谢仁华，管嫦娥
(江西应用技术职业学院，江西赣州㊀341000)
摘㊀要：为提高田间作物收割的作业效率，针对联合收割机控制系统进行了设计研究㊂在全面了解收割作业机理的基础上，搭建多功能作业控制模型，着重对控制系统进行硬件设计与软件控制布局，并进行多功能性作业试验㊂结果表明：发动机转速为1750~2150r/min时，联合收割机收割单元振动强度较设计前平均降低50%，在一定程度上延长了装置的作业寿命；收割作物的总损失率可控制在7%以内，割台损失率平均为3.46%，脱粒损失率平均为2.93%㊂经多功能性融合，整机的作业效率较传统式提高了13.24%，符合农机具收割工艺要求㊂设计思路有利于农机装备向集成化方向发展，具有较好的借鉴意义㊂ 关键词：联合收割机；控制模型；多功能性；割台损失率；集成系统化
中图分类号:S225;S220.39㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)06-0126-05
0㊀引言
近年来，国内外专家学者相继根据实际田间作业情况对收割装置的结构㊁自动控制系统做出了不同程度的优化改善，但多数是从单一作业角度出发，已不适应智慧农业的发展趋势㊂为提高联合收割机控制系统的适应性，满足不同田间环境需求，笔者从收割智能作业的角度入手，进行多功能性的收割装置控制系统设计㊂
1㊀多功能收割作业机理
多功能性联合收割机控制系统作业机理可描述为：以作物收割为主线，减少田间作业机具更换次数，将土壤旋耕融入其中，形成收割智能一体化㊂联合收割机的核心技术参数如表1所示㊂
表1㊀联合收割机核心技术参数设置
Table1㊀Core technical parameters setting for the combine
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀harvesting machine
序号参数单位参数设置(值)
废塑料炼油1外形尺寸m 4.10ˑ2.00ˑ2.30
2割台升降范围m0.05~0.75
3喂入量kg/s2~6
4割幅m 1.2~2.4
回程间隙收稿日期:2019-09-17
基金项目：江西省教育厅重点科研项目(GJJ161684)
作者简介：谢仁华(1976-)，男，江苏于都人，副教授，硕士,(E-mail) bw9vms4@163㊂
续表1
序号参数单位参数设置(值)
5配套动力kW50
rfid标签生产6刀片类型IT245
7刀片数12+6
8刀盘转速r/min350~500
9作业效率hm2/h0.45~0.72㊀㊀以高效率执行收割作业为实现目标，得到该联合收割机动力控制系统组成，如图1所示㊂其中，液压泵与变速箱作为设计的关键，下设旋耕㊁输送㊁驱刀等多功能马达，采用机械液压联合驱动方式，保证低速强动力运转㊂
图1㊀联合收割机动力系统组成
Fig.1㊀Composition of power system of the combine harvesting machine
2㊀收割控制系统多功能设计
2.1㊀多功能理论模型搭建
选择联合收割机作业速度为引导因变量，针对该联合收割机控制系统，设定收割㊁漏割㊁重割及籽粒损失为主要因素，得出多功能控制系统收割单元的理论模型为
V m =2hn 60=hn
30V P
=2Ln 60=Ln
30L =V P
V m h =Kh ìî
íïï
ï
ïïïïï(1)式中㊀V m 多功能控制系统收割装置作业速度(m /
s);
㊀h 多功能控制系统收割单元割刀运动单位行程机器前进距离(m);㊀n 多功能控制系统收割单元执行曲柄转动速度(r /min);
㊀V P 多功能控制系统收割单元割刀切割速度(m /s);㊀L 多功能控制系统收割单元割刀行程(m);㊀K 多功能控制系统收割单元切割速度比㊂进一步对联合收割机的旋耕作业单元进行控制模型搭建，考虑切土节距㊁垂面作业弯刀数量及旋耕速度比等核心参数，可得
S =2πzωv m =2πR
zλλ=ωR v m
ìîí
ïï
ïï(2)式中㊀S 功能控制系统旋耕单元切土节距(m);
㊀z 多功能控制系统旋耕单元同一垂面的弯刀数;㊀ω 多功能控制系统旋耕单元刀轴转动角速度(rad /s);
㊀R 多功能控制系统旋耕单元弯刀半径(mm);㊀λ 多功能控制系统旋耕单元旋耕速度比;㊀V m 多功能控制装置作业速度(m /s)㊂
2.2㊀装置控制多功能硬件组成
利用机械三维模型生成软件UG，根据组件设计优化匹配尺寸得到联合收割机控制系统核心机械执行部件设计模型，如图2所示㊂经测量，变速箱体结构整体的零件配合度提高2.8%，同时外形尺寸缩小㊂富余空间加装旋耕结构，实现了多功能作业的自动互换㊂
图2㊀联合收割机控制系统核心机械执行部件设计模型
Fig.2㊀Design model of core machinery executing components of the
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
combine harvesting machine
针对联合收割机控制系统液压系统进行功能设
计，将液压系统分为收割作业系统㊁行走驱动系统与位姿控制系统，如图3所示㊂
图3㊀联合收割机控制系统液压系统主要组成设计
Fig.3㊀Design on the main composition of the hydraulic system
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀of the combine harvesting machine
采用静液压比例控制方式，确保在一定的收割作
物负荷下联合收割机控制系统组件位置动作实时反
馈，设计电路的执行与矫正模块系统，保证内部信号处理电路设计准确㊂选取收割单元的收割损失率监测模型为中心，设计了如图4所示的联合收割机控制系统硬件信号处理电路结构㊂
图4㊀联合收割机控制系统硬件信号处理电路结构简图Fig.4㊀Structure sketch of the hardware signal processing circuit of ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀the combine harvesting machine
2.3㊀装置控制多功能软件布局
以集成控制理念为主导，采用多节点协同控制，设计了联合收割机控制系统集成控制系统，如图5所示㊂数据传输包括作业数据监测模块㊁终端显示模块㊁故障诊断监视模块与中心控制模块等；动作输出则在发动机模块㊁风扇驱动模块㊁液压动力与传感报警模块中体现㊂
图5㊀联合收割机控制系统集成控制系统核心构成
Fig.5㊀Core composition of integrated control system for
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀the combine harvesting machine
针对该收割机的旋耕功能深度进行控制设计，如图6所示㊂其中，角度传感器与多功能装置的旋耕角度参数同步变化，并依据多功能装置内部信号采集程序执行流程展开作业，如图7所示㊂
图6㊀联合收割机控制系统旋耕功能深度控制单元设计简图Fig.6㊀Design of the rotary tillage function depth control unit for the ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀combine harvesting machine
图7㊀联合收割机控制系统内部信号采集程序执行流程图Fig.7㊀Flow chart of the internal signal acquisition program of the ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀combine harvesting machine
以外部中断信号开关动作为控制信号，当进入中断服务子程序后，符合判定条件依次执行装置的割台转速，输送装置转速及脱粒滚筒转速，以完成数据的实时监测㊂
3㊀控制多功能性作业试验
3.1㊀条件设置
进行联合收割机的多功能性作业仿真试验，后台输入参数控制的作业程序指令，并设置试验用土壤的相关特性参数，如表2所示㊂为保证试验数据的可靠性及试验过程的顺畅性，着重给定如下条件:①统一的土壤湿度与坚实度条件;②发动机与相关联装置运行平稳;③传感装置及显示终端线路正确等㊂表2㊀用于收割装置多功能性作业试验的土壤相关特性参数Table2㊀Soil-related characteristic parameters for multifunctional ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀operation tests of the harvesting device
序号特性名称单位数值
1含水率%18.6
2pH7.16
3土壤坚实度MPa40.0
4容积密度g/cm3 1.265
5有机质质量分数% 3.72 3.2㊀过程分析
以联合收割机控制装置的振动性能为目标，得到旋耕刀片设计仿真数据，如表3所示㊂由表3可知：当装置的发动机转速变化区间为1750~2150r/min 时，联合收割机控制系统振动加速度较设计前有明显减小㊂其中，当发动机转速为1950r/min时，振动加速度为23.579m/s2，较设计前降低了50%以上㊂
米勒板表3㊀多功能收割控制系统旋耕刀片设计仿真数据统计
Table3㊀Statistics of simulation data for the rotary blade design of
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀multifunctional harvesting control system
序号发动机转速
/r㊃min-1
设计前振动加速度
/m㊃s-2
当前设计振动加速度
/m㊃s-2
1175012.2417.631
2185035.32215.441
3195059.87823.579
42050104.11269.309
52150107.54872.562㊀㊀变换试验装置的切割速比范围为1.5~3，联合收割机田间作业试验结果如表4所示㊂由表4可知，收割作物的总损失率可控制在7%以内㊂其中，割台损失率保持在3.22%~3.61%，脱粒损失率保持在
2.18%~
3.23%，符合农机具收割工艺要求㊂玻璃钢拍门
表4㊀联合收割机田间收割作业试验数据统计
Table4㊀Statistics of the field harvesting test data of the
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀combine harvesting machine
切割
速比
割台损失率
/%
脱粒损失率
/%
总损失率
/%
1.5 3.22
2.18 5.40
1.5 3.35
2.63 5.98
2.5
3.52 3.15 6.67
2.5
3.47 3.23 6.70
3.0 3.61 3.18 6.79
3.0 3.57 3.20 6.77
平均 3.46 2.93 6.39㊀㊀进一步选定旋耕耗时㊁平均喂入量㊁收割效率为主要评价参数，对系统后台
汽车智能防盗系统
数据进行换算，得到基于多功能性的联合收割机作业试验数据统计结果，如表5所示㊂由表5可知：该装置的旋耕单元旋耕耗时由传统式的3.53h/hm2缩短至2.15h/hm2，收割单元的平均喂入量提高了2.94kg/s，收割效率由传统式的0.36hm2/h提高至0.68hm2/h，整机的作业效率由传统式的78.89%提高至92.13%㊂
表5㊀基于多功能性的收割控制系统作业试验评价参数对比Table5㊀Comparisons of evaluation parameters based on multifunctional ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀harvesting control device operation test
评价参数
旋耕耗时
/h㊃hm-2
平均喂入量
/kg㊃s-1
收割效率
/hm2㊃h-1
整机作业
效率/%传统式 3.53 3.820.3678.89
多功能式 2.15 6.760.6892.13
对比效果-1.38+2.94+0.32+13.24
4㊀结论
1)通过系统了解收割作业机理，设置合理的多功能收割机核心技术参数，搭建多功能作业控制模型，利用UG软件生成该联合收割机核心部件三维模型，并针对液压系统及信号处理电路进行了设计㊂2)采用多节点协同控制方法，基于集成控制理念进行软件布局，使集成控制系统在适应环境变化和旋耕深度方面有较大的优势㊂
3)经多功能融合设计的联合收割机控制系统，在
一定条件下的损失率㊁喂入量㊁旋耕耗时及收割效率均有明显改善，具有较好的推广应用前景㊂
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Design and Test of the Control System for the Combine Harvesting Machine
Xie Renhua,Guan Chang e
(Jiangxi College of Applied Technology,Ganzhou341000,China) Abstract:In order to improve the efficiency of field crop harvesting with agricultural equipment,the control system of combine harvesting machine was designed and studied.On the basis of comprehensively understanding the harvesting op-eration mechanism,a multi-functional operation control model was built.The hardware design and software control layout of the control system of the combine harvesting machine were emphasized,and the multi-functional operation test was carried out,and the results showed that whe
n the engine speed was1750-2150r/min,the vibration intensity of the har-vesting unit of the designed multifunctional device could be reduced by50%on average compared with that before the de-sign,the working life of the device would be prolonged to some extent.The total loss rate of harvesting crops could be controlled within7%.The average loss rate of cutting table and threshing was kept at3.46%and2.93%respectively. After multi-functional integration,the efficiency of the whole machine was13.24%higher than that of the traditional one,which meets the requirements of harvesting technology of agricultural machinery.This design idea would be benefi-cial to the development of agricultural machinery and equipment towards integration and systematization,and would be a good reference value.
Key words:combine harvesting machine;control model;multi-functional;loss rate of cutting table;integration and systematization
2021年6月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第6期
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