农业机械设备故障诊断与修复方法研究

农业机械设备故障诊断与修复方法研究

李 苗1， 贾 杰2*

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

摘要随着农业机械化水平的提高，大型的、结构复杂的农机类型逐渐进入人们的生产生活中来，农业机械的使用者也逐渐增多。尤其在农忙季节，在各项农业生产中，农业机械的利用率不断提高，各种各样的机械故障也随之而来。该文从分析农业机械设备在操作使用中常见的机械故障着手，分析其形成原因，介绍其诊断方法以及提出了对农机具的修复方法，以达到延长农机具的使用寿命的目的。

关键词农业机械；故障诊断；修复方法

中图分类号S232.8+5

基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号：2572015

基金项目CB31)；黑龙江省自然科学基金青年科学(编号：QC2014C043)。

作者简介李苗(1992-)，女，黑龙江哈尔滨人，本科生，专业：机械设计制造及其自动化。*

收稿日期2015-06-03

Research of Fault Diagnosis and Repair Method in Agricultural Mechanical Equipment

LI Miao1, JIA Jie2*(1. College of Mechanical and Electric Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; 2. College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040 )

AbstractWith the improvement of agricultural mechanization level, large, complex structure of agricultural machinery type gradually into the people's production and living, users of agricultural machinery also gradually increasing. Especially, the busy farming season in the agricultural production, the utilization of agricultural machinery are all growing, all kinds of mechanical failure followed. Based on the analysis of agricultural machinery equipment in common mechanical faults in the operation, analyzed its forming reason, introduced the diagnosis method and put forward the repair methods of agricultural machinery, in order to achieve the goal of extend the service life of agricultural machinery.

Key words Agricultural machine; Fault diagnosis; Repair method

1农业机械故障形成原因

1.1自然磨损农业机械在受到外界及自身各种无法避免的因素的影响时所产生的磨损。例如零部件的磨损、材料老化的问题，虽然至今还无法彻底解决也无法避免，但可以通过良好的保养方法对他们进行提前的预防和维护，避免故障的发生。

1.1.1曲轴与轴瓦的磨损。

(1)烧瓦。烧瓦现象一般是由于机油不足或机油变质而使轴与轴瓦之间产生剧烈摩擦，机械温度骤升，机油粘度特性减弱，轴与轴颈间不易形成强力油膜，最终导致烧瓦。造成此现象的原因很多，例如：农业机械不间断地进行高速运转；机油变质或机油严重不足；大修后曲轴轴颈与轴瓦之间的间隙不再符合技术标准；曲轴磨损破坏了曲轴轴颈表面的耐磨层；及冷启动操作不当等。

(2) 轴瓦合金脱落。当发动机没有按照使用规则正确使用时，轴颈与轴瓦间直接接触的表面发生剧烈摩擦，两接触表面上微观凸起处在交变应力作用下发生疲劳破坏产生裂纹，引起机油不断渗入裂纹所产生的液压作用使疲劳裂纹不断扩展，最终导致轴瓦合金的脱落。

(3) 轴瓦擦伤。轴瓦与轴颈两接触表面间的机油主要起润滑、冷却的作用。如果机油不足，则会严重削弱两摩擦表面间的冷却、润滑效果，因此轴瓦擦伤主要发生在轴瓦与轴颈之间的润滑油膜突然破裂的瞬间，此时轴瓦和轴颈之间由于润滑不足产生摩擦而划伤表面，形成沟槽等痕迹。

(4)轴瓦剧烈磨损。此现象主要发生在农业机械突然启动或突然加速而又缺油的瞬间，此时两表面间发生直接摩擦而没有任何机油和润滑油对其进行保护作用，因此导致轴瓦的剧烈磨损。

1.1.2活塞与气缸的磨损。

(1)机油不合技术要求导致气缸磨损。对于某种特定的农业机械而言，应该针对相应的季节以及相应的工作环境对其使用相应的符合技术要求的机油，不能只从节约成本的角度出发而使用低级别、低质量的润滑油。

(2)气缸与活塞的质量及其装配精度。工作人员在选择装配时也一定要对气缸和活塞环的产品质量和装配精度进行严格的考核，否则也同样会使气缸早期磨损。例如，气缸及其内部各零部件的制造加工精度和刚度、强度，对缸壁进行热处理工艺使之能够提高性能以至于满足各项技术要求，安装时各零件的位置精度等因素均可影响气缸和活塞环的耐磨性，降低气缸的使用寿命。

(3)低温下启动。在东北地区，农业机械设备长期处于低温环境下工作，机油具有极大的粘性，无法通过飞溅使润滑油甩到汽缸表面，因此就无法在气缸及活塞环表面形成润滑油膜，此时就极容易发生拉缸，粘缸的现象，使气缸过早磨损。如果在某种特殊的情况下不得不低温启动，又要防止此种现象的发生，最好在启动时采取预热措施。

(4)不洁空气进入气缸。 当遇到恶劣环境时，农业机械在田间运行就很容易将大量风沙卷入到机械内部的零部件中，这些杂质极容易损坏气缸及气门组件，由于轴承等的转动作用又会导致这些沙土进入到润滑油中，若杂质进入到润滑系统，则将会加速更多零部件的磨损[1]。

1.1.3振动。在机械的长期运转过程中，由于不停地受到振动的作用，使得利用摩擦力固定的紧固件逐渐发生松动现象，例如，螺纹连接的松动，联轴器的振动等。

1.1.4零件腐蚀。在农业机械中大部分的零部件都是有金属材料制成的，因此在使用过程中避免不了会产生金属零部件的腐蚀现象，例如金属的生锈就是一种常见的腐蚀现象。金属在干燥气体中生锈是金属零件与周围空气中的介质发生化学反应而引起的腐蚀现象，称为化学腐蚀。金属零件在潮湿空气或酸碱气体中生锈是由于金属零件与酸碱盐的水溶液发生了电化学反应而引起的腐蚀现象，称为电化学腐蚀。为了防止这样现象的发生，我们通常将金属零件的表面涂抹一层保护膜，例如油漆，防止金属零件直接与周围介质相接触。

1.1.5疲劳破坏。如图1、2所示，农业机械工作时，其内部的很多零件都是在交变循环的载荷作用下工作的，当交变应力和循环的次数超过零部件的疲劳极限时，零件表面就会产生裂纹或点蚀，然后逐渐扩大，直至零件发生断裂或剥落。例如，齿轮、滚动轴承表面金属因应力集中产生的麻点，轴类零件一直受到对称循环应力导致弯曲或折断。

图1　被磨损的齿轮1

图2　被磨损的齿轮2

1.1.6材料老化。当一台农业机械超过了额定使用期限后，机器的各个零部件都会因为工作时间过长而容易发生故障或降低了其工作效率，同时也会因为各零件之间的磨损越来越剧烈，因而降低了零件之间的配合精度。例如，轴类零件的磨损，油路阀门的堵塞等现象。

1.1.7阻塞。阻塞一般是由于油底壳过脏或由于机体内运行温度过高使合成冷却机油产生胶质而导致的，因此农业机械应在运行5万km左右时及时对油底壳进行清洗，同时还应时刻检查并提高机械设备的冷却性能。

1.1.8塑性变形。当机械零件所受到的外载荷作用超过了材料的屈服极限时，就会发生塑性变形。机械的零部件一旦发生了塑性变形，其形状和尺寸将永远不会再恢复原来的状态。例如，齿轮和传动轴发生塑性变形后，运转时都会发生剧烈的振动和噪声，严重时将使机械无法正常运行。

1.1.9热损坏。指机械零部件被烧焦和烧穿的现象。例如，离合器或制动器的摩擦件烧坏，引起离合器打滑或制动不良，导致机器无法正常运行。

1.1.10气候条件的影响。由于天气或者季节的影响，往往容易使农业机械出现故障，特别是在田间工作时，由于在地域或时间上的不便，使得机械无法得到及时的维修，容易造成比较大的经济损失。机器一经有故障发生，必然降低其工作效率，影响工作质量，耗油量升高，提高工作成本，严重时甚至还会有安全隐患。

1.2人为故障

1.2.1作业现场条件差。最为典型的现象例如，工作环境恶劣，风沙泥土多，施工场地崎岖不平。在这样的环境下工作，灰尘和泥土很容易进入零部件和润滑系统中，加速零部件的磨损，同时更容易堵塞油路，增加了故障发生的频率。

1.2.2劣质运行油料的影响。长期使用劣质油料，会明显降低农业机械的使用寿命，增大发生故障的概率。使用高质量的燃油，不仅减小发动机的磨损，而且可以避免油路的堵塞。使用优质的润滑油，可以增强润滑系统的润滑效果，减少因润滑而引起的故障。

1.2.3设计制造、维修质量及操作水平的影响。这类故障的主要原因取决于操作人员的技术素质，尽管由于人为而引发的故障是非正常的，但可以对其进行有效预防。

(1) 设计制造的影响。对一台农业机械的结构进行设计时，不仅要使其结构合理，还要使零件的强度满足要求，否则机械就会缩短其使用寿命。此外，对零部件的材料和加工工艺也有一定的要求。制造时，如果零件表面质量太低，或零件内部有裂纹，都会使零件提前损坏，进而导致机械发生故障。

(2) 维护质量的影响。机械使用一段时间，使用者就应对其进行检查维修，油路是否有堵塞现象，润滑系统是否有杂质进入，紧固件是否发生松动，各个零部件之间的配合是否满足精度要求等，这些都需要我们及时发现并解决，以免发生严重故障。

(3) 操作水平的影响。使用人员的违章操作会直接影响农业机械的使用寿命，例如，发动机的非正常启动，一台新机器没有经过正确的磨合阶段就直接投入到满载或超负荷作业中，或者在机械保存过程中，并没有按照所规定的技术要求进行正确操作，使机械内部零件提早腐蚀、老化，这些都是由于人为原因所造成的[2]。

2农业机械故障诊断方法

2.1振动诊断农业机械在工作运行过程中，其内部的轴承转动，机械运转时齿轮和叶片的转动等都会引起各种振动。在机械工作时，操作者便可以通过听振动的声音和频率来判断机械是否存在潜在故障，这种方法是目前为止应用最为广泛的农业机械故障的诊断技术，并且该技术不会干扰机械的正常工作，容易掌握和实施，简单易行。

2.2噪声监控农机设备在工作中由于各个部位受到不同的外力产生不同程度的振动，因此会产生频率不同的噪声，而机器正常运转时的噪声与发生故障时的噪声有较为明显的区别，操作者可以根据不同部位噪声的不同来分辨机械故障发生的位置。实际检测中，采用人工检测的方法对噪声产生部位以及噪声类型进行分析，人工检测就是用耳朵对从机器中发出的不同的噪声进行辨别，从而分析机械是否正常运行，并根据丰富的经验大概判断出机械故障发生的位置。同时也可以利用频谱分析仪器对噪声级别、噪声类型进行分析。

2.3油样分析伴随着农业机械在农忙时节运用频率的增加，农业机械出现故障的几率也不断提高。提取并分析机油和润滑油内杂质的组成成分，检测油液粘稠程度和污染等级等便可分析出机械当前的磨损情况，并查找出机械存在的潜在故障，及时排除隐患。

2.4红外测温机械运转时的摩擦使得温度升高，红外测温就是利用红外测温仪对这些变化的温度进行监测，进而检查机械各个部位的温度是否有异常。温度数据将会反应在计算机的终端上，如果出现机械某个部位温度急剧升高的现象，系统会因发生异常自动报警，工作人员需要及时准备相关维修设备并采取措施，尽量减少安全事故的发生，同时将对农机设备的损坏降低到最小，延长农业机械的使用寿命[3]。

2.5小波理论机械故障的振动信号一般都是复合信号，其中包括多个信号分量，而每一个信号分量又都具有一个单一的频率，这个频率一般都是由机械的频率所决定的。通过对小波理论的分析，证实在一定的情况下小波分解的频率范围是由离散信号的频率决定的。因此小波分析便成为了一种新颖的信号检测分析方法，这种方法可以更有效的实现对非平稳信号的分离。

2.6模糊神经网络由于机械结构复杂，故障特征及原因普遍存在模糊性和复杂性，以模糊数学的思想为基础，结合经验，建立机械故障的模糊诊断模型对故障及其特点进行分析，将故障的症状集进行分解，分别进行分析，再综合分析，这样可以为准确找到故障源提供一个正确有利的方向，减小盲目性，提高工作效率和可靠性。

2.7时频分析尽管傅里叶变换在信号的分析与处理中发挥着重要的作用，但是这种变换更侧重于整体性的变换，并不能表示出其中的某种分量发生在什么时候以及发生了怎样的变化。然而在农业机械设备发生故障时振动的信号都是不平稳的，此时的傅里叶变换就不再能准确的对故障进行诊断，时频分析便成为了一种有效的工具。因此引入了HHT来提取滚动轴承，齿轮和转子系统各类故障振动信号的特征。如图3、4根据对希尔伯特-黄变换时频熵方法的研究分析表明，齿轮在正常状态下传动时的振动信号的时频熵较大，而发生故障时振荡信号的时频熵则会降低[4]。

2.8蚁群算法蚁群算法是一种能够对机械故障进行快速高效的聚类诊断的方法，将蚁群算法与聚类方法相结合，建立机械故障的聚类模型，主要利用主元分析技术实现对特征信息的有效提取和识别。这种方法具有搜索结果准确、运算稳定的优点，但由于其运算规模较大，针对不同的情况应该选择合适的目标函数和迭代次数，进而提高算法的准确性。

2.9专家系统由于农业机械是一个多层次的复杂的系统，其内部结构的很多指标都是模糊的，无法直接量化处理，一惯的建立模型是有困难的，因此需要引入专家系统。所谓专家系统，即一个在知识库中存放着各种故障现象以及引起这些故障的原因和现象之间关系的程序系统，机械一旦发生故障，通过计算机接口输入故障现象，计算机按照知识库中存放的原理进行推理，从而判断出引起故障的原因，提高了对农业机械故障诊断的效率和准确性。

2.10支持向量机与神经网络相比，支持向量机克服了局部收敛的缺陷，有更好的泛化能力，可以保证找到的极值解便是最优解。在对农业机械总动力变化规律进行预测时，可以实现将变化规律抽象为某个复杂的泛函，再进一步转化为泛函的逼近问题，这样就可以获得支持向量机的回归模型。

2.11局部均值分解该诊断方法的引入能很好地自适应性处理非平稳信号，有效地提取有重要物理意义的瞬时频率分量，不会造成任何信息的流失。例如对滚动轴承的不同故障的识别，先对滚动轴承振动信号进行分解，再对其得到的一系列的PF分量进行络分析，从包络谱中提取特征幅值比输入到SVM分类器中进行识别。

图3　小波时频分布

图4　局域波时频分布

3农业机械故障修复方法

3.1金属扣合法金属扣合法利用波形键的塑性变形将铸件上的裂纹或断裂面的两边用扣合的机械方式连接起来以达到修复工件的目的。例如蒸汽机的机架、各种机床的床身等大型铸件都不易采用焊接的方法修复，因此采用金属扣合法更为合适。此外，这种方法还适用于要求不发生较大变形的铸件。

(1) 强固扣合工艺。用于壁厚8～40 mm的对强度要求不高的薄壁机件的修复。扣合前，需要按照合适的尺寸和形状在裂纹或断裂面的垂直方向上加工一个波形槽，将波形键逐片嵌入并对其进行铆击，波形键发生塑性变形而充分地充满整个波形槽的型腔，波形键的凸缘扣合在机件上，使断裂处稳固地联接在一起。

(2) 强密扣合工艺。他是在前一种方法的基础上改进完成的，需要在两波形键之间的裂纹或折断面的接合处钻2次缀缝栓孔，并使后一次的钻孔稍微切入已完成缀缝栓，缀缝栓最好用软质材料制成，这样易于铆紧可以更好地防止液体因受到压力而产生渗漏的现象。

(3) 优级扣合工艺。某些厚壁机件在工作运转时需要承受重载荷，若这类机件上产生裂纹，应使载荷尽量分布到更多远离裂纹或折断处的面积上，并用缀缝栓或波形键将加强件嵌入到裂纹或折断面的垂直方向上，以此对机件进行修复。

(4)热扣合工艺。若大型零件或重型设备有裂纹和折断面，将扣合件加热后冷却，在这一系列过程中会使元件产生收缩进而将有裂纹的机件锁紧。

3.2塑性变形修复法

(1)镦粗法。用来修复内外径磨损量较小的零件，一般是直径小于0.6 mm的用有色金属材料制成的圆柱形零件或套筒，利用外界施加的压力增加外径尺寸，进而补偿外径的磨损。

(2)挤压法。对筒形零件的内径进行修复时，零件上有些部位的尺寸是不需要有严格控制的，可以通过对这些部位施加压力的方法将此处材料挤压到受磨损处，以对其进行修复。

(3)扩胀法。对套筒形零件的外径磨损进行修复时，其原理类似于挤压法，但不同之处在于零件受到挤压向外进行扩胀，达到增大外形尺寸的目的，进而对磨损的部位进行补偿。

(4)压力校直法。各种轴类零件被广泛应用于农业机械中，他们的直线精度直接影响着一台机器的工作精度及使用寿命，然而这些零件在加工和运输过程中会由于某些原因产生弯曲变形，此时可以对零件施加压力校直轴类零件，消除零件的弯曲变形。

(5)砸击校直法。零件可能由于振动和外力作用产生弯曲，敲击零件上弯曲处低凹的部分，使零件弯曲部分的内应力得到了重新分布，金属材料发生塑性变形，使弯曲部分伸展变直。

(6)火焰校直法。用火焰加热零件弯曲处的最高点，该点处的表面层金属会迅速膨胀，被加热的金属会因膨胀受到挤压在高温下产生使实际体积缩小的塑性变形。当加热点处的金属一经冷却后，就会使得零件向相反方向弯曲。

3.3镶加零件法零件受到磨损无法正常工作后，在结构和强度允许的情况下可将磨损的部位去掉，用其他零件替代，使受损零件恢复正常的工作强度和精度。

3.4局部换修法农业机械运转过程中，各部位的受力和振动不同导致磨损不均匀，零件某部位受到严重磨损，而其他部位可能几乎未被磨损，在零件结构和强度允许的条件下，我们可以采用粘接、焊接等方法将新零件固定在磨损严重处，更换磨损零件部位[5]。

3.5发动机非正常磨损的预防措施

(1)农业机械启动前要严格按照使用规则对发动机进行检查，尽量采取多种预热措施，启动后应尽量根据要求在不同阶段注意相关事宜，发动机开始应先低速运行，待水温逐渐升高后再起步，继续升高一定温度时才适合加负载[1]。

(2)合理选用机油，推荐尽量使用多级润滑油，可适用于不同季节不同环境温度，热安定性较好，并且定期更换机油及机油滤清器，做好维护工作[6]。

(3)运行过程中时刻注意发动机的运行状态，并及时对其进行检测调整

4优化建议

4.1提高人的素质黑龙江省是全国农业生产所占比重最大的省份，因此农业机械化发展水平和速递很快[7]。大量的设备使用人员专业知识匮乏，因此需要提高工作人员的思想素质和业务水平，设计制造出零部件材料强度好，机构结构设计合理的农业机械设备，并且能够做到严格按照操作规程正确使用，维修人员能够切实地将维修工作重视起来，定期对机器进行全面检查，不断积累经验，对发生的故障采取合理有效的措施。

4.2强化润滑管理工作要求工作人员严格遵守机械保养规范保养机器，同时要有专业人员对保养结果进行检测验收，时刻掌握机械润滑系统的润滑情况，一旦发现问题及时采取措施，润滑系统对于一个机械系统来说尤为重要，因此做好润滑工作可以降低机械故障的发生率，延长其使用寿命。

4.3技术革新和改造只将目光停滞在已研制出的技术产品上是不科学的，在思考着如何保养维修农业机械的同时，更应该思考技术的革新和改造；在提出有效预防措施的同时，更应该从本质上改进机械的使用性能，研制出更高技术水平的机械产品，使其自身减少出现故障的概率。

5结论与展望

通过对农业机械故障的研究，分析了机械故障的形成原因，诊断方法以及修复方法，但仍然更加期盼在针对已有研究成果及其不足的基础上对农业机械故障的研究方法有一个新的进展。期望今后将更多地诊断方法在实际应用中逐渐融合，能够更精准地对发生的故障进行定位并及时获得诊断方法，将更多机械领域的诊断方法引入到农业机械中来，使目前诊断起来较有难度的问题在不久的将来迎刃而解。

参考文献

[1] 蔡正科,杨保成.发动机非正常磨损的机理探析[J].农机使用与维修，2005(4):18-19.

[2] 曾凡领.工程机械设备故障的原因分析与处理探讨[J].装备制造，2009(12)：126.

[3] 苏勇.农业机械故障诊断技术的研究进展[J].农民致富之友，2014(3)：55.

[4] 程军圣.基于Hilbert-Huang变换的旋转机械故障诊断方法研究[D].长沙：湖南大学,2005．

[5] 张森林.农业机械故障诊断与农机具修复方法的探讨[J].农机使用与维修，2006(5):7-9.

[6] 胡云根,张莉华.农业机械中冷却水温监控报警系统的研制[J].安徽农业科学，2012,40(7):4434-4436.

[7] 刑明.“十二·五”期间黑龙江省农业机械化发展研究[J].安徽农业科学，2014,42(22):7675-7677.