文學洙， 張靈曉

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

0 引言

隨著我國農業(yè)機械化的不斷發(fā)展，很多經濟作物的挖掘工作都已采用專用的收獲機來進行，如馬鈴薯、紅薯、桔梗、花生等.目前，馬鈴薯挖掘機的使用類型主要為牽引式馬鈴薯挖掘機和振動式挖掘機，其中牽引式馬鈴薯挖掘機因體積較大，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).為此國內外一些研究者對振動式挖掘機進行了研究，其研究可分為3個方面：一是挖掘鏟的入土角度α、 拖拉機的前進速度V、 振動源或挖掘鏟的振幅A、 振動頻率f等作業(yè)參數對挖掘機作業(yè)質量的影響，或由V、A、f定義的參數λ、ρ、K、T對挖掘機作業(yè)質量的影響[1-9]；二是參數λ、ρ、K、T對振動挖掘機牽引阻力或驅動扭矩的影響[10-16]；三是參數λ、ρ、K、T對振動式挖掘機牽引動力、驅動動力和消耗動力的影響[17-19].

在振動式挖掘機的實際應用中，常常出現(xiàn)與挖掘機連接的拖拉機動力遠大于振動式挖掘機實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所能消耗的動力，若農戶使用較小動力的拖拉機就無法帶動挖掘機正常工作，因此農戶只能使用大功率的拖拉機來帶動挖掘機.另外，即使廠家標識了挖掘機所能消耗的動力的大小，但因考慮成本因素，普通農戶很少去購買與之匹配的拖拉機.因此，有必要測定振動式挖掘機在工作時所消耗的總動力(驅動動力和牽引動力)，據此選擇合理的拖拉機與之匹配，以減少作業(yè)成本和節(jié)省能源.確定振動式挖掘機的驅動動力，就必須測量振動式挖掘機的驅動轉矩和驅動軸的轉速.目前,已有許多學者對振動式挖掘機的牽引阻力進行了研究，但未見對其驅動動力的研究報道.基于此，本文利用LabVIEW圖形化編程語言和扭矩測量儀等，設計一種測量振動式挖掘機驅動動力的測試系統(tǒng).

1 驅動動力測試系統(tǒng)的組成

1.1 測試系統(tǒng)的硬件組成

本文設計的振動式挖掘機驅動動力測試系統(tǒng)由轉矩測量儀、動態(tài)應變放大器、驅動軸位置測量裝置、數據采集卡、數據采集卡輸入/輸出連接板及計算機等組成.

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

在驅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，當凸輪軸旋轉時：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.當振動挖掘鏟處于最低處，在驅動軸位置測量葉片缺口時，其對應的角度為零度.通過上述安裝在驅動軸上的葉片可得到測量驅動軸位置的脈沖信號，根據該脈沖信號即可測出驅動凸輪軸的正確位置和轉速.本文選用Autonics公司生產的光電傳感器(BUD -30S)測量驅動凸輪軸的位置，其檢測距離為30 mm,光源為紫外線發(fā)光器，電壓為12 V.

數據采集卡(DAQ Cad-1200)為美國國家儀器公司生產，其具有模/數轉換(A/D轉換)、數/模轉換(D/A轉換)、數值信號的輸入/輸出及計數和記時間的功能.數據采集卡有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過動態(tài)應變放大器輸入到輸入/輸出連接板，并最終存儲到計算機中.本研究將數據采集卡的輸入電壓范圍設定為±5 V.

1.2 測試系統(tǒng)的軟件組成

實驗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，其具有數據采集、儲存、輸入/輸出控制以及圖像生成等功能.該軟件由前面板(人機交互的界面)和后面板(相當于源代碼功能的框圖程序)兩個部分組成.利用LabVIEW圖形化編程語言設計的振動式挖掘機驅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 驅動動力測試程序的前面板

圖2 驅動動力測試程序的后面板

2 驅動動力的傳動系統(tǒng)

振動式挖掘機主要由振動挖掘鏟機構和振動分離篩機構組成，即由2個四桿機構組成六桿機構，如圖3所示.拖拉機動力輸出軸輸出的動力和運動通過萬向節(jié)傳遞到減速器的輸入軸，減速器輸出軸輸出的動力和運動經過鏈條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動，經過鏈條2再傳遞到驅動凸輪軸(安裝偏心輪的軸).驅動凸輪軸帶動偏心輪旋轉(由曲柄搖桿機構來實現(xiàn))，并以此帶動挖掘鏟實現(xiàn)往復振動.挖掘機構搖臂的往復運動，同時帶動另一個四桿機構(振動篩)實現(xiàn)往復振動.

圖3 振動式挖掘機驅動動力的傳動系統(tǒng)

3 扭矩測量儀的標定

扭矩測量儀的標定系統(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(實際的加載力為62.78 N)，實際力臂為0.95 m.在加載臂上用掛秤砣的方法，給驅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(用于計算加載扭矩時的實際加載臂長)，并把扭矩測量儀輸出的電壓和轉速信號保存到數據采集卡中.為了減少測量誤差，扭矩測量儀的標定采用逐步加載、逐步減載、再次加載的方法進行.圖5為扭矩測量儀的輸入扭矩與輸出電壓的關系.由圖5可知，通過扭矩測量儀的標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，就可以計算出振動挖掘機驅動軸上的扭矩，進而可計算出在驅動軸上消耗的驅動動力.

圖4 扭矩測量儀的標定系統(tǒng)

圖5 輸入扭矩與輸出電壓的關系

4 結論

本文利用LabVIEW軟件和轉矩測量儀開發(fā)了一種構成簡單、操作方便的振動挖掘機驅動動力的測試系統(tǒng).由于該測試系統(tǒng)采用了虛擬儀器測量的原理，因此能完成數據的實時采集、存儲、分析以及應變等功能.實際應用表明，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，即實現(xiàn)了驅動動力的測試.該測試系統(tǒng)也可為其他農業(yè)作業(yè)機驅動動力測試系統(tǒng)的設計提供參考.