李葉龍，王德福

(1.嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524037；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

隨著科技的進(jìn)步，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化與工業(yè)化不斷深入融合，進(jìn)而衍生出智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能化服務(wù)、云工廠等智能化生產(chǎn)與服務(wù)方式，并不斷由工業(yè)領(lǐng)域向其他領(lǐng)域延伸[1-6]。 由此，生產(chǎn)過程的信息化和智能化必將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的未來發(fā)展趨勢，信息化的本質(zhì)是對數(shù)據(jù)的精確控制，故農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的采集手段、數(shù)據(jù)中所承載信息的提取理論、數(shù)據(jù)中關(guān)鍵信息的解析方法等都將是農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[7-10]。 智能化生產(chǎn)（服務(wù)）方式的一項(xiàng)重要內(nèi)容是生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)共享[4-6]。 農(nóng)業(yè)環(huán)境相比工業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜，農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)過程中所涉及信息量更為巨大，單一傳感器獲取單項(xiàng)信息的信息獲取模式勢必導(dǎo)致傳感系統(tǒng)的復(fù)雜化，故多種信息通過同一傳感器所獲得的信息獲取方式，是精簡傳感系統(tǒng)的必要措施，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)與此相關(guān)的報(bào)道較少[11-15]。 鋼輥式圓捆機(jī)的關(guān)鍵生產(chǎn)信息主要包機(jī)器的閑置時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、打捆數(shù)量、故障頻次、草捆密度、鋼輥轉(zhuǎn)速、平均喂入量等[16-17]。 已有研究表明，鋼輥式圓捆機(jī)打捆過程中動(dòng)力軸所輸入的功耗（簡稱卷捆功耗）內(nèi)蘊(yùn)諸多生產(chǎn)信息[18-19]。 為此，本研究以卷捆功耗為主要信息源，進(jìn)行鋼輥式圓捆機(jī)關(guān)鍵生產(chǎn)信息的提取與解析方法研究，以期為鋼輥式圓捆機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)方式墊定必要理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及儀器

試驗(yàn)所需設(shè)備及儀器主要有多功能圓捆機(jī)試驗(yàn)裝置（圖1）、兩套功耗采集系統(tǒng)（AKC-215 型扭矩傳感器，量程 800N·m；TS-5F 智能測試儀；PC 機(jī)）、2 臺 FRF740-45K-CHT1 型變頻器、1 臺 MICROMASTHR440 型變頻器。 多功能圓捆機(jī)試驗(yàn)裝主要由鋼輥式圓捆機(jī)（卷捆室尺寸 Ф450mm×720mm）、 圓捆機(jī)電機(jī) （型號Y132M2-6）、 側(cè)圓盤組件， 帶式輸送機(jī) （傳送帶4000mm×700mm×300mm；輸送電機(jī)，型號 Y112M-6）等組成。 側(cè)圓盤組件主要包括圓盤（Ф430mm）、圓盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)（XWD2-11-0．75 型減速電機(jī)）、電機(jī)支架、圓盤動(dòng)力軸鎖止鉤。 2 臺FR-F740-45K-CHT1 型變頻器分別用來控制鋼輥轉(zhuǎn)速和打捆物料喂入速度，MICROMASTHR440 型變頻器用來控制圓盤轉(zhuǎn)速。 圓盤安裝在卷捆室單側(cè)側(cè)壁中心，取代原卷捆室側(cè)壁，工作時(shí)繞其中心旋轉(zhuǎn)。 圓盤轉(zhuǎn)速由鋼輥轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，二者保持固定轉(zhuǎn)速比[18]。依據(jù)裝配要求，取圓盤直徑為430mm（卷捆室側(cè)壁直徑為450mm），試驗(yàn)中認(rèn)為單側(cè)卷捆室側(cè)壁完全為圓盤所取代。 當(dāng)鋼輥與圓盤同時(shí)工作時(shí)，試驗(yàn)裝置具備輥盤式卷捆機(jī)構(gòu)特征，當(dāng)切斷圓盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力源，并利用鎖止鉤將圓盤動(dòng)力軸鎖止，試驗(yàn)裝置具備鋼輥式卷捆機(jī)構(gòu)特征。 由此構(gòu)成以兩種卷捆機(jī)構(gòu)為核心的輥盤式圓捆機(jī)試驗(yàn)裝置和鋼輥式圓捆機(jī)試驗(yàn)裝置。

圖1 多功能圓捆機(jī)試驗(yàn)裝置Figure 1 Test device of multi-functional round baler

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

1.2.1 卷捆功耗采集 本研究將打捆物料開始喂入時(shí)刻定義為卷捆開始時(shí)刻， 草捆自卷捆室內(nèi)放出時(shí)刻定義為卷捆結(jié)束時(shí)刻，圓捆機(jī)卷捆功耗即指此過程所耗功耗。 將扭矩傳感器接入動(dòng)力軸，利用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的FTNS-2014 數(shù)據(jù)采集軟件獲取圓捆機(jī)電機(jī)及圓盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，信號采集頻率為16Hz，因所獲得為離散型數(shù)據(jù)，故圓捆機(jī)卷捆功耗通過式（1）～式（4）計(jì)算獲得。

式中：Ti為第 i 次采集到的瞬時(shí)扭矩（N·m-1）；ω 為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r·min-1）；Pi為第 i 次采集到的瞬時(shí)功率（kw）；Wi為第i 次采集到的瞬時(shí)功耗值（kJ）；Wn為某一過程功耗值（kJ）；n 為某一過程扭矩采集次數(shù)；Δt 為扭矩采集間隔時(shí)間（0．0625s）；Wn1為圓捆機(jī)電機(jī)功耗（kJ）；Wn2為圓盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)功耗（kJ）；W 為圓捆機(jī)卷捆功耗（kJ）。

1.2.2 卷捆功率時(shí)序圖譜采集 利用式（1）將動(dòng)力軸所輸入的扭矩信號轉(zhuǎn)化為功率信息，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以動(dòng)力軸所輸入的瞬時(shí)功率為縱坐標(biāo)，繪制出某一時(shí)間段內(nèi)圓捆機(jī)動(dòng)力輸入軸的信息時(shí)序圖譜。 預(yù)試驗(yàn)表明在采集數(shù)據(jù)過程中，傳感器一般會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)若干（3～5 個(gè)）信息丟失點(diǎn)，丟失點(diǎn)數(shù)相比總采集點(diǎn)數(shù)可忽略不計(jì)，不會(huì)對總功耗造成影響，但在繪制功率時(shí)序圖譜時(shí)波形中會(huì)產(chǎn)生尖峰，為消除波形中尖峰，繪制時(shí)序圖譜時(shí)取相鄰兩點(diǎn)的平均值作為丟失點(diǎn)的數(shù)據(jù)值；同時(shí)在卷捆過程中利用秒表記錄卷捆開始時(shí)刻、旋轉(zhuǎn)草芯形成時(shí)刻、停止喂入打捆物料時(shí)刻、圓捆機(jī)放捆時(shí)刻，放捆后圓捆機(jī)待機(jī)時(shí)間等作為圖譜分析的輔助數(shù)據(jù)。

1.3 卷捆功耗模型構(gòu)建與量化

1.3.1 卷捆功耗模型構(gòu)建 以圓捆機(jī)動(dòng)力輸入軸為研究對象，采用隔離法[20]對鋼輥（輥盤）式圓捆機(jī)卷捆功耗進(jìn)行分析，依據(jù)能量守恒定律，圓捆機(jī)卷捆過程中卷捆功耗主要構(gòu)成為：一是圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所消耗功耗，圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)主要是維持各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，二是卷捆過程中草捆所獲得的總動(dòng)能，三是撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗，四是轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗。 由此圓捆機(jī)卷捆過程中所消耗功耗可由式（5）表示。

式中：W 為圓捆機(jī)卷捆過程中所消耗的總功耗（kJ·捆-1）；Wk為圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗（kJ·捆-1）；Wd為卷捆過程中草捆所獲得的總動(dòng)能（kJ·捆-1）；Wh為撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗（kJ·捆-1）；Wc為轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗（kJ·捆-1）。

依據(jù)卷捆功耗各分量的生成原理及運(yùn)動(dòng)特征，對于鋼輥式圓捆機(jī)，式（5）中各項(xiàng)的具體函數(shù)表達(dá)式可表示為式（6）～式（9）。 由圖1 中輥盤式卷捆機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征可知，理論上以該卷捆機(jī)構(gòu)為核心的圓捆機(jī)卷捆過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗為鋼輥式圓捆機(jī)的1/2，其余各項(xiàng)與鋼輥式圓捆機(jī)并無差異，故對于輥盤式圓捆機(jī)，式（5）中各項(xiàng)的具體函數(shù)表達(dá)式可表示為式（6）～式（8）及式（10）。

式中：P(t)為卷捆過程中任意時(shí)刻圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的瞬時(shí)功率（kW）；m1(t)為卷捆過程中任意時(shí)刻撿拾器送入卷捆室內(nèi)的卷捆物料質(zhì)量（kg）；m(t)為卷捆過程中任意時(shí)刻草捆質(zhì)量（kg）；h 為喂入口下方第一根鋼輥上表面至打捆物料鋪放高度一半處的距離（m）；v1為卷捆物料被撿拾器送入卷捆室時(shí)所具有的瞬時(shí)速度（m·s-1）；μ 為物料與卷捆室側(cè)壁間摩擦因數(shù)；r 為草捆半徑（m）；ω 為草捆角速度（rad·s-1）；N[m(t)，r]為卷捆過程中任意時(shí)刻草捆任意半徑處對卷捆室側(cè)壁的壓力（N）。

1.3.2 卷捆功耗各分量的量化 依據(jù)上述卷捆功耗模型，分別將鋼輥式圓捆機(jī)和輥盤式圓捆機(jī)卷捆功耗表示為式（11）和式（12）。

式中：W1為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗（kJ·捆-1）；Wk1為鋼輥式圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗（kJ·捆-1）；Wd1為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中草捆所獲得的總動(dòng)能（kJ·捆-1）；Wh1為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗（kJ·捆-1）；Wc1為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗（kJ·捆-1）；W2為輥盤式圓捆機(jī)卷捆功耗（kJ·捆-1）；Wk2為輥盤式圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗（kJ·捆-1）；Wd2為輥盤式圓捆機(jī)卷捆過程中草捆所獲得的總動(dòng)能（kJ·捆-1）；Wh2為輥盤式圓捆機(jī)卷捆過程中撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗（kJ·捆-1）；Wc2為輥盤式圓捆機(jī)卷捆過程中轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗（kJ·捆-1）。

圖1 多功能圓捆機(jī)試驗(yàn)裝置中，兩種卷捆機(jī)構(gòu)具有相同的構(gòu)架。 在此條件下，當(dāng)鋼輥轉(zhuǎn)速、喂入量、稻稈長度與卷捆室寬度的比值及草捆質(zhì)量相同時(shí)， 可認(rèn)為鋼輥式圓捆機(jī)與輥盤式圓捆機(jī)在卷捆過程中轉(zhuǎn)動(dòng)草捆所獲得的總動(dòng)能相同，即Wd1等于Wd2，撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗亦相同，即Wh1等于Wh2。為此用式（11）減去式（12）可得到鋼輥圓捆機(jī)卷捆過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗功耗的計(jì)算表達(dá)式，見式（13）。

圓捆機(jī)卷捆過程中撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗Wh1可按式（8）進(jìn)行估算，由此草捆動(dòng)能可按式（14）算出，進(jìn)而得出鋼輥式圓捆機(jī)打捆過程中卷捆功耗各分量在總功耗中所占比例，見式（15）～式（18），亦可由此算出輥盤式圓捆機(jī)打捆過程中卷捆功耗各分量在總功耗中所占比例（W1、W2和Wk1、Wk2通過試驗(yàn)獲得）。

式中：Y1為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗在總功耗中所占比例 （%）；Y2為鋼輥圓捆機(jī)卷捆過程中草捆所獲得的總動(dòng)能在總功耗中所占比例 （%）；Y3為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗在總功耗中所占比例 （%）；Y4為鋼輥式圓捆機(jī)卷捆過程中轉(zhuǎn)動(dòng)草捆與卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗在總功耗中所占比例（%）。

1.4 卷捆試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 借助輥盤式卷捆機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對比試驗(yàn)的方法，對兩種圓捆機(jī)的卷捆功耗各組成分量進(jìn)行量化試驗(yàn)。試驗(yàn)條件，鋼輥轉(zhuǎn)速269r·min-1，以完整稻稈為打捆物料，稻稈長度與卷捆室寬度比值為1，稻稈含水率為12%，草捆質(zhì)量為16kg。

本研究所針對的打捆物料為稻稈，稻稈按其收獲方式的不同，可分為由半喂入式水稻收獲機(jī)獲得的完整稻和由全喂入式水稻收獲機(jī)獲得的破碎稻稈。預(yù)試驗(yàn)表明，試驗(yàn)所用鋼輥式圓捆機(jī)卷捆完整稻稈時(shí)的最佳喂入量為 1．0kg·s-1， 卷捆破碎稻稈時(shí)的最佳喂入量為 1．5kg·s-1，為此在此兩種喂入量條下進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案如表1，試驗(yàn)中利用傳感器系統(tǒng)采集兩種圓捆機(jī)的卷捆功耗，卷捆功耗結(jié)果取5 次平均值，鋼輥式圓捆機(jī)在喂入量為1．5kg·s-1條件下卷捆時(shí)，會(huì)有一定堵塞率（因所用物料為完整稻稈，非最佳喂入量），故其結(jié)果取5 次成功卷捆結(jié)果的均值。同時(shí)依據(jù)采集到的離散數(shù)據(jù)繪制卷捆過程的功率時(shí)序圖譜。

1.4.2 數(shù)據(jù)獲取方法 試驗(yàn)中直接獲取的數(shù)據(jù)為圓捆機(jī)卷捆功耗（W）、卷捆過程中圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗（Wk）、卷捆過程中撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗（Wh）。 其中W 利用功耗采集系統(tǒng)直接進(jìn)行獲取；Wk采用如下方法進(jìn)行獲得，試驗(yàn)中采集某次卷捆功耗的同時(shí)記錄此次卷捆時(shí)間，之后在相同條件下，不喂入卷捆物料的狀態(tài)下使圓捆機(jī)空運(yùn)行一定時(shí)間（所記錄的卷捆時(shí)間），采集并記錄其功耗，此功耗即為此次卷捆試驗(yàn)中所對應(yīng)的Wk。 Wh按式（8）進(jìn)行估計(jì)算，式中h 取喂入口下方第一根鋼輥上表面到打捆物料鋪放高度一半處的距離，經(jīng)測定h 取40mm；打捆物料在彈齒撿拾器的推送下進(jìn)入卷捆室，其剛進(jìn)入卷捆室時(shí)的瞬時(shí)速度接近彈齒末端的線速度[21]，本試驗(yàn)中鋼輥轉(zhuǎn)速為269r·min-1，依此按傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算得出彈齒末端線速度約為2．1m·s-1，為此式中v 取值為 2．1m·s-1。

2 結(jié)果與分析

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Experimental planning

2.1 卷捆功耗分析

試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果如表2～表4 及圖2，表2 為利用傳感器系統(tǒng)直接獲取的功耗值，表3 為依據(jù)表2 中數(shù)據(jù)利用式（11）～式（14）所獲取的卷捆功耗各分量數(shù)值，表4 為依據(jù)表3 中數(shù)據(jù)利用式（15）～式（18）獲得的兩種圓捆機(jī)卷捆功耗中各分量在總功耗中所占比例， 圖2 為依據(jù)表4 繪制的兩種圓捆機(jī)卷捆功耗各分量比例分布圖。 由圖2a 和圖2b 可知，兩種喂入量下，鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗各分量間比例關(guān)系未發(fā)生明顯改變，Y1～Y4依次約為57．06%、17．07%、0．11%和25．76%；卷捆機(jī)構(gòu)中引入側(cè)圓盤結(jié)構(gòu)后，兩種喂入量下，卷捆功耗各分量間比例關(guān)系亦未發(fā)生明顯改變，Y1～Y4依次約為 66．46%、19．06%、0．13%和 14．36%，但兩種卷捆機(jī)構(gòu)間卷捆功耗各分量間的比例關(guān)系明顯不同。 說明側(cè)圓盤結(jié)構(gòu)的引入改變了卷捆功耗各分量的比例關(guān)系，但對于同一卷捆機(jī)構(gòu)，兩種推薦喂入量下，卷捆功耗各分量間比例關(guān)系可認(rèn)為是基本恒定的。 由上述數(shù)據(jù)可知，圓捆機(jī)卷捆過程中所消耗功耗的50%以上用于維持圓捆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，其中鋼輥式圓捆機(jī)用于維持其轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗功耗約占總功耗占57．06%，輥盤式圓捆機(jī)用于維持其轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗功耗約占總功耗的66．46%，故降低圓捆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是提高效能比（有效利用能量在總能量中所占比例，簡稱效能比）的重要手段，其值越低圓捆機(jī)能量的有效利用程度越高，故該值可作為是圓捆機(jī)的重要性能指標(biāo)。 由圖2c 和圖2d 可知，同一喂入量、同一鋼輥轉(zhuǎn)速條件下，Yp2高于Yg2，但差異不明顯。 主要原因是卷捆過程中的草捆動(dòng)能只與草捆質(zhì)量和喂入量（卷捆時(shí)間）有關(guān)，故在試驗(yàn)條件下，兩種圓捆機(jī)中Wd1與Wd2相等，而輥盤式圓捆機(jī)總卷捆功耗小于鋼輥式圓捆機(jī)總功耗（表2），但二者之間的差異并未導(dǎo)致Yg2與Yp2間發(fā)生顯著變化。

表2 直接測量值Table 2 Direct measured value

表3 卷捆功耗及其分量值Table 3 Baling power consumption and its component value

表4 卷捆功耗各分量百分比Table 4 Baling power consumption and its component percentage

圖2 卷捆功耗各分量的比例分布Figure 2 Proportional distribution of component baling power consumptio

由表3 可知，兩種卷捆機(jī)構(gòu)、兩種喂入量的4 種組合中Wh值相同，Wh是由式（8）間接獲得，而由式（8）可知在鋼輥轉(zhuǎn)速及h 一定時(shí)，Wh只與草捆質(zhì)量有關(guān)，因試驗(yàn)中草捆質(zhì)量恒定，故出現(xiàn)Wh值相同的情況，又因Wh值遠(yuǎn)小于總功耗值，進(jìn)而在圖2c，2d 中表現(xiàn)為Yp3與Yg3接近，并且相比其他分量可忽略不計(jì)。 由圖2c 和圖2d 可知，兩種喂入量條件下均表現(xiàn)出Yp1大于Yg1、Yp4低于Yg4的特征，且差異明顯。 結(jié)合表3 可知，導(dǎo)致上述原因主要有兩方面，一是旋轉(zhuǎn)側(cè)圓盤消除了草捆與單側(cè)卷捆室側(cè)壁間因摩擦阻力而消耗的功耗，導(dǎo)致Yp4的數(shù)值僅為Yg4/2，二是在同一喂入量條件下，兩種圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所需功耗差異并不明顯，進(jìn)而導(dǎo)致此結(jié)果的出現(xiàn)，由此亦得出側(cè)摩擦功耗的改變是導(dǎo)致此結(jié)果的主要原因。其中Y4值越低圓捆機(jī)動(dòng)力軸輸入能量的有效利用程度越高，故該值亦可作為是圓捆機(jī)的重要性指標(biāo)。

2.2 卷捆功率時(shí)序圖譜分析

利用扭矩傳感器系統(tǒng)獲取鋼輥式圓捆機(jī)工作過程中的某一時(shí)段內(nèi)動(dòng)力輸入軸的功率時(shí)序圖譜（圖3），圖3中t0～t7僅代表該圖中關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的順序編號，不同圖中相同時(shí)間編號無相關(guān)性。 圖3a 為扭矩傳感系統(tǒng)采集到的鋼輥式圓捆機(jī)一次正常卷捆前后過程的原始功率時(shí)序圖譜，其中存在信息丟失點(diǎn)，將丟失數(shù)據(jù)補(bǔ)出（圖3b）。結(jié)合秒表記錄結(jié)果，可確定出圖3b 中0～t1時(shí)段為打捆前的等待階段，將此階段功率時(shí)序曲線稱為零態(tài)，t1～t2時(shí)段為草芯累積階段，t2時(shí)刻草芯開始轉(zhuǎn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)草芯，t2～t4時(shí)段為草捆形成階段，t4～t5時(shí)段為停止喂入卷捆物料后圓捆機(jī)連同草捆保持運(yùn)轉(zhuǎn)階段，t5～t6時(shí)段為放出草捆后圓捆機(jī)待機(jī)階段，t6時(shí)刻之后圓捆機(jī)重新處于等待狀態(tài)，同時(shí)可知圓捆機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（待機(jī)狀態(tài)）時(shí)的功率時(shí)序曲線走勢平穩(wěn)，基本保持恒定，為此研究中可視其為背景曲線（因素）。 對圖3b 圓捆機(jī)功率時(shí)序圖譜進(jìn)一步分析可知，草芯累積階段的功率時(shí)序曲線略高于圓捆機(jī)待機(jī)狀態(tài)下的時(shí)序曲線，并且曲線走勢保持平穩(wěn)，說明此階段所消耗的功耗主要用來維持圓捆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，功耗的其余組成分量較小，并保持一種穩(wěn)定狀態(tài)，而在旋轉(zhuǎn)草芯形成的前一刻功率時(shí)序曲線發(fā)生突變；圖中t2～t3時(shí)段的功率時(shí)序曲線基本呈現(xiàn)線性增長趨勢，說明此階段草捆處于的充實(shí)階段[22]，隨著草捆質(zhì)量的增加，瞬時(shí)功率呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的增加態(tài)勢；圖中t3～t4時(shí)段相比t2～t3時(shí)段功率時(shí)序曲線更為陡峭，此時(shí)段瞬時(shí)功率呈現(xiàn)急劇增加趨勢（非線性增長態(tài)勢），說明t3～t4時(shí)段草捆處于壓縮階段[22]，此階段瞬時(shí)功率較高；停止喂入卷捆物料后圓捆機(jī)連同草捆保持運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此階段不存在Wh1，加之草捆發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象[23]，故理論上瞬時(shí)功率應(yīng)低于本次卷捆過程的最高點(diǎn)，并呈一定形式的降低趨勢，但實(shí)際測算出此階段的時(shí)序曲線基本保持平穩(wěn)，且其瞬時(shí)功率一直維持在本次卷捆過程的最高點(diǎn)，其原因可能是上述因素所造成的瞬時(shí)功率的變化幅度較小，試驗(yàn)中的傳感器精度無法識別此種變化所造成；放出草捆后圓捆機(jī)待機(jī)階段的時(shí)序曲線相比上一階段發(fā)生突降，重新維持在待機(jī)狀態(tài)；圓捆機(jī)停機(jī)后功率時(shí)序曲線重新處于零態(tài)。 圖3c 為打捆過程中圓捆機(jī)發(fā)生堵塞現(xiàn)象時(shí)的功率時(shí)序圖譜，此過程旋轉(zhuǎn)草芯未能形成。 其中0～t1時(shí)段為打捆前的等待階段，功率時(shí)序圖譜上顯示為零態(tài)，t1～t2處于草芯累積階段[22]，t3時(shí)刻圓捆機(jī)發(fā)生堵塞，由圖可見在極短時(shí)間內(nèi)（t2～t3時(shí)段）圓捆機(jī)的瞬時(shí)功率激增，已近接近圓捆機(jī)的最大輸出功率（5．5kW），并且在t3時(shí)刻發(fā)生嚴(yán)重纏輥，鋼輥無法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)立即刻切斷圓捆機(jī)動(dòng)力源，功率時(shí)序曲線迅速進(jìn)入零態(tài)。將圖3b 和圖3c 在同一坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行表達(dá)（圖3d）。由圖3d 可知，圓捆機(jī)閑置狀態(tài)（零態(tài)）下的功率時(shí)序曲線、圓捆機(jī)待機(jī)（空運(yùn)轉(zhuǎn)）狀態(tài)下功率時(shí)序曲線、圓捆機(jī)正常卷捆狀態(tài)下功率時(shí)序曲線、圓捆機(jī)打捆時(shí)出現(xiàn)堵塞異?，F(xiàn)象的功率時(shí)序曲線，四條功率時(shí)序曲線呈現(xiàn)的趨勢特征及功率值都存在明顯差異，為此可通過上述功率時(shí)序曲線的特征對圓捆機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，但在圓捆機(jī)正常卷捆時(shí)，其由待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入卷捆狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)較難以通過曲線特征值進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，原因是二者的值較為接近。

圖3 鋼輥式圓捆機(jī)功率時(shí)序圖譜Figure 3 Power timing diagram of steel-roller round baler

2.3 生產(chǎn)信息提取方法

2.3.1 卷捆功耗分量與關(guān)鍵生產(chǎn)信息間的關(guān)系函數(shù)

2．3．1．1 空轉(zhuǎn)功耗與鋼輥轉(zhuǎn)速間的關(guān)系函數(shù) 鋼輥式圓捆機(jī)的空轉(zhuǎn)功耗主要為各轉(zhuǎn)動(dòng)部件維持運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功耗，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件主要為鋼輥和彈齒撿拾器，各鋼輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在某一時(shí)間段內(nèi)的各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)能滿足式（19），其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可分別由式（20）和式（21）表示，由圓捆機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，彈齒撿拾器的動(dòng)力來自鋼輥端部的帶輪，彈齒撿拾器主軸轉(zhuǎn)速與鋼輥轉(zhuǎn)速間關(guān)系滿足式（22），將式（20）～式（22）代入式（19）即可得出空轉(zhuǎn)功耗與鋼輥轉(zhuǎn)速間的關(guān)系函數(shù)（式23）。 將式（23）簡化整理，可表示為式（24）。 在實(shí)際應(yīng)用中可通過試驗(yàn)的方法對式（24）中J進(jìn)行修正。

式中：n 為鋼輥數(shù)量；J1為鋼輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m-2）；m1為鋼輥質(zhì)量（kg）；r1鋼輥半徑（m）；ω1為鋼輥轉(zhuǎn)速（rad·s-1）；J2為彈齒撿拾器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m-2）；m2為彈齒撿拾器中轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量（kg）；r2為彈齒撿拾器中轉(zhuǎn)動(dòng)部件的等效半徑（m）；r3為鋼輥端部的帶輪半徑（m）；r4為彈齒撿拾器主軸端部帶輪半徑（m）；λ 為帶輪傳動(dòng)比；ω2為彈齒撿拾器主軸轉(zhuǎn)速（rad·s-1）；J 為鋼輥式圓捆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m-2）；k 為修正系數(shù)；t1為卷捆開始時(shí)間（s）；t2為卷捆結(jié)束時(shí)間（s）。

2.3.1.2 撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗與草捆質(zhì)量間關(guān)系函數(shù) 由卷捆功耗函數(shù)模型可知， 撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗滿足式（8），其中彈齒末端線速度可由傳動(dòng)比[22]計(jì)算得出，h 可通過直接測量獲得，故式（8）可具體表示為式（25），由此得出撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗與草捆質(zhì)量間關(guān)系函數(shù)。

式中：m 為草捆質(zhì)量（mg）。

2.3.1.3 撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗與平均喂入量的關(guān)系函數(shù) 平均喂入量僅與草捆質(zhì)量及卷捆時(shí)間有關(guān)系，故結(jié)合式（25），撿拾器將物料送入卷捆室內(nèi)所需功耗與平均喂入量的關(guān)系函數(shù)可表示為式（26）：

式中：y 為卷捆物料平均喂入量（kg·s-1）。

由此建立了卷捆功耗分量與鋼輥轉(zhuǎn)速、草捆質(zhì)量、平均喂入量3 個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)信息的關(guān)系函數(shù)。

2.3.2 信息提取算法 依據(jù)上述研究結(jié)論構(gòu)建鋼輥式圓捆機(jī)不同狀態(tài)下的圖譜庫及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 （主要包括Y1、Y2、Y3、Y4、h、J、k 等），并依此建立圓捆機(jī)卷捆功耗中所承載信息的提取算法，算法流程如圖 4。 因卷捆過程的起始時(shí)刻難以通過功率時(shí)序圖譜進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，故在圓捆機(jī)喂入口處加裝紅外傳感裝置，用以檢測卷捆時(shí)進(jìn)入卷捆室的第一梀打捆物料， 并結(jié)合卷捆功率時(shí)序圖譜進(jìn)而準(zhǔn)確標(biāo)定出卷捆的起始時(shí)刻。 圖4 中y=1 代表圓捆機(jī)處于等待（閑置）狀態(tài)，y=2 代表圓捆機(jī)處于待機(jī)（空運(yùn)轉(zhuǎn)）狀態(tài)，y=3 代表圓捆機(jī)發(fā)生堵塞，y=4 代表圓捆機(jī)進(jìn)行正常卷捆。 首先通過傳感器編號確定圓捆機(jī)型號，并由此調(diào)取相應(yīng)的圖譜庫及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，之后將圖譜生成器生成的圖譜信息與圖譜庫中信息進(jìn)行特征比對，進(jìn)而確定圓捆機(jī)所處狀態(tài)。 當(dāng)圓捆機(jī)處于非正常卷捆狀態(tài)時(shí)，依據(jù)其所處具體狀態(tài)通過計(jì)時(shí)（計(jì)數(shù)）器直接獲取圓捆機(jī)閑置時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、堵塞次數(shù)等信息，當(dāng)圓捆機(jī)正常卷捆時(shí)利用式（3）和式（4）獲取卷捆功耗值，同時(shí)通過卷捆功耗各分量間比例關(guān)系（數(shù)據(jù)庫提供）獲取卷捆功耗各分量值、并依據(jù)卷捆功耗分量（部分）與關(guān)鍵生產(chǎn)信息間的關(guān)系函數(shù)獲取草捆質(zhì)量、鋼輥轉(zhuǎn)速、平均喂入量等參數(shù)。 通過圖4 算法所獲取的信息如圖中虛線框所示，由此實(shí)現(xiàn)鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗中關(guān)鍵信息的提取。 采用人工繪制及讀取卷捆功耗時(shí)序圖譜的方法，利用上述試驗(yàn)結(jié)論及算法，對某一試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)鋼輥式圓捆機(jī)動(dòng)力輸入軸的信息進(jìn)行提取。 試驗(yàn)中所用物料為完整稻稈，物料長度與卷捆室寬度比值為1，理論喂入量為 1．0kg·s-1，Y1～Y4值查表 4，h=40mm，圓捆機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取 25．4（試驗(yàn)獲得），結(jié)果如表 5 和表 6。

圖4 信息提取算法流程圖Figure 4 Flow chart of information extraction algorithm

由表5 和表6 可知，閑置時(shí)間、堵塞次數(shù)、打捆數(shù)量的提取值與實(shí)際值相同；草捆質(zhì)量、待機(jī)時(shí)間的提取值與理論值較為接近；兩次平均喂入量的提取值均小于理論值，其原因主要是卷捆物料無法一次全部鋪放在傳送帶上，卷捆過程中需分批次鋪放，試驗(yàn)中因兩次鋪放間的銜接導(dǎo)致卷捆時(shí)間人為延長，加之非首次鋪放時(shí)物料鋪放厚度會(huì)有一定偏差，故實(shí)際喂入量應(yīng)低于理論喂入量，顯然提取值更為接近實(shí)際喂入量。 兩次卷捆過程中鋼輥轉(zhuǎn)速與理論值的最大偏差約為8%，其偏差相對較大，故鋼輥轉(zhuǎn)速的具體提取算法尚需進(jìn)一步優(yōu)化，以縮小偏差。 就上述初步試驗(yàn)結(jié)果而言，雖然部分提取數(shù)據(jù)與實(shí)際（理論）值尚有一定偏差，但基本實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵生產(chǎn)信息的提取。故本研究所涉及的鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗中關(guān)鍵生產(chǎn)信息的提取方法雖尚需進(jìn)一步完善，但具備可行性。

表5 使用信息Table 5 Use information

表6 生產(chǎn)參數(shù)Table 6 Production parameters

3 討論與結(jié)論

目前針對信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究， 主要集中于信息設(shè)備在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的適應(yīng)問題、 信息處理軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)、無線通信協(xié)議的移植（在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用）等方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程信息提取與解析技術(shù)方面尚未見報(bào)道[24-26]。 本研究對鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗中所承載的生產(chǎn)信息提取方法進(jìn)行了探索性的研究。 研究結(jié)果表明，文中所涉及的鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗中生產(chǎn)信息的提取方法（理論）具備可行性，但尚處于初步探索階段，未來還需從5 面進(jìn)行深入研究：一是喂入量、草捆質(zhì)量對卷捆功耗各分量間比例關(guān)系的影響尚需進(jìn)一步深入研究；二是研究中所涉及的關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)系函數(shù)等尚需通過試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；三是需對機(jī)器工作參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并依此針對具體機(jī)型建立數(shù)據(jù)庫；四是進(jìn)一步提高信息提取準(zhǔn)確度；五是開發(fā)能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的具備數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸及網(wǎng)絡(luò)連接功能的軟硬件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的共享。

本研究結(jié)果表明，兩種喂入量下，鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗各分量在總功耗中所占比例基本保持不變，Y1～Y4依次約為 57．06%、17．07%、0．11%、25．76%；卷捆機(jī)構(gòu)中引入側(cè)圓盤結(jié)構(gòu)后，兩種喂入量下，卷捆功耗各分量在總功耗中所占比例亦基本保持不變，Y1～Y4依次約為 66．46%、19．06%、0．13%、14．36%； 同時(shí)通過傳感系統(tǒng)獲取鋼輥式圓捆機(jī)閑置狀態(tài)、空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、正常卷捆過程、出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象四種狀態(tài)的功率時(shí)序圖譜，圖譜分析表明，四種狀態(tài)的曲線趨勢特征、瞬時(shí)功率特征值間均存在明顯差異，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對圓捆機(jī)工作狀態(tài)的識別。 最后建立卷捆功耗（部分）分量與關(guān)鍵生產(chǎn)信息間的關(guān)系函數(shù)，依托此關(guān)系函數(shù)、卷捆功耗各分量間比例關(guān)系、卷捆功率時(shí)序圖譜的曲線特征等，設(shè)計(jì)鋼輥式圓捆機(jī)卷捆功耗中關(guān)鍵信息的提取算法，初步試驗(yàn)表明該算法具備可行性，能夠提取出關(guān)鍵生產(chǎn)信息。