聯合收獲機谷物狀態監測裝置采樣盒及其減振器

練 毅， 龔少軍， 孫美艷

(江蘇航運職業技術學院 交通工程學院， 江蘇 南通 226010)

引言

聯合收獲機的作業性能包括損失率、含雜率和破碎率，在收割過程中需合理設置割臺、脫分、清選及行走等子系統作業參數，使3個作業性能處于國家標準范圍內。國內外學者在聯合收獲機結構優化、作業性能監測以及作業參數控制領域做了大量研究，取得了不少成果。CHEN Jin，LIANG Zhengwei和MIU P I等[1-6]建立了脫分和清選損失模型并完成了試驗驗證，OMID M和GEERT C[7-10]研究了清選系統自動化控制方法，降低了清選損失率，李耀明和徐立章等[11-16]研制了短紋桿-板齒和脫粒-分離雙滾筒等新型脫分裝置，在田間試驗中論證了裝置的作業性能。目前，國內外學者對損失率監測裝置的研究較多，尚欠缺對含雜率破碎率實時監測裝置的研究。

在田間試驗中，一般要人工從糧箱采集谷物樣本獲取含雜率和破碎率，效率較低。本研究設計一種聯合收獲機谷物狀態監測采樣裝置，實時采集糧箱絞龍出糧口的流動谷物樣本，利用阻流閥周期性采樣-卸樣供相機采集圖像，并采用被動減振技術設計采樣裝置減振器，建立減振器動力學模型，運用動力學分析軟件ADAMS建立虛擬樣機對模型求解，在后處理模塊中分析減振效果，實現振動的快速衰減，并通過田間試驗采集圖像的清晰度與含雜率、破碎率處理結果，對比驗證該裝置的可行性。

1 采樣裝置及減振器的結構

1.1 采樣裝置的安裝和工作特點

采樣裝置安裝在糧箱內部攪龍出糧口下部，安裝位置如圖1所示。

圖1 采樣裝置安裝位置Fig.1 Installation position of sampling device

攪龍出糧口有以下幾個特點：

(1) 收割過程中，谷物從出糧口連續流出，具有一定初速度，且流量較大，對采樣裝置有沖擊作用；

(2) 攪龍葉片高速旋轉產生振動，振動模態較復雜；

(3) 由于田間地形不平整，聯合收獲機在行進中會產生顛簸、俯仰等角位移，傳遞到糧箱出糧口會被放大。

相應地，采樣裝置須考慮其內置工業相機的田間工作情況，在結構上采取措施以保證相機的圖像采集質量。

1.2 采樣裝置結構設計

采樣裝置結構如圖2所示，1為入糧口，谷物從入糧口進入采樣裝置。工業相機2安裝在采樣裝置支架上，工業相機和亞克力視窗5的距離由焦距確定。電磁鐵固定在支架3下，和阻流閥4相連，當電磁鐵通電的時候，阻流閥被拉至采樣位置，谷物在采樣裝置內部聚集，相機完成一次采樣后電磁鐵斷電，電磁鐵的復位彈簧將阻流閥彈回，盒內谷物流出，完成一個采樣周期。該采樣裝置在實際使用中有以下幾個優點：

(1) 利用電磁鐵完成采樣動作 為避免引入新的振源，采用電磁鐵、彈簧和阻流閥完成采樣動作，而不是使用電機來完成。

(2) 安裝輔助光源較為方便 由于采樣裝置安裝在糧箱內部，工作時外加防塵罩，相機處于封閉狀態，輔助光源固定在防塵罩內壁上即可。

1.入糧口 2.工業相機 3.電磁鐵支架4.阻流閥 5.亞克力視窗圖2 采樣裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of sampling device

1.3 減振裝置結構設計

動載體視頻圖像模糊研究分為慣性穩像、電子穩像、光學穩像、被動隔振、振動主動控制技術等，其中被動隔振可靠性高，無需能源，結構簡單，經濟實用[17-18]。光電平臺與載體相聯各點的振動相位與振幅不一致時，光學視軸發生角位移，對光學成像質量會造成影響。因此，在進行系統設計時盡可能地控制載體傳來的角位移，并應排除平臺座架基體的線振動轉為角位移的可能性[19-20]。本研究設計了一種減振結構，部件1為糧箱內部的出糧攪龍，在固定支架下部設置3根金屬螺旋彈簧，將采樣裝置懸掛在支架下方，如圖3所示。減振器及其工作環境有以下幾個特點：

(1) 工作環境振型較復雜 聯合收割機行進過程中由于地面不平整，加上深泥腳影響，產生空間線位移和角位移及加速度；另外，柴油機和大型回轉件的振動，以及谷物流入時的沖擊都會產生振動；

(2) 懸掛彈簧減振設計 采用懸掛彈簧減振方式，而不是支撐彈簧減振，減少高頻振動傳遞；

(3) 擺桿設計 擺桿能抑制聯合收獲機糧箱內出糧攪龍傳遞給采樣裝置的三向角位移。

1.出糧攪龍 2.固定支架 3.連桿 4.擺桿 5.采樣裝置圖3 減振裝置結構圖Fig.3 Structural drawing of shock absorber

2 采樣及減振裝置動力學模型

2.1 采樣裝置動力學模型

采樣裝置中電磁鐵提供拉力F，應保證F大于阻流閥受到的摩擦阻力f，即F>f。阻流閥受到的摩擦阻力f來源于采樣裝置與谷物，設兩者與阻流閥的摩擦系數分別為uz，ug：

f=uzmzg+ugmgg

(1)

式中，mz—— 阻流閥質量

mg—— 阻流閥上堆積的最大谷物質量

g—— 重力加速度

同樣，采樣完成后電磁閥上的彈簧回彈力F′也應該大于f。

所以，采樣裝置應該滿足以下兩個條件：

(2)

應該注意到，電磁力和彈簧推力是變化的，而阻流閥上受到的摩擦阻力f也是變化的，在選擇電磁閥參數的時候應予以考慮。

2.2 減振裝置動力學模型

為建立采樣裝置彈簧減振系統的動力學分析模型，以分析在減振與無減振兩種情況下的差異，引入以下幾個基本假設：

(1) 將大地坐標系作為慣性坐標系；

(2) 采樣裝置視為剛體，其運動為沿x，y，z3個方向的平動和繞上述3個方向的轉動；

(3) 不計彈簧和阻尼器的質量，且彈簧為線性彈簧，力和位移成正比，阻尼器為黏性阻尼器，不計谷物流入采樣裝置時的沖量。

(4) 不計摩擦。

1) 采樣裝置動能

設懸掛部件(包括采樣裝置、阻流閥和電磁鐵)總質量為m，廣義坐標為懸掛質量的3個方向質心平動xp，yp，zp，以及3個方向的角位移α，β，γ。在質心坐標系OXYZ中，其慣性橢球張量為：

則采樣裝置動能Ev為：

(3)

2) 采樣裝置勢能

采樣裝置的勢能包括螺旋彈簧變形儲存的彈性勢能及其重心在豎直方向的變化儲存的重力勢能。

裝置共使用3個彈簧，對第r個彈簧進行分析，設其與采樣裝置連接點坐標為(Xr,Yr,Zr)，根據剛體動力學可知，采樣裝置上的坐標(Xr,Yr,Zr)相對于坐標原點(即大地)的位移可以分解為3個分量，用xr，yr和zr表示：

(4)

式中，xp，yp，zp—— 采樣裝置在坐標系中的線位移

xc，yc，zc—— 出糧攪龍在坐標系中的線位移

α，β，γ—— 采樣裝置角位移

以采樣裝置靜平衡時的勢能為參考，那么彈簧在運動中彈性勢能為：

(5)

式中，kx,ky,kz—— 3個方向的彈性系數

則總勢能Ep為：

(6)

3) 約束條件

采樣裝置受到擺桿機構的約束，在沿著X和Y方向小幅運動時將引起質心在Z方向的位移，其大小為：

zp(xp,yp)=

(7)

由于采樣裝置擺動幅度較小，可以作如下假設：

(8)

那么，式(7)可以寫為：

(9)

約束方程可以寫成如下形式：

+zc-zp(xp,yp)=0

(10)

其中，l為擺桿長度。該約束只是限制了質點的幾何位置，為完整約束。

該系統為帶約束條件保守系統，可以在多體動力學分析軟件ADAMS中建立虛擬樣機模型并求解[21]。

3 減振裝置虛擬樣機仿真

3.1 虛擬樣機模型

衡量結構減振能力的主要指標是動剛度和傳導率[22]，本研究從角速度傳導率的角度分析系統的減振效果。建立虛擬樣機模型，模型中采樣裝置質量為2.011 kg，阻流閥質量為0.364 kg，螺旋彈簧剛度為6.9 N/mm，阻尼為0.3 N·s/mm，每一個螺旋彈簧預加8 N的拉力，模擬初始時彈簧張緊狀態，如圖4所示。

圖4 虛擬樣機模型Fig.4 Virtual prototype model

3.2 顛簸振動應激和衰減分析

為模擬聯合收獲機前進過程中左右顛簸振動效果，給出糧攪龍加一個轉動“motion”，運動函數如下：

if(time-0.1:1*time,0.1,if(time-0.4:0.1,

0.1,if(time-0.5:-1*time+0.5,0,0)))

該函數產生一個沿著出糧攪龍軸向，歷時0.5 s，幅度約為5.7°的顛簸振動，轉動角速度如圖5所示。

圖5 出糧攪龍單側顛簸振動Fig.5 Single side bumping vibration of grain delivery auger

1) 沒有減振器情況下采樣裝置應激振動效果

去除連桿和擺桿，僅使用彈簧將采樣裝置懸掛在出糧攪龍上。一次顛簸振動激勵后，在出糧攪龍軸向(Y方向)，采樣裝置的應激角速度如圖6a所示。在開始的0.5 s內，采樣裝置跟隨顛簸激勵完成一次單側振動，即采樣裝置向一側擺動后回到原始位置。在以后的4.5 s，采樣裝置振動雖有衰減，但衰減幅度不大，其角速度幅值在2～2.5 (°)/s之間，如圖6b所示。在該角速度影響下，采樣裝置顛簸振動幅度不能快速衰減，會一直影響圖像采集效果。

圖6 無減振時采樣裝置軸向應激振動角速度時域圖Fig.6 Time domain diagram of axial stress vibration angular velocity of sampling device without damping

X方向(前后俯仰方向)和Z方向(豎直旋轉方向)雖然沒有激勵源，但是在擾動之后還是產生了角速度，如圖7a和圖7b。

3個方向上的角速度累積產生經久難衰的角位移，對采樣裝置的拍攝效果產生不利影響。

2) 有減振器時采樣裝置應激振動效果

安裝減振連桿和擺桿后，在Y方向上采樣裝置的應激角速度如圖8a所示。在開始的0.5 s內，采樣裝置跟隨激勵完成一次單側顛簸振動；在以后的4.5 s，采樣裝置在Y方向的角速度立即被抑制，角速度幅度峰值為2.8e-10 (°)/s，如圖8b所示。

圖8 有減振時采樣裝置顛簸應激振動角速度時域圖Fig.8 Time domain diagram of vibration angular velocity of sampling device under turbulence stress with damping

采樣裝置在X方向(前后俯仰方向)和Z方向(豎直旋轉方向)的角速度得到了有效的抑制，角速度幅度的峰值分別為1.9e-9 (°)/s和2.4e-9 (°)/s，如圖9a和圖9b所示。

圖9 有減振時采樣裝置X和Z方向振動角速度時域圖Fig.9 Time domain diagram of vibration angular velocity in X and Z directions of sampling device with vibration reduction

3.3 俯仰振動應激和衰減分析

同樣地，聯合收獲機在田間遇到前后俯仰振動時，產生的角位移傳遞給采樣裝置，也會影響圖像采集效果。在虛擬樣機中使用上節函數“motion”生成出糧攪龍的俯仰運動，分析采樣裝置在X方向，即俯仰方向的應激振動，如圖10所示。可以看到，和Y方向類似，有減振器時俯仰振動得到了快速的衰減。

圖10 采樣裝置俯仰振動角速度時域圖Fig.10 Time domain diagram of pitching vibration angular velocity of sampling device

聯合收獲機作業過程中一般不會產生在Z方向上的角位移，因此不探討Z方向的減振效果。

4 采樣試驗

將工業相機固定在采樣裝置內部，將采樣裝置安裝在某型聯合收獲機糧箱出糧攪龍下方，在蘇州吳江某水稻試驗田進行田間試驗，采樣試驗環境如圖11a所示，試驗地作物屬性見表1。在田間尋找一個X方向的小坡，聯合收獲機在經過小坡后會產生沿著X方向的俯仰振動，在經過小坡1 s之后進行圖像采集和處理，分析有減振器和無減振器情況下獲取的圖像，如圖11b和圖11c所示。重復試驗5次，圖像處理結果見表2。

表1 水稻收割試驗條件Tab.1 Experimental conditions of rice harvesting

從表2中可以看到，在有減振器條件下，破碎率監測結果精度提升了13.7%，監測精度達到了81.3%；含雜率監測結果精度提升了33.6%， 監測精度達到了86.0%。從有無減振器下工業相機拍攝的圖像可以明顯看出，無減振器時拍攝的圖像中籽粒和雜質邊緣模糊，給圖像分割造成了困難， 導致了處理精度的下降；有減振器時拍攝的圖像中籽粒和雜質邊緣清晰，較易實現圖像分割，處理結果精度較好。所設計的聯合收獲機谷物狀態監測采樣裝置及其減振器提供了更穩定更可靠的圖像采集平臺，使得監測精度大大提升。

表2 有/無減振器下田間試驗圖像處理結果對比Tab.2 Comparison of results of field test image processing with or without shock absorbers

5 結論

(1) 設計了聯合收獲機谷物狀態監測采樣裝置及其減振器，在作業過程中實現了對糧箱內流動谷物的實時采樣，通過理論建模、軟件仿真和田間試驗，對比了有/無減振器情況下“出糧攪龍-采樣裝置”振動傳遞效果，驗證了采樣裝置及其減振器的可行性；

(2) 田間實驗結果表明，聯合收獲機谷物狀態監測采樣裝置抓取了清晰的糧箱谷物狀態監測圖像；實時圖像處理結果顯示，有減振器時破碎率監測結果精度提升了13.7%，監測精度達到了81.3%；含雜率監測結果精度提升了33.6%，監測精度達到了86.0%；

(3) 所設計的聯合收獲機谷物狀態監測采樣裝置及其減振器，為聯合收獲機作業性能監測提供了穩定可靠的圖像采集結構平臺，未來應重點關注圖像處理算法，以進一步提高含雜率破碎率的監測精度。