一種新型農藝模擬試驗臺的研制

0農機具土槽試驗臺的設計土壤測試臺通常包括土壤模擬器和土壤測試臺。沿著地板行駛的車輛部門。農業機械懸掛裝置和動力輸出軸裝置可用于農業機械的移動和深度調整。安裝土壤修復裝置。土壤參數、軸承操作參數、農機具性能試驗數據的采集和處理。農機具的土槽試驗是在模擬田間土壤的含水率和堅實度的條件下,控制農機具的牽引速度、耕深和旋轉部件的轉速,測試機具在行進中所受的拉力、旋轉扭矩等參數,從而分析拉力、扭矩與牽引速度、耕深、轉速之間的相應關系,為農機具產品開發與研究提供設計依據。在研究了已有的土槽試驗臺基礎上,對本試驗臺進行了優化設計:將土壤恢復設備集成在測試臺車上,省去了土槽恢復臺車;研制了新型的門架式六分力測力機構,可進行機具的三維空間受力分析;設計了被測機具三維空間的精確定位系統;采用了上下位機控制模式并開發了模塊化的控制軟件,實現了智能化工況模擬試驗。1農機具的使用土槽深1m,寬3.5m,總長度50m。在土槽中間取20m作為試驗測試段,兩端各約15m為臺車加速、減速段,同時也作為設備安裝區間。土槽的兩端各設有1臺500kg的單軌吊車,用于試驗部件、機具的安裝和臺車的故障維修。臺車上集成了土壤平整系統、壓實系統、測試系統以及控制系統,可方便地進行土壤恢復作業和機具的性能試驗。臺車的前后各有一套獨立的農機具夾持懸掛機構,均設置有電機驅動的橫向移動系統,以及液壓和電機雙重驅動的升降系統,以控制被測機具的移行和耕深。臺車的液壓懸掛系統完全模擬拖拉機的液壓懸掛系統,可使所懸掛的機具實現升降、定位和浮動狀態,以適應試驗的各種需求。在臺車的下部設置有土壤刮平機、振動鎮壓器和噴水裝置。刮平機的角度可調,可以更好地進行土壤平整作業;振動鎮壓器的振動頻率達3000次/min,可產生1.8t的壓力,以壓實土壤;噴水裝置可調節土壤水分。連接臺車的動力電纜和水管采用新型的拖鏈布線方式,在臺車高速運行狀態下,電纜和水管移動順暢,提高使用壽命,確保設備安全運行。臺車動力主要參數:牽引功率/kW:55牽引速度/km·h-1:0.15～14(無級調速)牽引力/N:10000動力輸出軸驅動功率/kW:30動力輸出軸轉速/r·min-1:540～1000(無級調速)驅動扭矩/N:500額定提升力/N:110002拉壓傳感器的更換針對懸掛機具的三維測力要求,研制開發了與臺車配套的門架式六分力測力機構,如圖1所示。門架機構由前、后兩塊門架板和6只拉壓傳感器組成,其中3個傳感器為牽引方向布置(X軸),一個傳感器為側向布置(Y軸),兩個傳感器為垂直方向布置(Z軸)。被測農機具掛接在后門架板上,通過拉壓傳感器、前門架板與臺車相連接,機具的三維空間受力完全通過6只拉壓傳感器來傳遞。這種設計避免了試驗前需在被測機具上貼應變片的準備工作,更換試驗機具簡單、快速。6個拉壓傳感器的配置是該裝置的關鍵,既要滿足機具懸掛的穩定性,又要滿足測量的準確性。經各種方案比較,選擇的配置方式如圖2所示。根據受力分析可得出PX=FX1+FX2+FX3PY=FYPZ=FZ1+FZ2MX=LXPXMY=LYPYMZ=LZPZLX=PXPYLY?l1(FX2?FX3)2PYLX=ΡXΡYLY-l1(FX2-FX3)2ΡYLY=l2FZ1PY2PZ(PY+1)?l2FZ2PY2PZ(PY+1)+l3FY1PYPZ(PY+1)?l2FX1PY2PXPZ(PY+1)+l1FX2PZ2PXPZ(PY+1)?l1FX32PX(PY+1)LY=l2FΖ1ΡY2ΡΖ(ΡY+1)-l2FΖ2ΡY2ΡΖ(ΡY+1)+l3FY1ΡYΡΖ(ΡY+1)-l2FX1ΡY2ΡXΡΖ(ΡY+1)+l1FX2ΡΖ2ΡXΡΖ(ΡY+1)-l1FX32ΡX(ΡY+1)Lz=?FX1l2PX+l1PZ(FX2?FX3)2PXPY?PZPXLXLz=-FX1l2ΡX+l1ΡΖ(FX2-FX3)2ΡXΡY-ΡΖΡXLX其中,PX,PY,PZ分別為作用于機具上的X,Y,Z軸方向的力;FX1,FX2,FX3,FY,FZ1,FZ2分別為作用于傳感器X1,X2,X3,Y,Z1,Z2上的力;MX,MY,MZ分別為作用于機具上的X,Y,Z軸上的力矩。l1,l2,l3分別為各傳感器之間的距離。3土壤樣品管理系統的電壓計3.1直流風速系統試驗臺的臺車牽引速度和動力輸出軸轉速均需進行調速。目前,常用的調速系統有:變頻調速系統、直流調速系統、步進電機調速系統、伺服電機調速系統等。變頻調速系統:變頻調速是通過變頻器來改變交流電動機定子電源的頻率,從而改變其同步轉速的調速方法。這種調速系統結構簡單、成本低,適用于普通的鼠籠式交流異步電動機,所以應用廣泛。但由于交流電機的特性,其機械特性偏軟、調速范圍較小,雖然可以通過一些補償措施得以提高,但畢竟有限。直流調速系統:直流調速是利用直流調速器將交流電變為直流電,并通過改變直流電壓的方式來改變直流電機轉速的調速方法。其機械特性較硬,調速范圍大,達1∶100,能夠滿足試驗臺的要求。但直流電機比交流電機體積大、結構復雜,成本相對較高。步進電機與伺服電機調速系統:其機械特性、速度控制精度與調速范圍均比直流調速系統更好,且體積小,但價格昂貴,一般適合電機功率較小,需要精密控制的場合使用。根據以上分析,本系統采用直流調速模式,并在直流調速系統中設置了電壓反饋、電流反饋、轉速反饋和臺車速度反饋等多個閉環控制回路,保證了系統調速平穩、準確、響應快。同時,利用直流調速系統的逆變模式作為臺車和動力輸出軸的制動方式,取代臺車的剎車裝置。3.2實驗室通訊平臺監控試驗臺控制系統采用上下位機控制模式,可方便地切換為“手動”狀態或“自動”狀態。“手動”狀態時,操作人員在臺車上通過控制柜的按鈕控制其運行,主要用于臺車臨時移動、懸掛機具、維修等;“自動”狀態時,操作人員在控制中心通過上位機發出指令進行試驗。上位機采用高性能的工業級控制計算機,充分利用其內存大、人機界面友好、軟件平臺眾多、抗干擾能力強等特點,發出控制命令,調用控制程序,并對下位機采集的數據進行最終處理,繪制各種曲線,打印各種報表。下位機采用功能強大的PAC(可編程自動化控制器),充分利用其速度快、穩定性高、抗干擾能力強、數據傳輸方便等特點,直接控制各執行部件,并對各傳感器的數據進行自動采樣并對數據進行初步的處理。下位機置于臺車上,可脫開上位機獨立運行。控制系統的上下位機的通訊距離在70～80m之間,為避免傳輸信號衰減和復雜的布線,本系統采用無線網絡通訊。由于其工作頻段在2.4GHz,遠離一般干擾源的頻率,所以保證了通訊質量。經實際測試,實驗室內無線通信最高數據傳送率達到62kB/s,完全滿足所需的傳輸速率。無線通訊的覆蓋面大,可多點設置上位機平臺。如需要,可采用筆記本電腦作為上位機,在方便觀察試驗臺運行的任意一點操作臺車的運行。采用工業遙控開關,作為系統緊急停止開關,其抗干擾性能好,控制距離大于100m。操作人員用遙控器在緊急情況下可隨時、隨地停機,保證試驗安全。兩套攝像機監控系統用于觀察與記錄整個試驗過程和農機具的試驗情況,攝像機A固定在云臺上,觀察范圍覆蓋整個土槽實驗室;攝像機B固定在懸掛機構上,用于觀察農機具的試驗過程以及土壤表面的變化,并可儲存該錄像,以備今后查詢、調用。控制系統采用了各種新型傳感器,并對其輸出信號進行調理,轉換成PAC模塊可以接受的標準信號。其中,有4～20mA電流模擬信號;TTL電平的脈沖信號;通過RS-232接口傳輸的數字信號;PAC模塊還輸出0～10V電壓的模擬信號,控制兩臺直流電機的轉速。控制系統可對以下參數進行實時測控:1)試驗部件的三維空間受力狀況;2)動力輸出軸的扭矩;3)各移動小車的水平與垂直位移量、臺車的位移量和行駛速度、動力輸出軸的轉速;4)定點、定深度測量土壤堅實度和土壤含水率;5)耕前土壤平整度和耕后土壤蓬松度;6)控制牽引速度、動力輸出軸轉速和被測部件的耕深。通過以上硬件設計,使得臺車前后所懸掛的機具沿牽引方向、側向和垂直方向均可精確定位,加之臺車速度、動力輸出軸轉速的精確控制,配以功能多樣化的計算機控制軟件,不僅為試驗臺提供了豐富的測試手段,還可在試驗中按指定的數學模型自動連續調控牽引速度、工作部件耕深、動力輸出軸轉速等工作參數,進行單變量或多變量的連續變化和階梯變化的試驗,實現了智能化工況模擬試驗。即在一次牽引行程中就能得到這些不同工況下的試驗數據,從而大大提高試驗效率。3.3原位試驗程序根據硬件設計和土槽試驗要求,設計了相應的控制軟件。上位機使用組態軟件進行人機操作界面設計,人機界面友好,即使是非專業人員也可以方便的操作;同時,開發了試驗數據分析、管理系統軟件,可對下位機上傳的數據進行進一步分析、處理和存儲,輸出各種報表和曲線。下位機程序采用模塊化設計,以方便修改和升級,主要分為試車、標定、土壤參數檢測、土壤恢復、試驗5大功能模塊;在試驗模塊中包含有8個子程序,對應8種試驗模式,以供上位機調用。下位機程序框圖如圖3所示。試驗時,操作人員在控制室通過上位機選擇功能模塊,輸入試驗參數:牽引速度、動力輸出軸轉速、機具的耕深,點擊“試驗開始”鈕,上位機便自動將控制指令傳至下位機;下位機根據指令,調用相應的程序模塊進行試驗,采集各傳感器數據并回傳至上位機。上位機獲取試驗數據后,進行數據處理,最終輸出試驗結果與報表。4試驗臺建設及功能1)試驗臺經過大量的試驗驗證,性能穩定可靠,可承擔絕大部分土壤工作部件和小型耕種機