布置課后任務(wù)，提醒學(xué)生繼續(xù)通過(guò)“雨課堂”完成相關(guān)任務(wù)，并向?qū)W生推送其它相關(guān)拓展資源的學(xué)習(xí)平臺(tái)，為本課程后續(xù)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)意圖是通過(guò)“雨課堂”推送作業(yè)，預(yù)習(xí)PPT等學(xué)習(xí)資料直達(dá)學(xué)生手機(jī)APP端口，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化課堂，既節(jié)能環(huán)保，又方便快捷。

D—油缸內(nèi)徑(m)，D=0.04；

d—活塞桿直徑(m)，d=0.025。

選用兩個(gè)相同MIK-P300型油壓傳感器安裝在油缸的無(wú)桿腔和有桿腔油路上，如圖4所示。油壓傳感器輸出信號(hào)為0～3.3V，量程范圍是0～25MPa。該傳感器需要外部電源供電，兩個(gè)油壓傳感器的正極接在24V直流電源的正極，COM端接電源的負(fù)極并和單片機(jī)的COM端連通，有桿腔油壓傳感器和無(wú)桿腔油壓傳感器的輸出信號(hào)線分別和單片機(jī)ADC的PA4和PA5引腳連接，如圖6所示。

3.4 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)的采集和運(yùn)算，并控制輔助電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和通信。

ST公司為了方便用戶開(kāi)發(fā)程序，提供了一套豐富的STM32固件庫(kù)，只需對(duì)STM32F103ZET6微控制器的外設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化配置就可以使用。初始化配置主要包括對(duì)時(shí)鐘、串口、中斷、定時(shí)器、I/O端口、LCD、ADC等的配置。

3.4.1 喂料刀輥轉(zhuǎn)速采集程序設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速采集程序的步驟：①開(kāi)啟TIM3時(shí)鐘和GPIOC的時(shí)鐘，配置PC6為下拉輸入；②初始化TIM3，設(shè)置TIM3的自動(dòng)裝載值A(chǔ)RR和預(yù)分頻值PSC；③設(shè)置輸入、濾波、分頻以及捕獲方式等，開(kāi)啟輸入捕獲；④使能捕獲和更新中斷；⑤設(shè)置中斷分組，編寫(xiě)中斷服務(wù)函數(shù)；⑥使能定時(shí)器，開(kāi)始輸入捕獲。

在中斷函數(shù)里面完成捕獲計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)計(jì)算等關(guān)鍵操作：TIM3累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)每隔一個(gè)采樣周期發(fā)生定時(shí)中斷，輸出捕獲到的脈沖個(gè)數(shù)，并使計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始下一個(gè)脈沖信號(hào)的捕獲。由每個(gè)采樣周期所捕獲的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算得到喂料刀輥軸的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

式中n—喂料刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)；

N—一個(gè)采樣周期內(nèi)接收的脈沖個(gè)數(shù)；

T—采樣周期(s)。

3.4.2 模擬信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

對(duì)模擬信號(hào)的采集包括對(duì)兩個(gè)油壓傳感器輸出信號(hào)和位移傳感器輸出信號(hào)的采集。配置ADC的掃描模式為連續(xù)掃描，ADC的時(shí)鐘為12MHz。在每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DMA循環(huán)把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存中。在TIM3發(fā)生定時(shí)中斷時(shí)，主函數(shù)調(diào)用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在液晶顯示屏上顯示，同時(shí)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端儲(chǔ)存。

4 試驗(yàn)

在平地上鋪放草條，進(jìn)行場(chǎng)地?fù)焓霸囼?yàn)以檢驗(yàn)喂料口開(kāi)度自動(dòng)控制裝置的工作效果，如圖7所示。

圖7 場(chǎng)地?fù)焓拔沽显囼?yàn)

4.1 油缸運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

程序初始化后，設(shè)置PB5=PE5=1。

1)手動(dòng)控制油缸動(dòng)作。按下按鈕1(PB5)，LED0亮，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)伸出運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)按鈕1(PB5)，LED0滅，活塞桿停止運(yùn)動(dòng)；按下按鈕2(PE5)，LED1亮，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)縮回運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)按鈕2(PE5)，LED1滅，活塞桿停止運(yùn)動(dòng)。

2)程序控制油缸動(dòng)作。用程序?qū)纹瑱C(jī)的I/O口的高低電平強(qiáng)制轉(zhuǎn)換：

(1)PB5置0、PE5置1。LED0亮，LED1滅，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)伸出運(yùn)動(dòng)。

(2)PB5置1、PE5置0。LED1亮，LED0滅，油缸一和油缸二的活塞桿作主動(dòng)縮回運(yùn)動(dòng)。

(3)PB5置1、PE5置1。LED0滅，LED1滅，活塞桿停止運(yùn)動(dòng)。

4.2 數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集程序下載完成后打開(kāi)PC機(jī)上的串口調(diào)試助手，設(shè)置波特率為115 200，從單片機(jī)傳輸?shù)絇C端的數(shù)據(jù)如圖8所示。四列數(shù)據(jù)從左到右分別為：喂料刀輥轉(zhuǎn)速、活塞桿伸出長(zhǎng)度、有桿腔油壓及無(wú)桿腔油壓，后三列數(shù)據(jù)是傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算得到其相應(yīng)的實(shí)際值。圖9為液晶顯示屏顯示喂料刀輥轉(zhuǎn)速，活塞桿伸出長(zhǎng)度和活塞桿所受拉力大小，與實(shí)際大小相符合。

圖8 PC端接收數(shù)據(jù)

圖9 數(shù)據(jù)顯示

經(jīng)過(guò)調(diào)試，液壓系統(tǒng)能在單片機(jī)的控制下，油缸活塞桿主動(dòng)伸出和縮回，油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度可以通過(guò)節(jié)流閥一和節(jié)流閥二進(jìn)行調(diào)節(jié)，其速度變化范圍是0～41.3mm/s。單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以50Hz的采樣頻率采集各傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，通過(guò)USB連接線傳輸給PC端的串口調(diào)試助手，在PC上存儲(chǔ)；同時(shí)，單片機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到喂料刀輥轉(zhuǎn)速、油缸活塞桿所受拉力和油缸活塞桿的伸出長(zhǎng)度，并通過(guò)液晶顯示屏顯示。

5 結(jié)論

喂料口開(kāi)度自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)是在9YGQ-1300鋼輥式圓捆機(jī)的喂料裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，經(jīng)過(guò)調(diào)試，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)油缸的自動(dòng)和手動(dòng)控制，油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度可在 0～41.3mm/s 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足控制要求。單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以50Hz的采樣頻率采集各傳感器的輸出信號(hào)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存。該研究為實(shí)現(xiàn)在圓捆機(jī)工作過(guò)程中根據(jù)喂料負(fù)荷大小反饋控制喂料口開(kāi)度提供支持。