方 月，劉建英，王 昆

(1.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450000；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州 450046)

0 引言

土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的根基，其優(yōu)劣直接決定著作物的產(chǎn)量。農(nóng)田旋耕機(jī)有較強(qiáng)的碎土能力，如果在播種前，使用旋耕機(jī)對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行處理，切碎深埋在地下的根茬，不僅能加快其分解變成寶貴的有機(jī)養(yǎng)料，還能使土壤更加松軟有利于跟空氣的接觸，給種子的生長(zhǎng)發(fā)育提供了優(yōu)質(zhì)的溫床；同時(shí)，旋耕過(guò)的農(nóng)田會(huì)更加平整，更利于后期農(nóng)田的播種、灌溉和施肥等作業(yè)[1-2]。農(nóng)田旋耕機(jī)以螺旋刀輥為核心工作部件，由拖拉機(jī)等農(nóng)機(jī)牽引進(jìn)行作業(yè)，功耗是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，影響功耗的因素有作業(yè)耕深、刀輥轉(zhuǎn)速、幅寬、刀片的排列結(jié)構(gòu)及鋒利度、整車(chē)行進(jìn)速度和土壤差異等[3]。

不同的旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致功耗的差異，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，就需要對(duì)農(nóng)田旋耕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)旋耕機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行合理的調(diào)整，所以能夠獲取農(nóng)田旋耕機(jī)的實(shí)時(shí)功率并加以分析至關(guān)重要。旋耕機(jī)的功率是由牽引機(jī)車(chē)的傳動(dòng)軸直接供給的，可以通過(guò)測(cè)量傳動(dòng)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速求得，扭矩的測(cè)量最為關(guān)鍵[4]。張海濤等[5]提出了基于聲表面波的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)。趙浩[6]提出了基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測(cè)量系統(tǒng)。

這些方法在某程度上取得了一定的效果，但是均為間接方法，存在測(cè)量誤差大的問(wèn)題。由于電阻應(yīng)變片具有良好的線性形變特性[7-8]，因此設(shè)計(jì)了旋耕機(jī)傳送系統(tǒng)功率在線測(cè)量系統(tǒng)，借助半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片全橋電路對(duì)傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定得到扭矩與點(diǎn)球輸出電壓的關(guān)系，并利用光感探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，從而得到實(shí)時(shí)輸出功率。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確，能夠?yàn)楦麢C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力合理配置和功耗特性研究等提供數(shù)據(jù)支持。

1 旋耕機(jī)組成及載荷功率測(cè)量原理

1.1 旋耕機(jī)組成

農(nóng)田旋耕機(jī)是以旋轉(zhuǎn)刀齒為工作部件的驅(qū)動(dòng)型土壤耕作機(jī)械，由拖拉機(jī)等牽引旋耕機(jī)移動(dòng)，機(jī)車(chē)通過(guò)動(dòng)力傳送軸為旋耕機(jī)提供工作所需的動(dòng)力[9-10]。旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of rotary cultivator

牽引機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力傳送軸帶動(dòng)旋耕機(jī)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪箱再將動(dòng)力傳導(dǎo)給刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最后刀軸將動(dòng)力傳導(dǎo)給刀片實(shí)現(xiàn)對(duì)土地的翻轉(zhuǎn)和平整作業(yè)，耕深通過(guò)定位輪的高低調(diào)節(jié)來(lái)控制。

1.2 載荷功率測(cè)量原理

根據(jù)農(nóng)田旋耕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文選取了通過(guò)測(cè)量動(dòng)力傳送軸扭矩和轉(zhuǎn)速的方法求整個(gè)旋耕機(jī)的實(shí)時(shí)消耗功率。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，動(dòng)力傳送軸輸出給旋耕機(jī)的功率P(kW)表示為

(1)

其中，M表示動(dòng)力傳送軸上的扭矩(N·m)；n表示動(dòng)力傳送軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。本文采用電阻應(yīng)變片電橋測(cè)量技術(shù)和光感探測(cè)技術(shù)對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 傳動(dòng)軸扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量

2.1 傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量原理

牽引機(jī)車(chē)通過(guò)傳動(dòng)軸給旋耕機(jī)輸出能量，且所有的能量都集中在傳動(dòng)軸上。由于傳動(dòng)軸會(huì)發(fā)生微小的扭曲形變，根據(jù)力學(xué)知識(shí)可知[12]，在與傳動(dòng)軸中心上±45°的方向產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大，也就是說(shuō)在這個(gè)方向上的變形幅度最大。電阻應(yīng)變片在收到擠壓或者延展時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，這時(shí)其電阻值也隨之改變，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，把電阻應(yīng)變片緊緊貼在動(dòng)力傳送軸上；當(dāng)傳動(dòng)軸發(fā)生形變時(shí)，電阻應(yīng)變片就隨之發(fā)生形變，變形幅度越大扭矩越大，阻值的變化就越大，根據(jù)阻值的變化情況即可以計(jì)算出扭矩。

本文采用4個(gè)電阻應(yīng)變片組成電橋，4個(gè)應(yīng)變片電阻值相等均為R，并貼在沿軸線±45°方向上，在兩端加恒定電壓UI，當(dāng)傳動(dòng)軸發(fā)生形變時(shí)，±45°方向上分別發(fā)生最大的正負(fù)應(yīng)變，如圖2所示。

圖2 扭矩應(yīng)變片電橋Fig.2 Torque strain bridge

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，實(shí)心動(dòng)力傳送軸上產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力表示為

(2)

對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)形變表示為

(3)

那么扭矩M可以表示為

(4)

其中，G代表傳動(dòng)軸剪切彈性模量；ε45°代表電阻應(yīng)變片發(fā)生的形應(yīng)變量；d代表傳動(dòng)軸直徑(mm)；W代表傳動(dòng)軸抗扭界面模量。

當(dāng)傳動(dòng)軸不受外力時(shí)，橋臂上4個(gè)應(yīng)變片沒(méi)有發(fā)生變化，且阻值相等，此時(shí)電橋平衡，沒(méi)有電壓輸出；如果傳動(dòng)軸受到外力，傳動(dòng)軸帶動(dòng)4個(gè)應(yīng)變片均發(fā)生形變，那么阻值也就發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的變化量表示為△R1、△R2、△R3和△R4，電橋失去平衡，輸出的電壓Uo表示為

(5)

其中，K是電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。那么，電橋的輸出應(yīng)變量ε表示為

(6)

結(jié)合式(4)和式(6)可知，在傳動(dòng)軸上產(chǎn)生的扭矩M可表示為

(7)

從式(7)中可知：扭矩與電橋的輸出電壓UO成正比例關(guān)系。

2.2 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

在動(dòng)力傳送軸上固定一個(gè)齒輪盤(pán)(120齒)隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并在齒輪盤(pán)兩側(cè)安裝紅外發(fā)射光源和光感應(yīng)器裝置，安裝示意圖如圖3所示。

當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，齒輪盤(pán)上的齒會(huì)擋住光線，使光感應(yīng)器輸出一個(gè)低電平；而齒輪盤(pán)上齒與齒之間的空擋會(huì)使光線通過(guò)，此時(shí)光感應(yīng)器輸出高電平；再經(jīng)過(guò)濾波和整形后，就能夠輸出一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比，輸出的脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速就越快，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的非接觸準(zhǔn)確測(cè)量。

考慮到傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速相對(duì)不高，所以本文利用測(cè)周法進(jìn)行測(cè)量[14]，且這種方法可以使測(cè)量結(jié)果更接近瞬態(tài)，具體的方法為：測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖(上升沿)之間的時(shí)間△t，然后結(jié)合齒輪盤(pán)的總齒個(gè)數(shù)N，即可計(jì)算出傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速Vr，可表示為

(8)

3 測(cè)量系統(tǒng)

由于扭矩測(cè)量終端和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置都是固定在動(dòng)力傳送軸上的，為了能夠把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)PC，有線傳輸方式是行不通的。所以，本文采用了2.4G無(wú)線傳輸技術(shù)，即便動(dòng)力傳送軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下也能將扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到上位機(jī)進(jìn)行分析[15]。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of measurement system

在工作的過(guò)程中，應(yīng)變片電橋輸出的電壓UO非常小，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理放大處理，最后扭矩?cái)?shù)據(jù)傳輸模塊把電壓值通過(guò)2.4G無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)PC；同理，轉(zhuǎn)速的測(cè)量首先需要對(duì)光感應(yīng)器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，得到干凈的脈沖信號(hào)再通過(guò)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)2.4G無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)PC。為了保證能夠同一時(shí)刻采集扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，在兩個(gè)無(wú)線模塊中增加了時(shí)間同步機(jī)制，大大提高了對(duì)載荷功率測(cè)量的準(zhǔn)確度。

上位機(jī)PC安裝帶有2.4G通信模塊的PCI板卡，為了實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)，利用VC++6.0作為專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了測(cè)量分析軟件，通過(guò)調(diào)用2.4G通信模塊PCI板卡提供的接口函數(shù)建立與扭矩和轉(zhuǎn)速通信模塊的通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。上位機(jī)通過(guò)向采集模塊發(fā)送采集和配置指令，然后自動(dòng)接收定時(shí)發(fā)來(lái)的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后得到實(shí)時(shí)的載荷功率，并顯示在屏幕上；也可以調(diào)用Teechart曲線繪制插件，建立時(shí)間-功率的曲線模型。同時(shí)，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)Access2003中，以便實(shí)現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)，或者根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)特定時(shí)間段的數(shù)據(jù)，打印輸出報(bào)表。

4 扭矩標(biāo)定與田間測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性，分別進(jìn)行了扭矩標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和田間測(cè)試。系統(tǒng)的測(cè)量精度主要由扭矩精度和轉(zhuǎn)速精度決定。其中，由于電阻應(yīng)變片電橋的貼附角度、位置和溫度等影響，會(huì)導(dǎo)致扭矩的不確定性較為突出，所以在投入使用前需要對(duì)扭矩進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。本文中傳動(dòng)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速并不是太高(范圍在300～600r/min)，采用了光感測(cè)周法，且選用了120齒的齒輪盤(pán)，大大降低了測(cè)量誤差，在這里可以忽略不計(jì)。

4.1 扭矩標(biāo)定

為了確定測(cè)量系統(tǒng)電橋輸出電壓值與實(shí)際扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[16]。由于對(duì)扭矩的動(dòng)態(tài)標(biāo)定具有不穩(wěn)定性，而靜態(tài)標(biāo)定不僅操作簡(jiǎn)單，而且穩(wěn)定性非常高，所以本文選擇了應(yīng)變式扭矩傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法，通過(guò)正向加載標(biāo)定和反向減載標(biāo)定兩個(gè)步驟組成。在20℃室溫環(huán)境中，對(duì)旋耕機(jī)在扭矩標(biāo)定平臺(tái)上重復(fù)了3個(gè)循環(huán)的操作，每次開(kāi)始的時(shí)候加載扭矩為0，此時(shí)電橋輸出電壓應(yīng)該為0，但往往會(huì)有漂移，所以需要校準(zhǔn)調(diào)理電路使電橋的輸出為0；然后，每次加載或者減載的扭矩為200N·m，標(biāo)定范圍02 000N·m，并記錄實(shí)測(cè)的電壓輸出值，最后將這3次得到的數(shù)據(jù)取平均值，扭矩標(biāo)定結(jié)果如表1所示。加載過(guò)程得到的電壓為V+，減載過(guò)程得到的電壓為V-。

將表1中的扭矩理論值與3次加載和減載得到的電壓平均值在直角坐標(biāo)系中標(biāo)出，如圖5所示。

表1 扭矩標(biāo)定結(jié)果Table 1 Torque calibration results

圖5 扭矩與輸出電壓的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between torque and output voltage

從圖5中可以看出：扭矩與輸出電壓之間成明顯的線性關(guān)系，得到關(guān)系式為

y=1389.5x+5.62

(8)

利用標(biāo)定得到的關(guān)系式輸入到上位機(jī)的軟件中，在扭矩測(cè)量平臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)3次的循環(huán)測(cè)量，取平均后得到的結(jié)果如表2所示。R+和R-分別表示加載和減載過(guò)程測(cè)得的扭矩。

表2 扭矩測(cè)量結(jié)果Table 2 Torque measurement results

4.2 田間測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作性能，采用1GN-200系列旋耕機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其作業(yè)寬幅為2.0m，由42片IT245型號(hào)刀片組成，轉(zhuǎn)速可達(dá)540r/min，耕深設(shè)置為14cm。用東方紅LX954拖拉機(jī)作為牽引機(jī)車(chē)，并選擇較為平整的麥田地塊進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試長(zhǎng)度38m，機(jī)車(chē)行駛速度為3.5km/h。將扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試裝置固定在傳動(dòng)軸上，并建立與上位機(jī)的通信連接，設(shè)置系統(tǒng)的測(cè)量采樣周期為20ms，在旋耕機(jī)正常工作的過(guò)程中主要對(duì)實(shí)時(shí)的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)顯示輸出的功率，得到的結(jié)果如圖6所示。

(a) 轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線

(b) 扭矩實(shí)時(shí)曲線 圖6 轉(zhuǎn)速和扭矩測(cè)試結(jié)果Fig.6 Rotational speed and torque test results

綜上所述，可以利用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)旋耕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性或者旋耕機(jī)的使用方法進(jìn)行評(píng)估，以期能夠?qū)崿F(xiàn)以最低的功耗完成作業(yè)。另外，該系統(tǒng)還可用于故障診斷，如果在正常作業(yè)的情況下，傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率逐步大幅增大，說(shuō)明傳動(dòng)系統(tǒng)存在阻力或者摩擦力過(guò)大的可能。例如：刀片鈍化或者齒輪箱異常等，就需要進(jìn)行必要檢修，避免升級(jí)為更大的故障，也可以減少不必要的能耗損失。

5 結(jié)論

采用電阻應(yīng)變片電橋設(shè)計(jì)了農(nóng)田旋耕機(jī)傳動(dòng)軸扭矩的測(cè)量方法，利用紅外光源感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量，從而可以實(shí)時(shí)得出旋耕機(jī)的消耗功率。在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)扭矩進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，得到了電橋輸出電壓與扭矩的關(guān)系式，且在02 000N·m范圍內(nèi)的平均誤差僅為0.347%。田間試測(cè)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的農(nóng)田旋耕機(jī)載荷功率在線測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量旋耕機(jī)的消耗功率，且穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)不同機(jī)械結(jié)構(gòu)和不同作業(yè)參數(shù)的旋耕機(jī)進(jìn)行功耗測(cè)量，為評(píng)估階段提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，從而對(duì)旋耕機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改良，最終實(shí)現(xiàn)降低消耗功率和節(jié)能減排。

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