王　瑞，李耀明，唐　忠，李有為，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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聯(lián)合收割機(jī)載荷測試系統(tǒng)構(gòu)建與影響因素分析

王瑞，李耀明，唐忠，李有為，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為了給履帶式聯(lián)合收割機(jī)的傳動系統(tǒng)及動力分配提供合理的設(shè)計依據(jù)，需要得到聯(lián)合收割機(jī)的載荷測試信號。為此，根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)特點，選用合理的扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計了履帶式聯(lián)合收割機(jī)載荷測試系統(tǒng)，并以沃得飛龍型履帶式聯(lián)合收割機(jī)為樣機(jī)搭載該系統(tǒng)，進(jìn)行了水稻田間收獲試驗和底盤試驗，測得該樣機(jī)在極限工況下不同工作部件的載荷。試驗結(jié)果為履帶式聯(lián)合機(jī)傳動系統(tǒng)優(yōu)化及動力分配提供了合理的設(shè)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；載荷；履帶式；動力分配

0引言

聯(lián)合收割機(jī)的傳動系統(tǒng)設(shè)計是一個系統(tǒng)工程。首先，要把發(fā)動機(jī)的動力合理地分配到行走底盤、割臺、傾斜輸送槽、脫粒分離裝置、清選裝置及輸送裝置等工作部件；其次，要保證各工作部件可以長時間安全可靠的工作[1-2]。

國外已有學(xué)者建立了聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵部件動力需求模型，并根據(jù)此模型將發(fā)動機(jī)的動力進(jìn)行合理的分配[3-4]。國內(nèi)的聯(lián)合收割機(jī)從結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力分配到零部件乃至整機(jī)的設(shè)計制造和裝配大多參考已有機(jī)型或生產(chǎn)經(jīng)驗[5]；但對聯(lián)合收割機(jī)可靠性的考慮較少，在實際應(yīng)用中沒有解決故障率高、壽命短的問題。扭矩是聯(lián)合收割機(jī)一些部件承受的主要載荷,其所受的載荷大、頻率高,則壽命低[6]。

本文以沃得飛龍型履帶式聯(lián)合收割機(jī)為試驗樣機(jī)，構(gòu)建了聯(lián)合收割機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速無線測試系統(tǒng)，對行走底盤、中間傳動軸、脫粒分離滾筒、傾斜輸送槽及割臺傳動軸的實際作業(yè)扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，得到聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵工作部件在各種不同工況下的扭矩和轉(zhuǎn)速，為聯(lián)合收割機(jī)動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

1載荷測試系統(tǒng)構(gòu)建

1.1聯(lián)合收割機(jī)傳動部件

沃得飛龍型聯(lián)合收割機(jī)是雙橫軸流型全喂入聯(lián)合收割機(jī)，主要由割臺、傾斜輸送槽、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)、雙層清選篩及履帶式行走底盤等部件組成，所有部件的動力均由發(fā)動機(jī)提供。其傳動路線示意圖如圖1所示。

圖1　沃得飛龍型收割機(jī)傳動路線示意圖

飛龍型聯(lián)合收割機(jī)上的傳動主要是由鏈條、皮帶及軸完成。由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力一部分傳遞給HST，由HST將動力傳遞給變速箱，再由變速箱傳遞給底盤左右半軸，且左右半軸分別與聯(lián)合收割機(jī)左右履帶相連；發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的另一部分動力由中間傳動軸傳出，中間傳動軸的動力一部分傳遞給第1脫粒滾筒軸和第2脫粒滾筒軸，再由第1脫粒滾筒軸傳遞給輸送槽，輸送槽主軸再將一部分動力傳遞給割臺(撥禾輪、攪龍、割刀)，中間軸的動力的另一部分直接傳遞給清選風(fēng)機(jī)、水平輸糧攪龍及清選篩等。

1.2載荷測試部件

結(jié)合聯(lián)合收割機(jī)傳動系統(tǒng)的特征及可用于安裝傳感器的位置和空間有限的特點，本文選用中間傳動軸、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽、割臺傳動軸及底盤左右行走半軸等部件為關(guān)鍵傳動部件，來構(gòu)建扭矩和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。

1.3扭矩與轉(zhuǎn)速無線測試方案

1.3.1底盤與割臺扭矩與轉(zhuǎn)速無線測試方案

沃得飛龍型聯(lián)合收割機(jī)行走底盤由左、右兩驅(qū)動半軸驅(qū)動，兩半軸在封閉的變速箱中且周圍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。若采用傳統(tǒng)的軸式或盤式扭矩傳感器測量扭矩，則要同時改造驅(qū)動半軸和變速箱結(jié)構(gòu)，并設(shè)計安裝相應(yīng)的扭矩傳感器基座和軸端式集流環(huán)。沃得飛龍型聯(lián)合收割機(jī)割臺傳動軸的軸向尺寸短、徑向空間有限，接軸式、盤式扭矩傳感器難度大。為降低測試系統(tǒng)的復(fù)雜程度并避免使用集流環(huán)，本文基于無線測試技術(shù)，以DH-5905型無線遙測模塊為基礎(chǔ)，構(gòu)建了聯(lián)合收割機(jī)底盤扭矩和轉(zhuǎn)速無線測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由霍爾傳感器、轉(zhuǎn)速采集模塊、電阻應(yīng)變計、電源模塊、扭矩采集模塊、無線路由器、計算機(jī)及分析軟件組成，采用Wi-Fi無線通訊技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　行走底盤與割臺扭矩和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)

1)扭矩與轉(zhuǎn)速無線測試系統(tǒng)所需儀器。扭矩與轉(zhuǎn)速無線測試系統(tǒng)由霍爾傳感器、轉(zhuǎn)速采集模塊、電阻應(yīng)變計、電源模塊、扭矩采集模塊、無線路由器及計算機(jī)組成。

2)無線測試系統(tǒng)扭矩傳感器的標(biāo)定。在底盤左右半軸光滑部位及割臺傳動軸軸表面進(jìn)行貼片，采用半橋接線及密封處理。對扭矩傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定前設(shè)計好標(biāo)定試驗臺，在標(biāo)定實驗臺上對底盤左右行走半軸、割臺傳動軸正反轉(zhuǎn)分別進(jìn)行加載和卸載靜態(tài)標(biāo)定，分別重復(fù)3組，隔2天再標(biāo)定一次。對標(biāo)定數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法求比例系數(shù)，則

3)無線測試系統(tǒng)傳感器的安裝。在行走底盤左右半軸扭矩傳感器上用密封膠進(jìn)行密封，以防止變速箱內(nèi)的潤滑油浸泡損壞扭矩傳感器。將扭矩采集模塊和電源模塊固定在設(shè)計好的雙模塊安裝支架中。

在割臺傳動軸扭矩傳感器上用密封膠進(jìn)行密封，并用膠布均勻地包裹著密封后的扭矩傳感器；然后，在膠布上貼上帶有雙面膠的隔震墊，隔震墊上安裝扭矩采集模塊和電源模塊，從而減少割臺振動對傳感器的影響。

綜合考慮安裝的空間、安裝難度及霍爾傳感器探頭與永久磁鋼的距離等因素，選取合適的位置安裝轉(zhuǎn)速傳感器支架，并在轉(zhuǎn)速傳感器支架上安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。

1.3.2其他部件扭矩與轉(zhuǎn)速有線測試方案

由于聯(lián)合收割機(jī)傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可用于安裝傳感器的位置和空間有限，本文選用中間傳動軸、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽等部件為關(guān)鍵傳動部件扭矩和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的測試對象。該測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　其他關(guān)鍵傳動部件扭矩和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)

1)有線測試系統(tǒng)所需儀器。其他關(guān)鍵傳動部件扭矩與轉(zhuǎn)速有線測試系統(tǒng)由4個扭矩傳感器、4個霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、DH5902型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機(jī)組成。

扭矩傳感器根據(jù)式(2)初步計算出沃得飛龍型聯(lián)合收割機(jī)實際作業(yè)時各關(guān)鍵傳動部件的扭矩值和可能受到的最大沖擊扭矩，由此來選擇扭矩傳感器的量程，則

(2)

式中T—扭矩(N·m)；

P—功率(kW)；

n—轉(zhuǎn)速(r/min)。

其次，根據(jù)各個傳動部件的具體結(jié)構(gòu)，來選擇使用軸式/盤式扭矩傳感器，并測量其傳動軸的扭矩。

扭矩傳感器的具體選型如下：①第1脫粒滾筒動力輸入端選用量程范圍為±1 000N·m的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；②第2脫粒滾筒動力輸入端選用量程范圍為±500N·m 的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；③傾斜輸送槽動力輸入端選用量程范圍為±500N·m的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；④中間輸出軸選用量程范圍為±1 000 N·m 的CYB-803S型軸式扭矩傳感器。

2)有線測試系統(tǒng)傳感器的安裝。為測試飛龍聯(lián)合收割機(jī)各個工作部件的載荷，選取斷軸的方法在第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽、中間傳動軸上安裝扭矩傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，并進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)速的測量。按照裝配圖把重新改造設(shè)計的零件部件、4個扭矩傳感器和4個霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝到聯(lián)合收割機(jī)上。安裝時，要注意調(diào)整扭矩傳感器基座的安裝位置確保其和傳動軸之間的同軸度要求，減少彎矩對扭矩測定值的影響。圖4～圖7分別是中間輸出軸、第1滾筒、第2滾筒和傾斜輸送槽的扭矩傳感器的安裝。

1.發(fā)動機(jī)動力輸出帶輪　2.中間輸出軸支撐軸承I

1.第1滾筒傳動軸I　2.第1滾筒傳感器連接法蘭I

1.第2滾筒傳動軸I　2.第2滾筒傳感器連接法蘭I

1.輸送槽傳動主軸I　2.輸送槽傳動帶輪

綜合考慮安裝的空間、安裝難度及霍爾傳感器探頭與永久磁鋼的距離等因素，選取合適的位置安裝轉(zhuǎn)速傳感器支架，并在轉(zhuǎn)速傳感器支架上安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。

2聯(lián)合收割機(jī)載荷測試試驗

為了得到聯(lián)合收割機(jī)在田間工作時的實時功耗數(shù)據(jù)，在2013年11月19日-11月22日開展為期3天的載荷測試試驗。載荷測試試驗分為田間試驗和底盤試驗。田間試驗包括載荷分布影響因素試驗和滿載荷試驗，對影響載荷分布的前進(jìn)速度、留茬高度和糧箱負(fù)載進(jìn)行田間對比試驗，分析每個影響因素對載荷分布的影響；在此基礎(chǔ)上，找出田間工作時載荷分布的極限工況，進(jìn)行滿載荷試驗。底盤試驗主要研究不同典型路面、不同行駛坡度對底盤行走半軸載荷的影響。

2.1試驗物料

本次試驗采用鎮(zhèn)江地區(qū)水稻“鎮(zhèn)10”，物料基本特性如表1所示。

表1　水稻基本特性參數(shù)

2.2載荷影響因素試驗與分析

2.2.1載荷影響因素試驗

通過改變機(jī)器前進(jìn)速度、留茬高度、糧箱負(fù)載，對機(jī)器載荷分布進(jìn)行田間對比試驗，分析每個影響因素對機(jī)器扭矩和功耗的影響。聯(lián)合收割機(jī)在田間收獲時，各工作部件的載荷受聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度、留茬高低、糧箱負(fù)載的影響。為測試影響聯(lián)合收割機(jī)載荷的主要因素，通過對飛龍聯(lián)合收割機(jī)在丹陽埤城西豐村沃得試驗田以“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”，“滿糧箱(1.1t)、半糧箱(0.62t)、空糧箱(0.14t)”，“低留茬(10cm)、中留茬(20cm)、高留茬(30cm)”的各種組合收獲的工況下進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)速采集并計算相應(yīng)功耗；每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。

2.2.2載荷影響因素試驗分析

在相同留茬高度和相同糧箱負(fù)載的情況下，在田間收獲時采用“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”3種不同前進(jìn)速度進(jìn)行載荷測試。不同前進(jìn)速度下滾筒功耗變化趨勢如圖8所示。

圖8　不同前進(jìn)速度的試驗結(jié)果曲線

在相同前進(jìn)速度和糧箱負(fù)載相同的情況下，聯(lián)合收割機(jī)在田間收獲時對田間水稻以低茬(10mm)、中茬(20mm)、高茬(30mm)3種收獲工況時進(jìn)行載荷測試。不同留茬高度下滾筒功耗變化趨勢如圖9所示。

圖9　不同留茬高度的試驗結(jié)果曲線

在相同前進(jìn)速度和留茬高度的前提下，聯(lián)合收割機(jī)在田間收獲時對田間水稻以滿糧箱、半糧箱、空糧箱3種收獲工況時進(jìn)行載荷測試。不同糧箱負(fù)載滾筒功耗變化趨勢如圖10所示。

圖10　不同糧箱負(fù)載的試驗結(jié)果曲線

在相同留茬高度和糧箱負(fù)載的情況下，隨著前進(jìn)速度的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統(tǒng)功耗均逐漸增大；在相同前進(jìn)速度和糧箱負(fù)載的情況下，隨著留茬高度的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統(tǒng)功耗均有先明顯減小后逐漸減小的趨勢；在相同的前進(jìn)速度和相同的留茬高度下，隨著糧箱內(nèi)糧食的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統(tǒng)功耗變化不大，并沒有明顯的規(guī)律性。

2.3滿載荷試驗與分析

通過對聯(lián)合收割機(jī)在田間收獲時各工作部件在“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”，“滿糧箱(1.1t)、半糧箱(0.62t)、空糧箱(0.14t)”，“低留茬(10cm)、中留茬(20cm)、高留茬(30cm)”工況下的載荷測試可知：快速、低留茬、滿載收獲時所需的載荷最大。為此，在田間進(jìn)行5次快速、低留茬、滿載收獲試驗，測試中間軸、割臺、輸送槽、第1滾筒、第2滾筒、清選系統(tǒng)正常收獲時的載荷。

飛龍聯(lián)合收割機(jī)田間滿負(fù)荷收獲時扭矩分布為：中間軸功耗范圍為169.3～195.5N·m，平均功耗為181.5N·m；割臺功耗范圍為50.9～60.2N·m，平均功耗為57.1N·m；輸送槽功耗范圍為84.4～100.1N·m，平均功耗為91.7N·m；第1滾筒功耗范圍為72.1～77.9N·m，平均功耗為75.1N·m；第2滾筒功耗范圍為126.3～165.7N·m，平均功耗為143.5N·m。

飛龍聯(lián)合收割機(jī)田間滿負(fù)荷收獲時的功耗分布為：中間軸功耗范圍為29.92～34.88kW，平均功耗為32.12kW；割臺功耗范圍為2.13～2.52kW，平均功耗為2.39kW；輸送槽功耗范圍為0.94～1.42kW，平均功耗為1.14kW；第1滾筒功耗范圍為6.04～6.53kW，平均功耗為6.29kW；第2滾筒功耗范圍為10.55～13.88kW，平均功耗為12.02kW；清選系統(tǒng)功耗范圍為8.88～12.01kW，平均功耗為10.28kW。

2.4底盤載荷試驗與分析

2.4.1底盤載荷試驗

為研究不同行走路面對聯(lián)合收割機(jī)底盤載荷的影響，對砂石路面、水泥路面、田間軟泥路面、干燥泥土路面的4種典型行走路面進(jìn)行快速(1m/s)行走底盤載荷測試。為研究不同行走路面坡度對聯(lián)合收割機(jī)底盤載荷的影響，在沃得駐坡試驗臺進(jìn)行了行走底盤載荷測試，試驗采取相同的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速(11rad/s)，其中沃得駐坡試驗臺分為A坡(11°)和B坡(13.5°)。

2.4.2底盤載荷試驗分析

在快速直行的工況下，不同行走路面狀況下聯(lián)合收割機(jī)底盤行走半軸的功耗如圖11所示，不同坡度下聯(lián)合收割機(jī)底盤行走半軸的功耗如圖12所示。

在快速直行的工況下，在田間軟泥路面上，聯(lián)合收割機(jī)底盤的扭矩和功耗最大；干燥泥土路面次之；聯(lián)合收割機(jī)在砂石路面上快速直行時，所受扭矩和功耗小于干燥泥土路，在水泥路面上扭矩和功耗最小。同時，存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現(xiàn)象。

在相同的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速下，隨著坡度的增加，驅(qū)動軸的扭矩和功耗隨之增加。同時，存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現(xiàn)象。

圖11　不同路面的試驗結(jié)果曲線

圖12　不同路面坡度的試驗結(jié)果曲線

3結(jié)論

1)設(shè)計了聯(lián)合收割機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的載荷測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時測量聯(lián)合收割機(jī)行走底盤和關(guān)鍵傳動部件的扭矩與轉(zhuǎn)速。

2)聯(lián)合收割機(jī)在快速、滿載、低留茬時工作部件功耗最大，在軟泥路面行駛時左右半軸功耗最大。

3)中間軸平均總功耗為32.12kW,存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現(xiàn)象。

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The Load Measurement and Analysis of Influencing Factors for Combine

Wang Rui， Li Yaoming， Tang Zhong， Li Youwei， Xu Lizhang

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to provide reasonable basis for the design of the crawler combine harvester’s transmission system and power distribution, the signal of load test is needed. In this paper, according to the whole structural characteristics of the combine harvester, the torque sensors, speed sensors and the data acquisition system are selected reasonably, the crawler combine harvester load test based on the prototype-WODE FEILONG is designed, the rice harvesting field test and half axle test is carried out, and the load of the prototype’s working parts at the limited conditions is acquired. The test results provide reasonable basis for the design of the crawler combine harvester’s transmission system and power distribution.

Key words：combine harvester; load; crawler; power distribution

文章編號：1003-188X(2016)04-0152-06

中圖分類號：S225. 2+2; TP391. 9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王瑞(1990-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，(E-mail)656683011@qq.com。通訊作者：李耀明(1959-)，男，江蘇張家港人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)ymli@ujs.edu.cn。

基金項目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2013GB2C100171)

收稿日期：2015-03-30