CN114847010B - 一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置与方法，包括设置在传动胶带上方的热红外温度传感器与超声波传感器，温度传感器测量到的传动胶带表面温度，超声波传感器测量到的传动胶带上下跳动，显示控制系统基于传动胶带表面温度和/或上下跳动经过控制模型运算后，输出控制量来驱动伺服电动缸的丝杆作伸缩运动，并传递至张紧轮，从而带动张紧轮作上下运动，最终实现对传动胶带张紧度的自动调节。本发明通过改变传动带的张紧或放松，有效保证联合收获机的作业质量。

Description

一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置与方法
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置与方法。
背景技术
我国是一个农业大国，农业装备机械数量非常巨大，对农业机械作业效率要求非常高。联合收获机，作为农业装备机械的重要组成之一，目前大致可以分为全喂入式和半喂入式两大类，两类联合收获机结构和工作原理不同，但各自都具备自己的优势。然而，作为传统的全喂入式联合收获机，在工作过程中，经常出现带传动装置中传动带松动脱落和过度张紧导致皮带温度过高而老化的问题，究其原因是因为，相关基础理论研究不深入，亟待对传动带张紧装置开展深入的研究，为提高联合收获机作业性能提供技术支持。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置与方法，对解决传动带工作问题，提高联合收获机工作性能具有重要意义。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置，包括通过传动胶带连接的主动轮和从动轮，所述传动胶带依靠张紧轮进行张紧，所述传动胶带上方安装有热红外温度传感器与超声波传感器；所述张紧轮通过张紧弹簧与弹簧连接杆下端连接，弹簧连接杆上端通过一对呈中心对称分布的鱼眼轴承与伺服电动缸的丝杆，所述伺服电动缸的丝杆与位移传感器的拉杆相连。
上述技术方案，一对鱼眼轴承通过连接轴相连，所述连接轴外侧分别安装有止推环。
上述技术方案，所述伺服电动缸的丝杆与位移传感器的拉杆通过连接片连接。
上述技术方案，所述主动轮上安装有霍尔传感器，所述从动轮安装有扭矩传感器。
上述技术方案，所述温度传感器、超声波传感器、位移传感器、伺服电动缸、霍尔传感器、扭矩传感器的信号线与显示控制系统相连。
一种联合收获机传动带张紧度自动调节方法，显示控制系统基于传动胶带表面温度值和/或上下跳动变化，经过控制模型运算后，输出控制量来驱动伺服电动缸的丝杆作伸缩运动，并传递至张紧轮，从而带动张紧轮作上下运动，最终实现对传动胶带张紧度的自动调节。
进一步地，由传动胶带表面温度变化来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立温度变化量△T1与张紧度变化量△D1之间的关系模型：△D1＝f(△T1)；
2)建立伺服电动缸的丝杆伸长量L1与张紧度D1之间的数学模型：D1＝f(L1)，其中张紧度D1根据张紧度变量△D1获取；
3)建立伺服电动缸的丝杆伸长量L1与伺服电功缸的输入脉冲数U1间的数学模型：U1＝L1*N1/h1，其中h1为伺服电功缸的丝杆螺距，N1为伺服电动缸每前进或回缩一个螺距的长度所需的脉冲数；
4)建立传动胶带表面温度与张紧度D1之间的系统辨识模型：T(t+1)＝α1T(t)+K1D1，其中T(t)为传动胶带表面温度的当前值，T(t+1)为下一个时刻传动胶带表面温度预测值，α1为常数，K1为模型参数；
5)计算T(t+1)与传动胶带表面温度设定值T01之间的差值：△T1＝T(t+1)-T01；
6)根据5)中的△T1，依次通过△D1＝f(△T1)、D1＝f(L1)和U1＝L1*N1/h1，得到输入脉冲数U1，调节伺服电动缸的丝杆伸长量，进而实现传动胶带的张紧或放松。
进一步地，由传动胶带上下跳动变化来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立跳动变化量△E1与张紧度变化量△D2之间的关系模型：△D2＝f(△E1)；
2)建立伺服电动缸的丝杆伸长量L2与张紧度D2之间的数学模型：D2＝f(L2)，其中张紧度D2根据张紧度变量△D2获取；
3)建立伺服电动缸丝杆的伸长量L2与伺服电功缸的输入脉冲数U2间的数学模型：U2＝L2*N2/h，其中，h2为伺服电功缸的丝杆螺距，N2为伺服电动缸每前进或回缩一个螺距的长度所需的脉冲数；
4)建立传动胶带的上下跳动量与张紧度D2之间的系统辨识模型：E(t+1)＝α2E(t)+K2D2，其中，T(t)为传动胶带上下跳动量的当前值，E(t+1)为下一个时刻传动胶带上下跳动量的预测值，α2为常数，K2为模型参数；
5)计算下一时刻传动胶带上下跳动量预测值与传动胶带跳动量设定值E01之间的差值：△E1＝E(t+1)-E01；
6)根据5)中的△E1，依次通过△D2＝f(△E1)、D2＝f(L2)和U2＝L2*N2/h，得到输入脉冲数U2，调节伺服电动缸的丝杆伸长量，进而实现传动胶带的张紧或放松。
进一步地，由传动胶带上下跳动量和表面温度来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立跳动变化量△E2、温度变化量△T2与张紧度增量△D3之间的关系模型：△D3＝f(△E2，△T2)；
2)建立伺服电动缸丝杆的伸长量L3与张紧度D3之间的数学模型：D3＝f(L3)，其中张紧度D3根据张紧度变化量△D3获取；
3)建立伺服电动缸丝杆的伸长量L3与伺服电功缸的输入脉冲数U3间的数学模型：U3＝L3*N3/h3，其中，h3为伺服电功缸丝杆的螺距，N3为伺服电动缸每前进或回缩一个螺距的距离所需的脉冲数；
4)计算当前时刻传动胶带温度测量值T(t)、跳动量测量值E(t)分别与设定值T02和E02之间的差值：△T3＝T(t)-T02、△E3＝E(t)-E02；
5)根据4)中的△T3、△E3，依次通过△D3＝f(△E2，△T2)、D3＝f(L3)和U3＝L3*N3/h3，得到输入脉冲数U3，调节伺服电动缸的丝杆伸长量，进而实现传动胶带的张紧或放松。
进一步地，当主动轮转速小于等于100r/min时，利用所述控制模型运算，调节伺服电动缸的丝杆伸长量，直至传动胶带放松至极限状态；当从动轮扭矩大于等于100N/m时，利用所述述控制模型运算，调节伺服电动缸的丝杆伸长量，直至传动胶带放松至极限状态。
本发明的有益效果为：本发明中温度传感器和超声波传感器安装在传动胶带上方，通过温度传感器测量到的传动胶带表面温度和超声波传感器测量到的传动胶带上下跳动，显示控制系统基于传动胶带表面温度和/或上下跳动经过控制模型运算后，输出控制量来驱动伺服电动缸的丝杆作伸缩运动，并传递至张紧轮，从而带动张紧轮作上下运动，最终实现对传动胶带张紧度的自动调节。本发明对于联合收获机传动带张紧装置的研发、提高传动带工作的稳定性、保证联合收获机作业质量有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述联合收获机传动带张紧度自动调节装置结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图中：1-机架；2-从动轮；3-传动胶带；4-热红外温度传感器；5-超声波传感器；6-六角螺母一；7-位移传感器；8-伺服电动缸；9-六角螺母二；10-连接片；11-鱼眼轴承；12-螺钉；13-止推环；14-连接轴；15-弹簧连接杆；16-平键；17-传动轴；18-霍尔传感器；19-主动轮；20-张紧轮；21-张紧弹簧；22-扭矩传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种联合收获机传动带张紧度自动调节装置包括机架1、从动轮2、传动胶带3、热红外温度传感器4、超声波传感器5、六角螺母一6、位移传感器7、伺服电动缸8、六角螺母二9、连接片10、鱼眼轴承11、螺钉12、止推环13、连接轴14、弹簧连接杆15、平键16、传动轴17、霍尔传感器18、主动轮19、张紧轮20、张紧弹簧21、扭矩传感器22和显示控制系统。
主动轮19与从动轮2均安装在机架1上，主动轮19通过平键16与传动轴17相连，传动轴17与外部动力源连接，主动轮19获取输入动力，主动轮19和从动轮2之间通过传动胶带3连接，传动胶带3依靠张紧轮20进行张紧，张紧轮20固定在机架1上；传动胶带3上方安装有热红外温度传感器4与超声波传感器5；位移传感器7与伺服电动缸8均固定在机架1上，且位移传感器7的拉杆与伺服电动缸8的丝杆之间通过连接片10相连，位移传感器7的拉杆与连接片10之间通过两个六角螺母一6固定，伺服电动缸8的丝杆与连接片10之间通过鱼眼轴承11与六角螺母二9固定；靠近主动轮19还设有一个鱼眼轴承11，两鱼眼轴承11呈中心对称分布，两鱼眼轴承11之间通过连接轴14相连，连接轴14上在鱼眼轴承11外侧分别安装有止推环13以防止滑动，止推环13与连接轴14之间通过螺钉12固定；张紧轮20上安装有张紧弹簧21，起到缓冲减震的作用，张紧弹簧21上端与弹簧连接杆15下端相连，弹簧连接杆15上端与靠近主动轮19的鱼眼轴承11下端通过螺纹连接；霍尔传感器18安装在主动轮19上，霍尔传感器18用于检测主动轮19的转速，扭矩传感器22安装在从动轮2上，扭矩传感器22用于测量从动轮2的扭矩；温度传感器4、超声波传感器5、位移传感器7、伺服电动缸8、霍尔传感器18、扭矩传感器22的信号线与显示控制系统相连。
位移传感器7的拉杆在0-200mm的范围内移动，装置处于初始位置时，位移传感器7显示拉杆位于100mm位移处，伺服电动缸8的丝杆相对于初始位置，沿运动方向在上下100mm的范围内调节。张紧轮20相对于初始位置，沿张紧方向在上下100mm的范围内调节。
工作过程中，霍尔传感器18用于检测主动轮19的转速，扭矩传感器22用于测量从动轮2的扭矩，热红外温度传感器4用于测量传动胶带3的表面温度值，超声波传感器5用于检测传动胶带3的上下跳动变化，将各传感器采集的信号传递到显示控制系统，工作过程中显示控制系统基于传动胶带3表面温度值、上下跳动变化，经过控制模型运算后，输出控制量来驱动伺服电动缸8的丝杆作伸缩运动，通过位移传感器7采集的数据，显示控制系统精确控制伺服电动缸8的丝杆运动位移量，而伺服电动缸8的丝杆伸缩运动依次经过鱼眼轴承对11、弹簧连接杆15和张紧弹簧21传递至张紧轮20，从而带动张紧轮20作上下运动，最终实现对传动胶带3张紧度的自动调节。
①由传动胶带3表面温度变化来调节张紧度的控制模型运算过程如下：
S1，在大功率疲劳试验台上进行传动胶带3模拟加载试验，以传动胶带3张紧度为变量(通过张紧轮20改变)，热红外温度传感器4获取传动胶带3稳态运转过程中其表面温度T变化规律，并建立温度变化量△T1与张紧度变化量△D1之间的关系模型如式(1)所示：
△D1＝f(△T1) (1)
S2，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L1与张紧度D1之间的数学模型，如式(2)所示：
D1＝f(L1) (2)
其中张紧度D1根据张紧度变化量△D1获取(为现有技术)；
S3，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L1与伺服电功缸8的输入脉冲数U1间的数学模型：
U1＝L1*N1/h1 (3)
其中，h1为伺服电功缸8丝杆的螺距，N1为伺服电动缸8每前进或回缩一个螺距的距离所需的脉冲数；
S4，建立传动胶带3表面温度与张紧度D1之间的系统辨识模型，如下式：
T(t+1)＝α1T(t)+K1D1 (4)
其中，T(t)为传动胶带3表面温度的当前值(热红外温度传感器4测量值)，T(t+1)为下一个时刻传动胶带3表面温度预测值，α1为常数，K1为模型参数(通过数据拟合得到)；
S5，计算下一时刻传动胶带3表面温度预测值与传动胶带3表面温度设定值T01之间的差值，计算方法如下式所示：
△T1＝T(t+1)-T01 (5)
S6，根据温度差值△T1，通过式(1)、式(2)和式(3)计算并作用于显示控制系统输出调节伺服电功缸8的输入脉冲数U1来调节伺服电动缸8丝杆的伸长量，进而实现传动胶带3的张紧或放松。
②以传动胶带3上下跳动变化来调节张紧度的控制模型运算过程如下：
S1，在大功率疲劳试验台上进行传动胶带3模拟加载试验，以传动胶带3张紧度为变量，超声波传感器5获取传动胶带3稳态运转过程中上下跳动变化规律，并建立跳动变化量△E1与张紧度变化量△D2之间的关系模型如式(6)所示：
△D2＝f(△E1) (6)
S2，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L2与张紧度D2之间的数学模型，如式(7)所示：
D2＝f(L2) (7)
其中张紧度D2根据张紧度变化量△D2获取(为现有技术)；
S3，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L2与伺服电功缸8的输入脉冲数U2间的数学模型：
U2＝L2*N2/h2 (8)
其中，h2为伺服电功缸8丝杆的螺距，N2为伺服电动缸8每前进或回缩一个螺距的距离所需的脉冲数；
S4，建立传动胶带3的上下跳动量与张紧度D2之间的系统辨识模型，如下式：
E(t+1)＝α2 E(t)+K2D2 (9)
其中，T(t)为传动胶带3上下跳动量的当前值(超声波传感器5测量值)，E(t+1)为下一个时刻传动胶带3上下跳动量的预测值，α2为常数，K2为模型参数；
S5，计算下一时刻传动胶带3上下跳动量预测值与传动胶带3跳动量设定值E01之间的差值，计算方法如下式所示：
△E1＝E(t+1)-E01 (10)
S6，根据跳动量差值△E1，通过式(6)、式(7)和式(8)计算并作用于显示控制系统输出调节伺服电功缸8的输入脉冲数U来调节伺服电动缸8丝杆的伸长量，进而实现传动胶带3的张紧或放松。
③以传动胶带3上下跳动量和表面温度来调节张紧度的控制模型运算过程如下：
S1，在大功率疲劳试验台上进行传动胶带3模拟加载试验，以传动胶带3张紧度为变量，分别用超声波传感器5获取传动胶带3稳态运转过程中上下跳动变化、热红外温度传感器4获取传动胶带3稳态运转过程中胶带表面温度T变化规律，并建立跳动变化量△E2、温度变化量△T2与张紧度变化量△D3之间的关系模型如式(11)所示：
△D3＝f(△E2，△T2) (11)
S2，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L3与张紧度D3之间的数学模型，如式(12)所示：
D3＝f(L3) (12)
其中张紧度D3根据张紧度变化量△D3获取(为现有技术)；
S3，建立伺服电动缸8丝杆的伸长量L3与伺服电功缸8的输入脉冲数U3间的数学模型：
U3＝L3*N3/h3 (13)
其中，h3为伺服电功缸8丝杆的螺距，N3为伺服电动缸8每前进或回缩一个螺距的距离所需的脉冲数；
S4，计算当前时刻传动胶带3温度测量值T(t)、跳动量测量值E(t)分别与设定值T02和E02之间的差值，计算方法如下式所示：
△T3＝T(t)-T02 (14)
△E3＝E(t)-E02 (15)
S5，根据温度差值△T3、跳动量差值△E3，通过式(11)、式(12)和式(13)计算并作用于显示控制系统输出调节伺服电功缸8的输入脉冲数U来调节伺服电动缸8丝杆的伸长量，进而实现传动胶带3的张紧或放松。
其中霍尔传感器18检测到主动轮19转速小于等于100r/min时，利用上述控制模型运算，调节伺服电动缸8丝杆的伸长量，直至传动胶带3放松至极限；扭矩传感器22测量到从动轮2扭矩大于等于100N/m时，利用上述控制模型运算，调节伺服电动缸8丝杆的伸长量，直至传动胶带3放松至极限。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，所述联合收获机传动带张紧度自动调节方法基于联合收获机传动带张紧度自动调节装置实现，所述联合收获机传动带张紧度自动调节装置包括通过传动胶带(3)连接的主动轮(19)和从动轮(2)，所述传动胶带(3)依靠张紧轮(20)进行张紧，所述传动胶带(3)上方安装有热红外温度传感器(4)与超声波传感器(5)；所述张紧轮(20)通过张紧弹簧(21)与弹簧连接杆(15)下端连接，弹簧连接杆(15)上端通过一对呈中心对称分布的鱼眼轴承(11)与伺服电动缸(8)的丝杆连接，所述伺服电动缸(8)的丝杆与位移传感器(7)的拉杆相连；
所述联合收获机传动带张紧度自动调节方法具体为：
显示控制系统基于传动胶带(3)表面温度值和上下跳动变化，经过控制模型运算后，输出控制量来驱动伺服电动缸(8)的丝杆作伸缩运动，并传递至张紧轮(20)，从而带动张紧轮(20)作上下运动，最终实现对传动胶带(3)张紧度的自动调节；
由传动胶带(3)表面温度变化来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立温度变化量△T1与张紧度变化量△D1之间的关系模型：△D1＝f(△T1)；
2)建立伺服电动缸(8)的丝杆伸长量L1与张紧度D1之间的数学模型：D1＝f(L1)，其中张紧度D1根据张紧度变量△D1获取；
3)建立伺服电动缸(8)的丝杆伸长量L1与伺服电动缸(8)的输入脉冲数U1间的数学模型：U1＝L1*N1/h1，其中h1为伺服电动缸(8)的丝杆螺距，N1为伺服电动缸(8)每前进或回缩一个螺距的长度所需的脉冲数；
4)建立传动胶带(3)表面温度与张紧度D1之间的系统辨识模型：T(t+1)＝α1T(t)+K1D1，其中T(t)为传动胶带(3)表面温度的当前值，T(t+1)为下一个时刻传动胶带(3)表面温度预测值，α1为常数，K1为模型参数；
5)计算T(t+1)与传动胶带(3)表面温度设定值T01之间的差值：△T1＝T(t+1)-T01；
6)根据5)中的△T1，依次通过△D1＝f(△T1)、D1＝f(L1)和U1＝L1*N1/h1，得到输入脉冲数U1，调节伺服电动缸(8)的丝杆伸长量，进而实现传动胶带(3)的张紧或放松；
由传动胶带(3)上下跳动变化来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立跳动变化量△E1与张紧度变化量△D2之间的关系模型：△D2＝f(△E1)；
2)建立伺服电动缸(8)的丝杆伸长量L2与张紧度D2之间的数学模型：D2＝f(L2)，其中张紧度D2根据张紧度变量△D2获取；
3)建立伺服电动缸(8)丝杆的伸长量L2与伺服电动缸(8)的输入脉冲数U2间的数学模型：U2＝L2*N2/h，其中，h2为伺服电动缸(8)的丝杆螺距，N2为伺服电动缸(8)每前进或回缩一个螺距的长度所需的脉冲数；
4)建立传动胶带(3)的上下跳动量与张紧度D2之间的系统辨识模型：E(t+1)＝α2E(t)+K2D2，其中，T(t)为传动胶带(3)上下跳动量的当前值，E(t+1)为下一个时刻传动胶带(3)上下跳动量的预测值，α2为常数，K2为模型参数；
5)计算下一时刻传动胶带(3)上下跳动量预测值与传动胶带(3)跳动量设定值E01之间的差值：△E1＝E(t+1)-E01；
6)根据5)中的△E1，依次通过△D2＝f(△E1)、D2＝f(L2)和U2＝L2*N2/h，得到输入脉冲数U2，调节伺服电动缸(8)的丝杆伸长量，进而实现传动胶带(3)的张紧或放松；
由传动胶带(3)上下跳动量和表面温度来调节张紧度的控制模型运算过程为：
1)建立跳动变化量△E2、温度变化量△T2与张紧度增量△D3之间的关系模型：△D3＝f(△E2，△T2)；
2)建立伺服电动缸(8)的丝杆伸长量L3与张紧度D3之间的数学模型：D3＝f(L3)，其中张紧度D3根据张紧度变化量△D3获取；
3)建立伺服电动缸(8)的丝杆伸长量L3与伺服电动缸(8)的输入脉冲数U3间的数学模型：U3＝L3*N3/h3，其中，h3为伺服电动缸(8)丝杆的螺距，N3为伺服电动缸(8)每前进或回缩一个螺距的距离所需的脉冲数；
4)计算当前时刻传动胶带(3)温度测量值T(t)、跳动量测量值E(t)分别与设定值T02和E02之间的差值：△T3＝T(t)-T02、△E3＝E(t)-E02；
5)根据4)中的△T3、△E3，依次通过△D3＝f(△E2，△T2)、D3＝f(L3)和U3＝L3*N3/h3，得到输入脉冲数U3，调节伺服电动缸(8)的丝杆伸长量，进而实现传动胶带(3)的张紧或放松。
2.根据权利要求1所述的联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，当主动轮(19)转速小于等于100r/min时，利用所述控制模型运算，调节伺服电动缸(8)的丝杆伸长量，直至传动胶带(3)放松至极限状态；当从动轮(2)扭矩大于等于100N/m时，利用所述述控制模型运算，调节伺服电动缸(8)的丝杆伸长量，直至传动胶带(3)放松至极限状态。
3.根据权利要求1所述的联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，一对鱼眼轴承(11)通过连接轴(14)相连，所述连接轴(14)外侧分别安装有止推环(13)。
4.根据权利要求1所述的联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，所述伺服电动缸(8)的丝杆与位移传感器(7)的拉杆通过连接片(10)连接。
5.根据权利要求1所述的联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，所述主动轮(19)上安装有霍尔传感器(18)，所述从动轮(2)安装有扭矩传感器(22)。
6.根据权利要求5所述的联合收获机传动带张紧度自动调节方法，其特征在于，所述温度传感器(4)、超声波传感器(5)、位移传感器(7)、伺服电动缸(8)、霍尔传感器(18)、扭矩传感器(22)的信号线与显示控制系统相连。
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