聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)效能動(dòng)態(tài)測(cè)量與試驗(yàn)分析

邵 堃

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南鄭州 450046)

聯(lián)合收割機(jī)能夠?qū)⑹崭睢⒚摿！⒎蛛x莖桿、清除雜物等工序進(jìn)行集中作業(yè)，大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，也節(jié)省了大量的人力物力，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分[1-3]。聯(lián)合收割機(jī)興起于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)起步較晚，主要是模仿國(guó)外的機(jī)型進(jìn)行制造。同時(shí)，聯(lián)合收割機(jī)屬于高耗能設(shè)備，由于對(duì)一些關(guān)鍵機(jī)械部件的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，往往會(huì)導(dǎo)致各部件工作不協(xié)調(diào)，在沒(méi)有提高生產(chǎn)效率的情況下增加了不必要的功率消耗，傳動(dòng)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(jī)傳動(dòng)效能的因素，主要有2個(gè)方面：(1)旋耕機(jī)本身的設(shè)計(jì)合理性，包括滾筒大小、作業(yè)幅寬、刀片組合結(jié)構(gòu)及鋒利程度、傳動(dòng)系統(tǒng)(齒輪箱等)等；(2)工況條件，包括土地平整度、作業(yè)行進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速等情況，其中，最直接的方法是通過(guò)控制行進(jìn)速度來(lái)提高傳動(dòng)效能。

由于聯(lián)合收割機(jī)的工作載荷較大且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在連續(xù)長(zhǎng)期的工作過(guò)程中容易出現(xiàn)故障，例如(1)傳動(dòng)部件(齒輪箱)過(guò)度磨損、潤(rùn)滑不良，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力過(guò)大；(2)滾筒和篩面堵塞，導(dǎo)致載荷異常，影響正常作業(yè)；(3)切割遇到石塊、木樁、鐵絲等異物，導(dǎo)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(xiàn)為對(duì)應(yīng)機(jī)械部件載荷的驟增或驟減，輕則影響收割作業(yè)，重則會(huì)給收割機(jī)造成致命性的損害[5]。扭矩和轉(zhuǎn)速是傳動(dòng)功率的直接參數(shù)[6]。本研究通過(guò)應(yīng)變片電橋測(cè)量聯(lián)合收割機(jī)各主要機(jī)械部件傳動(dòng)軸的扭矩，利用開(kāi)關(guān)霍爾傳感器測(cè)量傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，從而得出各主要機(jī)械的實(shí)時(shí)功率情況。通過(guò)對(duì)巨龍280型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，增加各主要傳動(dòng)部件的功率進(jìn)行在線檢測(cè)，得出其傳動(dòng)效能，同時(shí)，在遇到突發(fā)故障時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停機(jī)檢查處理，能夠有效避免更大損害設(shè)備的事故發(fā)生。

1 聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

1.1 聯(lián)合收割機(jī)組成

以沃得巨龍280聯(lián)合收割機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，其為雙滾筒橫軸流型聯(lián)合收割機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)由主傳動(dòng)軸輸入，主要機(jī)械部件有行走地盤(pán)、第1滾筒、輸出槽、割臺(tái)、第2滾筒、割草器、振動(dòng)篩、風(fēng)機(jī)等[7]。聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

對(duì)于該機(jī)型來(lái)說(shuō)，有效功率的消耗主要來(lái)自第2滾筒、割草器、第1滾筒、割臺(tái)，也是易出現(xiàn)故障的主要部件。為了降低功耗并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，須要監(jiān)測(cè)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)功率，以便了解各機(jī)械部件的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 傳動(dòng)效能的計(jì)算

傳動(dòng)效能是衡量機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的越合理功率損耗就越少[8]。傳動(dòng)效能最直接的計(jì)算方法為實(shí)際消耗的功率與總功率之比，而對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件來(lái)說(shuō)，功率P(kW)可直接體現(xiàn)在傳動(dòng)軸的扭矩T(N·m)和轉(zhuǎn)速S(r/min)上，可通過(guò)公式(1)來(lái)表達(dá)：

(1)

因此，通過(guò)測(cè)量主傳動(dòng)軸和各分傳動(dòng)軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速就可以計(jì)算出傳動(dòng)效能，即可得載荷的具體分配情況。

2 傳動(dòng)軸扭矩與轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

2.1 扭矩的測(cè)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(dòng)軸受到旋轉(zhuǎn)力作用后會(huì)產(chǎn)生微小的形變，且在與中心軸線±45°的方向上發(fā)生的形變最大，即剪應(yīng)力最大。本研究采用應(yīng)變片電橋來(lái)測(cè)量扭矩，將4片等電阻應(yīng)變片沿傳動(dòng)軸中心線±45°方向貼敷在傳動(dòng)軸的表面，并組成平衡電橋，利用電阻應(yīng)變片隨自身的形變量而發(fā)生阻值的變化特性計(jì)算出扭矩，如圖2所示。

對(duì)電阻應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，最大剪應(yīng)力可以表示為公式(2)：

(2)

此時(shí)，傳動(dòng)軸上產(chǎn)生的扭矩T可表示為

(3)

式中：ε45°是沿傳動(dòng)軸45°上的最大應(yīng)變量；d為傳動(dòng)軸的直徑；G為彈性模量。

假設(shè)電阻應(yīng)變片長(zhǎng)度為L(zhǎng)，受力后的長(zhǎng)度變化量為ΔL，對(duì)應(yīng)的形變量為ε，電阻值為R，則有關(guān)系式：

(4)

式中：K表示應(yīng)變的靈敏系數(shù)。

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(yīng)變片R1、R2、R3、R4產(chǎn)生的應(yīng)變量；ΔR為電阻變化量。

根據(jù)式(3)、式(5)即可求出傳動(dòng)軸上的扭矩。由于從電橋輸出的電壓U0非常微弱，須要對(duì)其進(jìn)行濾波和調(diào)理放大處理，最后轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓送給處理器進(jìn)行計(jì)算。

由于電動(dòng)機(jī)輸出的功率較大，在主傳動(dòng)軸的扭矩測(cè)量上設(shè)計(jì)專用的扭矩測(cè)量中間件(圖3)，只須通過(guò)簡(jiǎn)單的固定(聯(lián)軸器)就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與收割機(jī)的連接，也可方便靜態(tài)標(biāo)定和拆卸安裝。

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量

轉(zhuǎn)速主要有機(jī)械式、電磁式、電光式等3種測(cè)量方式，由于聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，利用電磁式開(kāi)關(guān)霍爾傳感器對(duì)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，工作原理如圖4所示。

在旋轉(zhuǎn)軸的輪盤(pán)上固定1對(duì)(或均勻角度的多對(duì))磁體，并在輪盤(pán)附件安裝開(kāi)關(guān)霍爾傳感器，當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁體經(jīng)過(guò)霍爾傳感器(磁感器)后會(huì)產(chǎn)生1個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形濾波后，輸出一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖頻率即為轉(zhuǎn)速[11]。最后，將采集到的扭矩和轉(zhuǎn)速信息通過(guò)無(wú)線模塊傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理。

3 扭矩的靜態(tài)標(biāo)定

重點(diǎn)研究聯(lián)合收割機(jī)主傳動(dòng)軸(總功率)、第1滾筒及割草器、第2滾筒、割臺(tái)4個(gè)位置的功率消耗情況，采用第2節(jié)的設(shè)計(jì)方法對(duì)這4個(gè)傳動(dòng)軸進(jìn)行安裝。在投入使用前還須要對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲取扭矩與輸出電壓的關(guān)系，才能在后續(xù)的測(cè)量中得出準(zhǔn)確的扭矩?cái)?shù)值[12-14]。

考慮到動(dòng)態(tài)標(biāo)定難度較大，且容易導(dǎo)致測(cè)量誤差，故在實(shí)驗(yàn)室扭矩平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。在標(biāo)定的過(guò)程中采用正、反2個(gè)方向進(jìn)行加減標(biāo)準(zhǔn)砝碼(0～1 000 N·m)的方法，每次加減100 N·m，重復(fù)5次，并記錄每個(gè)量程的平均值，分別得到聯(lián)合收割機(jī)主傳動(dòng)軸、第1滾筒及割草器、第2滾筒和割臺(tái)4個(gè)傳動(dòng)軸的試驗(yàn)結(jié)果(表1)。

表1中，V1表示聯(lián)合收割電動(dòng)機(jī)在主傳動(dòng)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(dòng)軸上扭矩測(cè)量裝置輸出的電壓值；V3表示第2滾筒傳動(dòng)軸上扭矩測(cè)量裝置輸出的電壓值；V4表示割臺(tái)傳動(dòng)軸上扭矩測(cè)量裝置輸出的電壓值。

表1 4個(gè)傳動(dòng)軸扭矩標(biāo)定結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)標(biāo)注在坐標(biāo)系中，得到4條扭矩與電壓的關(guān)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(guān)系，可以分別擬合方程式。

聯(lián)合收割機(jī)主傳動(dòng)軸扭矩與輸出電壓關(guān)系式可表示為

y=248.50x+1.74。

(6)

第1滾筒傳動(dòng)軸扭矩與輸出電壓關(guān)系式可表示為

y=273.80x+1.50。

(7)

第2滾筒傳動(dòng)軸扭矩與輸出電壓關(guān)系式可表示為

y=297.90x+1.05。

(8)

割臺(tái)傳動(dòng)軸扭矩與輸出電壓關(guān)系式可表示為

y=219.30x+2.45。

(9)

通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定找出輸出電壓與扭矩的關(guān)系式，并設(shè)定在上位機(jī)的運(yùn)行程序中，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量各功能部件的實(shí)時(shí)功率。本方案沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行標(biāo)定，原因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速的情況下，采用開(kāi)關(guān)霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速誤差非常低，可通過(guò)在輪盤(pán)上固定多對(duì)磁體來(lái)提高轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的功率測(cè)量系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，以沃得巨龍280聯(lián)合收割機(jī)為研究對(duì)象，作業(yè)幅寬為2.8 m，在地面平整的成熟水稻田中進(jìn)行收割試驗(yàn)，測(cè)量各主要功能部件的實(shí)時(shí)功耗，進(jìn)而計(jì)算傳動(dòng)效能。首先將靜態(tài)標(biāo)定完的傳動(dòng)軸安裝在聯(lián)合收割機(jī)上，并加裝開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)無(wú)線裝置實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理[15]。主要觀察各主要耗能部件的實(shí)際功率，并研究在不同行進(jìn)速度(1.0～1.9 m/s)下，各主要功能部件的實(shí)時(shí)平均功耗，在每檔行進(jìn)速度下運(yùn)行5 min得到平均功耗(kW)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 田間測(cè)試結(jié)果

表2呈現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)在不同行進(jìn)速度下傳動(dòng)系統(tǒng)各主要功能部件功率的分配和效能情況，說(shuō)明設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，可提供重要的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)，該系統(tǒng)還可以輔助在線故障診斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)部件的功耗驟然增加或者降低時(shí)，說(shuō)明該部分可能遇到了異常，導(dǎo)致阻力過(guò)大(潤(rùn)滑不良、滾筒和篩面堵塞、割刀遇到異物)或者傳動(dòng)失效(鏈條斷裂)。各主要部件總的傳動(dòng)效能如圖6所示。

由圖6可知，行進(jìn)作業(yè)速度在1.5 m/s的工況下，傳動(dòng)效能最高，可達(dá)66.94%，通過(guò)測(cè)試可以指導(dǎo)在最優(yōu)的工況下進(jìn)行作業(yè)，從而降低總的功耗。

5 結(jié)論

利用應(yīng)變電橋?qū)崿F(xiàn)了傳動(dòng)軸的扭矩測(cè)量，并用開(kāi)關(guān)霍爾傳感器完成了傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，經(jīng)過(guò)靜態(tài)標(biāo)定后，得到聯(lián)合收割機(jī)各傳動(dòng)部分的實(shí)時(shí)功率，可對(duì)聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，為產(chǎn)品研發(fā)改進(jìn)及質(zhì)量檢測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，還可以輔助進(jìn)行在線故障診斷，避免故障的進(jìn)一步升級(jí)。通過(guò)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作非常穩(wěn)定，在1.0～1.9 m/s行進(jìn)速度下，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)主傳動(dòng)軸、第1滾筒、第2滾筒、割臺(tái)的功率消耗情況進(jìn)行分析，得出在1.5 m/s時(shí)，總的傳動(dòng)效能最高，可達(dá)66.94%，為指導(dǎo)合理作業(yè)和降低功耗提供科學(xué)依據(jù)。