CN109964635B - 一种多功能玉米摘穗试验台和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业机械领域，涉及一种多功能玉米摘穗试验台和试验方法。该试验台包括摘穗单元、喂入单元和控制及数据采集单元；摘穗单元包括驱动机构、驱动机构安装架、角度调节机构、摘穗单元底架、摘穗机构安装架、拉茎辊和摘穗板；驱动机构包括摘穗电机、前联轴器、转矩传感器、后联轴器、主动齿轮轴和从动齿轮轴；喂入单元位于摘穗单元前方，喂入单元包括喂入电机、喂入单元底架、喂入链条、夹持装置、喂入主动轴和喂入从动轴；控制及数据采集单元包括上位机、数据采集装置和电气控制柜。本发明结构简单合理、安装调节方便、适用于不同结构的拉茎辊和摘穗板、不同作业速度、不同喂入速度的摘穗装置。
Description
技术领域
本发明属于农业机械领域，特别涉及一种对比分析各种不同结构的拉茎辊和摘穗板的摘穗装置优缺点以及初步验证新型摘穗装置可行性、可靠性等方面的多功能玉米摘穗试验台和试验方法。
背景技术
玉米是中国三大主要粮食作物之一，根据美国农业部(USDA)发布的全球农业产量报告显示，2018/19年度中国玉米产量预计达到创纪录的2.25亿吨，比上年增加4％，比五年平均水平增加3％。随着科学技术进步，玉米已成为食品、化工、饲料、能源等领域的重要原料，其综合利用价值不断提高。但是，中国玉米种植带纵跨寒温带、暖温带、亚热带和热带生态区，分布在高原、丘陵、平原等不同地理环境，辽阔的地域、多样的地貌与气候，导致各地玉米种植模式不同，极大地增加了玉米收获机械化的难度。与小麦机收水平87.8％、水稻机收水平60％相比，玉米机收水平不足40％，迫切需要技术革新，以突破玉米收获机械化的“瓶颈”，推进玉米产业的发展。因此，亟需一种能够对不同结构的拉茎辊和摘穗板、不同作业速度、不同喂入速度的摘穗装置进行试验分析的玉米摘穗试验台，为今后玉米摘穗装置的研发提供一定的支撑依据，提高我国玉米收获机械化水平。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种结构简单合理、安装调节方便、适用于不同结构的拉茎辊和摘穗板、不同作业速度、不同喂入速度的摘穗装置的多功能玉米摘穗试验台。
本发明的另一个目的是提供一种玉米摘穗试验方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种多功能玉米摘穗试验台，该试验台包括摘穗单元1、喂入单元2和控制及数据采集单元。
所述摘穗单元1包括驱动机构6、驱动机构安装架7、角度调节机构8、摘穗单元底架9、摘穗机构安装架11、拉茎辊12和摘穗板13。
所述摘穗机构安装架11为一由割台架14、支撑架15和连接架16相互固接组合成的纵截面为三角形的框架，其中，割台架14的后端与连接架16的上部垂直固接，支撑架15的两端分别与割台架14的前端和连接架16的下端固接；所述一对拉茎辊12和一对摘穗板13通过支撑杆17安装在割台架14上，并与割台架14平行，且拉茎辊12和摘穗板13的后端位置可调地安装在连接架16上端。
所述驱动机构安装架7位于摘穗机构安装架11的后方，驱动机构安装架7为一矩形框架，其前端与摘穗机构安装架11的连接架16的下端垂直固接；所述摘穗机构安装架11的连接架16与支撑架15的连接部的左右两端分别与摘穗单元底架9的左纵梁和右纵梁的前端销轴连接；所述角度调节机构8设置在驱动机构安装架7的后端与摘穗单元底架9的后横梁之间。
所述驱动机构6包括摘穗电机18、前联轴器19、转矩传感器20、后联轴器21、主动齿轮轴22和从动齿轮轴25。
所述摘穗电机18固接在驱动机构安装架7上，所述摘穗电机18的动力输出轴依次连接前联轴器19、转矩传感器20、后联轴器21和主动齿轮轴22；所述从动齿轮轴25并列设置在主动齿轮轴22的一侧；所述主动齿轮轴22上设有主动齿轮23，所述从动齿轮轴25上设有与主动齿轮23相互啮合的从动齿轮26，且主动齿轮轴22和从动齿轮轴25上各设有一传动链轮24；两个拉茎辊13后端的拉茎辊转轴29上均设有拉茎辊链轮28，所述传动链轮24与拉茎辊链轮28之间套设有摘穗链条27。
所述喂入单元2位于摘穗单元1前方，喂入单元2包括喂入电机30、喂入单元底架31、喂入链条34、夹持装置35、喂入主动轴36和喂入从动轴37。
所述喂入主动轴36和喂入从动轴37分别设置在喂入单元底架31的前端和后端，所述喂入主动轴36和喂入从动轴37上均设有喂入链轮33，所述喂入链条34套设在喂入主动轴36和喂入从动轴37的喂入链轮33之间；多个夹持装置安装杆39通过喂入链条34上设置的夹持装置安装片38均匀且水平地固接在喂入链条34上，每个夹持装置安装杆39上垂直固接有用于夹持玉米植株的夹持装置35；所述喂入电机30的动力输出轴与喂入主动轴36连接。
所述控制及数据采集单元包括上位机3、数据采集装置4和电气控制柜5；所述电气控制柜5分别与摘穗电机18和喂入电机30连接，控制和显示摘穗电机18和喂入电机30的转速；所述数据采集装置4分别与上位机3和转矩传感器20连接；数据采集装置4采集转矩传感器20的数据，并将该数据传输至上位机3显示。
所述摘穗单元底架9的底部和喂入单元底架31的底部均安装有万向轮10。
喂入单元2进一步包括变向机构32，所述喂入电机30的动力输出轴经变向机构32与喂入主动轴36连接。
一种利用所述的多功能玉米摘穗试验台的玉米摘穗试验方法，包括如下步骤：
a、试验准备：
将玉米植株夹持在喂入单元2的夹持装置35上，根据玉米植株选取待测的拉茎辊12和摘穗板13安装在摘穗机构安装架11上，同时通过角度调节机构8设置初始喂入角度；通过电气控制柜5分别控制摘穗电机18和喂入电机30开启；摘穗电机18驱动拉茎辊12以一定转速转动；喂入电机30驱动喂入链条34上固接的夹持装置35以一定喂入速度向摘穗单元1传送玉米植株；
b、摘穗速度试验：
通过电气控制柜5调控摘穗电机18的输出转速，使拉茎辊12以不同的转速对玉米植株进行摘穗作业，过程中，比较不同摘穗速度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
c、喂入速度试验：
通过电气控制柜5调控喂入电机30的输出转速，使喂入链条34上固接的夹持装置35以不同的喂入速度向摘穗单元1传送玉米植株，过程中，比较不同喂入速度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
d、喂入角度试验：
通过角度调节机构8设置不同的喂入角度，过程中，比较不同喂入角度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
e、摘穗电机18的纯功耗计算：
电气控制柜5给出摘穗电机18的当前转速，数据采集装置4获取转矩传感器20的数据并传送至上位机3显示、记录，然后通过如下公式计算获得摘穗电机18的纯功耗Pc：
Pc＝Pz-Pk
式中：Pc为纯功耗，其单位为W；
Pz为总功率消耗，其单位为W；
Pk为空转功率消耗，其单位为W；
所述总功率消耗Pz和空转功率消耗Pk均通过如下公式转换获得：
P＝T×n/9550
式中：P为功率，其单位为W；
T为采集到的转速转矩传感器20的转矩，其单位为N〃m；
n为电气控制柜5显示的摘穗电机18的当前转速，其单位为r/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的玉米摘穗试验台由齿轮、链轮传动，结构简单，易于调节，可靠性好，机械效率高；
2.本发明的玉米摘穗试验台通过角度调节机构可以针对不同品种、不同植株高度的玉米进行模拟实验；
3.本发明的玉米摘穗试验台可以针对不同结构的拉茎辊和摘穗板的玉米摘穗装置进行试验、对比、分析；
4.本发明的玉米摘穗试验台通过改变摘穗电机的转速可以实现对不同摘穗速度的模拟实验、对比、分析；
5.本发明的玉米摘穗试验台通过改变喂入电机转速可以实现对不同作业速度的模拟试验、对比、分析；
6.通过变换不同结构的拉茎辊和摘穗板的摘穗装置、摘穗速度、喂入速度、喂入角度以及纯功耗计算、摘穗质量对比可以针对不同品种、含水量的玉米获得最佳的作业模式。
附图说明
图1为本发明多功能玉米摘穗试验台的结构示意图；
图2为本发明的摘穗单元的结构示意图；
图3为本发明摘穗机构安装架11和驱动机构安装架7的结构示意图；
图4为本发明的驱动机构6的结构示意图；
图5为本发明的喂入单元的结构示意图。
其中的附图标记为：
1摘穗单元 2喂入单元
3上位机 4数据采集装置
5电气控制柜 6驱动机构
7驱动机构安装架 8角度调节机构
9摘穗单元底架 10万向轮
11摘穗机构安装架 12拉茎辊
13摘穗板 14割台架
15支撑架 16连接架
17支撑杆 18摘穗电机
19前联轴器 20转矩传感器
21后联轴器 22主动齿轮轴
23主动齿轮 24传动链轮
25从动齿轮轴 26从动齿轮
27摘穗链条 28拉茎辊链轮
29拉茎辊转轴 30喂入电机
31喂入部分底架 32变向机构
33喂入链轮 34喂入链条
35夹持装置 36喂入主动轴
37喂入从动轴 38夹持装置安装片
39夹持装置安装杆
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种多功能玉米摘穗试验台，包括摘穗单元1、喂入单元2和控制及数据采集单元。
如图2所示，所述摘穗单元1包括驱动机构6、驱动机构安装架7、角度调节机构8、摘穗单元底架9、摘穗机构安装架11、拉茎辊12和摘穗板13。
如图3所示，所述摘穗机构安装架11为一由割台架14、支撑架15和连接架16相互固接组合成的纵截面为三角形的框架，其中，割台架14的后端与连接架16的上部垂直固接，支撑架15的两端分别与割台架14的前端和连接架16的下端固接。所述一对拉茎辊12和一对摘穗板13通过支撑杆17安装在割台架14上，并与割台架14平行，且拉茎辊12和摘穗板13的后端位置可调地安装在连接架16上端。
所述驱动机构安装架7位于摘穗机构安装架11的后方，驱动机构安装架7为一矩形框架，其前端与摘穗机构安装架11的连接架16的下端垂直固接；所述摘穗机构安装架11的连接架16与支撑架15的连接部的左右两端分别与摘穗单元底架9的左纵梁和右纵梁的前端销轴连接；所述角度调节机构8设置在驱动机构安装架7的后端与摘穗单元底架9的后横梁之间，用于调节驱动机构安装架7的倾斜角度，进而调节拉茎辊12和摘穗板13的倾斜角度，实现喂入角度调节。
所述驱动机构6安装在驱动机构安装架7上，为待检测摘穗装置提供动力。如图4所示，所述驱动机构6包括摘穗电机18、前联轴器19、转矩传感器20、后联轴器21、主动齿轮轴22和从动齿轮轴25。
所述摘穗电机18固接在驱动机构安装架7上，所述摘穗电机18的动力输出轴依次连接前联轴器19、转矩传感器20、后联轴器21和主动齿轮轴22；所述从动齿轮轴25并列设置在主动齿轮轴22的一侧。所述主动齿轮轴22上设有主动齿轮23，所述从动齿轮轴25上设有与主动齿轮23相互啮合的从动齿轮26，且主动齿轮轴22和从动齿轮轴25上各设有一传动链轮24。两个拉茎辊13后端的拉茎辊转轴29上均设有拉茎辊链轮28，所述传动链轮24与拉茎辊链轮28之间套设有摘穗链条27。
如图5所示，所述喂入单元2位于摘穗单元1前方，喂入单元2包括喂入电机30、喂入单元底架31、变向机构32、喂入链条34、夹持装置35、喂入主动轴36和喂入从动轴37。
所述喂入主动轴36和喂入从动轴37分别设置在喂入单元底架31的前端和后端，所述喂入主动轴36和喂入从动轴37上均设有喂入链轮33，所述喂入链条34套设在喂入主动轴36和喂入从动轴37的喂入链轮33之间。多个夹持装置安装杆39通过喂入链条34上设置的夹持装置安装片38均匀且水平地固接在喂入链条34上，每个夹持装置安装杆39上垂直固接有用于夹持玉米植株的夹持装置35。所述喂入电机30的动力输出轴经变向机构32与喂入主动轴36连接。
所述摘穗单元底架9的底部和喂入单元底架31的底部均安装有万向轮10，方便移动。
所述控制及数据采集单元包括上位机3、数据采集装置4和电气控制柜5。所述电气控制柜5分别与摘穗电机18和喂入电机30连接，控制和显示摘穗电机18和喂入电机30的转速。所述数据采集装置4分别与上位机3和转矩传感器20连接。数据采集装置4采集转矩传感器20的数据，并将该数据传输至上位机3显示。
一种利用上述多功能玉米摘穗试验台的玉米摘穗试验方法，包括如下步骤：
a、试验准备：
将玉米植株夹持在喂入单元2的夹持装置35上，根据玉米植株选取待测的拉茎辊12和摘穗板13安装在摘穗机构安装架11上，同时通过角度调节机构8设置初始喂入角度；通过电气控制柜5分别控制摘穗电机18和喂入电机30开启；摘穗电机18驱动拉茎辊12以一定转速转动；喂入电机30驱动喂入链条34上固接的夹持装置35以一定喂入速度向摘穗单元1传送玉米植株；
b、摘穗速度试验：
通过电气控制柜5调控摘穗电机18的输出转速，使拉茎辊12以不同的转速对玉米植株进行摘穗作业，过程中，比较不同摘穗速度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
c、喂入速度试验：
通过电气控制柜5调控喂入电机30的输出转速，使喂入链条34上固接的夹持装置35以不同的喂入速度向摘穗单元1传送玉米植株，过程中，比较不同喂入速度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
d、喂入角度试验：
通过角度调节机构8设置不同的喂入角度，过程中，比较不同喂入角度下的摘穗质量和摘穗电机18的纯功耗；
e、摘穗电机18的纯功耗计算：
电气控制柜5给出摘穗电机18的当前转速，数据采集装置4获取转矩传感器20的数据并传送至上位机3显示、记录，然后通过如下公式计算获得摘穗电机18的纯功耗Pc：
Pc＝Pz-Pk
式中：Pc为纯功耗，其单位为W；
Pz为总功率消耗，其单位为W；
Pk为空转功率消耗，其单位为W。
所述总功率消耗Pz和空转功率消耗Pk均通过如下公式转换获得：
P＝T×n/9550
式中：P为功率，其单位为W；
T为采集到的转速转矩传感器20的转矩，其单位为N〃m；
n为电气控制柜5显示的摘穗电机18的当前转速，其单位为r/min。
最优摘穗模式的判定：
1、摘穗质量高，包括摘穗率高且获得的果穗底部籽粒完好，破碎果穗少；
2、作业速度快，在保证高摘穗率和低破损率的前提下保证较高的摘穗速度和喂入速度；
3、纯功耗少，根据计算获得该种结构的拉茎辊和摘穗板在某一摘穗速度、喂入速度和喂入角度下的纯功耗。
综合考量摘穗质量、作业速度以及功耗因素，最终获得该结构的拉茎辊和摘穗板最适合的摘穗速度、喂入速度和喂入角度。
Claims (2)
1.一种多功能玉米摘穗试验台，其特征在于：该试验台包括摘穗单元(1)、喂入单元(2)和控制及数据采集单元；
所述摘穗单元(1)包括驱动机构(6)、驱动机构安装架(7)、角度调节机构(8)、摘穗单元底架(9)、摘穗机构安装架(11)、拉茎辊(12)和摘穗板(13)；
所述摘穗机构安装架(11)为一由割台架(14)、支撑架(15)和连接架(16)相互固接组合成的纵截面为三角形的框架，其中，割台架(14)的后端与连接架(16)的上部垂直固接，支撑架(15)的两端分别与割台架(14)的前端和连接架(16)的下端固接；一对拉茎辊(12)和一对摘穗板(13)通过支撑杆(17)安装在割台架(14)上，并与割台架(14)平行，且拉茎辊(12)和摘穗板(13)的后端位置可调地安装在连接架(16)上端；
所述驱动机构安装架(7)位于摘穗机构安装架(11)的后方，驱动机构安装架(7)为一矩形框架，其前端与摘穗机构安装架(11)的连接架(16)的下端垂直固接；所述摘穗机构安装架(11)的连接架(16)与支撑架(15)的连接部的左右两端分别与摘穗单元底架(9)的左纵梁和右纵梁的前端销轴连接；所述角度调节机构(8)设置在驱动机构安装架(7)的后端与摘穗单元底架(9)的后横梁之间；
所述驱动机构(6)包括摘穗电机(18)、前联轴器(19)、转矩传感器(20)、后联轴器(21)、主动齿轮轴(22)和从动齿轮轴(25)；
所述摘穗电机(18)固接在驱动机构安装架(7)上，所述摘穗电机(18)的动力输出轴依次连接前联轴器(19)、转矩传感器(20)、后联轴器(21)和主动齿轮轴(22)；所述从动齿轮轴(25)并列设置在主动齿轮轴(22)的一侧；所述主动齿轮轴(22)上设有主动齿轮(23)，所述从动齿轮轴(25)上设有与主动齿轮(23)相互啮合的从动齿轮(26)，且主动齿轮轴(22)和从动齿轮轴(25)上各设有一传动链轮(24)；两个拉茎辊(13)后端的拉茎辊转轴(29)上均设有拉茎辊链轮(28)，所述传动链轮(24)与拉茎辊链轮(28)之间套设有摘穗链条(27)；
所述喂入单元(2)位于摘穗单元(1)前方，喂入单元(2)包括喂入电机(30)、喂入单元底架(31)、喂入链条(34)、夹持装置(35)、喂入主动轴(36)和喂入从动轴(37)；
所述喂入主动轴(36)和喂入从动轴(37)分别设置在喂入单元底架(31)的前端和后端，所述喂入主动轴(36)和喂入从动轴(37)上均设有喂入链轮(33)，所述喂入链条(34)套设在喂入主动轴(36)和喂入从动轴(37)的喂入链轮(33)之间；多个夹持装置安装杆(39)通过喂入链条(34)上设置的夹持装置安装片(38)均匀且水平地固接在喂入链条(34)上，每个夹持装置安装杆(39)上垂直固接有用于夹持玉米植株的夹持装置(35)；所述喂入电机(30)的动力输出轴与喂入主动轴(36)连接；
所述控制及数据采集单元包括上位机(3)、数据采集装置(4)和电气控制柜(5)；所述电气控制柜(5)分别与摘穗电机(18)和喂入电机(30)连接，控制和显示摘穗电机(18)和喂入电机(30)的转速；所述数据采集装置(4)分别与上位机(3)和转矩传感器(20)连接；数据采集装置(4)采集转矩传感器(20)的数据，并将该数据传输至上位机(3)显示；
所述摘穗单元底架(9)的底部和喂入单元底架(31)的底部均安装有万向轮(10)；
喂入单元(2)进一步包括变向机构(32)，所述喂入电机(30)的动力输出轴经变向机构(32)与喂入主动轴(36)连接。
2.一种利用权利要求1所述的多功能玉米摘穗试验台的玉米摘穗试验方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
a、试验准备：
将玉米植株夹持在喂入单元(2)的夹持装置(35)上，根据玉米植株选取待测的拉茎辊(12)和摘穗板(13)安装在摘穗机构安装架(11)上，同时通过角度调节机构(8)设置初始喂入角度；通过电气控制柜(5)分别控制摘穗电机(18)和喂入电机(30)开启；摘穗电机(18)驱动拉茎辊(12)以一定转速转动；喂入电机(30)驱动喂入链条(34)上固接的夹持装置(35)以一定喂入速度向摘穗单元(1)传送玉米植株；
b、摘穗速度试验：
通过电气控制柜(5)调控摘穗电机(18)的输出转速，使拉茎辊(12)以不同的转速对玉米植株进行摘穗作业，过程中，比较不同摘穗速度下的摘穗质量和摘穗电机(18)的纯功耗；
c、喂入速度试验：
通过电气控制柜(5)调控喂入电机(30)的输出转速，使喂入链条(34)上固接的夹持装置(35)以不同的喂入速度向摘穗单元(1)传送玉米植株，过程中，比较不同喂入速度下的摘穗质量和摘穗电机(18)的纯功耗；
d、喂入角度试验：
通过角度调节机构(8)设置不同的喂入角度，过程中，比较不同喂入角度下的摘穗质量和摘穗电机(18)的纯功耗；
e、摘穗电机(18)的纯功耗计算：
电气控制柜(5)给出摘穗电机(18)的当前转速，数据采集装置(4)获取转矩传感器(20)的数据并传送至上位机(3)显示、记录，然后通过如下公式计算获得摘穗电机(18)的纯功耗Pc：
Pc＝Pz-Pk
式中：Pc为纯功耗，其单位为W；
Pz为总功率消耗，其单位为W；
Pk为空转功率消耗，其单位为W；
所述总功率消耗Pz和空转功率消耗Pk均通过如下公式转换获得：
P＝T×n/9550
式中：P为功率，其单位为W；
T为采集到的转速转矩传感器(20)的转矩，其单位为N·m；
n为电气控制柜(5)显示的摘穗电机(18)的当前转速，其单位为r/min。
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