链耙捡拾机构双链传动同步性监测系统的设计*

时谦，周亚宾，谢建华，赵维松,2，曹肆林,3，张新宇

(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐市，830052；2.农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014；3.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子，832000；4.华东师范大学软件工程学院，上海市，200062)

0 引言

随着残膜回收机的使用和推广，越来越多的残膜回收作业采用残膜回收机来完成[1]。现市面上较理想的残膜回收机型主要是带有链耙式拾膜机构和偏心滚筒式拾膜机构的机型[2-4]，其中链耙式残膜回收机具有残膜回收率高、作业效率高、对田间复杂的工作环境适应性好等优点，已经大量的生产并且投入使用[5-6]。链耙式残膜回收机作业过程中，链耙式捡拾机构由于链节磨损或双链结构受力不均匀引起跳齿现象时，驾驶员在驾驶室内无法直接监视其运行状态，无法及时维修处理，导致链耙式捡拾机构等关键部件损坏，影响残膜回收作业质量和作业效率。因此，设计一套高精度的收膜机运行状态监测系统，系统通过对收膜机机械状态进行检测，反馈出收膜机存在的问题，利用上位机实时显示当前残膜回收机的运行状态，并在出现故障时发出报警，提醒驾驶员下车维修，这对于避免机具严重损坏，保证田间作业质量，提高残膜回收机的智能化水平具有实际意义。

目前国外对农机传动故障监测系统进行了较多研究，英国RDS等公司生产的采棉机监测系统，主要监测机具的动力输出轴转速、作业面积和前进速度等参数，通过系统的GIS综合功能，完成对采棉机作业过程的实时监测[7]。凯斯公司研制的农业收割机装配的故障监测系统，通过监测收割机传动系统的温度、振动等信息，判断收割机是否出现故障，显示报警信号[8]。国内对农机传动故障监测的研究起步较晚，但成果显著，姚兴林团队研究了一种旋耕埋草刀辊转速检测装置，该装置利用转速传感器针对旋转埋草刀辊主轴的转速进行采集，实现了旋转埋草刀辊主轴转速大小的实时监测，李耀明团队利用扭矩传感器，无线通讯技术，设计了一套联合收割机传动系统主轴扭矩在线监测装置[9]。

本文通过对链耙式残膜回收机链耙捡拾机构转动情况进行分析，设计一套链耙捡拾机构双链传动同步性在线监测系统，在监测到跳齿故障发生时提醒驾驶员停车检查，避免收膜链耙捡拾机构等关键部件损坏。

1 监测系统结构与工作原理

1.1 系统结构方案

链耙式残膜回收机作业时，链耙式捡拾机构由于链节磨损或双链结构受力不均匀导致双链转动不同步，引发跳齿现象，为了实时监测链耙式捡拾机构的转动情况，设计了链耙式残膜回收机双链传动同步性监测系统，该系统主要包括信号调理模块、单片机模块、HC-12信号无线传送模块及上位机故障监测软件，监测系统结构框图如图1所示。电涡流传感器获取的传感器探头与弹齿轴之间距离的原始阻抗信号经信号调理模块转换为模拟电压信号，模拟电压信号接入单片机的A/D 转换引脚，经单片机内部汇编程序判断处理后，HC-12无线数据模块发送故障信息编码，由安装在拖拉机驾驶室的上位机解码读取收膜机实时工况信息，并通过触摸屏将报警信息显示出来。

图1 监测系统结构框图Fig.1 Structure diagram of monitoring system

1.2 监测原理

传感器的安装位置如图2所示，根据电涡流传感器测位移原理可知[10-12]，弹齿轴经过电涡流传感器的感应端时，传感器阻抗变化量

图2 链耙捡拾机构与电涡流传感器安装位置Fig.2 Installation position of chain harrow pick-up mechanism and inductor sensor1.传动轴 2.链轮 3.电涡流传感器1 4.弹齿轴 5.弹齿 6.链条 7.电涡流传感器2

(1)

式中：Z——传感器感应到导体时阻抗值，Ω；

Z0——传感器原有阻抗值，Ω；

M——互感系数，H；

R2——导体等效电阻，Ω；

L2——导体等效电感，H；

ω——线圈内部交流电频率，Hz。

由式(1)知，弹齿轴在经过传感器时，传感器内部线圈阻抗发生变化，其变化量与互感系数M成二次函数关系。互感系数M与传感器和弹齿轴间距d成反比关系，因此，阻抗变化量与间距d成反比关系，弹齿轴离开后，阻抗值恢复为初始状态。通过实时采集阻抗信号，可以实现弹齿轴经过传感器感应端过程的动态捕获。单片机内部程序对所捕获的阻抗脉冲信号进行处理，获取相邻2个峰值信号的时间间隔，该间隔即为相邻弹齿轴转动的时间间隔。间隔时间乘以链耙捡拾机构的转速则是弹齿轴间距的计算值。将实际间距与计算值相比较，判断是否发生跳齿现象。判断条件为0.8d1.2d(跳齿)。

其中，Δt为相邻弹齿轴转动的时间间隔，s；v为链耙捡拾机构的转速，m/s；d为弹齿轴实际间距，m。

2 监测系统硬件设计

监控系统硬件部分主要由单片机主控制器、电涡流传感器、霍尔流传感器、无线通信模块和报警装置等组成，整体系统硬件电路如图3所示。

图3 系统硬件电路图Fig.3 Hardware circuit diagram of system

2.1 单片机模块

根据监控系统的功能及要求，需要完成双链传动同步性的在线监测。因此，单片机必须满足脉冲计数等功能，本系统选用的是STC89C52单片机，其工作电压为3.3～5.5 V，工作频率：0～40 MHz，有32个通用I/O口。

2.2 电涡流传感器

图中所示可变电感L4即为电涡流传感器，Q1、C1、C2、C3组成电容式三点振荡器，产生频率为1 MHz 左右的正弦载波信号，电涡流传感器接在振荡回路中作为振荡回路的可变电感元件，可变电感阻抗值变化引发高频率载波信号的幅值变化。D1、C4、L3、C5组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器，检波器将振荡器高频载波信号的幅值变化转换成电压值V变化。V变化反映阻抗Z的变化。

2.3 霍尔传感器

本系统选用NJK-5002C型霍尔传感器采集残膜回收机动力轴转速信号，霍尔传感器检测距离可达10 mm，输出开关型脉冲信号，霍尔传感器输出的电压脉冲信号不能直接连接单片机计数器，为防止单片机损坏，需经过光耦合器阻断传感器与单片机的联系后接入计数器引脚。其中光电耦合器型号为TLP521，其结构简单，数据传输速率可以达到1 MHz。单片机开启计数器计算脉冲个数，并通过内部汇编程序，计算出动力轴转速。

2.4 无线通信模块

系统选用HC-12模块来实现数据无线传输，HC-12 无线通信模块内置STM8S003F3U6 MCU和SI4438射频收发器。外围元件较少，具有传输距离远、信号连接稳定的特点，可过UART接口实现与STC89C52半双工连接。

3 系统软件设计

本监测系统的软件包括两部分:下位机硬件驱动程序和上位机程序。下位机程序主要用于收膜机作业状况判断，并将状态信息发送给上位机；上位机程序采用图形化界面，显示收膜机链耙捡拾机构的工作状况。

3.1 系统硬件驱动程序

系统硬件驱动程序流程图如图4所示。系统工作前，先对下位机系统进行初始化设置。完成对系统工作模块、相关寄存器和I/O口的初始化设置。初始化之后，电涡流传感器通过外部中断引脚向单片机发送工况信息，在接收到外部中断的触发信号后，进入中断程序开启定时器T0，并在下一次进入中断时读取时间值Δt、并将定时器T0清零重新计时，此时的定时值Δt可视为相邻2弹齿杆转动的时间间隔；并根据霍尔传感器计算的速度值，判断收膜机链耙捡拾机构是否发生跳齿故障，并发出声光报警。

图4 系统硬件驱动程序流程图Fig.4 Flow chart of system hardware driver

3.2 上位机软件系统

软件系统程序由Visual Basic 6.0语言编写，主要实现链耙捡拾机构工况显示和故障报警功能，系统软件流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图Fig.5 Flow chart of system software

通过对监测系统弹齿杆间距的输入，可改变微控制器内部对弹齿轴间距阈值的设定，实现传感器对不同型号残膜回收机收膜链耙同步性的监测，且保证监测精度满足监测要求。系统工作前，先对上位机软件进行初始化设置。其初始化主要是针对无线收发模块和故障显示程序，HC-12模块完成初始化和发送设定的间距后，以100 Hz频率向下位机发送机具运行状态请求，接收到下位机发送的监测数据后，根据其解码分析在客户端作出相应的数据显示。上位机客户端主要分为通信及故障显示模块和报警记录模块。

3.2.1 通信及故障显示系统

打开链耙式残膜回收机双链传动同步性监测系统软件首先进入通信及故障显示界面，上位机不停地接收下位机发送的帧数据，并按照通讯协议对帧数据格式进行解码分析，故障状况监测模块用于接收来自下位机帧数据流发送的“0”“1”“2”数据，实现“0”表示正常，“1”表示预警，“2”表示报警的故障状况监测设计，故障状况监测显示采用指示灯来提示驾驶员机具作业工况信息，并通过设置的蜂鸣器进行声音提示。并且在指示灯下方显示故障类型，放便驾驶员及时观察故障发生位置。通讯与故障显示界面如图6所示。

图6 上位机通讯与故障显示界面Fig.6 Communication and fault display interface of upper computer

3.2.2 报警记录系统

在报警记录界面中，可将故障发生类型、故障发生时间等数据存储在Access数据库中，实现机具作业信息的本地存储和管理,且在人工采集的数据上进行增、删、改、查等操作，不断完善采集的数据。方便用户观察收膜机的工况信息，同时也方便科研人员对机具结构进行优化改进，报警记录界面如图7所示。

图7 报警记录系统界面Fig.7 Interface of alarm recording system

4 系统监测精度试验

4.1 室内试验

为了验证监测系统性能，将监测系统安装在链耙式残膜回收机上进行监测精度试验验证，本次试验在新疆农业大学实验室进行。

双链传动同步性监测试验在室内采取人为制造跳齿故障的方式进行，无需完全启动残膜回收机，只需启动链耙捡拾机构转动，将电涡流传感器按照设计安装于链耙式残膜回收机的机架上。故障发生时，链耙捡拾机构两侧链轮转动的角度不一致，导致链耙捡拾机构的弹齿轴倾斜，现将链耙捡拾机构的任意一根弹齿杆倾斜固定，模拟发生跳齿现象。链耙捡拾机构转速取168 r/min，与实际田间作业时转速相等，启动链耙捡拾机构进行跳齿故障监测精度试验，模拟跳齿故障发生次数分别是20，25，30，35，40，同时观察监控系统显示面板上的报警数字，每次试验的数据如表1所示。

表1 跳齿监测精度试验数据Tab.1 Experiment data of jumping gear monitoring accuracy

从表1可知，在室内模拟试验时，链耙捡拾机构双链传动同步性监测准确率达96%以上，能有效对收膜机链耙捡拾机构同步性进行监测。

4.2 田间试验

田间试验于2020年10月在新疆石河子试验田内进行，将故障监测系统装配于4CMJ-2.0链耙式残膜回收机上，进行监控系统的跳齿故障监测试验。试验中收膜机前进速度取8 km/h，链耙捡拾机构转速取168 r/min，在长500 m的田间进行收膜多次重复试验，同时观察报警装置。当报警提示出现跳齿时，停车检查是否发生了跳齿。通过分析报警次数和实际跳齿故障次数可知，链耙捡拾机构双链传动同步性监测准确率达95%以上，能有效对收膜机链耙捡拾机构同步性进行监测。

5 结论

1)设计一种基于电涡流传感器的链耙式残膜回收机跳齿故障监测系统，该系统下位机采用电涡流传感器和霍尔传感器获取链耙捡拾机构转动和动力轴的转速信息，判断收膜机运行状态(正常、跳齿)并通过HC-12无线模块将状态信息传输至人机交互界面显示，实现4CMJ-2.0链耙式残膜回收机作业过程的实时监测。

2)对监测系统进行室内试验和田间试验，室内试验表明，链耙捡拾机构双链传动同步性监测系统能够对链耙捡拾机构跳齿情况进行监测，跳齿监测准确率在96%以上；田间试验表明，在收膜机前进速度取8 km/h，链耙捡拾机构转速取168 r/min时，跳齿监测准确率为95%以上。能够对链耙捡拾机构双链传动同步性进行有效的监测，避免故障恶化损坏链耙捡拾机构，提高作业可靠性。