青贮饲料收获机割台高度固定控制装置的设计及应用

青贮饲料收获机割台高度固定控制装置的设计及应用李雷霞; 顾玲玲; 华荣江; 宋寅东; 王长会; 刘淑平【期刊名称】《《农业工程》》【年(卷),期】2019(009)008【总页数】4页(P88-91)【关键词】青贮饲料收获机; 割台; 高度固定; 角度传感器【作者】李雷霞; 顾玲玲; 华荣江; 宋寅东; 王长会; 刘淑平【作者单位】中机美诺科技股份有限公司北京100083; 现代农装科技股份有限公司北京100083【正文语种】中文【中图分类】S817.11+70 引言近年来，随着经济的快速发展，人民生活水平不断提高，对肉类和奶制品的需求量越来越大，从而加速了畜牧产业的发展步伐。

而用于生产肉类和奶制品等副食产品的主要饲料来源是青贮饲料，为青贮饲料收获机提供了广阔的市场。

青贮饲料收获机作为一种饲料作物收获机械，为畜牧业发展提供了高效生产机具[1]。

据调查，很多青贮饲料收获机用户表示，青贮饲料收获机在地块作业时，青贮饲料收获机需满足两方面的要求。

第一，作业地况不平整；第二，作业过程中需要频繁的掉头。

为了保证割茬高度的一致性，割台高度调节主要依靠机手经验，驾驶员一方面需要小心驾驶机器，另一方面又要密切注意观察割茬高度、喂入量以及发动机的工作情况，随时手动调整割台的工作高度，长时间的机械操作会增加驾驶员的疲劳度，降低收割效率，并且可能导致由于操作不当而致使割台前端与地面碰撞的危险，还常常会影响联合收割机工作效率的充分发挥。

针对上述问题，研究设计了一种青贮饲料收获机割台高度固定的控制系统，根据角度传感器实时反馈割台实际高度，再根据田间作业情况，驾驶员设定割台作业高度，地头转弯一键执行割台高度与循环操作。

在很大程度上提高青贮饲料收获机的作业效率。

1 割台控制系统研究现状割台是青贮饲料收获机的重要组成部分，是完成收获作业必不可少组件。

不同青贮饲料收获机所选用的割台结构是不同的，对于不同区域、不同高度和不同密度作物，割台机构在不断改进与再设计，随之割台控制系统也获得了一定发展。

早在20世纪70年代开始，国外许多联合收割机企业就开始研制割台的割茬高度控制系统。

进入21世纪后，自动控制技术以及液压传感技术有了新的发展，割台高度控制系统在功能和性能上也得到进一步的发展和完善。

最具代表性的是德国克拉斯公司D-850型青贮饲料收获机的割台高度控制系统装置。

该装置就是在割台上增加传感机构、电磁阀组及电气控制单元来实现高度自动控制[2]。

在传感机构选择上有接触式、非接触式和机器视觉式。

接触式主要通过机械结构接触地面，随着地形变化起伏，将机械形变转换为电信号输出，从而控制割台高度。

非接触式主要是采用超声波和红外测距传感器进行割台高度自动检测与调整；该探测方式易受杂物影响，存在探测盲区。

机器视觉式主要是通过摄像头采集图像识别作物高度信息，来调节割台高度；该方法测量成本较高，易受灰尘影响[3]。

目前，我国青贮饲料收获机在机械化方面取得了显著成就，但在自动化方面还处在起步阶段。

绝大多数青贮饲料收获机割台高度的调节和固定是通过驾驶员自己手工控制液压油路和视觉经验来实现的。

割台高度过高会导致收获损失率增大；割台高度过低，可能导致收割机割台喂入堵塞、作业负荷过大和驾驶员工作量增大[4]。

准确调节割台高度是联合收割机实现高效率和低能耗工作的基本要求[5]。

伴随农村劳动力日益减少，熟练驾驶人员短缺，迫切需要提高收获机自动化作业水平，减轻驾驶员的劳动强度。

另外，青贮饲料收获季节较短，过早和过晚收获都会造成饲料营养的损失，这对青贮饲料收获机工作性能的可靠性和作业效率提出了更高要求[6]。

伴随着科技的进步，智能控制技术的不断应用，青贮饲料收获机会紧跟时代脚步，机、电和液控制技术水平会不断探索发展和成熟，促使智能化和自动化水平会得到显著提升。

研究开发收获机割台高度固定控制系统，提高收获机自适应技术及自动化程度，对于提高机器的舒适性，减小机手劳动强度，满足用户日益提高的需求，非常有必要。

该控制方法是智能化农机装备的一种创新，同时对于提高我国农业现代化和农业机械的智能化都有着积极地促进作用。

2 结构组成2.1 割台高度固定控制装置目前，我国大中型农场使用的主要为不分行收割的自走式青饲料收获机。

主要结构包括割台、喂入装置、切碎装置、抛送装置、发动机、底盘、驾驶室、液压系统和电气控制系统等[7]。

在田间可一次性完成对作物的收割、切碎、揉搓和抛送装车等作业。

本文设计了接触式割台高度固定传感机构，主要由角度传感器、割台仿形板及连接杆等组成，如图1所示。

主要是通过机械结构硬连接，将角度传感器安装在和割台升降有同步运动的连杆上。

当升降割台时，角度传感器的连接杆也随着转动，割台升降液压缸驱动机械硬连接结构，带动连接杆转动；连接杆带动角度传感器转动，保证了割台和角度传感器的同步转动。

割台升降的高度范围能有效锁定在角度传感器的输出范围内，角度传感器的当前值就被线性定义为割台的高度值。

1.割台仿形板2.连接杆3.角度传感器图1 割台高度固定的控制装置Fig.1 A control device for fixing header in height角度传感器选用elobau公司的A06A090B，转角检测范围为-90°～90°，电压信号输出范围0.5～4.5 V。

传感器外形及输出特性如图2所示。

该传感器具有安装简单、线性好、测量精度高、防护等级高和适应恶劣的田间作业环境等特点。

图2 角度传感器外形及输出特性Fig.2 Profile and output characteristics of angle sensor2.2 割台高度固定控制系统割台高度固定的控制系统主要包含液晶显示屏、多功能手柄、角度传感器、控制器、电比例阀组、升降液压油缸和割台等，如图3所示。

控制器与角度传感器、液晶显示屏、多功能手柄和电磁阀相连接，角度传感器的数值反映割台的高度位置，并将检测信号传输至控制器，液晶显示屏可设置割台最高高度和最低高度，通过多功能手柄给控制器指令，控制器接收角度传感器信号和多功能手柄指令，执行电磁阀动作，电磁阀执行升降液压缸，控制割台升降达到设定的割台高度。

该系统通过角度传感器反馈信号准确判断割台的实时高度。

根据田间作业地况，实现自动智能调节割台高度升降，实现在收获机作业过程中，割台能随着收获地形的高低不平能快速实现调节割台高度的功能[8]。

图3 割台高度固定的控制系统Fig.3 Control system for fixing header in height 割台高度控制有手动和自动2种控制模式。

在手动模式下，可通过多功能手柄手动上升/下降开关自由控制割台升降。

自动模式下，需根据田间作业情况，在液晶屏显示器上设置理想的割台最高高度和最低高度，按动多功能手柄的固定高度按钮，进入自动模式。

无论是手动还是自动状态，通过角度传感器的检测，割台的高度会实时显示在液晶显示屏上。

3 工作原理及控制流程本文设计的割台高度固定控制系统属于一种精准农业的应用。

角度传感器能真实反应收获机割台作业的割茬高度，把高度信号反馈控制器，驾驶员根据地势情况，判断割台高度是否需要调整，通过多功能手柄给控制器指令，来执行电磁阀动作，电磁阀执行升降液压缸，控制割台升降。

驾驶员可灵活操作，从而达到作业高度的自动调节。

刚开始作业时，机手根据1～2次的作业情况，记录好理想的割台高度显示数值，在液晶显示屏上设置好最高高度和最低高度，即可进入作业高度的循环往复操作。

割台高度固定控制装置主要适用于地头转弯以及地块作业中有凸起部位。

当到地头转弯或突遇地块凸起部位时，一键启动，割台自动上升到割台最高高度；当地头转弯完毕或经过地块凸起部位后，一键启动，割台自动下降到理想的割台最低高度，即可执行收割作业，详细流程如图4所示。

割台高度固定控制系统能有效减少驾驶员的工作量，也在很大程度上提高青贮饲料收获机的作业效率。

图4 割台高度固定控制流程Fig.4 Flowchart of control system of fixed height of header割台高度固定的自动模式控制流程详细说明如下：开机上电，控制系统初始化，液晶显示屏显示割台实际高度值。

根据地况，可在液晶显示屏设置割台固定的最高高度值和最低高度值，按动割台高度固定按键，角度传感器触发，进入自动模式。

角度传感器信号值反馈给控制器，控制器判断割台实际高度值，当割台实际高度大于或等于固定最高高度时，控制器执行电磁阀，控制液压缸，割台下降。

当割台高度下降到固定最高高度值时，保持现有状态。

当未达到固定最高高度时，继续执行液压缸，割台下降；当割台实际高度小于固定最高高度设定值时，控制器执行电磁阀，控制液压缸，割台上升。

当割台高度上升到固定最高高度值时，保持现有状态。

当未达到最高高度时，继续执行液压缸，割台上升。

再次按固定高度按钮时，控制器执行电磁阀，控制液压缸，割台下降执行固定最低高度动作，当割台高度下降到固定最低高度值时，保持现有状态。

当未达到固定最低高度时，继续执行液压缸，割台下降。

按照此过程进行循环。

当按手动上升按钮或手动下降按钮时，固定高度模式取消，自动模式取消，同时执行手动上升和手动下降的动作，即割台升降。

此控制流程中，第1次按动割台高度按钮时，先执行固定最高高度，是项安全措施。

初始作业，不管割台位置在何处，控制器默认第1次按固定高度按钮时，务必先执行割台固定最高高度，避免用户的误操作。

4 割台高度固定控制的应用割台控制系统方式有很多种，对于青贮饲料收获机，具备一些特殊性。

青贮饲料是含水率为65%～75%的青绿饲料，收获作业环境恶劣，饲料浆汁与土田间土壤灰尘等对传感器性能及防护等级要求比较高。

对于传感器的选择、安装方式及防护，都是个难题。

多年的理论加之田间试验，传感器精准单一，故障点就会降低和减少。

液晶显示屏可以直观显示高度，设置操作简单，割台固定高度有记忆功能，便于用户操作，如图5所示。

青贮饲料收获机是一次性完成对作物的收割、切碎、揉搓和抛送装车等作业，机械及液压各部件操作复杂，本文设计的割台固定高度控制系统，能减少驾驶员频繁操作，同地块一致性的固定高度还能保证青贮饲料的营养价值和适口性，体现了割台高度固定控制的优越性。

图5 显示屏界面及作业效果Fig.5 Screen interface and field experiment result 5 结束语近年来，国家高度重视畜牧业的发展，出台了一系列扶持补贴政策，为畜牧业的发展提供了强有力的保障。

畜牧业的发展壮大，奶牛饲喂以及肉牛和肉羊育肥都需要大量的青贮饲料，这为青贮饲料收获机提供了广阔的市场。

本文设计开发的割台高度固定控制装置，传感器选择上精准单一，故障率少，满足用户需求，能达到理想试验效果。