CN110149917A - 一种基于喂入量的凹板间隙自动调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喂入量的脱粒分离装置凹板间隙自动调节系统，包括凹板间隙调节机构、电控系统和液压系统，所述脱粒分离装置包括脱粒滚筒、顶盖和凹板,所述脱粒滚筒位于由顶盖和凹板构成的脱粒室内，凹板间隙调节机构用于调节玉米脱粒分离装置的凹板间隙；液压系统用于驱动凹板间隙调节机构；电控系统、用于控制液压系统工作；凹板间隙调节机构包括被动曲柄、驱动曲柄、拉杆、位移传感器；电控系统包括动态扭矩传感器、位移传感器、低通滤波电路、PLC控制器和计算机；液压系统包括液压基站和液压工作单元。

Description

一种基于喂入量的凹板间隙自动调节系统

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种基于喂入量的凹板间隙自动调节系统。

背景技术

近年来随着我国玉米机械化收获水平的提高，尤其是玉米籽粒收获技术的研究与发展，玉米籽粒直收将成为我国玉米收获的发展方向。玉米脱粒分离装置作为玉米籽粒直收的主要作业装置，其工作参数的优化调节对脱粒性能有重要的意义。

凹板间隙即脱粒间隙，是指脱粒元件顶端与凹板之间的距离，作为脱粒装置关键的工作参数之一，对籽粒破碎率、未脱净率的影响较大。脱粒间隙的不同，引起脱粒室内玉米果穗等物料流密度的变化，改变了脱粒元件对果穗的击打频率，而且果穗与凹板之间、果穗与果穗之间的作用力也发生变化，引起破碎率和未脱净率的变化。目前国外对脱粒分离装置研发较早，最早发明出脱粒间隙手动调节结构，近几年，部分专家学者通过液压系统调节凹板间隙，自动化程度高，提高工作效率。国内脱粒装置研究起步较晚，自动化集成低，多为单独调节凹板间隙，部分学者从自动化角度出发，通过检测滚筒转速大小，进而实现凹板间隙的自动控制。但因为滚筒转速的影响因素较多，不能对凹板间隙进行准确调节，难以满足实际脱粒作业需求。

为了克服以上缺点，本发明针对高含水率玉米提供一种基于喂入量的凹板间隙自动调节系统，能够实现根据喂入量大小实时自动调节凹板间隙的大小，满足脱粒需求，降低破碎率，提高脱净率。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于喂入量的脱粒分离装置凹板间隙自动调节系统，包括凹板间隙调节机构、电控系统和液压系统，所述脱粒分离装置包括脱粒滚筒、顶盖和凹板,所述脱粒滚筒位于由顶盖和凹板构成的脱粒室内，其中：凹板间隙调节机构用于调节玉米脱粒分离装置的凹板间隙；液压系统用于驱动凹板间隙调节机构；电控系统用于控制液压系统工作；凹板间隙调节机构包括被动曲柄、驱动曲柄、拉杆；电控系统包括动态扭矩传感器、位移传感器、低通滤波电路、PLC控制器和计算机；液压系统包括液压基站和液压工作单元。

所述的系统，其中：驱动曲柄两侧各设置一个被动曲柄，被动曲柄和驱动曲柄的一端都与顶盖上的连接杆铰接，被动曲柄的另一端与拉杆一端铰接，拉杆另一端与凹板铰接，驱动曲柄的另一端与液压缸一端铰接，液压缸另一端与凹板铰接。

所述的系统，其中：位移传感器为激光测距传感器，位移传感器安装于液压缸伸缩杆顶端。

所述的系统，其中：PLC控制器内设A/D转换模块、5V供电模块、动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块和PID调节算法模块；低通滤波电路是多输入多输出电路，用于将动态扭矩传感器应变信号和位移传感器电信号分别传输给PLC控制器的A/D转换模块，动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块用于根据A/D转换模块转换后的动态扭矩传感器应变信号的数字信号计算得到喂入量的实际检测值；PID算法调节模块用于根据喂入量的实际检测值自动匹配合适的凹板间隙调节范围并将调节量发送给比例换向阀；计算机与PLC控制器总线连接。

所述的系统，其中：液压基站包括电磁换向阀、回油过滤器、空气滤清器、液温液位计、风冷却器、柱塞泵、电动机、高压过滤器。

所述的系统，其中：电动机通过联轴器驱动柱塞泵，高压滤清器一端与柱塞泵通过油管连接，高压滤清器另一端与电磁换向阀连接。

所述的系统，其中：所述空气滤清器、液温液位计、风冷却器都外接在液压基站中，其中空气滤清器、风冷却器用于对液压基站进行降温；液温液位计用于检测油箱液位高度和温度。

所述的系统，其中：液压基站还包括溢流阀，溢流阀旁接在液压基站的出口，电磁换向阀进油口与溢流阀进油口通过高压油管连接。

所述的系统，其中：液压工作单元包括液压缸、测压接头、平衡阀和比例换向阀，比例换向阀、平衡阀、液压缸上都设有出油口和出油口，比例换向阀的进油口与回油口都与液压泵连接；平衡阀的另一个进出油口与液压缸的上进出油口连接。

所述的系统，其中：液压缸与平衡阀通过高强度液压管连接，在该高强度液压管上引出一个分支，安装测压接头。

所述的系统，其中：工作时，PLC控制器启动动态扭矩传感和位移传感器，动态扭矩传感器将脱粒滚筒扭矩大小以电压信号的方式传给PLC控制器，PLC控制器计算得出的喂入量大小并获得凹板间隙控制量，将相应的PWM信号输出值传给比例换向阀，经平衡阀控制液压缸的伸缩。

所述的系统，其中：PLC控制器通过凹板间隙大小与液压缸伸缩量的关系函数求得液压缸伸缩期望值y(k),凹板间隙与液压缸伸缩量M拟合关系为：s＝-0.1774o(K)+37.223，s—液压缸伸缩量，mm；o(K)—凹板间隙期望值，mm。

所述的系统，其中：液压缸伸缩带动驱动曲柄上下旋转，驱动曲柄带动两端的被动曲柄同轴旋转，使拉杆上下移动，实现凹板间隙的调节。

一种脱粒分离装置，包括如上之一所述的系统。

附图说明

图1为本发明机械结构原理示意图；

图2为本发明位移传感器示意图；

图3为本发明电控系统的结构示意图；

图4为本发明PID调节算法模块原理示意图；

图5为本发明液压系统的结构示意图；

图6为液压油路流向图示意图。

其中的附图标记为：

1 脱粒滚筒 2 顶盖

3 被动曲柄 4 驱动曲柄

5 电动机 6 动态扭矩传感器

7 拉杆 8 位移传感器

9 液压缸 10 凹板

11 低通滤波电路 12 A/D转换模块

13 24V开关电源 14 PLC控制器

15 人机界面 16 平衡阀

17 比例换向阀 18 PID算法调节模块

19 5V电源模块 20 测压接头

21 位移传感器测距回路

23 动态扭矩传感器-喂入量实时监测

24 自动调节模式 25 手动调节模式

26 叠加式溢流阀 27 电磁换向阀

28 回油过滤器 29 空气滤清器

30 液位液温计 31 风冷却器

32 柱塞泵 33 电动机

34 高压过滤器 35 压力表

36 机架

o(k)凹板间隙期望值 y(k)液压缸伸缩期望值

e(k)期望值与实际值的偏 u(k)PID计算输出值

差 p(k)平衡阀输出值

h(t)比例换向阀实际输出值

s(k)液压缸实际检测伸缩值

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明具体实施方式进行详细说明。

如图1、图3、图5所示，根据本发明的一种基于喂入量的凹板间隙自动调节系统可用于玉米脱粒分离装置，主要包括凹版间隙调节机构、电控系统、液压系统。

其中，如图1所示，所述玉米脱粒分离装置包括脱粒滚筒1、顶盖2、被动曲柄3、驱动曲柄4、电动机5、动态扭矩传感器6、拉杆7、位移传感器8、液压缸9和凹板10。所述脱粒滚筒1位于由顶盖2和凹板10构成的脱粒室内。动态扭矩传感器6两端分别连接着脱粒滚筒轴和电动机轴；其中，电动机5通过动态扭矩传感器6驱动脱粒滚筒1旋转，从而测得脱粒滚筒1的实时扭矩大小，从而计算出喂入量的大小。凹板间隙调节机构包括被动曲柄3、驱动曲柄4、拉杆7、位移传感器8,驱动曲柄4两侧各设置一个被动曲柄3，被动曲柄3和驱动曲柄4的一端都与顶盖2上的连接杆铰接，被动曲柄3另一端与拉杆7一端铰接，拉杆7另一端与凹板10铰接，驱动曲柄4的另一端与液压缸9一端铰接，液压缸9另一端与机架36铰接；其中，液压缸9伸缩带动驱动曲柄4上下旋转，驱动曲柄4带动两端的被动曲柄3同轴旋转，使拉杆7上下移动，实现凹板间隙的调节。如图2所示，所述位移传感器8为激光测距传感器，位移传感器8安装于液压缸9伸缩杆顶端，位移传感器8通过激光照射到液压缸9缸壁上，实现伸缩距离的测量。

本领域技术人员应当理解，上述玉米脱粒分离装置仅为本发明基于喂入量的凹板间隙自动调节系统的一个具体应用示例，当然，本发明基于喂入量的凹板间隙自动调节系统也可以应用于其它结构的脱粒分离装置(横轴流脱粒装置、切流脱粒装置等)。

如图3和4所示，所述电控系统包括动态扭矩传感器6、位移传感器8、低通滤波电路11、24V开关电源13、PLC控制器14、计算机15；其中，PLC控制器14内设A/D转换模块12、5V供电模块19、动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块23和PID调节算法模块18；所述24V供电模块13同时为PLC控制器14和计算机15供电；所述5V供电模块19为低通滤波电路11供电；其中，低通滤波电路11容许低于截至频率的信号通过，即起到对高频噪声进行抗干扰的作用，低通滤波电路11是多输入多输出电路，用于将动态扭矩传感器6应变信号和位移传感器8电信号分别传输给PLC控制器14的A/D转换模块12，动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块23根据A/D转换模块12转换后的动态扭矩传感器6应变信号的数字信号计算得到喂入量的实际检测值(喂入量即每秒进入脱粒装置的玉米质量，脱粒滚筒1的扭矩大小和喂入量之间存在一定的近似线性关系当玉米进入脱粒室，脱粒滚筒1扭矩大小会发生变化，动态扭矩传感器6会测量脱粒滚筒1扭矩的大小，将扭矩大小的信号传给实时监测模块23，实时监测模块23根据上述关系自动求出喂入量的大小，)，PLC控制器14的PID算法调节模块18会根据喂入量的实际检测值自动匹配合适的凹板间隙调节范围以适应喂入量的实时变化，根据已知的喂入量大小，可按下式拟合关系推算凹板间隙的大小:o(K)＝1.5w+39.6，其中，o(K)—凹板间隙期望值,mm，w—喂入量大小,kg/s。例如当喂入量为5～6kg/s，凹板间隙为48mm，当喂入量为7～8kg/s，凹板间隙为51mm。随着喂入量的增大，凹板间隙也会在一定范围进行合理的增大。同时，位移传感器8实时检测液压缸的实际伸缩量，通过PID算法调节模块18不断修正误差，使得凹板间隙的调节更加及时、准确。然后，PLC控制器14将输出信号传输给比例换向阀17，经平衡阀16传给双向液压缸9；液压缸9为双向液压缸，平衡阀16可将液压缸9伸缩杆保持在预设的位置。上述为自动调节模式。手动调节模式与上述过程类似，但需要通过计算机15输入凹板间隙预设值，经PLC控制器14控制液压缸9伸长到预设的位置，实现凹板间隙的手动调节。所述计算机15与PLC控制器14的通过CAN总线连接，可实时显示脱粒滚筒1扭矩大小、喂入量和凹板间隙的实时显示以及进行控制模式的选择(自动和手动)。

如图1、2和5所示，所述液压系统包括液压缸9、测压接头20、平衡阀16、比例换向阀17、叠加式溢流阀26、电磁换向阀27、回油过滤器28、空气滤清器29、液位液温计30、风冷却器31、柱塞泵32、电动机33、高压过滤器34和压力表35，并依次连接；所述液压缸9上端与驱动曲柄4连接，下端与机架36铰接连接，根据喂入量的大小来调整凹板10的脱粒间隙大小。比例换向阀17信号输入端与PLC控制器14中的PID调节算法模块18输出端连接，比例换向阀17由PLC控制器14的PID调节算法模块18的PWM波输出控制，进而控制液压缸9的动作，最终作用在凹板10上。如图6所示，为了方便叙述和理解，将液压油流径用箭头进行了标注。该液压系统共分为两部分：液压基站和液压工作单元两部分。其中，液压基站主要作用就是为液压缸等工作部件供油。所述液压基站包括电磁换向阀27、回油过滤器28、空气滤清器29、液温液位计30、风冷却器31、柱塞泵32、电动机33、高压过滤器34，所述液压基站主体为一个液压油箱(图中未标注)，外置各种部件，其中电动机33通过联轴器驱动柱塞泵32，从而使液压油箱内的油在油路内循环流动，其中高压滤清器34与柱塞泵32通过油管连接，对从柱塞泵32流出的油进行初次过滤，方便干净的油进入后续的工作部件。流经高压过滤器34的液压油流到电磁换向阀27(相当于换向开关阀，打开状态液压油在液压基站内部循环；关闭状态液压油流向工作部分)处有两种去向，溢流阀26旁接在液压基站的出口。电磁换向阀27进油口P与溢流阀26进油口通过高压油管连接，溢流阀26左为进油口，右为回油口，当液压系统压力负载大于特定值，工作系统的油从溢流阀26左端进油口流入，从右端回油口流回液压基站。回油过滤器28设在系统末端的回油管路上，当处于液压基站内部循环或从工作部分回流时都会经过回油过滤器28，对流回的液压油进行二次过滤，最终回到油箱。所述空气滤清器29、液温液位计30、风冷却器31都外接在液压基站中，其中空气滤清器29、风冷却器31作用为对液压基站工作进行降温处理，即风冷却降温(液压基站工作时会产生大量的热量，油温太高严重影响工作性能和安全作业)。液温液位计30就是检测油箱液位高度和温度。如上所述，若电磁换向阀27关闭，液压油流向工作部分，首先会流经电磁换向阀17，电磁换向阀即为左右开关式的电磁阀门，通过控制电磁铁实现阀门的关闭与开合。通过左右阀门开闭配合，使液压缸推杆两端产生油压差，实现液压油缸的伸缩。其中，溢流阀26就是一个保护阀门，防止油压过大损坏精密的电磁阀门，油压超过安全值后会自动放油。液压工作单元包括液压缸9、测压接头20、平衡阀16、比例换向阀17，比例换向阀17、平衡阀16液压缸9上都设有出油口和出油口，如图5所示，比例换向阀17为三位四通阀，其中P、T分别为进油口与回油口，二者都与柱塞泵32连接。比例换向阀17的油口A、B分别连接液压缸9下进出油口和平衡阀16的进出油口，其中平衡阀16有两个进出油口，平衡阀16的另一个进出油口与液压缸9的上进出油口连接。测压接头20就是一个管接头，用于管道与液压元件之间的连接。液压缸9与平衡阀16通过高强度液压管连接，测压接头20就在该高强度液压管上引出一个分支，安装测压接头20。

如图4所示，PID调节算法模块原理示意图分为自动调节模式24和手动调节25两种模式。所述自动调节模式，动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块23会根据脱粒滚筒1扭矩大小自动计算相应喂入量的大小，基于喂入量的大小预选凹板间隙期望值o(K)(例如10kg/s喂入量最优凹板间隙为55mm，当喂入量为9～10kg/s，凹板间隙匹配值为55mm)喂入量和凹板间隙呈近似正相关线性关系，其中：扭矩传感器检测脱粒滚筒轴扭矩，按如下拟合关系式式推算出喂入量大小：M＝k₀Rq，其中，M—滚筒轴扭矩,N/m，k₀—常数；一般取8，R—滚筒半径，m；q—喂入量，kg/s。

通过凹板间隙大小与液压缸伸缩量的关系函数可求得液压缸伸缩期望值y(k),凹板间隙与液压缸伸缩量拟合关系为：s＝-0.1774o(K)+37.223，其中，s—液压缸伸缩量，mm，o(K)—凹板间隙期望值，mm。

PID调节算法模块18根据液压缸伸缩期望值y(k)和位移传感器测距回路21(即位移传感器8)实时反馈的实际检测值y(k)的偏差e(k)大小进行相应运算处理，即二者做减法计算，差值就是偏差e(k)，然后根据偏差e(k)将调节信号的输出值输入到比例换向阀17来控制液压输出量的大小，最后经平衡阀16控制液压缸9执行相应动作，使得凹板间隙大小发生改变，又通过位移传感器测距回路21进行液压缸伸缩量实际值检测形成闭环回路，以此来调节和维持凹板间隙在预设值内。具体来说：比例换向阀17作用是通过比例电磁铁控制液压系统的流量和流动方向。PLC控制器14将控制液压缸伸长或缩短的输出值以PWM波信号的方式传给比例换向阀17，比例换向阀17内的电磁铁会根据接收到的PWM信号控制阀门开口的大小，伸缩值大，所需流量大，阀门调节就会相应的大，阀门刚开始大，越接近液压缸伸缩预设值时，阀门会变小，使流量变小，实现慢调节，以保证相应的精度。平衡阀16作用为：本系统所用液压缸9为双向液压缸(一般为双向液压驱动，可实现等速往复运动。)，用以调节液压缸9两侧压力的相对平衡，使液压缸保持在某位置。若没有平衡阀，液压缸伸缩杆不会保持在固定的位置，无法保持凹板间隙在一定的范围内。如上所述，三者配合就是比例换向阀17控制油的流量和方向，经平衡阀16流向液压缸9。从而控制液压缸的伸长或收缩，并控制它们的大小。手动调节模式和自动调节模式类似，手动调节模式通过人机界面15人为输入凹板间隙期望值o(K),控制系统通过编程计算调节液压缸9的伸缩量，实现凹板间隙的调节，但凹板间隙不会随着喂入量的大小进行自动调节。

本发明的工作过程如下：

首先，通过计算机15选择自动模式或者手动模式，自动调节模式直接点击开始，PLC控制器14会自动启动动态扭矩传感器6和位移传感器8，动态扭矩传感器6会将脱粒滚筒扭矩大小以电压信号的方式传给PLC控制器14，PLC控制器14通过编程计算得出喂入量的大小，自动匹配凹板间隙的大小，将PID算法调节模块18的PWM信号输出值u(k)传给比例换向阀17，经平衡阀16控制液压缸9的伸缩，液压缸9伸缩带动驱动曲柄4上下旋转，驱动曲柄4带动两端的被动曲柄3同轴旋转，使拉杆7上下移动，实现凹板间隙的调节，降低玉米脱粒分离过程中破碎率和未脱净率，提高脱粒作业质量和经济效益。手动调节模式直接通过人机界面15输入预设值，通过PLC控制器14调控液压缸9实现凹板间隙的调节，但凹板间隙不会随着喂入量的大小实时调节。

期间，PLC控制器不断将位移传感器8实时采集的电信号转化为当前液压缸9伸缩检测数值与液压缸9伸缩预设值进行比较，由PID调节算法模块根据偏差值大小控制比例换向阀的液压输出量，使其达到预设的长度，这个液压力在液压缸推杆的作用下作用在凹板10上，最终达到调整和维持凹板间隙期望值的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于喂入量的脱粒分离装置凹板间隙自动调节系统，包括凹板间隙调节机构、电控系统和液压系统，所述脱粒分离装置包括脱粒滚筒、顶盖和凹板,所述脱粒滚筒位于由顶盖和凹板构成的脱粒室内，其特征在于：凹板间隙调节机构用于调节玉米脱粒分离装置的凹板间隙；液压系统用于驱动凹板间隙调节机构；电控系统用于控制液压系统工作；凹板间隙调节机构包括被动曲柄、驱动曲柄、拉杆；电控系统包括动态扭矩传感器、位移传感器、低通滤波电路、PLC控制器和计算机；液压系统包括液压基站和液压工作单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：驱动曲柄两侧各设置一个被动曲柄，被动曲柄和驱动曲柄的一端都与顶盖上的连接杆铰接，被动曲柄的另一端与拉杆一端铰接，拉杆另一端与凹板铰接，驱动曲柄的另一端与液压缸一端铰接，液压缸另一端与凹板铰接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：位移传感器为激光测距传感器，位移传感器安装于液压缸伸缩杆顶端。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：PLC控制器内设A/D转换模块、5V供电模块、动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块和PID调节算法模块；低通滤波电路是多输入多输出电路，用于将动态扭矩传感器应变信号和位移传感器电信号分别传输给PLC控制器的A/D转换模块，动态扭矩传感器-喂入量实时监测模块用于根据A/D转换模块转换后的动态扭矩传感器应变信号的数字信号计算得到喂入量的实际检测值；PID算法调节模块用于根据喂入量的实际检测值自动匹配合适的凹板间隙调节范围并将调节量发送给比例换向阀；计算机与PLC控制器总线连接。

5.一种脱粒分离装置，其特征在于包括权利要求1-4之一所述的系统。