制种玉米去雄机抽雄部件性能测试系统设计

王锦江，王 俊，张 铁，孙 星，唐敬轩，刘立晶

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)



制种玉米去雄机抽雄部件性能测试系统设计

王锦江，王 俊，张 铁，孙 星，唐敬轩，刘立晶

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

为了模拟去雄作业过程，分析影响去雄效果的因素，对抽雄部件进行性能测试和参数优化，设计了抽雄部件性能测试系统。该系统主要由抽雄部件驱动系统、植株喂入系统、数据采集处理系统和总体控制系统等组成。试验分析表明：测试系统操作简单合理、运行平稳，结构参数和工作参数连续可调，能够模拟去雄作业过程，为抽雄部件及去雄机的开发提供了试验平台。

制种玉米；去雄机；抽雄部件；性能测试

0 引言

去雄作业作为玉米制种的关键环节，直接影响着玉米种子的质量。目前，我国的制种玉米去雄作业主要依靠人工，作业效率低，劳动强度大，生产成本高，作业条件恶劣，容易受到天气条件影响；而机械去雄作业效率高，受自然条件和人为因素影响小[1-2]。国外对抽雄部件和去雄机的研究较早，去雄机已被广泛应用，典型的机具有美国Hagie公司204SP、美国Big John公司PDF752D、法国Bourgion公司BD864等。我国对玉米去雄部件和去雄机的研究起步较晚，研究多集中于底盘液压传动系统及雄穗识别方法、仿形自动控制系统、去雄部件等领域，而对去雄部件性能测试系统的设计研究鲜见报道[3-5]。

由于抽雄部件的性能好坏直接影响到去雄效果，为了模拟去雄作业过程，分析影响去雄效果的因素，缩短产品研发周期，设计了抽雄部件性能测试系统，旨在为抽雄部件性能测试和参数优化提供试验平台。

1 结构与工作原理

本文采用抽雄部件固定、玉米植株运动的总体架构进行测试系统设计。抽雄部件性能测试系统主要由抽雄部件驱动系统、玉米植株喂入系统、数据采集处理系统和总体控制系统组成，如图1所示。

1.机架 2.高度调整架 3.抽雄部件 4.速度传感器 5.主动轴 6.输送链驱动电机 7.主动链轮及链条 8.夹具 9.从动链轮 10.计算机 11.控制柜 12.抽雄部件驱动电机 13.调节丝杠 14.转速转矩仪 15.支撑座 16.万向传动轴图1 抽雄部件性能测试系统结构简图Fig.1 Structure diagram of performance testing system for

tassel-removal components

试验时，将制种玉米母本植株样本从抽雄部件后端开始按种植行距要求有序夹装到夹具上，接通控制系统总电源，开启数据采集系统；启动抽雄部件驱动电机，使抽雄部件主动轴工作在设定的转速下；待抽雄部件转速稳定后，启动输送链驱动电机和数据采集程序；待所有母本植株样本完成去雄作业后，保存所采集数据，关闭输送链驱动电机和抽雄部件驱动电机；人工观察并记录抽雄结果，一次试验流程完毕[6-11]。

2 关键部件设计

2.1 抽雄部件驱动系统

抽雄部件驱动系统为抽雄部件提供动力，并可连续调节其旋转速度、采集驱动系统转矩。为了保证抽雄部件的转速调节范围，采用变频电动机+变频器的交流调速方式。由于抽雄部件作业时相对水平面成倾斜布置，而且倾斜角度还可调节，所以在传动系统末端采用万向传动轴连接。抽雄部件驱动系统结构简图如图2所示，包括转速转矩仪、支撑座、连接耳板及固定底座等部件。

1.变频电动机 2.转速转矩仪 3.支撑座 4.高度调整架 5.万向传动轴 6.连接耳板 7.抽雄部件图2 抽雄部件驱动系统结构简图Fig.2 Structure diagram of driving system for tassel-removal components

2.1.1 电动机选型

根据负载的需求，变频电动机能在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩。本文选用变频电动机额定转速为960r/min，电动机功率为1.5kW。

2.1.2 转速转矩仪选型

转矩转速传感器安装于变频电动机和支撑座之间，传递动力的同时进行转速和负载扭矩的信号采集。本文选用北京三晶创业科技集团有限公司JN338-A系列直连式转矩转速仪(扭矩量程0～50N·m，转速量程0～6 000r/min，精度0.2%FS)。该传感器采用光电码盘和应变电测技术，可测量正反向扭矩，稳定性好，抗干扰强。

2.1.3 连接部件设计

如图2所示：抽雄部件通过连接耳板和U型卡固定在高度调整架上，抽雄部件与连接耳板间角度可调；为了减少负载对转速转矩仪的冲击，在转速转矩仪与负载间设计了支撑座，支撑座与抽雄部件间通过万向传动轴连接。

2.2 植株喂入系统

2.2.1 植株喂入系统构成

植株喂入系统将玉米植株有序喂入抽雄部件进行去雄作业，要求能够连续调节喂入速度并且在玉米植株进入抽雄部件前速度应稳定在设定数值。植株喂入系统主要由机架、电动机、主动轮、从动轮、输送链、夹具、张紧装置、防脱装置和测速装置等组成，如图3所示。

1.从动轮 2.测速装置 3.防脱装置 4.张紧装置 5.输送链 6.主动轮 7.电动机 8.夹具图3 植株喂入系统结构简图Fig.3 Structure diagram of plant feeding system

2.2.2 输送链设计

为了使测试装置结构紧凑，减少占地空间，将夹持输送系统设计为回形结构。试验时，需使玉米植株在运动过程中保持竖直状态，并且在喂入前需保持一段直线距离，因此设计了上、下两条带附板输送链，输送链间通过夹具连接在一起，减少了玉米植株运动过程的颤动、摇晃等现象的发生；同时，将回形结构设计为六边形，既增加了输送系统的直线段长度，又减少了玉米植株运动至拐角处时由于惯性导致的左右摇摆现象，提高输送的稳定性和可靠性。根据玉米植株秸秆特征和输送速度要求，为使传动平稳，本文选用滚子链(链号16A，节距25.4mm)，并在夹持输送系统中设计了张紧装置和防脱装置，便于输送链的安装，避免在玉米植株输送过程中发生链条脱落的现象。

2.2.3 夹具设计

为了防止玉米植株在输送和抽雄过程中与夹持输送系统发生相对滑移，设计的夹具主要由固定板和C型夹组成，如图4所示。C型夹可夹持不同秸秆直径大小的玉米植株，在C型夹内部表面设计了有防滑花纹的橡胶内衬，增加了接触面积和摩擦力。在夹具上下设计两个C型夹，增强了夹具的夹持能力。

1.C型夹 2.橡胶内衬 3.固定板图4 夹具三维模型Fig.4 The 3-D model of fixture

2.2.4 传动设计

根据输送速度连续调节的要求，结合在植株喂入过程中玉米植株运动需经历启动—加速—恒速—减速—停止的过程，采用变频电动机+变频器的交流调速方式，利用变频器的设置达到植株运动的要求。考虑植株喂入系统的负载主要来自夹持输送系统的运动，选用电动机功率为1.1kW，额定转速n=1 400r/min；根据输送速度要求，为了增加电动机输出扭矩，在电动机与主动轴间设置了涡轮蜗杆减速机，传动比i为6.80；根据所选输送链型号和植株喂入系统整体结构，设计主动轮齿数Z为16，则植株喂入速度v(单位：km/h)可以表示为

(1)

式中kH—频率转换系数；

p—节距(mm)。

2.2.5 测速装置

在变频调节植株喂入速度时，为了获取植株喂入的准确速度，设计了测速装置。植株喂入系统在运动过程中难免会发生链条跳动的现象，为保证被测速度的准确性，采用接触式测速传感器测量主动轴旋转速度，经换算后获得植株喂入速度。本文选用旋转式编码器作为测速传感器(型号为欧姆龙E6B2-CWZ6C，分辨率500P/R),则式(1)可以表示为

(2)

式中Pt—单位时间内脉冲数(个/s)。

2.3 数据采集处理系统

数据采集处理系统采集转速转矩仪和旋转编码器的信号，经分析处理，将有关参数显示在测试系统界面上，并绘制功率随时间变化的曲线，记录测试数据。数据采集处理系统结构简图如图5所示，测试界面如图6所示。

图5 数据采集处理系统结构简图Fig.5 Structure diagram of data acquisition and processing system

为了减少变频调速系统和外界对传感器信号的干扰，便于抽雄机构转速调整和观察，系统通过二次仪表来读取转速转矩仪信号，PLC控制器采集二次仪表输出信号和旋转编码器信号。根据被采集信号的特点，PLC选用台达公司生产的DVP-SS2主机，并扩展1块DVP04AD-S2输入模块。该PLC采用32位CPU，程序容量为8k，包含8点数字输入和6点脉冲输出，兼容标准MODBUS ASCII/RTU 通讯协议，支持PLCLink 功能，内置RS232与RS485通讯端口，可与计算机连接。

图6 数据采集处理界面Fig.6 Interface of data acquisition and processing

本系统采用“上位机+PLC”的双层数据处理结构。作为底层的PLC采集扭矩、转速、拉力等试验参数，并将其转换为数字信号后传输给上位机进行数据后处理；上位机采用Visual Basic 2010开发，采用COM组件技术与PLC、OFFICE进行数据交互，直观展示试验设备当前功率、线速度、等参数的变化情况，用于观察试验设备在不同工况下的工作性能，且可将本次试验数据导出到Excel表格中进行保存，用于试验后期的数据对比分析。

2.4 总体控制系统

总体控制系统主要包括控制柜和计算机。控制柜用来控制各系统硬件的动作，计算机用来控制软件的执行(数据的采集、停止以及试验结果的查询等)。根据抽雄部件驱动系统和植株喂入系统中设计的驱动方式，以及所选用PLC和传感器的技术参数，设计控制系统电路图如图7所示。

控制系统中共采用了两台变频器。变频器整流过程中会产生大量的高次谐波，这些高次谐波会通过与变频器输入端连接的电源线进入到电网中，进而影响传感器和PLC控制器的正常工作，为了减少变频器对数据采集系统的干扰，在变频器与电源间设置了专用输入滤波器，也避免了变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、过流、欠压、过载、过热等现象。

3 测试系统技术规格和主要性能指标

为了适应不同制种玉米品种的试验要求，研制的抽雄部件性能测试系统除植株喂入速度和抽雄部件转速可调外，抽雄部件空间位置(纵向、横向、角度等)也可以进行调节，其技术规格和主要性能指标如表1所示。

图7 控制系统电路图Fig.7 Circuit diagram of control system表1 测试系统技术规格和主要性能指标Table 1 Testing systems technical specifications and key performance indicators

序号项目单位规格及性能指标备注1外形尺寸mm3050×2500×30002植株喂入速度调节范围km/h2～83抽雄部件转速调节范围r/min200～10004抽雄部件垂直调节范围mm1400～1950离地面5抽雄部件纵向调节范围mm0～2006抽雄部件角度调节范围度20～40与水平面夹角7一次最多试验株数株118被测植株直径范围mm12～25节根以上部位9植株株距mm≥10025的倍数

4 去雄试验

测试系统装配、调试完成后，进行去雄试验。试验时，首先根据玉米植株高度调节抽雄部件值合适位置，将玉米植株按相同高度(顶部叶尖齐)和株距(20cm)有序夹装到测试系统上，如图8所示。

启动抽雄部件驱动系统，通过变频器调节抽雄部件主动轴转速至设置值(可通过二次仪表或数据采集界面观察)，然后开启植株喂入系统(设定速度为6km/h)，观测测试系统运行情况和去雄作业效果。试验效果如图9所示。

图8 玉米植株固定在测试装置上Fig.8 Corn plants fixed on the testing system

图9 试验后效果Fig.9 The result of detasseling

经观察，测试系统能够有效模拟去雄作业情况；整个系统运行平稳，除链条传动产生噪音外，无链条脱落等异常情况；工况调节比较方便、可靠，能在设定范围内实现连续可调；试验后，玉米植株仍牢牢固定在夹具上，无松动现象，表明在去雄过程中植株茎秆与夹具间无滑动。

5 结论

1) 本文设计的抽雄部件性能测试系统能够实现抽雄部件结构参数(充气压力、中心距等)和工作参数(转速、倾角等)的连续调节，能够模拟去雄作业过程，排除玉米植株整齐度因素对抽雄部件性能的影响。

2) 采用以PLC为处理单元的数据采集处理系统，能够精确采集数据；采用VB开发的操作界面，功能设计合理、操作方便。

3) 从试验结果和测试系统技术参数看，测试系统适应范围广，可用于多种品种母本植株和抽雄部件性能试验，能够满足抽雄部件性能测试和参数优化的需要。

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Design on Testing System for Tassel-Removal Component Performance in Seed Corn Detasseling Machine

Wang Jinjiang, Wang Jun, Zhang Tie, Sun Xing, Tang Jingxuan, Liu Lijing

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

In order to simulate the process of detasseling operations, analysis of factors affecting the emasculation effects,testing performance and optimization parameters of tassel-removal component, a testing system of extraction tassel-removal component is designed. The system consisted of driving system for the detasseling components, corn plant feeding system, data collection and analysis system, and central controling system, etc.The experiments show that the test system operation is simple,reasonable and stable，structural parameters and operating parameters is continuously adjustable，the process of detasseling operations can be simulated，provide a test platform for the development of tassel-removal components and detsseling machine.

seed corn; detasseling machine; extraction tassel-removal component; performance test

2016-05-04

公益性行业(农业)科研专项(201203052)；国家国际科技合作专项(2013DFA31560)

王锦江(1980-),男，山西介休人，博士研究生，(E-mail)lazio320@163.com。

刘立晶(1976-)，女，黑龙江安庆人，研究员，博士生导师，(E-mail)xyliulj@sina.com。

S224；S237

A

1003-188X(2017)06-0106-05