联合收割机液压装置监测系统的设计及试验.pdf

联 合 收 割 机 液 压 装 置 监 测 系 统 的 设 计 及 试 验余宏军,文灏(宜春职业技术学院,江西 宜春336000)摘 要:联合收割机的液压系统结构复杂,较多的驱动部件承载着巨大的负载变化,故实现联合收割机液压驱动装置的在线监测对于提高联合收割机工作效率具有重要意义。为此,对联合收割机液压监测系统的硬件配置、软件控制系统及故障报警系统进行了设计及优化。系统可以实时采集和显示联合收割机主要工作部件的工作参数,并向用户发出错误工作状态的警报。田间试验结果表明:监测系统的功能和精度完全满足田间作业的要求,故障报警的准确率为 96.5%,自动诊断时间小于 78s,极大地提高了联合收割机的作业效率。研究结果对于降低田间作业的故障率、提高作业效率、实现联合收割机自动化和智能化发展具有参考价值。关键词:联合收割机;液压驱动;在线监测;故障报警中图分类号:S225.93 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0210-050 引言联合收割机液压系统的执行部件主要包括割台、转轮、输送机和脱粒滚筒等,各部件的工作状态直接影响联合收割机的工作性能。然而,国内收割机自动化水平不高,在作业过程中经常发生系统故障,导致工作效率降低。目前,我国联合收割机的性能监测大多采用单参数仪表监测的形式,监测对象主要包括行走速度、发动机工况及进给量等,监测精度低,可靠性难以保证,无法及时发现联合收割机的故障。国外联合收割机监控技术相对成熟。John Deere开发的监测系统实现了对工作速度、喂入量、脱粒率和工作部件工作状态的实时在线监测。Case New Holland 开发的 AFS 系统能够实时监测作物质量、脱粒率和谷物水分含量,并可形成谷物收获产量图。Claas 公司开发的 RDS 系统可以实现收割机的实时操作控制。梅西弗格森开发的 Field Star 系统可以实现对运行信息的远程监控,并具有系统自诊断功能。陈进等人设计开发了适合联合收割机作业现场的视频监控系统,实现了机载和远程监控的结合。郑世宇利用微处理器和 LCD 实现了联合收割机作业状态数据的实时显示以及作业过程监控系统的集成。针对液压系统故障对整机工作状态的重要影响,杨艳霞等人设计了基于虚拟仪器的液压系统状态检测系统,可收稿日期:2022-04-08基金项目:江西省高等学校教学改革研究项目(JXJG-19-60-4)作者简介:余宏军(1988-),男,江西南康人,讲师,硕士研究生,(E-mail)yuhongjun198810 。以实现快速检测和故障预警。目前,我国联合收割机的自动化水平仍然较低,作业过程监控系统不完善,容易发生故障,工作效率不高。为了解决这一问题,本研究确定了影响联合收割机高效收获作物的主要液压执行器部件,分析了联合收割机割台、螺旋输送机、输送槽和脱粒滚筒的在线监测和故障报警方法;同时,采用多传感器监测技术实现多源传感器数据融合,设计了联合收割机液压执行机构在线监测系统,及时、高效地为驾驶员田间作业时提供联合收割机操作参数的实时监控,减少故障的发生,提高了联合收割机的工作效率。1 联合收割机液压监测系统的设计首先,建立了联合收割机切割机、传动通道、油缸等关键部件的主扭矩模型,并基于多传感器融合理论和数据挖掘方法,使用了扭矩传感器、位移传感器、速度传感器和应变传感装置。选择合适的硬件和软件,设计了联合收割机液压执行机构在线监测系统,总体方案如图 1 所示。基于对联合收割机液压系统的模拟分析,在主减速器的相应位置安装了流量传感器、压力传感器、位移传感器和扭矩传感器等应变传感装置。液压系统的监控点如图 2 所示。每个传感器收集并监控联合收割机液压系统和执行部件的工作状态,采集所得的数据经过处理后传输到工控机;检测到的流量、压力、位移等相关参数信息显示在显示屏上,根据界面显示判断联合收割机液压执行元件的工作状态,同时实现故障判断。压力传感器主要安装在油缸和电机的液0122023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期压油路中,为了减少传感器对流道的影响,通过全流量安装将其连接到油道。通过系统进行调试,使系统压力小于 30MPa,满足监控系统的要求。流量传感器采用螺纹连接,安装在系统进油口;温度传感器采用螺纹连接,安装在系统回油口,调试系统使油温测量范围控制在 10200范围内,满足监测系统的要求。转速传感器主要安装在拨禾轮电机和脱粒滚筒电机上。调试系统最终满足速度测量范围 03600r/min、集管静态沉降监测 0500mm 的要求。图 1 联合收割机液压监测系统的总体设计Fig.1 Overall design of hydraulic monitoring system of combine harvester图 2 液压监测系统监测点示意图Fig.2 Schematic diagram of the monitoring points of the hydraulic monitoring system2 液压监测系统软件设计LabVIEW 2016 软件(美国德克萨斯州奥斯汀美国国家仪器公司)可用于编程和设计联合收割机液压执行器部件的在线监测系统。系统持续监测 CAN 总线网络上传输的测量数据,读取 visa 配置串口数据并分析处理,通过接口实时显示和保存联合收割机各液压执行器的工况参数,再进行故障逻辑判断;当联合收割机发生故障时,系统将立即发出报警信号。该软件直接在车载计算机上运行,方便驾驶员及时获取和处理故障。在线监测系统的软件设计主要包括着陆界面设计、前面板设计、程序设计、程序调试和运行,总体框架如图 3 所示。主要工作原理为:联合收割机启动时,监测系统先进行自检。当检测到联合收割机出现故障时,发出报警;当未检测到故障时,驱动数据采集卡对传感器采集的数据进行分析和处理,最终存储数据,方便驾驶员实时查看和调用。当系统正常运行时,界面显示各监测点的工作状态;当液压部件工作异常时,系统会提示故障报警。1122023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 3 软件设计的总体结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the overall structure of the software design3 故障报警系统的设计基于 IMF 的能量分布和时域特性,构造了特征向量分析,并将支持向量机用于收割机液压系统的故障诊断。首先,通过希尔伯特变换和巴特沃斯滤波谱对液压系统的实时监测信号进行分析,得到其特征向量;然后,根据控制方案图和控制流程图设计了矢量机,以对系统故障状态进行分类和识别。根据正常状态、液压回路压力调整、脱粒滚筒速度调整和其他调整 4 种调整模式对故障状态进行分类,建立 4 个分类器 SVM0、SVM1、SVM2 和 SVM3,每两个分类器的归一化模式设置为0,1。其中,1 表示对应的故障,0 表示其他故障状态。表 1 为 4 种调整分类器的样本识别方法。表 1 4 种调整分类器的样本识别方法概况Table 1 Overview of sample identification methods for the four tuned classifiers故障类型SVM0SVM1SVM2SVM3SVM01000SVM10100SVM20010SVM300014 试验结果与分析4.1 试验材料与方法2020 年 9 月,以 Lovol GN60 联合收割机(Lovol 重工股份有限公司,中国潍坊)为试验样机,进行了收割作业试验,测试联合收割机液压执行器在线监测系统的性能。试验期间,温度为 23,湿度为 16%,风向为东南风,风力 2 级,作物生长均匀良好。首先,启动系统,在机载终端上设置额定参数如下:集束螺旋机的转速为 145r/min,集束螺旋输送机的转速为 200r/min,输送槽的转速为 400r/min,脱粒滚筒的转速为 920r/min,前进速度为 2m/s。在逐渐将各旋转部件提高到设定的额定速度后,根据收割作业过程,保持动力踏板和各旋转部件的功率不变;然后,前进速度从 0 提高到 2m/s,观察主要工作部件的参数变化。结果表明:随着喂入量的增加,螺旋机、输送槽和脱粒滚筒的扭矩从初始值 0 逐渐增加,各自的转速略有下降,但仍保持最佳运行状态;当压力、温度、扭矩、转速的值超过设定的合理范围时,系统界面上相应的报警指示灯亮起红色,提示驾驶员及时处理。4.2 结果与分析4.2.1 工况参数试验结果根据试验数据,得出机器行进速度与联合收割机时间的关系曲线,如图 4 所示。脱粒滚筒、输送滑槽和收割台螺旋输送机的转速与时间的关系曲线如图 5所示。脱粒滚筒、输送滑槽和收割台螺旋输送机的扭矩和时间之间的关系曲线如图 6 所示。图 4 机器行进速度与时间的关系曲线Fig.4 Machine travel speed versus time curve2122023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 5 脱粒滚筒、输送槽和割台螺旋输送机的转速与时间的 关系曲线Fig.5 Speed versus time curves for threshing drum,conveyor chute and cutting table screw conveyor图 6 脱粒滚筒、输送槽和割台螺旋输送机的扭矩与时间的关系曲线Fig.6 Torque versus time curves for threshing drum,conveying chute and cutting table screw conveyor4.2.2 故障测试结果在自然情况下,收获作业期间的故障是不可预测的。因此,本研究在试验过程中人为设置了故障条件,识别具体的故障现象,以验证故障报警的准确性。故障设置如表 2 所示。其中,脱粒滚筒故障测试重复200 次,螺旋输送机和输送罐故障测试分别重复 100次。联合收割机的故障报警如表 3 所示。报警错误包括两种情况:一种是在线监测系统未报警的运行故障;另一种是报警的故障部分不是实际运行故障部分。表 2 故障设置概况Table 2 Overview of fault settings故障位置人为设置的故障故障现象割台螺旋输送机降低集束器高度,提高行走速度转速降低,秸秆堆积输送槽调整驱动皮带张紧器转速下降,进料螺旋被堵塞脱粒滚筒对发动机进行适度的油门操作,以提高前进速度速度减慢,皮带与皮带轮发生剧烈摩擦表 3 联合收割机故障报警情Table 3 Combine harvester fault alarm situation工作故障测试次数正确的报警次数报警错误的数量报警准确率/%螺旋桨被堵塞10093793输送槽堵塞20097397脱粒滚筒堵塞200199199.55 结论1)利用多传感器监测技术和数据挖掘理论,实现了多源传感器的数据融合,达到了多参数实时采集的目的。2)基于 LabVIEW 设计了合理、高效、完整的软件分析模块,实现了收割机主要工况参数的实时显示和故障报警装置。3)田间试验结果表明:在线监测系统运行正常,具有较高的故障诊断准确率和较短的自动诊断时间,可以应用于田间生产。参考文献:1 杨俊茹,荆本雨,李瑞川,等.联合收割机收割分离液压系统的性能监控研究J.机床与液压,2021,49(9):83-88.2 洪志定,何向锋.联合收割机液压系统故障分析与判断J.农机使用与维修,2021(2):92-93.3 杨俊茹,高阳,李瑞川,等.联合收割机液压部件监测系统设计与研究J.农机化研究,2021,43(1):34-39.4 姜文瀚,王玉林,耿超,等.联合收割机传动系统设计与仿真分析J.青岛大学学报(工程技术版),2020,35(2):110-115,124.5 洪瑛杰.液压驱动式收割机底盘设计及其避障系统实验J.装备制造技术,2020(4):19-24,30.3122023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期6 李凤辉.联合收割机液压油泵磨损原因与预防措施J.农机使用与维修,2019(12):71.7 杨红艳,王海波,张丽霞,等.液压驱动系统在轮式谷物联合收割机上的应用J.拖拉机与农用运输车,2019,46(3):10-12.8 李国辉.联合收割机液压系统主要部件的使用与维护J.农机使用与维修,2019(6):55.9 张振华.联合收割机割台液压升降系统设计及分析D.青岛:山东科技大学,2019.10 赵姗,杨俊茹,李瑞川.联合收割机行走液压驱动系统仿真分析J.湖北农机化,2019(7):49-52.11 胡亚娟.液压式联合收割机电气控制系统的 PLC 设计J.农机化研究,2019,41(10):111-115.12 刘恩辰,葛动元,罗信武.整杆式甘蔗收割机液压系统设计与分析J.中国农机化学报,2018,39(5):1-4.13王跃钦,韩守振.4YZ-6 型玉米籽粒收割机液压行走系统设计J.时代农机,2018,45(4):182,184.14 何贤剑.水稻收割机液压系统升级改造J.农机化研究,2018,40(11):74-79.15 单晓敏,王丛瑞,黄云战,等.基于区间数 TOPSIS 法的甘蔗联合收割机液压系统设计方案评估J.机械设计与制造,2017(10):67-70.16 马翔,李耀明,唐忠,等.履带式联合收割机转向机构的结构特点及发展趋势J.农机化研究,2018,40(4):1-6,25.17 陈恒峰,郭辉,吕全贵,等.新疆 C-2 联合收割机液压驱动系统的设计与仿真J.农机化研究,2018,40(6):81-85.18 郭飘扬.履带式联合收割机自主导航系统开发D.南京:南京农业大学,2017.19 雷志强.履带式再生稻收割机底盘的设计与试验D.武汉:华中农业大学,2017.20 韩树钦.联合收割机脱粒滚筒液压驱动电液比例控制技术研究D.北京:中国农业科学院,2017.Design and Experimental of Monitoring System for Hydraulic Device of Combine Harvester Yu Hongjun,Wen Hao(Yichun Vocational Technical College,Yichun 336000,China)Abstract:The hydraulic system of combine harvester has a complex structure,and more driving components carry huge load changes.It is important to realize online monitoring of hydraulic drive unit of combine harvester to improve the effi-ciency of combine harvester.This study designs and optimizes the hardware configuration,software control system and fault alarm system of the combine harvester hydraulic monitoring system,which can collect and display the working pa-rameters of the main working parts of the combine harvester in real time and send alarms to the user about the wrong working status.The results of field experiments show that the function and accuracy of the monitoring system fully meet the requirements of field operation,the accuracy rate of fault alarm is 96.5%,and the automatic diagnosis time of fault alarm is less than 1 minute and 18 seconds,which greatly improves the operation efficiency of combine harvester.The re-search results are useful for reducing the failure rate of field operation,greatly improving the operation efficiency and realizing the automation and intelligent development of combine harvester.Key words:combine harvester;hydraulic drive;online monitoring;fault alarm4122023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期