飼料收獲機發動機過載自適應調整裝置及方法

李雷霞， 赫志飛， 張小偉， 姜貴川， 李春友

（中機美諾科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著科技和經濟的雙重發展，人們對物質生活的品質要求不斷提高，對肉類和奶制品的需求量越來越大，無疑加速了畜牧產業的發展。伴隨著畜牧產業的發展，用戶對飼料收獲機在功能、可靠性、作業效率等方面的要求也越來越嚴格，這就使得收獲機在設計研發過程中，除要提高關鍵零部件可靠性和整機質量外，還需要考慮降低駕駛員的勞動強度和提高收獲機作業效率[1]。發動機過載自適應系統可一鍵操作實現作業速度控制，減少駕駛員的勞動強度，可以降低作業過程中因過載造成工作部件堵塞而停機的情況，減少機器故障，從而提高作業效率。

1 研究必要性

我國是農業大國，農業機械裝備自動化和智能化是實現我國農業現代化的前提和根本。而青貯飼料收獲季節較短，過早、過晚收獲都會造成飼料營養的損失，用戶對收獲機的工作性能和作業效率提出更高的要求[2]。設計人員在新產品設計中，需要以現代設計理論和方法為指導，以知識為依托，以人工智能技術為實現手段，以設計自動化為目的，實現產品設計的定制化、自動化、智能化和網絡化，同時提升收獲機信息收集、智能決策和精準作業能力，促進我國由農機制造大國向農機制造強國轉變，滿足用戶日益提高的需求[3-4]。

隨著國內畜牧業的逐步發展，青飼料的種植面積也隨之增加，如何在有限的時間內高效率收獲青飼料是用戶需要面對的一個大問題，所以，駕駛員在收獲作業時，為提高收獲效率，經常增加收獲幅寬或提高作業速度，從而引起發動機超負載作業，這樣會減少發動機和其他主要工作部件的使用壽命；而發動機超負載作業也會使發動機轉速下降，從而使工作部件的轉速也下降，對有些工作部件會發生堵塞，造成收獲機停機。另外，收獲中作物的產量會有變化，如果收獲時碰上產量高的地況或收獲時碰上堵塞超負載的情況，發動機也會因超負載而熄火。而現有收獲機一般沒有發動機過載自適應調整裝置，駕駛員如能熟練操作時，收獲效率會高些，而不熟練則收獲效率低，收獲時因過載堵塞則會耽誤大量時間。

針對上述問題，飼料收獲機作業時，因其具有工況相對復雜、連續作業時間長、負荷大及作業故障率高等特點，迫切需要設計一種發動機過載自適應控制系統，使收獲機在作業時，根據負載變化，實時調整工作狀態，實現作業過程中負載自適應[5-8]。實現有效減少駕駛員勞動強度，提高收獲機的自適應技術，提高收獲機作業效率，同時對于提高我國農業現代化和農業機械的智能化都有積極的促進作用。

2 系統結構與工作原理

2.1 整體結構

目前，我國大中型農場使用的主要為不分行收獲的自走式飼料收獲機，在田間可一次性完成對作物的收割、切碎、揉搓和拋送裝車等作業[9]。飼料收獲機發動機過載自適應系統的整體結構由發動機、行走泵電磁閥、控制器、啟動按鍵、操縱手柄和顯示器等組成，如圖1 所示。

圖1 過載自適應系統整體結構Fig.1 Overall structural of overload adaptive system

發動機為收獲機提供行走和工作動力，可以通過膠帶或齒輪箱體輸出到行走或工作部件，現有收獲機都普遍使用“國Ⅲ”“國Ⅳ”發動機。發動機具有ECU 控制單元，主要參數可以通過CAN 總線實時傳輸給顯示器[10]。行走泵電磁閥安裝在行走泵上，自適應一鍵啟動按鍵安裝在操縱手柄上，操縱手柄、顯示器及控制器安裝在駕駛室內。控制器與操縱手柄、顯示器和行走泵電磁閥相連，控制器可以接收來自操縱手柄的電壓信號，通過信號可以判定收獲機的前進、停止（中位）和倒車狀態。操縱手柄設有中間位置，即中位，向控制器輸出一固定的電壓信號；操縱手柄從中位向前推動的時候，電壓信號會從小變大（或從大變小）地逐步變化，滿足操縱手柄越往前推，收獲機的前進行走速度越快；同樣，操縱手柄從中位向后推動的時候，電壓信號會從大變小（或從小變大）地逐步變化，滿足操縱手柄越往后推，收獲機的倒車速度越快。根據行走泵的要求，一般是前進和倒車時，控制器分別輸出電流，通過不同的電流大小改變行走泵的排量，從而改變收獲機的速度；輸出的電流值越大，前進或倒車的速度就越快，從而實現收獲機的前進、倒車，以及速度的快慢。一般飼料收獲機在正常作業過程中，發動機轉速保持在額定轉速上下浮動，負載百分比值保持在一定范圍內浮動。正常收獲作業中，轉速突然下降，能反映出發動機過載；當負載百分比超過限值，表明發動機過載。發動機過載會引起工作部件堵塞而停機，從而耽誤農時。根據這一原理，將這兩個參數及收獲機行進方向一起作為發動機過載的判定條件，更為安全可靠。發動機過載自適應控制系統架構如圖2 所示。

圖2 控制系統總體架構Fig.2 Overall architecture of control system

2.2 工作原理

發動機主要參數通過CAN 總線顯示到顯示器上，特別是負載百分比值，是發動機實際輸出的扭矩與最大扭矩的比值，用戶可以實時看比值判斷發動機當前的負載狀態，通過調節整車前進速度使收獲機作業效率達到最佳[11]。如果發動機負載增大，可以減慢收獲機作業速度，有效防止收獲機收獲時因負載過大轉速急速下降造成切碎滾筒和拋送部件堵塞；如果負載變小，可以加快作業速度來提高作業效率[12]。所以駕駛員操作時，既要提高收獲效率，又注意收獲機堵塞或發動機熄火而耽誤農時，有時雖然發現發動機過載而降低作業速度時卻因操作慢也會產生堵塞。本研究的一鍵啟動發動機過載自適應控制系統，其核心單元控制器可以通過操作手柄的信號判定收獲機作業，同時通過CAN 總線數據傳輸檢測到發動機當前作業的轉速和負載百分比值，綜合考慮3 個條件來可靠判定發動機是否過載。在過載狀態下，控制器通過減少行走泵電磁閥的電流，來降低收獲機作業速度，即減少了收獲機作業中的喂入青飼料量，相應減少了負載，從而實現發動機過載的自適應調節，減少駕駛員頻繁操作手柄，減少手眼協作的疲憊緊張感，相對解放雙手，降低了操作勞動強度。

從發動機過載自適應系統的整體結構來看，顯示屏能實時查看發動機轉速和負載百分比值等參數，操縱手柄上有自適應按鍵，可實現一鍵啟動，實現控制器對發動機狀態檢測，及時預判發動機是否過載，并能通過對行走泵排量的控制，實現收獲機作業速度的快慢。自適應調節系統具有簡單、效率高和運動品質好的優點，但控制系統比較復雜，可靠性需要多次優化、多次試驗來應對作業的復雜工況[13-14]。

3 控制流程

飼料收獲機發動機過載自適應調整系統是一種精準農業的應用。顯示屏有工作界面，可實時顯示發動機負載百分比值、發動機轉速、機油壓力和冷卻液水溫等主要參數。自適應系統需要一輪輪試驗，不斷調節控制器的參數，還要結合控制對象的特性，因為液壓系統本身存在突出的非線性和不確定，對研究人員進行數據分析也有較大的困擾，需要有精確的數學模型和智能控制算法，分析和判定控制器的最優輸出[15]。

發動機過載自適應調整系統控制流程如圖3 所示，系統開機上電，顯示器點擊自適應調整界面進行系統參數設置，設置發動機負載百分比限值和發動機轉速限值；負載百分比限值及發動機轉速限值都是研究人員多年來在飼料收獲機試驗及作業中所積累的經驗值。一鍵模式不啟動時，駕駛員作業時執行手動操作，由操縱手柄控制收獲機的前進、停止、倒車，以及速度的快慢。一鍵模式啟動自適應模式，控制器判定機器前進、發動機負載百分比值≥限值和發動機轉速≤限值3 項條件，若同時滿足，控制器向行走泵電磁閥發出減少電流的指令，相當于減少收獲機作業速度，即減少了收獲機喂入量及發動機負載，此時控制器繼續判斷是否還同時滿足上述3 項條件，如仍同時滿足則繼續向行走泵電磁閥發出減少電流的指令，一直到不同時滿足上述3 項條件為止。當控制器不執行發動機過載自適應調整時，控制器不向行走泵電磁閥發出減少電流的指令，收獲機作業速度由操縱手柄控制。

圖3 過載自適應系統控制流程Fig.3 Control flow of overload adaptive system

在2022 年4 個月的田間試驗中，由于不同地況飼料作物的長勢密集程度及高度不同，收獲過程中的飼料喂入量是不一致的，駕駛員手動操作作業速度不能保持一致，如果長勢高或作物密集，瞬時的喂入量大，如果作業速度又快，發動機會過載，作業速度稍有操作不當就會導致工作部件轉動慢而堵塞，所以駕駛員操作需關注顯示器上發動機的實時參數，一旦發現過載就需要靈敏操作手柄降低作業速度，對駕駛員也提出更高的要求。發動機過載自適應調整系統可根據發動機負載性能及功率曲線，設定一致的工作參數限值，能一鍵啟動發動機自適應調整系統，能有效減少駕駛員頻繁操作，有效減少駕駛員的操縱強度，在較大程度上提高青貯飼料收獲機作業效率。

4 結束語

隨著國內畜牧業的發展壯大，青飼料的種植面積也隨之增加，使用收獲機進行作物的收獲越來越普遍，同時對收獲機在收獲效率、操作舒適度及可靠性方面都提出了更高要求。為減輕駕駛員作業強度，設計開發了收獲機發動機過載自適應調整系統，一鍵啟動模式控制，能有效減少駕駛員的工作量，降低了勞動強度，節約了因堵塞而耽誤的農時，提高飼料收獲機的作業效率，促進我國農業機械向舒適性、操作方便性及智能化方向發展。