农用机械扭转应力数据采集的原理及方法

陈绍志 张玉华 孙 伟

（潍坊工程职业学院 山东 潍坊 262500）

农用机械扭转应力数据采集的原理及方法

陈绍志 张玉华 孙 伟

（潍坊工程职业学院 山东 潍坊 262500）

本文介绍了某农用机械旋转轴扭转应力数据采集的原理及方法，简要说明了农用机械旋转轴应力采集的基本原理，主要利用惠斯通电桥电路把应力变化转换为电压变化，从而采集到数据信息；阐述了应变片的粘贴过程及注意事项，以保证数据采集的准确性。扭转应力数据的采集，为载荷谱在农用机械中的工程分析提供了借鉴。

应变片；惠斯通电桥；数据采集；载荷谱

随着农业生产机械化程度的提高，农用机械在现代农业生产中的作用越来越重要，人们对农用机械的要求也越来越高。为提高农用机械的效率，既要达到机械轻量化，又要满足强度要求，因此机械扭转应力的测试就显得非常重要。

针对农用机械田间农作物收割和道路正常行驶两种工况，需要对旋转轴进行扭转测试，本文主要介绍了传动轴的扭转应力采集的原理以及方法。

1 旋转轴的扭转应力测试原理

由材料力学可知，轴的材料、尺寸确定以后，在扭矩作用下，轴会存在剪应变和两个端面的相对转角只和轴所受扭转载荷的大小有关，并呈正比例关系。这时轴表面单元体的状态为纯剪切，剪切应力也达到最大，方向为轴表面与轴线成45°或135°角的主方向。

扭转传感器是粘贴在旋转轴两个主应力方向(轴表面与轴线成45°或135°角的方向)的应变片，然后根据应变片布置电桥。旋转轴所受的剪应变会引起旋转轴表面应变片相对转角的变化，通过电桥把这个变化转化成电量，再通过胡克定律和扭矩转换系数计算，即可以获得旋转轴所受到的扭矩值。

2 惠斯通电桥电路

应变表示的是伸长率(或压缩率)，无量纲。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在荷载的作用下，应变片拉伸或压缩，从而导致电阻的变化。由于旋转轴在工作过程中，应变只是相当微小的变化，电阻的变化也非常微小，一般的电阻计无法达到要求，然而惠斯通电桥可以用于检测微小电阻变化，应变片的微应变就是利用惠斯通电桥电路的原理来进行测量的。惠斯通电桥电路如图1所示。

图1 惠斯通电桥电路示意图

当R1=R2=R3=R4或是R1×R2=R3×R4时，惠斯通电桥电路达到平衡条件，此时输入电压的变化对输出电压没什么影响，输出电压为0。如果电阻值发生变化，不再满足平衡条件，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。

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 旋转轴扭转应力的采集方法

3.1 应变片的粘贴要领

图2 应变片的粘帖步骤示意图

3.1.1 首先选择合适的应变片，应变片的电阻值、灵敏度系数、横向效应系数和温度特性等参数要达到要求。我们根据某农用机械旋转轴的规格，选用灵敏度系数为2.5，电阻值为300Ω，能够耐高温的金属箔式扭矩测量专用应变片。

3.1.2 应变片所要粘贴的目标位置表面要足够光滑，以大于应变片面积3～5倍的范围进行打磨，去除锈迹、涂漆和镀金等。

3.1.3 在目标位置使用4H以上的硬质铅笔或划线器沿着应变的方向做好记号。

3.1.4 用脱脂棉蘸丙酮溶液对目标位置进行清洁。要沿着一个方向用力擦拭清洁，不能来回擦拭，否则会使污物反复附着，影响清洁效果。

3.1.5 确认应变片的正反面。向应变片的背面滴一滴502胶水。为防止粘贴剂出现硬化，使粘性下降，因此不能使用涂抹的方式。

3.1.6 将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置，盖上附带的聚乙烯树脂片，并在上面用手指加压。

3.1.7 加压2min左右，移除聚乙烯树脂片，确认粘贴效果，不牢固需重新操作。

3.2 数据采集。根据农用机械的结构特点，采用无线扭矩测试系统较为方便。将应变片、电池、无线扭矩传感器节点固定在传动轴上，随旋转轴一起旋转。传感器发出信号，经网关接收，电脑中的测试软件接收数据并进行保存。数据采集前需对应变片进行标定，以保证采集数据的准确性。

4 结论

随着产品不断升级以及新产品研制，产品的创新升级不能仅仅依靠工程师的经验进行设计。企业新产品在试验样机阶段，需要通过大量的试验数据对农用机械的主要工作部件进行充分验证，以保证产品的质量。本文对农用机械扭转应力数据采集的原理及方法给予了充分的说明，为农用机械后续产品的性能分析、产品创新升级以及新产品开发提供了重要的实验手段，有效缩短了研发周期并降低了研发成本。

[1]朱涛，宋健，李亮.复现试验场工况的转向拉杆室内加速疲劳试验 [J].公路交通科技，2011，27(2)： 129～132.

[2]机械电子工业部洛阳拖拉机研究所.拖拉机设计手册上 [M].北京：机械工业出版社，1994.

[3]高镇同.疲劳应用统计学 [M].北京：国防工业出版社，1986.

[4]高翔，严国云.拖拉机载荷分析的概率方法 [J].江苏大学学报，1991，12(4)：7～13.