周 騰

(中聯(lián)重科智能農機有限責任公司 制造技術部，河南 開封 475000)

0 引言

轉速傳感器按照工作原理的不同可以分為磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等幾類。其中磁電式轉速傳感器是一種機—電能轉換型傳感器，不需要供電電源、電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛應用[1]。車用轉速傳感器，按其檢測技術可分為電磁感應式、韋根德效應式、霍爾效應式、磁控電阻式、各向異性磁阻式、巨磁阻式轉速傳感器。

除轉速傳感器內部出現(xiàn)損壞影響轉速檢測外，環(huán)境因素、線路通暢、整機ECU數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品結構等均可以影響傳感器精度或者導致傳感器出現(xiàn)“失靈”等現(xiàn)象。因此，對谷物收獲機重要轉速傳感器出現(xiàn)的異常情況進行研究，借助高精度檢測設備、車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等結合單一變量法分析出產(chǎn)生異常情況的根本原因。最后，依照試驗結論對產(chǎn)品改進提出合理化建議，優(yōu)化轉速傳感器及顯示系統(tǒng)的性能。

1 磁電式傳感器

如圖1(a)所示的傳感器稱為磁電式傳感器，會產(chǎn)生磁脈沖信號圖1(b)，該信號是利用信號轉子的旋轉運動使磁通量φ發(fā)生變化而在感應線圈中產(chǎn)生感應電動勢e。

圖1 電磁感應式傳感器工作原理

無源磁電式傳感器是用于測量齒輪而設計的發(fā)電型傳感器(無電源)，不適合測量零轉速和較低轉速工況，因低頻時，幅值信號小，抗干擾能力差，不需要供電。

有源磁電式傳感器采用電源供電，輸出波形為矩形波，具有負載驅動能力，適合測量 0.03 Hz 以上轉速信號，適用范圍更廣，多用于被測轉動件轉速低于2 000 r·min-1的工作狀況。

2 收割機轉速傳感器介紹與安裝工藝設計

2.1 轉速傳感器介紹

對于旋轉機械裝置而言，多需要監(jiān)測旋轉機械軸(輸出端齒輪)的轉速，轉速是衡量機器正常運轉的重要指標。收割機驅動輪轉速、軸流滾筒軸轉速、籽粒攪龍轉速、頂攪龍轉速等部件都需通過安裝轉速傳感器來測量整機在不同工況下運轉而引起的電壓信號變化，并通過谷物收獲機ECU進行數(shù)據(jù)處理，然后在儀表盤、數(shù)顯組合儀表屏上實時顯示。

考慮到谷物收獲機在多數(shù)工況下，整機驅動輪速度較低(行駛速度10～12 km·h-1)，為適應驅動輪轉速39～47 r·min-1、農田里作業(yè)環(huán)境較差、傳感器成本等因素。收割機上對應轉速傳感器普遍使用的是有源磁電式傳感器。不同的是，磁電式傳感器作用的位置有以下幾種形式：1)在旋轉軸上、2)在齒輪面、3)在旋轉軸上的法蘭盤面。由于旋轉軸上、齒輪帶磁鋼等結構類似且在實際作業(yè)中表現(xiàn)穩(wěn)定，因此主要針對第3種形式進行闡述與說明。如圖2所示，當驅動輪半軸轉動并帶動法蘭盤部件運動，鑲嵌在法蘭盤部件上的磁鋼隨之運動，安裝在固定架上的時速傳感器產(chǎn)生電動勢e。然后通過整機ECU進行數(shù)據(jù)處理，并在駕駛室對應電器元件顯示。

1.驅動輪半軸;2.法蘭盤部件;3.磁鋼；4.傳感器固定架;5.時速傳感器圖2 時速傳感器工作示意圖

2.2 速傳感器安裝工藝設計

2.2.1 裝配尺寸要求

從時速傳感器的工作原理可知，該傳感器形式屬于磁電式傳感器。依照該時速傳感器工作示意圖可知，靜止與工作狀態(tài)時，時速傳感器感應頭端面與法蘭盤部件及鑲嵌在其上磁鋼平行，同時裝配圖技術要求為傳感器探頭與磁感的間隙為2～4 mm。傳感器固定架左端與變速箱端面聯(lián)結孔為φ10，緊固螺紋規(guī)格為M8；傳感器固定架為“長Z型”結構，設計折彎角度86°～94°。

2.2.2 裝配精度要求

裝配精度和零件的加工精度有密切的關系，零件精度是保證裝配精度的基礎，但裝配精度并不完全取決于零件精度。裝配精度的保證，應從產(chǎn)品結構、機械加工和裝配方法等方面綜合考慮，而裝配尺寸鏈是進行綜合分析的有效手段。機械產(chǎn)品通常比較復雜，為便于裝配和提高裝配效率，整個產(chǎn)品多劃分為若干部件，裝配工作分為部件裝配和總裝配。應對裝配尺寸鏈組成環(huán)進行適當簡化[2]。

以整機行駛方向為Y軸正向，驅動軸半軸軸心指向右輪方向為X軸正向，垂直向上為Z軸正向，令傳感器支架安裝面與驅動軸半軸軸心交點為坐標原點，建立空間坐標系。按照圖2所示的裝配關系，傳感器支架探頭端外安裝面與磁感端面在X軸投影方向可調節(jié)尺寸要求A0為封閉環(huán)。圖3(a)為傳感器探頭與磁感間隙的裝配尺寸鏈。

A1.磁感端面與傳感器支架左端安裝面的距離；A2.傳感器支架探頭內安裝面與左端安裝面在X軸投影的距離；A3.傳感器探頭可調安裝距離在X軸投影；e1.驅動軸半軸的同軸度誤差；e2.驅動軸半軸的安裝精度誤差；圖3 傳感器探頭與磁感間隙的裝配尺寸鏈

由于驅動軸半軸的同軸度誤差、安裝精度誤差相對于A1～A3的公差很小，故裝配尺寸鏈可簡化成圖3(b)。

用極值法求解封閉環(huán)的上、下公差

(1)

所以ES(A0)=0.5

(2)

所以EI(A0)=(-0.5-0.11)=-0.61

從上述分析計算過程可知，依照裝配尺寸鏈分析，可以保證傳感器探頭與磁感的間隙調整為2～4 mm的設計要求。

3 收割機轉速傳感器常見失效形式分析

通過對應用中出現(xiàn)的轉速傳感器失靈(失效)案例進行分析，相關分析數(shù)據(jù)見表1 。主要從環(huán)境因素、線路通暢、整機ECU數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品結構等維度進行歸納分析。

表1 轉速傳感器主要失靈(失效)因素及占比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知轉速傳感器失效主要原因包括以下兩點：1)按照既定試驗方案要求，利用單一變量法、試驗記錄數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的試驗器材，分析出產(chǎn)生異常情況的根本原因；2)動態(tài)情況下，整機振動、線束對接過程不規(guī)范和轉速傳感器與磁感間隙會存在不規(guī)律性變化等因素成為影響傳感器失效的重要原因。

為此，結合《農業(yè)拖拉機和機械 固定在拖拉機上的傳感器聯(lián)結裝置 技術規(guī)范 (ISO 11786:1995,IDT)》[3]等相關國標和行業(yè)技術資料；并通過累計100 h以上動態(tài)實驗方案要求步驟進行驗證和相關數(shù)據(jù)記錄，以及包括但不限于公司物聯(lián)網(wǎng)平臺試驗車輛工況等綜合數(shù)據(jù)分析，得出以下結論。

1)整機動態(tài)情況及線束插接頭長時間使用會有松動，因此未避免時速傳感器出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，線束連接器處應設置鎖扣(防脫)。

2)驅動半軸上存在油漬極易吸附灰塵、麥糠、秸稈、雜草等，夏季時麥田內環(huán)境容易使該類型傳感器與磁感間隙減小，甚至長時間堵塞后因泥漬風干變硬造成傳感器損壞；及時查看傳感器工作環(huán)境有助于將風險降低。

3)現(xiàn)有Z型傳感器支架在整機模擬作業(yè)狀態(tài)下，通過高精度位移傳感器檢測可知：X軸向Z型傳感器支架與磁感振幅范圍0～1.5 mm,Y軸向Z型傳感器支架與磁感振幅范圍0～1.2 mm；此結構形式，因懸出長度較長且無加強筋等結構，整機運轉過程中傳感器支架振動現(xiàn)象較為突出，建議優(yōu)化改善。

4)聯(lián)結處螺母扭矩不足將使傳感器產(chǎn)生松動，松動后該類型傳感器支架安裝基準發(fā)生變化，影響傳感器支架與磁感相對尺寸。

4 農機培訓工作中電器相關部件使用與自查

培訓內容過時跟不上當前的形式需要。當前針對農機手的培訓內容還比較單一, 大多數(shù)以拖拉機、聯(lián)合收割機、駕駛員和農機修理工為主,不能完全滿足全面全程機械化的要求。培訓教材單一, 只以一本教材為主, 很少提供給學員其它印刷材料、音像材料、網(wǎng)絡信息等資料。不少機手反映, 現(xiàn)在的培訓更多偏向理論知識, 如果多結合實踐操作, 效果會進一步提升。[5]

截至2021年底，我國新型農業(yè)主體中家庭農場超過380萬個，農民合作社223萬家。農機培訓工作以政府層面統(tǒng)籌規(guī)劃為主，相關企業(yè)、組織、機構等參與投資農機培訓。結合企業(yè)近5年職業(yè)機手培訓調查問卷及售后服務統(tǒng)計，總結出農機手及農機服務企業(yè)TOP5最關注售后服務問題。

由表2中記錄可知，近五年來企業(yè)和農機手均逐步從過去比較粗放、被動接受地處理相關農機故障問題，轉變?yōu)閺漠a(chǎn)品出現(xiàn)故障根源出發(fā)并依靠物聯(lián)網(wǎng)、售后服務平臺等提前做出預判和服務全過程管控，主動地解決相關故障的轉變。其中，電器元件及常用電液部件工作原理與故障排查規(guī)范操作亟待普及至廣大農機手。掌握此類電液部件知識對提高農機保養(yǎng)、自查及維修效率大有裨益。

表2 農機手及農機服務企業(yè)TOP5最關注售后問題

綜上所述，連接器選型中應注意防脫結構設計，傳感器支架應注意安裝精度和強度設計，結合裝配尺寸鏈分析和動態(tài)試驗結論，對傳感器與磁感間隙尺寸優(yōu)化及傳感器緊固件扭矩設計應有標準規(guī)范說明。同時，在產(chǎn)品售后培訓環(huán)節(jié)應對傳感器及其零部件日常規(guī)范使用和保養(yǎng)及注意事項等進行告知說明。保證農機使用者既了解相關工作原理，又能對出現(xiàn)的常見故障原因有初步判定能力，在一定程度上提高農機保養(yǎng)、維修效率。