農業機械設備故障診斷與修復方法研究

農業機械設備故障診斷與修復方法研究

李 苗1， 賈 杰2*

(1.東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要隨著農業機械化水平的提高，大型的、結構復雜的農機類型逐漸進入人們的生產生活中來，農業機械的使用者也逐漸增多。尤其在農忙季節，在各項農業生產中，農業機械的利用率不斷提高，各種各樣的機械故障也隨之而來。該文從分析農業機械設備在操作使用中常見的機械故障著手，分析其形成原因，介紹其診斷方法以及提出了對農機具的修復方法，以達到延長農機具的使用壽命的目的。

關鍵詞農業機械；故障診斷；修復方法

中圖分類號S232.8+5

基金項目中央高校基本科研業務費專項資金資助(編號：2572015

基金項目CB31)；黑龍江省自然科學基金青年科學(編號：QC2014C043)。

作者簡介李苗(1992-)，女，黑龍江哈爾濱人，本科生，專業：機械設計制造及其自動化。*

收稿日期2015-06-03

Research of Fault Diagnosis and Repair Method in Agricultural Mechanical Equipment

LI Miao1, JIA Jie2*(1. College of Mechanical and Electric Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; 2. College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040 )

AbstractWith the improvement of agricultural mechanization level, large, complex structure of agricultural machinery type gradually into the people's production and living, users of agricultural machinery also gradually increasing. Especially, the busy farming season in the agricultural production, the utilization of agricultural machinery are all growing, all kinds of mechanical failure followed. Based on the analysis of agricultural machinery equipment in common mechanical faults in the operation, analyzed its forming reason, introduced the diagnosis method and put forward the repair methods of agricultural machinery, in order to achieve the goal of extend the service life of agricultural machinery.

Key words Agricultural machine; Fault diagnosis; Repair method

1農業機械故障形成原因

1.1自然磨損農業機械在受到外界及自身各種無法避免的因素的影響時所產生的磨損。例如零部件的磨損、材料老化的問題，雖然至今還無法徹底解決也無法避免，但可以通過良好的保養方法對他們進行提前的預防和維護，避免故障的發生。

1.1.1曲軸與軸瓦的磨損。

(1)燒瓦。燒瓦現象一般是由于機油不足或機油變質而使軸與軸瓦之間產生劇烈摩擦，機械溫度驟升，機油粘度特性減弱，軸與軸頸間不易形成強力油膜，最終導致燒瓦。造成此現象的原因很多，例如：農業機械不間斷地進行高速運轉；機油變質或機油嚴重不足；大修后曲軸軸頸與軸瓦之間的間隙不再符合技術標準；曲軸磨損破壞了曲軸軸頸表面的耐磨層；及冷啟動操作不當等。

(2) 軸瓦合金脫落。當發動機沒有按照使用規則正確使用時，軸頸與軸瓦間直接接觸的表面發生劇烈摩擦，兩接觸表面上微觀凸起處在交變應力作用下發生疲勞破壞產生裂紋，引起機油不斷滲入裂紋所產生的液壓作用使疲勞裂紋不斷擴展，最終導致軸瓦合金的脫落。

(3) 軸瓦擦傷。軸瓦與軸頸兩接觸表面間的機油主要起潤滑、冷卻的作用。如果機油不足，則會嚴重削弱兩摩擦表面間的冷卻、潤滑效果，因此軸瓦擦傷主要發生在軸瓦與軸頸之間的潤滑油膜突然破裂的瞬間，此時軸瓦和軸頸之間由于潤滑不足產生摩擦而劃傷表面，形成溝槽等痕跡。

(4)軸瓦劇烈磨損。此現象主要發生在農業機械突然啟動或突然加速而又缺油的瞬間，此時兩表面間發生直接摩擦而沒有任何機油和潤滑油對其進行保護作用，因此導致軸瓦的劇烈磨損。

1.1.2活塞與氣缸的磨損。

(1)機油不合技術要求導致氣缸磨損。對于某種特定的農業機械而言，應該針對相應的季節以及相應的工作環境對其使用相應的符合技術要求的機油，不能只從節約成本的角度出發而使用低級別、低質量的潤滑油。

(2)氣缸與活塞的質量及其裝配精度。工作人員在選擇裝配時也一定要對氣缸和活塞環的產品質量和裝配精度進行嚴格的考核，否則也同樣會使氣缸早期磨損。例如，氣缸及其內部各零部件的制造加工精度和剛度、強度，對缸壁進行熱處理工藝使之能夠提高性能以至于滿足各項技術要求，安裝時各零件的位置精度等因素均可影響氣缸和活塞環的耐磨性，降低氣缸的使用壽命。

(3)低溫下啟動。在東北地區，農業機械設備長期處于低溫環境下工作，機油具有極大的粘性，無法通過飛濺使潤滑油甩到汽缸表面，因此就無法在氣缸及活塞環表面形成潤滑油膜，此時就極容易發生拉缸，粘缸的現象，使氣缸過早磨損。如果在某種特殊的情況下不得不低溫啟動，又要防止此種現象的發生，最好在啟動時采取預熱措施。

(4)不潔空氣進入氣缸。 當遇到惡劣環境時，農業機械在田間運行就很容易將大量風沙卷入到機械內部的零部件中，這些雜質極容易損壞氣缸及氣門組件，由于軸承等的轉動作用又會導致這些沙土進入到潤滑油中，若雜質進入到潤滑系統，則將會加速更多零部件的磨損[1]。

1.1.3振動。在機械的長期運轉過程中，由于不停地受到振動的作用，使得利用摩擦力固定的緊固件逐漸發生松動現象，例如，螺紋連接的松動，聯軸器的振動等。

1.1.4零件腐蝕。在農業機械中大部分的零部件都是有金屬材料制成的，因此在使用過程中避免不了會產生金屬零部件的腐蝕現象，例如金屬的生銹就是一種常見的腐蝕現象。金屬在干燥氣體中生銹是金屬零件與周圍空氣中的介質發生化學反應而引起的腐蝕現象，稱為化學腐蝕。金屬零件在潮濕空氣或酸堿氣體中生銹是由于金屬零件與酸堿鹽的水溶液發生了電化學反應而引起的腐蝕現象，稱為電化學腐蝕。為了防止這樣現象的發生，我們通常將金屬零件的表面涂抹一層保護膜，例如油漆，防止金屬零件直接與周圍介質相接觸。

1.1.5疲勞破壞。如圖1、2所示，農業機械工作時，其內部的很多零件都是在交變循環的載荷作用下工作的，當交變應力和循環的次數超過零部件的疲勞極限時，零件表面就會產生裂紋或點蝕，然后逐漸擴大，直至零件發生斷裂或剝落。例如，齒輪、滾動軸承表面金屬因應力集中產生的麻點，軸類零件一直受到對稱循環應力導致彎曲或折斷。

圖1　被磨損的齒輪1

圖2　被磨損的齒輪2

1.1.6材料老化。當一臺農業機械超過了額定使用期限后，機器的各個零部件都會因為工作時間過長而容易發生故障或降低了其工作效率，同時也會因為各零件之間的磨損越來越劇烈，因而降低了零件之間的配合精度。例如，軸類零件的磨損，油路閥門的堵塞等現象。

1.1.7阻塞。阻塞一般是由于油底殼過臟或由于機體內運行溫度過高使合成冷卻機油產生膠質而導致的，因此農業機械應在運行5萬km左右時及時對油底殼進行清洗，同時還應時刻檢查并提高機械設備的冷卻性能。

1.1.8塑性變形。當機械零件所受到的外載荷作用超過了材料的屈服極限時，就會發生塑性變形。機械的零部件一旦發生了塑性變形，其形狀和尺寸將永遠不會再恢復原來的狀態。例如，齒輪和傳動軸發生塑性變形后，運轉時都會發生劇烈的振動和噪聲，嚴重時將使機械無法正常運行。

1.1.9熱損壞。指機械零部件被燒焦和燒穿的現象。例如，離合器或制動器的摩擦件燒壞，引起離合器打滑或制動不良，導致機器無法正常運行。

1.1.10氣候條件的影響。由于天氣或者季節的影響，往往容易使農業機械出現故障，特別是在田間工作時，由于在地域或時間上的不便，使得機械無法得到及時的維修，容易造成比較大的經濟損失。機器一經有故障發生，必然降低其工作效率，影響工作質量，耗油量升高，提高工作成本，嚴重時甚至還會有安全隱患。

1.2人為故障

1.2.1作業現場條件差。最為典型的現象例如，工作環境惡劣，風沙泥土多，施工場地崎嶇不平。在這樣的環境下工作，灰塵和泥土很容易進入零部件和潤滑系統中，加速零部件的磨損，同時更容易堵塞油路，增加了故障發生的頻率。

1.2.2劣質運行油料的影響。長期使用劣質油料，會明顯降低農業機械的使用壽命，增大發生故障的概率。使用高質量的燃油，不僅減小發動機的磨損，而且可以避免油路的堵塞。使用優質的潤滑油，可以增強潤滑系統的潤滑效果，減少因潤滑而引起的故障。

1.2.3設計制造、維修質量及操作水平的影響。這類故障的主要原因取決于操作人員的技術素質，盡管由于人為而引發的故障是非正常的，但可以對其進行有效預防。

(1) 設計制造的影響。對一臺農業機械的結構進行設計時，不僅要使其結構合理，還要使零件的強度滿足要求，否則機械就會縮短其使用壽命。此外，對零部件的材料和加工工藝也有一定的要求。制造時，如果零件表面質量太低，或零件內部有裂紋，都會使零件提前損壞，進而導致機械發生故障。

(2) 維護質量的影響。機械使用一段時間，使用者就應對其進行檢查維修，油路是否有堵塞現象，潤滑系統是否有雜質進入，緊固件是否發生松動，各個零部件之間的配合是否滿足精度要求等，這些都需要我們及時發現并解決，以免發生嚴重故障。

(3) 操作水平的影響。使用人員的違章操作會直接影響農業機械的使用壽命，例如，發動機的非正常啟動，一臺新機器沒有經過正確的磨合階段就直接投入到滿載或超負荷作業中，或者在機械保存過程中，并沒有按照所規定的技術要求進行正確操作，使機械內部零件提早腐蝕、老化，這些都是由于人為原因所造成的[2]。

2農業機械故障診斷方法

2.1振動診斷農業機械在工作運行過程中，其內部的軸承轉動，機械運轉時齒輪和葉片的轉動等都會引起各種振動。在機械工作時，操作者便可以通過聽振動的聲音和頻率來判斷機械是否存在潛在故障，這種方法是目前為止應用最為廣泛的農業機械故障的診斷技術，并且該技術不會干擾機械的正常工作，容易掌握和實施，簡單易行。

2.2噪聲監控農機設備在工作中由于各個部位受到不同的外力產生不同程度的振動，因此會產生頻率不同的噪聲，而機器正常運轉時的噪聲與發生故障時的噪聲有較為明顯的區別，操作者可以根據不同部位噪聲的不同來分辨機械故障發生的位置。實際檢測中，采用人工檢測的方法對噪聲產生部位以及噪聲類型進行分析，人工檢測就是用耳朵對從機器中發出的不同的噪聲進行辨別，從而分析機械是否正常運行，并根據豐富的經驗大概判斷出機械故障發生的位置。同時也可以利用頻譜分析儀器對噪聲級別、噪聲類型進行分析。

2.3油樣分析伴隨著農業機械在農忙時節運用頻率的增加，農業機械出現故障的幾率也不斷提高。提取并分析機油和潤滑油內雜質的組成成分，檢測油液粘稠程度和污染等級等便可分析出機械當前的磨損情況，并查找出機械存在的潛在故障，及時排除隱患。

2.4紅外測溫機械運轉時的摩擦使得溫度升高，紅外測溫就是利用紅外測溫儀對這些變化的溫度進行監測，進而檢查機械各個部位的溫度是否有異常。溫度數據將會反應在計算機的終端上，如果出現機械某個部位溫度急劇升高的現象，系統會因發生異常自動報警，工作人員需要及時準備相關維修設備并采取措施，盡量減少安全事故的發生，同時將對農機設備的損壞降低到最小，延長農業機械的使用壽命[3]。

2.5小波理論機械故障的振動信號一般都是復合信號，其中包括多個信號分量，而每一個信號分量又都具有一個單一的頻率，這個頻率一般都是由機械的頻率所決定的。通過對小波理論的分析，證實在一定的情況下小波分解的頻率范圍是由離散信號的頻率決定的。因此小波分析便成為了一種新穎的信號檢測分析方法，這種方法可以更有效的實現對非平穩信號的分離。

2.6模糊神經網絡由于機械結構復雜，故障特征及原因普遍存在模糊性和復雜性，以模糊數學的思想為基礎，結合經驗，建立機械故障的模糊診斷模型對故障及其特點進行分析，將故障的癥狀集進行分解，分別進行分析，再綜合分析，這樣可以為準確找到故障源提供一個正確有利的方向，減小盲目性，提高工作效率和可靠性。

2.7時頻分析盡管傅里葉變換在信號的分析與處理中發揮著重要的作用，但是這種變換更側重于整體性的變換，并不能表示出其中的某種分量發生在什么時候以及發生了怎樣的變化。然而在農業機械設備發生故障時振動的信號都是不平穩的，此時的傅里葉變換就不再能準確的對故障進行診斷，時頻分析便成為了一種有效的工具。因此引入了HHT來提取滾動軸承，齒輪和轉子系統各類故障振動信號的特征。如圖3、4根據對希爾伯特-黃變換時頻熵方法的研究分析表明，齒輪在正常狀態下傳動時的振動信號的時頻熵較大，而發生故障時振蕩信號的時頻熵則會降低[4]。

2.8蟻群算法蟻群算法是一種能夠對機械故障進行快速高效的聚類診斷的方法，將蟻群算法與聚類方法相結合，建立機械故障的聚類模型，主要利用主元分析技術實現對特征信息的有效提取和識別。這種方法具有搜索結果準確、運算穩定的優點，但由于其運算規模較大，針對不同的情況應該選擇合適的目標函數和迭代次數，進而提高算法的準確性。

2.9專家系統由于農業機械是一個多層次的復雜的系統，其內部結構的很多指標都是模糊的，無法直接量化處理，一慣的建立模型是有困難的，因此需要引入專家系統。所謂專家系統，即一個在知識庫中存放著各種故障現象以及引起這些故障的原因和現象之間關系的程序系統，機械一旦發生故障，通過計算機接口輸入故障現象，計算機按照知識庫中存放的原理進行推理，從而判斷出引起故障的原因，提高了對農業機械故障診斷的效率和準確性。

2.10支持向量機與神經網絡相比，支持向量機克服了局部收斂的缺陷，有更好的泛化能力，可以保證找到的極值解便是最優解。在對農業機械總動力變化規律進行預測時，可以實現將變化規律抽象為某個復雜的泛函，再進一步轉化為泛函的逼近問題，這樣就可以獲得支持向量機的回歸模型。

2.11局部均值分解該診斷方法的引入能很好地自適應性處理非平穩信號，有效地提取有重要物理意義的瞬時頻率分量，不會造成任何信息的流失。例如對滾動軸承的不同故障的識別，先對滾動軸承振動信號進行分解，再對其得到的一系列的PF分量進行絡分析，從包絡譜中提取特征幅值比輸入到SVM分類器中進行識別。

圖3　小波時頻分布

圖4　局域波時頻分布

3農業機械故障修復方法

3.1金屬扣合法金屬扣合法利用波形鍵的塑性變形將鑄件上的裂紋或斷裂面的兩邊用扣合的機械方式連接起來以達到修復工件的目的。例如蒸汽機的機架、各種機床的床身等大型鑄件都不易采用焊接的方法修復，因此采用金屬扣合法更為合適。此外，這種方法還適用于要求不發生較大變形的鑄件。

(1) 強固扣合工藝。用于壁厚8～40 mm的對強度要求不高的薄壁機件的修復。扣合前，需要按照合適的尺寸和形狀在裂紋或斷裂面的垂直方向上加工一個波形槽，將波形鍵逐片嵌入并對其進行鉚擊，波形鍵發生塑性變形而充分地充滿整個波形槽的型腔，波形鍵的凸緣扣合在機件上，使斷裂處穩固地聯接在一起。

(2) 強密扣合工藝。他是在前一種方法的基礎上改進完成的，需要在兩波形鍵之間的裂紋或折斷面的接合處鉆2次綴縫栓孔，并使后一次的鉆孔稍微切入已完成綴縫栓，綴縫栓最好用軟質材料制成，這樣易于鉚緊可以更好地防止液體因受到壓力而產生滲漏的現象。

(3) 優級扣合工藝。某些厚壁機件在工作運轉時需要承受重載荷，若這類機件上產生裂紋，應使載荷盡量分布到更多遠離裂紋或折斷處的面積上，并用綴縫栓或波形鍵將加強件嵌入到裂紋或折斷面的垂直方向上，以此對機件進行修復。

(4)熱扣合工藝。若大型零件或重型設備有裂紋和折斷面，將扣合件加熱后冷卻，在這一系列過程中會使元件產生收縮進而將有裂紋的機件鎖緊。

3.2塑性變形修復法

(1)鐓粗法。用來修復內外徑磨損量較小的零件，一般是直徑小于0.6 mm的用有色金屬材料制成的圓柱形零件或套筒，利用外界施加的壓力增加外徑尺寸，進而補償外徑的磨損。

(2)擠壓法。對筒形零件的內徑進行修復時，零件上有些部位的尺寸是不需要有嚴格控制的，可以通過對這些部位施加壓力的方法將此處材料擠壓到受磨損處，以對其進行修復。

(3)擴脹法。對套筒形零件的外徑磨損進行修復時，其原理類似于擠壓法，但不同之處在于零件受到擠壓向外進行擴脹，達到增大外形尺寸的目的，進而對磨損的部位進行補償。

(4)壓力校直法。各種軸類零件被廣泛應用于農業機械中，他們的直線精度直接影響著一臺機器的工作精度及使用壽命，然而這些零件在加工和運輸過程中會由于某些原因產生彎曲變形，此時可以對零件施加壓力校直軸類零件，消除零件的彎曲變形。

(5)砸擊校直法。零件可能由于振動和外力作用產生彎曲，敲擊零件上彎曲處低凹的部分，使零件彎曲部分的內應力得到了重新分布，金屬材料發生塑性變形，使彎曲部分伸展變直。

(6)火焰校直法。用火焰加熱零件彎曲處的最高點，該點處的表面層金屬會迅速膨脹，被加熱的金屬會因膨脹受到擠壓在高溫下產生使實際體積縮小的塑性變形。當加熱點處的金屬一經冷卻后，就會使得零件向相反方向彎曲。

3.3鑲加零件法零件受到磨損無法正常工作后，在結構和強度允許的情況下可將磨損的部位去掉，用其他零件替代，使受損零件恢復正常的工作強度和精度。

3.4局部換修法農業機械運轉過程中，各部位的受力和振動不同導致磨損不均勻，零件某部位受到嚴重磨損，而其他部位可能幾乎未被磨損，在零件結構和強度允許的條件下，我們可以采用粘接、焊接等方法將新零件固定在磨損嚴重處，更換磨損零件部位[5]。

3.5發動機非正常磨損的預防措施

(1)農業機械啟動前要嚴格按照使用規則對發動機進行檢查，盡量采取多種預熱措施，啟動后應盡量根據要求在不同階段注意相關事宜，發動機開始應先低速運行，待水溫逐漸升高后再起步，繼續升高一定溫度時才適合加負載[1]。

(2)合理選用機油，推薦盡量使用多級潤滑油，可適用于不同季節不同環境溫度，熱安定性較好，并且定期更換機油及機油濾清器，做好維護工作[6]。

(3)運行過程中時刻注意發動機的運行狀態，并及時對其進行檢測調整

4優化建議

4.1提高人的素質黑龍江省是全國農業生產所占比重最大的省份，因此農業機械化發展水平和速遞很快[7]。大量的設備使用人員專業知識匱乏，因此需要提高工作人員的思想素質和業務水平，設計制造出零部件材料強度好，機構結構設計合理的農業機械設備，并且能夠做到嚴格按照操作規程正確使用，維修人員能夠切實地將維修工作重視起來，定期對機器進行全面檢查，不斷積累經驗，對發生的故障采取合理有效的措施。

4.2強化潤滑管理工作要求工作人員嚴格遵守機械保養規范保養機器，同時要有專業人員對保養結果進行檢測驗收，時刻掌握機械潤滑系統的潤滑情況，一旦發現問題及時采取措施，潤滑系統對于一個機械系統來說尤為重要，因此做好潤滑工作可以降低機械故障的發生率，延長其使用壽命。

4.3技術革新和改造只將目光停滯在已研制出的技術產品上是不科學的，在思考著如何保養維修農業機械的同時，更應該思考技術的革新和改造；在提出有效預防措施的同時，更應該從本質上改進機械的使用性能，研制出更高技術水平的機械產品，使其自身減少出現故障的概率。

5結論與展望

通過對農業機械故障的研究，分析了機械故障的形成原因，診斷方法以及修復方法，但仍然更加期盼在針對已有研究成果及其不足的基礎上對農業機械故障的研究方法有一個新的進展。期望今后將更多地診斷方法在實際應用中逐漸融合，能夠更精準地對發生的故障進行定位并及時獲得診斷方法，將更多機械領域的診斷方法引入到農業機械中來，使目前診斷起來較有難度的問題在不久的將來迎刃而解。

參考文獻

[1] 蔡正科,楊保成.發動機非正常磨損的機理探析[J].農機使用與維修，2005(4):18-19.

[2] 曾凡領.工程機械設備故障的原因分析與處理探討[J].裝備制造，2009(12)：126.

[3] 蘇勇.農業機械故障診斷技術的研究進展[J].農民致富之友，2014(3)：55.

[4] 程軍圣.基于Hilbert-Huang變換的旋轉機械故障診斷方法研究[D].長沙：湖南大學,2005．

[5] 張森林.農業機械故障診斷與農機具修復方法的探討[J].農機使用與維修，2006(5):7-9.

[6] 胡云根,張莉華.農業機械中冷卻水溫監控報警系統的研制[J].安徽農業科學，2012,40(7):4434-4436.

[7] 刑明.“十二·五”期間黑龍江省農業機械化發展研究[J].安徽農業科學，2014,42(22):7675-7677.