大功率拖拉機(jī)電液提升專用力傳感器磁路設(shè)計(jì)與仿真

李瑞川 郭 坤 楊俊茹 徐繼康 赤玉榮

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 青島 266590； 2.山東五征集團(tuán)， 日照 276800； 3.山東科技大學(xué)交通學(xué)院， 青島 266590；4.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院， 日照 276800)

大功率拖拉機(jī)電液提升專用力傳感器磁路設(shè)計(jì)與仿真

李瑞川1,2郭 坤1楊俊茹1徐繼康3,4赤玉榮1

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 青島 266590； 2.山東五征集團(tuán)， 日照 276800； 3.山東科技大學(xué)交通學(xué)院， 青島 266590；4.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院， 日照 276800)

基于壓磁效應(yīng)原理，對(duì)大馬力拖拉機(jī)電液提升控制專用力傳感器的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。分析了該力傳感器的工況和現(xiàn)有柱狀磁芯型力傳感器的磁路工作原理，并針對(duì)其不足提出了一種十字芯型的力傳感器磁路結(jié)構(gòu)方案，將現(xiàn)有柱狀磁芯型力傳感器產(chǎn)品的受力維度從二維變?yōu)槿S，在同等受力變形的基礎(chǔ)上增大了磁路結(jié)構(gòu)的變形程度，增加了磁場(chǎng)的偏置程度，提高了傳感器的靈敏度與線性度。建立了磁結(jié)構(gòu)的三維模型與磁路數(shù)學(xué)模型，并基于Matlab/Simulink模塊分別建立了柱狀磁芯型與十字芯型2種力傳感器的系統(tǒng)仿真模型。結(jié)果表明，與柱狀磁芯型力傳感器相比，十字芯型力傳感器線性度由1.85%降低為0.08%，靈敏度由0.09 mV/kN提高為0.21 mV/kN，適用于重載荷作用下電液提升系統(tǒng)中力的測(cè)量與控制，能夠更好地適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，提升拖拉機(jī)的耕作效果。

力傳感器； 大馬力拖拉機(jī)； 壓磁效應(yīng)； 磁路設(shè)計(jì)； 電液提升控制

引言

在電液提升控制過程中，土壤阻力是主要的控制信號(hào)之一。作為電液提升控制的主要信號(hào)接收裝置，力傳感器是電液提升器的核心部件之一。其性能直接影響到懸掛農(nóng)具的作業(yè)質(zhì)量。考慮其工作環(huán)境，要求其具有較大的重載荷承受能力，且需在微小應(yīng)變的前提下具有良好的線性輸出。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)電液提升控制方面的研究主要集中在力位綜合控制等系統(tǒng)控制策略等方面[1-5]。包括力傳感器在內(nèi)的核心零部件產(chǎn)品基本為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷，這種局面嚴(yán)重地制約著我國(guó)高端農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展。這種現(xiàn)狀與土地集約化經(jīng)營(yíng)、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、國(guó)家糧食安全的要求不相適應(yīng)。

壓磁式阻力傳感器的工作原理就是將外力的變化轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)的變化，再通過其他手段將磁場(chǎng)的變化檢測(cè)出來。相比于應(yīng)變片式等其他幾種阻力測(cè)量方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：承載能力強(qiáng)，適用于重載環(huán)境下力的測(cè)量；輸出功率大，信號(hào)強(qiáng)，抗干擾能力好，能夠在惡劣環(huán)境工況下保持較好的工作狀態(tài)[6-8]。因此，在國(guó)內(nèi)外均得到了廣泛應(yīng)用[9-18]。本文分析力傳感器的實(shí)際工況，研究并提出一種十字芯型的力傳感器磁路結(jié)構(gòu)方案，在同等受力變形的基礎(chǔ)上增加磁場(chǎng)的偏置程度，以提高傳感器的靈敏度。

1 力傳感器工況分析與柱狀磁芯型力傳感器

1.1 力傳感器工況分析

在現(xiàn)代大馬力拖拉機(jī)智能化電液提升控制系統(tǒng)中，所需傳感器主要包括：雷達(dá)測(cè)速傳感器、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器以及力傳感器[19]，其所處位置如圖1所示。

圖1 傳感器安裝位置示意圖Fig.1 Schematic of sensor installation location1.雷達(dá)測(cè)速傳感器 2.轉(zhuǎn)速傳感器 3.力傳感器 4.位移傳感器

其中，力傳感器位于懸掛系統(tǒng)下拉桿的鉸座孔中，其作用為：①拖拉機(jī)耕種作業(yè)時(shí)檢測(cè)懸掛農(nóng)具所受的土壤阻力，用于拖拉機(jī)電液提升控制。②正常行駛時(shí)檢測(cè)懸掛農(nóng)具對(duì)拖拉機(jī)車身的壓力，尤其是在不平坦的路面上行駛時(shí)對(duì)車身造成的壓力沖擊，用于拖拉機(jī)的減震控制。③為拖拉機(jī)滑差控制提供參考信號(hào)。

懸掛系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中，AC為提升臂，BD為油缸活塞，CF為連桿，EG為下拉桿，E點(diǎn)為力傳感器所在位置，G點(diǎn)為懸掛裝置所連接的位置之一。在拖拉機(jī)耕作過程中，由油缸推動(dòng)提升臂，經(jīng)連桿作用到下拉桿上，進(jìn)而帶動(dòng)位于下拉桿外端部的懸掛機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)。下拉桿另一端作用在力傳感器上，這就是本文所研究的力傳感器受力來源。

圖2 懸掛系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of suspension mechanism

對(duì)下拉桿EG進(jìn)行受力分析，如圖3所示。分析可知，作用于傳感器位置E上的力可以分解為水平方向分力與豎直方向上的分力，且有

(1)

式中θ——連桿CF與豎直方向夾角FCF——油缸作用在連桿CF上的拉力FEx、FEy——傳感器受到的水平、豎直方向分力，其大小與懸掛負(fù)載以及下拉桿與水平方向夾角α有關(guān)

FGx、FGy——懸掛點(diǎn)G所受到的水平、豎直方向分力，其大小與懸掛裝置本身質(zhì)量以及土壤阻力有關(guān)

圖3 下拉桿受力圖Fig.3 Force diagram of lower link

由式(1)變形可得

(2)

又

(3)

式中G——懸掛裝置自身重力Ff——拖拉機(jī)所受土壤阻力

由上述分析可知，位于E點(diǎn)處的力傳感器所檢測(cè)到的力，既包含了土壤阻力，同時(shí)還反映出了懸掛機(jī)構(gòu)的位置信息。后者可以通過提升臂鉸接處(A點(diǎn)處)的位移傳感器來測(cè)量，如圖1所示。因此，為準(zhǔn)確地反映土壤阻力Ff的大小，除了需要位于E點(diǎn)處的力傳感器的測(cè)量值之外，還需要位移傳感器的測(cè)量值，將二者綜合處理，通過一定的函數(shù)關(guān)系來得出土壤阻力Ff的實(shí)際值。這部分涉及到電液提升控制器中的信號(hào)處理與控制策略，本文不做過多研究。

1.2 柱狀磁芯型力傳感器

德國(guó)某公司生產(chǎn)的一款專門用于大馬力拖拉機(jī)電液提升控制的柱狀磁芯型力傳感器。其工作原理為：在無(wú)負(fù)載條件下，通過磁極之間的初級(jí)線圈形成一個(gè)對(duì)稱磁場(chǎng)。當(dāng)檢測(cè)到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力時(shí)，則原來各向同性材料的磁性就會(huì)發(fā)生變化，從而使磁場(chǎng)變成非對(duì)稱狀態(tài)，導(dǎo)致次級(jí)線圈之間形成磁位差，使次級(jí)回路中有磁通量流過。這樣，就能在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流[20]。其磁路結(jié)構(gòu)包括勵(lì)磁磁芯及線圈、中間磁路和感應(yīng)磁芯及線圈3部分。其勵(lì)磁磁芯采用柱狀結(jié)構(gòu)，用于承受磁芯軸向方向的剪切應(yīng)力。其磁路三維模型如圖4所示。

圖4 柱狀磁芯型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)三維模型Fig.4 3D model of internal magnetic circuit structure of columnar excitating magnetic core type draft sensor1.感應(yīng)磁芯 2.感應(yīng)線圈 3.勵(lì)磁磁芯 4.勵(lì)磁線圈

2 新型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

在上述力傳感器產(chǎn)品中，受力件勵(lì)磁磁芯為柱狀結(jié)構(gòu)，其在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切變形，進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部不同方向上的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，繼而引發(fā)磁場(chǎng)發(fā)生偏置。其中，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其所受外力均來自同一方向，不受其他方向上的作用力影響。引發(fā)磁芯磁導(dǎo)率變化的受力只是一個(gè)方向上的剪切應(yīng)力。

根據(jù)前文中傳感器工況分析可知，作用在傳感器位置上的力可以分解為水平方向分力與豎直方向上的分力。因此，根據(jù)這一工況特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種十字芯型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)方案，同圖4所示傳感器結(jié)構(gòu)相比，增加了一個(gè)正交方向的受力結(jié)構(gòu)，并改變相應(yīng)的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠同時(shí)檢測(cè)水平與豎直方向上的作用力，其結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 十字芯型力傳感器磁結(jié)構(gòu)三維模型Fig.5 3D model of magnetic circuit structure of cruciform excitating magnetic core type draft sensor

比較圖4和圖5兩種傳感器磁路結(jié)構(gòu)，對(duì)于十字芯型力傳感器結(jié)構(gòu)來講，當(dāng)只有水平方向勵(lì)磁線圈工作時(shí)，其工作原理與工作過程與圖4所示傳感器完全相同；當(dāng)水平、豎直方向線圈同時(shí)工作時(shí)，豎直方向線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將疊加在原有勵(lì)磁磁場(chǎng)上，受力時(shí)，其磁場(chǎng)偏置趨勢(shì)也與原有磁場(chǎng)的偏置趨勢(shì)相同，因此，增加了磁場(chǎng)偏置程度。

在該方案中，采用十字形勵(lì)磁磁芯結(jié)構(gòu)，包括水平勵(lì)磁結(jié)構(gòu)與豎直勵(lì)磁結(jié)構(gòu)兩部分，同時(shí)承受套筒剪切面上水平、豎直2個(gè)方向上的剪切作用力，繼而影響勵(lì)磁磁場(chǎng)的對(duì)稱分布情況，從而使得感應(yīng)線圈產(chǎn)生輸出信號(hào)。其裝配圖與受力方式如圖6所示。

圖6 十字芯型力傳感器磁結(jié)構(gòu)裝配及受力示意圖Fig.6 Assembly drawing and force diagram of magnetic circuit structure of cruciform excitating magnetic core type draft sensor

在該方案中，力傳感器可以同時(shí)檢測(cè)水平與豎直方向上的作用力，二者疊加，共同構(gòu)成傳感器的輸出信號(hào)。這樣，其受力方式由二維方向上的受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿S方向上的受力，可以更好地適應(yīng)拖拉機(jī)電液提升器的實(shí)際工況。

3 磁路數(shù)學(xué)模型

由十字芯型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其勵(lì)磁磁芯產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)包括兩部分，分別為豎直方向線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)FMz與水平方向線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)FMp,其產(chǎn)生的磁通量分別為Φ0z、Φ0p，如圖7所示。

圖7 十字芯型力傳感器勵(lì)磁磁芯磁通流向示意圖Fig.7 Schematic of flux direction of excitation core of cruciform excitating magnetic core type draft sensor

令水平方向與豎直方向纏繞線圈匝數(shù)均為N，且水平、豎直方向線圈串聯(lián)連接，則有

FMz=FMp=NI

(4)

FM=FMz+FMp=2NI

(5)

式中I——?jiǎng)?lì)磁電流FM——總磁動(dòng)勢(shì)

對(duì)于水平方向的勵(lì)磁磁極來講，在不考慮漏磁影響的前提下，水平方向勵(lì)磁線圈磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通Φ0p經(jīng)過套筒分別進(jìn)入4個(gè)感應(yīng)磁極，由磁通的連續(xù)性可知

Φ0p=Φ1p+Φ2p+Φ3p+Φ4p

(6)

式中Φnp——從水平方向勵(lì)磁磁芯流向感應(yīng)磁極n的磁通量(n=1，2，3，4)

由于其N極與4個(gè)感應(yīng)磁極的空間距離相同，因此有

Φ1p=Φ2p=Φ3p=Φ4p

(7)

其中，流經(jīng)感應(yīng)磁極1的磁通Φ1p經(jīng)過中間磁路傳導(dǎo)，通過其他3個(gè)感應(yīng)磁極返回勵(lì)磁磁芯，構(gòu)成完整的磁回路，則有

Φ1p=Φ12p+Φ13p+Φ14p

(8)

式中Φ1np——水平勵(lì)磁磁芯產(chǎn)生的從感應(yīng)磁極1流向感應(yīng)磁極n的磁通量(n=1，2，3，4)

另外，由磁路歐姆定律得

(9)

式中Rn——感應(yīng)磁極n的磁阻，n=1，2，3，4RM——?jiǎng)?lì)磁磁芯的磁阻R0——磁路中其他部分的總磁阻，包括套筒以及其與勵(lì)磁磁芯、感應(yīng)磁芯連接部分

Rz——磁路總磁阻

同理，對(duì)于從水平勵(lì)磁磁芯流向其他感應(yīng)磁極的磁通Φnp，有

(10)

由磁場(chǎng)的對(duì)稱性可知

(11)

因此，聯(lián)立式(7)可得

(12)

由水平方向勵(lì)磁線圈產(chǎn)生并通過各感應(yīng)磁極的總磁通分別為

(13)

對(duì)于豎直方向勵(lì)磁磁極來說，由圖7可知，其N極到4個(gè)感應(yīng)磁極的距離不相等，其中，距離感應(yīng)磁極1、3的距離相對(duì)較近，相應(yīng)的，其磁路磁阻相對(duì)較小，通過的磁通較大；距離感應(yīng)磁極2、4的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，其磁路磁阻相對(duì)較大，通過的磁通較小。因此

Φ1z=Φ3z>Φ2z=Φ4z

式中Φnz——從豎直方向勵(lì)磁磁芯流向感應(yīng)磁極n的磁通量,n=1，2，3，4

相應(yīng)有

(14)

式中Φmnz——豎直方向勵(lì)磁磁芯產(chǎn)生的從感應(yīng)磁極m流向感應(yīng)磁極n的磁通量,m，n=1，2，3，4

由于感應(yīng)磁芯結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，可使得從某感應(yīng)磁極流向其他3個(gè)感應(yīng)磁極的磁通量相等，即

(15)

由豎直方向勵(lì)磁線圈產(chǎn)生并通過各感應(yīng)磁極的總磁通量分別為

(16)

水平方向與豎直方向的磁場(chǎng)作用相互疊加，可得通過各感應(yīng)磁極的總磁通量為

Φn0=Φn0z+Φn0p

(17)

由勵(lì)磁磁芯流向各感應(yīng)磁極的磁通量為

Φn=Φnz+Φnp

(18)

磁路內(nèi)部從感應(yīng)磁極m流向感應(yīng)磁極n的磁通量為

Φmn=Φmnz+Φmnp

(19)

因此，不受力時(shí)，各感應(yīng)線圈輸出電壓為

(20)

各感應(yīng)線圈差動(dòng)連接后，輸出電壓為

(21)

傳感器整體的磁回路如圖8所示。

圖8 整體磁回路示意圖Fig.8 Schematic of integral magnetic circuit

受力時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生偏置，由于勵(lì)磁磁芯沿不同方向上的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，因此，從勵(lì)磁磁芯流向各感應(yīng)磁極的磁通量產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由于勵(lì)磁磁芯磁阻由RM變?yōu)镽′M，從勵(lì)磁磁芯流向感應(yīng)磁極1的磁通量Φ′1變?yōu)?/p>

(22)

其中

(23)

(24)

式中l(wèi)M——感應(yīng)磁芯等效長(zhǎng)度SM——等效橫截面積μM——?jiǎng)?lì)磁磁芯的磁導(dǎo)率 ΔμM——受力后勵(lì)磁磁芯的磁導(dǎo)率變化量λs——材料飽和磁致伸縮系數(shù)Bs——材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度σ——材料內(nèi)部所受機(jī)械應(yīng)力

對(duì)于從勵(lì)磁磁芯流向感應(yīng)磁極3的磁通量Φ′3，有

(25)

其中

(26)

各磁通量分別變?yōu)棣怠鋗n與Φ′n，因此，各感應(yīng)磁極的總磁通Φ′n0變?yōu)?/p>

(27)

由上述分析可知，勵(lì)磁磁芯磁導(dǎo)率μM的變化是導(dǎo)致上述磁通發(fā)生變化的因素，而導(dǎo)致μM產(chǎn)生變化的原因除了所受應(yīng)力σ的變化之外，還有材料本身的影響。再加上可以影響磁通的最重要的因素——?jiǎng)?lì)磁電流I，因此，式(27)可記為

(28)

各感應(yīng)線圈輸出電壓為

(29)

傳感器輸出電壓為

(30)

4 磁路仿真分析

在Matlab/Simulink中分別建立柱狀磁芯型與十字芯型2種力傳感器模型，如圖9、10所示，二者均采用正弦電流作為勵(lì)磁信號(hào)。

圖9 柱狀磁芯型力傳感器系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of columnar excitating magnetic core type draft sensor

圖10 十字芯型力傳感器系統(tǒng)仿真模型Fig.10 Simulation model of cruciform excitating magnetic core type draft sensor

對(duì)比圖9、10可知，在十字芯型力傳感器系統(tǒng)仿真模型中，包括豎直勵(lì)磁與水平勵(lì)磁兩部分。其中，水平勵(lì)磁部分與圖9所示的柱狀磁芯型力傳感器系統(tǒng)仿真模型相同。

當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，兩傳感器的各線圈輸出信號(hào)分別如圖11、12所示。兩傳感器輸出信號(hào)如圖13所示。經(jīng)濾波處理后，輸出均為零。

輸入外力為80 kN時(shí)，兩傳感器各線圈輸出信號(hào)分別如圖14、15所示。各線圈信號(hào)經(jīng)差動(dòng)連接后輸出，得兩傳感器輸出信號(hào)如圖16所示。

令輸入信號(hào)分別為20、40、60、100 kN，兩傳感器輸出信號(hào)分別如圖17、18所示。

因此，2種傳感器輸入輸出關(guān)系如表1所示。

表1 傳感器輸入輸出關(guān)系Tab.1 Input-output relation of sensor

100 kN以內(nèi)，2種傳感器輸出特性曲線如圖19所示。

擬合后的柱狀磁芯型力傳感器輸出特性曲線方程為

圖11 輸入信號(hào)為0時(shí)，柱狀磁芯型力傳感器各線圈輸出信號(hào)Fig.11 Output signals of each induction coil of columnar excitating magnetic core type draft sensor with zero input

圖12 輸入信號(hào)為0時(shí)，十字芯型力傳感器各線圈輸出信號(hào)Fig.12 Output signals of each induction coil of cruciform excitating magnetic core type draft sensor with zero input

圖13 輸入信號(hào)為0時(shí)，傳感器輸出信號(hào)Fig.13 Output signals of two sensors with zero input

圖14 輸入信號(hào)為80 kN時(shí)，柱狀磁芯型力傳感器各線圈輸出信號(hào)Fig.14 Output signals of each induction coil of columnar excitating magnetic core type draft sensor with 80 kN force input

圖15 輸入信號(hào)為80 kN時(shí)，十字芯型力傳感器各線圈輸出信號(hào)Fig.15 Output signals of each induction coil of cruciform excitating magnetic core type draft sensor with 80 kN force input

圖16 輸入信號(hào)為80 kN時(shí)，傳感器輸出信號(hào)Fig.16 Output signals of two sensors with 80 kN force input

圖17 不同輸入信號(hào)時(shí)，柱狀磁芯型力傳感器輸出信號(hào)Fig.17 Output signals of columnar excitating magnetic core type draft sensor with different force input

圖18 不同輸入信號(hào)時(shí)，十字芯型力傳感器輸出信號(hào)Fig.18 Output signals of cruciform excitating magnetic core type draft sensor with different force input

圖19 傳感器輸出特性曲線Fig.19 Output characteristic curves of two sensorsy=0.093 8x-0.036 2

(31)

其線性度為1.85%，靈敏度為0.09 mV/kN。

十字芯型力傳感器輸出特性曲線方程為

y=0.212 1x-0.001

(32)

其線性度為0.08%，靈敏度為0.21 mV/kN。

由圖19可知，在相同外力作用下，十字芯型傳感器輸出幅度明顯高于柱狀磁芯型傳感器輸出幅度，其靈敏度大大提高，增幅為133%。同時(shí)，線性度由1.85%降低為0.08%，有了明顯的改善。分析其原因?yàn)椋罕疚乃O(shè)計(jì)的十字芯型力傳感器同時(shí)受水平、豎直方向外力共同作用，其勵(lì)磁磁場(chǎng)也來源于2個(gè)勵(lì)磁線圈作用的疊加，其磁路復(fù)雜程度高于柱狀磁芯型力傳感器，在同等受力情況下，其磁場(chǎng)的偏置程度也相應(yīng)增加，使得傳感器靈敏度增大。

5 結(jié)論

(1)分析了現(xiàn)有柱狀磁芯型力傳感器產(chǎn)品的工作原理及磁路結(jié)構(gòu)，結(jié)合力傳感器的實(shí)際工況，基于壓磁效應(yīng)原理，提出了一種十字芯型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)方案，使其能夠同時(shí)承受水平與豎直方向上的作用力，將現(xiàn)有產(chǎn)品二維方向上的受力變形，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S方向上的受力變形，在同等受力的情況下增大了內(nèi)部磁場(chǎng)的變形程度，提高了其靈敏度，更適用于大馬力拖拉機(jī)電液提升器的實(shí)際工況。

(2)建立了十字芯型力傳感器磁路結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，分析了該傳感器工作時(shí)內(nèi)部磁通的流動(dòng)變化情況，得出了影響磁場(chǎng)變化的3個(gè)要素，即材料磁導(dǎo)率μM、勵(lì)磁電流I以及所受應(yīng)力σ。

(3)分別建立了柱狀磁芯型力傳感器與十字芯型力傳感器系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有的柱狀磁芯型力傳感器，本文提出的十字芯型力傳感器磁路方案具有良好的線性度與靈敏度，其線性度為由1.85%降低為0.08%，靈敏度由0.09 mV/kN提高為0.21 mV/kN，增幅為133%。

1 郭兵.拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)力位綜合控制技術(shù)研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2013. GUO Bing. Research of force-position combined control for tractor electro-hydraulic hitch system [D].Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2013.(in Chinese)

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Magnetic Circuit Design and Simulation of Draft Sensor in Electro-hydraulic Lifting Mechanism of High-power Tractor

LI Ruichuan1,2GUO Kun1YANG Junru1XU Jikang3,4CHI Yurong1

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China2.ShandongWuzhengGroup，Rizhao276800,China3.CollegeofTransportation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China4.ShandongHaizhuoResearchInstituteofElectro-hydraulicControlEngineeringTechnology，Rizhao276800,China)

Based on magnetoelastic effect, the magnetic circuit of the draft sensor, which was used in electro-hydraulic lifting mechanism of high-power tractor, was learned and designed. According to the analysis of the working condition and the structure of the same type product abroad which used a columnar excitating magnetic core to create the working magnetic field, a new kind of magnetic structure was designed, which changed the excitating magnetic core from columnar to cruciform, so that changed the mechanical dimensions from 2D to 3D. For the design, bear force from horizontal and vertical directions in the same time, which resulted in the shear deformation in both directions, it also made greater change of the magnetic field, and it is more comfortable under actual working conditions. The 3D model was built to show the structure of the draft sensor with cruciform excitating magnetic core, and the mathematical model was built, which could describe the operating principle and working process of the magnetic circuit in detail. Then according to the mathematical model, the simulations of two kinds of draft sensor were made by Matlab/Simulink. By comparing the two simulations, the result showed that the linearity of this new design with a cruciform excitating magnetic core was changed from 1.85% to 0.08%. And the sensitivity was changed from 0.09 mV/kN to 0.21 mV/kN, which proved that the new design of draft sensor with cruciform excitating magnetic core was more suitable for the force measurement and control of electro-hydraulic lifting mechanism under the condition of heavy load, which can be more adaptable for bad working environment to improve the tillage effect.

force sensor； high-power tractor; magnetoelastic effect； magnetic circuit design； electro-hydraulic lifting control

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.043

2016-12-01

2017-02-07

國(guó)家發(fā)改委增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(1511010015)

李瑞川(1964—)，男，研究員，主要從事智能傳感控制技術(shù)研究，E-mail: liruichuan808@126.com

楊俊茹(1969—)，女，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化研究，E-mail: jryangzhang@163.com

TP212.1； TM14

A

1000-1298(2017)08-0358-10