CN109085081A - 一种作物茎秆多功能往复式切割试验台 - Google Patents
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Abstract
一种作物茎秆多功能往复式切割试验台，由切割装置、茎秆喂入装置和测控系统构成。切割装置可对不同直径的作物茎秆进行不同部位的切割试验，可进行割台倾角、切割速度、割刀行程、刀片型式等不同切割参数对茎秆切割性能的影响试验。茎秆喂入装置不仅可调节茎秆喂入速度，还可调节作物茎秆的行距、株距与穴株数，以实现不同种植模式下作物茎秆的切割试验。测控系统可实时采集茎秆切割力、试验台主轴扭矩、切割功耗、切割位移及切割力‑切割位移的关系。本发明结构简单紧凑，可对不同作物茎秆进行动态连续切割试验，解决了现有切割试验台测试作物种类、种植模式单一、割台倾角调节困难和割刀行程单一等问题。
Description
技术领域
本发明属于农业机械领域，具体涉及一种作物茎秆多功能往复式切割试验台，本发明可实现不同切割参数、作物不同种植模式的切割试验且可实时记录切割力、切割位移、试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力-切割位移关系以及割茬质量情况的往复式切割试验台。
背景技术
切割是农作物收获机械和秸秆切碎机械等农田作业机械的重要工序，往复式切割在农作物收获机械广泛应用，研究作物茎秆往复式切割力学性质、茎秆切割平整程度对作物高效收获、节约能源以及改善农业生态环境具有一定的意义。目前国内外对作物茎秆往复式切割试验台进行了初步研究。如：中国发明专利CN202994499U公布了切割器性能试验台，通过曲柄滑框机构驱动切割器运动，采用变频器控制切割速度和茎秆喂入速度，但是此切割试验台无法实现调节割台高度、倾角以及割刀行程的功能，不能进行作物茎秆不同种植模式的切割试验。中国实用新型专利CN202661342U公布了一种台式棉花秸秆往复式切割试验台，通过曲柄连杆机构驱动割刀往复运动，但其通过调节每株棉花秸秆的倾斜角度间接调节割台倾角，操作繁琐，且无法实现不同割刀行程、作物种类、种植模式的功能。沈成等研究学者公布的“一种多切割平台茎秆作物切割试验装置”与“一种刀片间距可调的茎秆作物切割试验台”均侧重往复式双动刀切割试验，未对单动刀往复式切割试验台进行报道。宋占华等报道“棉花秸秆双支撑切割性能试验”一文中，主要针对棉花秸秆进行双支撑单动刀切割试验，无法实现多种作物、不同种植模式、不同割刀行程切割功能，且其测控系统方面未安装测试切割位移的激光位移传感器，不能够记录作物茎秆切割力-切割位移关系。综上，目前往复式切割试验台存在的不足之处有：（1）试验台无法适应作物茎秆种类繁多且种植模式复杂的问题；（2）割台倾角调节装置操作繁琐，调节误差大；（3）试验台无法实现不同割刀行程的切割试验；（4）试验台不具备完整的力学性质测试装置，特别是无法实时记录切割位移值，不能分析茎秆切割力与位移的关系，无法分析茎秆受力变形破坏机理，制约了作物茎秆生物力学性质研究以及切割机具的开发。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，实施全面的作物茎秆动态切割试验，本发明提供一种结构简单紧凑、功能齐全的作物茎秆多功能往复式切割试验台，该试验台可进行不同切割速度、切割速比、割台倾角、割刀行程、刀片型式等切割参数的相关试验，也可进行不同作物茎秆不同种植模式（不同株距、行距、穴株数）的切割试验，实时采集切割力、切割位移、试验台主轴扭矩、切割功耗和茎秆割茬状况等数据，记录切割力-切割位移关系曲线以分析其变形破坏机理。
本发明是通过如下技术方案实现的。
本发明的多功能作物茎秆往复式切割试验台包括切割装置、茎秆喂入装置和测控系统。所述切割装置包括液压控制平台10、割台倾角调节平台11、曲柄滑块机构12、联轴器13、变频调速电机14、切割器15、防护板16、销轴17。所述液压控制平台10包括升降平台101、剪叉升降机构102、液压油缸103、调节踏板104。所述液压控制平台10底部固定于地基，所述升降平台101安装于剪叉升降机构102顶部，所述剪叉升降机构102与液压油缸103、调节踏板104配合连接，通过调节踏板104驱动液压油缸103，升降平台101竖直方向运动，高度调节范围0 -1.5 m，适应不同茎秆部位切割试验。所述割台倾角调节平台11置于升降平台101上方，包括调节螺杆111、支座112、转动轴113、转动轴轴套114、支撑台115、调节螺母116，所述支座112的底部焊接于升降平台101上，支座112的顶部焊接转动轴轴套114底部，所述转动轴轴套114顶部焊接于支撑台115底部，所述转动轴113内侧与转动轴轴套114配合，外侧顶部焊接于支撑台115底部，所述调节螺母116焊接于支撑台115上，调节螺杆111穿过调节螺母116 5和支撑台11，与支座112共同支撑割台倾角调节平台11，通过调节四根调节螺杆111，转动轴113转动，达到调节割台倾角的目的，调节范围-20 - 20° ，可适应不同割台倾角的切割试验。所述曲柄滑块机构12包括可调曲柄圆盘121、曲柄连杆122、滑块导轨123、滑块124、滑块连杆125、平衡配重块126，所述可调曲柄圆盘121开有中心孔1211和长圆孔1212，所述曲柄连杆122左端与可调曲柄圆盘121上长圆孔1212连接，右端与滑块124连接，通过调节曲柄连杆122左端在长圆孔1212的位置，以实现不同的割刀行程，割刀行程调节范围76.2 - 152.4 mm，可进行不同割刀行程（单刀距型、超越型、双刀距型）的切割试验。所述滑块连杆125左端与滑块124连接，右端连接销轴17，中部连接拉压力传感器34。所述销轴底部焊接于切割器15，顶部连接滑块连杆125右端。所述平衡配重块126沿边线焊接于可调曲柄圆盘121，以保证切割装置动平衡。所述联轴器13两端分别连接变频调速电机14输出轴和动态扭矩传感器33输入轴。所述变频调速电机14底座连接于支撑台115上方。所述切割器15底部连接于支撑台115上方。所述防护板16焊接于支撑台115周围，将切割器15部分包裹。
所述的茎秆喂入装置包括直流调速电机21、链条茎秆传动机构22、茎秆紧固装置23。所述链条茎秆传动机构22由直流调速电机21提供动力，驱动茎秆紧固装置23循环运动，使其喂入切割器15，完成茎秆输送。所述链条茎秆传动机构22由链轮221、链轮轴222、单侧带耳链条223构成。所述茎秆紧固装置23由圆管支撑座231、不同直径的圆管232，锁止螺栓233和圆管侧板234构成。所述圆管支撑座231与单侧带耳链条223通过螺栓连接，且相邻的圆管支撑座231可通过单侧带耳链条223调节距离6 - 10 cm，可进行不同株距的茎秆切割试验。所述不同直径的圆管232直径范围5 - 30mm，适应不同直径的作物茎秆固定，且可进行单根、多根茎秆动态连续切割试验。所述圆管侧板234与不同直径的圆管232焊接。所述圆管支撑座231中孔位中心距不一，与圆管侧板234通过螺栓连接，且连接位置可调，调节范围15 - 30cm，可适应不同行距的作物茎秆切割试验。所述不同直径的圆管232侧部开孔，由锁止螺栓233对作物茎秆紧固。
所述测控系统包括变频电机调速器31、直流电机调速器32、动态扭矩传感器33、拉压力传感器34、激光位移传感器35、高速图像采集器36、传感器信号放大器37、数据采集器38、直流稳压电源39和上位机程序30。所述动态扭矩传感器33底部连接支撑台115上方，动态扭矩传感器33输出轴连接可调曲柄圆盘121上的中心孔1211。所述拉压力传感器34连接于滑块连杆125中部。所述变频电机调速器31调节变频调速电机14的转速，调节范围0 -960 r/min，可进行不同切割速度（0 - 2 m/s）的茎秆切割试验。所述直流电机调速器32用于调节茎秆喂入装置中直流调速电机21转速，调节范围0 - 300 r/min，可进行不同茎秆喂入速度（0 - 2 m/s）的切割试验。所述动态扭矩传感器33、拉压力传感器34、激光位移传感器35激励电压分别为24V、12V、12V，输出电压-5 - 5V，配合数据采集器38与上位机程序30同时记录试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力、切割位移以及切割力-切割位移的关系。所述激光位移传感器35由三角支架置于滑块前方，实时记录滑块位移即切割位移。所述高速图像采集器36置于切割器15旁，实时监控作物茎秆割茬质量情况。所述传感器信号放大器37信号线一端连接动态扭矩传感器、拉压力传感器、激光位移传感器，另一端连接数据采集器38进行标准信号（-5 - 5V ）数据采集。所述数据采集器38与上位机程序30连接，实时记录试验数据（试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力、切割位移以及切割力-位移的关系）。
本发明的有益效果：（1）本发明的多功能作物茎秆往复式切割试验台中所述切割装置可对不同直径、含水率的作物茎秆进行不同部位的切割试验，解决了作物茎秆种类单一的问题；（2）可进行不同切割速度、切割速比、割台倾角、割刀行程、刀片型式等切割参数的相关试验，解决了切割试验台割台角度调节困难、刀具行程单一等问题；（3）可调整作物茎秆不同行距、株距与穴株数，解决了作物茎秆固定模式单一的问题，实现了不同种植模式下的切割试验；（4）测控系统可实时记录茎秆切割力、试验台主轴扭矩、切割功耗、切割位移以及切割力-位移关系，可用于分析茎秆变形破坏机理；（5）通过高速图像采集器可采集茎秆割茬平整状况；（6）试验台结构简单，制造成本低，可进行不同作物茎秆连续动态切割试验，具有一定的实用价值。
附图说明
图1为本发明结构组成示意图。
图2为本发明的切割装置组成的左视图。
图3为本发明的切割装置组成的正视图。
图4为本发明的切割装置组成的俯视图。
图5为本发明的茎秆喂入装置组成俯视图。
图6为本发明的茎秆紧固装置俯视图。
图7为本发明的不同直径圆管、圆管侧板、锁止螺栓组合示意图。
其中：液压控制平台10、升降平台101、剪叉升降机构102、液压油缸103、调节踏板104、割台倾角调节平台11、曲柄滑块机构12、联轴器13、变频调速电机14、切割器15、防护板16、销轴17、调节螺杆111、支座112、转动轴113、转动轴轴套114、支撑台115、调节螺母116、可调曲柄圆盘121、曲柄连杆122、滑块导轨123、滑块124、滑块连杆125、平衡配重块126、直流调速电机21、链条茎秆传动机构22、茎秆紧固装置23、链轮221、链轮轴222、单侧带耳链条223、圆管支撑座231、不同直径的圆管232、锁止螺栓233、圆管侧板234、变频电机调速器31、直流电机调速器32、动态扭矩传感器33、拉压力传感器34、激光位移传感器35、高速图像采集器36、传感器信号放大器37、数据采集器38、直流稳压电源39、上位机程序30。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，下面描述中使用的词语“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”指的是附图中的方向。
如图1所示，本发明的多功能作物茎秆往复式切割试验台包括切割装置、茎秆喂入装置和测控系统。所述切割装置包括液压控制平台10、割台倾角调节平台11、曲柄滑块机构12、联轴器13、变频调速电机14、切割器15、防护板16、销轴17。所述的茎秆喂入装置包括直流调速电机21、链条茎秆传动机构22、茎秆紧固装置23。所述测控系统包括变频电机调速器31、直流电机调速器32、动态扭矩传感器33、拉压力传感器34、激光位移传感器35、高速图像采集器36、传感器信号放大器37、数据采集器38、直流稳压电源39和上位机程序30。
如图2、3所示，所述液压控制平台10固定于地基，包括升降平台101、剪叉升降机构102、液压油缸103、调节踏板104。所述升降平台101安装于剪叉升降机构102顶部。所述剪叉机构102与液压油缸103、调节踏板104配合连接，通过调节踏板104，驱动液压油缸103，升降平台101竖直方向运动，高度调节范围0 - 1.5 m，可进行茎秆的不同部位切割试验。所述割台倾角调节平台11置于升降平台101顶部，包括调节螺杆111、支座112、转动轴113、转动轴轴套114、支撑台115、调节螺母116。所述支座112的底部焊接于升降平台101上，支座112的顶部焊接转动轴轴套114底部。所述转动轴轴套114顶部焊接于支撑台115底部。所述转动轴113内侧与转动轴轴套114配合，外侧顶部焊接于支撑台115底部。所述调节螺母116焊接于支撑台115上方。所述调节螺杆111穿过支撑台115和调节螺母116，与支座112共同支撑割台倾角调节平台11，通过调节四根调节螺杆111、转动轴113转动，达到调节割台倾角的目的，割台倾角调节范围-20 - 20º，可进行不同割台倾角的茎秆切割试验。所述切割器15底部连接于支撑台115上方，可更换不同型式的刀片。所述防护板16焊接于支撑台115周围，将切割器15部分包裹，保证试验人员的安全。所述变频调速电机14底座连接于支撑台115上方。所述联轴器13两端分别连接变频调速电机14输出轴和动态扭矩传感器33输入轴。所述动态扭矩传感器33底部连接支撑台115，动态扭矩传感器33输出轴与可调曲柄圆盘121中的中心孔1211连接。
如图3、4所示，所述曲柄滑块机构12包括可调曲柄圆盘121、曲柄连杆122、滑块导轨123、滑块124、滑块连杆125、平衡配重块126。所述可调曲柄圆盘121开有中心孔1211和长圆孔1212，所述曲柄连杆122左端与长圆孔1212连接，右端与滑块124连接，通过调节曲柄连杆122左端在长圆孔1212的位置，割刀行程调节范围76.2 - 152.4 mm，可进行不同割刀行程（单刀距型、超越型、双刀距型）的切割试验。所述滑块连杆125左端与滑块124连接，右端连接销轴17顶部，滑块连杆125中部连接拉压力传感器34。所述销轴17底部焊接于切割器15，顶部与滑块连杆125右端配合连接。所述平衡配重块126沿边线焊接于可调曲柄圆盘121，以保证切割装置动平衡。所述拉压力传感器34连接于滑块连杆125中部。
如图5、6、7所示，所述的茎秆喂入装置包括直流调速电机21、链条茎秆传动机构22、茎秆紧固装置23。所述链条茎秆传动机构22由直流调速电机21提供动力，驱动茎秆紧固装置23循环运动，使其喂入切割器15，完成茎秆输送。所述链条茎秆传动机构22由链轮221、链轮轴222、单侧带耳链条223构成。所述茎秆紧固装置23由圆管支撑座231、不同直径的圆管232，锁止螺栓233和圆管侧板234构成。所述圆管支撑座231与单侧带耳链条223通过螺栓连接，且相邻的圆管支撑座231可通过单侧带耳链条223调节距离（6 - 10 cm），可进行不同株距的茎秆切割试验。所述不同直径的圆管232直径范围5 - 30mm，适应不同直径的作物茎秆固定，且可进行单根、多根茎秆动态连续切割试验。所述圆管侧板234与不同直径的圆管232焊接。所述圆管支撑座231中孔位中心距不一，与圆管侧板234通过螺栓连接，且连接位置可调，调节范围15 - 30cm，可适应不同行距的作物茎秆切割试验。所述不同直径的圆管232侧部开孔，由锁止螺栓233对作物茎秆紧固。
所述变频电机调速器31调节变频调速电机14的转速，调节范围0 - 960 r/min，可进行不同切割速度（0 - 2 m/s）的茎秆切割试验。所述直流电机调速器32用于调节茎秆喂入装置中直流调速电机21转速，调节范围0 - 300 r/min，可进行不同茎秆喂入速度（0 - 2m/s）的切割试验。所述动态扭矩传感器33、拉压力传感器34、激光位移传感器35激励电压分别为24V、12V、12V，输出电压-5 - 5V，配合数据采集器38与上位机程序30同时记录试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力、切割位移以及切割力-切割位移的关系。所述激光位移传感器35由三角支架置于滑块前方，实时记录滑块位移即切割位移。所述高速图像采集器36置于切割器15旁，实时监控作物茎秆割茬质量情况。所述传感器信号放大器37信号线一端连接动态扭矩传感器、拉压力传感器、激光位移传感器，另一端连接数据采集器38进行标准信号（-5 - 5V ）数据采集。所述数据采集器38与上位机程序30连接，实时记录试验数据（试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力、切割位移以及切割力-位移的关系）。
试验前，根据茎秆切割部位高度，调节液压控制平台10高度；根据茎秆直径预先选定不同直径的圆管232，并将茎秆通过锁止螺栓233紧固；设定茎秆紧固装置23中相邻圆管支撑座231间距（株距）、同一圆管支撑座231中相邻圆管侧板间距（行距）；设定变频调速电机转速14与直流调速电机21转速（切割速度与茎秆喂入速度），通过调节螺杆111设定割台倾角并选定不同型式的切割刀片等。试验时，茎秆喂入装置启动至切割器15时，需要有一定的距离空载运行，以达到稳定的切割速度和茎秆喂入速度。切割茎秆时，数据采集器38和上位机软件30实时接收动态扭矩传感器33、拉压力传感器34 、激光位移传感器35信号，高速图像采集器36实时接收割茬图像，通过接收的数据可得到茎秆切割力、切割位移、试验台主轴扭矩、切割位移以及切割力-切割位移规律曲线以探究茎秆变形破坏形式，通过茎秆割茬图像用来分析茎秆重割、漏割以及破茬等情况。
Claims (10)
1.一种多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，试验台包括切割装置、茎秆喂入装置和测控系统；
所述切割装置包括液压控制平台（10）、割台倾角调节平台（11）、曲柄滑块机构（12）、联轴器（13）、变频调速电机（14）、切割器（15）、防护板（16）、销轴(17)；
所述液压控制平台(10)包括升降平台(101)、剪叉升降机构(102)、液压油缸(103)、调节踏板(104)；所述液压控制平台(10)底部固定于地基；所述升降平台(101)安装于剪叉升降机构(102)顶部；所述剪叉升降机构(102)与液压油缸(103)、调节踏板(104)配合连接，通过调节踏板(104)驱动液压油缸(103)，升降平台(101)竖直方向运动，高度调节范围0 -1.5m，适应不同茎秆部位切割试验；
所述割台倾角调节平台(11)置于升降平台(101)上方，包括调节螺杆(111)、支座(112)、转动轴(113)、转动轴轴套(114)、支撑台(115)、调节螺母(116)；所述支座(112)的底部焊接于升降平台(101)上，支座(112)的顶部焊接转动轴轴套(114)底部；所述转动轴轴套(114)顶部焊接于支撑台(115)底部；所述转动轴(113)内侧与转动轴轴套(114)配合，外侧顶部焊接于支撑台(115)底部；所述调节螺母(116)焊接于支撑台(115)上方，调节螺杆(111)穿过调节螺母(116)和支撑台(115)，与支座(112)共同支撑割台倾角调节平台(11)，通过调节四根调节螺杆(111)，转动轴(113)转动，达到调节支撑台角度的目的；所述变频调速电机(14)底部连接于支撑台(115)上方；所述切割器(15)底部连接于支撑台(115)上方；
所述曲柄滑块机构(12)包括可调曲柄圆盘(121)、曲柄连杆(122)、滑块导轨(123)、滑块(124)、滑块连杆(125)、平衡配重块(126)；所述可调曲柄圆盘(121)开有中心孔(1211)和长圆孔(1212)；所述曲柄连杆(122)左端与可调曲柄圆盘(121)上的长圆孔(1212)连接，右端与滑块(124)连接，通过调节曲柄连杆(122)左端在长圆孔(1212)的位置以实现不同的割刀行程；所述滑块连杆(125)左端与滑块(124)连接，右端连接销轴(17，)中部连接拉压力传感器(34)；所述平衡配重块(126)沿边线焊接于可调曲柄圆盘(121)，以保证切割装置动平衡； 所述销轴(17)底部与切割器(15)焊接，顶部与滑块连杆(125)右端配合连接；所述联轴器(13)两端分别连接变频调速电机(14)输出轴和动态扭矩传感器(33)输入轴；所述防护板(16)焊接于支撑台(115)周围，将切割器(15)部分包裹；
所述的茎秆喂入装置包括直流调速电机(21)、链条茎秆传动机构(22)、茎秆紧固装置(23)；
所述链条茎秆传动机构(22)由直流调速电机(21)提供动力，驱动茎秆紧固装置(23)循环运动，使其喂入切割器(15)，完成茎秆输送；所述链条茎秆传动机构(22)由链轮(221)、链轮轴(222)、单侧带耳链条(223)构成；所述茎秆紧固装置(23)由圆管支撑座(231)、不同直径的圆管(232)，锁止螺栓(233)和圆管侧板(234)构成；所述圆管支撑座(231)与单侧带耳链条(223)通过螺栓连接，相邻的圆管支撑座(231)通过单侧带耳链条(223)调节间距；所述圆管侧板(234)与不同直径的圆管(232)焊接；所述圆管支撑座(231)中孔位中心距不一，与圆管侧板(234)通过螺栓连接；所述不同直径的圆管(232)侧部开孔，由锁止螺栓(233)对作物茎秆紧固；
所述测控系统包括变频电机调速器(31)、直流电机调速器(32)、动态扭矩传感器(33)、拉压力传感器(34)、激光位移传感器(35)、高速图像采集器(36)、传感器信号放大器(37)、数据采集器(38)、直流稳压电源(39)和上位机程序(30)；所述动态扭矩传感器(33)底部连接支撑台(115)上方，动态扭矩传感器(33)输出轴连接可调曲柄圆盘(121)上的中心孔(1211)；所述拉压力传感器(34)连接于滑块连杆(125)中部；
所述变频电机调速器(31)调节变频调速电机(14)的转速；所述直流电机调速器(32)用于调节茎秆喂入装置中直流调速电机(21)转速；所述激光位移传感器(35)由三角支架置于滑块前方，实时记录滑块位移即切割位移；所述高速图像采集器(36)置于切割器(15)旁，实时监控作物茎秆割茬质量情况；所述传感器信号放大器(37)信号线一端连接动态扭矩传感器(33)、拉压力传感器(34)、激光位移传感器(35)，另一端连接数据采集器(38)进行标准信号数据采集；所述数据采集器(38)与上位机程序(30)连接，实时记录试验数据。
2.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述转动轴(113)转动范围为-20 - 20°。
3.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述割刀行程调节范围76.2 - 152.4 mm。
4.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述相邻的圆管支撑座(231)通过单侧带耳链条(223)调节距离为6 - 10 cm。
5.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述不同直径的圆管(232)的直径范围为5 - 30mm。
6.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述圆管支撑座(231)与圆管侧板(234)通过螺栓连接，圆管侧板(234)位置调节范围为15 - 30cm。
7.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述变频电机调速器(31)调节变频调速电机14的转速范围为0 - 960 r/min。
8.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述直流电机调速器(32)调节茎秆喂入装置中直流调速电机(21)转速的范围为0 - 300 r/min。
9.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述动态扭矩传感器(33)、拉压力传感器(34)、激光位移传感器(35)激励电压分别为24V、12V、12V，输出电压-5 - 5V，配合数据采集器(38)与上位机程序(30)同时记录试验台主轴扭矩、切割功耗、切割力、切割位移以及切割力-切割位移的关系。
10.根据权利要求1所述的多功能作物茎秆往复式切割试验台，其特征在于，所述数据采集器(38)采集数据的标准信号为-5 - 5V。
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