一种适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置及控制策略

1.本发明涉及农机设备领域或者智能农机控制领域，特别涉及一种适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置及控制策略。


背景技术：

2.脱粒滚筒工作过程中，水稻茎秆缠绕在脱粒齿杆与中心轴上，形成偏心质量。在转动过程中会产生明显的偏心振动，导致脱粒滚筒两端的轴承所受到的压力增加，使得轴承产生磨损，影响其运行稳定性，进而导致联合收割机故障率高等问题。此外，滚筒在工作中受安装误差等外部因素，也会使得整机产生很大振动，严重会导致脱粒滚筒的磨损，需要对脱粒滚筒进行动平衡。而现有的离线动平衡方法无法快速有效地解决在脱粒滚筒工作时产生的不平衡问题，因此，设计脱粒滚筒自动平衡装置及控制策略对于解决工作过程中的振动问题，提高滚筒效率有重大意义。
3.目前针对脱粒滚筒故障监测问题，现有技术公开了可实现滚筒不平衡故障、轴承故障以及滚筒堵塞等故障监测的故障模拟监控系统及方法；针对脱粒滚筒动平衡方法，如现有技术公开了一种电磁滑环式平衡装置以及不平衡检测系统，实现脱粒滚筒在线主动平衡调节；针对于动平衡控制方法的设计，如现有技术公开了一种可实现旋转机械不平衡力的实时监测和动态调整的动平衡控制方法，使得动平衡控制更加灵活；针对于自动平衡方法的设计，现有技术公开了用于主轴动不平衡状态的在线校正的平衡装置，可实现刚性主轴的自动平衡校正。
4.以上现有技术公针对于在线自动平衡以及脱粒滚筒动平衡问题提出了方法及装置设计，但是，脱粒滚筒工作状态多变，受到茎秆缠绕等外界因素干扰，会产生新的不平衡问题，现阶段的自动平衡装置及控制方法无法适用于脱粒滚筒。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置及控制策略，可实现对滚筒振动的实时检测和动平衡，无需人工操作，实时性好，工作效率高。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置，所述脱粒滚筒包括脱粒主轴，所述脱粒主轴的一端安装平衡装置，所述平衡装置包括电磁铁、壳体、支撑板、轴承、磁板、配重盘、永磁体和中间磁板；
8.所述中间磁板安装在脱粒主轴上，所述中间磁板两侧的脱粒主轴上分别安装轴承；每个所述轴承外圈安装配重盘，且所述配重盘为偏质心的配重盘；所述配重盘周向均布若干通孔，每个通孔内安装永磁体；所述轴承一侧的脱粒主轴上安装支撑板，所述支撑板上安装磁板；所述中间磁板、轴承、支撑板和配重盘位于壳体内；壳体内安装电磁铁，通过电磁
铁产生磁场，使两个配重盘分别与脱粒主轴相对运动。
9.进一步，所述壳体安装在滚筒安装侧板上；所述滚筒安装侧板上安装电源，所述电源与电磁铁内的线圈连通。
10.进一步，每个所述配重盘上相邻通孔内的永磁体磁极相异。
11.进一步，所述磁板、中间磁板和配重盘上的永磁体形成自锁磁场，使配重盘与脱粒主轴同步转动；通过电磁铁产生磁场，破环自锁磁场，从而主动带动配重盘转动，使配重盘与脱粒主轴相对转动。
12.进一步，还包括所述控制系统，所述控制系统包括振动传感器、转速传感器、单片机；
13.所述振动传感器用于检测脱粒滚筒的振动值，所述转速传感器用于检测脱粒主轴的转速；所述单片机包括相位计算单元和幅值计算单元，所述幅值计算单元根据检测脱粒滚筒的振动值确定振动的振幅；所述相位计算单元根据检测脱粒主轴的转速确定配重盘转动的相位角；所述单片机根据振动的振幅和相位角确定配重盘达到平衡需要转动的相位角，所述单片机控制电磁铁使配重盘分别转动。
14.一种适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置的控制策略，包括如下步骤：
15.在任意所述平衡装置处于不平衡状态下，通过振动传感器检测脱粒滚筒的振动值，所述幅值计算单元根据振动传感器检测值确定振动的振幅x1；
16.所述单片机控制电磁铁使右配重盘和左配重盘分别同向转动θ，所述幅值计算单元根据振动传感器检测值确定振动的振幅x2；
17.所述单片机控制电磁铁使右配重盘再转动-θ，同时使左配重盘再转动-θ+π；通过振动传感器检测值确定振动的振幅x3；
18.所述单片机根据下面公式计算出右配重盘需要转动同时左配重盘需要转动后，平衡装置可达到平衡状态：
[0019][0020]
其中：t和λ表示为：
[0021][0022][0023]
所述单片机控制电磁铁使右配重盘转动同时使左配重盘转动完成平衡过程。
[0024]
本发明的有益效果在于：
[0025]
1.本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置，针对联合收割机脱粒滚筒在工作过程中受茎秆缠绕或安装误差等因素造成的不平衡问题，以及传统动平衡手段操作过程繁琐，效率低等问题，本发明所述的自适应平衡装置可实现对滚筒振动的实
时检测和动平衡，无需人工操作，实时性好，工作效率高。
[0026]
2.本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置，针对常规滚筒动平衡方法的局限性，依据永磁体自锁和电磁驱动理论，通过永磁体产生的磁场实现其位置的稳定，原理简单且安全可靠。此外，设计的电磁驱动式矢量复合配重式平衡装置具有结构简单，安装方便的特点，具有显著的结构创新。
[0027]
3.本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置的控制策略，可实现快速自动平衡策略，整个平衡过程仅需三次振动测量，以及两次平衡盘的转动，即可完成试重过程。平衡过程简单，计算快速。算法及程序烧录在单片机中，能够实时完成平衡的自适应控制。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置安装位置图。
[0030]
图2为本发明所述的平衡装置装配示意图。
[0031]
图3为本发明所述的平衡装置结构示意图。
[0032]
图4为本发明所述的平衡装置爆炸图。
[0033]
图5为本发明所述的平衡盘结构图。
[0034]
图6为本发明所述的自锁磁场示意图。
[0035]
图7为电磁铁通电后的运动示意图。
[0036]
图8为本发明所述的控制系统示意图。
[0037]
图9为本发明所述的控制策略流程图。
[0038]
图中：
[0039]
1-脱粒滚筒；101-脱粒组件；102-脱粒主轴；103-轴承座；2-平衡装置；201-左侧电磁铁；202-右侧电磁铁；203-右壳体；204-右支撑板；205-右侧轴承；206-右磁板；207-右配重盘；208-永磁体；209-中间磁板；210-左配重盘；211-左磁板；212-左支撑板；213-左侧轴承；214-左壳体；3-滚筒安装侧板；4-控制系统；401-振动传感器；402-转速传感器；403-单片机；404-相位计算单元；405-幅值计算单元；5-电源。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0041]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系
为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0043]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
如图1和图2所示，本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置包括脱粒滚筒1、平衡装置2、滚筒安装侧板3、控制系统4、电源5；所述电源5安装在滚筒安装侧板3上；所述脱粒滚筒1包括脱粒主轴101、脱粒组件102和轴承座103，所述轴承座103安装在脱粒主轴101一端，并与脱粒滚筒安装板连接，用于固定脱粒滚筒1；
[0045]
如图3和图4所示，所述平衡装置2包括左侧电磁铁201、右侧电磁铁202、右壳体203、右支撑板204、右侧轴承205、右磁板206、右配重盘207、永磁体208、中间磁板209、左配重盘210、左磁板211、左支撑板212、左侧轴承213和左壳体214；所述中间磁板209安装在脱粒主轴101上，所述中间磁板209两侧的脱粒主轴101上分别安装右轴承205和左轴承213；所述右轴承205外圈安装右配重盘207，且所述右配重盘207为偏质心的配重盘；所述左轴承213外圈安装左配重盘210，且所述左配重盘210为偏质心的配重盘；所述右配重盘207和左配重盘210的周向分别均布若干通孔，每个通孔内安装永磁体208；所述右轴承205一侧的脱粒主轴101上安装右支撑板204，所述右支撑板204上安装右磁板206；所述左轴承213一侧的脱粒主轴101上安装左支撑板212，所述左支撑板212上安装左磁板211；右壳体203和左壳体构成壳体，所述中间磁板209、右轴承205、左轴承213、右支撑板204、左支撑板212、右配重盘207和左配重盘210位于壳体内。所述右壳体203内安装右电磁铁201，通过右电磁铁201产生磁场，使右配重盘207与脱粒主轴101相对转动。所述左壳体214内安装左电磁铁202，通过左电磁铁202产生磁场，使左配重盘210与脱粒主轴101相对转动。所述右壳体203通过螺栓连接安装在滚筒安装侧板3上。
[0046]
如图5所示，所述右配重盘207与左配重盘210外侧沿圆周分别均布着40个直径为5mm的通孔；每个通孔中均安装有永磁体208；用右配重盘207举例说明，所述右配重盘207上通孔内的永磁体208磁极n-s交替排列，即右配重盘207上相邻通孔内的永磁体208磁极相异。
[0047]
所述右磁板206、中间磁板209和永磁体208可形成自锁磁场，使右配重盘207与脱粒主轴101同步转动，不产生相对转动；所述右侧电磁铁202通入电流后，产生驱动电磁场，破环自锁磁场，从而带动右配重盘207转动一定角度，与脱粒主轴101产生相对转动；所述左磁板211、中间磁板209和永磁体208可形成自锁磁场，使左配重盘207与脱粒主轴101同步转动，不产生相对转动；所述左侧电磁铁201通入电流后，产生驱动电磁场，破环自锁磁场，从而带动左配重盘210转动一定角度，与脱粒主轴101产生相对转动。如图6所示，根据“磁阻最
小”原理，磁场的主要参数主要有磁阻，磁通，磁势，如果有两条磁阻不同的支路，这两条支路的磁势差是相同的，但是磁阻小的那一路磁通大，即磁阻最小原理。在永磁体与两侧铁磁板形成的磁场中，永磁体充当磁路的激励源，两侧铁磁板以及气隙充当通路，本发明中的永磁自锁磁路是含有空气隙的串联磁路。
[0048]
如图7所示，分别在两侧驱动电磁铁中通入方向相反的电流，则两侧配重盘所受到的外加电磁场方向相反，假设左侧配重盘运动方向为图中显示的向下，右侧配重盘运动方向为向上。当配重盘将到达指定位置时，断开电流，此时因配重盘自身的惯性作用，仍会有保持原有运动的趋势，从而向下一个自锁位置转动。由于撤销外加电磁场，此时装置内主要的激励源又转变为永磁体，因此，两个配重盘在该位置又重新达到自锁状态。
[0049]
如图8所示，还包括所述控制系统4，所述控制系统4包括振动传感器401、转速传感器402、单片机403；所述振动传感器401用于检测脱粒滚筒1的振动值，所述转速传感器402用于检测脱粒主轴101的转速；所述单片机403包括相位计算单元404和幅值计算单元405，所述幅值计算单元405根据检测脱粒滚筒1的振动值确定振动的振幅；所述相位计算单元404根据检测脱粒主轴101的转速确定右配重盘207和左配重盘210转动的相位角；所述单片机403根据振动的振幅和相位角确定右配重盘207和左配重盘210达到平衡需要转动的相位角，所述单片机403控制右电磁铁201和左电磁铁202使右配重盘207和左配重盘210分别转动。
[0050]
如图9所示，本发明所述的适用于联合收割机脱粒滚筒的自适应平衡装置的控制策略，包括如下步骤：
[0051]
在任意所述平衡装置2处于不平衡状态下，通过振动传感器401检测脱粒滚筒1的振动值，所述幅值计算单元405根据振动传感器401检测值确定振动的振幅x1；
[0052]
所述单片机403控制右电磁铁201使右配重盘207转动θ，同时控制左电磁铁202使左配重盘210同向转动θ，所述幅值计算单元405根据振动传感器401检测值确定振动的振幅x2；
[0053]
所述单片机403控制右电磁铁201使右配重盘207再转动-θ，同时控制左电磁铁202使左配重盘210同向再转动-θ+π，通过振动传感器401检测值确定振动的振幅x3；
[0054]
所述单片机403根据下面公式计算出右配重盘207需要转动同时左配重盘210需要转动后，平衡装置2可达到平衡状态：
[0055][0056]
其中：t和λ表示为：
[0057][0058][0059]
所述单片机403控制右电磁铁201使右配重盘207再转动同时控制左电磁铁
202使左配重盘210再转动完成平衡过程。
[0060]
整个平衡过程仅需三次振动测量，以及两次平衡盘的转动，即可完成试重过程。平衡过程简单，计算快速，能够实时平衡的自适应控制。
[0061]
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0062]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。