振動式挖掘機(jī)驅(qū)動動力的測試系統(tǒng)

文學(xué)洙， 張靈曉

( 1.延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002； 2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000 )

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷發(fā)展，很多經(jīng)濟(jì)作物的挖掘工作都已采用專用的收獲機(jī)來進(jìn)行，如馬鈴薯、紅薯、桔梗、花生等.目前，馬鈴薯挖掘機(jī)的使用類型主要為牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)和振動式挖掘機(jī)，其中牽引式馬鈴薯挖掘機(jī)因體積較大，所以只適用于種植面積較大的作業(yè)區(qū)域，并不適合在坡度大、小地塊區(qū)域作業(yè).為此國內(nèi)外一些研究者對振動式挖掘機(jī)進(jìn)行了研究，其研究可分為3個方面：一是挖掘鏟的入土角度α、 拖拉機(jī)的前進(jìn)速度V、 振動源或挖掘鏟的振幅A、 振動頻率f等作業(yè)參數(shù)對挖掘機(jī)作業(yè)質(zhì)量的影響，或由V、A、f定義的參數(shù)λ、ρ、K、T對挖掘機(jī)作業(yè)質(zhì)量的影響[1-9]；二是參數(shù)λ、ρ、K、T對振動挖掘機(jī)牽引阻力或驅(qū)動扭矩的影響[10-16]；三是參數(shù)λ、ρ、K、T對振動式挖掘機(jī)牽引動力、驅(qū)動動力和消耗動力的影響[17-19].

在振動式挖掘機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)與挖掘機(jī)連接的拖拉機(jī)動力遠(yuǎn)大于振動式挖掘機(jī)實(shí)際所消耗的動力的現(xiàn)象.出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于廠家一般不提供挖掘機(jī)所能消耗的動力，若農(nóng)戶使用較小動力的拖拉機(jī)就無法帶動挖掘機(jī)正常工作，因此農(nóng)戶只能使用大功率的拖拉機(jī)來帶動挖掘機(jī).另外，即使廠家標(biāo)識了挖掘機(jī)所能消耗的動力的大小，但因考慮成本因素，普通農(nóng)戶很少去購買與之匹配的拖拉機(jī).因此，有必要測定振動式挖掘機(jī)在工作時所消耗的總動力(驅(qū)動動力和牽引動力)，據(jù)此選擇合理的拖拉機(jī)與之匹配，以減少作業(yè)成本和節(jié)省能源.確定振動式挖掘機(jī)的驅(qū)動動力，就必須測量振動式挖掘機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速.目前,已有許多學(xué)者對振動式挖掘機(jī)的牽引阻力進(jìn)行了研究，但未見對其驅(qū)動動力的研究報(bào)道.基于此，本文利用LabVIEW圖形化編程語言和扭矩測量儀等，設(shè)計(jì)一種測量振動式挖掘機(jī)驅(qū)動動力的測試系統(tǒng).

1 驅(qū)動動力測試系統(tǒng)的組成

1.1 測試系統(tǒng)的硬件組成

本文設(shè)計(jì)的振動式挖掘機(jī)驅(qū)動動力測試系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩測量儀、動態(tài)應(yīng)變放大器、驅(qū)動軸位置測量裝置、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集卡輸入/輸出連接板及計(jì)算機(jī)等組成.

扭矩測量儀(型號為TMNR-50KM)為INEBEA.CO.，LTD.生產(chǎn)，其測量的最大扭矩為50 kgf·m，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min.動態(tài)應(yīng)變放大器(DPM-711B)為日本共和電器(KYOWA)生產(chǎn)，其應(yīng)變范圍設(shè)定為0～5 000×10-6，通濾波器設(shè)置為30 Hz.由于扭矩測量儀輸出的模擬信號較弱，本文應(yīng)用動態(tài)應(yīng)變放大器將扭矩測量儀輸出的模擬信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器的變化范圍內(nèi)(-5～+5 V)，模擬信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入/輸出連接板后變?yōu)閿?shù)值信號，并通過LabVIEW程序存到電腦里.

在驅(qū)動凸輪軸上安裝葉片，葉片的安裝角度θ分為36°、72°、108°和144°.在此安裝狀況下，當(dāng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)時：因0°<θ<36°區(qū)間是葉片缺口部分，所以紫外線發(fā)光器發(fā)射的光能通過該缺口；因36°≤θ<72°區(qū)間是葉片存在部分，所以該區(qū)間能遮擋紫外線發(fā)光器發(fā)射的光；因72°≤θ<108°區(qū)間是葉片缺口部分，所以紫外線發(fā)光器發(fā)射的光能通過該缺口；因108°≤θ<144°區(qū)間是葉片存在部分，所以該區(qū)間能遮擋紫外線發(fā)光器發(fā)射的光.當(dāng)振動挖掘鏟處于最低處，在驅(qū)動軸位置測量葉片缺口時，其對應(yīng)的角度為零度.通過上述安裝在驅(qū)動軸上的葉片可得到測量驅(qū)動軸位置的脈沖信號，根據(jù)該脈沖信號即可測出驅(qū)動凸輪軸的正確位置和轉(zhuǎn)速.本文選用Autonics公司生產(chǎn)的光電傳感器(BUD -30S)測量驅(qū)動凸輪軸的位置，其檢測距離為30 mm,光源為紫外線發(fā)光器，電壓為12 V.

數(shù)據(jù)采集卡(DAQ Cad-1200)為美國國家儀器公司生產(chǎn)，其具有模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)、數(shù)值信號的輸入/輸出及計(jì)數(shù)和記時間的功能.數(shù)據(jù)采集卡有8個模擬信號輸入通道和2個模擬信號輸出通道.扭矩測量儀的輸出信號經(jīng)過動態(tài)應(yīng)變放大器輸入到輸入/輸出連接板，并最終存儲到計(jì)算機(jī)中.本研究將數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍設(shè)定為±5 V.

1.2 測試系統(tǒng)的軟件組成

實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，其具有數(shù)據(jù)采集、儲存、輸入/輸出控制以及圖像生成等功能.該軟件由前面板(人機(jī)交互的界面)和后面板(相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序)兩個部分組成.利用LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計(jì)的振動式挖掘機(jī)驅(qū)動動力測試軟件的前面板和后面板如圖1和圖2所示.

圖1 驅(qū)動動力測試程序的前面板

圖2 驅(qū)動動力測試程序的后面板

2 驅(qū)動動力的傳動系統(tǒng)

振動式挖掘機(jī)主要由振動挖掘鏟機(jī)構(gòu)和振動分離篩機(jī)構(gòu)組成，即由2個四桿機(jī)構(gòu)組成六桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示.拖拉機(jī)動力輸出軸輸出的動力和運(yùn)動通過萬向節(jié)傳遞到減速器的輸入軸，減速器輸出軸輸出的動力和運(yùn)動經(jīng)過鏈條1傳遞到扭矩測量儀的輸入端.從扭矩測量儀的輸出端輸出的動力和運(yùn)動，經(jīng)過鏈條2再傳遞到驅(qū)動凸輪軸(安裝偏心輪的軸).驅(qū)動凸輪軸帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)(由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn))，并以此帶動挖掘鏟實(shí)現(xiàn)往復(fù)振動.挖掘機(jī)構(gòu)搖臂的往復(fù)運(yùn)動，同時帶動另一個四桿機(jī)構(gòu)(振動篩)實(shí)現(xiàn)往復(fù)振動.

圖3 振動式挖掘機(jī)驅(qū)動動力的傳動系統(tǒng)

3 扭矩測量儀的標(biāo)定

扭矩測量儀的標(biāo)定系統(tǒng)如圖4所示.扭矩測量儀的一端用聯(lián)軸器與安裝鏈輪2的軸連接.在標(biāo)定中，為了使扭矩測量儀的一端固定不動，將鏈條套在鏈輪2上，并用C型卡子將鏈條夾緊在挖掘機(jī)的框架上.用聯(lián)軸器扭矩測量儀的另一端連接加長軸(用以加載)，同時在加長軸上安裝1.06 m的加載臂(由槽型鋼制作).加載臂的重量可看成是加載力，加載臂的加載力為69.36 N(實(shí)際的加載力為62.78 N)，實(shí)際力臂為0.95 m.在加載臂上用掛秤砣的方法，給驅(qū)動偏心輪軸施加扭矩.扭矩加載從0 kgf開始，每次增加5 kgf秤砣.當(dāng)秤砣處于靜止時，用量角儀測量加載臂與水平線之間的角度(用于計(jì)算加載扭矩時的實(shí)際加載臂長)，并把扭矩測量儀輸出的電壓和轉(zhuǎn)速信號保存到數(shù)據(jù)采集卡中.為了減少測量誤差，扭矩測量儀的標(biāo)定采用逐步加載、逐步減載、再次加載的方法進(jìn)行.圖5為扭矩測量儀的輸入扭矩與輸出電壓的關(guān)系.由圖5可知，通過扭矩測量儀的標(biāo)定可以得到輸入扭矩與輸出電壓之間的回歸方程：Tc=588.235V-3.142， 式中Tc為扭矩測量儀的輸入扭矩計(jì)算值(N·m),V為扭矩測量儀的輸出電壓.由回歸方程可知，只要采集到扭矩測量儀的輸出電壓，就可以計(jì)算出振動挖掘機(jī)驅(qū)動軸上的扭矩，進(jìn)而可計(jì)算出在驅(qū)動軸上消耗的驅(qū)動動力.

圖4 扭矩測量儀的標(biāo)定系統(tǒng)

圖5 輸入扭矩與輸出電壓的關(guān)系

4 結(jié)論

本文利用LabVIEW軟件和轉(zhuǎn)矩測量儀開發(fā)了一種構(gòu)成簡單、操作方便的振動挖掘機(jī)驅(qū)動動力的測試系統(tǒng).由于該測試系統(tǒng)采用了虛擬儀器測量的原理，因此能完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、存儲、分析以及應(yīng)變等功能.實(shí)際應(yīng)用表明，該測試系統(tǒng)可以同時連續(xù)采集扭矩測量儀的輸出信號和光電傳感器的輸出信號，即實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動動力的測試.該測試系統(tǒng)也可為其他農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)驅(qū)動動力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.