压捆试验平台及其测试系统的设计与试验
来源：未知
发布日期：2019-09-25 17:57【大 中 小】
引言
农作物秸秆压捆作业是打捆机具田间作业的一项 重要工序，它与农作物秸秆物理特征参数和压捆机构 工艺参数的关系直接影响秸秆收获的效率和收储运 成本。农作物秸秆压捆试验参数是衡量秸秆压捆作 业的重要指标，但采用打捆机直接进行田间作业获取 压捆试验参数时，存在收获季节性强、田间种植情况 差异大、试验重复性大和采集的数据精度不高等问 题。因此，为获得高精度的秸秆压捆试验参数，一 些学者研制了压捆试验平台及其测试系统，并对稻 麦、牧草等作物秸秆进行了压捆试验研究，得出了 影响该物料的影响机理。 目前，研究农作物秸秆物理特征参数和压捆机构 的工艺参数与压捆时的运动学和动力学参数的关系 的方式主要分为“闭式压缩”和“开式压缩”。国内外学者大多采用“闭式压缩”方式研究牧草等的压缩 特性，得出了部分经验公式及结论。但是，农作 物实际压捆作业中采用的是“开式压缩”方式，“闭式 压缩”与实际生产过程有较大差异。因此，内蒙古农 业大学杨明韶等将苜蓿、稻麦、牧草等作为研究对象 开展了一系列的“开式压缩”试验研究，并得出了开式 压缩的压缩力－密度数学模型、牧草在压缩室内不同 位置的压缩力与压缩时间之间的关系，以及草片在压 缩全过程承受最大压缩力的变化规律等。以上 研究多数采用桶式压缩室或液压驱动的活塞，而实际 打捆机采用的是方形压缩室和机械驱动的活塞，因此 研究结论与实际生产存在一定偏差; 研究对象为苜 蓿、稻麦、牧草等软质农作物秸秆，而棉秆作为一 种木质素含量较高的硬质农作物秸秆，力学性能不同 于软质农作物秸秆，硬度和刚度均比稻麦和 牧 草 大。
为此，设计了一种基于侧喂入打捆机的压捆试验 平台及其测试系统，通过采集棉秆在实际压捆过程中 的功率消耗、压缩活塞拉压力和压缩室压力，开展棉 秆压捆机理的基础性研究，综合分析影响棉秆压捆质 量的影响机理，为棉秆压捆作业和棉秆压捆新机具的 研发提供理论支持。
试验平台整体结构及工作原理
1．1 整体结构
压捆试验平台及其测试系统主要由物料输送装 置、动力机架、液压升降系统、侧喂入打捆机及测试系 统等组成，如图 1 所示。压捆试验平台基于常用的侧 喂入打捆机，其试验数据更接近实际的压捆作业，对 棉秆实际压捆作业更有指导意义。
为了能够获取不同棉秆喂入量和压缩频率，物料 输送装置和侧喂入打捆机由不同的变频电机驱动。 测试系统主要包括扭矩传感器、拉压传感器、压缩室 压力传感器和采集软件等，可一次性实时采集棉秆压 捆过程的主轴扭矩和转速、曲柄滑块机构的拉压力 ( 压缩棉秆的压力) 及压缩室四周的压力信号，并将试 验数据以 Excel 表格和波形图的形式保存下来，便于 数据处理和分析。
为了消除棉秆压捆过程由于侧牵引打捆机的振动 对试验数据的影响，在进行试验之前采用液压升降系 统将动力机架和侧喂入打捆机升到同一高度。液压 升降系统主要包括双作用液压缸、手动分配阀和电动 液压站。
1．2 工作原理
将预处理的棉秆平铺到物料输送装置上; 启动电 动液压站，控制手动分配阀给双作用液压缸供油使其 动作将动力机架和侧牵引打捆机升到距离地面 12cm 处; 启动主变频器，根据所需活塞压缩频率设定频率， 启动输送变频器，根据喂入量设定频率; 启动数据采 集软件，根据采集需要设定参数; 启动主电机和输送 电机，达到规定压缩频率和喂入量后，开始采集数据; 按数据采集要求采集完数据，先关闭输送电机，再关 闭主电机; 最后，将采集的数据进行保存，并统计压捆 密度。
关键参数设计
2．2 压缩活塞频率
侧喂入打捆机通过曲柄滑块机构( 见图 3) 对棉秆 进行压缩，其压缩频率是影响棉秆压捆质量的另一个 重要因素。本研究通过改变主变频器的频率改变曲 柄滑块机构的压缩频率。根据变频电机频率、转速、 主电机主轴与曲柄的转速比。
电机控制系统 电机控制系统主要包括主电机控制和输送电机控 制: 主电机控制用来为打捆机主轴提供动力，使打捆 机按照指定压缩频率完成压捆作业; 输送电机控制用 来为输送带提供动力，使输送带按照指定线速度将物 料输送到打捆机的喂入口，确保打捆机按指定喂入量 进行压捆作业。电机控制系统箱内安装有 24V 直流 电源，为传感器提供激励电源，确保传感器能够正常 工作。
数据采集系统主要包括数据采集卡及数据采集软 件: 数据采集卡采集传感器信号，将传感器的电压信 号转换成数字信号，便于传感器信号的可视化显示; 数据采集软件将采集的数据实现可视化，并自动保存 为 EXCEL 表格，便于数据的后续分析处理，可同时采 集 15 路信号，每路信号可根据采集需要。。
1) 扭矩传感器。为了保证数据采集精度，扭矩传 感器通过弹性联轴器安装在主电机主轴上，且同轴度 ≤0．05mm。根据试验需要，试验平台使用的主电机功 率为 55kW，主轴转速最小为 300r /min，根据式( 3) 计 算得主轴的最大转矩为 1 750．8N·m。
2) 拉压传感器。本研究将拉压传感器安装在连 杆和轴承座之间( 见图 3) ，用来测量棉秆在压捆过程 中连杆力的变化。为正确选择拉压传感器的量程，本 研究采用 Adams 动力学仿真软件对曲柄滑块机构进 行动力学仿真，得出主电机在额定转速时，连秆 作用力的变化曲线，如图 7 所示。为确保拉压传感器 工作时的安全性，连杆最大作用力为 18 750N( 安全系 数 1．5) ，因此选择量程 0 ～ ±2．0T 的拉压传感器。 3) 压缩室压力传感器。为能正确采集棉秆压捆 过程中，压缩室三维应力变化情况，在压缩室左右侧 板对称安装 3 组压力传感器( 称为侧板压力传感器) ;
结论
1) 设计的压捆试验平台及其测试系统基于常见 的侧喂入打捆机，可一次性实时采集棉秆压捆过程的 主轴扭矩和转速、曲柄滑块机构的拉压力( 压缩棉秆 的压力) 及压缩室四周的压力信号，并将试验数据以 Excel 表格和波形图的形式保存下来，便于数据的处理 和分析。
2) 单因素试验结果表明: 棉秆切断长度为 25cm、 喂入量为 3． 5kg /s、压缩频率为 90Hz、含水率为 30% 时，棉秆进行压捆作业时，功率消耗、压缩活塞拉压力 和压缩室压力相对较小，且压捆密度相对较大。
3) 多因素正交试验结果表明: 各因素对压缩活塞 拉压力和压缩室压力影响最大的是棉秆切断长度，其 次为含水率，喂入量和压缩频率对其影响差不多。各 因素对压捆密度影响程度从大到小依次为: 含水率、 棉秆切断长度、压缩频率、喂入量。 4) 试 验 结 果 表 明: 当 含 水 率 为 30%、喂 入 量 为 2．5kg /s、压缩频率为 90Hz、棉秆切断长度为 20cm 时， 棉秆压捆密度最好。
