羊用撒料试验台测试系统的设计

尚凤娇，李景彬，坎　杂

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　 832000)



羊用撒料试验台测试系统的设计

尚凤娇，李景彬，坎杂

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

摘要：为了解决羊用搅龙式撒料车撒料不均匀、投料效率低等问题，在维持原有工况条件下，研制开发了具有测试系统的撒料试验台。该试验台基于成型的搅龙撒料车设计的机械系统，以labwindows/CVI为开发工具，结合PLC控制技术建立了撒料试验台测试系统。试验台同步监测均匀性影响因子及其关键转动轴实时动态受力，测控系统与试验台的结合避免了传统试验与动态受力的不一致性，为后期撒料车优化设计提供了理论依据。

关键词：labwindows/CVI；PLC控制；羊用撒料车

0引言

我国羊肉产量无法满足市场需求，规模化肉羊养殖技术需要突破[1-3]。羊用撒料机械，主要应用在规模化的肉羊养殖场饲喂的撒料环节，工作时将饲料均匀抛撒在羊圈两侧,是高效提高肉羊养殖的技术；但现有的羊用撒料机械均存在撒料均匀性不足、工作效率较低等问题，寻求解决方法成了研究关键。为此，通过对国内外饲养技术的消化和吸收，研发饲喂技术取得了突破；但撒料机械性能参数、结构特性仍无法得到合理的改善。

机械测试技术是机械制造领域不可或缺的重要组成部分，测试系统可实现对运动学、动力学参数进行采集，通过试验绘制动态曲线，准确性比较高[4]。试验台机械测试系统的设计和应用高效地解决了现有机械系统存在的性能问题。刘文峰利用测试系统对秸秆粉碎机刀轴转速、含水量等对粉碎质量的影响进行了研究[5]；田韶鹏利用测试系统对汽车机械式变速器同步器性能进行了研究[6]。

为此，基于成型的羊用撒料车，结合虚拟仪器技术对撒料均匀性影响参数搭建了控制测试试验台，为机械性能参数、结构特性的研究提供了参考依据。

1撒料试验台组成和原理

1.1试验台机械系统

1.1.1试验台总体结构

为了能更真实地反映原有撒料车实际工况，料箱沿用了撒料车料箱的结构形式，不改变物料流动特性及其输送接触形式，保留料箱及料箱底部关键尺寸，真实模拟物料在料箱中的流动和受力。试验台的刮板输送装置及投料搅龙装置等机构均参照现有搅龙式撒料车原先尺寸设计，保持原有撒料车整体工作状况；试验台机械结构系统采用料箱相对皮带输送物料运动来模拟现实撒料车自走撒料。

试验台机械系统主要由箱体、挡料棍装置、拨料棍装置、刮板输送机装置、双向投料搅龙装置及带式输送机装置组成。箱体由料箱部分和箱体底部的机槽组成；挡料棍装置由挡料棍、拨齿、挡料棍电机及其附属部分组成；拨料棍装置有拨料棍、拨齿、拨料棍电机及其附属部分组成；刮板输送机装置由刮板输送机、刮板输送机电机及其附属部分组成；投料搅龙装置由双向搅龙、搅龙电机及其附属部分组成；带输送机装置由带式输送机、带式输送机电机及其附属部分组成。试验台机械系统如图1所示。

1.1.2试验台关键机构设计

刮板输送装置是基于刮板输送机原理设计而成，横铺在料箱底部机槽内，工作时在车厢机槽内循环运行，把车厢内物料刮送到车尾。由于刮料板间距影响投料均匀性，链条链节上设有多个耳朵，刮料板可通过选择不同的耳朵来调节刮料板间距，其结构如图2所示。投料搅龙采用螺旋对中设计，两端搅龙螺旋方向相反，可实现两侧对称下料；搅龙中间位置设有链轮，通过链传动带动搅龙转动，提高两侧搅龙投料一致性，其结构如图3所示。试验台机械结构系统采用的是料箱相对输送皮带运动来模拟现实撒料车自走撒料。由底座、输送带和带轮滚筒3部分组成，试验时输送带中间处放置在搅龙正下方。试验台工作时，料箱内部的物料随着刮板输送机转动，被推送到车尾部投料搅龙上，输送途中物料会受到与下方刮板输送机转向相反挡料棍的阻力及转向相同拨料棍的推力；落到投料搅龙上的物料在搅龙转动推力作用下把物料推到搅龙边缘的带式输送机上，并随着带式输送机转动输送到机尾端，其结构和位置如图4所示。为了避免物料不足给试验带来的影响，在料箱箱架装有压力传感器，以便对物料量进行监测。

1.箱体　2.挡料棍装置　3.拨料棍装置　4.刮板输送机装置

1.主动链轮　2.驱动轴　3.刮板链条　4.刮板

图3　双螺旋投料搅龙

图4　投料与皮带输送示意图

1.2信息采集系统工作原理

基于现有羊用搅龙式撒料车的结构形式及其工作方式，设计了撒料试验台。试验台以PC机作为上位机，以PLC作为下位机， PC界面是基于WindowsXP系统利用虚拟仪器软件开发工具(labwindows/CVI)编写而成的，可有效检测各个性能参数同时又可作动态显示，其原理如图5所示。

图5　信息采集系统原理框图

1.3试验台控制系统设计

搅龙式撒料车实际工作表明：其撒料均匀性和工作效率除了受物料特性及料箱内不断变化的物料质量影响外，还与搅龙转速、刮板输送机速度和刮料板间距、挡料棍转速与安装位置，以及拨料棍转速与安装位置等因素有关，为获得其影响权重及其较优参数组合，建立了如图6所示的控制系统。以PC机作为上位机，通过RS232/RS485与下位机(三菱PLC)连接通讯，对各个转速扭矩进行数据采集，并对转动中间轴进行实时扭矩动态显示，以便为后期动静力学分析时提高可靠受力数据。控制显示界面是基于WindowsXP系统利用虚拟仪器软件开发工具(labwindows/CVI)编写而成，不仅可对试验台各个影响参数进行控制、显示及对料箱物料储存进行报警显示，且可排除因物料不足带来偶然影响，进一步提高试验可靠性。

图6　控制原理框图

三菱PLC与PC机及其变频器间通讯采用是Mobus现场总线通讯。由于受三菱PLC的I/O限制，不仅对影响试验结果可行性的输送状态和料箱物料质量进行了状态显示与报警，并未对变频器的故障等状态进行显示和报警。其具体I/O分配，如图7所示。

图7　三菱PLC通讯模型与I/O分配图

1.4试验台Labwindows/CVI控制界面的设计

Labwindows/CVI控制界面主要包括主界面、测试控制界面及动态曲线显示界面。主界面主要用于系统的初始化、数据打印、界面选择以下部分及其系统自检和关机。测试控制界面主要由3部分组成：①速度控制显示区。图8中圆形表盘为速度动态显示指式且每个速度动态显示正下都对应变频调速旋钮，可根据控制需求输入或旋动按钮控制电机速度。②料箱物料质量显示区。包括料箱物料质量实时走势图及其对应当前的物料量。

图8　Labwindows/CVI控制界面

基于PC机与PLC间的R485串口通讯，利用虚拟仪器软件开发工具(labwindows/CVI)编写动态中间轴的扭矩实时输出曲线显示界面；依靠labwindows/CVI提供的串口通讯函数库，按设定的串口通讯协议，接受来自PLC的Modbus总线采集到的扭矩传感器数据，并将显示与曲线输出界面中。其中，PC机与PLC间的R485串口通讯采用多点通讯，设置数据长度为8位，停止位为1位，偶校验，传送速率为9 600b/s。其labwindows/CVI扭矩T-t动态曲线显示界面如图9所示。试验台控制系统主要实验原理如表1所示。

图9　Labwindows/CVI扭矩T-t动态曲线显示界面

名称规格变频器FR-F740-1.5K-CHT/2.2K-CHT/5.5K-CHT交流电机Y90L-4/1.5kw Y100L1-4/2.2kwY132S-4/5.5kW扭矩传感器量程:20Nm,50Nm,测量精度:0.5%Fs

续表1

2结论

1)基于WindowsXP系统利用虚拟仪器软件开发工具labwindows/CVI与PLC控制技术的结合突破了原有试验与动态受力的不一致性。

2)为了减小试验台与撒料车工作状态不一致性，本试验台采用原始结构特征及其工作状态设计而成，减小了机械机构本身的试验不精准性。

3)本试验台实时输出动态扭矩曲线，可有效地为后期撒料车优化设计提供受力数据，可进一步对撒料车的总体结构及其质量分布进行改进，并为后期验证提供了验证平台。

本试验台测控系统为羊用撒料车撒料均匀性及其结构合理性，提供了试验平台。同时，对影响撒料均匀性和投料量的可控因素进行实时测试控制，突破了以往仅从理论上对撒料车撒料均匀性的研究，从实际工况探讨了可控因素对撒料均匀性的影响因子及各因素间参数匹配的最佳投料效果，为撒料车的高性能工作参数和结构设计提供了参考。

参考文献：

[1]张莉,杜立新,李捷.我国肉羊业现状及发展对策[J].草食家畜,2014(3):1-6.

[2]张杰,王晓冬,史建新,等.浅谈新疆肉羊肉牛设施养殖装备存在的问题与发展建议[J].新疆农机化,2014(5):36-38.

[3]李捷,张艳康,苏尤力,等.新疆肉羊规模养殖与羊肉生产的发展现状分析[J].草食家畜,2013(1):1-8.

[4]宋立权,李辉.机械性能综合测试系统开发研究[J].机械与电子,2011(12):6-9.

[5]刘文峰,陈黎卿,张健美.秸秆粉碎机性能测试试验台设计[J].机械设计,2015(2):32-36.

[6]田韶鹏,陈诚.汽车机械式变速器同步器性能测试系统的研究[J].机械传动,2014(11):111-115.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0156-EA

Design of Sheep with Material Test Bench and Test System

Shang Fengjiao, Li Jingbin, Kan Za

(College of Mechanical Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：In order to solve the problems of uneven sprinkle material and low feeding efficiency of Double Helix Caesar feeding car,while maintaining the original working conditions, a Test bench with test system is established . Based on the forming of the dragon skip，the mechanical system is designed,with labwindows / CVI as the development tool combining with PLC control technology so as to simultaneously monitor uniformity factor and its real-time dynamic key rotation axis force.The testing rig is combined with the control system to avoid inconsistency of the traditional test and the dynamic force and to provide real-time dynamic force data for the latter mechanical optimization design.

Key words：labwindows / CVI; PLC control; caesar skip

文章编号：1003-188X(2016)05-0156-04

中图分类号：S237

文献标识码：A

作者简介：尚凤娇(1988-)，女，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)shangfengjiaode@163.com。通讯作者：坎杂(1963-)，男，新疆精河人，教授，硕士生导师，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金项目：国家中小型企业创新基金项目(14C26216513810)

收稿日期：2015-04-24