小型收获机电动脱粒滚筒负荷监测系统的设计

钱晓胜，康 杰

(西南大学 工程技术学院，重庆 400716)

0 引言

均匀适当的作业负荷可以使稻麦联合收获机处于最佳工作状态[1-2]。通过对稻麦联合收获机作业负荷进行实时监测可以为操作人员的下一步操作提供科学的参考，以保证最佳的作业负荷。目前，对大中型全喂入式稻麦联合收获机的作业负荷监测的研究较为成熟，主要有以下几种：检测脱粒滚筒转速[2-3]、检测驱动脱粒滚筒的传动带或传动链的张紧力[4-5]、检测驱动脱粒滚筒的液压油缸的油压[6]，以及通过扭矩传感器检测脱粒滚筒轴的输出扭矩[7]。其中，通过扭矩传感器直接检测脱粒滚筒扭矩的方法最能够及时准确地反映收获机脱粒滚筒的实时负荷状态[1]，而其他间接检测方法响应时间较长，具有一定的滞后性。本文针对一款丘陵山区小型电驱动脱粒滚筒收获机，提出了一种基于电流检测的脱粒滚筒负荷监测方法，能够实现对脱粒滚筒负荷的实时监测且无需安装体积较大的扭矩传感器，适用于丘陵山区小型收获机的紧凑机型。基于此方法的负荷监测系统可以实时监测所研制的4GQT-90型小型手扶式收获机脱粒滚筒的作业负荷并提示操作人员控制收获机作业速度以保证该收获机工作在额定的脱粒负荷范围内，从而提高了收获机的脱粒质量。

1 收获机机械结构

本文研究对象是一款用于丘陵山区稻麦割前脱粒的4GQT-90型手扶式收获机[8]，其整机结构如图1所示。图1中虚线表示动力源，其割前脱粒部件的三维模型如图2所示。

1.螺旋输送器 2.脱粒滚筒 3.直流电动机 4.抛升器 5.风机 6.清选筒 7.集粮箱 8.发动机 9.扶手 10.分动箱

2 脱粒滚筒负荷的检测原理

脱粒滚筒的扭矩能及时、准确地反映脱粒滚筒作业负荷[1]。4GQT-90型割前脱粒收获机结构紧凑且脱粒滚筒轴倾斜布置，扭矩传感器体积较大，难以被安装在该机器上，故不能直接测量脱粒滚筒的输出转矩。由于该收获机采用直流电机为脱粒滚筒提供动力，故电机负载电流可以实时反映脱粒滚筒的作业负荷。为了提高监测系统的可靠性，同时在脱粒滚筒轴处加入转速传感器，通过检测脱粒滚筒转速来间接判断脱粒滚筒的工作状况。

1.齿轮减速器 2.直流电动机 3.外壳 4.弹簧挡板 5.夹持链 6.弓齿滚筒

2.1 电流检测原理

该并励式直流电动机满足以下关系[9]，即

Tm=CTφNIa≈CTφNI

(1)

其中，I是直流电机输入电流；Ia是电枢电流；Tm是直流电机电磁扭矩，其值近似等于输出扭矩；CT是转矩常数；φN是励磁磁通。

该收获机的脱粒装置采用对称设计，假设工作过程中两个脱粒滚筒的作业扭矩和转速完全相同，则有

Pm=2Pc/η

(2)

其中，η为电机与脱粒滚筒轴之间传动装置的效率；Pm为电机的输出功率；Pc为单个滚筒所需功率。根据式(1)和式(2)，结合功率、转速和扭矩的基本关系，得到滚筒转矩与电机电流关系为

I=2Tc/iηCTφN

(3)

其中，i是电机与脱粒滚筒之间的传动比，i=nm/nc，nm和nc分别是电机转速和滚筒转速；Tc是滚筒扭矩。式(3)中，传动装置的i和η是不变的。对于已选用的直流电机，CT为常数，当供电电压不变且不考虑电枢反应去磁作用时，φN也为常数。故直流电机输入电流I与脱粒滚筒的输出扭矩Tc之间呈线性关系。

2.2 脱粒滚筒负荷模型

脱粒滚筒扭矩、喂入量和收获机作业速度的关系为[6,10]

(4)

其中，A和B为系数；ω为脱粒滚筒角速度；r为作物密度；γ为谷草比；λ为谷物出口速度与滚筒线速度的比值；f为脱粒滚筒搓擦系数；q为喂入量，q=Hρv。其中，H为作业幅宽；ρ为作物密度；v为收获机作业速度。

对于一定的收获机和作物，只有ρ和v是变量，由于作物密度ρ不可控制，通过改变收获机的作业速度v可以保持稳定的喂入量，使脱粒滚筒的负荷稳定。该负荷监测系统可以根据负荷大小提示操作人员对收获机作业速度进行控制，以保持均匀适当的喂入量。

3 收获机脱粒滚筒性能试验

为了得到该收获机的实际额定脱粒负荷，需要将脱粒装置安装在试验台上进行性能测试。通过试验台下方的夹持链将未脱粒带秸秆的等质量小麦均匀送入脱粒装置内部进行脱粒，以改变夹持链的工作速度来调节喂入量。在脱粒滚筒轴处安装扭矩传感器(固定在试验台上)和转速传感器以检测脱粒滚筒的作业扭矩和作业转速；通过LED直接显示实时扭矩和转速，电流计被用来检测和显示直流电机的工作电流。当进行不同喂入量试验时，在脱粒滚筒稳定工作时记录下脱粒滚筒轴的扭矩、转速及直流电机的电流值，以此研究不同喂入量时脱粒滚筒转速和扭矩的变化规律和趋势。

首先对于该小型割前脱粒收获机进行空载试验，然后在喂入量0.1～1kg/s之间进行10组试验，每组之间的喂入量相差0.1kg/s。由于对于同一喂入量，其作业负荷也是在一定范围内变化的，故扭矩、转速和电流参数也不恒定，这里取其平均值作为此时喂入量对应的试验参数值，通过平滑曲线连接离散的试验结果可以更好地反映其变化规律和趋势。

试验结果如图3所示。由图3(a)、(b)可以看出：采用对称设计的两个脱粒滚筒表现出了较为一致的作业性能，脱粒滚筒的作业扭矩和转速随喂入量的增加而分别增大和降低；但是，喂入量在0.6～0.8kg/s范围时，脱粒滚筒的作业扭矩和转速变化较小，表现出较好的平稳特性。由图3(c)可以看出：直流电动机在此区间的负载电流比较稳定，故此时的收获机处于额定工况下工作。该额定工况的喂入量范围取决于脱粒滚筒装置的设计参数，如电动机功率和效率特性、传动比、滚筒直径和脱粒间距等。

(a) 脱粒滚筒扭矩曲线

(b) 脱粒滚筒转速曲线

(c) 直流电机负载电流曲线

4 负荷监测系统设计

4.1 收获机的最佳作业负荷

从实验室试验结果可以看出：当喂入量在0.6～0.8kg/s时，收获机作业平稳，作业效率较高，此时收获机工作在额定状态；当喂入量小于0.6kg/s时，收获机处于低负荷状态，此时收获机的作业效率较低，电动机的功率不能被充分利用；当喂入量增加到0.8kg/s以上时，脱粒滚筒的扭矩和功耗有较快的上升趋势，转速下降也比较明显，说明此时收获机的作业负荷较大并有过载的征兆，继续在该负荷下工作，容易造成脱粒滚筒堵塞、工作振动变大及作业性能降低。另外，从脱净率和损失率方面考虑，处于额定工况下的脱粒滚筒具有比较合适和稳定的作业扭矩和作业转速，故可以达到好的脱粒效果[10-11]。

因此，在该收获机负荷监测系统设计中，以收获机额定工作时的作业负荷作为设计基准，低于该负荷时，监测系统会提示操作人员加快作业速度以提高作业效率；反之，则提示操作人员降低作业速度，防止收获机超负荷工作。

4.2 收获机作业负荷检测

在该系统中，由于不能直接检测喂入量，收获机的作业负荷通过检测直流电动机的负载电流和脱粒滚筒的工作转速来间接反映。采用脱粒滚筒的工作转速来反映作业负荷具有较大的滞后性[6]，而负载电流可以及时、准确反映作业负荷，故将负载电流作为主要的检测参数，将脱粒滚筒转速作为提高系统可靠性的辅助检测参数。

本项目选用美国Allegro公司的电流传感器ACS712来实时检测直流电动机负载电流。该芯片具有响应时间快(5μs输出上升时间)、总输出误差最大为1.5%、SOIC8小型封装、5V供电、高输出灵敏度(66～185mV/A)等特点[12]，其性能指标能够满足该系统的要求。根据传感器特性，5V供电时被测电流Id与传感器输出电压Vout的关系为

Id=15(Vout-2.5)

(5)

因此，只要采集到电流传感器的输出电压值就可以得到此时直流电动机的负载电流大小，两者呈线性关系。脱粒滚筒的工作转速通过检测转速传感器的输出脉冲数获得。

4.3 监测系统的控制

由图3(c)可以看出：当收获机处于额定工况时，电动机的负载电流在19～22A之间平缓变化。控制器对电流和转速信号进行周期性采样，每次采样100个数据，然后将剔除及平均处理后的数据作为当前的采样值。当负载电流高于或低于该电流范围时，控制器将通过LED显示模块提示操作人员减小或者增加收获机的作业速度。在脱粒滚筒正常工作时，采集的转速信号会和设定的故障转速进行比较，当低于该故障转速时，为了防止脱粒滚筒堵转和直流电机过流发热，控制器将断开电动机电源并报警提示。

5 田间试验

定义负荷稳定性变异系数K来表示负荷监测系统的效果，该系数指的是在收获机脱粒过程中电动机工作电流变化的程度，即

(6)

其中，K为负荷稳定性变异系数(%)；V为各采样点的平均电流(A)；S是负荷电流标准差(A)。

(7)

其中，vi为各采样点电流值(A)；n为采样点数。

田间试验在重庆市西南大学现代农业示范中心的小麦试验田进行。测试条件：作物平均高度为810mm，穗幅差为150mm，茎秆平均含水率为23%，籽粒平均含水率为22%，作物长势较均匀且无倒伏。为了验证该负荷监测系统的功能，进行了两组对比试验。在第一组试验中，安装该负荷监测系统并通过显示模块对操作人员进行操作提示；在第二组试验中，仍然运行负荷监测系统，但不安装显示模块，同一操作人员只能根据经验对收获机的作业速度进行控制。为了对比作业效果，通过控制器存储两组试验中所采样的电动机负载电流，并将负载电流变化曲线和额定负载电流范围进行比较。收获机稳定作业期间的试验结果如图4所示。

图4 田间试验作业电流测量对比曲线

由图4可以看出：对于同一个操作人员，在没有显示装置辅助作业时，收获机的作业负荷容易超过额定作业负荷，且由于作物密度的变化，收获机的作业负荷波动很大；而操作人员对喂入量的控制具有较大的延迟且不能准确控制调节量。相对来说，通过监测显示装置辅助作业时，收获机工作在额定作业负荷附近且波动较小，说明操作人员的控制对作物密度的变化具有较好的适应性。

如表1所示：在稳定作业阶段，有系统辅助控制收获机的平均速度较人工经验控制要低30%左右。这主要是因为前者在工作中大多数时间都能被控制在额定的负荷范围内；而后者依靠人工经验，容易造成过载运行，所以收获速度较前者更高；在负荷监测系统辅助控制下收获机工作在额定负荷范围内的时间为82%，而无该系统辅助下的经验控制只有8%，过载明显。

表1 两种负荷控制方法结果对比

此外，利用显示装置辅助作业时的负载电流数据标准差为1.73，小于无显示装置辅助作业时的3.65，表明前者受作物密度变化的影响较小，稳定性较好；对于平均作业电流，前者为21.3A，而后者达到了25.1A，后者超过了额定负荷时的电流范围。通过式(6)计算得到两组试验的负荷稳定性变异系数，前者和后者分别为8.1%和14.5%，表明有负荷监测系统辅助控制时的收获机作业负荷更加稳定。田间试验结果表明，该负荷监测系统可以有效提高4GQT-90型收获机的使用性能。

6 结论

1)本文研究的4GQT-90型收获机是一款用于丘陵山区稻麦割前脱粒且采用电动双滚筒的新机型。首先通过试验获得了该收获机的额定脱粒负荷，然后利用驱动电机电流实时反映作业负荷的特性对电机电流进行监测并以此为参考向操作人员提供增减速提示信息，从而达到收获机在额定负荷范围内工作的目的。该监测系统不需要对小型收获机的机械结构进行改动即可实现对其脱粒负荷的实时监测。

2)田间试验结果表明：在该监测系统的辅助控制下，收获机基本上可以达到预期的目标。然而，当作物密度变化较大时，收获机仍容易超出额定的负荷范围。这主要是因为电流监测虽然能够及时反映收获机的脱粒负荷，但却无法对脱粒负荷进行预测；如果喂入量在短时间内变化很大，监测系统会因为不能预测负荷而导致提示滞后，操作人员无法根据提示及时调整收获机的作业速度，从而造成在部分时间段内收获机的负荷超过或者低于额定的负荷范围。

3)采用的电流检测可以实时、准确地反映脱粒滚筒的作业负荷，当电流检测出现故障时，通过转速检测也可以判断脱粒滚筒是否严重过载，发生堵塞等故障，两者结合可以有效提高负荷监测系统的工作可靠性。该负荷监测系统可以辅助操作人员完成对所研究的小型收获机的负荷控制，使收获机基本工作在额定的负荷范围内，以保证较好的作业质量及较高的工作效率。但是，该监测系统无法预测脱粒负荷，特别是当作物密度变化很大时，系统的提示滞后会影响其使用性能，无法及时提示操作人员进行增减速操作，导致收获机不能在额定的负荷范围内进行工作，下一步将重点研究如何增加该系统的脱粒负荷预测功能，从而进一步提高其对变化负荷的适应性。