汪鳳珠 趙 博 劉陽春 毛文華 王吉中 姜含露

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100083; 2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

由于玉米青貯收獲具有最佳收獲期短、作業(yè)農(nóng)時(shí)要求高的特點(diǎn)，玉米青貯收獲機(jī)械正朝著大喂入量、大功率、寬割幅和高效率的方向發(fā)展，這對(duì)作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)支持提出了更高的要求[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)檢測開展了相關(guān)研究[2-10]。目前的研究主要是檢測單一或者幾個(gè)機(jī)器參數(shù)，檢測數(shù)據(jù)之間相對(duì)獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性的作業(yè)質(zhì)量及部件工況基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，難以支撐玉米青貯收獲機(jī)多參數(shù)融合的性能分析與綜合評(píng)估方法研究。玉米青貯收獲機(jī)的性能驗(yàn)證仍然依賴人工田間檢測試驗(yàn)[11-14]。

針對(duì)上述問題，本文根據(jù)玉米青貯收獲機(jī)田間作業(yè)性能的實(shí)時(shí)檢測與作業(yè)評(píng)價(jià)需要，基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)[15-17]與虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)基于多源信息傳感的整機(jī)多參數(shù)綜合檢測系統(tǒng)，完成玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量、關(guān)鍵部件工況、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出等作業(yè)參數(shù)的同步采集與數(shù)據(jù)分析，以期為玉米青貯收獲機(jī)的作業(yè)性能綜合評(píng)估、整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等提供快速有效手段[18-20]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)自走式玉米青貯收獲機(jī)的性能評(píng)估及作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，構(gòu)建了整機(jī)田間多參數(shù)綜合檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架主要包括作業(yè)質(zhì)量檢測裝置、整機(jī)工況檢測裝置、作業(yè)位置與速度檢測裝置、信號(hào)采集裝置、車載終端裝置和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如圖1所示。作業(yè)質(zhì)量檢測裝置主要實(shí)現(xiàn)玉米青貯田間收獲過程中收獲生產(chǎn)率、割茬高度等作業(yè)質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的快速檢測；整機(jī)工況檢測裝置主要實(shí)現(xiàn)玉米青貯收獲機(jī)關(guān)鍵機(jī)械部件和液壓部件的工況檢測，包括割臺(tái)部件、切碎輥部件、拋送風(fēng)機(jī)部件、籽粒破碎輥部件、行走部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件的轉(zhuǎn)速與扭矩檢測，以及喂入部液壓泵的壓力與流量檢測；作業(yè)位置與速度檢測裝置主要應(yīng)用GPS/北斗雙模定位模塊實(shí)現(xiàn)玉米青貯收獲機(jī)田間收獲過程中實(shí)時(shí)作業(yè)位置以及作業(yè)速度的檢測；信號(hào)采集裝置主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的硬件采集和本地傳輸；車載終端裝置主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)及整機(jī)工況數(shù)據(jù)的軟件采集和分析處理，并動(dòng)態(tài)數(shù)字化顯示整機(jī)的參數(shù)檢測結(jié)果與性能評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸作業(yè)數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程收集提供技術(shù)支持。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of system

2 關(guān)鍵參數(shù)檢測方法與裝置

2.1 作業(yè)質(zhì)量檢測方法

用于評(píng)估自走式玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)是否合格的相關(guān)指標(biāo)包括：收獲生產(chǎn)率達(dá)到設(shè)計(jì)值95%，割茬高度低于150 mm，收獲損失率低于3%，切碎長度標(biāo)準(zhǔn)草長率高于85%。鑒于標(biāo)準(zhǔn)草長率、收獲損失還未有直接有效的參數(shù)檢測手段，本文僅針對(duì)收獲生產(chǎn)率和割茬高度的檢測方法開展研究。

2.1.1收獲生產(chǎn)率

收獲生產(chǎn)率是評(píng)價(jià)玉米青貯收獲機(jī)的重要作業(yè)指標(biāo)，是影響切碎效果的關(guān)鍵因素。收獲生產(chǎn)率太大，玉米青貯植株喂入過快，割臺(tái)部件和喂入部件容易發(fā)生堵塞故障，影響總體收獲進(jìn)度，同時(shí)長時(shí)間的超負(fù)荷收獲作業(yè)，容易造成作業(yè)部件疲勞損壞，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。收獲生產(chǎn)率過小將直接影響作業(yè)效率，另一方面也影響青貯的切碎效果，使切碎長度或者切碎均勻性達(dá)不到預(yù)期要求。

玉米青貯收獲機(jī)只有1個(gè)物料入口和1個(gè)物料出口，其收獲生產(chǎn)率與喂入輥入口處的喂入量相等。通過分析可得，玉米青貯收獲機(jī)的實(shí)時(shí)收獲生產(chǎn)率為

t=3.6Bvsρ

(1)

式中t——收獲生產(chǎn)率,t/hB——喂入輥寬度,m

s——喂入輥開度,mv——喂入速率,m/s

ρ——壓實(shí)密度,kg/m3

其中，喂入輥開度s由安裝在喂入機(jī)構(gòu)浮動(dòng)輥與定輥之間的位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。喂入速率v近似等于喂入輥的圓周速率，由安裝在上喂入輥和下喂入輥的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。而壓實(shí)密度ρ受多種因素影響，主要包括玉米青貯的作物含水率、壓實(shí)裝置內(nèi)的干物質(zhì)質(zhì)量和喂入輥壓力等因素[21]。本文對(duì)于相同地塊條件下的收獲生產(chǎn)率檢測，不考慮作物含水率、作物品種的影響，近似認(rèn)為玉米青貯的壓實(shí)密度為常量，對(duì)檢測模型進(jìn)行簡化。對(duì)于作物特性差異大的地塊，需要對(duì)檢測模型重新標(biāo)定，確定校準(zhǔn)系數(shù)后進(jìn)行測量。

在玉米青貯收獲機(jī)的喂入機(jī)構(gòu)中，各喂入滾筒設(shè)計(jì)有相同的理論線速率，則玉米青貯喂入速率v為

(2)

式中D1——前上喂入輥有效直徑，m

D2——前下喂入輥有效直徑，m

n1——前上喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min

n2——前下喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min

通過整理可得，收獲生產(chǎn)率t計(jì)算式為

t=β(D1n1+D2n2)s

(3)

式中β——標(biāo)定系數(shù)，由田間標(biāo)定試驗(yàn)確定

因此，本文利用拉線式位移傳感器測量浮動(dòng)式喂入機(jī)構(gòu)的喂入輥開度，結(jié)合編碼器測量的前上喂入輥轉(zhuǎn)速和前下喂入輥轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)玉米青貯收獲機(jī)收獲生產(chǎn)率的實(shí)時(shí)檢測，傳感器安裝如圖2所示。

圖2 喂入輥開度和轉(zhuǎn)速測量傳感器安裝圖Fig.2 Mounting diagram of feed roller displacement and feeding speed measurement

2.1.2割茬高度

割茬高度指玉米青貯收獲后，留在地塊中的禾茬頂端到地面的高度。本文應(yīng)用拉線式位移傳感器測量割臺(tái)液壓缸伸長量，并基于最小二乘擬合算法建立割茬高度與割臺(tái)液壓缸伸長量的線性關(guān)系模型，割茬高度計(jì)算公式為

h=a1+a2r

(4)

式中h——割茬高度，mm

r——割臺(tái)液壓缸伸長量，mm

a1、a2——常量，通過標(biāo)定試驗(yàn)確定

2.2 工況參數(shù)檢測方法

割臺(tái)、切碎輥、拋送風(fēng)機(jī)、籽粒破碎輥、行走軸和喂入部液壓泵是玉米青貯收獲機(jī)的核心工作部件，其工況在線檢測數(shù)據(jù)是判定部件狀態(tài)與故障工況的關(guān)鍵信息之一，若部件工作負(fù)荷過大，則容易發(fā)生阻塞故障，給驅(qū)動(dòng)部件造成嚴(yán)重影響；若部件工作負(fù)荷過小，則部件處于不飽和工作狀態(tài)，喂入量不足，影響總體收獲效率。

2.2.1機(jī)械部件工況

用于評(píng)估機(jī)械部件狀態(tài)的工況參數(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)工作軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，旋轉(zhuǎn)工作軸的功率計(jì)算公式為

(5)

式中Pm——旋轉(zhuǎn)軸功率，kW

n——旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，r/min

T——旋轉(zhuǎn)軸扭矩，N·m

在安裝方式方面，傳統(tǒng)的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器需要采用斷軸方式將傳感器串聯(lián)到動(dòng)力源與負(fù)載之間，傳感器聯(lián)軸器兩端的同心度無法保證，增加了原有機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此，本文采用多種新型安裝結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與扭矩傳感器，包括軸上加貼應(yīng)變片、延長軸和替換帶輪等3種方式，根據(jù)玉米青貯收獲機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝空間，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器，以滿足不同安裝位置的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率檢測需求。

在檢測原理方面，采用經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)定制的旋轉(zhuǎn)型應(yīng)變式扭矩傳感器，應(yīng)用應(yīng)變橋電測技術(shù)，在被測彈性軸上將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼上組成應(yīng)變橋，通過非接觸的方式由設(shè)在傳感器上的特殊環(huán)形變壓器為應(yīng)變橋電路提供電源，將應(yīng)變橋測得的彈性軸微弱受扭信號(hào)進(jìn)行放大、電壓/頻率轉(zhuǎn)換(V/F)，使其受到的扭矩與測到的頻率成正比關(guān)系，最后用微功耗信號(hào)耦合器代替環(huán)形變壓器非接觸地輸出5～15 kHz頻率信號(hào)，其內(nèi)部還帶有基于光電碼盤的轉(zhuǎn)速測量裝置，如圖3所示(虛線框表示旋轉(zhuǎn)部分，其余為固定部分)。

圖3 關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速與扭矩測量原理圖Fig.3 Principle of speed and torque measurement

傳感器的現(xiàn)場安裝如圖4所示，行走軸和割臺(tái)采用軸上加貼應(yīng)變片式扭矩傳感器。切碎輥和拋送風(fēng)機(jī)采用替換帶輪式扭矩傳感器，即通過彈性模量系數(shù)較好的材料制作動(dòng)力輪，替換原有的帶輪，應(yīng)用測扭應(yīng)變片獲得動(dòng)力輪的彈性形變情況，從而間接獲得被測軸的扭矩。籽粒破碎輥采用延長軸式扭矩傳感器，即通過改造帶輪結(jié)構(gòu)，改變動(dòng)力傳輸路線，斷開負(fù)載軸與主動(dòng)帶輪之間的動(dòng)力傳輸，負(fù)載軸的軸頭嵌入至傳感器的旋轉(zhuǎn)軸套內(nèi)，帶輪首先驅(qū)動(dòng)扭矩傳感器的內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸，再由扭矩傳感器的外側(cè)旋轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力回傳至負(fù)載軸，由粘貼在扭矩傳感器軸上的應(yīng)變橋間接獲得被測軸處的負(fù)荷信息。

圖4 轉(zhuǎn)速與扭矩傳感器安裝圖Fig.4 Installation of speed and torque sensors

同時(shí)，為了驗(yàn)證扭矩傳感器的靜態(tài)測量精度，利用CX-5825轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)，通過向靜校臺(tái)橫梁兩側(cè)放置不同的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，設(shè)置扭矩加載值為測量量程的0、±20%、±40%、±60%和±100%，進(jìn)行正負(fù)扭矩的靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定完成后，通過不同測量位置、安裝方式和不同量程的3個(gè)扭矩傳感器進(jìn)行靜態(tài)測量試驗(yàn)，結(jié)果表明，各扭矩傳感器的靜態(tài)檢測絕對(duì)誤差為-3.38～2.85 N·m，相對(duì)誤差在±0.5%內(nèi)，扭矩傳感器的測量精度達(dá)到檢測要求。

2.2.2液壓部件工況

用于評(píng)估液壓部件狀態(tài)的工況參數(shù)主要包括液壓管路壓力和液壓管路流量，采用差壓式液壓壓力傳感器和超聲波式液壓流量傳感器進(jìn)行液壓傳動(dòng)功率的測量，如圖5所示。液壓部件功率計(jì)算公式為

圖5 液壓部件工況檢測傳感器安裝圖Fig.5 Mounting diagrams of hydraulic working condition measurement sensor

(6)

式中Ph——液壓部件功率，kW

Δp——液壓泵出入口壓力差，MPa

q——液壓管路流量，L/min

2.3 作業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

系統(tǒng)各路傳感器的輸出類型主要包括12 V扭矩頻率信號(hào)、12 V轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)、NPN電壓輸出型脈沖信號(hào)和4～20 mA電流信號(hào)，如表1所示。本文基于PIC26K80控制器，設(shè)計(jì)了基于CAN總線輸出的7通道頻率采集模塊和8通道模擬量采集模塊，構(gòu)建了車載CAN通道網(wǎng)絡(luò)，用于各路傳感器的硬件信號(hào)采集，滿足了系統(tǒng)總體的數(shù)據(jù)采集需要。

表1 系統(tǒng)主要傳感器性能參數(shù)Tab.1 Main sensors performance parameter

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用LabVIEW圖形化開發(fā)工具開發(fā)了車載數(shù)據(jù)采集軟件[22-23]。軟件界面主要包括機(jī)器工況顯示模塊、作業(yè)定位顯示模塊、作業(yè)質(zhì)量及評(píng)價(jià)結(jié)果顯示模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)顯示模塊，如圖6所示。

圖6 車載數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.6 Software interface of online data acquisition

在軟件底層實(shí)現(xiàn)上，運(yùn)用多線程同步機(jī)制，集成實(shí)現(xiàn)各軟件功能模塊，主要包括系統(tǒng)初始化、界面操控交互、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、異常檢測與通信恢復(fù)、定位數(shù)據(jù)接收、DTU遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和系統(tǒng)退出等功能，系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 Flow chart of system software design

車載數(shù)據(jù)采集軟件利用CAN總線、UART串口等多種接口方式實(shí)現(xiàn)檢測參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取和遠(yuǎn)程傳輸。同時(shí)，通過周期性地發(fā)出符合CAN2.0B協(xié)議的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢幀，并接收和解析各采集控制器返回的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)ID更新相應(yīng)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)各路傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及保存。同時(shí)，為了適配青貯收獲機(jī)車載CAN網(wǎng)絡(luò)下高速的數(shù)據(jù)幀流量，車載數(shù)據(jù)采集軟件采用多隊(duì)列緩存、批量化處理和通信異常檢測等機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)流程，能夠在田間作業(yè)環(huán)境下，有效提高CAN數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理效率和數(shù)據(jù)通信可靠性。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 田間試驗(yàn)條件

為了檢驗(yàn)玉米青貯收獲機(jī)多參數(shù)測試系統(tǒng)在田間環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，于2019 年9月，在山東省諸城市某村地塊進(jìn)行了系統(tǒng)的田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)型為山東五征集團(tuán)有限公司的9HQ-4500型自走式青貯收獲機(jī)，試驗(yàn)作物為直立狀態(tài)的飼用全株青貯玉米，收獲作業(yè)選擇在生長期一致、秸稈無倒伏、莖稈含水率65%～75%的條件下進(jìn)行。各傳感模塊機(jī)上安裝位置如圖8所示。

圖8 玉米青貯收獲機(jī)傳感模塊機(jī)上安裝位置圖Fig.8 On-board installation location of sensors in corn silage harvester1.北斗定位模塊 2.車載監(jiān)測終端 3.行走轉(zhuǎn)速和扭矩測量模塊 4.喂入開度測量模塊 5.割臺(tái)高度測量模塊 6.喂入轉(zhuǎn)速測量模塊 7.割臺(tái)轉(zhuǎn)速和扭矩測量模塊 8.切碎輥轉(zhuǎn)速和扭矩測量模塊 9.拋送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩測量模塊 10.喂入液壓壓力測量模塊 11.喂入液壓流量測量模塊

4.2 田間試驗(yàn)方法

為了獲取不同作業(yè)參數(shù)下的多組田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將地塊按照長35 m、寬4.5 m劃分為多個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組按照玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)行方向，設(shè)置為預(yù)加速區(qū)(20 m)、收獲測定區(qū)(10 m)和停止作業(yè)區(qū)(5 m)。其中，預(yù)加速區(qū)和停止作業(yè)區(qū)的玉米青貯作物已經(jīng)預(yù)先收割。

試驗(yàn)過程為：先操作玉米青貯收獲機(jī)進(jìn)入預(yù)加速區(qū)，調(diào)整機(jī)器參數(shù)(包括喂入擋位、割茬高度、收獲速度等)為預(yù)定值后，操控各機(jī)器部件進(jìn)入額定作業(yè)狀態(tài)，并使作業(yè)速度由0逐漸加速至設(shè)定收獲速度；待整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，玉米青貯收獲機(jī)恒速進(jìn)入收獲測定區(qū)，以4.5 m滿割幅開始玉米青貯收獲試驗(yàn)，同時(shí)由4名試驗(yàn)人員攜帶尼龍接料布跟隨玉米青貯收獲機(jī)，接取收獲測定區(qū)里拋送筒拋出的所有玉米青貯物料，玉米青貯收獲機(jī)收獲10 m后到達(dá)停止作業(yè)區(qū)停止，等待機(jī)器中物料全部拋送出后結(jié)束試驗(yàn)。每組試驗(yàn)過程中，車載多參數(shù)測試系統(tǒng)全程連續(xù)采集機(jī)器的作業(yè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)后，對(duì)所有該試驗(yàn)組接取的物料進(jìn)行稱量，用于計(jì)算實(shí)際收獲生產(chǎn)率，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)田間試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.9 Actual scene of system field test

4.3 關(guān)鍵參數(shù)測試

4.3.1機(jī)械工況測量驗(yàn)證

4.3.1.1空載檢測

選擇一天中的不同時(shí)段，獨(dú)立開展8組青貯試驗(yàn)樣機(jī)的田間空載測試，進(jìn)行扭矩參數(shù)測量的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)。每組試驗(yàn)時(shí)，玉米青貯收獲機(jī)保持在原地啟動(dòng)，將圓盤式折疊割臺(tái)展開后，駕駛員操作手油門至最大位置，保持發(fā)動(dòng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速工作，并操縱工作部離合器和液壓泵控制手柄，使割臺(tái)部件、喂入輥、切碎輥、拋送風(fēng)機(jī)進(jìn)入空載運(yùn)行工況。等待15 s，待機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動(dòng)自動(dòng)參數(shù)測試系統(tǒng)，按照采樣頻率20 Hz連續(xù)采集空載工況數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為1 min，每組采集數(shù)據(jù)1 200條，繪制不同試驗(yàn)組下的各部件扭矩?cái)?shù)據(jù)箱線圖如圖10所示。

圖10 空載扭矩檢測結(jié)果Fig.10 Test results of no-load conditions

從圖10可以看出，各機(jī)器部件空載扭矩在不同試驗(yàn)組間均值差異性不大于0.75 N·m，試驗(yàn)組內(nèi)重復(fù)性測量最大極差為1.28 N·m，最大變異系數(shù)為0.012。割臺(tái)的空載扭矩范圍為21.2～22.3 N·m，均值為21.7 N·m，切碎輥的空載扭矩范圍為18.1～20.1 N·m，均值為18.9 N·m，拋送風(fēng)機(jī)的空載扭矩范圍為46.1～47.6 N·m，均值為46.9 N·m。且從檢測結(jié)果序列的分布形態(tài)上分析，各試驗(yàn)組的偏態(tài)系數(shù)處于-0.03～0.46，絕對(duì)值均小于0.5，大多數(shù)位于0附近，說明檢測結(jié)果不偏斜，檢測值較為對(duì)稱地分布在均值的兩側(cè)，兩端極值少。各試驗(yàn)組的峰態(tài)系數(shù)處于2.0～2.9，均小于3，呈現(xiàn)平峰分布[24]，說明檢測序列尾部較輕，異常離群點(diǎn)較少，數(shù)據(jù)波動(dòng)性小。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)扭矩參數(shù)田間檢測的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和重復(fù)性較好。

4.3.1.2整機(jī)工況檢測

按照4.2節(jié)方法，在長勢均勻的同一玉米青貯地塊，開展不同工況下的整機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速測量性能驗(yàn)證試驗(yàn)。玉米青貯收獲機(jī)分別以低速(1～2 km/h)、中速(2～3 km/h)和高速(3～4 km/h)開展田間收獲作業(yè)，得到其中3組不同車速下的整機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速測量結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同車速時(shí)玉米青貯收獲機(jī)整機(jī)工況檢測田間試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Field test results of silage harvester working conditions at different harvesting speeds

由圖11可知，在預(yù)加速區(qū)，車速由0逐漸加速至預(yù)定作業(yè)速度，速度檢測值總體較為穩(wěn)定，存在輕微波動(dòng)。其原因在于，機(jī)器受土壤平整度及地面割茬等的影響，行走驅(qū)動(dòng)輪存在一定的滑轉(zhuǎn)、滑移現(xiàn)象。在收獲測定段，機(jī)器開始有玉米青貯植株喂入，由于收獲狀態(tài)的改變和作業(yè)負(fù)荷的突然增加，車速呈現(xiàn)不同程度瞬時(shí)的下降后，較快恢復(fù)至原有的作業(yè)速度。在部件工作轉(zhuǎn)速方面，發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)、切碎輥等作業(yè)部件的工作轉(zhuǎn)速相比空載工況有小幅度的降低，拋送風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速相比空載工況有小幅度的增加，其原因在于，拋送風(fēng)機(jī)的作用對(duì)象為經(jīng)切碎輥切碎后的沿刀尖方向高速旋轉(zhuǎn)拋出的玉米青貯物料，物料自身具有較高的初始進(jìn)入速度，一定程度上增加了作業(yè)部件的作業(yè)速度。在部件工作扭矩方面，所有部件的工作扭矩相比空載工況均有較高幅度的增加，扭矩變化幅值按照作業(yè)部件排序，從大到小依次為發(fā)動(dòng)機(jī)、切碎輥、拋送風(fēng)機(jī)、割臺(tái)內(nèi)軸、割臺(tái)外軸。同時(shí)，隨著作業(yè)速度的增加，各部件轉(zhuǎn)速的降低幅度和各部件扭矩增加幅度逐漸增大，如表2、3所示。另一方面，轉(zhuǎn)速參數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)變化，而扭矩參數(shù)呈現(xiàn)起伏變化，而且隨著作業(yè)速度的增加，各部件的扭矩波動(dòng)幅度更趨于平緩，扭矩?cái)?shù)據(jù)檢測值跳動(dòng)更小。其原因在于，隨著作業(yè)速度的提高,玉米青貯作物的喂入量顯著增加，提高了收獲過程玉米植株喂入的連續(xù)性和均勻性，減少了玉米青貯秸稈對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的撞擊，整機(jī)負(fù)載系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定，使得作業(yè)部件進(jìn)入更為穩(wěn)定的作業(yè)狀態(tài)。因此，較小喂入量下的扭矩?cái)?shù)據(jù)變異較大，而較大喂入量下的扭矩?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。試驗(yàn)結(jié)果表明：在田間收獲作業(yè)條件下，所研發(fā)的玉米青貯收獲機(jī)參數(shù)檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定地采集整機(jī)工況數(shù)據(jù)，田間動(dòng)態(tài)測量結(jié)果與機(jī)器實(shí)際作業(yè)工況持續(xù)保持一致，滿足玉米青貯收獲機(jī)的田間參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測需求。

表2 田間不同工況下作業(yè)部件轉(zhuǎn)速測量結(jié)果Tab.2 Rotating speed measurement results at different harvesting speeds r/min

表3 田間不同工況下作業(yè)部件扭矩測量結(jié)果Tab.3 Rotating torque measurement results at different harvesting speeds N·m

4.3.2液壓流量測量驗(yàn)證

液壓流量的測量位置為喂入部液壓泵，選用Linde HPV105-02L柱塞式變量泵，其液壓流量計(jì)算公式為[25]

(7)

式中Q——液壓泵實(shí)際流量，L/min

kt——液壓泵傳動(dòng)比，由機(jī)械結(jié)構(gòu)確定

ne——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min

V——液壓泵排量，mL/r

ηv——液壓泵容積效率，主要受泵工作壓力影響，由泵特性曲線確定

試驗(yàn)時(shí)，操縱凸輪控制機(jī)構(gòu)的斜盤轉(zhuǎn)角為100%，實(shí)現(xiàn)100%排量，即V為105 mL/r。同時(shí)調(diào)節(jié)油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為600、1 200、1 800、2 100、2 270 r/min(實(shí)際調(diào)節(jié)誤差不超過設(shè)定值的±10%)，將系統(tǒng)測得的液壓流量測定值和計(jì)算的液壓流量實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，得到測量結(jié)果如表4所示，液壓流量測量的最大相對(duì)誤差為1.13%，額定作業(yè)工況下的相對(duì)誤差為0.53%，滿足液壓工況參數(shù)的田間檢測需求。

表4 液壓流量測量結(jié)果Tab.4 Measurement results of hydraulic flow

4.3.3收獲生產(chǎn)率測量性能

4.3.3.1喂入?yún)?shù)動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果

按照4.2節(jié)試驗(yàn)方法，在喂入擋位2下，得到喂入機(jī)構(gòu)的兩組工作參數(shù)動(dòng)態(tài)變化曲線，如圖12所示。在收獲測定區(qū)，隨著玉米青貯作物連續(xù)喂入，上喂入輥轉(zhuǎn)速穩(wěn)定保持在165 r/min附近，下喂入輥轉(zhuǎn)速穩(wěn)定保持在208 r/min附近，喂入輥開度呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)起伏變化，且隨著作業(yè)速度的增加，試驗(yàn)組的平均喂入開度顯著增加。

圖12 喂入輥參數(shù)田間檢測結(jié)果Fig.12 Field test results of feed roller parameters

4.3.3.2田間標(biāo)定與測量試驗(yàn)

通過設(shè)定不同的喂入擋位和不同的作業(yè)速度，按照4.2節(jié)開展青貯收獲，進(jìn)行8組不同喂入量下的田間標(biāo)定試驗(yàn)。每組試驗(yàn)中，由系統(tǒng)自動(dòng)檢測獲得上喂入輥轉(zhuǎn)速n1、下喂入輥轉(zhuǎn)速n2和喂入輥開度s，由人工接樣、稱量和計(jì)時(shí)計(jì)算得到青貯的實(shí)際收獲生產(chǎn)率t。試驗(yàn)結(jié)束后，以t/(D1n1+D2n2)作為因變量，以喂入輥開度s作為自變量，根據(jù)公式(3)，二者存在線性關(guān)系。因此，采用一元擬合回歸算法建立標(biāo)定模型為

t=2.903 36(D1n1+D2n2)s

(8)

即標(biāo)定系數(shù)為2.903 36，模型回歸系數(shù)為0.89。收獲生產(chǎn)率測量的平均相對(duì)誤差為11.1%，可為玉米青貯收獲機(jī)收獲生產(chǎn)率的動(dòng)態(tài)檢測提供有效技術(shù)手段。

4.3.4割茬高度測量性能

4.3.4.1標(biāo)定試驗(yàn)

控制割臺(tái)從最高位置逐漸變化至最低位置，再逐漸恢復(fù)到最高位置，選取行程中的12個(gè)測量點(diǎn)，將割臺(tái)液壓缸伸長量傳感器檢測的數(shù)據(jù)與人工檢測的割茬高度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為

h=5.118r-618.89

(9)

結(jié)果表明：割茬高度的在線測定值與人工檢測值呈現(xiàn)線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.998，擬合度高，所設(shè)計(jì)的割臺(tái)液壓缸伸長量傳感器在測量割茬高度時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。

4.3.4.2田間測量

每個(gè)試驗(yàn)組結(jié)束時(shí)，在工作幅寬上選取左、中、右3點(diǎn)測定玉米青貯的割茬高度，取均值作為該測量點(diǎn)處的割茬高度實(shí)際值，與經(jīng)傳感器檢測獲得的割茬高度測量值進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，測量最大相對(duì)誤差為4.78%，測量精度能達(dá)到田間割茬高度的實(shí)時(shí)檢測需求。

表5 割茬高度測量結(jié)果Tab.5 Measurement results of stubble height

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線和虛擬儀器的玉米青貯收獲機(jī)多參數(shù)在線綜合檢測系統(tǒng)，可同步采集作業(yè)質(zhì)量、機(jī)械工況、液壓工況的關(guān)鍵參數(shù)，為機(jī)器適用性綜合評(píng)價(jià)與整機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

(2)基于CAN總線協(xié)議開發(fā)的玉米青貯收獲機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車載多源傳感數(shù)據(jù)的采集、接收和存儲(chǔ)功能，有效適配了玉米青貯收獲機(jī)田間作業(yè)時(shí)高并發(fā)和高速率的車載數(shù)據(jù)通信，提高了田間數(shù)據(jù)采集的可靠性和實(shí)時(shí)性。

(3)實(shí)現(xiàn)了玉米青貯收獲機(jī)從預(yù)加速階段、收獲測定階段至停止作業(yè)階段的全過程多部件的工況動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測，適用于田間環(huán)境下的整機(jī)作業(yè)參數(shù)的全面、動(dòng)態(tài)、連續(xù)和穩(wěn)定測量。