盧科 任輝 李禧堯 劉鑫 張彪

摘要：隨著聯(lián)合收割機(jī)日益向高效率、多功能、大型化等方向發(fā)展，聯(lián)合收割機(jī)在田間工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種故障，因此通過探索履帶式水稻聯(lián)合收割機(jī)故障診斷方法，將先進(jìn)的故障診斷技術(shù)應(yīng)用到聯(lián)合收割機(jī)上，改善傳統(tǒng)聯(lián)合收割機(jī)無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、診斷、定位故障的現(xiàn)狀，從而有效減少整機(jī)工作時(shí)故障率。通過對(duì)履帶式水稻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行故障診斷與預(yù)測(cè)，對(duì)于提高整機(jī)工作效率以及減少故障率等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)、工作性能、故障診斷、監(jiān)測(cè)平臺(tái)、技術(shù)模塊

由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的改善帶動(dòng)了聯(lián)合收割機(jī)的極大普及，尤其是農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式向機(jī)械化和現(xiàn)代化發(fā)展后，聯(lián)合收割機(jī)的使用量得到了進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。在農(nóng)忙季節(jié)，聯(lián)合收割機(jī)的使用頻率很高，但受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜環(huán)境、機(jī)器操作不當(dāng)、零部件自然磨損、農(nóng)機(jī)周期性閑置等諸多因素的影響，會(huì)不可避免地出現(xiàn)各種各樣的故障問題[1]。傳統(tǒng)聯(lián)合收割機(jī)故障診斷方式主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷或者等故障出現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常工作才進(jìn)行故障的處理，無法做到及時(shí)準(zhǔn)確地將信息傳遞給相關(guān)工作人員[2]。因此，需采用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等[3]，配合不同的診斷方法，有效避免部分故障問題的再次發(fā)生，并提升聯(lián)合收割機(jī)的使用壽命，進(jìn)而保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1.故障診斷方法分析

1.1故障數(shù)據(jù)分類和預(yù)處理

聯(lián)合收割機(jī)在田間工作時(shí)，按機(jī)器的行走狀態(tài)可以劃分為停止收割、停止收割但機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、田間收割行走狀態(tài)。當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)處于停止收割時(shí)，采集模塊采集到的速度和損失率為零，停機(jī)原因是：操作員停機(jī)查看機(jī)器狀態(tài)或者發(fā)現(xiàn)糧倉(cāng)滿載，停機(jī)卸載糧食。當(dāng)機(jī)器處于停止收割但機(jī)器行走狀態(tài)時(shí)，采集模塊采集到的速度和損失率也為零，停機(jī)原因是：操作員調(diào)整聯(lián)合收割機(jī)的收割位置或收割路徑，關(guān)閉收割動(dòng)力。當(dāng)診斷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采集模塊將采集到零值和非零值，零值會(huì)對(duì)診斷系統(tǒng)判定故障狀態(tài)產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)誤以為零值時(shí)堵塞故障[4-5]，因此須首先剔除零值數(shù)據(jù)組。

1.2故障診斷方法類別

聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷方法分為本地速度（轉(zhuǎn)速和頻率）閥值判斷和服務(wù)器端模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)[6]。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)主要是轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速的變化并不能很準(zhǔn)確的表現(xiàn)出故障，如轉(zhuǎn)速降低可能是檔位的變換，也可能是故障的發(fā)生。在檔位變換時(shí)，聯(lián)合收割機(jī)并未發(fā)生故障，故以轉(zhuǎn)速的變化為故障判定并不準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)速比作為比值，不論是檔位變換，還是聯(lián)合收割機(jī)加減速階段，只要運(yùn)行正常，比值都不會(huì)發(fā)生很大的變化。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速比能直接的表現(xiàn)出來，因此選擇轉(zhuǎn)速比作為對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。另一種故障診斷方法則是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其主要由模糊邏輯系統(tǒng)（模糊規(guī)則庫、模糊推理機(jī)、模糊器和去模糊器），人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用三個(gè)部分組成。

2.故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為滿足聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能需求[7]，設(shè)計(jì)主要包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[8]和Web服務(wù)器等三個(gè)部分的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。通信服務(wù)器部署在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，負(fù)責(zé)與車載采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，并完成數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來保存運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、用戶信息、設(shè)備信息等。Web服務(wù)器用來響應(yīng)管理人員和車主的請(qǐng)求，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的診斷與預(yù)警。同時(shí)也能通過該平臺(tái)了解聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行狀況，對(duì)跨區(qū)作業(yè)的聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)配。

2.2故障監(jiān)測(cè)參數(shù)的選取

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)在田地間進(jìn)行作業(yè)時(shí)，影響聯(lián)合收割機(jī)的工作效率因素有很多，如油耗、割臺(tái)高度和四板間隙限位，以及脫粒滾簡(jiǎn)扭矩，切流滾筒扭矩，軸流滾筒扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩;凹板間隙，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗和累積油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率等因素對(duì)聯(lián)合收割機(jī)有著重要影響。聯(lián)合收割機(jī)參數(shù)選取的主要有聯(lián)合收割機(jī)的脫粒滾筒，雜余攪龍，輸糧攪龍，風(fēng)機(jī)輪，輸送帶輪，撥禾輪，割刀頻率等的轉(zhuǎn)速，聯(lián)合收割機(jī)糧倉(cāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度及振動(dòng)，水箱溫度，糧倉(cāng)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濕度;割臺(tái)高度，振動(dòng)，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速及振動(dòng)等狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

3故障診斷相關(guān)技術(shù)模塊

3.1GPS定位模塊

GPS定位模塊采用硬件BuetuesBS-708，將模塊連接到車載端工控機(jī)上的端口號(hào)為COM1，使用的波特率為9600，該模塊使用的是GPS通用的NMEA-0183協(xié)議，通過調(diào)用串口開發(fā)工具包里的函數(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后提取所需地理位置信息與收割機(jī)行走速度。配置完成BuetuesBS-708GPS模塊的基本參數(shù)后，從串口緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對(duì)幀頭為$GPRMC和$GPVTG的數(shù)據(jù)幀分別進(jìn)行解析，最后得到當(dāng)前聯(lián)合收割機(jī)的經(jīng)度、緯度、行走速度，并實(shí)時(shí)顯示在UI面板上。

3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

聯(lián)合收割機(jī)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式將工作轉(zhuǎn)速、頻率以及損失率數(shù)據(jù)傳遞到本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，其中傳遞到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)流首先通過隊(duì)列出列，然后通過數(shù)組索子VI分別索引出振動(dòng)篩頻率、雜余攪龍轉(zhuǎn)速、輸送攪龍轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、輸送攪龍轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、喂入攪龍轉(zhuǎn)速、割刀頻率、谷物損失率，這些數(shù)據(jù)均為數(shù)值數(shù)據(jù)類型。GPS采集模塊與本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊以屬性節(jié)點(diǎn)值的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸;存入本地?cái)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)為字符串類型，所以需要通過數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換子VI進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，最后連接字符串子VI將數(shù)據(jù)打包，按照每秒1幀的形式存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫。

3.3報(bào)警顯示模塊

報(bào)警顯示模塊UI界面主要界面分為：聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測(cè)部件作業(yè)參數(shù)態(tài)，綠燈表示“正常狀態(tài)，黃燈表示預(yù)警狀態(tài)即“微堵”，紅燈表示警示狀態(tài)即“堵塞”。當(dāng)駕駛者觀察到某部件的顯示紅燈時(shí)，可立即停機(jī)下車查看對(duì)應(yīng)部件的故障狀態(tài)，減少聯(lián)合收割機(jī)故障排查時(shí)間。報(bào)警顯示模塊顯示邏輯判斷分為二部分。第一部分為閾值的初步檢查，當(dāng)某部件的轉(zhuǎn)速或者頻率小于設(shè)定的閾值時(shí)，將直接判定該部顯示界面和故障結(jié)果反饋示意燈等。其中包含有八個(gè)參數(shù)儀表盤，用于直觀的顯示聯(lián)合收割機(jī)的各個(gè)監(jiān)測(cè)部件數(shù)據(jù)。故障示意燈可以反饋3種作業(yè)狀件出現(xiàn)“堵塞”故障，通過小于子VI判斷，當(dāng)某部件的轉(zhuǎn)速或者頻率小于設(shè)定的閾值為真時(shí)，判斷結(jié)果將以紅色bool燈的形式給出;第二部分為對(duì)服務(wù)器端回傳結(jié)果的判斷，當(dāng)診斷結(jié)果為某部件的故障標(biāo)簽，則根據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)簽報(bào)警顯示對(duì)應(yīng)部件狀態(tài)指示燈。

4. 結(jié)果與討論

我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域智能化設(shè)備起步較晚，雖然關(guān)于履帶式水稻聯(lián)合收割機(jī)故障診斷的研究較多但真正用于實(shí)際生產(chǎn)的卻很少，在聯(lián)合收割機(jī)故障診斷技術(shù)方向，缺乏高效智能的方法。本文中提及的數(shù)據(jù)預(yù)處理和基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的故障診斷報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)模塊，通過測(cè)量到的數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)相融合，并進(jìn)行相互比較分析，確保了故障診斷系統(tǒng)的容錯(cuò)性，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確、高效性，為應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)支持，具有良好的實(shí)用推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠金泉.農(nóng)機(jī)常見故障的分析診斷與預(yù)防[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019（06）：64.

[2] 袁忠興.水稻聯(lián)合收割機(jī)液壓機(jī)構(gòu)的故障及處理技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2020（05）：23-24.

[3] 梁恒昆.面向車聯(lián)網(wǎng)的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷本體的應(yīng)用研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（11）：198-199+205.

[4] 李俐娜.聯(lián)合收割機(jī)故障的診斷與排除探討[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019（05）：60.

[5] 張亞華.聯(lián)合收割機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與排除[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2017（07）：62.

[6] 陳剛，徐敏銳，穆小星，郭云春，陳飛.基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的互感器在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)[J].電測(cè)與儀表，2020，57（11）：49-54+62.

[7] 楊俊茹，高陽，李瑞川，穆常蘋，劉長(zhǎng)譽(yù)，徐繼康.聯(lián)合收割機(jī)液壓部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（01）：34-39.

[8] 陳進(jìn)，吳培，徐凱，丁松，韓帥軍.聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)故障數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2016（05）：46-49.