阅读说明：本技术 一种方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法 (Square baler outlet bale density monitoring device and monitoring method thereof ) 是由 张安琪 孟志军 安晓飞 王培� 邱权 高娜娜 尹彦鑫 武广伟 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及农用机械技术领域,提供一种方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法,方捆机出口草捆密度监测装置包括草捆称重单元、草捆长度检测单元及信息处理单元；草捆称重单元设在方捆机的落草板上,对下落至落草板上的草捆的重量进行检测；草捆长度检测单元包括安装在落草板上的棘轮机构,棘轮机构在草捆从落草板上滑落的过程中,通过检测其棘轮的转动角度来获取草捆的长度；信息处理单元包括数据处理模块,数据处理模块根据方捆机打捆室的横截面积、草捆的长度与重量,计算得到草捆的密度；本发明可十分便捷地对方捆机出口实时输出的草捆进行密度检测及远程监测,其检测数据准确,为方捆机作业质量评价提供了有力的数据支撑。(The invention relates to the technical field of agricultural machinery, and provides a device and a method for monitoring the density of bales at an outlet of a square baler; the bale weighing unit is arranged on a grass falling plate of the square baler and is used for detecting the weight of the bales falling onto the grass falling plate; the bale length detection unit comprises a ratchet mechanism arranged on the grass falling plate, and the ratchet mechanism obtains the length of the bale by detecting the rotation angle of a ratchet wheel of the ratchet mechanism in the process that the bale slides off the grass falling plate; the information processing unit comprises a data processing module, and the data processing module calculates the density of the bales according to the cross section area of the baling chamber of the square baler and the length and weight of the bales; the invention can conveniently carry out density detection and remote monitoring on the bales output by the outlet of the square baler in real time, has accurate detection data and provides powerful data support for evaluating the operation quality of the square baler.)

一种方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及农用机械技术领域，尤其涉及一种方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法。

背景技术

近年来，随着化石能源的短缺及农业环境的日益恶化，人们对可持续发展和环境保护越来越重视，生物质资源的开发利用也逐渐受到世界各国的关注。

中国作为世界农业大国，拥有丰富的农作物秸秆，受技术条件的制约，现阶段国内对秸秆的处理大多为焚烧处理，这种处理模式不仅造成了资源了浪费，还对环境造成了严重的影响。为了使农作物秸秆实现高效利用，降低对环境的污染和资源的浪费，首先要解决的就是秸秆的收储运问题。在中国的华北、华中等地区，因受地块细碎化、地块间距离较远等条件的制约，小型化的方捆机凭着转移运输方便、适应性好、压捆质量与作业效率较高等特点，在北方秸秆收获特别是小麦秸秆收获领域获得了广泛的应用。

方捆机在使用时，通常与拖拉机配合，并由拖拉机牵引着前进。方捆机在前进的同时，由配设的螺旋上料装置收集农田中散放的各类秸秆，并将收集的秸秆分批次给进至方捆机的打捆室内，在此过程中，由打捆室内配设的压缩机构对秸秆进行往复式压缩；在将秸秆压缩为预设的形状和尺寸时，通过打捆针和打结器对压缩成型的方形草捆进行捆绑打结；最后，将草捆从打捆室内推出，草捆先输送至打捆室出口处铰接的落草板上，再从落草板上滑落至农田中，其中，落草板的一端与打捆室出口处的底板相铰接，落草板远离其铰接端的两侧边分别通过支撑链对应连接打捆室出口处的两侧壁。

对于上述方捆机而言，评价其作业效率及质量最直接的指标是出口草捆密度。然而，目前市面上小方捆机多为纯机械结构，不具备液压-电控系统，其出口的草捆密度信息无法实时获取，而国外大方捆机虽然配备有电液系统，通过液压系统压力可以反推打捆室内部的草捆密度，但对于方捆机出口处草捆的密度，目前还没有相关技术方案。

由此可见，基于现有的技术方案，当前还无法获取方捆机出口处的草捆的密度。由于方捆机出口处的草捆的密度信息对调整优化方捆机作业参数，科学的管理机器运移，提高机具作业效率具有重要意义，因而，对方捆机出口处草捆的密度实施有效监测就显得尤为必要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法，用以解决当前基于已有的方捆机设计方案，无法获取方捆机出口处的草捆密度的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明在一方面提供了一种方捆机出口草捆密度监测装置，包括草捆称重单元、草捆长度检测单元及信息处理单元；所述草捆称重单元设在方捆机的落草板上，并对下落至所述落草板上的草捆的重量进行检测；所述草捆长度检测单元包括安装在所述落草板上的棘轮机构，所述棘轮机构在草捆从所述落草板上滑落的过程中，通过检测其棘轮的转动角度来获取草捆的长度；所述信息处理单元包括数据处理模块，所述数据处理模块根据方捆机打捆室的横截面积与获取草捆的长度得到草捆的体积，并根据草捆的重量，计算得到草捆的密度。

优选的，本发明中所述信息处理单元还包括定位模块和数据传输模块，所述数据处理模块与所述定位模块分别通讯连接所述数据传输模块；所述定位模块用于监测方捆机的作业位置信息；所述数据传输模块用于将获取的所述数据处理模块与所述定位模块的信息实时传输至后台服务器。

优选的，本发明中所述草捆称重单元包括角度传感器和两个拉力传感器；所述角度传感器安装在所述落草板的其中一侧边，用于检测所述落草板与水平面之间的夹角；两个所述拉力传感器分设在所述落草板的两侧边，每个所述拉力传感器的一端连接所述落草板的一侧边，另一端连接打捆室出口处的相应侧的侧壁；所述角度传感器、所述拉力传感器分别通讯连接所述数据处理模块。

优选的，本发明中所述拉力传感器的一端连接直角支架的一端，所述直角支架的另一端与所述落草板的其中一侧边相铰接；所述拉力传感器的另一端连接吊环螺母，所述吊环螺母连接支撑链的一端，所述支撑链的另一端连接打捆室出口处的相应侧的侧壁。

优选的，本发明中所述打捆室的出口处的底部连接吊臂的上端，所述吊臂的下端与所述落草板相对所述打捆室的一侧相铰接。

优选的，本发明中所述棘轮机构包括棘轮、转轴、电机和编码器；所述棘轮同轴安装在所述转轴的中部，所述转轴转动安装在所述落草板的下侧并靠近所述落草板的非铰接端；所述落草板的非铰接端设有与所述棘轮相对应的让位缺口，所述棘轮的轮缘露出至所述落草板端面的上侧；所述电机的输出轴与所述编码器均同轴连接所述转轴。

优选的，本发明中所述棘轮机构还包括摩擦盘与摩擦垫块；所述摩擦盘同轴安装在所述转轴上，所述摩擦垫块安装在所述落草板上，所述摩擦盘的盘沿与所述摩擦垫块相接触。

优选的，本发明还提供了一种基于上述方捆机出口草捆密度监测装置的监测方法，包括：

S1，通过草捆称重单元获取草捆的重量；

S2，检测草捆从落草板上滑落的过程中棘轮的转动角度，获取草捆的长度，并根据打捆室的横截面积与草捆的长度，计算得到草捆的体积；

S3，根据草捆的重量与体积的对应关系，计算得到草捆的密度。

优选的，本发明还包括：S4，将方捆机的作业位置信息与各个草捆的密度信息实时传输至后台服务器。

优选的，本发明中步骤S1进一步包括：建立草捆在侧翻状态下，支撑链张力与草捆重量之间的数学模型：

G_P.cosβ.(l/2)+G_B.cosβ.l＝T.sinα.d；

其中，G_B表示草捆的重量；G_P为落草板的重量，β为角度传感器检测到的落草板与水平面之间的夹角，l为落草板的长度，T为拉力传感器所检测到的拉力值；d为支撑链的安装轴孔与直角支架安装轴孔之间的距离，α为支撑链与落草板之间的夹角；

步骤S2进一步包括：建立棘轮转动角度与草捆体积的数学模型：

L＝θ/360*2π*r；

V＝L*h*b；

其中，L表示单个草捆的长度，θ为棘轮的转动角度，r为棘轮的最大半径，h为打捆室的高度，b为打捆室的宽度。

(三)技术效果

本发明提供的方捆机出口草捆密度监测装置及其监测方法，在进行密度检测时，分别获取方捆机输出的单个草捆的重量和体积，草捆的重量通过设置在落草板上的草捆称重单元进行检测，在对草捆的体积进行检测时，由于草捆是在打捆室内完成打捆并输出的，草捆的横截面积等于打捆室的横截面积，从而通过棘轮的转动角度获取草捆的长度，可进一步计算得到草捆的体积，最后可根据草捆的重量与体积的对应关系，计算得到草捆的密度。

由此可见，本发明所示的监测装置结构简单、安装方便，适应性强，可十分便捷地对方捆机出口实时输出的草捆密度进行检测，其检测数据准确，为方捆机作业质量评价提供了有力的数据支撑，可广泛应用于农机合作社及农机生产制造商。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所示的安装有草捆密度监测装置的方捆机的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所示的安装有草捆密度监测装置的方捆机的主视结构示意图；

图3为本发明实施例所示的在草捆侧翻状态下，草捆与落草板的受力分析示意图；

图4为本发明实施例所示的基于上述草捆密度监测装置的监测方法的流程框图。

图中：1、打捆室；2、落草板；3、支撑链；4、角度传感器；5、拉力传感器；6、直角支架；7、吊环螺母；8、吊臂；9、棘轮；10、转轴；11、电机；12、编码器；13、让位缺口；14、摩擦盘；15、摩擦垫块；16、草捆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种方捆机出口草捆密度监测装置，包括草捆称重单元、草捆长度检测单元及信息处理单元；草捆称重单元设在方捆机的落草板2上，并对下落至落草板2上的草捆16的重量进行检测；草捆长度检测单元包括安装在落草板2上的棘轮9机构，棘轮9机构在草捆16从落草板2上滑落的过程中，通过检测其棘轮9的转动角度来获取草捆16的长度；信息处理单元包括数据处理模块，数据处理模块根据方捆机的打捆室1的横截面积与获取的草捆16的长度得到草捆16的体积，并根据草捆16的重量，计算得到草捆16的密度。

具体的，在图1与图2中示意了一种本领域所公知的方捆机，该方捆机包括打捆室1和落草板2，打捆室1用于将秸秆压缩呈矩形的草捆16，并将草捆16推送至落草板2上，落草板2的一端与打捆室1出口处的底板相铰接，落草板2远离其铰接端的两侧边分别通过支撑链3对应连接打捆室1出口处的两侧壁，通常落草板2的非铰接端相对其铰接端而言，倾斜朝向地面布置。

本实施例所示的草捆称重单元在对打捆室1输出的方形草捆16进行称重时，可采用设置在落草板2上的台秤，对草捆16的重量进行直接测量，也可以采用与落草板2相关联的多个传感器，通过建立力学分析模型的方式，对草捆16的重量进行间接测量(参见下述实施例)，但本实施例不限于此，只要实现对草捆16重量测量的相应结构均满足本实施例的设计要求。

由此，结合本实施例所示的草捆16密度监测装置，在进行密度检测时，采取了分别获取方捆机输出的单个草捆16的重量和体积的方式，草捆16的重量通过设置在落草板2上的草捆称重单元进行检测，在对草捆16的体积进行检测时，由于草捆16是在打捆室1内完成打捆并输出的，草捆16的横截面积等于打捆室1的横截面积，其中，打捆室1的横截面积为已知的，从而可通过棘轮9的转动角度获取草捆16的长度，可进一步计算得到草捆16的体积，最后可根据草捆16的重量与体积的对应关系，计算得到草捆16的密度。

进一步的，本实施例中信息处理单元还包括定位模块和数据传输模块，数据处理模块与定位模块分别通讯连接数据传输模块；定位模块用于监测方捆机的作业位置信息；数据传输模块用于将获取的数据处理模块与定位模块的信息实时传输至后台服务器。

具体的，本实施例中定位模块可采用GPS或北斗定位的方式来实时跟踪方捆机的作业位置，数据传输模块可具体采用DTU数传属模块，通过GPRS或短消息方式将获取的数据处理模块与定位模块的信息实时无线传输至后台服务器，以便在后台服务器进行相关数据的查询及监视。与此同时，信息处理单元还可设置对相关数据进行存储的存储模块，如TF卡。

进一步的，本实施例中草捆称重单元包括角度传感器4和两个拉力传感器5；参见图1，角度传感器4安装在落草板2的其中一侧边，用于检测落草板2与水平面之间的夹角；参见图1、图2，两个拉力传感器5分设在落草板2的两侧边，每个拉力传感器5的一端连接所述落草板2的一侧边，另一端连接打捆室1出口处的相应侧的侧壁；角度传感器4、拉力传感器5分别通讯连接数据处理模块。

具体的，拉力传感器5的一端连接直角支架6的一端，直角支架6的另一端与落草板2的其中一侧边相铰接；拉力传感器5的另一端连接吊环螺母7，吊环螺母7连接支撑链3的一端，支撑链3的另一端连接打捆室1出口处的相应侧的侧壁。

与此同时，在实际设计时，直角支架6与拉力传感器5相连接的固定面的宽度应大于拉力传感器5的宽度，以确保草捆16在落草板2上推出时不会与拉力传感器5产生碰撞从而造成破坏。

另外，通过在拉力传感器5的另一端设置吊环螺母7，并将吊环螺母7与支撑链3相连接，这样可以通过调节吊环螺母7的给进量，以达到调节拉力传感器5与支撑链3的连接长度，从而确保落草板2与草捆16出口截面之间的夹角处于合理的范围内。

进一步的，还可设置吊环螺母7的安装部位通过螺母进行固定，这可避免在打捆作业过程中，吊环螺母7的吊环在支撑链3的带动下产生转动，并避免吊环螺母7所产生的转动对拉力传感器5检测的准确性造成影响。

由此，在对草捆16的重量进行测量时，由于草捆16在推出时，支撑链3的张力是逐步增大的，当草捆16即将侧翻时，支撑链3张力达到最大值，从而相对于草捆16的其它输出状态而言，此时支撑链3相对处于绷直状态，在该状态下，角度传感器4和拉力传感器5所检测到的数据更具参考意义，更有利于确保对草捆16重量测量的准确性。

参见图3，根据在侧翻状态下，对草捆16与落草板2的受力分析，本实施例可以此建立草捆16在侧翻状态下，基于支撑链3张力与草捆16的重量及落草板2的重量之间的数学模型：

G_P.cosβ.(l/2)+G_B.cosβ.l＝T.sinα.d；

其中，G_B表示草捆的重量；G_P为落草板的重量，β为角度传感器检测到的落草板与水平面之间的夹角，l为落草板的长度，T为拉力传感器所检测到的拉力值；d为支撑链的安装轴孔与直角支架安装轴孔之间的距离，α为支撑链与落草板之间的夹角。

因而，根据上述数学模型可计算得到草捆16的重量G_B。

进一步的，本实施例中打捆室1的出口处的底部连接吊臂8的上端，吊臂8的下端与落草板2相对打捆室1的一侧相铰接。

具体的，参见图1，为了确保落草板2与打捆室1的出口处相应铰接结构的稳定性，本实施例在打捆室1的出口处的底部连接有两根吊臂8，两根吊臂8的下端分别与落草板2的铰接端的两侧边相铰接。

与此同时，通过在落草板2与打捆室1的出口处的铰接部位设置吊臂8，这使得落草板2与打捆室1出口处的底板呈错位安装，以形成高度差，避免前后两个草捆16同时作用在落草板2上，并由此防止对草捆16的重量检测造成影响。

进一步的，参见图1，本实施例中棘轮9机构包括棘轮9、转轴10、电机11和编码器12；棘轮9同轴安装在转轴10的中部，转轴10转动安装在落草板2的下侧并靠近落草板2的非铰接端；落草板2的非铰接端设有与棘轮9相对应的让位缺口13，棘轮9的轮缘露出至落草板2端面的上侧；电机11的输出轴与编码器12均同轴连接转轴10。

具体的，在对棘轮9的设计上，棘轮9的轮缘应适当高出落草板2表面一定高度，该高度可为15mm，这在一方面可保证推草捆16时棘轮9可以转动，另一方面避免棘轮9安装过高而导致草捆16无法推出。

在实际工作中，转轴10在电机11的驱动下，会带动棘轮9进行同步转动，由于编码器12同轴安装在转轴10上，则可通过编码器12检测棘轮9的转动角度。由图1所示的结构可知，棘轮9呈锯盘状结构，棘轮9在转动的同时，会拨动草捆16沿着落草板2下滑，从而在棘轮9的最大半径已知的情况下，通过检测草捆16在完全通过棘轮9时棘轮9所转动的角度，可相应地获取草捆16的长度，其中，草捆16的长度和体积可参考如下方程：

L＝θ/360*2π*r；

V＝L*h*b；

其中，L表示单个草捆的长度，θ为棘轮的转动角度，r为棘轮的最大半径，h为打捆室的高度，b为打捆室的宽度。

由于棘轮9的最大半径及打捆室1的高度和宽度均为已知参数，在检测到单个草捆16完全通过棘轮9时棘轮9所转动的角度的情况下，可通过上述方程获取草捆16的体积。

进一步的，本实施例中棘轮9机构还包括摩擦盘14与摩擦垫块15；摩擦盘14同轴安装在转轴10上，摩擦垫块15安装在落草板2上，摩擦盘14的盘沿与摩擦垫块15相接触。

具体的，参见图1，通过摩擦盘14与摩擦垫块15的接触配合，可有效避免在工作中由于方捆机的振动而导致棘轮9产生空转。

进一步的，参见图4，本实施例还提供了一种基于上述方捆机出口草捆16密度监测装置的监测方法，包括：

S1，通过草捆称重单元获取草捆的重量；

S2，检测草捆从落草板上滑落的过程中棘轮的转动角度，获取草捆的长度，并根据打捆室的横截面积与草捆的长度，计算得到草捆的体积；

S3，根据草捆的重量与体积的对应关系，计算得到草捆的密度。

具体的，基于上述实施例可知，在步骤S1中，可通过设置在落草板2上的一个角度传感器4和两个拉力传感器5，并在草捆16处于侧翻状态时，建立基于落草板2的力矩平衡方程，以此来获取草捆16的重量；与此同时，在步骤S2中，可通过设置编码器12及其角度检测设备监测棘轮9的转动角度，并建立基于草捆16的长度和体积的数学方程，以此计算得到草捆16的体积，从而在步骤S3中，可通过将草捆16的重量除以其体积，得到草捆16的密度。

由此可见，本实施例所示的监测方法操作简单、便捷，可十分便捷地对方捆机出口实时输出的草捆16密度进行检测，其检测数据准确，这可为方捆机作业质量评价提供有力的数据支撑。

在此应当指出的是，本实施例所涉及到的角度传感器4、拉力传感器5及编码器12分别通过相应信号线与数据采集变送器相连接，数据采集变送器将各个检测部件检测到的模拟信号转换成数字信号，转化后的数字信号通过信号线连接到信息处理单元中的数据处理模块(CPU)，由数据处理模块按照相应的数学模型进行解析计算，以得到各个单一草捆16的密度。

进一步的，参见图4，本实施例中还包括：S4，将方捆机的作业位置信息与各个草捆的密度信息实时传输至后台服务器。

具体的，通过将相应的数据信息实时传输至后台服务器，可以方便相关技术人员在后台进行信息查询与监视。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。