一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统和方法

摘要

本发明涉及农业机械技术领域，特别涉及一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统和方法，所述系统包括无线应变传感器节点、无线网关、本地测试终端、DTU网络上传模块、远程服务器端；无线应变传感器节点布置在农业作业机械关键部件中的易损点，通过RF射频收发功能与无线网关通讯；无线网关通过串口与本地测试终端连接，DTU网络上传模块通过串口与本地测试终端连接，远程服务器端接收上传数据，通过数据库技术对数据进行云存储。本发明所提出的监测系统可对区域范围内的多台农业作业机械进行实时监测，可服务于在大数据样本下对农业作业机械关键部件的疲劳损伤进行分析、评估和预测。

说明书

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，特别涉及一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统和方法。

背景技术

作为农业作业的核心装备，农业机械的工作负荷大、作业工况复杂多变，恶劣的工作环境会加剧作业机构的关键零部件和支承、传动等零部件的疲劳损伤，导致工作效率和安全性降低。为改善农业机械的使用性能、安全性、可靠性，监测农业机械田间作业工况下的各关键部件的应变数据，对当前工况下的负载水平进行实时、准确的评定，不仅可以规范驾驶员的驾驶操作，也能够为驾驶员提供部件使用情况信息，并在危险工况下进行预警提示，有效避免意外事故的发生。

随着大数据、物联网(Internet of Things，以下简称IoT)等技术的不断发展，我国传统农业正在加快向现代农业转型，新兴技术不断地应用到农业生产和农业装备上来。通过IoT技术将传感器连接起来并组成庞大的数据网络，实时采集农业机械关键部件的应变数据，能够为农业机械产品研发设计提供全面、有效的基础数据支撑。

目前，疲劳损伤监测常采用激励-响应的原理进行损伤的检测和评定，即对所测部件发出固定频带的激励信号，通过回波信号的频率响应特性进行损伤评定，基于这种原理的监测方法中的技术环节较多，系统搭建较为复杂。另一方面，这种方法仅能对所测部件的瞬时损伤状态进行监测，而忽略了导致部件疲劳破坏的累积损伤因素。此外，目前的大部分监测系统仅能对本地的单台作业机械进行监测，无法进行区域范围内多台作业机械的实时监测。

发明内容

本发明旨在提出一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统，基于无线应变传感器节点、本地测试终端、远程服务器端三层网络构建实现本地、云端同步进行数据采集和工况监测。本发明亦提出一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测方法，通过基于累计损伤准则的疲劳损伤预警评价指标对农业机械的负载工况进行评价和预警，基于材料S-N特性曲线进行关键部件剩余寿命预估。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统，所述系统包括无线应变传感器节点1、无线网关2、本地测试终端3、DTU网络上传模块5、远程服务器端6；其中，

无线应变传感器节点1布置在农业作业机械关键部件中的易损点，实时采集各测点的应变参数，对数据进行硬件信号调理，通过RF射频收发功能与无线网关2通讯；

无线网关2通过串口与本地测试终端3连接，接收并整合无线应变传感器节点1传输的应变数据，将数据传输至本地测试终端3；

本地测试终端3通过无线网关2接收来自各无线应变传感器节点1传输的应变数据；

DTU网络上传模块5通过串口与本地测试终端3连接，将本地测试终端3实时采集的应变数据和疲劳损伤分析数据通过TCP/HTTP网络上传至远程服务器端6；

远程服务器端6接收上传数据，通过数据库技术对数据进行云存储。

本地测试终端3固定放置于作业机械驾驶室。

所述系统还包括本地监测显示器4，所述本地监测显示器4固定安装在作业机械驾驶室仪表板侧方，可视化显示作业机械实时工作指标，并提供过载预警提示功能。

上述农业作业机械关键部件中的易损点为农业作业机械的动力输出轴、传动轴、发动机、变速箱、转向驱动桥和电液悬挂装置中的一个或多个。

一种利用所述的农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统进行农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测方法，所述检测方法包括如下步骤：

步骤1：采集各测点的应变信号

选取多台农业作业机械关键部件中的易损点作为测点，布置无线应变传感器节点1；选取采样时长△t和采样间隔△t′，采用预定的采样频率f

步骤2：信号的预处理

本地测试终端3接收农业作业机械各测点采集的应变数据后，首先，采用多项式拟合方法剔除应变数据中的趋势项；然后，采用标准方差检测法去除应变数据中的奇异点；最后，依据农业作业机械载荷的低频特性，使用巴特沃斯低通滤波器滤除应变数据中的高频成分；

2-1采用多项式拟合方法剔除应变数据中的趋势项

对于应变数据中的趋势项，设其为

式中，

测试过程中得到的原始应变数据用x

式中，Q(a)表示趋势项数据与原始测试应变数据的误差平方和；

求Q(a)的最小值，解出待定系数a

式中，x

2-2采用标准方差检测法去除应变数据中的奇异点

对于剔除趋势项后的应变数据，实时计算其动态标准差，设定范围区间，当测试信号超出该范围，则判定为奇异点并将其去除；

2-3使用巴特沃斯低通滤波器滤除应变数据中的高频成分

滤除测试信号中的高频成分，能够提高测试信号的信噪比，确保经过预处理后的信号可反映真实作业工况；

步骤3：疲劳寿命预测：设置采样时长为△t，采样频率为fs，对步骤2预处理后的应变数据进行转换，并对其进行雨流计数，将时域载荷历程转换至雨流域，得到均值-幅值矩阵M

先对采样时长△t内的均值-幅值矩阵M

式中，S

由公式4所计算出的修正载荷幅值S

式中，T

预期剩余寿命T

式中，T

步骤4：疲劳损伤预警

根据所测部件的设计参数，计算许用预期寿命[T]，单位为h，作为疲劳损伤预警评价指标；将步骤3中计算得出的预期疲劳寿命T

其中，许用预期寿命通过公式7计算：

式中，[T]为许用预期寿命，单位为h；T

步骤5：监测数据上传：本地测试终端3将监测数据打包封装，由DTU网络上传模块5通过TCP/HTTP通信技术上传至远程服务器端6；远程服务器端6基于数据库技术将监测数据云端存储，并结合历史数据对疲劳损伤进行进一步分析。

步骤1中，上述农业作业机械关键部件中的易损点为农业作业机械的动力输出轴、传动轴、发动机、变速箱、转向驱动桥和电液悬挂装置中的一个或多个。

步骤2-3中，巴特沃斯低通滤波器的截止频率为40Hz，阶数为8～10阶。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所提出的监测系统在对农业作业机械的关键部件进行监测时，仅需实时采集应变数据而无需预先生成激励信号，并且该系统由无线传感器节点组成，这样极大地简化了数据采集步骤，提高了系统搭建效率。

2、本发明所提出的监测方法以疲劳分析理论为基础，可实时计算所测部件的预期疲劳寿命和预期剩余寿命。这些指标参数不仅可以用来评价负载工况，亦可对农业作业机械关键部件的使用情况进行提示，方便实际使用中对关键部件的保养和维护。

3、本发明所提出的监测系统可对区域范围内的多台农业作业机械进行实时监测，可服务于在大数据样本下对农业作业机械关键部件的疲劳损伤进行分析、评估和预测。

附图说明

图1是本发明的农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统的结构示意图。

图2是本发明的农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测方法的流程图。

图3是本发明的农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测方法的疲劳寿命预测和疲劳损伤预警的流程图。

附图标记：

1、无线应变传感器节点

2、无线网关

3、本地测试终端

4、本地监测显示器

5、DTU网络上传模块

6、远程服务器端

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统，所述系统包括无线应变传感器节点1、无线网关2、本地测试终端3、本地监测显示器4、DTU网络上传模块5、远程服务器端6。其中，

无线应变传感器节点1布置在农业作业机械关键部件中的易损点，实时采集各测点的应变参数，对数据进行硬件信号调理，通过RF射频收发功能与无线网关2通讯。

具体地，上述农业作业机械关键部件中的易损点为农业作业机械的动力输出轴、传动轴、发动机、变速箱、转向驱动桥和电液悬挂装置中的一个或多个。

无线网关2通过串口与本地测试终端3连接，接收并整合无线应变传感器节点1传输的应变数据，将数据传输至本地测试终端3。

本地测试终端3固定放置于作业机械驾驶室，通过无线网关2接收来自各无线应变传感器节点1传输的应变数据，基于本发明所述监测算法对农业作业机械的负载工况进行评价和预警，并对关键部件进行剩余寿命预估。

本地监测显示器4固定安装在作业机械驾驶室仪表板侧方，可视化显示作业机械实时工作指标(通过本地测试终端3分析得出)，并提供过载预警提示功能。

DTU网络上传模块5通过串口与本地测试终端3连接，将本地测试终端3实时采集的应变数据和疲劳损伤分析数据通过TCP/HTTP网络上传至远程服务器端6。

远程服务器端6接收上传数据，通过数据库技术对数据进行云存储。同时，实时监测的作业机械关键部件应变数据有助于企业和科研机构编制作业机械实测载荷谱，在设计与研发过程中提供实验评价依据。

参考图1，本发明所述农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测系统的组建方式为：本地测试终端3通过无线网关2接收各无线应变传感器节点1的实时数据；本地测试终端3对所采集数据进行处理和分析；本地监测显示器4可视化显示处理、分析后的数据，提供过载预警提示功能；本地测试终端3与DTU网络上传模块5以串口方式连接，将数据上传至远程服务器端6；远程服务器端6接收上传数据，对数据进行云存储并结合历史数据对疲劳损伤进行预测分析。本地测试网络以本地测试终端3为中心，采用星型网络拓扑结构布置，在测试区域范围内，远程服务器端6通过TCP/HTTP网络映射至各本地测试网络。

参考图2，一种农业作业机械关键部件疲劳损伤无线监测方法，包括如下步骤：

步骤1：采集各测点的应变信号。

选取多台农业作业机械关键部件中的易损点作为测点，布置无线应变传感器节点1；选取采样时长△t和采样间隔△t′，采用预定的采样频率f

具体地，上述农业作业机械关键部件中的易损点为农业作业机械的动力输出轴、传动轴、发动机、变速箱、转向驱动桥和电液悬挂装置中的一个或多个。

步骤2：信号的预处理。

本地测试终端3接收农业作业机械各测点采集的应变数据后，首先，采用多项式拟合方法剔除应变数据中的趋势项；然后，采用标准方差检测法去除应变数据中的奇异点；最后，依据农业作业机械载荷的低频特性，使用巴特沃斯低通滤波器滤除应变数据中的高频成分。

2-1采用多项式拟合方法剔除应变数据中的趋势项。

对于应变数据中的趋势项，设其为

式中，

测试过程中得到的原始应变数据用x

式中，Q(a)表示趋势项数据与原始测试应变数据的误差平方和；

求Q(a)的最小值，解出待定系数a

式中，x

2-2采用标准方差检测法去除应变数据中的奇异点。

对于剔除趋势项后的应变数据，实时计算其动态标准差，设定范围区间(此区间上限一般不超过6倍方差，具体的区间阈值应根据测试信号特征和经验进行选取)，当测试信号超出该范围，则判定为奇异点并将其去除。

2-3使用巴特沃斯低通滤波器滤除应变数据中的高频成分。

优选地，巴特沃斯低通滤波器的截止频率为40Hz，阶数为8～10阶。滤除测试信号中的高频成分，可提高测试信号的信噪比，确保经过预处理后的信号可反映真实作业工况。

步骤3：疲劳寿命预测。设置采样时长为△t(单位：s)，采样频率为fs(单位：Hz)，对步骤2预处理后的应变数据进行转换，并对其进行雨流计数，将时域载荷历程转换至雨流域，得到均值-幅值矩阵M

参考图3，先对采样时长△t内的均值-幅值矩阵M

式中，S

由公式4所计算出的修正载荷幅值S

式中，T

预期剩余寿命T

式中，T

步骤4：疲劳损伤预警。

参考图3，根据所测部件的设计参数，计算许用预期寿命[T]，单位为h，作为疲劳损伤预警评价指标；将步骤3中计算得出的预期疲劳寿命T

其中，许用预期寿命通过公式7计算：

式中，[T]为许用预期寿命，单位为h；T

步骤5：监测数据上传。本地测试终端3将监测数据打包封装，由DTU网络上传模块5通过TCP/HTTP通信技术上传至远程服务器端6；远程服务器端6基于数据库技术将监测数据云端存储，并结合历史数据对疲劳损伤进行进一步分析。