載荷譜在收獲機(jī)械中的采集方法與應(yīng)用研究

王玉榮+冷峻+張玉增+張曉輝+王明陽(yáng)

摘 要：該文介紹了某收獲機(jī)械的旋轉(zhuǎn)軸的測(cè)試原理，簡(jiǎn)要說明了應(yīng)變片的粘貼過程及注意事項(xiàng)，利用韋斯通電橋電路對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上的微應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試采集，并舉例說明載荷譜在收獲機(jī)械中應(yīng)用，為載荷譜在收獲機(jī)械中的工程分析提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變片 數(shù)據(jù)采 載荷譜

中圖分類號(hào)：U467.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0050-04

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中，企業(yè)作為主要載體，追求產(chǎn)品的最大利益是企業(yè)永恒的目標(biāo)之一。載荷譜作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要數(shù)據(jù)支撐，具有決定性的意義。真實(shí)有效的載荷譜能夠提高機(jī)械產(chǎn)品的零部件乃至整車的使用壽命并減輕整機(jī)重量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)制造成本。

農(nóng)用收獲機(jī)械的主要工況分田間農(nóng)作物收割和道路正常行駛，載荷采集可分為工作部件傳動(dòng)軸的扭矩測(cè)試和整機(jī)載荷測(cè)試兩大類，該文是針對(duì)收獲機(jī)械的主要傳動(dòng)軸的載荷譜的采集原理與應(yīng)用予以闡述說明。

1 旋轉(zhuǎn)軸的載荷譜測(cè)試原理

由材料力學(xué)知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸在其尺寸和材料確定下，旋轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時(shí)的剪應(yīng)變以及兩個(gè)端面的相對(duì)轉(zhuǎn)角就只與軸所承受的扭矩有關(guān)，而且成正比例關(guān)系。軸表面有最大剪切應(yīng)力τmax，軸表面的單元體處于純剪切的狀態(tài)，屬于平面應(yīng)力狀態(tài)，且在軸表面與軸線成45°或135°角的主方向上有最大正應(yīng)力σ1和σ2，其值為|σ1|=|σ2|=τmax。

扭矩傳感器是在旋轉(zhuǎn)軸上，沿著旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)主應(yīng)力方向（即軸表面與軸線成45°或135°角的方向）粘貼應(yīng)變片，布置電橋。通過電橋?qū)⑿D(zhuǎn)軸所受到的剪應(yīng)變或相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成電量，由胡克定律以及扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸扭矩的相對(duì)測(cè)量（如圖1）。

2 韋斯通電橋電路

應(yīng)變表示的是伸長(zhǎng)率（或壓縮率），屬于無(wú)量綱數(shù)，沒有單位。由于量值很小，通常用1×10-6“微應(yīng)變”表示。應(yīng)變片是帶有金屬箔材的特殊材料，將應(yīng)變片貼在被測(cè)定的旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中應(yīng)變片的電阻隨之變化。由于旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中的應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，一般的電阻計(jì)無(wú)法達(dá)到要求，然而韋斯通電橋是適用于檢測(cè)微小變化的一種電橋電路，應(yīng)變片的微應(yīng)變就是利用韋斯通電橋電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，圖2為韋斯通電橋電路。

由韋斯通電橋電路可知，如果R1=R2=R3=R4或是R1×R2=R3×R4，則無(wú)論輸入多大電壓，輸出電壓e總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)，如果平衡被破壞，就會(huì)產(chǎn)生與電阻變化相對(duì)應(yīng)的輸出電壓（如圖3）。

當(dāng)應(yīng)變片分別引起R1+△R1， R2+ △R2， R3+ △R3， R4+ △R4的變化時(shí)，輸出電壓為：

3 應(yīng)變片的粘貼與數(shù)據(jù)采集

3.1 應(yīng)變片的粘貼要領(lǐng)

應(yīng)變片的粘貼要領(lǐng)如圖4所示。

步驟1，首先選擇適合測(cè)試目標(biāo)的應(yīng)變片，包括應(yīng)變片的電阻值，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，應(yīng)變片的橫向效應(yīng)系數(shù)以及其溫度特性等。以測(cè)試某型號(hào)收獲機(jī)械傳動(dòng)軸的扭矩為例，選用電阻值為350 Ω，靈敏度系數(shù)為2，能夠耐中高溫的金屬箔式測(cè)扭專用應(yīng)變片，如圖5所示。

步驟2，將應(yīng)變片所要粘貼的部位（范圍要大于應(yīng)變片面積的3～5倍）用砂紙（#200～300，根據(jù)具體情況而定，有的要用粗砂、細(xì)砂，有的直接用細(xì)砂即可）打磨，直到粘貼部位的表面足夠光滑并除去涂漆，銹跡及鍍金等。

步驟3，在需要測(cè)量應(yīng)變的位置沿著應(yīng)變的方向做好記號(hào)，使用4H以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器，注意在使用劃線器時(shí)，不要留下深的刻痕。

步驟4，用工業(yè)用薄紙（我們一般用脫脂棉）蘸丙酮溶液對(duì)要粘貼應(yīng)變片的部位進(jìn)行清潔。在清潔過程中，沿著一個(gè)方向用力擦拭，然后再沿著相同方向擦拭，如果來(lái)回擦拭會(huì)使污物反復(fù)附著，無(wú)法擦拭干凈。

步驟5，首先要確認(rèn)好應(yīng)變片的正反面，向應(yīng)變片的背面滴一滴粘貼劑（502膠水）。如果涂抹粘貼劑的話，先涂抹部分的粘貼劑會(huì)出現(xiàn)硬化，使粘性下降，因此不使用涂抹的方式。

步驟6，將滴有粘貼劑的應(yīng)變片立即粘在所作記號(hào)的中心位置。

步驟7，在置于粘貼位置的應(yīng)變片上面蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。

步驟8，加壓1 min左右，取下聚乙烯樹脂片，確認(rèn)是否已粘貼牢固，這樣整個(gè)粘貼過程結(jié)束。

3.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用無(wú)線扭矩測(cè)試系統(tǒng)較為方便快捷，無(wú)線扭矩測(cè)試系統(tǒng)組成部分如圖6所示。將應(yīng)變片、電池、無(wú)線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)牢固地固定在傳動(dòng)軸上，隨軸一起旋轉(zhuǎn)，無(wú)線扭矩傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)接收，由電腦中的測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與保存，為保證測(cè)試準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集前需應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試圖如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理原理

田間采集回來(lái)的數(shù)據(jù)是隨機(jī)時(shí)域信號(hào)，需要通過濾波、去毛刺、除溫漂等處理方法，將應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化分離出有效信息，例如：循環(huán)載荷的幅值及循環(huán)次數(shù)。

3.3.1 雨流計(jì)數(shù)法

雨流計(jì)數(shù)法是將材料應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回環(huán)和載荷時(shí)間歷程對(duì)應(yīng)起來(lái)，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于疲勞壽命估計(jì)中。隨機(jī)載荷譜經(jīng)過計(jì)數(shù)后，可以形成若干個(gè)雨流矩陣

式中：R為雨流造矩陣；i為雨流循環(huán)開始點(diǎn)級(jí)別；j為雨流點(diǎn)循環(huán)結(jié)束點(diǎn)級(jí)別；rij為雨流開始于i結(jié)束于j的循環(huán)數(shù)。

該直方圖完整地給出了不同幅值的應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生次數(shù)和概率，在總體平均幅值處的循環(huán)載荷次數(shù)最大。

3.3.2 Miner累積損傷理論

在循環(huán)載荷交變作用下，零部件隨時(shí)間的累積疲勞裂紋開始產(chǎn)生，直至產(chǎn)生失效。Miner線形損傷累積理論忽略了加載次序及載荷相互作用的影響，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。Miner線性損傷累積表達(dá)式為：

式中，D為Miner系數(shù)，D=1時(shí)預(yù)計(jì)出現(xiàn)失效；ni為載荷i作用于零件的循環(huán)次數(shù)，Ni為零件在載荷i 作用下失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

通過損傷直方圖可以得出，幅值越大，損傷量越大，在總體平均值附近的極值載荷造成的損傷量最大，是造成疲勞破壞的主要原因。

4 載荷譜的典型應(yīng)用

4.1 載荷譜在虛擬工程中的應(yīng)用

載荷譜采集后，其主要的應(yīng)用就是為設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考，為設(shè)計(jì)工程師加深對(duì)結(jié)構(gòu)件及整機(jī)性能的了解提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為CAE分析提供準(zhǔn)確的邊界條件。圖10是某型號(hào)收獲機(jī)械軸流滾筒軸的田間載荷譜測(cè)試數(shù)據(jù)分析流程圖，該軸流滾筒軸根據(jù)市場(chǎng)上出現(xiàn)的故障反饋原因，針對(duì)該軸流滾筒軸進(jìn)行的田間測(cè)試。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，求出該滾筒軸實(shí)際的作業(yè)扭矩值，為CAE分析提供數(shù)據(jù)支持。圖11即為該軸流滾筒軸的有限元分析結(jié)果圖。

4.2 載荷譜在臺(tái)架試驗(yàn)的應(yīng)用

為了獲得若干個(gè)幅值不同的等幅載荷，以模擬實(shí)際載荷，必須對(duì)采集的載荷時(shí)間歷程進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，以便得到載荷分布的概率密度函數(shù)，進(jìn)一步經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算推斷得出累積頻次曲線圖，該曲線經(jīng)合成、擴(kuò)展便得工作載荷譜。由此可見，需要對(duì)載荷幅值進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，來(lái)獲得載荷譜。

由于原始信號(hào)中包含有多種來(lái)自環(huán)境中的噪聲和干擾，其信號(hào)數(shù)據(jù)將偏離真實(shí)信號(hào)，因此，需要對(duì)采集到得信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如去除溫度影響帶來(lái)的漂移，以提高信號(hào)的可靠性等。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析理論，利用計(jì)數(shù)法原理為收獲機(jī)械主要傳動(dòng)軸在試驗(yàn)臺(tái)架上的模擬提供可行性數(shù)據(jù)支持。圖12為載荷統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，圖13為試驗(yàn)臺(tái)架。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著產(chǎn)品不斷創(chuàng)新升級(jí)以及新產(chǎn)品研制，產(chǎn)品研發(fā)周期的縮短與研發(fā)成本的降低成為各生產(chǎn)制造企業(yè)爭(zhēng)相搶占的技術(shù)制高點(diǎn)，僅僅依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)的需求，企業(yè)在新開發(fā)產(chǎn)品的試驗(yàn)樣機(jī)階段就應(yīng)對(duì)收獲機(jī)械的各主要工作部件予充分考慮。該文就是針對(duì)載荷譜在收獲機(jī)械中的應(yīng)用予以說明，從數(shù)據(jù)的采集原理及過程，再到數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用都給予了充分說明，為收獲機(jī)械的產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)及新產(chǎn)品開發(fā)提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，具有重要的工程實(shí)踐意義。

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