9YGQ-1300圆捆机喂料口开度自动控制装置

黄贺东，赵 湛，尹建军，田春杰

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

我国农作物秸秆资源丰富，每年可生产6 亿t多的农作物秸秆。但是,秸秆的利用率较低，大量的秸秆被丢弃或焚烧，造成严重的浪费和环境污染。造成利用率低的主要原因是秸秆比较松散，堆积密度小，收集、运输都比较困难。实验研究表明：秸秆经过打捆机压缩成型后平均密度增大10倍，存储空间减少90%，运输成本降低70%[1-2]。

圆捆机可以将经过切割和晾晒后的稻、麦等农作物秸秆或牧草捡拾后压成高密度的草捆，是收获秸秆和牧草的重要机具。按照打捆原理的不同，圆捆机主要分为内缠绕式和外缠绕式两大类，内缠绕式以长胶带式为主，外缠绕式以短胶带式和钢辊式两种为主[3]。目前，国内普遍使用适合国情的外缠绕钢辊式圆捆机，优点是卷制的草捆外紧内松，易于通风干燥，不易霉烂[4]，缺点是容易堵塞。

为了解决钢辊式圆捆机喂料口堵塞问题，国内企业纷纷采用螺旋喂料刀辊[5-7]，它将捡拾器捡起来的物料预压缩并强行抛入成型室，促使草捆密度分布均匀，在一定程度上提高了圆捆机的喂入性能。为进一步提高其喂入性能，降低堵塞发生率，本文对9YGQ-1300钢辊式圆捆机的喂料装置进行改进，设计了喂料口开度自动控制装置，为实现在工作过程中根据喂料负荷大小反馈控制喂料口开度提供了支持。

1 9YGQ-1300型圆捆机工作过程

9YGQ-1300钢辊式圆捆机的结构如图1所示。拖拉机通过悬挂装置牵引圆捆机前进，并为圆捆机提供液压动力。拖拉机动力输出轴通过万向节传动轴、齿轮箱把动力传给圆捆机主轴，圆捆机主轴通过链条分别带动辊筒、喂料刀辊、缠网机构、绞龙和捡拾器工作。

1.万向节传动轴 2.牵引装置千斤顶 3.平台梯子 4.缠网机构 5.润滑装置 6.滚筒润滑嘴 7.辊筒 8.尾门 9.卸草架 10.下颚板 11.捡拾器 12.仿形轮

工作过程中，随着喂料刀辊喂入的物料增多，成型室内草捆逐渐变大，草捆对尾门的压力也逐渐增大。当草捆成型后，圆捆机自动完成草捆缠网、割断网绳。缠网结束后，驾驶员控制拖拉机换向阀来驱动尾门油缸顶开尾门，草捆从卸草架滚落。驾驶员控制换向阀关闭尾门，开始下一个打捆作业。

2 喂料装置结构

圆捆机采用螺旋喂料刀辊，如图2所示。喂料刀辊由34块星形板并排焊接在空心辊筒上，星形板分为2个或3个1组，延轴线均匀排列，每组星形板排列角度相差24°。定刀安装于喂料口正上方，用于清除随星形板旋转带出的物料，同时防止喂料刀辊缠草。

图2 喂料装置实物图

如图3所示：下颚板承接捡拾器捡起的物料，其一端绕固定在机架上的轴转动；另一端由两个相同的油缸支撑，且油缸体通过转动铰链安装在机架上。当油缸活塞杆伸出移动时，喂料口增大；当油缸活塞杆缩回移动时，喂料口减小。

图3 喂料装置结构示意图

3 喂料口开度控制装置设计与数据采集

3.1 喂料口开度调节油路设计

油缸是喂料口开度大小调节的执行机构，设计的调节油路如图4所示。图4中，a和b端口需要和拖拉机的液压系统连接，拖拉机提供的最大工作压力为18MPa。

1.三位四通电磁换向阀 2.节流阀一 3.溢流阀 4.油缸一 5.无杆腔油压传感器 6.油缸二 7.有杆腔油压传感器 8.阻尼 9.蓄能器 10.液控单向阀 11.节流阀二

拖拉机输出的高压油从接口a进入喂料口开度调节油路，经接口b 回油箱。当三位四通电磁换向阀的左线圈得电时，电磁换向阀处于左工作位，高压油经过电磁换向阀的左阀芯、节流阀一输入油缸一和油缸二的无杆腔；液控单向阀在高压作用下 A、B 通道打开，液压油从油缸一和油缸二的有杆腔经过液控单向阀、节流阀二、电磁换向阀的左阀芯进入拖拉机油箱，油缸一和油缸二的活塞杆作主动伸出运动；电磁换向阀的右线圈得电时，电磁换向阀处于右工作位，高压油经过电磁换向阀的右阀芯、节流阀二、液控单向阀输入油缸一和油缸二的有杆腔，左油缸和右油缸的无杆腔内的液压油经过节流阀一、电磁换向阀的右阀芯进入拖拉机油箱，油缸一和油缸二的活塞杆作主动缩回运动；三位四通电磁换向阀的左、右线圈均不得电时，电磁换向阀处于中位，高压油直接经过电磁换向阀的中间阀芯回油箱，油缸一、油缸二、蓄能器及溢流阀构成封闭油路。由于换向阀存在间隙泄漏现象，在活塞杆承受的重力和物料挤压力作用下，可能引起油缸活塞杆下滑，利用液控单向阀关闭的严密性，可防止油缸活塞杆由泄漏引起的下滑。

溢流阀的进油口和回油口分别连接油缸的有杆腔和无杆腔，设定压力是25MPa，大于系统工作压力，主要起到安全保护作用。当油缸的有杆腔内压力超过 25MPa，P口和T口被连通，油缸有杆腔内的高压油被卸掉，保护机构的安全。

蓄能器安装在油缸有杆腔油路上，其预充压力是13MPa。由于换向阀突然换向，油缸活塞杆瞬间受力较大等原因，会造成油管内的液压油流动发生急剧变化，产生冲击压力。蓄能器可以吸收和缓和这种冲击，保护系统中的仪表、元件和密封装置，还可以吸收油压脉动、降低噪音。蓄能器入口处安装了一个φ1.6 的阻尼孔，作用是减小液压油压力的急剧变化对蓄能器内部构件造成直接冲击，保护蓄能器免受损害。

通过调节节流阀一和节流阀二的通径大小可以实现对活塞杆伸出和缩回速度的调节。

3.2 控制装置硬件设计

3.2.1 单片机的选择

本系统采用了ST公司基于Cortex-M3内核的 32 位增强型闪存微控制器STM32F103ZET6作为控制核心。Cortex-M3 内核是世界最大的半导体公司之一的意法半导体有限公司专门设计的，能够满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[8]。STM32F103ZET6拥有64kB的SRAM、512kB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、3个12位ADC、2个DMA控制器(12个通道)、5个串口、1个USB、1个FSMC接口，以及112个通用IO口等丰富的片上资源，简化了系统硬件，同时大大降低了系统功耗[9-11]。

3.2.2 控制装置电路设计

由于单片机的功率不足，不能直接驱动三位四通电磁换向阀工作，需要设计专门的控制电路。

一般带有线圈的电磁继电器不能直接和单片机的IO口相连，因为在单片机IO口停止输出的时候，可能会有反向电动势从电磁继电器的线圈向单片机IO口倒灌，轻则干扰单片机正常运行，重则击穿单片机IO口；而固态继电器(SSR)能有效避免损坏单片机的IO口[12]。

图5为控制装置电路，使用STM32单片机的PB5和PE5两个IO口分别控制三位四通电磁换向阀的左工作位和右工作位线圈内电流的通断。固态继电器1的输入端“+”连接高电平VDD3.3V，“-”连接PB5，输出端“+”连接电源24V正极，“-”连接电磁换向阀的左工作位的线圈，输出端构成封闭回路，固态继电器1是一个被控的开关。PE5通过固态继电器2控制电磁换向阀的右线圈内电流的通断，和PB5的接线方法相同。在PB5和PE5的出口处各并联一个发光二极管LED0和LED1，两个发光二极管分别经过一个上拉电阻(R1=R2=510Ω)后与高电平VDD3.3V相连，用于指示电磁换向阀的工作位的工作状态。在PB5和PE5的出口处分别并联一个带自复位的按钮1和2，开关的另一端接GND，用于PB5和PE5强制置0，实现电磁换向阀的手动控制。

图5 控制装置电路设计

3.3 传感器的选择与安装

1)采用型号为ZSP3806GC的光电编码器测量喂料刀辊的转速。把编码器转轴与喂料刀辊轴通过联轴器连接，喂料刀辊旋转时带动编码器的转轴转动。编码器的转轴旋转时会连续不断地输出脉冲信号，由于喂料刀辊的最大转速为140r/min，为保证测量精度选用2 000P/r的编码器。脉冲信号输入单片机的PC6端口，接线方式如图6所示。

图6 传感器接线图

2)选用米朗KPC-100mm位移传感器。位移传感器和油缸平行安装，测量杆随油缸活塞杆移动，用于测量油缸活塞杆的伸出长度。油缸活塞杆的行程为90mm，因此选用的位移传感器的量程为100mm。用单片机开发板上的3.3V电源给位移传感器供电，其输出信号范围的是0～3.3V，接到单片机ADC的PA1引脚，如图6所示。

3)通过油缸的有杆腔和无杆腔的压力计算得到活塞杆的受力大小，计算公式为

式中F1—在无杆腔产生的力(推力)(N)；

F2—在有杆腔产生的力(拉力)(N)；

P1—无杆腔的压力(Pa)；

P2—有杆腔的压力(Pa)；

1.布置课后任务。教师布置课后任务，提醒学生继续通过“雨课堂”完成相关任务，并向学生推送其它相关拓展资源的学习平台，为本课程后续学习做好准备。设计意图是通过“雨课堂”推送作业，预习PPT等学习资料直达学生手机APP端口，实现无纸化课堂，既节能环保，又方便快捷。

D—油缸内径(m)，D=0.04；

d—活塞杆直径(m)，d=0.025。

选用两个相同MIK-P300型油压传感器安装在油缸的无杆腔和有杆腔油路上，如图4所示。油压传感器输出信号为0～3.3V，量程范围是0～25MPa。该传感器需要外部电源供电，两个油压传感器的正极接在24V直流电源的正极，COM端接电源的负极并和单片机的COM端连通，有杆腔油压传感器和无杆腔油压传感器的输出信号线分别和单片机ADC的PA4和PA5引脚连接，如图6所示。

3.4 数据采集程序

数据采集程序主要实现单片机对传感器信号的采集和运算，并控制辅助电路实现数据的显示和通信。

ST公司为了方便用户开发程序，提供了一套丰富的STM32固件库，只需对STM32F103ZET6微控制器的外设进行简单的初始化配置就可以使用。初始化配置主要包括对时钟、串口、中断、定时器、I/O端口、LCD、ADC等的配置。

3.4.1 喂料刀辊转速采集程序设计

转速采集程序的步骤：①开启TIM3时钟和GPIOC的时钟，配置PC6为下拉输入；②初始化TIM3，设置TIM3的自动装载值ARR和预分频值PSC；③设置输入、滤波、分频以及捕获方式等，开启输入捕获；④使能捕获和更新中断；⑤设置中断分组，编写中断服务函数；⑥使能定时器，开始输入捕获。

在中断函数里面完成捕获计数和数据计算等关键操作：TIM3累计脉冲个数，同时每隔一个采样周期发生定时中断，输出捕获到的脉冲个数，并使计数器清零，开始下一个脉冲信号的捕获。由每个采样周期所捕获的脉冲个数计算得到喂料刀辊轴的转速，计算公式为

式中n—喂料刀辊转速(r/min)；

N—一个采样周期内接收的脉冲个数；

T—采样周期(s)。

3.4.2 模拟信号采集程序设计

对模拟信号的采集包括对两个油压传感器输出信号和位移传感器输出信号的采集。配置ADC的扫描模式为连续扫描，ADC的时钟为12MHz。在每次AD转换结束后，DMA循环把转换后的数据传到内存中。在TIM3发生定时中断时，主函数调用内存中的数据，经过计算后在液晶显示屏上显示，同时通过串口把数据传输到PC端储存。

4 试验

在平地上铺放草条，进行场地捡拾试验以检验喂料口开度自动控制装置的工作效果，如图7所示。

图7 场地捡拾喂料试验

4.1 油缸运动试验

程序初始化后，设置PB5=PE5=1。

1)手动控制油缸动作。按下按钮1(PB5)，LED0亮，油缸一和油缸二的活塞杆作主动伸出运动，松开按钮1(PB5)，LED0灭，活塞杆停止运动；按下按钮2(PE5)，LED1亮，油缸一和油缸二的活塞杆作主动缩回运动，松开按钮2(PE5)，LED1灭，活塞杆停止运动。

2)程序控制油缸动作。用程序对单片机的I/O口的高低电平强制转换：

(1)PB5置0、PE5置1。LED0亮，LED1灭，油缸一和油缸二的活塞杆作主动伸出运动。

(2)PB5置1、PE5置0。LED1亮，LED0灭，油缸一和油缸二的活塞杆作主动缩回运动。

(3)PB5置1、PE5置1。LED0灭，LED1灭，活塞杆停止运动。

4.2 数据采集试验

数据采集程序下载完成后打开PC机上的串口调试助手，设置波特率为115 200，从单片机传输到PC端的数据如图8所示。四列数据从左到右分别为：喂料刀辊转速、活塞杆伸出长度、有杆腔油压及无杆腔油压，后三列数据是传感器信号经过AD转换后的数据，需要经过计算得到其相应的实际值。图9为液晶显示屏显示喂料刀辊转速，活塞杆伸出长度和活塞杆所受拉力大小，与实际大小相符合。

图8 PC端接收数据

图9 数据显示

经过调试，液压系统能在单片机的控制下，油缸活塞杆主动伸出和缩回，油缸活塞杆的运动速度可以通过节流阀一和节流阀二进行调节，其速度变化范围是0～41.3mm/s。单片机能够实现以50Hz的采样频率采集各传感器的输出信号，经过AD转换后，通过USB连接线传输给PC端的串口调试助手，在PC上存储；同时，单片机对经过AD转换后的传感器输出信号进行计算得到喂料刀辊转速、油缸活塞杆所受拉力和油缸活塞杆的伸出长度，并通过液晶显示屏显示。

5 结论

喂料口开度自动控制装置的设计是在9YGQ-1300钢辊式圆捆机的喂料装置的基础上设计的，经过调试，该装置能够实现油缸的自动和手动控制，油缸活塞杆的运动速度可在 0～41.3mm/s 的范围内调节，满足控制要求。单片机能够实现以50Hz的采样频率采集各传感器的输出信号，并能对数据进行显示和储存。该研究为实现在圆捆机工作过程中根据喂料负荷大小反馈控制喂料口开度提供支持。