基于單質(zhì)點法的聯(lián)合收割機谷物卸糧質(zhì)量理論建模與分析

付興蘭， 安曉飛， 張兆國， 李晨源， 李立偉， 于佳楊

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650000； 2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097；5.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100097)

谷物產(chǎn)量計量是谷物生產(chǎn)管理實施的關(guān)鍵步驟，國內(nèi)外的研究人員提出了多種產(chǎn)量實時監(jiān)測方法，如沖量法、光電容積法、稱重法和γ射線法等[1-4]。目前系統(tǒng)精度受到收割機田間工況引起的機器振動、機身傾斜、背景噪聲等因素的影響[5-6]，因此Roberts等分別提出雙自適應(yīng)陷波濾波信號處理方法、傾角傳感器修正機身傾斜法、加速度傳感器測量由于地面凹凸不平等引起的非周期性干擾信號，來自適應(yīng)補償谷物流量傳感器的輸出，消除外界的干擾[7-10]。為了進(jìn)一步提高谷物產(chǎn)量計量的精度，李新成等基于沖擊式原理提出了一種基于電壓/升運器速度產(chǎn)量模型，比傳統(tǒng)的質(zhì)量-電壓模型更能準(zhǔn)確表征谷物運動的實際情況，均方根誤差為2.03%[11-12]。

關(guān)于螺旋輸送器輸送量的研究有很多，Roberts等采用量綱分析法及動力學(xué)相似理論，對顆粒渦旋運動建立理論模型，并進(jìn)行了更深層次的研究，初步預(yù)測了螺旋輸送機工作時的一般理論公式[13-15]。丁永前等利用沖量原理測量固體顆粒物料實時物料速度和質(zhì)量流量，同時提出了一種可動態(tài)估算速度和質(zhì)量流量測量誤差的方法，使用自行設(shè)計的試驗裝置，以大豆作為試驗材料進(jìn)行質(zhì)量計量試驗，結(jié)果表明估算的質(zhì)量流量相對誤差最大值為4.00%，平均相對誤差1.44%；估算的速度相對測量誤差最大值為9.69%，平均相對誤差為 5.03%，動態(tài)測量精度和總質(zhì)量計量精度之間有較好的相關(guān)性[16-17]。李立等采用混砂車螺旋輸砂器試驗裝置從統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，修正了混砂車輸砂能力計算公式，并建立了45°傾角螺旋輸砂器的經(jīng)驗公式Q=0.38(D2-d2)nP，根據(jù)經(jīng)驗公式對輸砂器的螺距和直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有效地解決了最高轉(zhuǎn)速時輸砂器振動大的問題[18-19]。賈宏禹等建立空間坐標(biāo)系的方法，對物料在大傾角螺旋輸送機中的受力情況進(jìn)行分析，得到了螺旋輸砂器的臨界轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速下的輸砂量與傾角、葉片表面摩擦因數(shù)、筒壁摩擦因數(shù)、填充量、密度等參數(shù)之間的理論公式，并以45°傾角布置的螺旋輸砂器建立了實際輸沙量的表達(dá)式Q=(1.313nk/n+0.194)Q0[20-22]。但未見有研究者采用單質(zhì)點法應(yīng)用于聯(lián)合收割機螺旋輸送器卸糧谷物質(zhì)量計量的模型公式。

本研究的目的是在研究谷物運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用單質(zhì)點法分析谷物在穩(wěn)定狀態(tài)時的力學(xué)與運動規(guī)律，建立聯(lián)合收割機卸糧螺旋輸送器與谷物產(chǎn)量的關(guān)系模型，并進(jìn)行試驗驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2016年6月選擇在北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地進(jìn)行，試驗中選用收割機為中聯(lián)重機生產(chǎn)的谷王TB60(4LZ-6B)型自走式聯(lián)合收割機，收割機螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)為螺旋葉片直徑0.210 m、螺旋輸送軸軸徑0.067 m、螺旋葉片螺距0.155 m、螺旋葉片厚度0.003 m、螺旋傾角30°。

1.2 試驗材料

本次試驗搭載的系統(tǒng)為自主研發(fā)的谷物卸糧質(zhì)量計量系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1-a所示，主要由傳感器信號采集模塊、谷物產(chǎn)量數(shù)據(jù)處理模塊和谷物產(chǎn)量智能顯示終端組成。卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器安裝在卸糧螺旋輸送器上，糧倉糧位狀態(tài)傳感器安裝在糧倉底部。當(dāng)聯(lián)合收割機開始卸糧作業(yè)時，卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器輸出速度信號，糧倉糧位狀態(tài)傳感器根據(jù)糧倉內(nèi)谷物的剩余高度輸出糧位狀態(tài)信號，數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的2路傳感器信號進(jìn)行濾波后通過RS485總線通信方式傳輸至智能顯示終端并在終端上顯示谷物的卸糧質(zhì)量、螺旋輸送器速度、糧位狀態(tài)等信息。圖1-b是收割機螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 谷物單質(zhì)點理論模型建立

在收割機卸糧螺旋輸送器工作時，谷物顆粒在螺旋葉片推動下產(chǎn)生較大的離心力，使谷物顆?？朔c螺旋葉片之間的摩擦力被壓向螺旋葉片，從而與筒壁形成新的摩擦力，當(dāng)摩擦阻力達(dá)到足夠大時，就能克服谷物顆粒本身重力及其他力所引起的下滑力。同時谷物顆粒在螺旋葉片的推動下， 克服它與螺旋葉片間的摩擦阻力和它與輸送管內(nèi)壁間的摩擦阻力，從而以螺旋輸送器轉(zhuǎn)速的同比旋轉(zhuǎn)速度上升，直到卸糧出口卸出。

對于卸糧螺旋輸送器輸送量的推導(dǎo)采用單質(zhì)點法，對谷物顆粒進(jìn)行力學(xué)分析，再對谷物顆粒進(jìn)行運動規(guī)律分析，并求解出沿軸線方向上的分速度，再求解螺旋輸送器填充量為滿負(fù)荷時的輸送量。根據(jù)試驗研究，求解填充量不是滿負(fù)荷工作時的輸送量，從而達(dá)到求解谷物卸糧質(zhì)量的目的。

1.3.1 穩(wěn)定狀態(tài)下谷物顆粒受力分析 設(shè)卸糧螺旋輸送器為標(biāo)準(zhǔn)的等螺距、等直徑、螺旋面升角為β的單頭螺旋。以單個谷物顆粒作為研究對象進(jìn)行運動分析。谷物顆粒受力分析如圖2所示。

螺旋輸送器螺旋升角β為

(1)

式中：L為螺旋輸送器螺距，m；D為螺旋輸送器螺旋葉片直徑，m。

根據(jù)谷物在穩(wěn)定狀態(tài)下的受力平衡可以得到如下等式關(guān)系：

F1=P1μ1=μ1(Gsinαcosβ+F2sinβ)；

(2)

F2=P2μ2=μ2(F+Gcosα)；

(3)

F1=Gsinαsinβ=F2cosβ。

(4)

1.3.2 谷物顆粒運動分析 谷物顆粒在螺旋輸送器中運動時，一邊沿著葉片表面繞螺旋軸旋轉(zhuǎn)，一邊沿著螺旋軸的方向做直線運動[15]。谷物顆粒運動的總速度由螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)的螺旋速度和顆粒相對于螺旋面的相對速度組成[19]。設(shè)谷物顆粒相對速度為v1，螺旋速度為v2，則谷物顆粒的運動v可以表示為

v=v1+v2。

(5)

谷物顆粒以v的速度相對于筒壁沿軸線向上做螺旋運動。谷物顆粒運動分析如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，由正弦定理可以建立以下等式：

(6)

則可得絕對速度與螺旋速度的夾角θ為

(7)

谷物顆粒在通過螺旋輸送器的過程中，是一種沿旋轉(zhuǎn)軸運動，輸送量的大小靠軸向速度vz來決定[20]。

根據(jù)圖3，由正弦定理可以建立等式(8)：

(8)

則谷物顆粒軸向分速度vz為

(9)

1.3 基于單質(zhì)點模型的谷物卸糧質(zhì)量計量模型公式

根據(jù)公式(9)得到的卸糧螺旋輸送器沿軸向速度vz可以得到卸糧螺旋輸送器的谷物輸送量Q0的理論計算公式為

(10)

式中：ρ為谷物容重，kg/m3；D為螺旋葉片直徑，m；d為螺旋軸直徑，m；ψ為填充系數(shù)，ψ=1表示螺旋輸送器填充量為滿負(fù)荷工作，ψ<1表示螺旋輸送器填充量不是滿負(fù)荷工作，ΔQ為輸送量。

谷物卸糧質(zhì)量為

(11)

式中：ti為卸糧開始到卸糧結(jié)束的時間，s。

考慮到在卸糧螺旋輸送器實際卸糧工作中，螺旋輸送器轉(zhuǎn)速是實時變化的，因此須要通過試驗結(jié)果來建立基于螺旋輸送器輸送量的谷物卸糧質(zhì)量計算模型。

2 試驗驗證與分析

2.1 卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器性能測試

卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速在谷物卸糧質(zhì)量模型計算中是一個重要參數(shù)，為檢驗卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)TB60型聯(lián)合收割機在400、500、600、700、800、900 r/min 這6個轉(zhuǎn)速水平下進(jìn)行測試，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到升運器轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)方差和相對誤差等參數(shù)見表1。

表1 卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器試驗數(shù)據(jù)

由表1可見，卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器測量最大誤差為1.53%，低于2.00%，各轉(zhuǎn)速水平標(biāo)準(zhǔn)差最大為 2.42 r/min，離散程度小，具有較好的準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

谷物聯(lián)合收割機卸糧作業(yè)時，因機身振動、機器噪聲等影響及人工操作會造成其卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速實時變化，特別是卸糧剛開始和結(jié)束時，速度變化較大，造成奇異點數(shù)據(jù)。因此，須要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以減小誤差，本研究提出雙閾值均值濾波前值取代法對卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理。

根據(jù)螺旋輸送器在不同轉(zhuǎn)速條件下獲得的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，首先對原始轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采用8點均值濾波處理，在此基礎(chǔ)上確定轉(zhuǎn)速正常值的上限值nT1，下限值nT2作為判斷原始數(shù)據(jù)中奇異值的標(biāo)準(zhǔn)。閾值濾波時對超閾值范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行前值取代，具體算法見公式(12)。

(12)

當(dāng)采樣值大于最大閾值nT1或者小于最小閾值nT2時，使采樣值等于前一個采樣值，否則保持不變。若閾值設(shè)置不恰當(dāng)，特別是當(dāng)閾值下限設(shè)置過大或者輸送量過小時，閾值法會降低輸送量精度。為了判斷雙閾值動態(tài)濾波效果，按照時間序列對不同預(yù)處理算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖4是不同數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對比結(jié)果。

采用本研究中提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理后，從圖4中可以明顯看出數(shù)據(jù)的整體平滑程度提高，原始數(shù)據(jù)中的奇異點已經(jīng)完全消除，變異系數(shù)也從5.56降低為1.44， 卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號穩(wěn)定性提高。

2.3 模型驗證

為獲得實際的谷物卸糧質(zhì)量與卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，在產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行標(biāo)定試驗和驗證試驗。標(biāo)定試驗中將聯(lián)合收割機螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入公式(10)、(11)，通過6組卸糧標(biāo)定試驗獲得實際的谷物卸糧質(zhì)量計量模型公式，具體見公式(13)。

(13)

式中：vzi為谷物沿軸線方向的實時分速度，m/s；ti為卸糧開始到卸糧結(jié)束的時間，s。

標(biāo)定試驗后進(jìn)行驗證試驗，試驗共6組，分別對不同質(zhì)量的谷物進(jìn)行卸糧，通過公式(13)的模型公式計算卸糧谷物質(zhì)量，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。從試驗數(shù)據(jù)表可以看出系統(tǒng)檢測質(zhì)量與實際稱量最大相對誤差為3.90%，誤差波動較小，具有較好的測量精度。

表2 模型驗證試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過以上試驗和分析，可以得出以下結(jié)論：(1)通過聯(lián)合收割機卸糧螺旋輸送器輸送量計算谷物卸糧質(zhì)量可以有效消除人工誤差、機身振動等的影響，該方法測量簡單，可以代替人工谷物質(zhì)量稱量，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。(2)提出了適用于卸糧轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)的雙閾值均值濾波前值取代法的處理方法，經(jīng)該方法處理后的數(shù)據(jù)平滑度提高，變異系數(shù)降低，卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號穩(wěn)定性提高。(3)在考慮卸糧螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和糧倉糧位狀態(tài)的條件下，螺旋輸送器輸送量模型實測值和檢測值的驗證誤差為3.90%。

為了進(jìn)一步提高卸糧螺旋輸送器輸送量模型的準(zhǔn)確性，下一步須要考慮谷物形狀的變化情況對計算模型的影響，并開展大量的試驗進(jìn)行驗證。

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