大型農(nóng)田收割機(jī)輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究

李麗娟 鞏昌熙 鞏佳欣 鞏強(qiáng) 鞏紅霞

摘? 要：大型農(nóng)業(yè)收割機(jī)有助于提高作物收割效率、降低人力負(fù)擔(dān)和人力成本，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備。而輸送帶作為收割機(jī)的核心組件，一旦在長時(shí)間使用中發(fā)生縱向撕裂，不僅會(huì)影響收割機(jī)的工作效率，還可能造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失。依托現(xiàn)代信息技術(shù)，探索穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，識(shí)別和預(yù)警收割機(jī)輸送帶撕裂情況，可規(guī)避因材料老化、不當(dāng)操作、環(huán)境影響等因素造成的輸送帶損壞和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擱置問題，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用提供新思路。

關(guān)鍵詞：大型農(nóng)田收割機(jī)；縱向撕裂；輸送帶

中圖分類號(hào)：S22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673－6737（２０24）03－００91－０3

大型農(nóng)田收割機(jī)的應(yīng)用有效提高了水稻收割效率，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。在收割機(jī)內(nèi)部諸多組件中，輸送帶發(fā)揮著運(yùn)輸收割機(jī)割取的水稻作物的重要作用，輸送帶的故障會(huì)中斷整個(gè)水稻收割過程，不僅會(huì)影響工作效率，還會(huì)造成損失。而縱向撕裂問題是輸送帶的常見故障之一，其主要與操作不當(dāng)、環(huán)境變化、材料缺陷等因素相關(guān)。隨著傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的快速發(fā)展，以及視覺檢測(cè)、聲波檢測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸送帶縱向撕裂問題，還能在一定程度上進(jìn)行預(yù)測(cè)，為解決問題和采取預(yù)防措施提供窗口，有助于減少輸送帶隱患對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛在影響。為此，本文旨在提出大型農(nóng)田收割機(jī)輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其優(yōu)化策略，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1? 大型農(nóng)田收割機(jī)概述

1.1? 大型農(nóng)田收割機(jī)的工作原理

大型農(nóng)田收割機(jī)是集收割、脫粒、清理等功能為一體的綜合性農(nóng)業(yè)機(jī)械，能通過收割作物并進(jìn)行初步加工，顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。稻田所使用的收割機(jī)，其前端裝載了一組快速往復(fù)移動(dòng)的割刀，能伴隨著收割機(jī)的前進(jìn)割取水稻作物的莖稈，被收割的水稻通過料槽引導(dǎo)至螺旋輸送器或鏈條輸送系統(tǒng)，可進(jìn)入脫粒滾筒或擺線輪脫粒裝置進(jìn)行脫粒。在脫粒系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)作用下，水稻谷粒會(huì)從稻穗中被打擊出來并混合著雜質(zhì)混合物，然后被送入清理裝置。利用強(qiáng)力風(fēng)扇吹走稻殼、塵土等輕質(zhì)雜質(zhì)，再通過不同粒徑的篩網(wǎng)將谷粒進(jìn)行分級(jí)篩選，就能將清理后的谷粒送往收割機(jī)的儲(chǔ)糧倉。當(dāng)儲(chǔ)糧倉滿后，可利用卸糧管將谷粒卸載到運(yùn)輸車輛上或直接裝袋，而秸稈和剩余植物則會(huì)被排放到收割機(jī)后部，這些殘余物料可直接作為有機(jī)肥料，或利用秸稈回收設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.2? 收割機(jī)輸送帶的結(jié)構(gòu)與功能

輸送帶負(fù)責(zé)將收割機(jī)割取的水稻從前段收割區(qū)輸送到脫粒和清理裝置，這需要在保證輸送效率的前提下最小化輸送過程中對(duì)水稻的損傷。其材質(zhì)大多采用耐磨、抗拉伸的合成材料或橡膠材料，能夠適應(yīng)水稻田的濕潤環(huán)境和溫度變化，同時(shí)具有較強(qiáng)的柔韌性。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由電動(dòng)馬達(dá)或齒輪、鏈條等機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，可供操作員手動(dòng)調(diào)節(jié)傳輸速度，以適應(yīng)不同的收割條件，從而保證輸送帶平穩(wěn)運(yùn)行；其下方需配置用于支撐的托輥，并用張緊裝置來調(diào)整輸送帶的張緊度，以避免水稻的滑動(dòng)或脫落。

1.3? 輸送帶縱向撕裂的原因分析

1.3.1? 材料缺陷和老化? 在材料缺陷方面，如內(nèi)部纖維分布不均等輸送帶自身質(zhì)量問題，會(huì)影響輸送帶的整體強(qiáng)度，使其在受力時(shí)容易產(chǎn)生縱向撕裂。即便輸送帶材料不存在質(zhì)量問題，隨著使用時(shí)間的不斷增加，輸送帶本身也會(huì)逐漸老化，導(dǎo)致彈性和強(qiáng)度降低，尤其是長期暴露在陽光或潮濕環(huán)境下，傳送帶更容易因化學(xué)反應(yīng)而加速老化和磨損進(jìn)程。

1.3.2? 使用和操作不當(dāng)? 在設(shè)備操作方面，當(dāng)大型農(nóng)業(yè)收割機(jī)以超出輸送帶承載能力的方式運(yùn)行，或出現(xiàn)其他類似操作不當(dāng)現(xiàn)象時(shí)，輸送帶會(huì)因承受拉力過大而急速老化、磨損，甚至直接導(dǎo)致輸送帶的縱向撕裂。此外，在設(shè)備運(yùn)行過程中，輸送帶可能會(huì)與石塊、樹枝等尖銳物體接觸，也會(huì)劃破輸送帶表面，加劇縱向撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。[1]

1.3.3? 外部環(huán)境影響? 在溫度環(huán)境方面，低溫環(huán)境容易使輸送帶材料變得硬化、脆弱化；而高溫環(huán)境容易讓輸送帶材料軟化、膨脹并加速材料老化，降低抗拉伸強(qiáng)度。在濕度環(huán)境方面，水稻田的環(huán)境濕潤性容易讓一些輸送帶材料吸水膨脹，且潮濕環(huán)境能促進(jìn)微生物生長，也會(huì)影響輸送帶的物理結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。在化學(xué)環(huán)境方面，化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的殘留可能會(huì)加速輸送帶材料的化學(xué)腐蝕，進(jìn)而影響其機(jī)械強(qiáng)度。在物理環(huán)境方面，與石塊、樹枝或其他硬物的接觸會(huì)加快輸送帶材料的磨損，而長時(shí)間的陽光直射則會(huì)加速輸送帶材料的老化。

2? 輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1? 視覺檢測(cè)系統(tǒng)

視覺檢測(cè)系統(tǒng)能通過高分辨率攝像機(jī)捕捉輸送帶表面的圖像，再利用圖像處理和分析軟件，對(duì)捕捉到的圖像進(jìn)行圖像分析，識(shí)別出傳送帶潛在的撕裂和損傷。其主要由高分辨率攝像機(jī)、照明裝置、圖像處理單元、反饋和控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成。其中，高分辨率攝像機(jī)是視覺檢測(cè)系統(tǒng)的核心，目的是捕捉輸送帶上微小的裂縫或異常，具有防塵、防水等特點(diǎn)，以適應(yīng)水稻收割機(jī)的工作環(huán)境需求。照明裝置能確保收割機(jī)在任何光照條件下都能獲取清晰的影像，能有效提升圖像質(zhì)量和檢測(cè)精度。圖像處理單元包括用于圖像處理和分析的軟硬件，通過使用邊緣檢測(cè)、紋理分析、機(jī)器學(xué)習(xí)模型等算法，識(shí)別輸送帶圖像的撕裂特征。反饋和控制系統(tǒng)則是在檢測(cè)到輸送帶撕裂后，向收割機(jī)控制單元發(fā)送信號(hào)并觸發(fā)警報(bào)，從而使操作者掌握輸送帶的撕裂信息。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非接觸式檢測(cè)，能避免與輸送帶的物理接觸，且具有高效率、實(shí)時(shí)性、安全性和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)則在于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)具有高性能的計(jì)算需求，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的依賴性強(qiáng)，且在一定程度上會(huì)受環(huán)境和天氣條件的影響，影響圖像的清晰度。[2]

2.2? 聲波檢測(cè)技術(shù)

聲波檢測(cè)技術(shù)是基于捕捉材料在受到應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波（聲波）來檢驗(yàn)材料內(nèi)部微小變形和裂紋的檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)輸送材料內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)釋放能夠被傳感器捕捉的聲波能量，通過對(duì)聲波特性的分析，能夠識(shí)別輸送帶材料的損傷情況。其主要由聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析處理軟件組成。[3]其中，聲波傳感器主要用于捕捉輸送帶材料損傷產(chǎn)生的高頻聲波；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號(hào)放大器、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，主要用于記錄并初步處理聲波傳感器收集到的信號(hào)；分析處理軟件則對(duì)聲波信號(hào)的頻率、幅度、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。其優(yōu)點(diǎn)在于聲波檢測(cè)技術(shù)是非接觸、非破壞性、非侵入性的檢測(cè)方法，不會(huì)對(duì)輸送帶本身帶來物理損傷，且對(duì)微小裂紋和損傷的敏感性強(qiáng)，能在輸送帶撕裂初期發(fā)現(xiàn)問題，有助于及時(shí)干預(yù)和維修；而其缺點(diǎn)在于會(huì)受環(huán)境噪聲干擾，只能在停機(jī)后進(jìn)行檢查，并且信號(hào)解析的復(fù)雜性和信號(hào)源定位難度高，需要投入大量初始資金和運(yùn)行成本資金，存在性價(jià)比低的問題。

2.3? 振動(dòng)分析技術(shù)

振動(dòng)分析技術(shù)是根據(jù)收割機(jī)和輸送帶的設(shè)備振動(dòng)特性，識(shí)別輸送帶內(nèi)部破損等潛在問題的檢測(cè)方法。其主要由振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置、分析軟件組成。其中，振動(dòng)傳感器可捕獲輸送帶運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)頻譜、時(shí)間波形或趨勢(shì)進(jìn)行分析，能夠總結(jié)出輸送帶的異常振動(dòng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能捕捉到極其微小的振動(dòng)變化，且能夠在不停機(jī)的狀態(tài)下持續(xù)監(jiān)測(cè)；而其缺點(diǎn)在于振動(dòng)分析技術(shù)依賴精確的初始設(shè)定和校準(zhǔn)工作，只有這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析需要有專業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)操作員和分析師的要求較高。此外，振動(dòng)分析更適用于識(shí)別軸承和齒輪箱等旋轉(zhuǎn)部件的故障，對(duì)于輸送帶這類非旋轉(zhuǎn)部件，雖然也能有一定的檢測(cè)效果，但敏感性和準(zhǔn)確性會(huì)有所下降。

2.4? 電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)

電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用電磁傳感器監(jiān)測(cè)材料或設(shè)備的電磁場(chǎng)變化，從而識(shí)別其潛在損傷或故障的檢測(cè)技術(shù)。[4]其主要由電磁傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析裝置、信號(hào)處理和分析軟件組成。電磁傳感器主要用于檢測(cè)輸送帶的電磁場(chǎng)變化，根據(jù)需求可以選擇電感式傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器或其他磁場(chǎng)傳感器。這些電磁數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行收集，隨后傳輸至分析單元，使用高級(jí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可根據(jù)電磁信號(hào)識(shí)別電磁場(chǎng)變化，從而檢驗(yàn)出輸送帶的撕裂或損傷。其優(yōu)點(diǎn)在于即使再細(xì)微的撕裂或內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，都能監(jiān)測(cè)出電磁場(chǎng)的顯著變化，因此具有極高的靈敏性和精確性，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、快速識(shí)別輸送帶可能存在的撕裂或損傷問題；而其缺點(diǎn)在于對(duì)外部電磁干擾（EMI）非常敏感，一些農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行可能影響傳感器的讀數(shù)，且電磁穿透力取決于材料的電導(dǎo)率，因此電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用往往會(huì)受限于特定的范圍。

3? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)估與優(yōu)化

3.1? 性能評(píng)估指標(biāo)

大型收割機(jī)輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)估指標(biāo)包括：第一，監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確性。將輸送帶縱向撕裂的檢測(cè)結(jié)果與已知撕裂樣本進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，計(jì)算該系統(tǒng)的真正率（敏感性）和假正率（1-特異性）、精確率（撕裂正確識(shí)別的比例）和召回率（系統(tǒng)檢測(cè)到的撕裂占總撕裂的比例）。[5]其主要用于精確識(shí)別和測(cè)量輸送帶撕裂的大小、位置和嚴(yán)重性，區(qū)分縱向撕裂、正常磨損和其他非撕裂缺陷。第二，響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是指實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從發(fā)生輸送帶撕裂到發(fā)出警報(bào)之間的時(shí)間間隔，是減少設(shè)備損壞、防止輸送帶撕裂進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)分別記錄模擬測(cè)試和實(shí)際測(cè)試中輸送帶縱向斷裂后系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)的時(shí)間，從而測(cè)算該系統(tǒng)的響應(yīng)速度。第三，系統(tǒng)穩(wěn)定性。長期監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，記錄運(yùn)行過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)故障、系統(tǒng)崩潰等情況，以及恢復(fù)運(yùn)行所需的時(shí)間或操作，其主要用于評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性。第四，成本效益。計(jì)算監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總擁有成本和投資回報(bào)率，包括使用該系統(tǒng)后節(jié)約的維修成本、減少的輸送帶縱向撕裂導(dǎo)致的生產(chǎn)損失，以及延長輸送帶壽命能帶來的經(jīng)濟(jì)效益，其主要用于評(píng)價(jià)使用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能帶產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。第五，用戶友好性。其通過用戶調(diào)查、信息反饋和案例分析，評(píng)價(jià)用戶使用該系統(tǒng)的上手難度、使用體驗(yàn)，包括安裝簡便性、操作界面直觀性、維護(hù)方便性等。

3.2? 系統(tǒng)優(yōu)化策略

要實(shí)現(xiàn)大型收割機(jī)輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化，首先，應(yīng)使用更高分辨率或靈敏度的傳感器，提升傳感器的數(shù)據(jù)收集質(zhì)量，使用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等高級(jí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，進(jìn)而從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并視覺輸送帶的撕裂特征，提高識(shí)別準(zhǔn)確度，減少系統(tǒng)誤報(bào)現(xiàn)象。[6]同時(shí)，通過對(duì)軟硬件的優(yōu)化來減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，如使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、保障數(shù)據(jù)處理和發(fā)出警報(bào)效率，可以減少輸送帶損害和撕裂擴(kuò)大問題。其次，定期對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳感器設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，并引入冗余設(shè)計(jì)機(jī)制，采用冗余傳感器和數(shù)據(jù)路徑，結(jié)合故障轉(zhuǎn)移機(jī)制，使監(jiān)控系統(tǒng)在部分組件失效時(shí)能保持正常運(yùn)作，顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。再次，通過模塊化設(shè)計(jì)，允許系統(tǒng)根據(jù)需求快速調(diào)整功能模塊和配置，并根據(jù)不同環(huán)境開發(fā)可適應(yīng)的監(jiān)測(cè)算法，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和通用性，使其能廣泛應(yīng)用于多種材質(zhì)的輸送帶和多樣化的稻田工作環(huán)境。最后，在不削減功能、不降低性能的前提下，通過簡化設(shè)計(jì)降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本，從而提升該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低長期投入使用所產(chǎn)生的維護(hù)成本，提高農(nóng)民效益和投資回報(bào)率。

4? 結(jié)語

本文圍繞大型農(nóng)田收割機(jī)輸送帶的縱向撕裂問題進(jìn)行了深入分析，通過探討收割機(jī)的工作原理和輸送帶的結(jié)構(gòu)與功能，提出了輸送帶縱向撕裂的幾點(diǎn)主要原因。隨后，本文分析了視覺檢測(cè)、聲波檢測(cè)、振動(dòng)分析、電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)等輸送帶縱向撕裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步提出了性能評(píng)估與優(yōu)化策略。本文的研究結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)輸送帶的縱向撕裂問題，且能夠在多種工作環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。在未來，該系統(tǒng)可以引入人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等更高級(jí)的信息技術(shù)，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的判斷能力和預(yù)測(cè)能力，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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