专利名称：圆盘式茎秆切割试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种使用圆盘式切割器切割农作物茎秆的试验装置及其试验方法，可用于测量室内或田间切割茎秆时的切割力和切割能耗。
背景技术：
茎秆切割是农作物收获的重要一环，现常用的切割方式主要有往复式切割和圆盘式切割，这两种方式各有优缺点，但不论哪种切割方式，切割速度、切割力和切割能耗都是设计切割器的重要依据。目前测量茎秆切割力和能耗的装置都是往复式切割(如专利茎秆切割试验装置及方法CN200710192398. 3和专利茎秆切割性能测试台CN200820124630. X )，还未见圆盘式切割测量装置报道。而圆盘式切割器是一种结构简单、无振动、适应性强的茎秆切割试验装置。因此，需要设计一种试验装置，用于测量圆盘式切割器在不同作业条件下茎秆切割的切割效果、切割力和切割能耗，以作为圆盘式切割器的设计依据。
发明内容
本发明装置解决的技术问题使用圆盘式切割器切割作物茎秆时，所需的切割力和线速度与往复式切割差别较大，为了使所设计的圆盘切割器性能好、功耗小、成本低，就需对各种切割对象进行试验研究。本发明装置就提供了这样一种试验装置，可以针对不同作物茎秆，不同含水量、倒伏度，不同切割位置等作业条件，测试切割效果、切割力和切割能耗。本发明采用的技术方案试验装置包括圆盘式切割测量装置、行走台车、切割高度调整电机、中央控制台和茎秆夹持装置。所述圆盘式切割测量装置包括刀片、刀盘、辐盘、刀盘轴、轴承座、联轴器、转矩转速传感器、驱动电机和切割支座；刀片安装在刀盘上，通过选择不同的安装孔，刀片与刀盘切线的夹角可以变化，即改变切割茎秆时的滑切角；刀盘由幅盘与刀盘轴相连，刀盘轴通过轴承座固定在切割支座上；刀盘轴通过联轴器与转速转矩传感器一端相连，传感器的另一端又通过另一个联轴器与驱动电机相连；需要切割时电机旋转，动力依次通过联轴器、传感器、联轴器、刀盘轴、幅盘、刀盘，最终带动刀片作切割；传感器、驱动电机都固定在切割支座上。所述行走台车由行走部、动力部、速度控制部和支撑平台四部分组成；行走部提供台车的行走动作；动力部提供行走动力，主要包括驱动电机和传动系；速度控制部包括速度传感器和调速系统，可根据试验要求调整并保持台车的行走速度；支撑平台既是连接部件，又为切割测量装置、高度调整电机和中央控制台提供安装平台。所述切割高度调整电机安装在行走台车上，电机转动后驱动切割测量装置沿导轨上下移动改变切割高度。所述中央控制台安装在行走台车的支撑平台上，包括行走台车行进速度变频控制器、切割高度调整电机控制器、切割速度控制器、传感器扭矩信号显示记录装置和传感器转速信号显示记录装置。所述茎秆夹持装置包括底板、夹持管和夹持器三部分；底板用于支撑和固定其上的夹持管；夹持管焊接在底板上，可直立焊接也可与竖直方向成一定角度，以模拟作物正常生长和倒伏状态，夹持管有等直径直管或直管与锥形管组合两种形式；夹持器为软木或橡胶等塑性材料制成，对称的分为左右两半，组合后由上到下分为倒锥段、小直径直段和大直径直段三部分，其中倒锥段的锥度略大于夹持管的锥度，大直径直段的外径等于夹持管直管的内径，夹持器中心开有不到底的圆槽用于容纳作物茎秆，对于不同直径的作物茎秆制作不同尺寸圆槽的夹持器相配合。本发明方法采用的技术方案依次包括如下步骤
a、将试验作物按照试验要求单株或按所需的行距和株距插排在夹持装置内，并固定于试验土槽内，或在田间选择待测植株并清理出供行走台车行进的道路；
b、启动切割高度调整电机，通过电机的正转或反转使切割刀盘下降或上升，最终达到试验设定的切割高度；
C、启动切割装置的驱动电机，通过切割速度控制器的参数设置，以转矩转速传感器输出的旋转速度为依据，调节驱动电机的转速，以使刀片获得试验设定的切割线速度；
d、设置行走台车驱动电机的转速，以达到试验要求的前进速度，启动电机，开始切割；
e、利用中央控制台的传感器扭矩信号显示记录装置采集、显示并记录扭矩数据；
f、关闭切割装置驱动电机和行走台车驱动电机，关闭信号采集开关，测控系统自动记录并保存整个过程试验数据，完成切割试验。本发明的有益效果本发明所提供的茎秆切割装置简单合理，操作方法稳定可靠， 解决了圆盘式切割装置缺少检测手段的问题，可对不同作物茎秆的不同生长状态、生理特性、不同作业条件进行切割试验的数据采集，从根本上解决了目前圆盘式茎秆切割试验参数调节和试验数据的实时采样、处理的问题。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明 图1是本发明结构示意图2是刀片与刀盘的装配图； 图3是茎秆夹持装置实施方法细部结构图。图中1.切割刀片，2.刀盘，3.轴承座，4.联轴器A，5.转矩转速传感器，6.联轴器B，7.切割电机，8.高度调整电机，9.中央控制台，10.行走台车，11.切割支座，12.刀盘轴，13.幅盘，14.作物茎秆，15.茎秆固定装置，16. 土槽，151.底座，152.组合型夹持管， 152，·直管型夹持管，1521.直管，1522.锥形管，153.夹持器，1531.大直径直段，1532.小直径直段，1533.倒锥段，16. 土槽。
具体实施例方式如图1所示是试验装置的结构图，包括圆盘式切割测量装置(由1-7、11、12、13共同组成)，行走台车10，切割高度调整电机8，中央控制台9和茎秆夹持装置15。如图1、2所示，圆盘式切割测量装置包括刀片1、刀盘2、辐盘13、刀盘轴12、轴承座3、联轴器A4、转矩转速传感器5、联轴器B6、驱动电机7和切割支座11。刀片1通过螺栓或铆钉连接在刀盘2上，刀盘2上设有孔a，孔a位置固定，刀盘2上设有多个孔b，刀盘上孔a位置固定，孔b有多个不同位置可供安装时选择。但孔b的中心都在以孔a中心为圆心，刀片两安装孔的中心距为半径的圆周上。选择不同的孔b安装刀片1，则刀片1与刀盘2切线的夹角可以变化，即改变切割茎秆时的滑切角。刀盘2由幅盘13与刀盘轴12相连， 刀盘轴12通过轴承座3固定在切割支座11上；刀盘轴12通过联轴器A4与转速转矩传感器5 —端相连，传感器5的另一端又通过另一个联轴器B6与驱动电机7相连。工作时，驱动电机7在中央控制台9的切割速度控制器的控制下以一定的转速旋转，动力依次通过联轴器B6、传感器5、联轴器A4、刀盘轴12、幅盘13、刀盘2，最终带动刀片1作切割动作。传感器5、驱动电机7都固定在切割支座11上。如图1所示，行走台车10用于提供圆盘式切割测量装置的安装平台和执行测量装置的行走动作。工作时，由中央控制器9中的行走控制部件控制台车的启停和行走速度。如图1所示，切割高度调整电机8安装在行走台10车上，用于调节切割试验装置的切割高度。工作时，中央控制器9中切割高度调整电机控制器控制电机启停，由电机输出轴连接的螺杆、螺母机构使切割测量装置沿导轨上下移动改变切割高度。如图1所示，中央控制台9安装在行走台车10上，包括行走台车行进速度控制器、 切割高度调整电机控制器、切割速度控制器和传感器扭矩信号显示记录装置。如图1、3所示，茎秆夹持装置15包括底板151、夹持管152和夹持器153三部分。 工作时，将底板151埋于土槽16中，固定牢固，夹持茎秆后不得倾倒。夹持管152焊接在底板151上，可直立焊接也可与竖直方向成一定角度，以模拟作物正常生长和倒伏状态，夹持管有等直径的直管型夹持管，直管1521与锥形管1522组合的组合型夹持管152两种形式。 夹持器153对称的分为左右两半，组合后由上到下分为倒锥段1533、小直径直段1532和大直径直段1531三部分，其中倒锥段的锥度略大于夹持管152的锥度，大直径直段1531的外径等于夹持管直管1521的内径。夹持时，将作物茎秆置于夹持器中心的圆槽内，再将夹持器153塞入夹持管152中，要求大直径直段1531要进入夹持管直管1521内，对于不同直径的作物茎秆制作不同尺寸圆槽的夹持器153相配合。以下分别介绍室内模拟和田间实测时的工作流程。室内模拟一般在试验土槽上完成，将各试验装置组装并测试运行正常后开始进行试验。首先根据作物茎秆的粗细选择合适的夹持器153夹持并塞入夹持管152内，一般应选用带锥段的组合式夹持管以使夹持牢固，但若茎秆较粗，如甘蔗，则选用长度较长，直径略大于茎秆的直管夹持管，并塞入填塞充物(如碎茎秆等)以使茎秆固定牢固。夹持好的茎秆根据试验要求单株或按特定行距、株距排列，茎秆直立或倾俯一定角度。其次根据试验要求调整切割高度和行走台车前进速度。切割高度是指刀片下平面到夹持管顶端的距离。行走台车的前进速度测试要在试验前完成，先用中央控制台的行走台车行进速度变频控制器调整驱动电机的输入电源频率，再测量行走轮轴的转速，乘以行走轮半径后得到当前的行走速度。再次，以转矩转速传感器输出的转速信号为依据，用中央控制台切割速度控制器调整切割装置的旋转速度，使刀片的线速度达到试验要求并开始进行切割试验。最后，对中央控制台传感器扭矩信号显示记录装置记录的扭矩数据进行分析计算，将扭矩值除以切割半径得到切割力，并将切割力的变化绘制成曲线，再将切割力对切割距离进行积分得到切割能耗。田间试验的流程和测量计算方法与室内模拟试验近似，但不再需要用夹持装置夹持茎秆，而直接利用田间生长的作物茎秆进行试验。试验前根据试验要求保留相应数目的茎秆在试验段中，将其余的茎秆人工清除。需注意的是，由行走台车启动到开始切割试验，须有一段距离的空载运行，以使台车行走和切割装置旋转的速度达到试验要求。
试验装置的技术参数
切割线速度5 30m/s，无级可调台车前进速度0. 2 5 m/s，无级可调滑切角0 45° 削切角:0 30° 茎秆株距100 500mm 茎秆行距200 500mm 切割高度80 500mm。
权利要求
1.一种圆盘式茎秆切割试验装置，包括圆盘式切割测量装置、行走台车(10)、中央控制台(9)、茎秆夹持装置，其特征在于圆盘式切割测量装置包括刀片(1)、刀盘(2)、轴承座 (3)、联轴器A(4)、转速转矩传感器(5)、联轴器B(6)、驱动电机(7)、切割高度调整电机(8)、 切割支座(11)和刀盘轴(12)，所述刀片(1)安装在刀盘(2)上，刀盘(2)通过幅盘(13)与刀盘轴(12)相连，刀盘轴(12)通过轴承座(3)固定在切割支座(11)上，所述刀盘轴(12)通过联轴器A (4 )与转速转矩传感器(5 ) 一端相连，所述转速转矩传感器(5 )的另一端通过联轴器B (6)与驱动电机(7)相连，传感器(5)、驱动电机(7)都固定在切割支座(11)上；所述圆盘式切割测量装置安装在行走台车(10)上；所述中央控制台(9)安装在行走台车(10) 的支撑平台上，所述中央控制台(9)包括行走台车行进速度变频控制器、切割高度调整电机控制器、切割速度控制器、传感器扭矩信号显示记录装置和传感器转速信号显示记录装置， 行走台车上还安装有切割高度调整电机(8)。
2.根据权利要求1所述的圆盘式茎秆切割试验装置，其特征在于，所述刀片(1)通过螺栓或铆钉连接在刀盘(2)上，刀盘(2)上设有孔a，孔a位置固定，刀盘(2)上设有多个孔b， 每个孔b的中心都在以孔a中心为圆心，以刀片两安装孔的中心距为半径的圆周上；选择不同的孔b安装刀片(1)，则刀片(1)与刀盘(2)切线的夹角不同。
3.根据权利要求1所述的圆盘式茎秆切割试验装置，其特征在于，所述茎秆夹持装置包括底板(151)、夹持管(152)和夹持器(153);所述夹持管(152)焊接在底板(151)上；以模拟作物正常生长和倒伏状态，夹持管为等直径的直管型夹持管(152’ )或直管(1521)与锥形管(1522)组合的组合型夹持管(152)两种形式，夹持器(153)为塑性材料制成，对称的分为左右两半，组合后由上到下分为倒锥段(1533)、小直径直段(1532)和大直径直段(1531) 三部分，所述倒锥段(1533)的锥度大于夹持管(1522)的锥度，大直径直段(1531)的外径等于夹持管直管(1521)的内径，夹持器中心开有不到底的圆槽用于容纳作物茎秆，对于不同直径的作物茎秆制作不同尺寸圆槽的夹持器相配合。
4.实施权利要求1所述的圆盘式茎秆切割试验装置的实验方法，其特征在于，具体步骤如下a、将试验作物按照试验要求单株或按所需的行距和株距插排在茎秆夹持装置内，并固定于试验土槽(16)内，或在田间选择待测植株并清理出供行走台车行进的道路；b、启动切割高度调整电机(8)，通过电机的正转或反转使切割刀盘下降或上升，最终达到试验设定的切割高度；c、启动切割装置的驱动电机，通过切割速度控制器的参数设置，以转矩转速传感器输出的旋转速度为依据，调节驱动电机的转速，以使刀片获得试验设定的切割线速度；d、设置行走台车驱动电机的转速，以达到试验要求的前进速度，启动切割电机(7)，开始切割；e、利用中央控制台(9)的传感器扭矩信号显示记录装置采集、显示并记录扭矩数据；f、关闭切割装置驱动电机和行走台车驱动电机，关闭信号采集开关，测控系统自动记录并保存整个过程试验数据，完成切割试验。
全文摘要
本发明公开了一种农作物茎秆切割试验装置及其试验方法，主要用于测量装有刀片的圆盘旋转切割各种农作物茎秆时的切割力和切割能耗。试验装置包括圆盘式切割测量装置，行走台车，切割高度调整电机，中央控制台和茎秆夹持装置。圆盘式切割测量装置由电机驱动，切割速度可调，输出轴系经扭矩传感器后带动刀盘旋转，切割固定于茎秆夹持装置中的待切茎秆，切割扭矩由传感器测量得到，经计算后可得出切割力和切割能耗。行走台车行进速度可调。装置通用性强，操作方法稳定可靠，即可用于室内模拟也可用于田间实测。
文档编号G01N3/24GK102221505SQ20111008334
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者庞靖, 徐立章, 李耀明, 秦同娣, 赵湛 申请人:江苏大学