農用機械扭轉應力數據采集的原理及方法

陳紹志 張玉華 孫 偉

（濰坊工程職業學院 山東 濰坊 262500）

農用機械扭轉應力數據采集的原理及方法

陳紹志 張玉華 孫 偉

（濰坊工程職業學院 山東 濰坊 262500）

本文介紹了某農用機械旋轉軸扭轉應力數據采集的原理及方法，簡要說明了農用機械旋轉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換為電壓變化，從而采集到數據信息；闡述了應變片的粘貼過程及注意事項，以保證數據采集的準確性。扭轉應力數據的采集，為載荷譜在農用機械中的工程分析提供了借鑒。

應變片；惠斯通電橋；數據采集；載荷譜

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

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

1 旋轉軸的扭轉應力測試原理

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角只和軸所受扭轉載荷的大小有關，并呈正比例關系。這時軸表面單元體的狀態為純剪切，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。

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

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軸上，旋轉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。如果電阻值發生變化，不再滿足平衡條件，就會產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 旋轉軸扭轉應力的采集方法

3.1 應變片的粘貼要領

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、橫向效應系數和溫度特性等參數要達到要求。我們根據某農用機械旋轉軸的規格，選用靈敏度系數為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 數據采集。根據農用機械的結構特點，采用無線扭矩測試系統較為方便。將應變片、電池、無線扭矩傳感器節點固定在傳動軸上，隨旋轉軸一起旋轉。傳感器發出信號，經網關接收，電腦中的測試軟件接收數據并進行保存。數據采集前需對應變片進行標定，以保證采集數據的準確性。

4 結論

隨著產品不斷升級以及新產品研制，產品的創新升級不能僅僅依靠工程師的經驗進行設計。企業新產品在試驗樣機階段，需要通過大量的試驗數據對農用機械的主要工作部件進行充分驗證，以保證產品的質量。本文對農用機械扭轉應力數據采集的原理及方法給予了充分的說明，為農用機械后續產品的性能分析、產品創新升級以及新產品開發提供了重要的實驗手段，有效縮短了研發周期并降低了研發成本。

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