拖拉機(jī)牽引阻力傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

譙建春,劉 宇,李明生

(1. 成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都 610218;2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

0 引言

早期的機(jī)-液式懸掛系統(tǒng)中,拖拉機(jī)與農(nóng)具間的牽引力都是通過(guò)一個(gè)彈性元件變形來(lái)直接測(cè)量。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展及電子牽引力控制系統(tǒng)的出現(xiàn),許多牽引力控制系統(tǒng)的牽引力測(cè)量都是通過(guò)彈性元件和傳感器組合來(lái)完成的。目前,應(yīng)用到拖拉機(jī)牽引力控制系統(tǒng)中的傳感器以工作原理來(lái)劃分主要包含3類,即機(jī)械傳動(dòng)式、磁致伸縮式和應(yīng)變片式[1]。應(yīng)變計(jì)由4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)組成,構(gòu)成惠斯通電橋。當(dāng)彈性元件產(chǎn)生變形時(shí),使電橋兩端產(chǎn)生壓差信號(hào),從而進(jìn)行測(cè)量,此法十分適合于拖拉機(jī)的牽引力測(cè)量,不足之處是容易受溫度影響而導(dǎo)致橋路不平衡[2]。本文針對(duì)應(yīng)變片式牽引力傳感器進(jìn)行研究,針對(duì)性地設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償措施,并開展了標(biāo)定試驗(yàn)。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的力傳感器主要用于拖拉機(jī)牽引阻力控制系統(tǒng),用于測(cè)量耕作時(shí)的牽引力。其安裝在三點(diǎn)式懸掛系統(tǒng)下拉桿的鉸接孔中,支撐部位承受剪切力,再把剪切力轉(zhuǎn)換成因應(yīng)變片形變而產(chǎn)生的電壓變化,通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào),轉(zhuǎn)換得到牽引力的數(shù)值[3]。

通過(guò)牽引力傳感器將支承座、下拉桿聯(lián)結(jié),傳感器中部承受剪應(yīng)力,如圖1所示。在拖拉機(jī)作業(yè)過(guò)程中,下拉桿會(huì)繞傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),為方便安裝并滿足拖拉機(jī)作業(yè)要求,設(shè)計(jì)牽引力傳感器的外觀為軸銷式。

1.支承底座 2.力傳感器 3.下拉桿 4.剪切應(yīng)力集中區(qū)域

傳感器內(nèi)部為單孔式結(jié)構(gòu),傳感器中心孔的凹槽粘貼有電阻應(yīng)變計(jì)。其有兩種組橋方式,分別為:兩個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)分別構(gòu)成惠斯通電橋然后并聯(lián)測(cè)量;或者兩個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)一起形成惠斯通電橋測(cè)量。電阻應(yīng)變計(jì)是雙剪切型,以便合理利用空間并增加信號(hào)數(shù)量, 選擇單根傳感器上兩個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)各自組成惠斯通電橋并聯(lián)測(cè)量的方式,能同時(shí)測(cè)量垂直和水平方向的牽引力[4]。

2 牽引力傳感器應(yīng)力分析

牽引力傳感器可以被視為簡(jiǎn)支梁,其兩端具有垂直約束,中間具有集中載荷P,且是中空截面梁。圖1同時(shí)顯示了測(cè)力傳感器受下拉桿的力,D表示凹槽中心的空心截面外徑,d表示凹槽中心的空心截面內(nèi)徑。

根據(jù)測(cè)力中心銷使用條件,在眾多軸的常用材料中選擇國(guó)內(nèi)使用廣泛的40Cr作為中心銷材料,機(jī)械性能如表1所示。

表1 40Cr機(jī)械性能[5]

[σ]為許用拉伸應(yīng)力;[σmax]為許用彎曲應(yīng)力;[τ]為許用剪切應(yīng)力;E為彈性模量;σs為屈服強(qiáng)度。

剪應(yīng)力集中區(qū)為凹槽中心的空心截面,中性層處的剪切力最大。剪切應(yīng)力計(jì)算公式為

式中τ—中性層剪切應(yīng)力(N);

P—傳感器集中載荷(N);

D—凹槽中心的空心截面外徑(mm);

d—凹槽中心的空心截面內(nèi)徑(mm)。

中心銷最小外徑D=36mm,長(zhǎng)度L=10mm;中心孔直徑d=18mm,額定載荷P=60 000N。將數(shù)據(jù)代入公式,得到所求剪切應(yīng)力為53.56MPa。

軸線與中性層成45°方向的主應(yīng)力為

σ=±τ=±53.56MPa

中心銷中性層位置的最大彎曲應(yīng)力[4]為

式中σ—軸線與中性層成45°方向的主應(yīng)力(MPa);

σmax—中心銷最大彎曲應(yīng)力(MPa);

L—凹槽的寬度(mm);

P—傳感器集中載荷(N);

D—凹槽中心的空心截面外徑(mm);

d—凹槽中心的空心截面內(nèi)徑(mm)。

由以上條件及表1可知:τ<[τ]40Cr,σ<[σ]40Cr,σmax<[σmax]40Cr。所以,材料40Cr在強(qiáng)度方面滿足使用條件。

拖拉機(jī)的最大輸出功率為92kW。取田地摩擦因數(shù)0.5,地面提供的摩擦力約為30 000N,實(shí)際的拖拉機(jī)額定牽引力為28 000N。軸銷式牽引力傳感器設(shè)計(jì)額定載荷為45 000N,符合拖拉機(jī)耕作時(shí)的應(yīng)力要求。

由于短粗棒狀物體剪切應(yīng)力理論分析難度較大,因此對(duì)所設(shè)計(jì)的牽引力傳感器進(jìn)行Pro/E建模及Ansys有限元分析,如圖2所示。結(jié)果表明:當(dāng)加載力為45 000N時(shí),傳感器應(yīng)力最大處為111.8MPa,滿足使用要求。

3 牽引力傳感器電路設(shè)計(jì)

3.1 初始電路設(shè)計(jì)

牽引力傳感器共有兩組惠斯通電橋,每組電橋均有粘貼在應(yīng)變區(qū)上的4枚電阻應(yīng)變計(jì)。根據(jù)相對(duì)橋臂應(yīng)變方向相同,相鄰橋臂應(yīng)變方向相反的原則組成[6],如圖3所示。

圖3 牽引力傳感器初始橋接電路圖

使用基爾霍夫定律和歐姆定律,得出電橋的輸出電壓為

(1)

式中Ui—電橋供橋電壓(V);

U0—電橋輸出電壓(V);

R1—電橋橋臂電阻(Ω);

R2—電橋橋臂電阻(Ω);

R3—電橋橋臂電阻(Ω);

R4—電橋橋臂電阻(Ω)。

由于傳感器內(nèi)部因素和外部環(huán)境參數(shù)的影響,傳感器電橋電路輸出特性會(huì)有較大偏離,精確度將得不到保障。為了提升牽引力傳感器的性能指標(biāo),需采用各種補(bǔ)償電路對(duì)其逐步進(jìn)行電路補(bǔ)償與調(diào)整。

3.2 傳感器零點(diǎn)溫度補(bǔ)償

牽引力傳感器的零點(diǎn)溫度漂移指?jìng)鞲衅髟跓o(wú)外載荷作用時(shí)的輸出受環(huán)境溫度的影響,隨環(huán)境溫度的變化而變化。引起零點(diǎn)溫度漂移的因素主要有電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、應(yīng)變粘結(jié)劑的膨脹系數(shù)、導(dǎo)線長(zhǎng)度等;溫度發(fā)生變化時(shí),其熱脹冷縮的程度不一致,引發(fā)電阻值變動(dòng)。處理的方法就是在電路中電阻溫度系數(shù)小的橋臂,串聯(lián)一個(gè)電阻Rt進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。該電阻電阻溫度系數(shù)相對(duì)較大,以提高橋臂電阻溫度系數(shù)[7]。牽引力傳感器零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電橋電路如圖4所示。

圖4 牽引力傳感器零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電橋電路簡(jiǎn)圖

設(shè)常溫溫度T0,測(cè)得的零點(diǎn)輸出電壓為U1,高溫溫度為T1,測(cè)得的零點(diǎn)輸出電壓為U2。若U2-U1>0,說(shuō)明B點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)比低溫時(shí)B點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)高,Ⅱ、Ⅳ橋臂的電阻增加得多。由此可以看出:Ⅱ和Ⅳ橋臂的電阻溫度系數(shù)大于Ⅰ和Ⅲ橋臂的電阻溫度系數(shù),因此補(bǔ)償電阻Rt應(yīng)串聯(lián)在Ⅰ和Ⅲ橋臂上;反之,則串接在Ⅱ和Ⅳ橋臂上[7]。

Rt=2R(U0-Ui)/aUi(T2-T1)

式中Rt—溫度補(bǔ)償電阻(Ω);

a—零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)(1/℃)。

3.3 傳感器零點(diǎn)輸出補(bǔ)償

應(yīng)變片式傳感器在加壓、粘貼等工藝過(guò)程中,電阻值還會(huì)產(chǎn)生變化,導(dǎo)致?tīng)恳鞲衅髟跓o(wú)外載作用下仍產(chǎn)生較大的零點(diǎn)輸出。解決方案是將零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電阻與橋臂串聯(lián),該電阻具有較低的電阻溫度系數(shù)[7]。從等式(1)可以看出:若U0>0,B點(diǎn)的電勢(shì)高,點(diǎn)D處的電勢(shì)低,R1R3>R2R4。此時(shí),補(bǔ)償電阻Rz應(yīng)串接在Ⅱ、Ⅳ橋臂上,反之應(yīng)串接在Ⅰ、Ⅲ橋臂上,使得橋路平衡。牽引力傳感器電橋電路零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電路如圖5所示。

圖5 牽引力傳感器電橋電路零點(diǎn)輸出簡(jiǎn)圖

3.4 靈敏度補(bǔ)償

安裝在拖拉機(jī)下拉桿上的牽引力傳感器為軸銷式,其靈敏度公式為

S=2(1+r)KP/πED2×103

(2)

式中P—傳感器集中載荷(N);

K—電阻應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù);

E—彈性模量(MPa);

r—泊松比;

D—外徑。

靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)脑硎?在環(huán)境溫度升高,彈性模量E隨環(huán)境溫度升高而降低(彈性模量為負(fù)溫度系數(shù)),導(dǎo)致靈敏度S隨彈性模量E的降低而升高。為保證Ui/E的比值不變,則供橋電壓Ui應(yīng)隨E減小,以使靈敏度S保持不變。其方法是:在供橋電路上串聯(lián)一個(gè)靈敏度溫度補(bǔ)償電阻Rm,其隨溫度變化而變化,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),Rm隨之增大,由于分壓作用,使得供橋電壓減小,從而維持Ui/E的比值不變,這對(duì)彈性模量E隨溫度升高而變小造成靈敏度S增大起到了補(bǔ)償作用[7]。牽引力傳感器靈敏度溫度補(bǔ)償如圖6所示。

圖6 牽引力傳感器靈敏度溫度補(bǔ)償輸出圖

根據(jù)靈敏度溫度補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)公式得:Rm=(6～7)%R。

3.5 輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整

由于本試驗(yàn)所用拖拉機(jī)牽引力傳感器共兩組全橋式惠斯通電橋,采用同一電源、兩種電橋并聯(lián)使用,利用平均值電路原理(即每組橋路的靈敏度相當(dāng)于平均值電路的每一個(gè)電勢(shì);每組橋路的輸出電阻相當(dāng)于平均值電路的每一個(gè)內(nèi)阻),如果不進(jìn)行輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整,會(huì)導(dǎo)致輸出的平均值產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。為此,可在電橋電路的輸出回路上串聯(lián)一個(gè)高精度且低電阻溫度系數(shù)的調(diào)整電阻R0,如圖7所示[8]。

圖7 牽引力傳感器輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化圖

3.6 輸入電阻補(bǔ)償

牽引力傳感器經(jīng)過(guò)一系列補(bǔ)償和標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整后,其輸入電阻增加了10%～20%,但仍與所要求的標(biāo)準(zhǔn)值相差較大,因此需要進(jìn)行輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整。對(duì)于并聯(lián)使用的牽引力傳感器,其調(diào)整精度要求不高,分散度在(±10～±20)Ω。輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整的方法是:在供橋電路上并聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)節(jié)電阻Ri,故最終傳感器調(diào)整電路如圖8所示。

圖8 牽引力傳感器電路圖

4 牽引力傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的電子壓力測(cè)試機(jī)對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),反復(fù)加載及卸載,測(cè)試左、右下拉桿兩牽引力傳感器的線性度及遲滯特性等性能,以滿足實(shí)際田間試驗(yàn)的惡劣工況要求。牽引力傳感器負(fù)載范圍0～5 500N,試驗(yàn)裝置如圖9所示。

為了方便調(diào)整牽引力傳感器的受力角度,試驗(yàn)中選擇高精度V形塊作為承載裝置,試驗(yàn)前在傳感器端部貼上角度標(biāo)簽,如圖10所示。

圖10 不同角度加載實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行牽引力傳感器水平力方向加載,加載范圍0～20 000N,3次加載結(jié)果曲線如圖11所示。試驗(yàn)通過(guò)水平力方向加載可以得出:左傳感器在載荷為4 000N時(shí),其所測(cè)水平力輸出信號(hào)為5.933 1mA;右傳感器在載荷為4 000N時(shí),其所測(cè)水平力輸出信號(hào)為5.827 7mA;水平力方向加載兩傳感器水平力信號(hào)線性度大于0.996。

圖11 力傳感器水平力方向加載實(shí)驗(yàn)曲線

再進(jìn)行牽引力傳感器垂直力方向加載,加載范圍0～20 000N,3次加載結(jié)果曲線如圖12所示。實(shí)驗(yàn)通過(guò)垂直力方向加載可以得出:左傳感器在載荷為4 000N時(shí)其所測(cè)垂直力輸出信號(hào)為5.367mA,右傳感器在載荷為4 000N時(shí),其所測(cè)垂直力輸出信號(hào)為5.327 2mA;垂直力方向加載兩傳感器水平力信號(hào)線性度大于0.998 9。

圖12 力傳感器垂直力方向加載實(shí)驗(yàn)曲線

在實(shí)際田間作業(yè)中,牽引力傳感器工作環(huán)境較為惡劣,拖拉機(jī)牽引力方向及幅度變化范圍較大。為了提高測(cè)量精度,要求力傳感器電信號(hào)在一定角度范圍旋轉(zhuǎn)時(shí)需具有良好的線性度[9]。在牽引力傳感器與水平方向夾角30°時(shí),進(jìn)行0～20 000N的加載試驗(yàn),加載曲線如圖13所示。結(jié)果顯示:在與水平方向夾角30°范圍內(nèi),兩根牽引力傳感器具有較好線性度。

圖13 力傳感器與水平方向夾角30°加載實(shí)驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的40Cr軸銷式牽引力傳感器額定載荷為45 000N,符合拖拉機(jī)耕作時(shí)的應(yīng)力要求。應(yīng)力在軸銷中性軸處最大,且具有較強(qiáng)的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)能力。在與水平方向夾角30°范圍內(nèi),兩根牽引力傳感器具有較好線性度。當(dāng)牽引力傳感器受到水平和垂直彎曲時(shí),彎矩為零的點(diǎn)都在同一個(gè)截面上,滿足使用要求。