旋转式圆环形土槽试验台设计

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　　摘 要：针对固定式土槽的诸多不足，设计可连续运转圆环形土槽试验台。包括以变频调速电机为动力，采用链传动、齿轮传动的形式，保证土槽转数可调且稳定，配备两种制动方式。设计基于PLC可编程序的控制系统以及按试验要求开发的管理和控制软件，转速和扭矩等数据可自动采集、显示、存储及按格式打印。配置水稻插秧试验装置、旱田秧苗移栽试验装置、土壤整理试验装置等被测试装备。
　　关键词：土槽;试验台;圆环形
　　中图分类号：S220.2 文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.002Open Science Identity（OSID）
　　基金项目：黑龙江省属科研院所基础科研经费项目（2018-74）
　　作者简介：马君（1970-），男，黑龙江肇源人，研究员级高级工程师，研究方向：农机实验室设备，农机及其智能化，E-mail：majun7111@sina.com。
　　0 引言
　　实验室土槽试验台模拟试验是新型农机具整机和部件研发的重要手段，与田间试验相比优势明显。土槽试验台模拟试验不受季节、气候、试验地块距离、土壤理化性质、耕整地质量状况等因素的制约，既可以实现部件测试也可以进行整机测试，试验基础条件、试验变量控制精准、便捷，研发效率高，效果好。自1889年高瑞艾肯率先提出“土槽”这一概念以来，得到国内外农机科研工作者广泛应用的同时，土槽试验台自身技术水平也迅速提升。
　　按土槽是否固定，土槽试验台可分为固定式和旋转式两种。固定式即土槽相对地面固定，土槽试验台（包括驱动系统、制动系统、控制系统等）、被测试装备在土槽固定的导轨上运动。旋转式即土槽相对地面做回转运动，驱动系统和制动系统除部分与土槽集成一体外，土槽试验台（部分驱动系统、部分制动系统、控制系统等）、被测试装备不移动，被测试装备自身可做回转、升降运动。按土槽形状，固定式分为条形土槽固定式试验台和环形土槽固定式试验台。条形土槽固定式试验台土槽宽度方向各点速度一致，适合各种农机试验;除去启动和制动段，实际有效试验距离有限且只能单方向作业返向退回，无法连续试验，无法进行可靠性试验;检测仪器与试验台一起移动，影响检测精度;占地面积大。环形土槽固定式试验台可连续试验考核可靠性，直线段宽度方向各点速度相同，但圆弧段速度不同且存在侧向阻力，试验项目受限;检测仪器随被测试装备移动，检测精度受影响。本旋转式圆环形土槽试验台可连续试验;检测仪器不随圆环形土槽移动，检测精度不受影响;占地面积小;由于宽度方向各点速度不同和存在侧向阻力，只适合插秧和移栽试验。
　　1 总体设计
　　本试验台采用圆环形土槽，其结构如图1所示。圆环形上轨道、内齿圈与圆环形土槽同心固装为圆环形土槽总成。圆环形下轨道与圆环形土槽总成中上轨道为同心等径，上轨道（即圆环形土槽总成）与下轨道间均匀配置土槽滚轮。变频调速电机通过驱动小齿轮未驱动内齿圈，带动圆环形土槽总成通过土槽滚轮在下轨道上做回转运动。被选定的土壤盛装在圆环形土槽总成内即可做一定角速度的回转运动。被测试装备安装在横跨圆环形土槽的龙门架上，可完成试验任务。本试验台采用链条、齿轮传动，避免靠橡胶轮摩擦传动发生打滑而引起转速不稳定、不一致，影响试验数据的准确性，使检测质量下降，无法对试验部件作出科学准确评价的情况。
　　主要技术指标：圆环形土槽外径：5 m;土槽宽度：0.4 m;深度：0.5 m;转速：0～8.7 r·min-1，无级可调;驱动电机功率：5.5 kW;环形土槽自重（包括槽内填充物）：10 t。
　　2 主要机构
　　2.1 驱动机构
　　圆环形土槽总成在下轨道上做圆周回转运动，为了保证不脱轨，于内齿圈的圆柱延伸外壁面均匀装配6个中心定位滚轮，中心定位滚轮固定于与地基座固接的下轨道支架上。驱动机构由变频调速电机、换向变速箱、链传动、齿轮传动组成。变频调速电机轴心线与土槽水平直径平行，并向上偏移一定距离。驱动小齿轮安装在回转座上，与变频调速电机轴心线成一定角度。当开始驱动内齿圈及圆环形土槽总成时，内齿圈对驱动小齿轮的作用力能促进此对齿轮进入啮合状态，实现运转速度稳定。
　　2.2 制动机构
　　本试验台设计两种制动方式：常规制动和紧急制动。常规制动可以通过手动调节控制台中“转盘控制”中变频电机转速调整旋钮，缓慢减少转速直至停止回转;或直接按下控制台中“转盘控制”的“STOP”键也可制动;紧急制动主要用于当发生突发事件或存在安全隐患时，快速按下紧急制动按钮。无论按“STOP”键或紧急制动按钮，均启动制动机构。本制动机构（如图2）采用摩擦片式制动器，3套制动机构均布于内齿圈的圆柱延伸内壁面，且与中心定位滚轮相对部位处。每个制动机构和相对的中心定位滚轮固装在同一个下轨道支架上。制动机构架上铰链安装制动驱动缸和摩擦片座，制动摩擦片固定在摩擦片座上。在制动状态下，依靠制动驱动缸驱动制动凸轮，制动凸轮驱动摩擦片座回转，带动制动摩擦片与内齿圈的圆柱延伸内壁面接触产生摩擦力实现土槽总成制动。解除制动状态，制动驱动缸带动制动凸轮复位，摩擦片座在回位弹簧的作用下将制动摩擦片复位，保持与内齿圈的圆柱延伸内壁面的预先设定间隙。在制动启动时，由于圆环形土槽总成的惯性，与其为一体的内齿圈与驱动小齿轮存在速度差的情况，为了防止齿轮副啮合跳齿甚至损坏齿轮，制动驱动缸动作的同时回转座驱动缸也收缩，带动驱动小齿轮与内齿圈脱离。解除制动状态时，制动驱动缸复位的同时回转座驱动缸也复位拉伸，回转座在复位弹簧的拉力作用下，带动小齿轮回到与内齿圈啮合状态。
　　2.3 圆环形土槽
　　圆环形土槽内土壤可模拟旱地或水田作业状况，无论在水田或旱田作业模式下，可通过更换红壤、黑土等實现不同土壤试验状态。为了由水田作业状况向旱田作业状况转换，圆环形土槽设置排水系统。设计三级过滤，目的保证排水系统通畅。圆环形土槽底板设计若干排水口，每个排水口上方固装100目不锈钢过滤网。土槽内土壤分三层，下层为直径0.5～1 mm的砂石，铺设厚度为100 mm;中间层为直径1.5～2 mm的砂石，铺设厚度为100 mm;最上层为红壤或黑土或其他需要试验的土壤，铺设厚度为200 mm。经排水试验证明，排出的水清澈无杂质。 　　2.4 控制系统
　　本控制系统采用PLC可编程控制器，精准控制试验台及其被测试装备的全部动作如下：
　　① 圆环形土槽启动：驱动系统设有编码器，经换算在工作站电脑直接显示当前转速。通过调节“转盘控制”上的变频器旋钮（如图3所示），使圆环形土槽试验台达到试验所需转速。另外也可在工作站电脑直接输入所需转速，系统会自动调整圆环形土槽达到试验所需转速。自动调整启动时，预留达到手工所输入转速的启动时间，避免不必要的冲击。
　　② 圆环形土槽制动：分常规制动和紧急制动。常规制动其一手动调节控制台中“转盘控制”中变频电机转数调整旋钮，缓慢减少转速直至停止回转;其二直接按下控制台中“转盘控制”中“STOP”键也可制动。紧急制动主要用于当发生突发事件或存在安全隐患时，快速按下控制台紧急制动按钮，启动制动机构并按预留制动时间使圆环形土槽静止。以下动作同时完成：自动切断圆环形土槽驱动电机、各被测试装备回转驱动电机电源;自动将所有被测试装备提升到最高点;启动回转座驱动缸使驱动小齿轮与内齿圈啮合脱离。
　　③ 被测试装备回转启动：回转轴设有编码器，通过调节控制台相应的变频器转速旋钮，使被测试装备回转部件达到试验所需转速，并在工作站电脑直接显示当前转速。
　　④ 被测试装备回转制动：同圆环形土槽常规制动。
　　 ⑤ 被测试装备升降：由变频调速电机驱动电动推杆伸缩带动被测试装备在龙门架导轨上垂直升降。最高点、最低点由限位开关控制。实现快速提升，缓慢下降。
　　3 被测试装备
　　本设计方案在农业部南京农业机械化研究所落地，被测试装备包括水稻插秧试验装置、旱田秧苗移栽试验装置、土壤整理试验装置。所有试验装置安装在龙门架上，可实现上下平移。龙门架横跨在圆环形土槽的上方，试验装置除工作部件做回转运动、升降运动外整机相对地面静止，圆环形土槽即土壤做圆周运动。如此试验装置和圆环形土槽启动，达到正常工作状态后，可以下降试验装置达到所需耕深或种植深度，大大缩短调试距离或时间。
　　水稻插秧试验装置实现水稻插秧关键技术试验研究，具体技术参数为：①动力功率：0.75 kW变频调速电机;②分插机构动力轴转速：0～500 r·min-1;③分插机构位置相对秧箱的秧门前后方向移动范围：-20～+80 mm（方向向后为正），上下方向移动范围：-20～+80 mm（方向向下为正）;④秧门宽度：14～23 mm无级可调;⑤分插试验单元高度调节范围：0～300 mm;⑥秧箱横向移箱次数：12、16、18、20、24可调，纵向送秧量：8～17 mm无级可调;⑦箱倾斜角度：45°～65°无级可调。
　　旱田秧苗移栽试验装置实现旱田秧苗移栽关键技术试验研究，具体技术参数为：①动力功率：1.5 kW变频调速电机;②分插机构转速：0～200 r·min-1;③秧箱横向移箱次数：6、8、10可调;④取苗针夹角20°～40°无级可调。
　　土壤整理试验装置使圆环形土槽内上层土壤达到所要求的试验状态，具体技术参数为：①动力功率：3 kW变频调速电机;②刀辊轴转速：200～400 r·min-1;③旋耕深度：150～200 mm;④工作幅宽：250～300 mm;⑤刀片型号：T245;⑥刀片数量：8片;⑦镇压方式：弹簧压紧式镇压板。
　　为了方便操作人员检修圆环形土槽内部部件，设计跨越土槽的跨越步梯。
　　4 管理和控制软件
　　根据圆环形土槽运行及被测试装备试验要求，硬件为研华工控机和研华PCI1711L模拟量采集卡，设计开发了管理和控制软件。本软件可以对圆环形土槽运行转速、水稻插秧分插机构、旱田秧苗移栽动力轴、土壤整理刀辊轴转速和扭矩等数据进行采集、显示以及存储。土槽转速实时曲线，被测试装备动力输出轴扭矩、转速、功率实时曲线，并按试验大纲要求打印数据表格。
　　5 结论
　　（1）圆环形土槽试验台结构紧凑，占地面积小，上下轨道及中间土槽滚轮组成运动副，转速可调且平稳，可模拟旱地和水田作业模式并可转换，可更换土壤种类，实现不同试验所需理化指标。
　　（2）设置水稻插秧试验装置、旱田秧苗移栽试验装置、土壤整理试验装置等被测试装备，本土槽试验台采用模块式设计，可根据需要增加新款被测试装备。
　　（3）基于PLC可编程控制器、集成变频器、变频调速电机、编码器、限位开关等的控制系统。根据圆环形土槽运行及被测试装备试验要求，设计开发了管理和控制软件。
　　参考文献：
　　[1]颜华，吴俭敏，林金天.环形土槽微耕机试验平台设计[J].农业机械学报，2010，41（S1）：68-72.
　　[2]黑龙江省农业机械工程科学研究院，农业部南京农业机械化研究所.旋转式环形土槽试验台驱动机构：中国，ZL201710159354.4[P].2019-03-05.
　　[3]黑龍江省农业机械工程科学研究院.旋转式环形土槽试验台制动机构：中国，ZL201710159352.5[P].2019-01-05.
　　[4]吴俭敏，朱立成，米义，等.新型土槽试验台的研制[J].农机化研究，2011，33（3）：92-95.
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