聯合收割機液壓裝置監測系統的設計及試驗

余宏軍,文 灝

(宜春職業技術學院,江西 宜春 336000)

0 引言

聯合收割機液壓系統的執行部件主要包括割臺、轉輪、輸送機和脫粒滾筒等,各部件的工作狀態直接影響聯合收割機的工作性能。然而,國內收割機自動化水平不高,在作業過程中經常發生系統故障,導致工作效率降低。目前,我國聯合收割機的性能監測大多采用單參數儀表監測的形式,監測對象主要包括行走速度、發動機工況及進給量等,監測精度低,可靠性難以保證,無法及時發現聯合收割機的故障。

國外聯合收割機監控技術相對成熟。John Deere開發的監測系統實現了對工作速度、喂入量、脫粒率和工作部件工作狀態的實時在線監測。Case New Holland開發的AFS系統能夠實時監測作物質量、脫粒率和谷物水分含量,并可形成谷物收獲產量圖。Claas公司開發的RDS系統可以實現收割機的實時操作控制。梅西·弗格森開發的Field Star系統可以實現對運行信息的遠程監控,并具有系統自診斷功能。陳進等人設計開發了適合聯合收割機作業現場的視頻監控系統,實現了機載和遠程監控的結合。鄭世宇利用微處理器和LCD實現了聯合收割機作業狀態數據的實時顯示以及作業過程監控系統的集成。針對液壓系統故障對整機工作狀態的重要影響,楊艷霞等人設計了基于虛擬儀器的液壓系統狀態檢測系統,可以實現快速檢測和故障預警。

目前,我國聯合收割機的自動化水平仍然較低,作業過程監控系統不完善,容易發生故障,工作效率不高。為了解決這一問題,本研究確定了影響聯合收割機高效收獲作物的主要液壓執行器部件,分析了聯合收割機割臺、螺旋輸送機、輸送槽和脫粒滾筒的在線監測和故障報警方法;同時,采用多傳感器監測技術實現多源傳感器數據融合,設計了聯合收割機液壓執行機構在線監測系統,及時、高效地為駕駛員田間作業時提供聯合收割機操作參數的實時監控,減少故障的發生,提高了聯合收割機的工作效率。

1 聯合收割機液壓監測系統的設計

首先,建立了聯合收割機切割機、傳動通道、油缸等關鍵部件的主扭矩模型,并基于多傳感器融合理論和數據挖掘方法,使用了扭矩傳感器、位移傳感器、速度傳感器和應變傳感裝置。選擇合適的硬件和軟件,設計了聯合收割機液壓執行機構在線監測系統,總體方案如圖1所示。

基于對聯合收割機液壓系統的模擬分析,在主減速器的相應位置安裝了流量傳感器、壓力傳感器、位移傳感器和扭矩傳感器等應變傳感裝置。液壓系統的監控點如圖2所示。每個傳感器收集并監控聯合收割機液壓系統和執行部件的工作狀態,采集所得的數據經過處理后傳輸到工控機;檢測到的流量、壓力、位移等相關參數信息顯示在顯示屏上,根據界面顯示判斷聯合收割機液壓執行元件的工作狀態,同時實現故障判斷。壓力傳感器主要安裝在油缸和電機的液壓油路中,為了減少傳感器對流道的影響,通過全流量安裝將其連接到油道。通過系統進行調試,使系統壓力小于30MPa,滿足監控系統的要求。流量傳感器采用螺紋連接,安裝在系統進油口;溫度傳感器采用螺紋連接,安裝在系統回油口,調試系統使油溫測量范圍控制在10～200℃范圍內,滿足監測系統的要求。轉速傳感器主要安裝在撥禾輪電機和脫粒滾筒電機上。調試系統最終滿足速度測量范圍0～3600r/min、集管靜態沉降監測0～500mm的要求。

圖2 液壓監測系統監測點示意圖Fig.2 Schematic diagram of the monitoring points of the hydraulic monitoring system

2 液壓監測系統軟件設計

LabVIEW 2016軟件(美國德克薩斯州奧斯汀美國國家儀器公司)可用于編程和設計聯合收割機液壓執行器部件的在線監測系統。系統持續監測CAN總線網絡上傳輸的測量數據,讀取visa配置串口數據并分析處理,通過接口實時顯示和保存聯合收割機各液壓執行器的工況參數,再進行故障邏輯判斷;當聯合收割機發生故障時,系統將立即發出報警信號。該軟件直接在車載計算機上運行,方便駕駛員及時獲取和處理故障。

在線監測系統的軟件設計主要包括著陸界面設計、前面板設計、程序設計、程序調試和運行,總體框架如圖3所示。主要工作原理為:聯合收割機啟動時,監測系統先進行自檢。當檢測到聯合收割機出現故障時,發出報警;當未檢測到故障時,驅動數據采集卡對傳感器采集的數據進行分析和處理,最終存儲數據,方便駕駛員實時查看和調用。當系統正常運行時,界面顯示各監測點的工作狀態;當液壓部件工作異常時,系統會提示故障報警。

圖3 軟件設計的總體結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall structure of the software design

3 故障報警系統的設計

基于IMF的能量分布和時域特性,構造了特征向量分析,并將支持向量機用于收割機液壓系統的故障診斷。首先,通過希爾伯特變換和巴特沃斯濾波譜對液壓系統的實時監測信號進行分析,得到其特征向量;然后,根據控制方案圖和控制流程圖設計了矢量機,以對系統故障狀態進行分類和識別。根據正常狀態、液壓回路壓力調整、脫粒滾筒速度調整和其他調整4種調整模式對故障狀態進行分類,建立4個分類器SVM0、SVM1、SVM2和SVM3,每兩個分類器的歸一化模式設置為[0,1]。其中,1表示對應的故障,0表示其他故障狀態。表1為4種調整分類器的樣本識別方法。

表1 4種調整分類器的樣本識別方法概況Table 1 Overview of sample identification methods for the four tuned classifiers

4 試驗結果與分析

4.1 試驗材料與方法

2020年9月,以Lovol GN60聯合收割機(Lovol重工股份有限公司,中國濰坊)為試驗樣機,進行了收割作業試驗,測試聯合收割機液壓執行器在線監測系統的性能。試驗期間,溫度為23℃,濕度為16%,風向為東南風,風力2級,作物生長均勻良好。

首先,啟動系統,在機載終端上設置額定參數如下:集束螺旋機的轉速為145r/min,集束螺旋輸送機的轉速為200r/min,輸送槽的轉速為400r/min,脫粒滾筒的轉速為920r/min,前進速度為2m/s。在逐漸將各旋轉部件提高到設定的額定速度后,根據收割作業過程,保持動力踏板和各旋轉部件的功率不變;然后,前進速度從0提高到2m/s,觀察主要工作部件的參數變化。結果表明:隨著喂入量的增加,螺旋機、輸送槽和脫粒滾筒的扭矩從初始值0逐漸增加,各自的轉速略有下降,但仍保持最佳運行狀態;當壓力、溫度、扭矩、轉速的值超過設定的合理范圍時,系統界面上相應的報警指示燈亮起紅色,提示駕駛員及時處理。

4.2 結果與分析

4.2.1工況參數試驗結果

根據試驗數據,得出機器行進速度與聯合收割機時間的關系曲線,如圖4所示。脫粒滾筒、輸送滑槽和收割臺螺旋輸送機的轉速與時間的關系曲線如圖5所示。脫粒滾筒、輸送滑槽和收割臺螺旋輸送機的扭矩和時間之間的關系曲線如圖6所示。

圖4 機器行進速度與時間的關系曲線Fig.4 Machine travel speed versus time curve

圖5 脫粒滾筒、輸送槽和割臺螺旋輸送機的轉速與時間的關系曲線Fig.5 Speed versus time curves for threshing drum, conveyor chute and cutting table screw conveyor

圖6 脫粒滾筒、輸送槽和割臺螺旋輸送機的扭矩與時間的關系曲線Fig.6 Torque versus time curves for threshing drum, conveying chute and cutting table screw conveyor

4.2.2 故障測試結果

在自然情況下,收獲作業期間的故障是不可預測的。因此,本研究在試驗過程中人為設置了故障條件,識別具體的故障現象,以驗證故障報警的準確性。故障設置如表2所示。其中,脫粒滾筒故障測試重復200次,螺旋輸送機和輸送罐故障測試分別重復100次。聯合收割機的故障報警如表3所示。報警錯誤包括兩種情況:一種是在線監測系統未報警的運行故障;另一種是報警的故障部分不是實際運行故障部分。

表2 故障設置概況Table 2 Overview of fault settings

表3 聯合收割機故障報警情Table 3 Combine harvester fault alarm situation

5 結論

1)利用多傳感器監測技術和數據挖掘理論,實現了多源傳感器的數據融合,達到了多參數實時采集的目的。

2)基于LabVIEW設計了合理、高效、完整的軟件分析模塊,實現了收割機主要工況參數的實時顯示和故障報警裝置。

3)田間試驗結果表明:在線監測系統運行正常,具有較高的故障診斷準確率和較短的自動診斷時間,可以應用于田間生產。