CN111226613A - 一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统及方法和收获机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统及方法和收获机，包括驱动装置、传动装置、切流滚筒、传感装置、纵轴流滚筒和控制单元；驱动装置包括发动机、发电机、超级电容和电动机；发动机和发电机连接；电动机与发电机相连；超级电容分别与电动机和发电机连接；发电机、超级电容和电动机与发动机通过传动装置并联在切流滚筒上；传感装置用于测量超级电容的SOC值、切流滚筒和纵轴流滚筒的转速；本发明能够在脱粒滚筒运转动力不足时，电机驱动及时运作，补充动力；在脱粒装置传动系统能量过剩时，对能量进行回收，有效解决由于谷物喂入量突变的引起的脱粒滚筒不稳定问题，有效预防因谷物喂入量激增而引起的堵塞和茎秆缠绕问题。

Description

一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统及方法和收获机

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统及方法和收获机。

背景技术

脱粒装置作为联合收获机的重要组成部分，其主要功能是将籽粒从作物穗头上脱粒并分离。然而由于谷物种植不均匀以及生长差异，联合收获机在收获时经常发生谷物喂入量突变的情况。由于联合收获机的脱粒滚筒以恒定功率运转，当在脱粒过程中遇到喂入量突变时容易造成脱粒装置传动系统动力不足、脱粒滚筒剧烈振荡，脱粒滚筒堵塞以及堵塞后的传动链断裂等问题，这将大大影响联合收获机脱粒滚筒运转平顺性以及脱粒装置传动系统的寿命。

目前为解决脱粒滚筒因动力不足发生堵塞等问题的发明有，专利号CN201821769042.1发明了一种具有防缠绕防堵塞功能的滚筒凹板筛式脱粒系统，该发明利用凸轮和割刀防止脱离滚筒发生堵塞和缠绕问题能够方便快捷的处理脱粒滚筒缠绕和脱粒滚筒与栅格凹板筛之间的堵塞，进而提高作业效率。专利号CN201910662197.8发明了一种防堵塞的滚筒凹筛板脱粒系统，包括机壳、脱粒滚筒及凹筛板，该发明利用皮带轮、转轴、调整杆和击打板及时击打凹筛板以防止堵塞，该发明可及时对发生在脱粒间隙和凹筛板筛孔中的堵塞进行清堵，达到连续生产的目的。专利号CN201110145990.4发明一种切纵流联合收获机自适应防堵塞控制系统，通过由主机控制器检测切纵流脱粒装置的工作负荷，在脱粒分离过程中由检测传感器检测切流滚筒和纵轴流滚筒的转速和扭矩，并计算变化偏差值，与预先存储的标准值进行比较判断的方法，再根据转速和扭矩的变化对切纵流联合收获机的脱粒分离装置工作参数进行控制。

以上发明能有效防止脱粒滚筒堵塞的问题，但以上技术方案在解决脱粒滚筒堵塞问题的同时却无法保持脱粒滚筒工作的平顺性，无法处理因脱粒滚筒的振动而严重影响谷物脱粒的性能等问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。本发明提供一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统及方法，本发明能够在脱粒滚筒运转动力不足时，电机驱动及时运作，补充动力；在脱粒装置传动系统能量过剩时，对能量进行回收，以此保证脱粒滚筒运转的稳定性，平顺性。本发明能有效应对脱粒滚筒在运作时由于谷物喂入量突变的引起的脱粒滚筒不稳定问题，能够有效预防因谷物喂入量激增而引起的堵塞和茎秆缠绕问题。

为此，本发明还提出了一种包括所述切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的收获机。

本发明的技术方案是：一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，包括驱动装置、传动装置、切流滚筒、传感装置、纵轴流滚筒和控制单元；

所述驱动装置包括发动机、发电机、超级电容和电动机；所述发动机和发电机通过传动机构连接；所述电动机与发电机相连；超级电容分别与所述电动机和发电机连接；所述发电机、超级电容和电动机与发动机通过传动装置并联在切流滚筒上；

所述传感装置用于测量超级电容的荷电状态SOC值、切流滚筒和纵轴流滚筒的转速；

所述控制单元分别与发动机、发电机、超级电容、电动机和传感装置连接；

所述传动装置包括第一传动轴、第一双排链轮、双槽皮带轮、传动箱和第二双排链轮；

所述第一传动轴的一端与发动机轴端啮合；第一传动轴的另一端通过第一双排链轮和双槽皮带轮与切流滚筒主轴的一端连接；切流滚筒主轴的另一端通过传动箱的一端与电动机的输出轴连接；传动箱的另一端通过所述第二双排链轮与纵轴流滚筒的主轴前端连接；

进一步的，所述传动箱内设有第一锥形齿轮、第二锥形齿轮和第三锥形齿轮；所述第一锥形齿轮与电动机的输出轴连接，第二锥形齿轮与切流滚筒主轴的另一端连接，第三锥形齿轮与第二双排链轮所在轴端连接；

所述第一锥形齿轮与第二锥形齿轮啮合，第二锥形齿轮与第三锥形齿轮啮合。

上述方案中，所述发电机采用65kw/13kw型永磁同步直流电机。

上述方案中，所述电动机采用60kw/120kw型永磁同步直流电机。

上述方案中，所述超级电容采用48V/165F电容。

一种收获机，包括所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统。

一种根据所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的控制方法，包括以下步骤：

所述传感装置分别采集测量切流滚筒的转速T₁、纵轴流滚筒的转速T₂、超级电容的荷电状态SOC值，并传递给控制单元；

所述控制单元根据切流滚筒的转速T₁和纵轴流滚筒的转速T₂得到混合动力传动系统需求的转矩Trq，将转矩Trq和SOC值作为模糊控制器的输入变量，通过模糊逻辑控制策略计算输出变量为系数参数K，控制单元根据K值控制发动机、发电机、超级电容和电动机的工作。

上述方案中，所述模糊逻辑控制策略具体为：

所述K的论域为[0,2]，

当K＝2时，混合动力传动系统需求转矩大于发动机提供的转矩，控制单元控制发电机和超级电容放电，电动机运转，与发动机共同提供系统需求的转矩；

当K＝1时，发动机工作在最优转矩处，发电机和超级电容不放电，电动机不工作；

当K＝0时，混合动力传动系统需求转矩小于发动机提供的转矩，发电机和超级电容不放电，电动机将多余的机械能量转化为电能存储在超级电容里。

上述方案中，所述控制单元根据以下公式计算得到电动机转速n_m：

n_m＝n_{m_min}+K·Δn,K＝0,1,2

式中，n_{m_min}为电动机允许最小转速，Δn为电动机转速范围分为一系列离散点的离散点等分差值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明能够实现脱粒滚筒在喂入量突变时，若脱粒滚筒所需要的功率大于发动机功率时，由超级电容发电，驱使电动机来助力驱动；若脱粒滚筒所需要的功率小于发动机功率时，富余的机械能可通过电动机回收至超级电容对电池进行充电。本发明能够维持脱粒滚筒运转的平顺性，避免脱粒装置的传动系统因喂入量的突变而产生振动，堵塞，茎秆缠绕甚至失效等问题。

2.本发明采用并联式方案将发电机、超级电容和电动机接入联合收获机脱粒装置的传动系统中，对原有联合收获机脱粒装置的传动系统结构的改动达到最小，成本低，技术难度小，具有紧凑性最佳，风险性最小的特点。

3.本发明利用转速传感器和转矩传感器对切流滚筒和纵轴流滚筒的转速和扭矩进行实时监测，并及时反馈给驾驶员，以便驾驶员及时作出调整，这样能及时有效的处理脱粒滚筒可能出现的堵塞问题，增加持续工作能力。

附图说明

图1为本发明一实施方式的总装结构示意图。

图2为本发明一实施方式的正视图。

图3为本发明一实施方式的传动箱的结构图。

图4为本发明一实施方式的能量传递路径。

图5为本发明一实施方式的控制策略结构。

图中，1-驱动装置，101-发动机，102-发电机，103-超级电容，104-电动机，105-皮带传动，2-传动装置，201-第一传动轴，202-第一双排链轮，203-带传动，204-传动箱，2041-第一锥形齿轮，2042-第二锥形齿轮，2043-第三锥形齿轮，205-第二双排链轮，3-切流滚筒；4-传感装置，401-第一转矩传感器，402-第一转速传感器，403-第二转矩传感器，404-第二转速传感器；5-切纵流滚筒。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示为本发明所述切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的一种较佳实施方式，所述切纵流脱粒装置的混合动力传动系统包括驱动装置1、传动装置2、切流滚筒3、传感装置4、纵轴流滚筒5和控制单元；

所述驱动装置1包括发动机101、发电机102、超级电容103和电动机104；所述发动机101和发电机102通过传动机构连接；优选的，所述传动机构为和皮带传动105，发电机102和发动机101通过皮带传动105连接；所述电动机104与发电机102相连；超级电容103分别与所述电动机104和发电机102连接；所述发电机102、超级电容103和电动机104形成为一个电驱装置与发动机101通过传动装置2并联在切流滚筒3上。

所述传感装置4包括电压传感器、第一转矩传感器401和第二转矩传感器402；所述电压传感器用于测量超级电容103的荷电状态SOC值；所述第一转矩传感器401用于测量切流滚筒3的转速，所述第二转矩传感器402用于测量纵轴流滚筒5的转速。

所述控制单元分别与发动机101、发电机102、超级电容103、电动机104、电压传感器、第一转矩传感器401和第二转矩传感器402连接。

根据现有大部分联合收割机的结构布局，优选的，所述驱动装置1位于切流滚筒3和纵轴流滚筒5右侧，传感装置4位于切流滚筒3和纵轴流滚筒5主轴动力输入端。

根据现有大部分联合收割机的结构布局，优选的，所述发电机102位于发动机101后侧；电动机104位于发电机102后侧；超级电容103位于发电机102和电动机104的左侧中间并与两者相连接。

如图2所示，根据本实施例，优选的，所述传动装置2包括第一传动轴201、第一双排链轮202、双槽皮带轮203、传动箱204和第二双排链轮205；所述第一传动轴201的一端与发动机101轴端啮合；第一传动轴201的另一端通过第一双排链轮202和双槽皮带轮203与切流滚筒3主轴的一端连接；切流滚筒3主轴的另一端通过传动箱204的一端与电动机104的输出轴连接；传动箱204的另一端通过所述第二双排链轮205与纵轴流滚筒5的主轴前端连接。

如图3所示，根据本实施例，优选的，所述传动箱204内设有第一锥形齿轮2041、第二锥形齿轮2042和第三锥形齿轮2043；所述第一锥形齿轮2041与电动机104的输出轴连接，第二锥形齿轮2042与切流滚筒3主轴的另一端连接，第三锥形齿轮2043与第二双排链轮205所在轴端连接；所述第一锥形齿轮2041与第二锥形齿轮2042啮合，第二锥形齿轮2042与第三锥形齿轮2043啮合。

根据本实施例，优选的，所述传感装置4包括电压传感器、第一转矩传感器401和第二转矩传感器402；所述电压传感器用于测量超级电容103的荷电状态SOC值；所述第一转矩传感器401位于切流滚筒3主轴右端，在传动箱204内，所述第一转矩传感器401用于测量切流滚筒3的转速；所述第二转矩传感器402位于纵轴流滚筒5主轴前端，所述第二转矩传感器402用于测量纵轴流滚筒5的转速；

根据本实施例，优选的，所述发电机102采用65kw/13kw型永磁同步直流电机，电动机104采用60kw/120kw型永磁同步直流电机，永磁同步直流电机具有良好的最大外特性，通过变压变频矢量控制方法实现对电机的转矩与转速控制。

根据本实施例，优选的，所述超级电容103采用8-10块48V/165F电容。

如图4所示，根据本实施例，优选的，所述切纵流脱粒装置的混合动力传动系统能量分配路线是：发动机101产生的机械能一部分用于整机的传动系统的运转，另一部分用于发电机102发电，发电机102将过剩机械能转变为电能，电能一部分经逆变器转化储存于超级电容103内，待必要时用于驱动电动机104，另一部分直接用于电动机104的驱动，电动机104将电能再转化为机械能辅助驱动传动箱204，当混合动力传动系统需求转矩小于发动机101提供的转矩，发电机102和超级电容103不放电，电动机104将传动箱204多余的机械能量转化为电能存储在超级电容103里。

驾驶员根据传感装置4提供的实时参数通过控制单元对电动机104进行控制，当切流滚筒3或纵轴流滚筒5转速提升，扭矩减小时，控制电动机104储存能量至超级电容103内；当切流滚筒3或纵轴流滚筒5转速和扭矩都正常时，电动机104处于休息状态，第一锥形齿轮第一锥形齿轮2041随第二锥形齿轮2042转动；当切流滚筒3或纵轴流滚筒5转速降低，扭矩增大时，控制电动机104辅助驱动传动装置2。

本发明的具体实施过程为：脱粒滚筒正常工作时，发动机101带动第一传动轴201转动，第一传动轴201带动切流滚筒3转动，通过传动箱204，动力继续传递到纵轴流滚筒5上，驱动纵轴流滚筒5转动。此时发动机101带动发电机102发电并将能量储存于超级电容103里，以备电动机104使用。当通过传感装置4检测到切流滚筒3或者纵轴流滚筒5转速减小时，扭矩增大，驾驶员可控制电动机104启动，电动机104驱动轴端的第一锥形齿轮2041，助力切流滚筒3或者纵轴流滚筒5的转动；当通过传感装置4检测到切流滚筒3或者纵轴流滚筒5转速增大，扭矩减小时，驾驶员控制电动机104回收能量储存至超级电容103中；当通过传感装置4检测到切流滚筒3或者纵轴流滚筒5转速和扭矩正常时，超级电容103不工作，同时此时电动机104轴端的第一锥形齿轮2041仅跟随第二锥形齿轮2042转动。

实施例2

一种收获机，包括实施例所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，因此具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。

实施例3

一种根据实施例1所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的控制方法，包括以下步骤：

如图5所示，所述传感装置4分别采集测量切流滚筒3的转速T₁、纵轴流滚筒5的转速T₂、超级电容103的荷电状态SOC值，并传递给控制单元；

所述控制单元根据切流滚筒3的转速T₁和纵轴流滚筒5的转速T₂得到混合动力传动系统需求的转矩Trq，将转矩Trq和SOC值作为模糊控制器的输入变量，通过模糊逻辑控制策略计算输出变量为系数参数K，控制单元根据K值控制发动机101、发电机102、超级电容103和电动机104的工作。

图5中n_m为电动机转速，U_C为发电机电压，U_Ce为超级电容电压，n_g为发电机转速，n_e为发动机转速，n_p为传动系统转速，T_p为控制信号输送给传动系统的转矩，T为转矩传感器所测转矩，T_e为电动机转矩。模糊控制器根据传感装置4测量所得T_rq和SOC值输出K值，经运算处理得电动机转速n_m。发动机转速n_e由控制信号输入，分别提供给传动系统转速n_p和发电机转速n_g，发电机运转得到电压U_C施加于超级电容上，超级电容施加电压U_Ce于电动机上。电动机根据输入信号传递给传动系统补充转矩T_e。

根据本实施例，优选的，所述模糊逻辑控制策略具体为：

所述模糊控制器的输入变量为系统需求转矩T_rq和超级电容SOC值，输出变量为系数参数K表示。由于输入转矩较大，引入参数T表示，T＝T_rq/600，T的论域为[0,2]，0表示转矩为0，2表示最大需求转矩；SOC的论域为[0.4,0.8]，代表超级电容工作时的上下限；K的论域为[0,2]。系统需求转矩Trq为切流滚筒3的转矩和纵轴流滚筒5的转矩之和，SOC值为超级电容的荷电状态。语言变量值均为{负大，负小，零，正小，正大}5个等级，各语言变量均采用三角隶属度函数；

根据经验，建立如下模糊股则：

当K＝2时，混合动力传动系统需求转矩大于发动机101提供的转矩，控制单元控制发电机102和超级电容103放电，电动机104运转，与发动机101共同提供系统需求的转矩；

当K＝1时，发动机101工作在最优转矩处，发电机102和超级电容103不放电，电动机104不工作；

当K＝0时，混合动力传动系统需求转矩小于发动机101提供的转矩，发电机102和超级电容103不放电，电动机104将多余的机械能量转化为电能存储在超级电容103里。

根据本实施例，优选的，所述控制单元根据以下公式计算得到电动机转速n_m：

n_m＝n_{m_min}+K·Δn,K＝0,1,2

式中，n_{m_min}为电动机104允许最小转速，Δn为电动机104转速范围分为一系列离散点的离散点等分差值。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，其特征在于，包括驱动装置(1)、传动装置(2)、切流滚筒(3)、传感装置(4)、纵轴流滚筒(5)和控制单元；

所述驱动装置(1)包括发动机(101)、发电机(102)、超级电容(103)和电动机(104)；所述发动机(101)和发电机(102)通过传动机构连接；所述电动机(104)与发电机(102)相连；超级电容(103)分别与所述电动机(104)和发电机(102)连接；所述发电机(102)、超级电容(103)和电动机(104)与发动机(101)通过传动装置(2)并联在切流滚筒(3)上；

所述传感装置(4)用于测量超级电容(103)的荷电状态SOC值、切流滚筒(3)和纵轴流滚筒(5)的转速；

所述控制单元分别与发动机(101)、发电机(102)、超级电容(103)、电动机(104)和传感装置(4)连接；

所述传动装置(2)包括第一传动轴(201)、第一双排链轮(202)、双槽皮带轮(203)、传动箱(204)和第二双排链轮(205)；

所述第一传动轴(201)的一端与发动机(101)轴端啮合；第一传动轴(201)的另一端通过第一双排链轮(202)和双槽皮带轮(203)与切流滚筒(3)主轴的一端连接；切流滚筒(3)主轴的另一端通过传动箱(204)的一端与电动机(104)的输出轴连接；传动箱(204)的另一端通过所述第二双排链轮(205)与纵轴流滚筒(5)的主轴前端连接；

所述传动箱(204)内设有第一锥形齿轮(2041)、第二锥形齿轮(2042)和第三锥形齿轮(2043)；所述第一锥形齿轮(2041)与电动机(104)的输出轴连接，第二锥形齿轮(2042)与切流滚筒(3)主轴的另一端连接，第三锥形齿轮(2043)与第二双排链轮(205)所在轴端连接；

所述第一锥形齿轮(2041)与第二锥形齿轮(2042)啮合，第二锥形齿轮(2042)与第三锥形齿轮(2043)啮合。

2.根据权利要求1所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，其特征在于，所述发电机(102)采用65kw/13kw型永磁同步直流电机。

3.根据权利要求1所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，其特征在于，所述电动机(104)采用60kw/120kw型永磁同步直流电机。

4.根据权利要求1所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统，其特征在于，所述超级电容(103)采用48V/165F电容。

5.一种收获机，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统。

6.一种根据权利要求1-4任意一项所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述传感装置(4)分别采集测量切流滚筒(3)的转速T₁、纵轴流滚筒(5)的转速T₂、超级电容(103)的荷电状态SOC值，并传递给控制单元；

所述控制单元根据切流滚筒(3)的转速T₁和纵轴流滚筒(5)的转速T₂得到混合动力传动系统需求的转矩Trq，将转矩Trq和SOC值作为模糊控制器的输入变量，通过模糊逻辑控制策略计算输出变量为系数参数K，控制单元根据K值控制发动机(101)、发电机(102)、超级电容(103)和电动机(104)的工作。

7.根据权利要求6所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的控制方法，其特征在于，所述模糊逻辑控制策略具体为：

所述K的论域为[0,2]，

当K＝2时，混合动力传动系统需求转矩大于发动机(101)提供的转矩，控制单元控制发电机(102)和超级电容(103)放电，电动机(104)运转，与发动机(101)共同提供系统需求的转矩；

当K＝1时，发动机(101)工作在最优转矩处，发电机(102)和超级电容(103)不放电，电动机(104)不工作；

当K＝0时，混合动力传动系统需求转矩小于发动机(101)提供的转矩，发电机(102)和超级电容(103)不放电，电动机(104)将多余的机械能量转化为电能存储在超级电容(103)里。

8.根据权利要求6所述的切纵流脱粒装置的混合动力传动系统的控制方法，其特征在于，所述控制单元根据以下公式计算得到电动机转速n_m：

n_m＝n_{m_min}+K·Δn,K＝0,1,2

式中，n_{m_min}为电动机(104)允许最小转速，Δn为电动机(104)转速范围分为一系列离散点的离散点等分差值。

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