载荷谱在收获机械中的采集方法与应用研究

王玉荣+冷峻+张玉增+张晓辉+王明阳

摘 要：该文介绍了某收获机械的旋转轴的测试原理，简要说明了应变片的粘贴过程及注意事项，利用韦斯通电桥电路对旋转轴上的微应变进行测试采集，并举例说明载荷谱在收获机械中应用，为载荷谱在收获机械中的工程分析提供了借鉴。

关键词：应变片 数据采 载荷谱

中图分类号：U467.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0050-04

机械产品设计及生产过程中，企业作为主要载体，追求产品的最大利益是企业永恒的目标之一。载荷谱作为产品设计过程中的重要数据支撑，具有决定性的意义。真实有效的载荷谱能够提高机械产品的零部件乃至整车的使用寿命并减轻整机重量，缩短产品开发周期，降低生产制造成本。

农用收获机械的主要工况分田间农作物收割和道路正常行驶，载荷采集可分为工作部件传动轴的扭矩测试和整机载荷测试两大类，该文是针对收获机械的主要传动轴的载荷谱的采集原理与应用予以阐述说明。

1 旋转轴的载荷谱测试原理

由材料力学知，当旋转轴在其尺寸和材料确定下，旋转轴受扭矩作用时的剪应变以及两个端面的相对转角就只与轴所承受的扭矩有关，而且成正比例关系。轴表面有最大剪切应力τmax，轴表面的单元体处于纯剪切的状态，属于平面应力状态，且在轴表面与轴线成45°或135°角的主方向上有最大正应力σ1和σ2，其值为|σ1|=|σ2|=τmax。

扭矩传感器是在旋转轴上，沿着旋转轴的两个主应力方向（即轴表面与轴线成45°或135°角的方向）粘贴应变片，布置电桥。通过电桥将旋转轴所受到的剪应变或相对转角转化成电量，由胡克定律以及扭矩转换系数计算，可以实现对旋转轴扭矩的相对测量（如图1）。

2 韦斯通电桥电路

应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小，通常用1×10-6“微应变”表示。应变片是带有金属箔材的特殊材料，将应变片贴在被测定的旋转轴上，旋转轴在工作过程中应变片的电阻随之变化。由于旋转轴在工作过程中的应变是相当微小的变化，一般的电阻计无法达到要求，然而韦斯通电桥是适用于检测微小变化的一种电桥电路，应变片的微应变就是利用韦斯通电桥电路来进行测量的，图2为韦斯通电桥电路。

由韦斯通电桥电路可知，如果R1=R2=R3=R4或是R1×R2=R3×R4，则无论输入多大电压，输出电压e总为0，这种状态称为平衡状态，如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压（如图3）。

当应变片分别引起R1+△R1， R2+ △R2， R3+ △R3， R4+ △R4的变化时，输出电压为：

3 应变片的粘貼与数据采集

3.1 应变片的粘贴要领

应变片的粘贴要领如图4所示。

步骤1，首先选择适合测试目标的应变片，包括应变片的电阻值，应变片的灵敏度系数，应变片的横向效应系数以及其温度特性等。以测试某型号收获机械传动轴的扭矩为例，选用电阻值为350 Ω，灵敏度系数为2，能够耐中高温的金属箔式测扭专用应变片，如图5所示。

步骤2，将应变片所要粘贴的部位（范围要大于应变片面积的3～5倍）用砂纸（#200～300，根据具体情况而定，有的要用粗砂、细砂，有的直接用细砂即可）打磨，直到粘贴部位的表面足够光滑并除去涂漆，锈迹及镀金等。

步骤3，在需要测量应变的位置沿着应变的方向做好记号，使用4H以上的硬质铅笔或划线器，注意在使用划线器时，不要留下深的刻痕。

步骤4，用工业用薄纸（我们一般用脱脂棉）蘸丙酮溶液对要粘贴应变片的部位进行清洁。在清洁过程中，沿着一个方向用力擦拭，然后再沿着相同方向擦拭，如果来回擦拭会使污物反复附着，无法擦拭干净。

步骤5，首先要确认好应变片的正反面，向应变片的背面滴一滴粘贴剂（502胶水）。如果涂抹粘贴剂的话，先涂抹部分的粘贴剂会出现硬化，使粘性下降，因此不使用涂抹的方式。

步骤6，将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置。

步骤7，在置于粘贴位置的应变片上面盖上附带的聚乙烯树脂片，并在上面用手指加压。

步骤8，加压1 min左右，取下聚乙烯树脂片，确认是否已粘贴牢固，这样整个粘贴过程结束。

3.2 数据采集

根据收获机结构设计特点，采用无线扭矩测试系统较为方便快捷，无线扭矩测试系统组成部分如图6所示。将应变片、电池、无线扭矩传感器节点牢固地固定在传动轴上，随轴一起旋转，无线扭矩传感器发出的信号，经网关接收，由电脑中的测试软件进行数据的采集与保存，为保证测试准确性，数据采集前需应变片进行标定，现场试验测试图如图7所示。

3.3 数据处理原理

田间采集回来的数据是随机时域信号，需要通过滤波、去毛刺、除温漂等处理方法，将应变信号进行转化分离出有效信息，例如：循环载荷的幅值及循环次数。

3.3.1 雨流计数法

雨流计数法是将材料应力-应变迟滞回环和载荷时间历程对应起来，该方法已经广泛应用于疲劳寿命估计中。随机载荷谱经过计数后，可以形成若干个雨流矩阵

式中：R为雨流造矩阵；i为雨流循环开始点级别；j为雨流点循环结束点级别；rij为雨流开始于i结束于j的循环数。

该直方图完整地给出了不同幅值的应力循环的发生次数和概率，在总体平均幅值处的循环载荷次数最大。

3.3.2 Miner累积损伤理论

在循环载荷交变作用下，零部件随时间的累积疲劳裂纹开始产生，直至产生失效。Miner线形损伤累积理论忽略了加载次序及载荷相互作用的影响，被广泛应用于实际工程中。Miner线性损伤累积表达式为：

式中，D为Miner系数，D=1时预计出现失效；ni为载荷i作用于零件的循环次数，Ni为零件在载荷i 作用下失效时的循环次数。

通过损伤直方图可以得出，幅值越大，损伤量越大，在总体平均值附近的极值载荷造成的损伤量最大，是造成疲劳破坏的主要原因。

4 载荷谱的典型应用

4.1 载荷谱在虚拟工程中的应用

载荷谱采集后，其主要的应用就是为设计部门提供设计依据和参考，为设计工程师加深对结构件及整机性能的了解提供数据支持，同时也为CAE分析提供准确的边界条件。图10是某型号收获机械轴流滚筒轴的田间载荷谱测试数据分析流程图，该轴流滚筒轴根据市场上出现的故障反馈原因，针对该轴流滚筒轴进行的田间测试。依据数理统计分析方法，求出该滚筒轴实际的作业扭矩值，为CAE分析提供数据支持。图11即为该轴流滚筒轴的有限元分析结果图。

4.2 载荷谱在台架试验的应用

为了获得若干個幅值不同的等幅载荷，以模拟实际载荷，必须对采集的载荷时间历程进行分级统计计数，以便得到载荷分布的概率密度函数，进一步经统计计算推断得出累积频次曲线图，该曲线经合成、扩展便得工作载荷谱。由此可见，需要对载荷幅值进行分级统计计数，来获得载荷谱。

由于原始信号中包含有多种来自环境中的噪声和干扰，其信号数据将偏离真实信号，因此，需要对采集到得信号数据进行预处理，如去除温度影响带来的漂移，以提高信号的可靠性等。由数理统计分析理论，利用计数法原理为收获机械主要传动轴在试验台架上的模拟提供可行性数据支持。图12为载荷统计分析结果，图13为试验台架。

5 结语

随着产品不断创新升级以及新产品研制，产品研发周期的缩短与研发成本的降低成为各生产制造企业争相抢占的技术制高点，仅仅依靠工程师的经验设计已经远远满足不了产品创新升级的需求，企业在新开发产品的试验样机阶段就应对收获机械的各主要工作部件予充分考虑。该文就是针对载荷谱在收获机械中的应用予以说明，从数据的采集原理及过程，再到数据的处理及应用都给予了充分说明，为收获机械的产品创新升级及新产品开发提供了重要的实验数据支持，具有重要的工程实践意义。

参考文献

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