鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

時謙，周亞賓，謝建華，趙維松,2，曹肆林,3，張新宇

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014；3.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000；4.華東師范大學軟件工程學院，上海市，200062)

0 引言

隨著殘膜回收機的使用和推廣，越來越多的殘膜回收作業(yè)采用殘膜回收機來完成[1]。現(xiàn)市面上較理想的殘膜回收機型主要是帶有鏈耙式拾膜機構和偏心滾筒式拾膜機構的機型[2-4]，其中鏈耙式殘膜回收機具有殘膜回收率高、作業(yè)效率高、對田間復雜的工作環(huán)境適應性好等優(yōu)點，已經(jīng)大量的生產(chǎn)并且投入使用[5-6]。鏈耙式殘膜回收機作業(yè)過程中，鏈耙式撿拾機構由于鏈節(jié)磨損或雙鏈結構受力不均勻引起跳齒現(xiàn)象時，駕駛員在駕駛室內(nèi)無法直接監(jiān)視其運行狀態(tài)，無法及時維修處理，導致鏈耙式撿拾機構等關鍵部件損壞，影響殘膜回收作業(yè)質量和作業(yè)效率。因此，設計一套高精度的收膜機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對收膜機機械狀態(tài)進行檢測，反饋出收膜機存在的問題，利用上位機實時顯示當前殘膜回收機的運行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時發(fā)出報警，提醒駕駛員下車維修，這對于避免機具嚴重損壞，保證田間作業(yè)質量，提高殘膜回收機的智能化水平具有實際意義。

目前國外對農(nóng)機傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)進行了較多研究，英國RDS等公司生產(chǎn)的采棉機監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測機具的動力輸出軸轉速、作業(yè)面積和前進速度等參數(shù)，通過系統(tǒng)的GIS綜合功能，完成對采棉機作業(yè)過程的實時監(jiān)測[7]。凱斯公司研制的農(nóng)業(yè)收割機裝配的故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測收割機傳動系統(tǒng)的溫度、振動等信息，判斷收割機是否出現(xiàn)故障，顯示報警信號[8]。國內(nèi)對農(nóng)機傳動故障監(jiān)測的研究起步較晚，但成果顯著，姚興林團隊研究了一種旋耕埋草刀輥轉速檢測裝置，該裝置利用轉速傳感器針對旋轉埋草刀輥主軸的轉速進行采集，實現(xiàn)了旋轉埋草刀輥主軸轉速大小的實時監(jiān)測，李耀明團隊利用扭矩傳感器，無線通訊技術，設計了一套聯(lián)合收割機傳動系統(tǒng)主軸扭矩在線監(jiān)測裝置[9]。

本文通過對鏈耙式殘膜回收機鏈耙撿拾機構轉動情況進行分析，設計一套鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性在線監(jiān)測系統(tǒng)，在監(jiān)測到跳齒故障發(fā)生時提醒駕駛員停車檢查，避免收膜鏈耙撿拾機構等關鍵部件損壞。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結構與工作原理

1.1 系統(tǒng)結構方案

鏈耙式殘膜回收機作業(yè)時，鏈耙式撿拾機構由于鏈節(jié)磨損或雙鏈結構受力不均勻導致雙鏈轉動不同步，引發(fā)跳齒現(xiàn)象，為了實時監(jiān)測鏈耙式撿拾機構的轉動情況，設計了鏈耙式殘膜回收機雙鏈傳動同步性監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信號調理模塊、單片機模塊、HC-12信號無線傳送模塊及上位機故障監(jiān)測軟件，監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。電渦流傳感器獲取的傳感器探頭與彈齒軸之間距離的原始阻抗信號經(jīng)信號調理模塊轉換為模擬電壓信號，模擬電壓信號接入單片機的A/D 轉換引腳，經(jīng)單片機內(nèi)部匯編程序判斷處理后，HC-12無線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送故障信息編碼，由安裝在拖拉機駕駛室的上位機解碼讀取收膜機實時工況信息，并通過觸摸屏將報警信息顯示出來。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structure diagram of monitoring system

1.2 監(jiān)測原理

傳感器的安裝位置如圖2所示，根據(jù)電渦流傳感器測位移原理可知[10-12]，彈齒軸經(jīng)過電渦流傳感器的感應端時，傳感器阻抗變化量

圖2 鏈耙撿拾機構與電渦流傳感器安裝位置Fig.2 Installation position of chain harrow pick-up mechanism and inductor sensor1.傳動軸 2.鏈輪 3.電渦流傳感器1 4.彈齒軸 5.彈齒 6.鏈條 7.電渦流傳感器2

(1)

式中：Z——傳感器感應到導體時阻抗值，Ω；

Z0——傳感器原有阻抗值，Ω；

M——互感系數(shù)，H；

R2——導體等效電阻，Ω；

L2——導體等效電感，H；

ω——線圈內(nèi)部交流電頻率，Hz。

由式(1)知，彈齒軸在經(jīng)過傳感器時，傳感器內(nèi)部線圈阻抗發(fā)生變化，其變化量與互感系數(shù)M成二次函數(shù)關系。互感系數(shù)M與傳感器和彈齒軸間距d成反比關系，因此，阻抗變化量與間距d成反比關系，彈齒軸離開后，阻抗值恢復為初始狀態(tài)。通過實時采集阻抗信號，可以實現(xiàn)彈齒軸經(jīng)過傳感器感應端過程的動態(tài)捕獲。單片機內(nèi)部程序對所捕獲的阻抗脈沖信號進行處理，獲取相鄰2個峰值信號的時間間隔，該間隔即為相鄰彈齒軸轉動的時間間隔。間隔時間乘以鏈耙撿拾機構的轉速則是彈齒軸間距的計算值。將實際間距與計算值相比較，判斷是否發(fā)生跳齒現(xiàn)象。判斷條件為0.8d1.2d(跳齒)。

其中，Δt為相鄰彈齒軸轉動的時間間隔，s；v為鏈耙撿拾機構的轉速，m/s；d為彈齒軸實際間距，m。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由單片機主控制器、電渦流傳感器、霍爾流傳感器、無線通信模塊和報警裝置等組成，整體系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of system

2.1 單片機模塊

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能及要求，需要完成雙鏈傳動同步性的在線監(jiān)測。因此，單片機必須滿足脈沖計數(shù)等功能，本系統(tǒng)選用的是STC89C52單片機，其工作電壓為3.3～5.5 V，工作頻率：0～40 MHz，有32個通用I/O口。

2.2 電渦流傳感器

圖中所示可變電感L4即為電渦流傳感器，Q1、C1、C2、C3組成電容式三點振蕩器，產(chǎn)生頻率為1 MHz 左右的正弦載波信號，電渦流傳感器接在振蕩回路中作為振蕩回路的可變電感元件，可變電感阻抗值變化引發(fā)高頻率載波信號的幅值變化。D1、C4、L3、C5組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器，檢波器將振蕩器高頻載波信號的幅值變化轉換成電壓值V變化。V變化反映阻抗Z的變化。

2.3 霍爾傳感器

本系統(tǒng)選用NJK-5002C型霍爾傳感器采集殘膜回收機動力軸轉速信號，霍爾傳感器檢測距離可達10 mm，輸出開關型脈沖信號，霍爾傳感器輸出的電壓脈沖信號不能直接連接單片機計數(shù)器，為防止單片機損壞，需經(jīng)過光耦合器阻斷傳感器與單片機的聯(lián)系后接入計數(shù)器引腳。其中光電耦合器型號為TLP521，其結構簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到1 MHz。單片機開啟計數(shù)器計算脈沖個數(shù)，并通過內(nèi)部匯編程序，計算出動力軸轉速。

2.4 無線通信模塊

系統(tǒng)選用HC-12模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，HC-12 無線通信模塊內(nèi)置STM8S003F3U6 MCU和SI4438射頻收發(fā)器。外圍元件較少，具有傳輸距離遠、信號連接穩(wěn)定的特點，可過UART接口實現(xiàn)與STC89C52半雙工連接。

3 系統(tǒng)軟件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件包括兩部分:下位機硬件驅動程序和上位機程序。下位機程序主要用于收膜機作業(yè)狀況判斷，并將狀態(tài)信息發(fā)送給上位機；上位機程序采用圖形化界面，顯示收膜機鏈耙撿拾機構的工作狀況。

3.1 系統(tǒng)硬件驅動程序

系統(tǒng)硬件驅動程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)工作前，先對下位機系統(tǒng)進行初始化設置。完成對系統(tǒng)工作模塊、相關寄存器和I/O口的初始化設置。初始化之后，電渦流傳感器通過外部中斷引腳向單片機發(fā)送工況信息，在接收到外部中斷的觸發(fā)信號后，進入中斷程序開啟定時器T0，并在下一次進入中斷時讀取時間值Δt、并將定時器T0清零重新計時，此時的定時值Δt可視為相鄰2彈齒桿轉動的時間間隔；并根據(jù)霍爾傳感器計算的速度值，判斷收膜機鏈耙撿拾機構是否發(fā)生跳齒故障，并發(fā)出聲光報警。

圖4 系統(tǒng)硬件驅動程序流程圖Fig.4 Flow chart of system hardware driver

3.2 上位機軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)程序由Visual Basic 6.0語言編寫，主要實現(xiàn)鏈耙撿拾機構工況顯示和故障報警功能，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of system software

通過對監(jiān)測系統(tǒng)彈齒桿間距的輸入，可改變微控制器內(nèi)部對彈齒軸間距閾值的設定，實現(xiàn)傳感器對不同型號殘膜回收機收膜鏈耙同步性的監(jiān)測，且保證監(jiān)測精度滿足監(jiān)測要求。系統(tǒng)工作前，先對上位機軟件進行初始化設置。其初始化主要是針對無線收發(fā)模塊和故障顯示程序，HC-12模塊完成初始化和發(fā)送設定的間距后，以100 Hz頻率向下位機發(fā)送機具運行狀態(tài)請求，接收到下位機發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，根據(jù)其解碼分析在客戶端作出相應的數(shù)據(jù)顯示。上位機客戶端主要分為通信及故障顯示模塊和報警記錄模塊。

3.2.1 通信及故障顯示系統(tǒng)

打開鏈耙式殘膜回收機雙鏈傳動同步性監(jiān)測系統(tǒng)軟件首先進入通信及故障顯示界面，上位機不停地接收下位機發(fā)送的幀數(shù)據(jù)，并按照通訊協(xié)議對幀數(shù)據(jù)格式進行解碼分析，故障狀況監(jiān)測模塊用于接收來自下位機幀數(shù)據(jù)流發(fā)送的“0”“1”“2”數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“0”表示正常，“1”表示預警，“2”表示報警的故障狀況監(jiān)測設計，故障狀況監(jiān)測顯示采用指示燈來提示駕駛員機具作業(yè)工況信息，并通過設置的蜂鳴器進行聲音提示。并且在指示燈下方顯示故障類型，放便駕駛員及時觀察故障發(fā)生位置。通訊與故障顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機通訊與故障顯示界面Fig.6 Communication and fault display interface of upper computer

3.2.2 報警記錄系統(tǒng)

在報警記錄界面中，可將故障發(fā)生類型、故障發(fā)生時間等數(shù)據(jù)存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)機具作業(yè)信息的本地存儲和管理,且在人工采集的數(shù)據(jù)上進行增、刪、改、查等操作，不斷完善采集的數(shù)據(jù)。方便用戶觀察收膜機的工況信息，同時也方便科研人員對機具結構進行優(yōu)化改進，報警記錄界面如圖7所示。

圖7 報警記錄系統(tǒng)界面Fig.7 Interface of alarm recording system

4 系統(tǒng)監(jiān)測精度試驗

4.1 室內(nèi)試驗

為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)性能，將監(jiān)測系統(tǒng)安裝在鏈耙式殘膜回收機上進行監(jiān)測精度試驗驗證，本次試驗在新疆農(nóng)業(yè)大學實驗室進行。

雙鏈傳動同步性監(jiān)測試驗在室內(nèi)采取人為制造跳齒故障的方式進行，無需完全啟動殘膜回收機，只需啟動鏈耙撿拾機構轉動，將電渦流傳感器按照設計安裝于鏈耙式殘膜回收機的機架上。故障發(fā)生時，鏈耙撿拾機構兩側鏈輪轉動的角度不一致，導致鏈耙撿拾機構的彈齒軸傾斜，現(xiàn)將鏈耙撿拾機構的任意一根彈齒桿傾斜固定，模擬發(fā)生跳齒現(xiàn)象。鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min，與實際田間作業(yè)時轉速相等，啟動鏈耙撿拾機構進行跳齒故障監(jiān)測精度試驗，模擬跳齒故障發(fā)生次數(shù)分別是20，25，30，35，40，同時觀察監(jiān)控系統(tǒng)顯示面板上的報警數(shù)字，每次試驗的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 跳齒監(jiān)測精度試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of jumping gear monitoring accuracy

從表1可知，在室內(nèi)模擬試驗時，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監(jiān)測準確率達96%以上，能有效對收膜機鏈耙撿拾機構同步性進行監(jiān)測。

4.2 田間試驗

田間試驗于2020年10月在新疆石河子試驗田內(nèi)進行，將故障監(jiān)測系統(tǒng)裝配于4CMJ-2.0鏈耙式殘膜回收機上，進行監(jiān)控系統(tǒng)的跳齒故障監(jiān)測試驗。試驗中收膜機前進速度取8 km/h，鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min，在長500 m的田間進行收膜多次重復試驗，同時觀察報警裝置。當報警提示出現(xiàn)跳齒時，停車檢查是否發(fā)生了跳齒。通過分析報警次數(shù)和實際跳齒故障次數(shù)可知，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監(jiān)測準確率達95%以上，能有效對收膜機鏈耙撿拾機構同步性進行監(jiān)測。

5 結論

1)設計一種基于電渦流傳感器的鏈耙式殘膜回收機跳齒故障監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)下位機采用電渦流傳感器和霍爾傳感器獲取鏈耙撿拾機構轉動和動力軸的轉速信息，判斷收膜機運行狀態(tài)(正常、跳齒)并通過HC-12無線模塊將狀態(tài)信息傳輸至人機交互界面顯示，實現(xiàn)4CMJ-2.0鏈耙式殘膜回收機作業(yè)過程的實時監(jiān)測。

2)對監(jiān)測系統(tǒng)進行室內(nèi)試驗和田間試驗，室內(nèi)試驗表明，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監(jiān)測系統(tǒng)能夠對鏈耙撿拾機構跳齒情況進行監(jiān)測，跳齒監(jiān)測準確率在96%以上；田間試驗表明，在收膜機前進速度取8 km/h，鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min時，跳齒監(jiān)測準確率為95%以上。能夠對鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性進行有效的監(jiān)測，避免故障惡化損壞鏈耙撿拾機構，提高作業(yè)可靠性。