飼料收獲機(jī)發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整裝置及方法

李雷霞， 赫志飛， 張小偉， 姜貴川， 李春友

（中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的雙重發(fā)展，人們對物質(zhì)生活的品質(zhì)要求不斷提高，對肉類和奶制品的需求量越來越大，無疑加速了畜牧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。伴隨著畜牧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，用戶對飼料收獲機(jī)在功能、可靠性、作業(yè)效率等方面的要求也越來越嚴(yán)格，這就使得收獲機(jī)在設(shè)計研發(fā)過程中，除要提高關(guān)鍵零部件可靠性和整機(jī)質(zhì)量外，還需要考慮降低駕駛員的勞動強(qiáng)度和提高收獲機(jī)作業(yè)效率[1]。發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)系統(tǒng)可一鍵操作實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度控制，減少駕駛員的勞動強(qiáng)度，可以降低作業(yè)過程中因過載造成工作部件堵塞而停機(jī)的情況，減少機(jī)器故障，從而提高作業(yè)效率。

1 研究必要性

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備自動化和智能化是實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前提和根本。而青貯飼料收獲季節(jié)較短，過早、過晚收獲都會造成飼料營養(yǎng)的損失，用戶對收獲機(jī)的工作性能和作業(yè)效率提出更高的要求[2]。設(shè)計人員在新產(chǎn)品設(shè)計中，需要以現(xiàn)代設(shè)計理論和方法為指導(dǎo)，以知識為依托，以人工智能技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，以設(shè)計自動化為目的，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的定制化、自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，同時提升收獲機(jī)信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力，促進(jìn)我國由農(nóng)機(jī)制造大國向農(nóng)機(jī)制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，滿足用戶日益提高的需求[3-4]。

隨著國內(nèi)畜牧業(yè)的逐步發(fā)展，青飼料的種植面積也隨之增加，如何在有限的時間內(nèi)高效率收獲青飼料是用戶需要面對的一個大問題，所以，駕駛員在收獲作業(yè)時，為提高收獲效率，經(jīng)常增加收獲幅寬或提高作業(yè)速度，從而引起發(fā)動機(jī)超負(fù)載作業(yè)，這樣會減少發(fā)動機(jī)和其他主要工作部件的使用壽命；而發(fā)動機(jī)超負(fù)載作業(yè)也會使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而使工作部件的轉(zhuǎn)速也下降，對有些工作部件會發(fā)生堵塞，造成收獲機(jī)停機(jī)。另外，收獲中作物的產(chǎn)量會有變化，如果收獲時碰上產(chǎn)量高的地況或收獲時碰上堵塞超負(fù)載的情況，發(fā)動機(jī)也會因超負(fù)載而熄火。而現(xiàn)有收獲機(jī)一般沒有發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整裝置，駕駛員如能熟練操作時，收獲效率會高些，而不熟練則收獲效率低，收獲時因過載堵塞則會耽誤大量時間。

針對上述問題，飼料收獲機(jī)作業(yè)時，因其具有工況相對復(fù)雜、連續(xù)作業(yè)時間長、負(fù)荷大及作業(yè)故障率高等特點(diǎn)，迫切需要設(shè)計一種發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使收獲機(jī)在作業(yè)時，根據(jù)負(fù)載變化，實(shí)時調(diào)整工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中負(fù)載自適應(yīng)[5-8]。實(shí)現(xiàn)有效減少駕駛員勞動強(qiáng)度，提高收獲機(jī)的自適應(yīng)技術(shù)，提高收獲機(jī)作業(yè)效率，同時對于提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化都有積極的促進(jìn)作用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

目前，我國大中型農(nóng)場使用的主要為不分行收獲的自走式飼料收獲機(jī)，在田間可一次性完成對作物的收割、切碎、揉搓和拋送裝車等作業(yè)[9]。飼料收獲機(jī)發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由發(fā)動機(jī)、行走泵電磁閥、控制器、啟動按鍵、操縱手柄和顯示器等組成，如圖1 所示。

圖1 過載自適應(yīng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structural of overload adaptive system

發(fā)動機(jī)為收獲機(jī)提供行走和工作動力，可以通過膠帶或齒輪箱體輸出到行走或工作部件，現(xiàn)有收獲機(jī)都普遍使用“國Ⅲ”“國Ⅳ”發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)具有ECU 控制單元，主要參數(shù)可以通過CAN 總線實(shí)時傳輸給顯示器[10]。行走泵電磁閥安裝在行走泵上，自適應(yīng)一鍵啟動按鍵安裝在操縱手柄上，操縱手柄、顯示器及控制器安裝在駕駛室內(nèi)。控制器與操縱手柄、顯示器和行走泵電磁閥相連，控制器可以接收來自操縱手柄的電壓信號，通過信號可以判定收獲機(jī)的前進(jìn)、停止（中位）和倒車狀態(tài)。操縱手柄設(shè)有中間位置，即中位，向控制器輸出一固定的電壓信號；操縱手柄從中位向前推動的時候，電壓信號會從小變大（或從大變小）地逐步變化，滿足操縱手柄越往前推，收獲機(jī)的前進(jìn)行走速度越快；同樣，操縱手柄從中位向后推動的時候，電壓信號會從大變?。ɑ驈男∽兇螅┑刂鸩阶兓?，滿足操縱手柄越往后推，收獲機(jī)的倒車速度越快。根據(jù)行走泵的要求，一般是前進(jìn)和倒車時，控制器分別輸出電流，通過不同的電流大小改變行走泵的排量，從而改變收獲機(jī)的速度；輸出的電流值越大，前進(jìn)或倒車的速度就越快，從而實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的前進(jìn)、倒車，以及速度的快慢。一般飼料收獲機(jī)在正常作業(yè)過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速上下浮動，負(fù)載百分比值保持在一定范圍內(nèi)浮動。正常收獲作業(yè)中，轉(zhuǎn)速突然下降，能反映出發(fā)動機(jī)過載；當(dāng)負(fù)載百分比超過限值，表明發(fā)動機(jī)過載。發(fā)動機(jī)過載會引起工作部件堵塞而停機(jī)，從而耽誤農(nóng)時。根據(jù)這一原理，將這兩個參數(shù)及收獲機(jī)行進(jìn)方向一起作為發(fā)動機(jī)過載的判定條件，更為安全可靠。發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of control system

2.2 工作原理

發(fā)動機(jī)主要參數(shù)通過CAN 總線顯示到顯示器上，特別是負(fù)載百分比值，是發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出的扭矩與最大扭矩的比值，用戶可以實(shí)時看比值判斷發(fā)動機(jī)當(dāng)前的負(fù)載狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)整車前進(jìn)速度使收獲機(jī)作業(yè)效率達(dá)到最佳[11]。如果發(fā)動機(jī)負(fù)載增大，可以減慢收獲機(jī)作業(yè)速度，有效防止收獲機(jī)收獲時因負(fù)載過大轉(zhuǎn)速急速下降造成切碎滾筒和拋送部件堵塞；如果負(fù)載變小，可以加快作業(yè)速度來提高作業(yè)效率[12]。所以駕駛員操作時，既要提高收獲效率，又注意收獲機(jī)堵塞或發(fā)動機(jī)熄火而耽誤農(nóng)時，有時雖然發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)過載而降低作業(yè)速度時卻因操作慢也會產(chǎn)生堵塞。本研究的一鍵啟動發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其核心單元控制器可以通過操作手柄的信號判定收獲機(jī)作業(yè)，同時通過CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸檢測到發(fā)動機(jī)當(dāng)前作業(yè)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載百分比值，綜合考慮3 個條件來可靠判定發(fā)動機(jī)是否過載。在過載狀態(tài)下，控制器通過減少行走泵電磁閥的電流，來降低收獲機(jī)作業(yè)速度，即減少了收獲機(jī)作業(yè)中的喂入青飼料量，相應(yīng)減少了負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)過載的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，減少駕駛員頻繁操作手柄，減少手眼協(xié)作的疲憊緊張感，相對解放雙手，降低了操作勞動強(qiáng)度。

從發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)來看，顯示屏能實(shí)時查看發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載百分比值等參數(shù)，操縱手柄上有自適應(yīng)按鍵，可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動，實(shí)現(xiàn)控制器對發(fā)動機(jī)狀態(tài)檢測，及時預(yù)判發(fā)動機(jī)是否過載，并能通過對行走泵排量的控制，實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)作業(yè)速度的快慢。自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有簡單、效率高和運(yùn)動品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，但控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，可靠性需要多次優(yōu)化、多次試驗來應(yīng)對作業(yè)的復(fù)雜工況[13-14]。

3 控制流程

飼料收獲機(jī)發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)是一種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用。顯示屏有工作界面，可實(shí)時顯示發(fā)動機(jī)負(fù)載百分比值、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力和冷卻液水溫等主要參數(shù)。自適應(yīng)系統(tǒng)需要一輪輪試驗，不斷調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，還要結(jié)合控制對象的特性，因為液壓系統(tǒng)本身存在突出的非線性和不確定，對研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也有較大的困擾，需要有精確的數(shù)學(xué)模型和智能控制算法，分析和判定控制器的最優(yōu)輸出[15]。

發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)控制流程如圖3 所示，系統(tǒng)開機(jī)上電，顯示器點(diǎn)擊自適應(yīng)調(diào)整界面進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置發(fā)動機(jī)負(fù)載百分比限值和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限值；負(fù)載百分比限值及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限值都是研究人員多年來在飼料收獲機(jī)試驗及作業(yè)中所積累的經(jīng)驗值。一鍵模式不啟動時，駕駛員作業(yè)時執(zhí)行手動操作，由操縱手柄控制收獲機(jī)的前進(jìn)、停止、倒車，以及速度的快慢。一鍵模式啟動自適應(yīng)模式，控制器判定機(jī)器前進(jìn)、發(fā)動機(jī)負(fù)載百分比值≥限值和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速≤限值3 項條件，若同時滿足，控制器向行走泵電磁閥發(fā)出減少電流的指令，相當(dāng)于減少收獲機(jī)作業(yè)速度，即減少了收獲機(jī)喂入量及發(fā)動機(jī)負(fù)載，此時控制器繼續(xù)判斷是否還同時滿足上述3 項條件，如仍同時滿足則繼續(xù)向行走泵電磁閥發(fā)出減少電流的指令，一直到不同時滿足上述3 項條件為止。當(dāng)控制器不執(zhí)行發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整時，控制器不向行走泵電磁閥發(fā)出減少電流的指令，收獲機(jī)作業(yè)速度由操縱手柄控制。

圖3 過載自適應(yīng)系統(tǒng)控制流程Fig.3 Control flow of overload adaptive system

在2022 年4 個月的田間試驗中，由于不同地況飼料作物的長勢密集程度及高度不同，收獲過程中的飼料喂入量是不一致的，駕駛員手動操作作業(yè)速度不能保持一致，如果長勢高或作物密集，瞬時的喂入量大，如果作業(yè)速度又快，發(fā)動機(jī)會過載，作業(yè)速度稍有操作不當(dāng)就會導(dǎo)致工作部件轉(zhuǎn)動慢而堵塞，所以駕駛員操作需關(guān)注顯示器上發(fā)動機(jī)的實(shí)時參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)過載就需要靈敏操作手柄降低作業(yè)速度，對駕駛員也提出更高的要求。發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)載性能及功率曲線，設(shè)定一致的工作參數(shù)限值，能一鍵啟動發(fā)動機(jī)自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，能有效減少駕駛員頻繁操作，有效減少駕駛員的操縱強(qiáng)度，在較大程度上提高青貯飼料收獲機(jī)作業(yè)效率。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)畜牧業(yè)的發(fā)展壯大，青飼料的種植面積也隨之增加，使用收獲機(jī)進(jìn)行作物的收獲越來越普遍，同時對收獲機(jī)在收獲效率、操作舒適度及可靠性方面都提出了更高要求。為減輕駕駛員作業(yè)強(qiáng)度，設(shè)計開發(fā)了收獲機(jī)發(fā)動機(jī)過載自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，一鍵啟動模式控制，能有效減少駕駛員的工作量，降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)約了因堵塞而耽誤的農(nóng)時，提高飼料收獲機(jī)的作業(yè)效率，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械向舒適性、操作方便性及智能化方向發(fā)展。