聯合收割機載荷測試系統構建與影響因素分析

王　瑞，李耀明，唐　忠，李有為，徐立章

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

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聯合收割機載荷測試系統構建與影響因素分析

王瑞，李耀明，唐忠，李有為，徐立章

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013)

摘要：為了給履帶式聯合收割機的傳動系統及動力分配提供合理的設計依據，需要得到聯合收割機的載荷測試信號。為此，根據聯合收割機的整機結構特點，選用合理的扭矩、轉速傳感器和數據采集系統，設計了履帶式聯合收割機載荷測試系統，并以沃得飛龍型履帶式聯合收割機為樣機搭載該系統，進行了水稻田間收獲試驗和底盤試驗，測得該樣機在極限工況下不同工作部件的載荷。試驗結果為履帶式聯合機傳動系統優化及動力分配提供了合理的設計依據。

關鍵詞：聯合收割機；載荷；履帶式；動力分配

0引言

聯合收割機的傳動系統設計是一個系統工程。首先，要把發動機的動力合理地分配到行走底盤、割臺、傾斜輸送槽、脫粒分離裝置、清選裝置及輸送裝置等工作部件；其次，要保證各工作部件可以長時間安全可靠的工作[1-2]。

國外已有學者建立了聯合收割機關鍵部件動力需求模型，并根據此模型將發動機的動力進行合理的分配[3-4]。國內的聯合收割機從結構設計與動力分配到零部件乃至整機的設計制造和裝配大多參考已有機型或生產經驗[5]；但對聯合收割機可靠性的考慮較少，在實際應用中沒有解決故障率高、壽命短的問題。扭矩是聯合收割機一些部件承受的主要載荷,其所受的載荷大、頻率高,則壽命低[6]。

本文以沃得飛龍型履帶式聯合收割機為試驗樣機，構建了聯合收割機扭矩和轉速無線測試系統，對行走底盤、中間傳動軸、脫粒分離滾筒、傾斜輸送槽及割臺傳動軸的實際作業扭矩和轉速進行測量，得到聯合收割機關鍵工作部件在各種不同工況下的扭矩和轉速，為聯合收割機動力傳動系統的優化設計提供數據支撐。

1載荷測試系統構建

1.1聯合收割機傳動部件

沃得飛龍型聯合收割機是雙橫軸流型全喂入聯合收割機，主要由割臺、傾斜輸送槽、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、風機、雙層清選篩及履帶式行走底盤等部件組成，所有部件的動力均由發動機提供。其傳動路線示意圖如圖1所示。

圖1　沃得飛龍型收割機傳動路線示意圖

飛龍型聯合收割機上的傳動主要是由鏈條、皮帶及軸完成。由發動機產生的動力一部分傳遞給HST，由HST將動力傳遞給變速箱，再由變速箱傳遞給底盤左右半軸，且左右半軸分別與聯合收割機左右履帶相連；發動機產生的另一部分動力由中間傳動軸傳出，中間傳動軸的動力一部分傳遞給第1脫粒滾筒軸和第2脫粒滾筒軸，再由第1脫粒滾筒軸傳遞給輸送槽，輸送槽主軸再將一部分動力傳遞給割臺(撥禾輪、攪龍、割刀)，中間軸的動力的另一部分直接傳遞給清選風機、水平輸糧攪龍及清選篩等。

1.2載荷測試部件

結合聯合收割機傳動系統的特征及可用于安裝傳感器的位置和空間有限的特點，本文選用中間傳動軸、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽、割臺傳動軸及底盤左右行走半軸等部件為關鍵傳動部件，來構建扭矩和轉速測試系統。

1.3扭矩與轉速無線測試方案

1.3.1底盤與割臺扭矩與轉速無線測試方案

沃得飛龍型聯合收割機行走底盤由左、右兩驅動半軸驅動，兩半軸在封閉的變速箱中且周圍結構較復雜。若采用傳統的軸式或盤式扭矩傳感器測量扭矩，則要同時改造驅動半軸和變速箱結構，并設計安裝相應的扭矩傳感器基座和軸端式集流環。沃得飛龍型聯合收割機割臺傳動軸的軸向尺寸短、徑向空間有限，接軸式、盤式扭矩傳感器難度大。為降低測試系統的復雜程度并避免使用集流環，本文基于無線測試技術，以DH-5905型無線遙測模塊為基礎，構建了聯合收割機底盤扭矩和轉速無線測試系統。該系統主要由霍爾傳感器、轉速采集模塊、電阻應變計、電源模塊、扭矩采集模塊、無線路由器、計算機及分析軟件組成，采用Wi-Fi無線通訊技術實現數據的無線傳輸。其總體結構如圖2所示。

圖2　行走底盤與割臺扭矩和轉速測試系統

1)扭矩與轉速無線測試系統所需儀器。扭矩與轉速無線測試系統由霍爾傳感器、轉速采集模塊、電阻應變計、電源模塊、扭矩采集模塊、無線路由器及計算機組成。

2)無線測試系統扭矩傳感器的標定。在底盤左右半軸光滑部位及割臺傳動軸軸表面進行貼片，采用半橋接線及密封處理。對扭矩傳感器進行靜態標定，標定前設計好標定試驗臺，在標定實驗臺上對底盤左右行走半軸、割臺傳動軸正反轉分別進行加載和卸載靜態標定，分別重復3組，隔2天再標定一次。對標定數據運用最小二乘法求比例系數，則

3)無線測試系統傳感器的安裝。在行走底盤左右半軸扭矩傳感器上用密封膠進行密封，以防止變速箱內的潤滑油浸泡損壞扭矩傳感器。將扭矩采集模塊和電源模塊固定在設計好的雙模塊安裝支架中。

在割臺傳動軸扭矩傳感器上用密封膠進行密封，并用膠布均勻地包裹著密封后的扭矩傳感器；然后，在膠布上貼上帶有雙面膠的隔震墊，隔震墊上安裝扭矩采集模塊和電源模塊，從而減少割臺振動對傳感器的影響。

綜合考慮安裝的空間、安裝難度及霍爾傳感器探頭與永久磁鋼的距離等因素，選取合適的位置安裝轉速傳感器支架，并在轉速傳感器支架上安裝霍爾轉速傳感器。

1.3.2其他部件扭矩與轉速有線測試方案

由于聯合收割機傳動結構復雜，可用于安裝傳感器的位置和空間有限，本文選用中間傳動軸、第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽等部件為關鍵傳動部件扭矩和轉速測試系統的測試對象。該測試系統總體結構如圖3所示。

圖3　其他關鍵傳動部件扭矩和轉速測試系統

1)有線測試系統所需儀器。其他關鍵傳動部件扭矩與轉速有線測試系統由4個扭矩傳感器、4個霍爾轉速傳感器、DH5902型數據采集系統及計算機組成。

扭矩傳感器根據式(2)初步計算出沃得飛龍型聯合收割機實際作業時各關鍵傳動部件的扭矩值和可能受到的最大沖擊扭矩，由此來選擇扭矩傳感器的量程，則

(2)

式中T—扭矩(N·m)；

P—功率(kW)；

n—轉速(r/min)。

其次，根據各個傳動部件的具體結構，來選擇使用軸式/盤式扭矩傳感器，并測量其傳動軸的扭矩。

扭矩傳感器的具體選型如下：①第1脫粒滾筒動力輸入端選用量程范圍為±1 000N·m的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；②第2脫粒滾筒動力輸入端選用量程范圍為±500N·m 的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；③傾斜輸送槽動力輸入端選用量程范圍為±500N·m的CYB-807S型盤式扭矩傳感器；④中間輸出軸選用量程范圍為±1 000 N·m 的CYB-803S型軸式扭矩傳感器。

2)有線測試系統傳感器的安裝。為測試飛龍聯合收割機各個工作部件的載荷，選取斷軸的方法在第1脫粒滾筒、第2脫粒滾筒、傾斜輸送槽、中間傳動軸上安裝扭矩傳感器和霍爾轉速傳感器，并進行扭矩和轉速的測量。按照裝配圖把重新改造設計的零件部件、4個扭矩傳感器和4個霍爾轉速傳感器安裝到聯合收割機上。安裝時，要注意調整扭矩傳感器基座的安裝位置確保其和傳動軸之間的同軸度要求，減少彎矩對扭矩測定值的影響。圖4～圖7分別是中間輸出軸、第1滾筒、第2滾筒和傾斜輸送槽的扭矩傳感器的安裝。

1.發動機動力輸出帶輪　2.中間輸出軸支撐軸承I

1.第1滾筒傳動軸I　2.第1滾筒傳感器連接法蘭I

1.第2滾筒傳動軸I　2.第2滾筒傳感器連接法蘭I

1.輸送槽傳動主軸I　2.輸送槽傳動帶輪

綜合考慮安裝的空間、安裝難度及霍爾傳感器探頭與永久磁鋼的距離等因素，選取合適的位置安裝轉速傳感器支架，并在轉速傳感器支架上安裝霍爾轉速傳感器。

2聯合收割機載荷測試試驗

為了得到聯合收割機在田間工作時的實時功耗數據，在2013年11月19日-11月22日開展為期3天的載荷測試試驗。載荷測試試驗分為田間試驗和底盤試驗。田間試驗包括載荷分布影響因素試驗和滿載荷試驗，對影響載荷分布的前進速度、留茬高度和糧箱負載進行田間對比試驗，分析每個影響因素對載荷分布的影響；在此基礎上，找出田間工作時載荷分布的極限工況，進行滿載荷試驗。底盤試驗主要研究不同典型路面、不同行駛坡度對底盤行走半軸載荷的影響。

2.1試驗物料

本次試驗采用鎮江地區水稻“鎮10”，物料基本特性如表1所示。

表1　水稻基本特性參數

2.2載荷影響因素試驗與分析

2.2.1載荷影響因素試驗

通過改變機器前進速度、留茬高度、糧箱負載，對機器載荷分布進行田間對比試驗，分析每個影響因素對機器扭矩和功耗的影響。聯合收割機在田間收獲時，各工作部件的載荷受聯合收割機前進速度、留茬高低、糧箱負載的影響。為測試影響聯合收割機載荷的主要因素，通過對飛龍聯合收割機在丹陽埤城西豐村沃得試驗田以“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”，“滿糧箱(1.1t)、半糧箱(0.62t)、空糧箱(0.14t)”，“低留茬(10cm)、中留茬(20cm)、高留茬(30cm)”的各種組合收獲的工況下進行扭矩和轉速采集并計算相應功耗；每組試驗重復3次，試驗結果取平均值。

2.2.2載荷影響因素試驗分析

在相同留茬高度和相同糧箱負載的情況下，在田間收獲時采用“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”3種不同前進速度進行載荷測試。不同前進速度下滾筒功耗變化趨勢如圖8所示。

圖8　不同前進速度的試驗結果曲線

在相同前進速度和糧箱負載相同的情況下，聯合收割機在田間收獲時對田間水稻以低茬(10mm)、中茬(20mm)、高茬(30mm)3種收獲工況時進行載荷測試。不同留茬高度下滾筒功耗變化趨勢如圖9所示。

圖9　不同留茬高度的試驗結果曲線

在相同前進速度和留茬高度的前提下，聯合收割機在田間收獲時對田間水稻以滿糧箱、半糧箱、空糧箱3種收獲工況時進行載荷測試。不同糧箱負載滾筒功耗變化趨勢如圖10所示。

圖10　不同糧箱負載的試驗結果曲線

在相同留茬高度和糧箱負載的情況下，隨著前進速度的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統功耗均逐漸增大；在相同前進速度和糧箱負載的情況下，隨著留茬高度的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統功耗均有先明顯減小后逐漸減小的趨勢；在相同的前進速度和相同的留茬高度下，隨著糧箱內糧食的增加，中間軸功耗、割臺輸送功耗、脫粒滾筒功耗和清選系統功耗變化不大，并沒有明顯的規律性。

2.3滿載荷試驗與分析

通過對聯合收割機在田間收獲時各工作部件在“慢速(0.45m/s)、中速(0.66m/s)、快速(0.98m/s)”，“滿糧箱(1.1t)、半糧箱(0.62t)、空糧箱(0.14t)”，“低留茬(10cm)、中留茬(20cm)、高留茬(30cm)”工況下的載荷測試可知：快速、低留茬、滿載收獲時所需的載荷最大。為此，在田間進行5次快速、低留茬、滿載收獲試驗，測試中間軸、割臺、輸送槽、第1滾筒、第2滾筒、清選系統正常收獲時的載荷。

飛龍聯合收割機田間滿負荷收獲時扭矩分布為：中間軸功耗范圍為169.3～195.5N·m，平均功耗為181.5N·m；割臺功耗范圍為50.9～60.2N·m，平均功耗為57.1N·m；輸送槽功耗范圍為84.4～100.1N·m，平均功耗為91.7N·m；第1滾筒功耗范圍為72.1～77.9N·m，平均功耗為75.1N·m；第2滾筒功耗范圍為126.3～165.7N·m，平均功耗為143.5N·m。

飛龍聯合收割機田間滿負荷收獲時的功耗分布為：中間軸功耗范圍為29.92～34.88kW，平均功耗為32.12kW；割臺功耗范圍為2.13～2.52kW，平均功耗為2.39kW；輸送槽功耗范圍為0.94～1.42kW，平均功耗為1.14kW；第1滾筒功耗范圍為6.04～6.53kW，平均功耗為6.29kW；第2滾筒功耗范圍為10.55～13.88kW，平均功耗為12.02kW；清選系統功耗范圍為8.88～12.01kW，平均功耗為10.28kW。

2.4底盤載荷試驗與分析

2.4.1底盤載荷試驗

為研究不同行走路面對聯合收割機底盤載荷的影響，對砂石路面、水泥路面、田間軟泥路面、干燥泥土路面的4種典型行走路面進行快速(1m/s)行走底盤載荷測試。為研究不同行走路面坡度對聯合收割機底盤載荷的影響，在沃得駐坡試驗臺進行了行走底盤載荷測試，試驗采取相同的驅動輪轉速(11rad/s)，其中沃得駐坡試驗臺分為A坡(11°)和B坡(13.5°)。

2.4.2底盤載荷試驗分析

在快速直行的工況下，不同行走路面狀況下聯合收割機底盤行走半軸的功耗如圖11所示，不同坡度下聯合收割機底盤行走半軸的功耗如圖12所示。

在快速直行的工況下，在田間軟泥路面上，聯合收割機底盤的扭矩和功耗最大；干燥泥土路面次之；聯合收割機在砂石路面上快速直行時，所受扭矩和功耗小于干燥泥土路，在水泥路面上扭矩和功耗最小。同時，存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現象。

在相同的驅動輪轉速下，隨著坡度的增加，驅動軸的扭矩和功耗隨之增加。同時，存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現象。

圖11　不同路面的試驗結果曲線

圖12　不同路面坡度的試驗結果曲線

3結論

1)設計了聯合收割機扭矩與轉速的載荷測試系統，該系統可以同時測量聯合收割機行走底盤和關鍵傳動部件的扭矩與轉速。

2)聯合收割機在快速、滿載、低留茬時工作部件功耗最大，在軟泥路面行駛時左右半軸功耗最大。

3)中間軸平均總功耗為32.12kW,存在著右半軸的功耗比左半軸略大的現象。

參考文獻：

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The Load Measurement and Analysis of Influencing Factors for Combine

Wang Rui， Li Yaoming， Tang Zhong， Li Youwei， Xu Lizhang

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to provide reasonable basis for the design of the crawler combine harvester’s transmission system and power distribution, the signal of load test is needed. In this paper, according to the whole structural characteristics of the combine harvester, the torque sensors, speed sensors and the data acquisition system are selected reasonably, the crawler combine harvester load test based on the prototype-WODE FEILONG is designed, the rice harvesting field test and half axle test is carried out, and the load of the prototype’s working parts at the limited conditions is acquired. The test results provide reasonable basis for the design of the crawler combine harvester’s transmission system and power distribution.

Key words：combine harvester; load; crawler; power distribution

文章編號：1003-188X(2016)04-0152-06

中圖分類號：S225. 2+2; TP391. 9

文獻標識碼：A

作者簡介：王瑞(1990-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，(E-mail)656683011@qq.com。通訊作者：李耀明(1959-)，男，江蘇張家港人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)ymli@ujs.edu.cn。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金項目(2013GB2C100171)

收稿日期：2015-03-30