農(nóng)用機(jī)械扭轉(zhuǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的原理及方法

陳紹志 張玉華 孫 偉

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院 山東 濰坊 262500）

農(nóng)用機(jī)械扭轉(zhuǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的原理及方法

陳紹志 張玉華 孫 偉

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院 山東 濰坊 262500）

本文介紹了某農(nóng)用機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的原理及方法，簡(jiǎn)要說(shuō)明了農(nóng)用機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力采集的基本原理，主要利用惠斯通電橋電路把應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，從而采集到數(shù)據(jù)信息；闡述了應(yīng)變片的粘貼過(guò)程及注意事項(xiàng)，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集，為載荷譜在農(nóng)用機(jī)械中的工程分析提供了借鑒。

應(yīng)變片；惠斯通電橋；數(shù)據(jù)采集；載荷譜

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，農(nóng)用機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要，人們對(duì)農(nóng)用機(jī)械的要求也越來(lái)越高。為提高農(nóng)用機(jī)械的效率，既要達(dá)到機(jī)械輕量化，又要滿足強(qiáng)度要求，因此機(jī)械扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測(cè)試就顯得非常重要。

針對(duì)農(nóng)用機(jī)械田間農(nóng)作物收割和道路正常行駛兩種工況，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測(cè)試，本文主要介紹了傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力采集的原理以及方法。

1 旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測(cè)試原理

由材料力學(xué)可知，軸的材料、尺寸確定以后，在扭矩作用下，軸會(huì)存在剪應(yīng)變和兩個(gè)端面的相對(duì)轉(zhuǎn)角只和軸所受扭轉(zhuǎn)載荷的大小有關(guān)，并呈正比例關(guān)系。這時(shí)軸表面單元體的狀態(tài)為純剪切，剪切應(yīng)力也達(dá)到最大，方向?yàn)檩S表面與軸線成45°或135°角的主方向。

扭轉(zhuǎn)傳感器是粘貼在旋轉(zhuǎn)軸兩個(gè)主應(yīng)力方向(軸表面與軸線成45°或135°角的方向)的應(yīng)變片，然后根據(jù)應(yīng)變片布置電橋。旋轉(zhuǎn)軸所受的剪應(yīng)變會(huì)引起旋轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)變片相對(duì)轉(zhuǎn)角的變化，通過(guò)電橋把這個(gè)變化轉(zhuǎn)化成電量，再通過(guò)胡克定律和扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算，即可以獲得旋轉(zhuǎn)軸所受到的扭矩值。

2 惠斯通電橋電路

應(yīng)變表示的是伸長(zhǎng)率(或壓縮率)，無(wú)量綱。由于量值很小，通常用1×10-6“微應(yīng)變”表示。應(yīng)變片是帶有金屬箔材的特殊材料，將應(yīng)變片貼在被測(cè)定的旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸在工作過(guò)程中在荷載的作用下，應(yīng)變片拉伸或壓縮，從而導(dǎo)致電阻的變化。由于旋轉(zhuǎn)軸在工作過(guò)程中，應(yīng)變只是相當(dāng)微小的變化，電阻的變化也非常微小，一般的電阻計(jì)無(wú)法達(dá)到要求，然而惠斯通電橋可以用于檢測(cè)微小電阻變化，應(yīng)變片的微應(yīng)變就是利用惠斯通電橋電路的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量的?；菟雇姌螂娐啡鐖D1所示。

圖1 惠斯通電橋電路示意圖

當(dāng)R1=R2=R3=R4或是R1×R2=R3×R4時(shí)，惠斯通電橋電路達(dá)到平衡條件，此時(shí)輸入電壓的變化對(duì)輸出電壓沒(méi)什么影響，輸出電壓為0。如果電阻值發(fā)生變化，不再滿足平衡條件，就會(huì)產(chǎn)生與電阻變化相對(duì)應(yīng)的輸出電壓。

當(dāng)應(yīng)變片分別引起R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4的變化時(shí)，輸出電壓為

3 旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的采集方法

3.1 應(yīng)變片的粘貼要領(lǐng)

圖2 應(yīng)變片的粘帖步驟示意圖

3.1.1 首先選擇合適的應(yīng)變片，應(yīng)變片的電阻值、靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)系數(shù)和溫度特性等參數(shù)要達(dá)到要求。我們根據(jù)某農(nóng)用機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸的規(guī)格，選用靈敏度系數(shù)為2.5，電阻值為300Ω，能夠耐高溫的金屬箔式扭矩測(cè)量專用應(yīng)變片。

3.1.2 應(yīng)變片所要粘貼的目標(biāo)位置表面要足夠光滑，以大于應(yīng)變片面積3～5倍的范圍進(jìn)行打磨，去除銹跡、涂漆和鍍金等。

3.1.3 在目標(biāo)位置使用4H以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器沿著應(yīng)變的方向做好記號(hào)。

3.1.4 用脫脂棉蘸丙酮溶液對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行清潔。要沿著一個(gè)方向用力擦拭清潔，不能來(lái)回擦拭，否則會(huì)使污物反復(fù)附著，影響清潔效果。

3.1.5 確認(rèn)應(yīng)變片的正反面。向應(yīng)變片的背面滴一滴502膠水。為防止粘貼劑出現(xiàn)硬化，使粘性下降，因此不能使用涂抹的方式。

3.1.6 將滴有粘貼劑的應(yīng)變片立即粘在所作記號(hào)的中心位置，蓋上附帶的聚乙烯樹(shù)脂片，并在上面用手指加壓。

3.1.7 加壓2min左右，移除聚乙烯樹(shù)脂片，確認(rèn)粘貼效果，不牢固需重新操作。

3.2 數(shù)據(jù)采集。根據(jù)農(nóng)用機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用無(wú)線扭矩測(cè)試系統(tǒng)較為方便。將應(yīng)變片、電池、無(wú)線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)固定在傳動(dòng)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。傳感器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)接收，電腦中的測(cè)試軟件接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)采集前需對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

隨著產(chǎn)品不斷升級(jí)以及新產(chǎn)品研制，產(chǎn)品的創(chuàng)新升級(jí)不能僅僅依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。企業(yè)新產(chǎn)品在試驗(yàn)樣機(jī)階段，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)用機(jī)械的主要工作部件進(jìn)行充分驗(yàn)證，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。本文對(duì)農(nóng)用機(jī)械扭轉(zhuǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的原理及方法給予了充分的說(shuō)明，為農(nóng)用機(jī)械后續(xù)產(chǎn)品的性能分析、產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)以及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了重要的實(shí)驗(yàn)手段，有效縮短了研發(fā)周期并降低了研發(fā)成本。

[1]朱濤，宋健，李亮.復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)工況的轉(zhuǎn)向拉桿室內(nèi)加速疲勞試驗(yàn) [J].公路交通科技，2011，27(2)： 129～132.

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[3]高鎮(zhèn)同.疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

[4]高翔，嚴(yán)國(guó)云.拖拉機(jī)載荷分析的概率方法 [J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，12(4)：7～13.