小型收獲機電動脫粒滾筒負荷監測系統的設計

錢曉勝，康 杰

(西南大學 工程技術學院，重慶 400716)

0 引言

均勻適當的作業負荷可以使稻麥聯合收獲機處于最佳工作狀態[1-2]。通過對稻麥聯合收獲機作業負荷進行實時監測可以為操作人員的下一步操作提供科學的參考，以保證最佳的作業負荷。目前，對大中型全喂入式稻麥聯合收獲機的作業負荷監測的研究較為成熟，主要有以下幾種：檢測脫粒滾筒轉速[2-3]、檢測驅動脫粒滾筒的傳動帶或傳動鏈的張緊力[4-5]、檢測驅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[1]，而其他間接檢測方法響應時間較長，具有一定的滯后性。本文針對一款丘陵山區小型電驅動脫粒滾筒收獲機，提出了一種基于電流檢測的脫粒滾筒負荷監測方法，能夠實現對脫粒滾筒負荷的實時監測且無需安裝體積較大的扭矩傳感器，適用于丘陵山區小型收獲機的緊湊機型?；诖朔椒ǖ呢摵杀O測系統可以實時監測所研制的4GQT-90型小型手扶式收獲機脫粒滾筒的作業負荷并提示操作人員控制收獲機作業速度以保證該收獲機工作在額定的脫粒負荷范圍內，從而提高了收獲機的脫粒質量。

1 收獲機機械結構

本文研究對象是一款用于丘陵山區稻麥割前脫粒的4GQT-90型手扶式收獲機[8]，其整機結構如圖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.風機 6.清選筒 7.集糧箱 8.發動機 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負荷[1]。4GQT-90型割前脫粒收獲機結構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負荷。為了提高監測系統的可靠性，同時在脫粒滾筒軸處加入轉速傳感器，通過檢測脫粒滾筒轉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是轉矩常數；φN是勵磁磁通。

該收獲機的脫粒裝置采用對稱設計，假設工作過程中兩個脫粒滾筒的作業扭矩和轉速完全相同，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。根據式(1)和式(2)，結合功率、轉速和扭矩的基本關系，得到滾筒轉矩與電機電流關系為

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分別是電機轉速和滾筒轉速；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，當供電電壓不變且不考慮電樞反應去磁作用時，φN也為常數。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速度的關系為[6,10]

(4)

其中，A和B為系數；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；q為喂入量，q=Hρv。其中，H為作業幅寬；ρ為作物密度；v為收獲機作業速度。

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速度v可以保持穩定的喂入量，使脫粒滾筒的負荷穩定。該負荷監測系統可以根據負荷大小提示操作人員對收獲機作業速度進行控制，以保持均勻適當的喂入量。

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量小麥均勻送入脫粒裝置內部進行脫粒，以改變夾持鏈的工作速度來調節喂入量。在脫粒滾筒軸處安裝扭矩傳感器(固定在試驗臺上)和轉速傳感器以檢測脫粒滾筒的作業扭矩和作業轉速；通過LED直接顯示實時扭矩和轉速，電流計被用來檢測和顯示直流電機的工作電流。當進行不同喂入量試驗時，在脫粒滾筒穩定工作時記錄下脫粒滾筒軸的扭矩、轉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速和扭矩的變化規律和趨勢。

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，其作業負荷也是在一定范圍內變化的，故扭矩、轉速和電流參數也不恒定，這里取其平均值作為此時喂入量對應的試驗參數值，通過平滑曲線連接離散的試驗結果可以更好地反映其變化規律和趨勢。

試驗結果如圖3所示。由圖3(a)、(b)可以看出：采用對稱設計的兩個脫粒滾筒表現出了較為一致的作業性能，脫粒滾筒的作業扭矩和轉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，脫粒滾筒的作業扭矩和轉速變化較小，表現出較好的平穩特性。由圖3(c)可以看出：直流電動機在此區間的負載電流比較穩定，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計參數，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) 脫粒滾筒轉速曲線

(c) 直流電機負載電流曲線

4 負荷監測系統設計

4.1 收獲機的最佳作業負荷

從實驗室試驗結果可以看出：當喂入量在0.6～0.8kg/s時，收獲機作業平穩，作業效率較高，此時收獲機工作在額定狀態；當喂入量小于0.6kg/s時，收獲機處于低負荷狀態，此時收獲機的作業效率較低，電動機的功率不能被充分利用；當喂入量增加到0.8kg/s以上時，脫粒滾筒的扭矩和功耗有較快的上升趨勢，轉速下降也比較明顯，說明此時收獲機的作業負荷較大并有過載的征兆，繼續在該負荷下工作，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定的作業扭矩和作業轉速，故可以達到好的脫粒效果[10-11]。

因此，在該收獲機負荷監測系統設計中，以收獲機額定工作時的作業負荷作為設計基準，低于該負荷時，監測系統會提示操作人員加快作業速度以提高作業效率；反之，則提示操作人員降低作業速度，防止收獲機超負荷工作。

4.2 收獲機作業負荷檢測

在該系統中，由于不能直接檢測喂入量，收獲機的作業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速來間接反映。采用脫粒滾筒的工作轉速來反映作業負荷具有較大的滯后性[6]，而負載電流可以及時、準確反映作業負荷，故將負載電流作為主要的檢測參數，將脫粒滾筒轉速作為提高系統可靠性的輔助檢測參數。

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]，其性能指標能夠滿足該系統的要求。根據傳感器特性，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，兩者呈線性關系。脫粒滾筒的工作轉速通過檢測轉速傳感器的輸出脈沖數獲得。

4.3 監測系統的控制

由圖3(c)可以看出：當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速信號進行周期性采樣，每次采樣100個數據，然后將剔除及平均處理后的數據作為當前的采樣值。當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速度。在脫粒滾筒正常工作時，采集的轉速信號會和設定的故障轉速進行比較，當低于該故障轉速時，為了防止脫粒滾筒堵轉和直流電機過流發熱，控制器將斷開電動機電源并報警提示。

5 田間試驗

定義負荷穩定性變異系數K來表示負荷監測系統的效果，該系數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為負荷穩定性變異系數(%)；V為各采樣點的平均電流(A)；S是負荷電流標準差(A)。

(7)

其中，vi為各采樣點電流值(A)；n為采樣點數。

田間試驗在重慶市西南大學現代農業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。為了驗證該負荷監測系統的功能，進行了兩組對比試驗。在第一組試驗中，安裝該負荷監測系統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，仍然運行負荷監測系統，但不安裝顯示模塊，同一操作人員只能根據經驗對收獲機的作業速度進行控制。為了對比作業效果，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。收獲機穩定作業期間的試驗結果如圖4所示。

圖4 田間試驗作業電流測量對比曲線

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時，收獲機的作業負荷容易超過額定作業負荷，且由于作物密度的變化，收獲機的作業負荷波動很大；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節量。相對來說，通過監測顯示裝置輔助作業時，收獲機工作在額定作業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性。

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

表1 兩種負荷控制方法結果對比

此外，利用顯示裝置輔助作業時的負載電流數據標準差為1.73，小于無顯示裝置輔助作業時的3.65，表明前者受作物密度變化的影響較小，穩定性較好；對于平均作業電流，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定性變異系數，前者和后者分別為8.1%和14.5%，表明有負荷監測系統輔助控制時的收獲機作業負荷更加穩定。田間試驗結果表明，該負荷監測系統可以有效提高4GQT-90型收獲機的使用性能。

6 結論

1)本文研究的4GQT-90型收獲機是一款用于丘陵山區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，然后利用驅動電機電流實時反映作業負荷的特性對電機電流進行監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工作的目的。該監測系統不需要對小型收獲機的機械結構進行改動即可實現對其脫粒負荷的實時監測。

2)田間試驗結果表明：在該監測系統的輔助控制下，收獲機基本上可以達到預期的目標。然而，當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測；如果喂入量在短時間內變化很大，監測系統會因為不能預測負荷而導致提示滯后，操作人員無法根據提示及時調整收獲機的作業速度，從而造成在部分時間段內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負荷，當電流檢測出現故障時，通過轉速檢測也可以判斷脫粒滾筒是否嚴重過載，發生堵塞等故障，兩者結合可以有效提高負荷監測系統的工作可靠性。該負荷監測系統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，以保證較好的作業質量及較高的工作效率。但是，該監測系統無法預測脫粒負荷，特別是當作物密度變化很大時，系統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，導致收獲機不能在額定的負荷范圍內進行工作，下一步將重點研究如何增加該系統的脫粒負荷預測功能，從而進一步提高其對變化負荷的適應性。