开发用于监测联合收割机物料分离状态的传感器

《Biosystems Engineering》：Development of a monitoring sensor for material separation state of combine harvester

联合收割机分离装置的压电传感器设计与实时监测方法研究。通过离散元仿真优化流线型冲击板几何结构，减少颗粒滑动时间5%和水平滑动距离10.99%。有限元分析确定最优结构参数（四侧固定，1mm铝合金），验证压电输出与冲击力强相关系数绝对值＞0.74。实验表明传感器信号与物料重量线性关系良好（R2=0.98），为实时控制和故障预警提供新途径。

　　

吴志平|马峥|陈志|朱永乐|张泽林|赵杰|王洋

中国江苏省镇江市江苏大学农业工程学院，212013

摘要

联合收割机脱粒和分离单元的运行状态对收割效率和谷物质量有着至关重要的影响。然而，对物料分离过程的实时直接监测仍然存在困难：现有的基于振动或谷物损失的传感器会受到田间干扰或信号延迟的影响。本研究提出了一种间接方法，通过监测分离后物料的撞击情况来评估该单元的状态，该方法使用了一种基于压电效应的流线型撞击板传感器。该传感器的几何形状是专门为分离区域设计的，能够在最小化流体扰动的同时捕捉分散物料的撞击。通过离散元仿真优化了其形状，与基线相比，该方法将谷物滑移时间减少了5%，水平滑移距离减少了10.99%。有限元分析用于确定最佳结构参数（四边固定，铝合金厚度1毫米），并确认了压电输出与撞击力之间存在强相关性（|r| > 0.74）。台架测试表明，补偿后的传感器信号与撞击物料重量之间存在高线性关系（R² = 0.98）。这项工作验证了该方法的可行性，并为基于动态分离过程信息的联合收割机实时控制和故障预警提供了新的技术途径。

引言

为了实现可持续发展并解决粮食短缺问题，研究人员致力于提高农业生产力（Steeneken等人，2023年；Zhu等人，2025年）。随着作物产量的增加，联合收割机的进料速率也会提高，这对脱粒和分离过程提出了更高的要求（Liang等人，2024年；Liang & Million，2023年；Liang & Million，2025年）。然而，脱粒-分离单元的运行速度过高或过低都可能导致堵塞和故障。清除这些堵塞既耗时又费力，大大降低了收割效率（Rogovskii等人，2021年；?pokas等人，2008年）。此外，脱粒-分离单元的性能不佳会导致更高的谷物损失、杂质含量和破损率，最终影响谷物质量和收入。因此，实时监测脱粒-分离单元的运行状态对于及时调整和预防故障至关重要。

联合收割机中脱粒-分离单元的监测通常分为两类。第一类是直接监测单元本身，以立即评估其状态，从而调整参数以减少故障并提高效率。常用的方法包括监测振动信号和机械负荷（Liang等人，2017年；Ma等人，2022年；Qiu等人，2022年）。例如，Xi等人（2020年）利用单元的旋转速度作为输入信号来诊断故障。Abdeen等人（2022年）通过测量脱粒单元盖内侧的撞击和压力来估算进料速率，而Tang等人（2023年）通过监测秸秆移动引起的振动来进行状态评估。尽管直接监测提供了直观的信息，但在恶劣的田间条件下，信号经常受到强烈机器振动的影响，从而限制了其可靠性。因此，开发替代的监测方法仍然是一个重要的研究目标。

第二类是通过联合收割机内的作物材料进行间接监测，这可以反映整体机器性能，并指导参数调整以提高收割质量。这包括监测清洁损失（Jin等人，2022年；Zhao等人，2012年）、谷物流动（Sirikun等人，2021年）和谷物质量（Wu等人，2024年）。然而，这些测量通常在脱粒-分离阶段之后进行，引入了显著的时间延迟。此外，它们反映了多个连续过程的综合结果，使得难以隔离脱粒-分离单元内部的特定工作状态（和问题）。

在运行过程中，进入脱粒-分离单元的物料会经过处理，单元状态的变化会直接影响分离后物料的状态。例如，进料速率的突然增加会导致分离后物料流量急剧减少至接近零。因此，监测分离状态可以揭示单元的状态，从而实现及时调整。与损失或流量监测不同，分离后的物料（包括谷物和非谷物物质）分散在凹形区域下方，其颗粒密度高于清洁损失但低于输送的谷物流量。关于监测这种特定物料状态的研究仍然有限。Chai等人（2020年）分析了脱粒转子下方的物料分布，Fu等人（2024年）开发了一种压阻传感器来测量玉米收割机清洁鞋上的物料堆积厚度。

尽管现有的传感技术能够提供有关某些机器功能的宝贵信息，但它们并不能直接或实时捕捉脱粒-分离的核心动态过程：即物料分离时的瞬时状态。具体来说：

(1)

谷物损失传感器位于机器的后部；它们的信号代表了最终结果，存在较大的延迟，无法识别损失源。

(2)

进料速率传感器通常安装在脱粒单元的上游，反映的是进入滚筒的总物料量，而不是分离性能。

(3)

清洁鞋厚度传感器测量的是空间平均堆积量，这会平滑瞬态动态，无法检测到分离流量的快速变化或早期堵塞症状。

因此，现有方法不足以实现对脱粒-分离过程本身的实时直接诊断。为了解决这一差距，需要一种新的传感器，对此提出了几个假设：

(1)

目标和位置：传感器应直接安装在分离区域内，位于凹形区域下方和清洁鞋上方，以便在物料分离后立即捕捉撞击信号，提供直接和即时的反馈。

(2)

传感原理：需要一个特定形状的撞击板，将分散的颗粒撞击转化为连贯的结构振动信号。其几何形状经过优化，以最大化对流量变化的敏感性，同时最小化流量干扰。

(3)

及时性：传感器需要提供过程变量，以便早期预警性能下降或即将发生的堵塞，从而实现主动调整，并支持从补救控制向预防控制的转变。

为了验证分离后物料的撞击信号能否可靠地指示脱粒-分离单元的运行状态，设计并评估了一种新型的压电撞击传感器。这项工作包括四个关键部分：

(1)

压电撞击板传感器的设计和工作原理；

(2)

利用离散元方法（DEM）对撞击板上的物料动态进行仿真分析，以确保最小的过程干扰；

(3)

通过压电-结构耦合仿真验证可行性，评估对撞击力的响应；以及

(4)

使用不同进料速率下的实验室台架测试验证传感器的性能。

部分摘录

物料分离状态监测机制

如图1所示，在联合收割机运行过程中，作物物料被送入脱粒和分离单元。在脱粒滚筒和导向器的共同作用下，作物物料以螺旋状向后方移动（Neale等人，2003年；Sudajan等人，2002年）。谷物主要通过刮板的作用和与凹形筛子的摩擦从秸秆上分离出来，并与杂质一起被分离

单个种子从撞击板上滑落的仿真结果分析

为了研究撞击板几何形状对单个谷物运动行为的影响，分析了滑移轨迹、速度和位移。关键结果如图11所示。

(1)

垂直速度的变化机制。

三种不同类型撞击板上谷物的垂直速度（V_z）曲线揭示了不同的动态行为（图11(b)）。在直板上，恒定的重力下坡分量和几乎不变的滑动摩擦导致了

结论

为了解决脱粒和分离过程缺乏直接监测的问题，本研究提出了一种通过监测物料分离状态来表征联合收割机运行状态的新方法。开发了一种流线型压电撞击板传感器，并验证了其设计和功能。优化后的流线型撞击板（直线与弧线的比例为1:1）有效引导了物料流动，减少了谷物粘附，实现了5%的改进

作者贡献声明

吴志平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，数据管理，概念化。马峥：资源，项目管理，资金获取，概念化。陈志：监督，资源，正式分析。朱永乐：可视化，验证，软件。张泽林：可视化，验证，软件。赵杰：可视化，验证，软件。王洋：可视化，验证，软件。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时未使用任何生成式AI或AI辅助技术。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51975256、52375249）、江苏省与教育部共同资助的现代农业装备协同创新中心（XTCX2011）、江苏省现代农业机械装备和技术示范推广项目（NJ2021-07）以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划（编号PAPD-2023-87）的财政支持。