錢曉勝，康 杰

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716)

0 引言

均勻適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)負荷可以使稻麥聯(lián)合收獲機處于最佳工作狀態(tài)[1-2]。通過對稻麥聯(lián)合收獲機作業(yè)負荷進行實時監(jiān)測可以為操作人員的下一步操作提供科學(xué)的參考，以保證最佳的作業(yè)負荷。目前，對大中型全喂入式稻麥聯(lián)合收獲機的作業(yè)負荷監(jiān)測的研究較為成熟，主要有以下幾種：檢測脫粒滾筒轉(zhuǎn)速[2-3]、檢測驅(qū)動脫粒滾筒的傳動帶或傳動鏈的張緊力[4-5]、檢測驅(qū)動脫粒滾筒的液壓油缸的油壓[6]，以及通過扭矩傳感器檢測脫粒滾筒軸的輸出扭矩[7]。其中，通過扭矩傳感器直接檢測脫粒滾筒扭矩的方法最能夠及時準確地反映收獲機脫粒滾筒的實時負荷狀態(tài)[1]，而其他間接檢測方法響應(yīng)時間較長，具有一定的滯后性。本文針對一款丘陵山區(qū)小型電驅(qū)動脫粒滾筒收獲機，提出了一種基于電流檢測的脫粒滾筒負荷監(jiān)測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對脫粒滾筒負荷的實時監(jiān)測且無需安裝體積較大的扭矩傳感器，適用于丘陵山區(qū)小型收獲機的緊湊機型?；诖朔椒ǖ呢摵杀O(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測所研制的4GQT-90型小型手扶式收獲機脫粒滾筒的作業(yè)負荷并提示操作人員控制收獲機作業(yè)速度以保證該收獲機工作在額定的脫粒負荷范圍內(nèi)，從而提高了收獲機的脫粒質(zhì)量。

1 收獲機機械結(jié)構(gòu)

本文研究對象是一款用于丘陵山區(qū)稻麥割前脫粒的4GQT-90型手扶式收獲機[8]，其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中虛線表示動力源，其割前脫粒部件的三維模型如圖2所示。

1.螺旋輸送器 2.脫粒滾筒 3.直流電動機 4.拋升器 5.風(fēng)機 6.清選筒 7.集糧箱 8.發(fā)動機 9.扶手 10.分動箱

2 脫粒滾筒負荷的檢測原理

脫粒滾筒的扭矩能及時、準確地反映脫粒滾筒作業(yè)負荷[1]。4GQT-90型割前脫粒收獲機結(jié)構(gòu)緊湊且脫粒滾筒軸傾斜布置，扭矩傳感器體積較大，難以被安裝在該機器上，故不能直接測量脫粒滾筒的輸出轉(zhuǎn)矩。由于該收獲機采用直流電機為脫粒滾筒提供動力，故電機負載電流可以實時反映脫粒滾筒的作業(yè)負荷。為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，同時在脫粒滾筒軸處加入轉(zhuǎn)速傳感器，通過檢測脫粒滾筒轉(zhuǎn)速來間接判斷脫粒滾筒的工作狀況。

1.齒輪減速器 2.直流電動機 3.外殼 4.彈簧擋板 5.夾持鏈 6.弓齒滾筒

2.1 電流檢測原理

該并勵式直流電動機滿足以下關(guān)系[9]，即

Tm=CTφNIa≈CTφNI

(1)

其中，I是直流電機輸入電流；Ia是電樞電流；Tm是直流電機電磁扭矩，其值近似等于輸出扭矩；CT是轉(zhuǎn)矩常數(shù)；φN是勵磁磁通。

該收獲機的脫粒裝置采用對稱設(shè)計，假設(shè)工作過程中兩個脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和轉(zhuǎn)速完全相同，則有

Pm=2Pc/η

(2)

其中，η為電機與脫粒滾筒軸之間傳動裝置的效率；Pm為電機的輸出功率；Pc為單個滾筒所需功率。根據(jù)式(1)和式(2)，結(jié)合功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的基本關(guān)系，得到滾筒轉(zhuǎn)矩與電機電流關(guān)系為

I=2Tc/iηCTφN

(3)

其中，i是電機與脫粒滾筒之間的傳動比，i=nm/nc，nm和nc分別是電機轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速；Tc是滾筒扭矩。式(3)中，傳動裝置的i和η是不變的。對于已選用的直流電機，CT為常數(shù)，當(dāng)供電電壓不變且不考慮電樞反應(yīng)去磁作用時，φN也為常數(shù)。故直流電機輸入電流I與脫粒滾筒的輸出扭矩Tc之間呈線性關(guān)系。

2.2 脫粒滾筒負荷模型

脫粒滾筒扭矩、喂入量和收獲機作業(yè)速度的關(guān)系為[6,10]

(4)

其中，A和B為系數(shù)；ω為脫粒滾筒角速度；r為作物密度；γ為谷草比；λ為谷物出口速度與滾筒線速度的比值；f為脫粒滾筒搓擦系數(shù)；q為喂入量，q=Hρv。其中，H為作業(yè)幅寬；ρ為作物密度；v為收獲機作業(yè)速度。

對于一定的收獲機和作物，只有ρ和v是變量，由于作物密度ρ不可控制，通過改變收獲機的作業(yè)速度v可以保持穩(wěn)定的喂入量，使脫粒滾筒的負荷穩(wěn)定。該負荷監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)負荷大小提示操作人員對收獲機作業(yè)速度進行控制，以保持均勻適當(dāng)?shù)奈谷肓俊?/p>

3 收獲機脫粒滾筒性能試驗

為了得到該收獲機的實際額定脫粒負荷，需要將脫粒裝置安裝在試驗臺上進行性能測試。通過試驗臺下方的夾持鏈將未脫粒帶秸稈的等質(zhì)量小麥均勻送入脫粒裝置內(nèi)部進行脫粒，以改變夾持鏈的工作速度來調(diào)節(jié)喂入量。在脫粒滾筒軸處安裝扭矩傳感器(固定在試驗臺上)和轉(zhuǎn)速傳感器以檢測脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速；通過LED直接顯示實時扭矩和轉(zhuǎn)速，電流計被用來檢測和顯示直流電機的工作電流。當(dāng)進行不同喂入量試驗時，在脫粒滾筒穩(wěn)定工作時記錄下脫粒滾筒軸的扭矩、轉(zhuǎn)速及直流電機的電流值，以此研究不同喂入量時脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和扭矩的變化規(guī)律和趨勢。

首先對于該小型割前脫粒收獲機進行空載試驗，然后在喂入量0.1～1kg/s之間進行10組試驗，每組之間的喂入量相差0.1kg/s。由于對于同一喂入量，其作業(yè)負荷也是在一定范圍內(nèi)變化的，故扭矩、轉(zhuǎn)速和電流參數(shù)也不恒定，這里取其平均值作為此時喂入量對應(yīng)的試驗參數(shù)值，通過平滑曲線連接離散的試驗結(jié)果可以更好地反映其變化規(guī)律和趨勢。

試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)、(b)可以看出：采用對稱設(shè)計的兩個脫粒滾筒表現(xiàn)出了較為一致的作業(yè)性能，脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和轉(zhuǎn)速隨喂入量的增加而分別增大和降低；但是，喂入量在0.6～0.8kg/s范圍時，脫粒滾筒的作業(yè)扭矩和轉(zhuǎn)速變化較小，表現(xiàn)出較好的平穩(wěn)特性。由圖3(c)可以看出：直流電動機在此區(qū)間的負載電流比較穩(wěn)定，故此時的收獲機處于額定工況下工作。該額定工況的喂入量范圍取決于脫粒滾筒裝置的設(shè)計參數(shù)，如電動機功率和效率特性、傳動比、滾筒直徑和脫粒間距等。

(a) 脫粒滾筒扭矩曲線

(b) 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速曲線

(c) 直流電機負載電流曲線

4 負荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

4.1 收獲機的最佳作業(yè)負荷

從實驗室試驗結(jié)果可以看出：當(dāng)喂入量在0.6～0.8kg/s時，收獲機作業(yè)平穩(wěn)，作業(yè)效率較高，此時收獲機工作在額定狀態(tài)；當(dāng)喂入量小于0.6kg/s時，收獲機處于低負荷狀態(tài)，此時收獲機的作業(yè)效率較低，電動機的功率不能被充分利用；當(dāng)喂入量增加到0.8kg/s以上時，脫粒滾筒的扭矩和功耗有較快的上升趨勢，轉(zhuǎn)速下降也比較明顯，說明此時收獲機的作業(yè)負荷較大并有過載的征兆，繼續(xù)在該負荷下工作，容易造成脫粒滾筒堵塞、工作振動變大及作業(yè)性能降低。另外，從脫凈率和損失率方面考慮，處于額定工況下的脫粒滾筒具有比較合適和穩(wěn)定的作業(yè)扭矩和作業(yè)轉(zhuǎn)速，故可以達到好的脫粒效果[10-11]。

因此，在該收獲機負荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，以收獲機額定工作時的作業(yè)負荷作為設(shè)計基準，低于該負荷時，監(jiān)測系統(tǒng)會提示操作人員加快作業(yè)速度以提高作業(yè)效率；反之，則提示操作人員降低作業(yè)速度，防止收獲機超負荷工作。

4.2 收獲機作業(yè)負荷檢測

在該系統(tǒng)中，由于不能直接檢測喂入量，收獲機的作業(yè)負荷通過檢測直流電動機的負載電流和脫粒滾筒的工作轉(zhuǎn)速來間接反映。采用脫粒滾筒的工作轉(zhuǎn)速來反映作業(yè)負荷具有較大的滯后性[6]，而負載電流可以及時、準確反映作業(yè)負荷，故將負載電流作為主要的檢測參數(shù)，將脫粒滾筒轉(zhuǎn)速作為提高系統(tǒng)可靠性的輔助檢測參數(shù)。

本項目選用美國Allegro公司的電流傳感器ACS712來實時檢測直流電動機負載電流。該芯片具有響應(yīng)時間快(5μs輸出上升時間)、總輸出誤差最大為1.5%、SOIC8小型封裝、5V供電、高輸出靈敏度(66～185mV/A)等特點[12]，其性能指標(biāo)能夠滿足該系統(tǒng)的要求。根據(jù)傳感器特性，5V供電時被測電流Id與傳感器輸出電壓Vout的關(guān)系為

Id=15(Vout-2.5)

(5)

因此，只要采集到電流傳感器的輸出電壓值就可以得到此時直流電動機的負載電流大小，兩者呈線性關(guān)系。脫粒滾筒的工作轉(zhuǎn)速通過檢測轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖數(shù)獲得。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)的控制

由圖3(c)可以看出：當(dāng)收獲機處于額定工況時，電動機的負載電流在19～22A之間平緩變化?？刂破鲗﹄娏骱娃D(zhuǎn)速信號進行周期性采樣，每次采樣100個數(shù)據(jù)，然后將剔除及平均處理后的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前的采樣值。當(dāng)負載電流高于或低于該電流范圍時，控制器將通過LED顯示模塊提示操作人員減小或者增加收獲機的作業(yè)速度。在脫粒滾筒正常工作時，采集的轉(zhuǎn)速信號會和設(shè)定的故障轉(zhuǎn)速進行比較，當(dāng)?shù)陀谠摴收限D(zhuǎn)速時，為了防止脫粒滾筒堵轉(zhuǎn)和直流電機過流發(fā)熱，控制器將斷開電動機電源并報警提示。

5 田間試驗

定義負荷穩(wěn)定性變異系數(shù)K來表示負荷監(jiān)測系統(tǒng)的效果，該系數(shù)指的是在收獲機脫粒過程中電動機工作電流變化的程度，即

(6)

其中，K為負荷穩(wěn)定性變異系數(shù)(%)；V為各采樣點的平均電流(A)；S是負荷電流標(biāo)準差(A)。

(7)

其中，vi為各采樣點電流值(A)；n為采樣點數(shù)。

田間試驗在重慶市西南大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范中心的小麥試驗田進行。測試條件：作物平均高度為810mm，穗幅差為150mm，莖稈平均含水率為23%，籽粒平均含水率為22%，作物長勢較均勻且無倒伏。為了驗證該負荷監(jiān)測系統(tǒng)的功能，進行了兩組對比試驗。在第一組試驗中，安裝該負荷監(jiān)測系統(tǒng)并通過顯示模塊對操作人員進行操作提示；在第二組試驗中，仍然運行負荷監(jiān)測系統(tǒng)，但不安裝顯示模塊，同一操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗對收獲機的作業(yè)速度進行控制。為了對比作業(yè)效果，通過控制器存儲兩組試驗中所采樣的電動機負載電流，并將負載電流變化曲線和額定負載電流范圍進行比較。收獲機穩(wěn)定作業(yè)期間的試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 田間試驗作業(yè)電流測量對比曲線

由圖4可以看出：對于同一個操作人員，在沒有顯示裝置輔助作業(yè)時，收獲機的作業(yè)負荷容易超過額定作業(yè)負荷，且由于作物密度的變化，收獲機的作業(yè)負荷波動很大；而操作人員對喂入量的控制具有較大的延遲且不能準確控制調(diào)節(jié)量。相對來說，通過監(jiān)測顯示裝置輔助作業(yè)時，收獲機工作在額定作業(yè)負荷附近且波動較小，說明操作人員的控制對作物密度的變化具有較好的適應(yīng)性。

如表1所示：在穩(wěn)定作業(yè)階段，有系統(tǒng)輔助控制收獲機的平均速度較人工經(jīng)驗控制要低30%左右。這主要是因為前者在工作中大多數(shù)時間都能被控制在額定的負荷范圍內(nèi)；而后者依靠人工經(jīng)驗，容易造成過載運行，所以收獲速度較前者更高；在負荷監(jiān)測系統(tǒng)輔助控制下收獲機工作在額定負荷范圍內(nèi)的時間為82%，而無該系統(tǒng)輔助下的經(jīng)驗控制只有8%，過載明顯。

表1 兩種負荷控制方法結(jié)果對比

此外，利用顯示裝置輔助作業(yè)時的負載電流數(shù)據(jù)標(biāo)準差為1.73，小于無顯示裝置輔助作業(yè)時的3.65，表明前者受作物密度變化的影響較小，穩(wěn)定性較好；對于平均作業(yè)電流，前者為21.3A，而后者達到了25.1A，后者超過了額定負荷時的電流范圍。通過式(6)計算得到兩組試驗的負荷穩(wěn)定性變異系數(shù)，前者和后者分別為8.1%和14.5%，表明有負荷監(jiān)測系統(tǒng)輔助控制時的收獲機作業(yè)負荷更加穩(wěn)定。田間試驗結(jié)果表明，該負荷監(jiān)測系統(tǒng)可以有效提高4GQT-90型收獲機的使用性能。

6 結(jié)論

1)本文研究的4GQT-90型收獲機是一款用于丘陵山區(qū)稻麥割前脫粒且采用電動雙滾筒的新機型。首先通過試驗獲得了該收獲機的額定脫粒負荷，然后利用驅(qū)動電機電流實時反映作業(yè)負荷的特性對電機電流進行監(jiān)測并以此為參考向操作人員提供增減速提示信息，從而達到收獲機在額定負荷范圍內(nèi)工作的目的。該監(jiān)測系統(tǒng)不需要對小型收獲機的機械結(jié)構(gòu)進行改動即可實現(xiàn)對其脫粒負荷的實時監(jiān)測。

2)田間試驗結(jié)果表明：在該監(jiān)測系統(tǒng)的輔助控制下，收獲機基本上可以達到預(yù)期的目標(biāo)。然而，當(dāng)作物密度變化較大時，收獲機仍容易超出額定的負荷范圍。這主要是因為電流監(jiān)測雖然能夠及時反映收獲機的脫粒負荷，但卻無法對脫粒負荷進行預(yù)測；如果喂入量在短時間內(nèi)變化很大，監(jiān)測系統(tǒng)會因為不能預(yù)測負荷而導(dǎo)致提示滯后，操作人員無法根據(jù)提示及時調(diào)整收獲機的作業(yè)速度，從而造成在部分時間段內(nèi)收獲機的負荷超過或者低于額定的負荷范圍。

3)采用的電流檢測可以實時、準確地反映脫粒滾筒的作業(yè)負荷，當(dāng)電流檢測出現(xiàn)故障時，通過轉(zhuǎn)速檢測也可以判斷脫粒滾筒是否嚴重過載，發(fā)生堵塞等故障，兩者結(jié)合可以有效提高負荷監(jiān)測系統(tǒng)的工作可靠性。該負荷監(jiān)測系統(tǒng)可以輔助操作人員完成對所研究的小型收獲機的負荷控制，使收獲機基本工作在額定的負荷范圍內(nèi)，以保證較好的作業(yè)質(zhì)量及較高的工作效率。但是，該監(jiān)測系統(tǒng)無法預(yù)測脫粒負荷，特別是當(dāng)作物密度變化很大時，系統(tǒng)的提示滯后會影響其使用性能，無法及時提示操作人員進行增減速操作，導(dǎo)致收獲機不能在額定的負荷范圍內(nèi)進行工作，下一步將重點研究如何增加該系統(tǒng)的脫粒負荷預(yù)測功能，從而進一步提高其對變化負荷的適應(yīng)性。