液壓驅動彈齒式清秸裝置轉速控制系統設計

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速與免耕播種機作業速度之間的關系，設計液壓驅動彈齒式清秸裝置轉速控制系統，實現清秸裝置轉速與作業速度的匹配。

關鍵詞：苗帶清理;彈齒清秸裝置;液壓驅動;轉速控制系統

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。液壓驅動彈齒式清秸裝置可以使彈齒清秸部件高速轉動，實現苗帶秸稈的清理，但清秸裝置的轉速過高時，會導致動力浪費和土壤擾動量過大;轉速過低時，秸稈清理效果不佳。探究清秸裝置轉速與免耕播種機作業速度之間的關系，設計彈齒清秸裝置轉速控制系統，對提高免耕播種作業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。作業時清秸裝置通過秸稈摩擦力作用發生轉動，通過彈齒的撥、彈作用，將秸稈清理至苗帶兩側。

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

1.2 液壓驅動式清秸裝置工作原理

液壓驅動彈齒清秸裝置在從動式清秸裝置的基礎上增加液壓驅動及控制部分，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動，從而實現苗帶秸稈的清理，工作原理如圖2所示。

液壓驅動彈齒清秸裝置轉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，°。

根據轉速與角速度的關系可得彈齒清秸裝置的理論轉速為：

n==? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中： n—彈齒清秸裝置的理論轉速，r/min。

為保證良好的播種質量，免耕播種作業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，理論轉速為132.8 r/min。

2 控制系統設計

2.1 系統總體設計

控制器根據輪速傳感器采集到的機具前進速度計算清秸裝置目標轉速，根據轉速傳感器采集到的清秸裝置實際轉速與目標轉速的差值調節液壓馬達的轉速，從而實現彈齒清秸裝置轉速的精準控制。系統總體設計如圖4所示。

轉速傳感器選用光電式旋轉編碼器，編碼器將轉速信號轉化為脈沖信號，控制器解析脈沖信號，根據公式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，個;np—編碼器每轉脈沖數，個。

2.2 控制器程序設計

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

3 結論

介紹了從動式和液壓驅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速與車速之間的關系;設計了清秸裝置轉速控制系統，可以實現彈齒清秸裝置轉速與機具前進速度的匹配。

參考文獻

[1] 王慶杰，曹鑫鵬，王超，等.東北黑土地玉米免少耕播種技術與機具研究進展[J].農業機械學報，2021，52（10）：1-15.

[2] 袁盼盼，李洪文，蔣貴菊，等.滴灌區寬窄行玉米免耕播種帶秸稈清理裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2021，52（6）：43-52.BB7850AE-A12D-4AB7-9C32-3D4BB8697829

[3] 余海波. 免耕播種機凹面爪式清茬機構仿真與試驗[D].吉林：吉林大學，2017.

[4] 張素霞，楊向東.玉米機械化免耕播種基本原理與作業方法[J].農機使用與維修，2019（10）：93.

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