谷物收獲機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器安裝工藝設(shè)計(jì)及失效形式分析

周 騰

(中聯(lián)重科智能農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司 制造技術(shù)部，河南 開封 475000)

0 引言

轉(zhuǎn)速傳感器按照工作原理的不同可以分為磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等幾類。其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種機(jī)—電能轉(zhuǎn)換型傳感器，不需要供電電源、電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)強(qiáng)，因此，在實(shí)際工程中具有廣泛應(yīng)用[1]。車用轉(zhuǎn)速傳感器，按其檢測(cè)技術(shù)可分為電磁感應(yīng)式、韋根德效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁控電阻式、各向異性磁阻式、巨磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。

除轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)部出現(xiàn)損壞影響轉(zhuǎn)速檢測(cè)外，環(huán)境因素、線路通暢、整機(jī)ECU數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等均可以影響傳感器精度或者導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)“失靈”等現(xiàn)象。因此，對(duì)谷物收獲機(jī)重要轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行研究，借助高精度檢測(cè)設(shè)備、車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等結(jié)合單一變量法分析出產(chǎn)生異常情況的根本原因。最后，依照試驗(yàn)結(jié)論對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)提出合理化建議，優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳感器及顯示系統(tǒng)的性能。

1 磁電式傳感器

如圖1(a)所示的傳感器稱為磁電式傳感器，會(huì)產(chǎn)生磁脈沖信號(hào)圖1(b)，該信號(hào)是利用信號(hào)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使磁通量φ發(fā)生變化而在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。

圖1 電磁感應(yīng)式傳感器工作原理

無(wú)源磁電式傳感器是用于測(cè)量齒輪而設(shè)計(jì)的發(fā)電型傳感器(無(wú)電源)，不適合測(cè)量零轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速工況，因低頻時(shí)，幅值信號(hào)小，抗干擾能力差，不需要供電。

有源磁電式傳感器采用電源供電，輸出波形為矩形波，具有負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，適合測(cè)量 0.03 Hz 以上轉(zhuǎn)速信號(hào)，適用范圍更廣，多用于被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速低于2 000 r·min-1的工作狀況。

2 收割機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器介紹與安裝工藝設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)速傳感器介紹

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置而言，多需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸(輸出端齒輪)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)。收割機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、軸流滾筒軸轉(zhuǎn)速、籽粒攪龍轉(zhuǎn)速、頂攪龍轉(zhuǎn)速等部件都需通過(guò)安裝轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量整機(jī)在不同工況下運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的電壓信號(hào)變化，并通過(guò)谷物收獲機(jī)ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在儀表盤、數(shù)顯組合儀表屏上實(shí)時(shí)顯示。

考慮到谷物收獲機(jī)在多數(shù)工況下，整機(jī)驅(qū)動(dòng)輪速度較低(行駛速度10～12 km·h-1)，為適應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速39～47 r·min-1、農(nóng)田里作業(yè)環(huán)境較差、傳感器成本等因素。收割機(jī)上對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速傳感器普遍使用的是有源磁電式傳感器。不同的是，磁電式傳感器作用的位置有以下幾種形式：1)在旋轉(zhuǎn)軸上、2)在齒輪面、3)在旋轉(zhuǎn)軸上的法蘭盤面。由于旋轉(zhuǎn)軸上、齒輪帶磁鋼等結(jié)構(gòu)類似且在實(shí)際作業(yè)中表現(xiàn)穩(wěn)定，因此主要針對(duì)第3種形式進(jìn)行闡述與說(shuō)明。如圖2所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪半軸轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)法蘭盤部件運(yùn)動(dòng)，鑲嵌在法蘭盤部件上的磁鋼隨之運(yùn)動(dòng)，安裝在固定架上的時(shí)速傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e。然后通過(guò)整機(jī)ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在駕駛室對(duì)應(yīng)電器元件顯示。

1.驅(qū)動(dòng)輪半軸;2.法蘭盤部件;3.磁鋼；4.傳感器固定架;5.時(shí)速傳感器圖2 時(shí)速傳感器工作示意圖

2.2 速傳感器安裝工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 裝配尺寸要求

從時(shí)速傳感器的工作原理可知，該傳感器形式屬于磁電式傳感器。依照該時(shí)速傳感器工作示意圖可知，靜止與工作狀態(tài)時(shí)，時(shí)速傳感器感應(yīng)頭端面與法蘭盤部件及鑲嵌在其上磁鋼平行，同時(shí)裝配圖技術(shù)要求為傳感器探頭與磁感的間隙為2～4 mm。傳感器固定架左端與變速箱端面聯(lián)結(jié)孔為φ10，緊固螺紋規(guī)格為M8；傳感器固定架為“長(zhǎng)Z型”結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)折彎角度86°～94°。

2.2.2 裝配精度要求

裝配精度和零件的加工精度有密切的關(guān)系，零件精度是保證裝配精度的基礎(chǔ)，但裝配精度并不完全取決于零件精度。裝配精度的保證，應(yīng)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工和裝配方法等方面綜合考慮，而裝配尺寸鏈?zhǔn)沁M(jìn)行綜合分析的有效手段。機(jī)械產(chǎn)品通常比較復(fù)雜，為便于裝配和提高裝配效率，整個(gè)產(chǎn)品多劃分為若干部件，裝配工作分為部件裝配和總裝配。應(yīng)對(duì)裝配尺寸鏈組成環(huán)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[2]。

以整機(jī)行駛方向?yàn)閅軸正向，驅(qū)動(dòng)軸半軸軸心指向右輪方向?yàn)閄軸正向，垂直向上為Z軸正向，令傳感器支架安裝面與驅(qū)動(dòng)軸半軸軸心交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系。按照?qǐng)D2所示的裝配關(guān)系，傳感器支架探頭端外安裝面與磁感端面在X軸投影方向可調(diào)節(jié)尺寸要求A0為封閉環(huán)。圖3(a)為傳感器探頭與磁感間隙的裝配尺寸鏈。

A1.磁感端面與傳感器支架左端安裝面的距離；A2.傳感器支架探頭內(nèi)安裝面與左端安裝面在X軸投影的距離；A3.傳感器探頭可調(diào)安裝距離在X軸投影；e1.驅(qū)動(dòng)軸半軸的同軸度誤差；e2.驅(qū)動(dòng)軸半軸的安裝精度誤差；圖3 傳感器探頭與磁感間隙的裝配尺寸鏈

由于驅(qū)動(dòng)軸半軸的同軸度誤差、安裝精度誤差相對(duì)于A1～A3的公差很小，故裝配尺寸鏈可簡(jiǎn)化成圖3(b)。

用極值法求解封閉環(huán)的上、下公差

(1)

所以ES(A0)=0.5

(2)

所以EI(A0)=(-0.5-0.11)=-0.61

從上述分析計(jì)算過(guò)程可知，依照裝配尺寸鏈分析，可以保證傳感器探頭與磁感的間隙調(diào)整為2～4 mm的設(shè)計(jì)要求。

3 收割機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器常見失效形式分析

通過(guò)對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速傳感器失靈(失效)案例進(jìn)行分析，相關(guān)分析數(shù)據(jù)見表1 。主要從環(huán)境因素、線路通暢、整機(jī)ECU數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等維度進(jìn)行歸納分析。

表1 轉(zhuǎn)速傳感器主要失靈(失效)因素及占比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知轉(zhuǎn)速傳感器失效主要原因包括以下兩點(diǎn)：1)按照既定試驗(yàn)方案要求，利用單一變量法、試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的試驗(yàn)器材，分析出產(chǎn)生異常情況的根本原因；2)動(dòng)態(tài)情況下，整機(jī)振動(dòng)、線束對(duì)接過(guò)程不規(guī)范和轉(zhuǎn)速傳感器與磁感間隙會(huì)存在不規(guī)律性變化等因素成為影響傳感器失效的重要原因。

為此，結(jié)合《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)和機(jī)械 固定在拖拉機(jī)上的傳感器聯(lián)結(jié)裝置 技術(shù)規(guī)范 (ISO 11786:1995,IDT)》[3]等相關(guān)國(guó)標(biāo)和行業(yè)技術(shù)資料；并通過(guò)累計(jì)100 h以上動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方案要求步驟進(jìn)行驗(yàn)證和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，以及包括但不限于公司物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)試驗(yàn)車輛工況等綜合數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

1)整機(jī)動(dòng)態(tài)情況及線束插接頭長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)有松動(dòng)，因此未避免時(shí)速傳感器出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，線束連接器處應(yīng)設(shè)置鎖扣(防脫)。

2)驅(qū)動(dòng)半軸上存在油漬極易吸附灰塵、麥糠、秸稈、雜草等，夏季時(shí)麥田內(nèi)環(huán)境容易使該類型傳感器與磁感間隙減小，甚至長(zhǎng)時(shí)間堵塞后因泥漬風(fēng)干變硬造成傳感器損壞；及時(shí)查看傳感器工作環(huán)境有助于將風(fēng)險(xiǎn)降低。

3)現(xiàn)有Z型傳感器支架在整機(jī)模擬作業(yè)狀態(tài)下，通過(guò)高精度位移傳感器檢測(cè)可知：X軸向Z型傳感器支架與磁感振幅范圍0～1.5 mm,Y軸向Z型傳感器支架與磁感振幅范圍0～1.2 mm；此結(jié)構(gòu)形式，因懸出長(zhǎng)度較長(zhǎng)且無(wú)加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中傳感器支架振動(dòng)現(xiàn)象較為突出，建議優(yōu)化改善。

4)聯(lián)結(jié)處螺母扭矩不足將使傳感器產(chǎn)生松動(dòng)，松動(dòng)后該類型傳感器支架安裝基準(zhǔn)發(fā)生變化，影響傳感器支架與磁感相對(duì)尺寸。

4 農(nóng)機(jī)培訓(xùn)工作中電器相關(guān)部件使用與自查

培訓(xùn)內(nèi)容過(guò)時(shí)跟不上當(dāng)前的形式需要。當(dāng)前針對(duì)農(nóng)機(jī)手的培訓(xùn)內(nèi)容還比較單一, 大多數(shù)以拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、駕駛員和農(nóng)機(jī)修理工為主,不能完全滿足全面全程機(jī)械化的要求。培訓(xùn)教材單一, 只以一本教材為主, 很少提供給學(xué)員其它印刷材料、音像材料、網(wǎng)絡(luò)信息等資料。不少機(jī)手反映, 現(xiàn)在的培訓(xùn)更多偏向理論知識(shí), 如果多結(jié)合實(shí)踐操作, 效果會(huì)進(jìn)一步提升。[5]

截至2021年底，我國(guó)新型農(nóng)業(yè)主體中家庭農(nóng)場(chǎng)超過(guò)380萬(wàn)個(gè)，農(nóng)民合作社223萬(wàn)家。農(nóng)機(jī)培訓(xùn)工作以政府層面統(tǒng)籌規(guī)劃為主，相關(guān)企業(yè)、組織、機(jī)構(gòu)等參與投資農(nóng)機(jī)培訓(xùn)。結(jié)合企業(yè)近5年職業(yè)機(jī)手培訓(xùn)調(diào)查問(wèn)卷及售后服務(wù)統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出農(nóng)機(jī)手及農(nóng)機(jī)服務(wù)企業(yè)TOP5最關(guān)注售后服務(wù)問(wèn)題。

由表2中記錄可知，近五年來(lái)企業(yè)和農(nóng)機(jī)手均逐步從過(guò)去比較粗放、被動(dòng)接受地處理相關(guān)農(nóng)機(jī)故障問(wèn)題，轉(zhuǎn)變?yōu)閺漠a(chǎn)品出現(xiàn)故障根源出發(fā)并依靠物聯(lián)網(wǎng)、售后服務(wù)平臺(tái)等提前做出預(yù)判和服務(wù)全過(guò)程管控，主動(dòng)地解決相關(guān)故障的轉(zhuǎn)變。其中，電器元件及常用電液部件工作原理與故障排查規(guī)范操作亟待普及至廣大農(nóng)機(jī)手。掌握此類電液部件知識(shí)對(duì)提高農(nóng)機(jī)保養(yǎng)、自查及維修效率大有裨益。

表2 農(nóng)機(jī)手及農(nóng)機(jī)服務(wù)企業(yè)TOP5最關(guān)注售后問(wèn)題

綜上所述，連接器選型中應(yīng)注意防脫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器支架應(yīng)注意安裝精度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)合裝配尺寸鏈分析和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)傳感器與磁感間隙尺寸優(yōu)化及傳感器緊固件扭矩設(shè)計(jì)應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范說(shuō)明。同時(shí)，在產(chǎn)品售后培訓(xùn)環(huán)節(jié)應(yīng)對(duì)傳感器及其零部件日常規(guī)范使用和保養(yǎng)及注意事項(xiàng)等進(jìn)行告知說(shuō)明。保證農(nóng)機(jī)使用者既了解相關(guān)工作原理，又能對(duì)出現(xiàn)的常見故障原因有初步判定能力，在一定程度上提高農(nóng)機(jī)保養(yǎng)、維修效率。