農機傳動故障監測系統研究現狀及展望

馬瑋皓，周亞賓，張 衡，阿斯賀·熱合曼，謝建華

（新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊830052）

0 引言

傳動系統是農業機械的重要組成部分，隨著農業機械的不斷發展，以及各種大型農機的出現，農機傳動系統構造也越來越復雜。在農業機械作業過程中，傳動系統經常會發生故障，嚴重影響農機的作業效率和農機作業的穩定性[1]，例如：精量播種機傳動系統發生故障將導致漏種、漏播等現象，聯合收獲機傳動系統故障將導致喂入口堵塞現象，當故障發生時，由于缺乏相應的監測系統，基本上都是依靠駕駛員的經驗來處置，耗時耗力，嚴重影響農機的工作效率，嚴重時還會影響農田的耕種和搶收[2]。而且隨著經濟的發展和國家相關政策的調整，農村勞動力逐步流向二、三產業，農業勞力減少，人們對農業機械的依賴程度加深。實施農業機械故障智能監測系統，完成農機作業參數的智能監測，根據浮動的監測參數與設定的規范參數做出對照，監測農業機械各個機構的穩定運行狀態，實現故障的提前預警和自我調控[3]。對于提高農業機械的作業效率，減輕勞動強度，增長農業機械的工作壽命，加快我國農業機械的自動化、現代化、智能化進程，推動我國農業現代化發展有著深遠影響。

1 國內外研究現狀

1.1 國外農機傳動故障監測系統研究現狀

從18世紀初到19世紀初，歐美等發達國家的農業機械生產就己經開始進行，并且研制出了樣機。1920年起，美國大范圍推廣農業機械，隨后迅速普及到歐美，澳大利亞，蘇聯等國家。從2000年起，歐美許多國家已經全面實現農業機械化生產，與此同時農業機械采用計算機視覺技術、CAN總線技術、機電一體化技術、傳感器技術等現代技術，開始對農業機械各項作業參數進行監測，采取計算機輔助制造技術（CAD），計算機輔助實驗（CAT）等現代技術，確保了機械產品的可靠性、穩定性和安全性，農業機械逐步向智能化、自動化、現代化的方向發展[4]。

1.1.1 基于計算機視覺的傳動故障監測系統

在智能農業領域，研究人員采用機器視覺的辦法來進行農機作業過程的監測，機器視覺技術的核心是用計算機技術模擬人的視覺感官，然后對輸入圖像進行處理和分析，將圖像技術與計算機技術相結合。其監測方法可概括為：近距離固定攝影機，監測多個活動目標，該方法多用于農業機械傳動系統的實時故障監測。

JAGUAR800系列的收獲機采用德國CLAAS公司的CEBIS信息顯示裝置，該裝置對收獲機傳動系統進行動態數據采集、智能化調控和實時工況顯示，同時支持多個用戶同時在線的操控方案[5]，在遠程監控中心可以接收來自網絡系統的數據和影像，方便數據的處理和分析。西南大學的王海彬等人設計了的小型收割機作業信息監控系統，該系統由多用戶控制器、多通道數據處理器、顯示面板等模塊組成。系統可以實時顯示收割機傳動部件的作業狀況并與遠程控制中心進行通信[6]。

1.1.2 基于振動傳感器的傳動故障監測系統

農機傳動部件振動頻率過大，表明農機此時處在異常狀態，如收割機在即將堵塞時，伴隨著故障的發生，收割機作業的噪聲會變大，振動采集數據也會突然增大[7]，因此傳動系統的振動頻率是必要的監測參數。

紐荷蘭、凱斯等公司研制的農業收割機裝配了可靠性較高的故障監測系統，通過監測收割機傳動系統的溫度、振動等信息，監測收割機是否出現故障，顯示報警信號[8]。DEUCE技術的專家系統是由GE公司運輸部開發生產的，該系統把壓力、溫度、轉速等傳感器技術與DEUCE的振動信號處理技術結合起來，當前可以判斷出農業機械的油液噴發、氣閥變形等故障[9]。

1.1.3 基于扭矩/轉速傳感器的傳動故障監測系統

農業機械作業壞境惡劣，傳動系統轉軸的轉速/扭矩與農業機械的故障發生有著密切的關系，當轉軸的速度變大，扭矩隨即變大，當某個傳動軸的扭矩劇增、轉速劇減，且轉軸相應的發光二極管閃爍，報警器報警，則說明此轉軸出現故障，及時停機維護。若沒有對農機主要傳動軸的轉速/扭矩進行動態監測，發生故障時操作人員并未察覺，繼續工作將導致轉軸負荷劇增，超過轉軸承受的最大扭矩，從而使轉軸斷裂，影響農業機械作業，因此對農機各傳動軸轉速/扭矩監控有重要意義。

日本的半喂入式收割機配有液晶顯示器及監視器的操作臺[10]，操作員可清楚的了解機器的機油壓力、引擎水溫、傳動系統的轉速、脫谷尺寸、負載情況、燃油多少、行進速度、秸稈喂入量等狀況，它是農機上成功應用自動化技術和監測技術的典范。迪爾、荷蘭等公司的收割機上應用了電子駕駛、電子信息等系統[11]。這些系統主要監測機器的參數，如機油壓力和溫度、引擎轉速、燃油量、電壓等；同時控制機械作業時的性能參數，如引擎轉速、滑轉率、實時行進速度、傳動系統轉軸的轉速、工作時間及作業效率等。日本久保田收割機安裝了自動調控設備，該智能監測系統通過監測轉速大小是否合適、傳動系統是否堵塞實現故障的判斷，可以對農業設備的故障進行有效的監測。

1.2 國內農機傳動故障監測系統研究現狀

國內學者致力于基于轉速/扭矩傳感器的農機傳動故障監測系統的研究開發，并且不斷地在技術上取得突破，使監測的方法更加高效便捷、數據采集更加快速準確。

在扭矩監測領域，中國農業大學設計了一種基于CAN總線的聯合收割機脫粒滾筒測控系統，該系統由LM3S8962芯片構成各個檢測節點，Labview構成上位機監控系統，通過CAN總線協議完成各個下位機節點與上位機的相互通信，下位機可以動態處理各下位機節點所收集的數據，并由CAN總線技術發送給上位機，同時由上位機提供優質的人機交互界面。該系統操作簡便、靈活，實現了聯合收割機脫粒滾筒作業數據的采集與控制[12]。江蘇大學李耀明團隊設計了收割機轉動部件的轉速監測系統，當轉動部件轉速低于設定值的10%~30%時，監視報警裝置就會發出告警，目的是為了降低故障率，并且提高工作效率和工作質量[13]。八一農墾大學設計了一種新型轉軸低速報警監視裝置改善了國產收割機轉動軸低速報警監視裝置存在的問題。南京農業大學尹文慶、謝蓓等以CAN總線技術為基礎設計完成了收割機作業狀態的監測系統[14]。該系統能動態監視收割作業快慢、谷物損失、喂入量、攪龍和收割機脫粒滾筒的轉速等作業數據，同時還能完成各種數據的顯示及存儲。中國農業機械化科學研究院陳志、梁學修等采用CAN總線技術設計了一套在線監測收割機故障的系統[15]，通過在農業機械各監測點安裝傳感器，利用傳感器獲得各監測點的轉速信號、通過處理轉速信號來獲得油耗及損失量等信息，所有信號經過處理之后傳輸到終端控制器，使用控制器進行數據的保存。

2 存在的問題

（1）成果轉化率低。我國農業機械的現代化程度不高，農業機械智能操控系統的研究起步較晚。雖然參照國外系統模型研發了一些監測系統，但這些系統精度普遍不高且價格昂貴，不在普通用戶的承受能力內，這些系統大部分都在實驗階段，多用于科研實驗，難以普遍推廣應用。

（2）農業機械自身振動影響數據采集的精度。農業機械在工作過程中發動機振動以及地形等因素造成的機身振動都會對傳感器采集數據造成影響，農機故障監測系統多是采用轉速傳感器和扭矩傳感器，農機自身的振動必將對傳感器數據采集造成一定的影響，如何消除農機振動對傳感器采集數據的影響是農機故障智能監測需要考慮的重點。

（3）農機故障監測系統滯后效應。由于故障監測系統具有滯后效應，當監測到農機發生故障時，即使監測結果與實際一致，但由于監測系統滯后，導致無法避免故障的發生，因此要滿足故障報警功能的要求，控制系統需具備一定的故障預測能力，需在故障將要發生前發出報警指令。關鍵問題是如何建立有效的預測模型，基于我國目前農業機械自動化的水平，還不足以建立相關預測模型。

3 發展趨勢

（1）在今后的發展中，可以將汽車的監測技術應用在農機的監測系統上。例如，汽車故障的自我診斷系統，使用傳感器對主要機構進行實時監測，用ECU進行監測數據的處理，可以應用在引擎等主要機構的狀態監測領域。隨著農業機械復雜水平日益攀升，對故障監測的要求讓我們更加注重其實效性和精準性，所以將故障監測系統應用到農業機械方面，對農業機械故障監測有實際意義。

（2）隨著農機種類與結構的復雜程度增高，隨之出現的農機故障類型也逐漸增多。為了達到農業機械日趨復雜的監測要求，人們開始重視將各類監測技術綜合運用的監測方法。除了監測單個因素的故障以外，還興起了多種監測方法相結合的多因素監測方法。結合應用多樣化監測手段在故障發生時不但能采集轉速/扭矩信號，而且還能利用應力、位移、噪音和加速度等信息。多樣化的監測方式不僅可以取長補短，還能催生出故障監測的新方法。借此提高故障監測的可靠性，確保農業機械故障得到實時有效的處理。

4 結束語

針對我國農業機械故障智能監測系統的發展狀況，總結我國農業機械的不足，加強智能化監測系統理論知識的研究，重點要在作業過程監測、故障監測的報警調控方面做工作。充分利用我國科研機構人才和高校人才的優勢，不斷加強我國相關科研型企業的研發力度和創新能力；加強技術儲備和創新，同時也要結合國外農業機械監測技術經驗，根據我國國情，設計出符合我國農業作業環境的監測控制系統。