棉籽机械脱绒测控系统试验分析
2020-12-22王国峰王天佐
陈 强，王国峰，王天佐，王 赫，韩 宁
（石河子开发区天佐种子机械有限责任公司，新疆石河子市832014）
1 棉籽机械脱绒测控系统
为实现棉籽机械脱绒装置的自动化控制，设计了棉籽脱绒机测控系统，如图1。
棉籽脱绒测控系统主要包括传感器、电动推杆、PLC 等，可完成中间级和末级滚筒运动状态监测，实现滚筒的转矩自动控制以及出料口的开度自动控制。
控制方式由三级转矩转速传感器分别获得各级滚筒的实时转矩转速信息，PLC 的数据采集模块将所获得的传感器脉冲信号进行转换处理得到实时地转矩和转速信息，控制器根据转速转矩判定滚筒的实时工作负荷，并根据滚筒的负荷来控制进料量和出料量，以保证各滚筒的工作负荷均匀。
脱绒滚筒的工作负荷是影响脱绒效果的关键因素之一。若负荷过重容易导致脱绒滚筒发生阻塞，种子在内部被过度摩擦，在给驱动电机造成严重影响的同时，也会导致种子由于摩擦使表面温度急剧上升影响品质并且使破碎率升高；若负荷过小，则滚筒处于不饱和工作状态，影响加工效率并且也容易出现棉种在内部脱绒不充分的情况。因此，在脱绒加工过程中，对滚筒工作负荷进行在线监控对于提高脱绒效率，改善脱绒品质具有重要意义。判断工作负荷最直接有效的方法是对滚筒工作的转矩和转速进行在线监测。
经过特殊定制的应变式扭矩传感器，在被测弹性轴上将专用的测扭应变片用应变胶粘贴上组成应变桥，通过特殊环形变压器的能源输入给应变桥提供电源，即可得到弹性轴受扭的信号，然后将该信号通过信号放大器放大，经电压/频率（V/F）转换，使其受到的扭矩值与测到的频率值成正比关系，最后通过特殊环形变压器输出其频率信号（原理框图如图2）。
由于棉籽脱绒机的工作负荷对于脱绒棉籽的品质具有重要影响。过大或过小都会对脱绒作业造成不利影响。因此，需控制棉籽脱绒机的工作负荷处于一定的范围内，以保证脱绒棉籽的质量。根据试验分析，棉籽脱绒机在工作时，三级滚筒的工作负荷相差较大。第一级滚筒在棉籽由进料口进入滚筒内后，经初步脱绒后很快进入第二级滚筒，其工作负荷相对较小，且较为稳定；二级滚筒与一级滚筒基本类似。第三级滚筒受出料口开度影响，其工作负荷最大。因此需要通过出料口开度自动调节完成第三级脱绒滚筒负荷的控制。
2 影响棉籽机械脱绒性能分析
为了确定棉籽脱绒装置的工作性能，研究了棉籽脱绒测控系统的优化策略，对所试制的棉籽脱绒装置进行了一系列影响性能试验分析。
2.1 出料口开度
棉籽脱绒机的出料口开度对脱绒滚筒的工作负荷有显著影响。开度过大，脱绒滚筒工作负荷变小，部分棉籽未经充分脱绒后排出，造成残绒率过高。开度过小，则会使滚筒负荷加重，棉籽在滚筒内被过度摩擦，使破碎率增大。因此需要通过试验研究出口开度与滚筒负荷、棉籽破碎率及残绒率的关系。试验中人为设定出料挡板处于不同的出口位置，记录稳定状态下两级滚筒的转矩值，同时从出料口取样，以人工方法确定样品的残绒率和破碎率，试验结果见表1。
表1 出料口开度试验分析结果
从表1 可以看出，随着出料口开度的减小，末级滚筒和中间滚筒的转矩逐渐增大，出料种子的残绒率降低，破碎率升高。分析其原因主要是由于开度减小后，棉籽出料量减少，滚筒内部脱绒腔内棉籽增多导致滚筒负荷增大，从而使滚筒的转矩增大。由于棉籽在滚筒内部停留时间加长，且与滚筒刷接触充分，因此其残绒率下降，当开度减小到一定程度时，由于滚筒负荷过大，棉籽在脱绒腔内部摩擦过度，从而导致破碎率显著升高。
2.2 滚筒开度
本试验主要是验证测控系统开度控制功能的实际工作效果，检验开度调节的随动性。依次设定出料口期望开度分别为30 mm、63 mm、96 mm 及129 mm，在设定完成后启动测控系统的开度自动控制功能，待出料口开度固定后，人工测量出料口实际开度，并与期望开度比较，试验结果见表2。
从表2 中可以看出，出料口开度的调节精度较高，其最大误差仅为1 mm，这也为后续实施高性能的转矩控制奠定基础。
表2 滚筒开度调节测试结果
2.3 滚筒转矩
末级滚筒的转矩变化反映了脱绒装置的实时负荷。在实际生产中，应尽量保证末级滚筒的工作负荷保持在一个较优化的状态，为此针对所设计的末级脱绒滚筒转矩的自动控制系统进行了性能测试。
试验时，首先设定启动棉籽机械脱绒机并使其工作于正常状态，启动棉籽机械脱绒机测控系统，并在上位机设定期望转矩。为了检验转矩控制的动态性能，首先设定期望转矩为140Nm。观察出料口开度变化及滚筒转矩变化。待滚筒转矩基本稳定后，可得到滚筒转矩变化的响应曲线如图3。
从图3 中可以看出，滚筒的转矩能够较快的跟随设定值的变化，且稳态误差小，达到期望的控制效果。
3 结论
为进一步确定棉籽机械脱绒系统的控制效果，通过多次试验并结合表1 数据，初步设定优化后的末级滚筒转矩为85 Nm，在达到期望转矩后，采集出料口样品，并人工测量样品棉籽的破碎率，三次试验的棉籽平均破碎率为1.8%。这也表明棉籽机械脱绒测控系统能够较好地对滚筒的负荷进行调节，并且具有良好的控制效果。
