(廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

引言

甘蔗聯(lián)合收割機在作業(yè)時，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，將會導(dǎo)致甘蔗宿根破頭率、損失率、含雜率增大，嚴重的會導(dǎo)致甘蔗物流通道堵塞，從而影響甘蔗收割機的工作效率和蔗農(nóng)的經(jīng)濟效益[1-2]。

邢克鵬等[3]通過理論分析，采用回油節(jié)流調(diào)速來控制剝?nèi)~馬達轉(zhuǎn)速，使剝?nèi)~馬達輸出轉(zhuǎn)速能較好地配合行走系統(tǒng)，提高剝?nèi)~效果。張堯等[4]對甘蔗收割機各子系統(tǒng)進行了控制方案的分析與設(shè)計，通過各傳感器的反饋信號經(jīng)控制器進行控制，使收割機保持在額定工況附近工作。Neves等[5]利用速度傳感器對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行采集并實時輸入到控制系統(tǒng)控制流量閥，實現(xiàn)了輸送輥的速度調(diào)節(jié)，通過這種變速控制降低了甘蔗的機械損傷。陸聰玲[6]通過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)~馬達的轉(zhuǎn)速可以很好地跟蹤輸送馬達轉(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械式速度跟蹤器的機液速度反饋控制系統(tǒng)[7]，通過仿真表明該系統(tǒng)可用于甘蔗聯(lián)合收割機各子系統(tǒng)間轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)聯(lián)動控制，經(jīng)濟性好，但響應(yīng)頻率偏低。

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

1 刀盤轉(zhuǎn)速與行走速度組合匹配試驗

甘蔗收割機在工作過程中行走速度是根據(jù)天氣、地形以及甘蔗品種、長勢等情況的變化而變化的，切割刀盤轉(zhuǎn)速對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，保證收割機的收割效率，減少破頭率，提高宿根切割質(zhì)量。試驗以甘蔗破頭率為指標，統(tǒng)計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 試驗方案

在田間對甘蔗聯(lián)合收獲機進行行走速度的單因素試驗，甘蔗聯(lián)合收割機行走速度分別以1, 2, 3 km/h收割時，將刀盤轉(zhuǎn)速分別以不同的轉(zhuǎn)速(540, 570, 620, 660 r/min)進行收割，統(tǒng)計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，進行2次重復(fù)試驗，以減少實驗誤差。

圖1 速度組合匹配試驗

1.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和式(1)統(tǒng)計出破頭率，見表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 試驗數(shù)據(jù)

各行走速度下的甘蔗平均破頭率趨勢如圖2所示。

圖2 不同行走速度下甘蔗破頭率趨勢圖

從表1和圖2可得出如下結(jié)論：當行走速度為1, 2 km/h時，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)速較低時甘蔗宿根被多次切割，容易導(dǎo)致破頭率增加；當?shù)侗P轉(zhuǎn)速不斷升高時，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；當行走速度為3 km/h時，破頭率隨著刀盤轉(zhuǎn)速升高而降低，刀盤轉(zhuǎn)速較低時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%，滿足機收甘蔗破頭率小于10%的標準[9]，圖3為不同行走速度下對應(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傳送至控制器，控制器根據(jù)試驗所得的最優(yōu)匹配組合，計算出目標轉(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)其閥口開度，控制進入馬達的流量，從而使砍蔗刀盤馬達的轉(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 2.速度傳感器 3.控制器 4.刀盤馬達5.三位四通比例換向閥 6.溢流閥 7.液壓泵 圖4 方案一：電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)仿真模型的建立

通過AMESim建立電液比例進口節(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。為了減小啟動和變速瞬間帶來的沖擊，在設(shè)置行走變量泵控制信號時使用斜坡函數(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 2.速度傳感器 3.控制器 4.比例流量閥5.刀盤馬達 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

刀盤馬達經(jīng)減速比為2 ∶1的減速裝置后得出實際刀盤轉(zhuǎn)速值，則實際刀盤轉(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與刀盤轉(zhuǎn)速進行標定，經(jīng)二次項擬合后得到電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的控制信號函數(shù)關(guān)系分別為：

(4)

(5)

式中,x1為行走馬達轉(zhuǎn)速；x2為刀盤馬達轉(zhuǎn)速；x3為行走速度f1(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)合收割機上的各液壓元件的實際參數(shù)進行設(shè)置，如表2所示。設(shè)置仿真時間為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個電液比例調(diào)速系統(tǒng)仿真得到的砍蔗刀盤馬達轉(zhuǎn)速對刀盤目標轉(zhuǎn)速的跟蹤對比曲線，可以發(fā)現(xiàn)：方案一電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的砍蔗刀盤馬達經(jīng)過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)砍蔗刀盤馬達經(jīng)過1.24 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在620 r/min附近，與目標轉(zhuǎn)速620 r/min誤差在0.1%以內(nèi)，后續(xù)的調(diào)整時間和誤差為(1.24 s，0.1%)，說明電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速跟蹤誤差小，精度高，調(diào)整時間短，控制效果好。

圖8 刀盤目標轉(zhuǎn)速跟蹤曲線對比圖

圖9為兩種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)對應(yīng)的比例閥輸出流量和砍蔗刀盤馬達輸出轉(zhuǎn)速變化曲線。方案一的電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)砍蔗刀盤馬達轉(zhuǎn)速與比例閥輸出流量大小的變化趨勢相同；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，比例閥開度越小，分流越少，砍蔗刀盤馬達輸出轉(zhuǎn)速越高。

圖9 比例閥輸出流量與砍蔗刀盤馬達轉(zhuǎn)速曲線

刀盤速度對行走速度的響應(yīng)曲線如圖10所示。方案一電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)時間約為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)時間約為0.8062 s。甘蔗聯(lián)合收割機正常收割作業(yè)時的平均行走速度約為0.55 m/s左右，因此在0.8062 s的時間內(nèi)甘蔗收割機前行距離為0.44 m左右。

圖10 刀盤轉(zhuǎn)速對行走速度的響應(yīng)曲線

據(jù)實驗統(tǒng)計，甘蔗種植時兩簇間距的平均值約為0.49 m[10]，因此控制方案的過渡過程對甘蔗收割作業(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為刀盤馬達的輸出功率；PM為泵輸入功率。

方案一電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的泵輸出功率為26.84 kW，刀盤馬達的平均輸出功率為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，方案一電液比例進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的回路效率較低，會導(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，方案二電液比例旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤馬達的調(diào)整時間較短，系統(tǒng)的響應(yīng)時間能夠滿足甘蔗收割機的正常收割，回路的效率高，能耗較低，較適用于甘蔗聯(lián)合收割機的刀盤轉(zhuǎn)速對行走速度的跟蹤控制，故選擇該方案進行田間驗證試驗。

3 田間驗證試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)備與材料

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

圖12 試驗測試系統(tǒng)示意圖

田間驗證試驗時，甘蔗聯(lián)合收割機行走速度分別以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)對刀盤轉(zhuǎn)速進行匹配控制。

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)束后將行走速度和刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進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)合收割機正常收割時刀盤轉(zhuǎn)速會比預(yù)控的轉(zhuǎn)速低10～20 r/min，分析是由于收割機進行收割作業(yè)時是帶負載工作的，收割時系統(tǒng)的壓力比空載要高，比例閥兩端的壓差增大，通過的流量也會增大，分流增大，故刀盤轉(zhuǎn)速比空載時要低。刀盤轉(zhuǎn)速的最大誤差為3.51%，說明該控制系統(tǒng)能夠滿足甘蔗聯(lián)合收割機刀盤轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)聯(lián)動控制的要求。

圖13 刀盤轉(zhuǎn)速對行走速度跟蹤曲線

由圖14可知當行走速度改變時，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，說明收割機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，滿足收割機的設(shè)計要求。圖15為甘蔗宿根切口質(zhì)量對比圖，未進行刀盤轉(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，從而影響來年的宿根發(fā)芽率；進行刀盤轉(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 田間驗證試驗破頭率

圖15 甘蔗宿根切口質(zhì)量對比圖

4 結(jié)論

(1) 仿真對比結(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)整時間較短，回路效率較高。能夠滿足砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速對行走速度的跟蹤要求，較適合于甘蔗聯(lián)合收割機的刀盤協(xié)調(diào)聯(lián)動控制；

(2) 田間試驗驗證了電液比例閥旁路節(jié)流調(diào)速控制方案的可行性。通過甘蔗收割試驗，控制系統(tǒng)在高效的收割工作狀態(tài)下能根據(jù)要求對刀盤轉(zhuǎn)速進行自動控制，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。