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悬挂农机具牵引力电子测试系统的设计.pdf悬挂农机具牵引力电子测试系统的设计.pdf -- 1 元

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2004年1月农机化研究第1期147悬挂农机具牵引力电子测试系统的设计李玲,龚立娇,坎杂(石河子大学,新疆石河子832003)摘要对于牵引式农机来说,只要在拖拉机与农具之间安放拉力传感器或机械式拉力表就可以进行牵引力的测量。而悬挂式农具和拖拉机之间是靠较为复杂的悬挂杆装置联结的,想要测量拖拉机和农具之间的相互作用力,就需要采用专门的测量装置。为此,介绍了悬挂式农机具牵引力电子测试系统的设计原理、设计方法及测试系统的组成。关键词农业工程牵引力传感器应用研究电子测试设计中图分类号S126文献标识码B文章编号1003─188X200401─0147─03我们在研究对照了国内外17种悬挂测力装置后,确定在法国无框架式悬挂测力装置的基础上,吸取有框架式测力装置的特点,以及对国内悬挂农具结构进行改进,设计了CLx30型悬挂农具测力装置,目的是对悬挂式农具与拖拉机之间较复杂的相互作用力进行准确的测量,为农机动力与农机具匹配,以及农机具的开发研究提供技术依据。1牵引力传感器的结构特点CLx30型测力装置的测力传感器(如图1所示),主要由上悬臂梁式测力传感器(1)、框架(2)、连接板(3)和下测力传感器(4)等组成。上传感器与拖拉机悬挂机构上拉杆连接,另外框架上部有一构件与农具上挂结点连接。下传感器是一字形棒状整体结构,其两端为销状弹性元件,两端与拖拉机悬挂机构下拉杆连接。而棒状轴中段通过连接板与农具机架前梁连接。它具有安装使用方便,农具后移距离小,且易于实现商品化、标准化和自车法测量等特点。该测力装置主要用于整机测力。1.上测力传感器2.框架3.连接板4.下测力传感器图1CLx30型测力装置简图2传感器测力基本原理2.1测力原理图2所示的是农具与拖拉机悬挂机构的受力简图。图2农具与悬挂机构受力图拖拉机上下拉杆作用于农具上下悬挂点的力,分别为S和Q,沿牵引方向(水平)和垂直方向分解为zS、xS、xQ左、xQ右、zQ右土壤对农具的作用力分解为xP、zP农具重力G,由于本测力装置主要是整机测力,着重于xP测定,兼顾zP,因此有xxxxSQQP−右左zzxGzSQQP−右左只要能测量S、Q各分力值,就可测整机总牵引力xP值和zP值。因此,本测力装置采用应变梁式(力弯曲应变)的线性特征和横剪力的测力方案。在上、下测力弹性轴上粘贴应变片,以感受S、Q作用力对弹性轴(悬臂梁)产生的弯曲应变信号进行测量。收稿日期20031114作者简介李玲(1969),女,新疆石河子人,石河子大学机电学院讲师,主要从事农机与电气方面的教学与研究工作。2004年1月农机化研究第1期1482.2传感器弹性轴上应变片的粘贴与接桥当悬臂梁上作用一力P,则由此力引起的各截面上的横剪力Q是相等的,且PQ。如图3(a)所示。为测剪力Q,可在距力P作用点为L的截面上贴一应变片R,如图3(b)所示。则此断面的弯矩QLPLM由材料力学可知zWEM..e(E为悬臂梁材料的弹性模量,e为该断面上的应变值,zW为抗弯截面系数)。即lWEpQz/.e又RRk//1∆⋅eP作用于A点产生的e变化将引起R∆变化,由此当用应变片感受e信号则可测Q。但式中L受P作用点变化而变,必影响Q值测量结果,而且在动态测量中,L值也是无法量得的。因此通过两个截面剪力的布片方案,使L值(变量)变换为L∆值(定值),图3(c)所示,则可解决作用点不定引起的测量误差问题,其原理为zWEQLPLM..1111ezWEQLPLM..2222e212121ee−−−zEWLLQMM即.2121ee−−LLEWQz.21ee−∆LEWz可见Q只与21ee−变化成比例变化,而与作用点变化无关。图3悬臂梁测剪原理图图中41ee,32ee,即电桥输出为2121ee−KuUBD式中K为应变片灵敏系数,u为供桥电压,即BDQBDzUKUUKLEWQ⋅∆..2只要仪器测量电桥输出BDU,则可知道悬臂梁受外载作用力的大小,则QP。根据以上测量原理,在CLx30A型测力装置的上、下悬臂梁上按图4(a)、(b)所示粘贴应变片(应变片K2.04,0R117.2Ω)以感受外载引起悬臂梁应变。图4测力装置布片与接桥各应变片组电路接法,根据测量要求有所不同。如要分别测上、下3个悬挂点的X与Z方向作用力,可按图4(c)所示,各点独立组成全桥,再按xSQQxPxx−右左、zSQQzPzz−右左,计算Px、Pz值。为减少各点的标定误差和相互干扰,同时为方便整体标定和测试,可采用如图4(d)所示电路合成(即3点求和电桥),把各应变同名项的应变片以并联或串联方式接在同一桥臂上,则不同符号的应变信号在桥臂线路上首先进行加减取得平均值,如图中同名1的应变片R1x、RQ左1x、RQ右1x并接在AB臂上。同理同名2、3、4应变片分别并接在各桥臂上,这样电桥的输出为xuKxxKuUBDXeee∆⋅−212121BDXxuKxP.式中Kx为X方向总标定系数。3测试系统设计测试系统如图5所示。1东方红802与悬挂四铧犁进行悬挂牵引阻力测试,耕深为210~230mm。2CLx30型测力装置是与东方红802或(75)拖拉机悬挂机构及其配套的悬挂农具相连接的。其挂结点(销与孔)的公称尺寸为上悬点φ30mm,下悬点(左、右)均为φ35mm。测力范围为030kN。3Y6DL3型动态电阻应变仪。用于弯曲应变信号的放大、检波及滤波。其测量电压为(0~APMQPRR2LAAPR2R1L2L1R1PR3R4ΔLR1R2AR4R3DUUBDCabcdeP2004年1月农机化研究第1期149±1)V,线性误差为±1测电流为±24~40mA,线性误差不大于1。图5测试系统框图4数据采集卡。采集卡型号为DAQ801,是一种与笔记本电脑相配套的PCMIA便携式数据采集卡,其主要性能指标为分辨率16bit采样频率0.006Hz~100kHz4通道差分输入/8通道单端输入输入电压±10V触发采用模拟触发等。使用时,将其插入笔记本电脑的PCMIA插槽。用于对调理后的被测信号(模拟量和脉冲量)进行自动采集,A/D转换并送入计算机。5微机。一是单板机,型号CX1微机信号分析仪。具有数据采集接口,直接对经调理后的被测信号进行数据采集,并具有数据处理功能,能对数据进行最大值、最小值、均值、偏差统计处理具有波形图、分布图、统计表打印功能及周期、标定系数、零偏设置功能。配有微型打印机。适用于田间测试之用。二是笔记本式计算机(含自行开发的软件系统)对经由数据来集卡A/D变换后的被测信号进行数据存储、编辑及处理等。4软件设计软件运行于Windows98/2000操作系统,用VisualBasic6.0中文版编制。该软件具有数据自动采集、存储、调用、机械标定、基本统计计算、图形分析、回归分析和异常值判断等数10种功能。数据采集可在随卡提供的采集软件中进行。其过程如下1施加载荷。2给定一数据目标文件名。3按下触发采集按钮,开始采集数据。4将采集到的数据存入给定的文件(.TXT)中。所购买的数据采集卡提供的配套软件仅具有数据采集功能,不具备数据处理功能,我们对此进行了二次开发,编制了一套对计算机自动采集到的数据(存储在数据文件中)进行分析处理的软件。该软件具有调用、打开数据文件、标定系数求取、数据基本统计计算、图形分析及回归分析等功能,并实现了与数据采集软件的有机结合。5结束语悬挂农机具牵引力电子测试系统主要适应悬挂农机具牵引阻力的田间作业测试,可以测Px、Pz(必要时可加贴测Py的应变片),三悬挂点可分别测试,又可利用求和电路(电桥接线),实现总的Px、Pz测试。从测试精度看CLx30型测力装置测试精度小于2,在常用范围之内。当测量悬挂犁牵引阻力时配有耕深传感器,可以测试不同耕深下牵引阻力变化,配有五轮传感器可以测量不同耕深,不同行进速度的牵引阻力。悬挂农机具牵引力电子测试系统仪器用量少,信号采集与处理由软件控制,提高了测试精度,数据处理快捷方便,功能较全,是比较先进的测试方法。同时该系统可以为农机具研究与开发、产品鉴定及引进动力匹配与节能研究、农机教学与科研等提供较先进的测试手段和技术,具有一定科研和技术服务价值。参考文献1千成范.悬挂机组测力装置的发展动向J.农机试验与推广,1987,324.2千成范.悬挂机组测力装置的发展动向J.农机试验与推广,1987,449.2(日)森本国夫.新式三点悬挂测力框架J.农机试验与推广,1986,32122.3(美)J.T.Reid.悬挂机构牵引力测定装置J.农机试验与推广,1986,32324.
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