陳紹志 張玉華 孫 偉

（濰坊工程職業(yè)學院 山東 濰坊 262500）

農(nóng)用機械扭轉(zhuǎn)應力數(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)學院 山東 濰坊 262500）

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

應變片；惠斯通電橋；數(shù)據(jù)采集；載荷譜

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

針對農(nóng)用機械田間農(nóng)作物收割和道路正常行駛兩種工況，需要對旋轉(zhuǎn)軸進行扭轉(zhuǎn)測試，本文主要介紹了傳動軸的扭轉(zhuǎn)應力采集的原理以及方法。

1 旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)應力測試原理

由材料力學可知，軸的材料、尺寸確定以后，在扭矩作用下，軸會存在剪應變和兩個端面的相對轉(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。這時軸表面單元體的狀態(tài)為純剪切，剪切應力也達到最大，方向為軸表面與軸線成45°或135°角的主方向。

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

2 惠斯通電橋電路

應變表示的是伸長率(或壓縮率)，無量綱。由于量值很小，通常用1×10-6“微應變”表示。應變片是帶有金屬箔材的特殊材料，將應變片貼在被測定的旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中在荷載的作用下，應變片拉伸或壓縮，從而導致電阻的變化。由于旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中，應變只是相當微小的變化，電阻的變化也非常微小，一般的電阻計無法達到要求，然而惠斯通電橋可以用于檢測微小電阻變化，應變片的微應變就是利用惠斯通電橋電路的原理來進行測量的。惠斯通電橋電路如圖1所示。

圖1 惠斯通電橋電路示意圖

當R1=R2=R3=R4或是R1×R2=R3×R4時，惠斯通電橋電路達到平衡條件，此時輸入電壓的變化對輸出電壓沒什么影響，輸出電壓為0。如果電阻值發(fā)生變化，不再滿足平衡條件，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應的輸出電壓。

當應變片分別引起R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4的變化時，輸出電壓為

3 旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應力的采集方法

3.1 應變片的粘貼要領(lǐng)

圖2 應變片的粘帖步驟示意圖

3.1.1 首先選擇合適的應變片，應變片的電阻值、靈敏度系數(shù)、橫向效應系數(shù)和溫度特性等參數(shù)要達到要求。我們根據(jù)某農(nóng)用機械旋轉(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量專用應變片。

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

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

3.1.4 用脫脂棉蘸丙酮溶液對目標位置進行清潔。要沿著一個方向用力擦拭清潔，不能來回擦拭，否則會使污物反復附著，影響清潔效果。

3.1.5 確認應變片的正反面。向應變片的背面滴一滴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 將滴有粘貼劑的應變片立即粘在所作記號的中心位置，蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。

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

3.2 數(shù)據(jù)采集。根據(jù)農(nóng)用機械的結(jié)構(gòu)特點，采用無線扭矩測試系統(tǒng)較為方便。將應變片、電池、無線扭矩傳感器節(jié)點固定在傳動軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。傳感器發(fā)出信號，經(jīng)網(wǎng)關(guān)接收，電腦中的測試軟件接收數(shù)據(jù)并進行保存。數(shù)據(jù)采集前需對應變片進行標定，以保證采集數(shù)據(jù)的準確性。

4 結(jié)論

隨著產(chǎn)品不斷升級以及新產(chǎn)品研制，產(chǎn)品的創(chuàng)新升級不能僅僅依靠工程師的經(jīng)驗進行設(shè)計。企業(yè)新產(chǎn)品在試驗樣機階段，需要通過大量的試驗數(shù)據(jù)對農(nóng)用機械的主要工作部件進行充分驗證，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。本文對農(nóng)用機械扭轉(zhuǎn)應力數(shù)據(jù)采集的原理及方法給予了充分的說明，為農(nóng)用機械后續(xù)產(chǎn)品的性能分析、產(chǎn)品創(chuàng)新升級以及新產(chǎn)品開發(fā)提供了重要的實驗手段，有效縮短了研發(fā)周期并降低了研發(fā)成本。

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