聯合收割機傳動效能動態測量與試驗分析

邵 堃

(河南職業技術學院機電工程系，河南鄭州 450046)

聯合收割機能夠將收割、脫粒、分離莖桿、清除雜物等工序進行集中作業，大大提升了農業生產率，也節省了大量的人力物力，是現代農業機械的重要組成部分[1-3]。聯合收割機興起于西方發達國家，我國對聯合收割機的設計起步較晚，主要是模仿國外的機型進行制造。同時，聯合收割機屬于高耗能設備，由于對一些關鍵機械部件的參數設計是否合理沒有標準，往往會導致各部件工作不協調，在沒有提高生產效率的情況下增加了不必要的功率消耗，傳動效能明顯較低[4]。為了將其功率損耗控制在最低，須要了解影響旋耕機傳動效能的因素，主要有2個方面：(1)旋耕機本身的設計合理性，包括滾筒大小、作業幅寬、刀片組合結構及鋒利程度、傳動系統(齒輪箱等)等；(2)工況條件，包括土地平整度、作業行進速度、刀輥轉速等情況，其中，最直接的方法是通過控制行進速度來提高傳動效能。

由于聯合收割機的工作載荷較大且作業環境復雜，在連續長期的工作過程中容易出現故障，例如(1)傳動部件(齒輪箱)過度磨損、潤滑不良，從而導致旋轉阻力過大；(2)滾筒和篩面堵塞，導致載荷異常，影響正常作業；(3)切割遇到石塊、木樁、鐵絲等異物，導致割鈍化或者變形；(4)鏈條斷裂，滾筒等主要部件停止工作。這些故障主要表現為對應機械部件載荷的驟增或驟減，輕則影響收割作業，重則會給收割機造成致命性的損害[5]。扭矩和轉速是傳動功率的直接參數[6]。本研究通過應變片電橋測量聯合收割機各主要機械部件傳動軸的扭矩，利用開關霍爾傳感器測量傳動軸的轉速，從而得出各主要機械的實時功率情況。通過對巨龍280型聯合收割機進行改進，增加各主要傳動部件的功率進行在線檢測，得出其傳動效能，同時，在遇到突發故障時，能夠及時發現并停機檢查處理，能夠有效避免更大損害設備的事故發生。

1 聯合收割機傳動系統

1.1 聯合收割機組成

以沃得巨龍280聯合收割機為對象進行研究，其為雙滾筒橫軸流型聯合收割機，由發動機提供動力，經由主傳動軸輸入，主要機械部件有行走地盤、第1滾筒、輸出槽、割臺、第2滾筒、割草器、振動篩、風機等[7]。聯合收割機傳動系統如圖1所示。

對于該機型來說，有效功率的消耗主要來自第2滾筒、割草器、第1滾筒、割臺，也是易出現故障的主要部件。為了降低功耗并優化產品設計，須要監測各環節的實時功率，以便了解各機械部件的運行狀態。

1.2 傳動效能的計算

傳動效能是衡量機械設計優劣的重要參數之一，結構設計的越合理功率損耗就越少[8]。傳動效能最直接的計算方法為實際消耗的功率與總功率之比，而對于旋轉部件來說，功率P(kW)可直接體現在傳動軸的扭矩T(N·m)和轉速S(r/min)上，可通過公式(1)來表達：

(1)

因此，通過測量主傳動軸和各分傳動軸上的扭矩和轉速就可以計算出傳動效能，即可得載荷的具體分配情況。

2 傳動軸扭矩與轉速測量原理

2.1 扭矩的測量

軸上的扭矩是指作用在軸上的力與其作用線到軸中心距離的矢量積的總和[9-10]。傳動軸受到旋轉力作用后會產生微小的形變，且在與中心軸線±45°的方向上發生的形變最大，即剪應力最大。本研究采用應變片電橋來測量扭矩，將4片等電阻應變片沿傳動軸中心線±45°方向貼敷在傳動軸的表面，并組成平衡電橋，利用電阻應變片隨自身的形變量而發生阻值的變化特性計算出扭矩，如圖2所示。

對電阻應變片來說，最大剪應力可以表示為公式(2)：

(2)

此時，傳動軸上產生的扭矩T可表示為

(3)

式中：ε45°是沿傳動軸45°上的最大應變量；d為傳動軸的直徑；G為彈性模量。

假設電阻應變片長度為L，受力后的長度變化量為ΔL，對應的形變量為ε，電阻值為R，則有關系式：

(4)

式中：K表示應變的靈敏系數。

那么電橋輸出的電壓U0可表示為

(5)

式中：ε1、ε2、ε3、ε4分別代表電阻應變片R1、R2、R3、R4產生的應變量；ΔR為電阻變化量。

根據式(3)、式(5)即可求出傳動軸上的扭矩。由于從電橋輸出的電壓U0非常微弱，須要對其進行濾波和調理放大處理，最后轉化為0～5 V的電壓送給處理器進行計算。

由于電動機輸出的功率較大，在主傳動軸的扭矩測量上設計專用的扭矩測量中間件(圖3)，只須通過簡單的固定(聯軸器)就可實現電動機與收割機的連接，也可方便靜態標定和拆卸安裝。

2.2 轉速測量

轉速主要有機械式、電磁式、電光式等3種測量方式，由于聯合收割機的作業環境非常復雜，利用電磁式開關霍爾傳感器對傳動軸的轉速進行測量，工作原理如圖4所示。

在旋轉軸的輪盤上固定1對(或均勻角度的多對)磁體，并在輪盤附件安裝開關霍爾傳感器，當傳動軸轉動時，磁體經過霍爾傳感器(磁感器)后會產生1個高電平信號，經過整形濾波后，輸出一定頻率的脈沖信號，脈沖頻率即為轉速[11]。最后，將采集到的扭矩和轉速信息通過無線模塊傳送到上位機進行處理。

3 扭矩的靜態標定

重點研究聯合收割機主傳動軸(總功率)、第1滾筒及割草器、第2滾筒、割臺4個位置的功率消耗情況，采用第2節的設計方法對這4個傳動軸進行安裝。在投入使用前還須要對其進行靜態標定，獲取扭矩與輸出電壓的關系，才能在后續的測量中得出準確的扭矩數值[12-14]。

考慮到動態標定難度較大，且容易導致測量誤差，故在實驗室扭矩平臺進行靜態標定。在標定的過程中采用正、反2個方向進行加減標準砝碼(0～1 000 N·m)的方法，每次加減100 N·m，重復5次，并記錄每個量程的平均值，分別得到聯合收割機主傳動軸、第1滾筒及割草器、第2滾筒和割臺4個傳動軸的試驗結果(表1)。

表1中，V1表示聯合收割電動機在主傳動軸上的扭矩傳感器輸出的電壓值；V2表示第1滾筒及割草器傳動軸上扭矩測量裝置輸出的電壓值；V3表示第2滾筒傳動軸上扭矩測量裝置輸出的電壓值；V4表示割臺傳動軸上扭矩測量裝置輸出的電壓值。

表1 4個傳動軸扭矩標定結果

將表1中的數據標注在坐標系中，得到4條扭矩與電壓的關系曲線(圖5)。

由圖5可以看出，扭矩與輸出電壓呈良好的線性關系，可以分別擬合方程式。

聯合收割機主傳動軸扭矩與輸出電壓關系式可表示為

y=248.50x+1.74。

(6)

第1滾筒傳動軸扭矩與輸出電壓關系式可表示為

y=273.80x+1.50。

(7)

第2滾筒傳動軸扭矩與輸出電壓關系式可表示為

y=297.90x+1.05。

(8)

割臺傳動軸扭矩與輸出電壓關系式可表示為

y=219.30x+2.45。

(9)

通過靜態標定找出輸出電壓與扭矩的關系式，并設定在上位機的運行程序中，即可實現測量各功能部件的實時功率。本方案沒有對轉速進行標定，原因為在高轉速的情況下，采用開關霍爾傳感器測量轉速誤差非常低，可通過在輪盤上固定多對磁體來提高轉速的準確度。

4 田間試驗與結果分析

為了檢驗設計的功率測量系統的工作穩定性，以沃得巨龍280聯合收割機為研究對象，作業幅寬為2.8 m，在地面平整的成熟水稻田中進行收割試驗，測量各主要功能部件的實時功耗，進而計算傳動效能。首先將靜態標定完的傳動軸安裝在聯合收割機上，并加裝開關型霍爾傳感器來測量對應的轉速，通過無線裝置實時傳送至上位機進行處理[15]。主要觀察各主要耗能部件的實際功率，并研究在不同行進速度(1.0～1.9 m/s)下，各主要功能部件的實時平均功耗，在每檔行進速度下運行5 min得到平均功耗(kW)，試驗結果如表2所示。

表2 田間測試結果

表2呈現了聯合收割機在不同行進速度下傳動系統各主要功能部件功率的分配和效能情況，說明設計的測量系統工作穩定可靠。在對產品進行設計和優化時，可提供重要的數據支持，同時，該系統還可以輔助在線故障診斷，當發現某個部件的功耗驟然增加或者降低時，說明該部分可能遇到了異常，導致阻力過大(潤滑不良、滾筒和篩面堵塞、割刀遇到異物)或者傳動失效(鏈條斷裂)。各主要部件總的傳動效能如圖6所示。

由圖6可知，行進作業速度在1.5 m/s的工況下，傳動效能最高，可達66.94%，通過測試可以指導在最優的工況下進行作業，從而降低總的功耗。

5 結論

利用應變電橋實現了傳動軸的扭矩測量，并用開關霍爾傳感器完成了傳動軸轉速的測量，經過靜態標定后，得到聯合收割機各傳動部分的實時功率，可對聯合收割機機械結構設計的合理性進行評估，為產品研發改進及質量檢測提供有力的數據支持。同時，還可以輔助進行在線故障診斷，避免故障的進一步升級。通過田間試驗結果表明，設計系統工作非常穩定，在1.0～1.9 m/s行進速度下，對聯合收割機主傳動軸、第1滾筒、第2滾筒、割臺的功率消耗情況進行分析，得出在1.5 m/s時，總的傳動效能最高，可達66.94%，為指導合理作業和降低功耗提供科學依據。