農(nóng)機(jī)傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望

馬瑋皓，周亞賓，張 衡，阿斯賀·熱合曼，謝建華

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

0 引言

傳動系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展，以及各種大型農(nóng)機(jī)的出現(xiàn)，農(nóng)機(jī)傳動系統(tǒng)構(gòu)造也越來越復(fù)雜。在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過程中，傳動系統(tǒng)經(jīng)常會發(fā)生故障，嚴(yán)重影響農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率和農(nóng)機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性[1]，例如：精量播種機(jī)傳動系統(tǒng)發(fā)生故障將導(dǎo)致漏種、漏播等現(xiàn)象，聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)故障將導(dǎo)致喂入口堵塞現(xiàn)象，當(dāng)故障發(fā)生時，由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，基本上都是依靠駕駛員的經(jīng)驗來處置，耗時耗力，嚴(yán)重影響農(nóng)機(jī)的工作效率，嚴(yán)重時還會影響農(nóng)田的耕種和搶收[2]。而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家相關(guān)政策的調(diào)整，農(nóng)村勞動力逐步流向二、三產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)勞力減少，人們對農(nóng)業(yè)機(jī)械的依賴程度加深。實施農(nóng)業(yè)機(jī)械故障智能監(jiān)測系統(tǒng)，完成農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)的智能監(jiān)測，根據(jù)浮動的監(jiān)測參數(shù)與設(shè)定的規(guī)范參數(shù)做出對照，監(jiān)測農(nóng)業(yè)機(jī)械各個機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)故障的提前預(yù)警和自我調(diào)控[3]。對于提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率，減輕勞動強(qiáng)度，增長農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作壽命，加快我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化、現(xiàn)代化、智能化進(jìn)程，推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外農(nóng)機(jī)傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

從18世紀(jì)初到19世紀(jì)初，歐美等發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)就己經(jīng)開始進(jìn)行，并且研制出了樣機(jī)。1920年起，美國大范圍推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械，隨后迅速普及到歐美，澳大利亞，蘇聯(lián)等國家。從2000年起，歐美許多國家已經(jīng)全面實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)，與此同時農(nóng)業(yè)機(jī)械采用計算機(jī)視覺技術(shù)、CAN總線技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，開始對農(nóng)業(yè)機(jī)械各項作業(yè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，采取計算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAD），計算機(jī)輔助實驗（CAT）等現(xiàn)代技術(shù)，確保了機(jī)械產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，農(nóng)業(yè)機(jī)械逐步向智能化、自動化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展[4]。

1.1.1 基于計算機(jī)視覺的傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)

在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，研究人員采用機(jī)器視覺的辦法來進(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)過程的監(jiān)測，機(jī)器視覺技術(shù)的核心是用計算機(jī)技術(shù)模擬人的視覺感官，然后對輸入圖像進(jìn)行處理和分析，將圖像技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。其監(jiān)測方法可概括為：近距離固定攝影機(jī)，監(jiān)測多個活動目標(biāo)，該方法多用于農(nóng)業(yè)機(jī)械傳動系統(tǒng)的實時故障監(jiān)測。

JAGUAR800系列的收獲機(jī)采用德國CLAAS公司的CEBIS信息顯示裝置，該裝置對收獲機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)采集、智能化調(diào)控和實時工況顯示，同時支持多個用戶同時在線的操控方案[5]，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以接收來自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和影像，方便數(shù)據(jù)的處理和分析。西南大學(xué)的王海彬等人設(shè)計了的小型收割機(jī)作業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多用戶控制器、多通道數(shù)據(jù)處理器、顯示面板等模塊組成。系統(tǒng)可以實時顯示收割機(jī)傳動部件的作業(yè)狀況并與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信[6]。

1.1.2 基于振動傳感器的傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)

農(nóng)機(jī)傳動部件振動頻率過大，表明農(nóng)機(jī)此時處在異常狀態(tài)，如收割機(jī)在即將堵塞時，伴隨著故障的發(fā)生，收割機(jī)作業(yè)的噪聲會變大，振動采集數(shù)據(jù)也會突然增大[7]，因此傳動系統(tǒng)的振動頻率是必要的監(jiān)測參數(shù)。

紐荷蘭、凱斯等公司研制的農(nóng)業(yè)收割機(jī)裝配了可靠性較高的故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測收割機(jī)傳動系統(tǒng)的溫度、振動等信息，監(jiān)測收割機(jī)是否出現(xiàn)故障，顯示報警信號[8]。DEUCE技術(shù)的專家系統(tǒng)是由GE公司運(yùn)輸部開發(fā)生產(chǎn)的，該系統(tǒng)把壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器技術(shù)與DEUCE的振動信號處理技術(shù)結(jié)合起來，當(dāng)前可以判斷出農(nóng)業(yè)機(jī)械的油液噴發(fā)、氣閥變形等故障[9]。

1.1.3 基于扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)壞境惡劣，傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速/扭矩與農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障發(fā)生有著密切的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的速度變大，扭矩隨即變大，當(dāng)某個傳動軸的扭矩劇增、轉(zhuǎn)速劇減，且轉(zhuǎn)軸相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍，報警器報警，則說明此轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)故障，及時停機(jī)維護(hù)。若沒有對農(nóng)機(jī)主要傳動軸的轉(zhuǎn)速/扭矩進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，發(fā)生故障時操作人員并未察覺，繼續(xù)工作將導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸負(fù)荷劇增，超過轉(zhuǎn)軸承受的最大扭矩，從而使轉(zhuǎn)軸斷裂，影響農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，因此對農(nóng)機(jī)各傳動軸轉(zhuǎn)速/扭矩監(jiān)控有重要意義。

日本的半喂入式收割機(jī)配有液晶顯示器及監(jiān)視器的操作臺[10]，操作員可清楚的了解機(jī)器的機(jī)油壓力、引擎水溫、傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、脫谷尺寸、負(fù)載情況、燃油多少、行進(jìn)速度、秸稈喂入量等狀況，它是農(nóng)機(jī)上成功應(yīng)用自動化技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)的典范。迪爾、荷蘭等公司的收割機(jī)上應(yīng)用了電子駕駛、電子信息等系統(tǒng)[11]。這些系統(tǒng)主要監(jiān)測機(jī)器的參數(shù)，如機(jī)油壓力和溫度、引擎轉(zhuǎn)速、燃油量、電壓等；同時控制機(jī)械作業(yè)時的性能參數(shù)，如引擎轉(zhuǎn)速、滑轉(zhuǎn)率、實時行進(jìn)速度、傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、工作時間及作業(yè)效率等。日本久保田收割機(jī)安裝了自動調(diào)控設(shè)備，該智能監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測轉(zhuǎn)速大小是否合適、傳動系統(tǒng)是否堵塞實現(xiàn)故障的判斷，可以對農(nóng)業(yè)設(shè)備的故障進(jìn)行有效的監(jiān)測。

1.2 國內(nèi)農(nóng)機(jī)傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者致力于基于轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器的農(nóng)機(jī)傳動故障監(jiān)測系統(tǒng)的研究開發(fā)，并且不斷地在技術(shù)上取得突破，使監(jiān)測的方法更加高效便捷、數(shù)據(jù)采集更加快速準(zhǔn)確。

在扭矩監(jiān)測領(lǐng)域，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種基于CAN總線的聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LM3S8962芯片構(gòu)成各個檢測節(jié)點，Labview構(gòu)成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過CAN總線協(xié)議完成各個下位機(jī)節(jié)點與上位機(jī)的相互通信，下位機(jī)可以動態(tài)處理各下位機(jī)節(jié)點所收集的數(shù)據(jù)，并由CAN總線技術(shù)發(fā)送給上位機(jī)，同時由上位機(jī)提供優(yōu)質(zhì)的人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)操作簡便、靈活，實現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒作業(yè)數(shù)據(jù)的采集與控制[12]。江蘇大學(xué)李耀明團(tuán)隊設(shè)計了收割機(jī)轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值的10%~30%時，監(jiān)視報警裝置就會發(fā)出告警，目的是為了降低故障率，并且提高工作效率和工作質(zhì)量[13]。八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計了一種新型轉(zhuǎn)軸低速報警監(jiān)視裝置改善了國產(chǎn)收割機(jī)轉(zhuǎn)動軸低速報警監(jiān)視裝置存在的問題。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)尹文慶、謝蓓等以CAN總線技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計完成了收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)[14]。該系統(tǒng)能動態(tài)監(jiān)視收割作業(yè)快慢、谷物損失、喂入量、攪龍和收割機(jī)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速等作業(yè)數(shù)據(jù)，同時還能完成各種數(shù)據(jù)的顯示及存儲。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院陳志、梁學(xué)修等采用CAN總線技術(shù)設(shè)計了一套在線監(jiān)測收割機(jī)故障的系統(tǒng)[15]，通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械各監(jiān)測點安裝傳感器，利用傳感器獲得各監(jiān)測點的轉(zhuǎn)速信號、通過處理轉(zhuǎn)速信號來獲得油耗及損失量等信息，所有信號經(jīng)過處理之后傳輸?shù)浇K端控制器，使用控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。

2 存在的問題

（1）成果轉(zhuǎn)化率低。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化程度不高，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能操控系統(tǒng)的研究起步較晚。雖然參照國外系統(tǒng)模型研發(fā)了一些監(jiān)測系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)精度普遍不高且價格昂貴，不在普通用戶的承受能力內(nèi)，這些系統(tǒng)大部分都在實驗階段，多用于科研實驗，難以普遍推廣應(yīng)用。

（2）農(nóng)業(yè)機(jī)械自身振動影響數(shù)據(jù)采集的精度。農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作過程中發(fā)動機(jī)振動以及地形等因素造成的機(jī)身振動都會對傳感器采集數(shù)據(jù)造成影響，農(nóng)機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)多是采用轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器，農(nóng)機(jī)自身的振動必將對傳感器數(shù)據(jù)采集造成一定的影響，如何消除農(nóng)機(jī)振動對傳感器采集數(shù)據(jù)的影響是農(nóng)機(jī)故障智能監(jiān)測需要考慮的重點。

（3）農(nóng)機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)滯后效應(yīng)。由于故障監(jiān)測系統(tǒng)具有滯后效應(yīng)，當(dāng)監(jiān)測到農(nóng)機(jī)發(fā)生故障時，即使監(jiān)測結(jié)果與實際一致，但由于監(jiān)測系統(tǒng)滯后，導(dǎo)致無法避免故障的發(fā)生，因此要滿足故障報警功能的要求，控制系統(tǒng)需具備一定的故障預(yù)測能力，需在故障將要發(fā)生前發(fā)出報警指令。關(guān)鍵問題是如何建立有效的預(yù)測模型，基于我國目前農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的水平，還不足以建立相關(guān)預(yù)測模型。

3 發(fā)展趨勢

（1）在今后的發(fā)展中，可以將汽車的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)上。例如，汽車故障的自我診斷系統(tǒng)，使用傳感器對主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測，用ECU進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，可以應(yīng)用在引擎等主要機(jī)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)雜水平日益攀升，對故障監(jiān)測的要求讓我們更加注重其實效性和精準(zhǔn)性，所以將故障監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，對農(nóng)業(yè)機(jī)械故障監(jiān)測有實際意義。

（2）隨著農(nóng)機(jī)種類與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增高，隨之出現(xiàn)的農(nóng)機(jī)故障類型也逐漸增多。為了達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)械日趨復(fù)雜的監(jiān)測要求，人們開始重視將各類監(jiān)測技術(shù)綜合運(yùn)用的監(jiān)測方法。除了監(jiān)測單個因素的故障以外，還興起了多種監(jiān)測方法相結(jié)合的多因素監(jiān)測方法。結(jié)合應(yīng)用多樣化監(jiān)測手段在故障發(fā)生時不但能采集轉(zhuǎn)速/扭矩信號，而且還能利用應(yīng)力、位移、噪音和加速度等信息。多樣化的監(jiān)測方式不僅可以取長補(bǔ)短，還能催生出故障監(jiān)測的新方法。借此提高故障監(jiān)測的可靠性，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械故障得到實時有效的處理。

4 結(jié)束語

針對我國農(nóng)業(yè)機(jī)械故障智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的不足，加強(qiáng)智能化監(jiān)測系統(tǒng)理論知識的研究，重點要在作業(yè)過程監(jiān)測、故障監(jiān)測的報警調(diào)控方面做工作。充分利用我國科研機(jī)構(gòu)人才和高校人才的優(yōu)勢，不斷加強(qiáng)我國相關(guān)科研型企業(yè)的研發(fā)力度和創(chuàng)新能力；加強(qiáng)技術(shù)儲備和創(chuàng)新，同時也要結(jié)合國外農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)測技術(shù)經(jīng)驗，根據(jù)我國國情，設(shè)計出符合我國農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境的監(jiān)測控制系統(tǒng)。