鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監測系統的設計*

時謙，周亞賓，謝建華，趙維松,2，曹肆林,3，張新宇

(1.新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052；2.農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014；3.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000；4.華東師范大學軟件工程學院，上海市，200062)

0 引言

隨著殘膜回收機的使用和推廣，越來越多的殘膜回收作業采用殘膜回收機來完成[1]。現市面上較理想的殘膜回收機型主要是帶有鏈耙式拾膜機構和偏心滾筒式拾膜機構的機型[2-4]，其中鏈耙式殘膜回收機具有殘膜回收率高、作業效率高、對田間復雜的工作環境適應性好等優點，已經大量的生產并且投入使用[5-6]。鏈耙式殘膜回收機作業過程中，鏈耙式撿拾機構由于鏈節磨損或雙鏈結構受力不均勻引起跳齒現象時，駕駛員在駕駛室內無法直接監視其運行狀態，無法及時維修處理，導致鏈耙式撿拾機構等關鍵部件損壞，影響殘膜回收作業質量和作業效率。因此，設計一套高精度的收膜機運行狀態監測系統，系統通過對收膜機機械狀態進行檢測，反饋出收膜機存在的問題，利用上位機實時顯示當前殘膜回收機的運行狀態，并在出現故障時發出報警，提醒駕駛員下車維修，這對于避免機具嚴重損壞，保證田間作業質量，提高殘膜回收機的智能化水平具有實際意義。

目前國外對農機傳動故障監測系統進行了較多研究，英國RDS等公司生產的采棉機監測系統，主要監測機具的動力輸出軸轉速、作業面積和前進速度等參數，通過系統的GIS綜合功能，完成對采棉機作業過程的實時監測[7]。凱斯公司研制的農業收割機裝配的故障監測系統，通過監測收割機傳動系統的溫度、振動等信息，判斷收割機是否出現故障，顯示報警信號[8]。國內對農機傳動故障監測的研究起步較晚，但成果顯著，姚興林團隊研究了一種旋耕埋草刀輥轉速檢測裝置，該裝置利用轉速傳感器針對旋轉埋草刀輥主軸的轉速進行采集，實現了旋轉埋草刀輥主軸轉速大小的實時監測，李耀明團隊利用扭矩傳感器，無線通訊技術，設計了一套聯合收割機傳動系統主軸扭矩在線監測裝置[9]。

本文通過對鏈耙式殘膜回收機鏈耙撿拾機構轉動情況進行分析，設計一套鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性在線監測系統，在監測到跳齒故障發生時提醒駕駛員停車檢查，避免收膜鏈耙撿拾機構等關鍵部件損壞。

1 監測系統結構與工作原理

1.1 系統結構方案

鏈耙式殘膜回收機作業時，鏈耙式撿拾機構由于鏈節磨損或雙鏈結構受力不均勻導致雙鏈轉動不同步，引發跳齒現象，為了實時監測鏈耙式撿拾機構的轉動情況，設計了鏈耙式殘膜回收機雙鏈傳動同步性監測系統，該系統主要包括信號調理模塊、單片機模塊、HC-12信號無線傳送模塊及上位機故障監測軟件，監測系統結構框圖如圖1所示。電渦流傳感器獲取的傳感器探頭與彈齒軸之間距離的原始阻抗信號經信號調理模塊轉換為模擬電壓信號，模擬電壓信號接入單片機的A/D 轉換引腳，經單片機內部匯編程序判斷處理后，HC-12無線數據模塊發送故障信息編碼，由安裝在拖拉機駕駛室的上位機解碼讀取收膜機實時工況信息，并通過觸摸屏將報警信息顯示出來。

圖1 監測系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of monitoring system

1.2 監測原理

傳感器的安裝位置如圖2所示，根據電渦流傳感器測位移原理可知[10-12]，彈齒軸經過電渦流傳感器的感應端時，傳感器阻抗變化量

圖2 鏈耙撿拾機構與電渦流傳感器安裝位置Fig.2 Installation position of chain harrow pick-up mechanism and inductor sensor1.傳動軸 2.鏈輪 3.電渦流傳感器1 4.彈齒軸 5.彈齒 6.鏈條 7.電渦流傳感器2

(1)

式中：Z——傳感器感應到導體時阻抗值，Ω；

Z0——傳感器原有阻抗值，Ω；

M——互感系數，H；

R2——導體等效電阻，Ω；

L2——導體等效電感，H；

ω——線圈內部交流電頻率，Hz。

由式(1)知，彈齒軸在經過傳感器時，傳感器內部線圈阻抗發生變化，其變化量與互感系數M成二次函數關系。互感系數M與傳感器和彈齒軸間距d成反比關系，因此，阻抗變化量與間距d成反比關系，彈齒軸離開后，阻抗值恢復為初始狀態。通過實時采集阻抗信號，可以實現彈齒軸經過傳感器感應端過程的動態捕獲。單片機內部程序對所捕獲的阻抗脈沖信號進行處理，獲取相鄰2個峰值信號的時間間隔，該間隔即為相鄰彈齒軸轉動的時間間隔。間隔時間乘以鏈耙撿拾機構的轉速則是彈齒軸間距的計算值。將實際間距與計算值相比較，判斷是否發生跳齒現象。判斷條件為0.8d1.2d(跳齒)。

其中，Δt為相鄰彈齒軸轉動的時間間隔，s；v為鏈耙撿拾機構的轉速，m/s；d為彈齒軸實際間距，m。

2 監測系統硬件設計

監控系統硬件部分主要由單片機主控制器、電渦流傳感器、霍爾流傳感器、無線通信模塊和報警裝置等組成，整體系統硬件電路如圖3所示。

圖3 系統硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of system

2.1 單片機模塊

根據監控系統的功能及要求，需要完成雙鏈傳動同步性的在線監測。因此，單片機必須滿足脈沖計數等功能，本系統選用的是STC89C52單片機，其工作電壓為3.3～5.5 V，工作頻率：0～40 MHz，有32個通用I/O口。

2.2 電渦流傳感器

圖中所示可變電感L4即為電渦流傳感器，Q1、C1、C2、C3組成電容式三點振蕩器，產生頻率為1 MHz 左右的正弦載波信號，電渦流傳感器接在振蕩回路中作為振蕩回路的可變電感元件，可變電感阻抗值變化引發高頻率載波信號的幅值變化。D1、C4、L3、C5組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器，檢波器將振蕩器高頻載波信號的幅值變化轉換成電壓值V變化。V變化反映阻抗Z的變化。

2.3 霍爾傳感器

本系統選用NJK-5002C型霍爾傳感器采集殘膜回收機動力軸轉速信號，霍爾傳感器檢測距離可達10 mm，輸出開關型脈沖信號，霍爾傳感器輸出的電壓脈沖信號不能直接連接單片機計數器，為防止單片機損壞，需經過光耦合器阻斷傳感器與單片機的聯系后接入計數器引腳。其中光電耦合器型號為TLP521，其結構簡單，數據傳輸速率可以達到1 MHz。單片機開啟計數器計算脈沖個數，并通過內部匯編程序，計算出動力軸轉速。

2.4 無線通信模塊

系統選用HC-12模塊來實現數據無線傳輸，HC-12 無線通信模塊內置STM8S003F3U6 MCU和SI4438射頻收發器。外圍元件較少，具有傳輸距離遠、信號連接穩定的特點，可過UART接口實現與STC89C52半雙工連接。

3 系統軟件設計

本監測系統的軟件包括兩部分:下位機硬件驅動程序和上位機程序。下位機程序主要用于收膜機作業狀況判斷，并將狀態信息發送給上位機；上位機程序采用圖形化界面，顯示收膜機鏈耙撿拾機構的工作狀況。

3.1 系統硬件驅動程序

系統硬件驅動程序流程圖如圖4所示。系統工作前，先對下位機系統進行初始化設置。完成對系統工作模塊、相關寄存器和I/O口的初始化設置。初始化之后，電渦流傳感器通過外部中斷引腳向單片機發送工況信息，在接收到外部中斷的觸發信號后，進入中斷程序開啟定時器T0，并在下一次進入中斷時讀取時間值Δt、并將定時器T0清零重新計時，此時的定時值Δt可視為相鄰2彈齒桿轉動的時間間隔；并根據霍爾傳感器計算的速度值，判斷收膜機鏈耙撿拾機構是否發生跳齒故障，并發出聲光報警。

圖4 系統硬件驅動程序流程圖Fig.4 Flow chart of system hardware driver

3.2 上位機軟件系統

軟件系統程序由Visual Basic 6.0語言編寫，主要實現鏈耙撿拾機構工況顯示和故障報警功能，系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖Fig.5 Flow chart of system software

通過對監測系統彈齒桿間距的輸入，可改變微控制器內部對彈齒軸間距閾值的設定，實現傳感器對不同型號殘膜回收機收膜鏈耙同步性的監測，且保證監測精度滿足監測要求。系統工作前，先對上位機軟件進行初始化設置。其初始化主要是針對無線收發模塊和故障顯示程序，HC-12模塊完成初始化和發送設定的間距后，以100 Hz頻率向下位機發送機具運行狀態請求，接收到下位機發送的監測數據后，根據其解碼分析在客戶端作出相應的數據顯示。上位機客戶端主要分為通信及故障顯示模塊和報警記錄模塊。

3.2.1 通信及故障顯示系統

打開鏈耙式殘膜回收機雙鏈傳動同步性監測系統軟件首先進入通信及故障顯示界面，上位機不停地接收下位機發送的幀數據，并按照通訊協議對幀數據格式進行解碼分析，故障狀況監測模塊用于接收來自下位機幀數據流發送的“0”“1”“2”數據，實現“0”表示正常，“1”表示預警，“2”表示報警的故障狀況監測設計，故障狀況監測顯示采用指示燈來提示駕駛員機具作業工況信息，并通過設置的蜂鳴器進行聲音提示。并且在指示燈下方顯示故障類型，放便駕駛員及時觀察故障發生位置。通訊與故障顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機通訊與故障顯示界面Fig.6 Communication and fault display interface of upper computer

3.2.2 報警記錄系統

在報警記錄界面中，可將故障發生類型、故障發生時間等數據存儲在Access數據庫中，實現機具作業信息的本地存儲和管理,且在人工采集的數據上進行增、刪、改、查等操作，不斷完善采集的數據。方便用戶觀察收膜機的工況信息，同時也方便科研人員對機具結構進行優化改進，報警記錄界面如圖7所示。

圖7 報警記錄系統界面Fig.7 Interface of alarm recording system

4 系統監測精度試驗

4.1 室內試驗

為了驗證監測系統性能，將監測系統安裝在鏈耙式殘膜回收機上進行監測精度試驗驗證，本次試驗在新疆農業大學實驗室進行。

雙鏈傳動同步性監測試驗在室內采取人為制造跳齒故障的方式進行，無需完全啟動殘膜回收機，只需啟動鏈耙撿拾機構轉動，將電渦流傳感器按照設計安裝于鏈耙式殘膜回收機的機架上。故障發生時，鏈耙撿拾機構兩側鏈輪轉動的角度不一致，導致鏈耙撿拾機構的彈齒軸傾斜，現將鏈耙撿拾機構的任意一根彈齒桿傾斜固定，模擬發生跳齒現象。鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min，與實際田間作業時轉速相等，啟動鏈耙撿拾機構進行跳齒故障監測精度試驗，模擬跳齒故障發生次數分別是20，25，30，35，40，同時觀察監控系統顯示面板上的報警數字，每次試驗的數據如表1所示。

表1 跳齒監測精度試驗數據Tab.1 Experiment data of jumping gear monitoring accuracy

從表1可知，在室內模擬試驗時，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監測準確率達96%以上，能有效對收膜機鏈耙撿拾機構同步性進行監測。

4.2 田間試驗

田間試驗于2020年10月在新疆石河子試驗田內進行，將故障監測系統裝配于4CMJ-2.0鏈耙式殘膜回收機上，進行監控系統的跳齒故障監測試驗。試驗中收膜機前進速度取8 km/h，鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min，在長500 m的田間進行收膜多次重復試驗，同時觀察報警裝置。當報警提示出現跳齒時，停車檢查是否發生了跳齒。通過分析報警次數和實際跳齒故障次數可知，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監測準確率達95%以上，能有效對收膜機鏈耙撿拾機構同步性進行監測。

5 結論

1)設計一種基于電渦流傳感器的鏈耙式殘膜回收機跳齒故障監測系統，該系統下位機采用電渦流傳感器和霍爾傳感器獲取鏈耙撿拾機構轉動和動力軸的轉速信息，判斷收膜機運行狀態(正常、跳齒)并通過HC-12無線模塊將狀態信息傳輸至人機交互界面顯示，實現4CMJ-2.0鏈耙式殘膜回收機作業過程的實時監測。

2)對監測系統進行室內試驗和田間試驗，室內試驗表明，鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性監測系統能夠對鏈耙撿拾機構跳齒情況進行監測，跳齒監測準確率在96%以上；田間試驗表明，在收膜機前進速度取8 km/h，鏈耙撿拾機構轉速取168 r/min時，跳齒監測準確率為95%以上。能夠對鏈耙撿拾機構雙鏈傳動同步性進行有效的監測，避免故障惡化損壞鏈耙撿拾機構，提高作業可靠性。