吕凤玉，袁虎成，贺成柱

(甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

青饲料是饲喂奶牛、肉牛和羊等牲畜的理想饲料，目前我国青贮饲料生产主要以畜牧养殖场、养殖户自贮自用为主，商业化的青贮饲料生产还处于起步阶段。欧美等发达国家青贮裹包技术研发历史悠久，积累了丰富的生产和制造经验，产品技术成熟、品种齐全，功能完善。目前欧美等经济发达国家青饲料从种植到收获各生产环节都已实现全部机械化，知名制造商有德国克拉斯(CLAAS)、美国约翰迪尔(John Deere)、凯斯纽荷兰(CNH)和爱科(AGCO)、日本久保田(Kubota)等公司。我国从二十世纪50年代开始牧草打捆机械的研究，到本世纪初引入拉伸膜裹包青贮技术，在机械结构、动力配置、液压系统以及控系统方面技术不断发展创新，不同类型的打捆机和裹包机逐渐投入市场。文献[1]～[3]研制的小方捆打捆机，由纯机械机构组成，结构相对比较简单，与国外设备在控制及液压技术方面有差距，且产品可靠性有待提高。为了提高设备的自动化和智能化，通过研究裹包青贮技术、工艺要求及设备配置[4-5]，文献[6]、[7]采用PLC与嵌入式单片机系统作为设备主控制器，由于农业工作环境恶劣复杂，这类控制器现场使用故障率较高。CAN总线具有传输速率高、性能好、布线简单等优点，现广泛应用于车载控制系统[8]。目前在青贮商品饲料制作环节国内主要采用分体打捆机[9]和裹膜机[10]，打捆机将成型草捆防落至地面，裹膜机将草捆捡拾至裹膜平台缠绕拉伸膜后放出。

为提高青贮裹包设备作业效率、减少动力消耗、降低作业成本、提高打捆密实度高和裹膜密封性，笔者提出了基于Can-bus的9YCL-1.0青饲料联合打捆机电液控制系统开发方案。通过改进青贮圆草捆制作工艺流程，将打捆、裹膜分体设备集于一体，在文献[11]控制系统和文献[12]液压系统设计基础上经过改进设计，采用负载敏感液压系统和Can-bus通信车载电控系统作为电液控制系统，在打捆机成型室后部设计送捆装置并连接裹膜平台，省去草捆缠膜前放落地面又被捡拾的动作。

1 9YCL-1.0青饲料联合打捆机设计要求

9YCL-1.0青饲料联合打捆机工作时，主要完成进料、给网、开启旋转室落捆、关闭旋转室和对打捆链注油、裹膜、卸包等动作，要求全程自动控制操作，无需人工，提高青饲料联合打捆机作业效率。具体工作流程要求如下。

物料由喂料设备不断地均匀喂入布料仓内，经链板输送、拨料辊匀料及皮带输送至打捆室内，打捆室内的压辊按预定轨迹运动形成柱状腔体，物料在腔体内受离心力的作用被逐渐压紧，当压紧程度达到要求规定的范围时，由传感器发出电信号，布料仓链板停止送料，布网机构将青贮网喂入打捆室的前部，依靠圆草捆的自转将青贮网缠绕在柱面上，网层的设置通过计数螺纹轴来实现，捆网结束计数刀落下，由连动切网刀将青贮网切断，旋转室随即打开，将包网的圆柱捆卸到地面后自动关闭，而后布料仓链板自动启动，开始进行下一个青贮捆的制作。

制作好的青贮捆通过传输链板送入翻转装置，裹膜旋转部件与翻转装置按照设定的圈数进行转动，裹膜最后一圈时切膜刀升起，裹膜旋转部件最后转到停车位置后，切膜刀切断拉伸膜，翻转装置翻转到最低点放下青贮包后，立刻翻转回到最高点准备进行下一个青贮捆的裹包动作。如此循环反复不间断工作，完成切碎型青贮饲料的打捆裹膜工作。

2 电控系统组成及设计

为完成上述功能需求，9YCL-1.0青饲料联合打捆机电控系统由三部分组成：前端传感器、上位控制器和末端执行设备。通过在制作青贮圆草捆各个环节关键部位安装检测传感器，上位控制器采集信号后，按照联合打捆机控制流程，输出下一环节执行设备驱动信号，实现物料打捆裹膜全程自动化，实时显示青贮饲料打捆裹膜进展情况，便于操作人员操作维护设备。

2.1 前端传感器

9YCL-1.0青饲料联合打捆机外围电机设备由前端传感器和末端执行设备组成，分布如图1所示，主要包括成捆位置检测传感器、草捆放出传感器以及裹膜状态检测传感器，液压多路换向阀以及部件驱动直流电机。成捆位置检测传感器分布于布料仓、打捆室、布网机构，用于完成青饲料喂入、打捆、缠网、放草捆各作业流程位置检测，多路阀动作部件控制输送链板、打捆室后盖动作、送捆动作、裹膜、切膜、放捆动作；电机动作部件控制布网机构与润滑系统动作；警示器设备执行机构用于对圆草捆制作环节提示。

图1 外围电气分布图1.仓门全开传感器 2.安全杆传感器 3.计数传感器 4.翻转角度传感器 5.送捆马达 6.料满传感器 7.仓门全闭传感器 8.网异常传感器 9.蜂鸣器 10.网余量传感器 11.布网电机 12.缠网传感器 13.注油电机 14.缠网完成传感器 15.物料感知传感器

2.2 上位控制器

9YCL-1.0青饲料联合打捆机控制器主操作界面如图2所示。

图2 控制器操作界面

9YCL-1.0青饲料联合打捆机控制系统I/O点数共有25路干接点DI信号，8路0-5V输出AI信号，8路24VDC、驱动能力Imax≤3A的DO信号，10路PWMI、驱动能力Imax≤3A的AO信号。9YCL-1.0青饲料联合打捆机整车长7 700 mm，为简化车体布线与便于各模块通信，因选用具有CAN-bus通信功能的XL200-070A显控一体屏与XLPJ-40A24A型移动控制器。XLPJ-40A24A控制器12～36VDC供电、CoDeSys3.5编程环境、Cotex-M4 32bits 168MHz处理器、192KB RAM+256KB SRAM内存、1MB Flash+4MB NorFlash外存，XL200-070A型车载显控一体屏12～36VDC供电、Cotex-M4 32bits 180 MHz处理器、32MB SDRAM内存、256 MB Flash+4KB FRAM外存。此套系统I/O点数多、功能易扩展、安装空间小、电气成本较低。用于手自动控制选择、各电气执行设备启停控制以及运行状态显示与关键参数设置和显示。

2.3 控制流程

9YCL-1.0青饲料联合打捆机制作草捆流程依次为：捆包成型、缠网、放捆、裹膜和卸包，所有动作完成后草捆数加1，且在草捆放出后，当前成型草捆裹膜的同时，下一包草捆散草料在进料，保证在2 min内出一个青草包。各动作控制流程如下：

(1) 捆包成型 按下控制器自动按钮，选择供给开始，送料马达正转打开，润滑油泵打开，10 s后，润滑油泵关闭，料满传感器on，送料马达正转关闭。预留：堵转传感器on，料满传感器off，延时2 s，堵转传感器off，压力传感器达到压力报警值14 MPa，送料马达正转关闭，故障转动灯亮，蜂鸣器响，延时2s，故障转动灯灭，蜂鸣器关闭，面板显示“请清堵”，清堵按钮按下，送料马达反转打开，草料输送出来后，按下停止按钮，送料马达反转关闭。

(2) 缠网 延时2s，布网电机打开，捆包转动灯亮，缠网完成传感器on，缠网传感器on，布网电机关闭，缠网完成传感器off，捆包转动灯亮灭。预留：网余量传感器on，面板显示“请换网”。

(3) 放捆 延时2 s，仓门油缸开打开，仓门全开传感器on，延时30 s(捆包放出传感器on)，仓门油缸开关闭，仓门油缸闭打开，仓门全闭传感器on，仓门油缸闭关闭。

(4) 裹膜 草捆到位后，转台翻转油缸下打开，转台倾翻传感器角度=翻转台中间位置，转台翻转油缸下关闭，(第一圈低速)裹膜低速运行，裹膜圈数传感器on，内部变量圈数+1，包膜第1.5圈过后，切膜油缸开打开，抬刀时间t1后，切膜油缸开关闭，刀停留时间t2后，切膜油缸闭打开，刀落回时间t3。第二圈开始，裹膜高速运行，第17圈时，裹膜低速运行，第17.5圈时，切膜油缸开打开，第18圈时，切膜油缸开全闭，切膜油缸闭打开，延时10 s后(或刀座开关on)切膜油缸闭关闭。

(5) 卸包 拉伸膜缠绕完后，翻转油缸下打开，转台倾翻传感器角度=翻转台最低位置，转台翻转油缸下关闭，内部变量捆包数+1，延时2 s后，翻转油缸上打开，转台倾翻传感器角度=翻转台最高位置，转台翻转油缸上关闭。

3 液压系统组成及设计

9YCL-1.0青饲料联合打捆机液负载敏感液压系统组成如图3所示，主要由动力输出变量泵、控制主阀、执行机构和辅助元件等组成，执行机构包括送料马达、裹膜马达、滚筒转动马达、切膜油缸、落捆油缸、舱门开闭油缸；辅助元件包括管路、油箱、接头回油过滤器等。为提高设备可靠性和稳定性，9YCL-1.0青饲料联合打捆机液压系统全部选用丹佛斯液压元件。

图3 液压系统示意图及工作原理1.变量泵 2.主阀 3.送料马达 4.舱门开闭油缸 5.裹膜马达 6.滚筒转动马达 7.落捆油缸 8.切膜油缸 9.过滤器 10.油箱

4 试验及结论

为验证9YCL-1.0型青饲料联合打捆机电液控制系统性能及可靠性，以青贮玉米秸秆为原材料，在甘肃省武威市黄羊镇金科脉草业公司现场进行固定场地打包试验。青饲料原材料为玉米秸秆、含水率约60%，动力设备为45 kW三相异步电机，加装46号抗磨液压油。历时1个月，设备平均每天正常工作8 h，裹包数量平均每天在240个左右，在试验过程中，平均每2 min完成一个青贮饲料草包生产，试验表明该系统打捆密实度高，能最大程度减少饲料内部残存的空气，有效抑制青贮微生物霉菌的活动，有效降低青贮饲料中的呼吸强度和干物质损失，大大提高了青贮饲料的品质。此系统实现了整车运行状态的在线监测，以及设备作业信息采集，后续通过加装GPS组合惯导系统，可实现设备地理位置信息等的实时采集，远程对设备进行操控，为将来设备接入农业物联网奠定基础。