CN109489886A - 用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置及测量方法，具体地，三向力传感器的前端连接有分度圆盘，所述分度圆盘经传动轴与始位圆盘连接，所述传动轴上套装有导电滑环，所述导电滑环包括内环的转子和外环的定子，所述转子的后端与分度圆盘连接；所述始位盘圆上沿周向面设有一个凸起，所述分度圆盘沿周向面均匀设有多个凸起；所述定子上设有传感器支架，所述感应器支架一侧设有始位感应器，另一侧设有转角感应器。本发明测量方法采用上述测量装置，可以同步得到连续转动刀辊所受三向力与刀辊转动时间和角度的关系的数据。本发明具有结构简单、数据可靠好、通用性好的优点。

Description

用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种实验设备及方法，具体的说是一种刀辊三向力测量装置及测量方法。

背景技术

旋耕刀辊是旋耕机的核心耕作部件，具有对土壤和秸秆进行切削破碎、搅拌混合的功能。根据刀轴上刀具的不同，其所属机具又可分为传统旋耕机、秸秆粉碎灭茬机、起浆平地机等，刀具的结构参数直接影响机具的作业质量、功耗及自身的磨损和使用寿命。由于地域不同，土壤条件、种植制度各有差异，具有明显区域特性的旋耕作业机具也应运而生，作物的栽播条件与方式同时对机具提出了新的要求，因此需要研究刀辊在切削过程中土壤的变形、破碎、移动等规律。刀具与土壤接触，对土壤加工的同时也受到了来至土壤的反作用力，该力是研究切削过程的基础，指导刀辊的优化设计，无论在理论上还是实际应用方面都有重要的意义。

通过土槽试验的方式对刀辊所受三向力进行测量，能够排除田间试验不可控因素的干扰，更全面的建立土壤—刀具的交互关系，理清作业机理，为刀辊的设计提供理论依据。但常规的三向力传感器只能对静止或平面运动的部件进行三向力的测量，对于旋转运动，由于三向力传感器内部没有相对转动的部件，不能像动态扭矩传感器那样与转动部件直连进行数据测量。为了解决这一问题，通常的做法是将旋转部件与机架看成一个整体，然后将传感器安装或内嵌在机架上进行间接的三向测力，如发明专利CN201410425021.8与发明专利CN201611005215.8，但这种测量方式存在以下问题：(1)需要转动部件与机架有较高的安装精度以保证传力不被间隙抵消，否则会严重影响测量的准确性，即使这样机架也易受其他外力干扰时易造成测量误差。(2)由于仅靠三向力传感器无法采集转角数据，这类三向测力装置通常只能测量时间与三向力的关系，而不能测量角度与三向力的关系，不利于对刀辊三向力的全面分析。(3)实验过程中，往往不仅需要测量刀辊固定转动状态下的受力情况，还需要测量刀辊在不同移动方向下的受力情况，此时需要动力对机架进行驱动，这就导致机架受力系统比较复杂，如果将三向力测量装置安装在机架上，则明显不能反映刀辊所受三向力的真实受力情况。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、可直接安装在刀辊上、数据可靠好、通用性好、便于拆卸维护的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置。

本发明还提供一种使用上述刀辊三向力测量装置的测量方法，适用于多种实验状态、可同步测量时间与三向力的关系和角度与三向力的关系数据、可靠性高。

本发明测量装置包括与刀辊的一端连接的三向力传感器,所述三向力传感器的前端连接有分度圆盘，所述分度圆盘经传动轴与始位圆盘连接，所述传动轴上套装有导电滑环，其中，所述导电滑环包括内环的转子和外环的定子，所述转子的后端与分度圆盘连接，所述转子的宽度大于定子、且转子与传动轴之间间隙配合；所述始位盘圆上沿周向面设有一个凸起，所述分度圆盘沿周向面均匀设有多个凸起，且其中一个凸起与始位盘圆的凸起方向对齐；所述定子上设有传感器支架，所述传感器支架一侧设有与始位圆盘的周向面对应的始位传感器，另一侧设有与分度圆盘的周向面对应的转角传感器；所述三向力传感器的信号输出插口经信号线与转子的信号输入插口连接。

还包括有与刀辊另一端连接浮动盘，所述浮动盘经滑块机构与固定盘连接，所述滑块机构为配套的方轴与方管或棱轴与棱管。

所述分度圆盘及与之相连的三向力传感器上均开有供所述信号线穿引的线孔。

所述传动轴的后端面的设有内径向槽，分度圆盘的后端面开有与所述内径向槽对应的外径向槽，所述防松销嵌入由内、外径向槽组成的形槽中，并通过螺栓轴向定位锁死。

所述防松销上还开有顶出螺栓孔。

所述三向力传感器为压阻式力传感器。

所述始位感应器和转角感应器均为电涡流式位移传感器。

针对背景技术中存在问题，发明人进行如下改进：(1)本发明装置并非安装在机架上，而是放置在传力路径中，直接与刀辊连接，从而获得最真实的三向力数据，保证数据的真实可靠性，同时这种安装方式也能很好的适应刀辊在固定转动状态下或不同移动方向下的受力情况的测量。(2)为解决连续转动下数据传输的问题，采用导电滑环，将三向力传感器的信号输出插口经信号线与转子的信号输入插口连接，借助导电滑环的电刷结构将转子与定子连通，实现三向力传感器在连续转动过程中电信号的传输，(3)设置了起始圆盘和分度圆盘，通过始位感应器和转角感应器以获取相应的脉冲信号，将这些信号传输处理、并结合测得的三向数据，通过计算分析可得到时间与三向力的关系和角度与三向力的关系的数据，为刀辊的优化设计提供有力的研究基础。(4)各部件均采用可拆式连接，方便维护和检修。(5)在刀辊另一端设置浮动盘，所述浮动盘经滑块机构与固定盘，当把刀辊安装在机架上时，滑块机构使其轴向有浮动的间隙，不仅便于刀辊安装，而且在安装过程中可进行间隙的调节，防止三向力传感器因刀辊安装时螺栓预紧力而产生初始轴向力，进一步提高检测的准确性。

本发明用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量的方法，包括如下步骤：

1)将所述刀辊三向力测量装置的三向力传感器与旋耕刀辊的一端连接，然后使刀辊三向力测量装置的始位盘圆与旋耕土槽试验台的机架的传动机构连接；建立总体定坐标系O-xyz，使始位圆盘的凸起转至被始位感应器识别，坐标系O-xyz与三向力传感器局部坐标系O₀-x₀y₀z₀重合；

2)机架的驱动机构经刀辊三向力测量装置驱动旋耕刀辊转动时，三向力传感器同步旋转，并将刀辊所受的力载荷转变为电信号经信号线传至导电滑环后，由导电滑环将电信号输送给数据采集与信号处理装置，得到位于局部坐标系O₀-x₀y₀z₀下的F₀[t]，t表示以采样间隔Δt为间隔的离散的时间变量；

3)始位感应器和转角感应器分别识别不断转动中始位圆盘和分度圆盘上的凸起并产生脉冲信号P[t]和Q[t]，以始位感应器的第一个脉冲对Q[t]和F₀[t]的0时刻进行标记，此时转角θ为0，在此相位处，分度圆盘上也有凸起结构被转角感应器识别，根据凸起在圆盘周向上的布置可以得到P[θ]和Q[θ]，θ表示离散的角度变量，则有：P[θ]＝P[2π(i-1)]，Q[θ]＝Q[2π(j-1)/n]，其中，i、j分别为始位感应器与转角感应器发出脉冲的个数次序，n即为分度圆盘周向均布凸起的数量；由于Q[θ]两相邻脉冲相隔Δθ＝2π/n，Q[θ]＝Q[t]，由此获得刀辊转动角度θ随时间t的变化序列θ(t)；

一方面，F₀[t]中两相邻三向力数据有相等的时间间隔Δt，根据需求以Δt₁为采样间隔对F₀[t]重采样得到F₁[t]，并将新的时间序列带入θ(t)得到对应的θ；

另一方面，根据需求以Δθ₁为间隔对θ(t)进行等角度细分，得到新的转动角度对应的时间序列，用新的时间序列对F₀[t]进行重采样，并转化得到F₁[θ]；

4)坐标系O₀-x₀y₀z₀下的三向力F₁[t]和F₁[θ]其各数据均与转角对应，通过相应数值运算进行坐标转换，分别得到总体坐标系O-xyz下连续转动刀辊所受三向力与刀辊转动时间和角度的关系，完成三向力的测量；所述坐标转换的方程(1)如下：

式(1)中矩阵

矩阵A中，刀辊正转时θ取正值，刀辊逆转时θ取负值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明测量装置通用性强，不仅可用于卧式旋转机构的动态三向力测量，对于立式旋耕部件也同样适用，同样适用于悬臂旋转结构。

2)由于将三向力传感器放置在动力传输路径中，且与被侧刀辊直接通过螺栓固连，三向力的测量不受机架受力和平面运动影响，数据更加准确。

3)本发明测量装置结构简单、易于安装、便于拆卸更换，可调节刀辊的轴向间隙，降低了台架对刀辊安装时幅宽精度的要求。

4)本发明测量方法简单、数据准确可靠性高、可以同时得到时间与三向力的关系和角度与三向力的关系的数据。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图2为分度圆盘的安装示意图。

图3a为始位圆盘的转角标记示意图。

图3b为分度圆盘转角标记示意图。

图4为转角与时间的函数关系图

图5三向力随时间变化关系原理图

图6三向力随转角变化关系原理图

其中，1.传感器支架，2.始位感应器，3.转角感应器，4.始位圆盘，4.1.凸起，5.导电滑环，5.1.转子，5.2.定子，6.分度圆盘，6.1.凸起，6.2.线孔，6.3.外径向槽，7.信号线，8.三向力传感器，9.刀辊，10.浮动盘，11.固定盘，12.滑块机构，13传动轴，13.1.内径向槽，14防松销，14.1.顶出螺栓孔，15螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的测量装置作进一步解释说明：

参见图1，本发明测量装置包括后端可与刀辊9一端连接的三向力传感器8，三向力传感器8的前端连接有分度圆盘6，所述分度圆盘6经传动轴13与始位圆盘4连接，所述传动轴13上套装有导电滑环5，所述导电滑环5的结构原理为现有技术，主要包括内环的转子5.1和外环的定子5.2，借助导电滑环的电刷结构将转子5.1与定子5.2连通，所述转子5.1的后端与分度圆盘6经螺栓连接，所述转子5.1的宽度大于定子5.2、且转子5.1与传动轴13之间间隙配合；

所述始位盘圆4上沿周向面设有一个凸起4.1，所述分度圆盘6沿周向面均匀设有多个凸起6.1，且其中一个凸起6.1与始位盘圆4的凸起4.1方向对齐，该方向与三向力传感器8所测一径向力方向平行，刀辊9旋转时，始位圆盘4、分度圆盘6和三向力传感器8同步转中，当凸起结构转至感应器探头正下方时，感应器产生脉冲信号；所述定子5.2上设有传感器支架1，所述传感器支架1一侧设有与始位圆盘4的周向面对应的始位感应器2，另一侧设有与分度圆盘6的周向面对应的转角感应器3，所述始位感应器2和转角感应器3优选为电涡流式位移传感器；

所述三向力传感器8的信号输出插口连接信号线7的一端，所述信号线7的另一端穿过三向力传感器8连接端的线孔和分度圆盘6上线孔6.2与转子5.1的信号输入插口连接。

本发明装置还包括可与刀辊9另一端连接的浮动盘10，所述浮动盘10经滑块机构12与固定盘11连接，所述滑块机构12为配套的方轴与方管。固定盘11可与机架侧板轴承座组件连接，当把刀辊9安装在台架上时，滑块机构12使轴向有浮动的间隙，不仅便于刀辊9安装，而且在安装过程中可进行间隙的调节，防止三向力传感器8因刀辊9安装时螺栓预紧力而产生初始轴向力；

参见图2，优选的，所述传动轴13的后端与分度圆盘6采用可拆式连接，具体的结构为：所述传动轴13的后端面的设有内径向槽13.1，分度圆盘6的后端面开有与所述内径向槽13.1对应的外径向槽6.3，所述防松销14嵌入由内、外径向槽13.1、6.3组成的形槽中，并通过螺栓15轴向定位锁死，所述防松销14上还开有顶出螺栓孔14.1。

优选的，所述三向力传感器为压阻式力传感器。

测量方法实施例：

1)将所述刀辊三向力测量装置的三向力传感器8的后端与刀辊9的一端连接，然后使刀辊三向力测量装置的始位盘圆4与旋耕土槽试验台的机架的传动机构连接(图中未示出)；建立总体定坐标系O-xyz，在始位圆盘4凸起4.1转至被始位感应器2识别时，坐标系O-xyz与三向力传感器8局部坐标系O₀-x₀y₀z₀重合；

2)机架的驱动机构经刀辊三向力测量装置驱动刀辊9转动时，三向力传感器8同步旋转，并将刀辊9所受的力载荷转变为电信号经信号线7传至导电滑环5转子5.1，借助导电滑环5的电刷结构将转子5.1与定子5.2连通，实现三向力传感器8在连续转动过程中电信号的传输，通过数据采集与信号处理装置，并根据三向力传感器8相应电信号值与三向力的标定结果，得到位于局部坐标系O₀-x₀y₀z₀下的F₀[t]，t表示以采样间隔Δt为间隔的离散的时间变量；

3)始位感应器2和转角感应器3分别识别不断转动中始位圆盘4和分度圆盘6上的凸起4.1，6.1并产生脉冲信号P[t]和Q[t]，以始位感应器2的第一个脉冲对Q[t]和F₀[t]的0时刻进行标记，此时转角θ为0，在此相位处，分度圆盘6上也有凸起6.1结构被转角感应器3识别，根据凸起4.1，6.1在圆盘周向上的布置可以得到P[θ]和Q[θ]，θ表示离散的角度变量，则有：P[θ]＝P[2π(i-1)]，Q[θ]＝Q[2π(j-1)/n]，其中，i、j分别为始位感应器2与转角感应器3发出脉冲的个数次序，n即为分度圆盘6周向均布凸起6.1的数量；由于Q[θ]两相邻脉冲相隔Δθ＝2π/n，Q[θ]＝Q[t]，由此获得刀辊9转动角度θ随时间t的变化序列θ(t)；实验状态下,转速会有匀速转动或变速转动两种状态，当刀辊匀速转动时刀辊9转动角度θ与时间t呈线性关系，即转过一定角度所用的时间相等，当刀辊9变速转动，θ与t为非线性关系，如图4，本实施例以第二种状态为例；

一方面，F₀[t]中两相邻三向力数据有相等的时间间隔Δt，根据需求以Δt₁为采样间隔对F₀[t]重采样得到F₁[t]，并将新的时间序列带入θ(t)得到对应的θ，如图5；

另一方面，根据需求以Δθ₁为间隔对θ(t)进行等角度细分，得到新的转动角度对应的时间序列，用新的时间序列对F₀[t]进行重采样，并转化得到F₁[θ]，如图6；

4)坐标系O₀-x₀y₀z₀下的三向力F₁[t]和F₁[θ]其各数据均与转角对应，通过相应数值运算进行坐标转换，分别得到总体坐标系O-xyz下连续转动刀辊9所受三向力与刀辊9转动时间和角度的关系，完成三向力的测量。坐标转换方程(1)如下：

式(1)中矩阵

矩阵A中，刀辊正转时θ取正值，刀辊逆转时θ取负值。

Claims (8)

1.一种用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,包括与刀辊的一端连接的三向力传感器,其特征在于,所述三向力传感器的前端连接有分度圆盘，所述分度圆盘经传动轴与始位圆盘连接，所述传动轴上套装有导电滑环，其中，所述导电滑环包括内环的转子和外环的定子，所述转子的后端与分度圆盘连接，所述转子的宽度大于定子、且转子与传动轴之间间隙配合；所述始位盘圆上沿周向面设有一个凸起，所述分度圆盘沿周向面均匀设有多个凸起，且其中一个凸起与始位盘圆的凸起方向对齐；所述定子上设有感应器支架，所述感应器支架一侧设有与始位圆盘的周向面对应的始位感应器，另一侧设有与分度圆盘的周向面对应的转角感应器；所述三向力传感器的信号输出插口经信号线与转子的信号输入插口连接。

2.如权利要求1所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,其特征在于，还包括有与刀辊另一端连接浮动盘，所述浮动盘经滑块机构与固定盘连接，所述滑块机构为配套的方轴与方管或棱轴与棱管。

3.如权利要求1或2所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,其特征在于，所述分度圆盘及与之相连的三向力传感器上均开有供所述信号线穿引的线孔。

4.如权利要求1所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,其特征在于，所述传动轴的后端面的设有内径向槽，分度圆盘的后端面开有与所述内径向槽对应的外径向槽，所述防松销嵌入由内、外径向槽组成的形槽中，并通过螺栓轴向定位锁死。

5.如权利要求4所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,其特征在于，所述防松销上还开有顶出螺栓孔。

6.如权利要求1所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置,其特征在于，所述始位感应器和转角感应器均为电涡流式位移传感器。

7.根据权利要求1所述的用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量装置，其特征在于，所述三向力传感器为压阻式力传感器。

8.一种用于旋耕土槽试验台的刀辊三向力测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将权利要求1-7任一项所述刀辊三向力测量装置的三向力传感器与刀辊的一端连接，然后使刀辊三向力测量装置的始位盘圆与旋耕土槽试验台的机架的传动机构连接；建立总体定坐标系O-xyz，使始位圆盘的凸起转至被始位感应器识别，坐标系O-xyz与三向力传感器局部坐标系O₀-x₀y₀z₀重合；

2)机架的驱动机构经刀辊三向力测量装置驱动旋耕刀辊转动时，三向力传感器同步旋转，并将刀辊所受的力载荷转变为电信号经信号线传至导电滑环后，由导电滑环将电信号输送给数据采集与信号处理装置，得到位于局部坐标系O₀-x₀y₀z₀下的F₀[t]，t表示以采样间隔Δt为间隔的离散的时间变量；

3)始位感应器和转角感应器分别识别不断转动中始位圆盘和分度圆盘上的凸起并产生脉冲信号P[t]和Q[t]，以始位感应器的第一个脉冲对Q[t]和F₀[t]的0时刻进行标记，此时转角θ为0，在此相位处，分度圆盘上也有凸起结构被转角感应器识别，根据凸起在圆盘周向上的布置可以得到P[θ]和Q[θ]，θ表示离散的角度变量，则有：P[θ]＝P[2π(i-1)]，Q[θ]＝Q[2π(j-1)/n]，其中，i、j分别为始位感应器与转角感应器发出脉冲的个数次序，n即为分度圆盘周向均布凸起的数量；由于Q[θ]两相邻脉冲相隔Δθ＝2π/n，Q[θ]＝Q[t]，由此获得刀辊转动角度θ随时间t的变化序列θ(t)；

一方面，F₀[t]中两相邻三向力数据有相等的时间间隔Δt，根据需求以Δt₁为采样间隔对F₀[t]重采样得到F₁[t]，并将新的时间序列带入θ(t)得到对应的θ；

另一方面，根据需求以Δθ₁为间隔对θ(t)进行等角度细分，得到新的转动角度对应的时间序列，用新的时间序列对F₀[t]进行重采样，并转化得到F₁[θ]；

4)坐标系O₀-x₀y₀z₀下的三向力F₁[t]和F₁[θ]其各数据均与转角对应，通过相应数值运算进行坐标转换，分别得到总体坐标系O-xyz下连续转动刀辊所受三向力与刀辊转动时间和角度的关系，完成三向力的测量；所述坐标转换的方程(1)如下：

式(1)中矩阵

矩阵A中，刀辊正转时θ取正值，刀辊逆转时θ取负值。