CN204788978U - 农田地面有效激励谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种农田地面有效激励谱测量装置，测量车上的测量轮跟随路面的起伏而升降，获得测试轮相对于测量架(惯性基准)的位移，通过安装于测量架上的速度传感器及信号处理模块获得测量架的位移，将两个位移信号综合以后从而得到对应路面的有效激励谱。本实用新型能够高效采集农田有效激励数据并进行数据处理，处理后可用于农用车辆虚拟样机仿真和室内道路模拟实验，并且数据误差小，可用于低速农机。
Description
技术领域
本实用新型属于农林机械技术领域，涉及一种力学测试设备，具体涉及一种农田地面有效激励谱测量装置。
背景技术
农机在田间工作时需通过耕地、草地、沙地等复杂软路面，由路面不平激励引起的振动导致零部件过早地磨损、疲劳和损坏，长期以来，设计耐久性好、可靠性高的农用装备，一直是有待深化研究的课题。目前，国内农机具的设计对田间路面不平度引起的振动导致零部件强度及可靠性变化的情况考虑较少，要对整机可靠性设计，必须考虑来自地面的随机激励，设计一套适用于农田不平度激励采集装置是关键所在。
现有的路谱测试几乎都是关于公路路面的，公路路面经过压实，路面硬度大，车辆行驶过程中路面不会发生塑性变形，农田地面由于土壤的粘弹性、剪胀性等，使得采集到的纵断面激励谱并非真正作用农机底盘的有效激励。因此需要可以获得不同负载下的有效激励数据的装置和方法。
已有的测试装置对测试速度要求在30km/h以上才，农田地面测量时速度应在10km/h左右，需能适应农机具正常行驶和作业速度的测量设备。
不少路面谱测量方法都通过采集振动加速度信号，转换得到位移功率谱密度的方法误差比较大，根本原因是加速度传感器引入的误差及二次积分后引起的静态漂移。加速度传感器频率响应低频响应差，而农田面起伏不平，在这种随机振动冲击下轮轴车的加速度与正弦加速度不一样，它的平均值不一定总是0而相反是可能很大的，也就是其信号的DC分量很大，而恰恰这个DC部分不能通过，引起加速度信号的失真，积分一次积分两次以后就出现单调上升。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决上述问题，因此提供一种农田地面有效激励谱测量装置，能够高效采集农田有效激励数据并进行数据处理，处理后可用于农用车辆虚拟样机仿真和室内道路模拟实验，并且数据误差小，可用于低速农机。
本实用新型提供了如下的技术方案：
一种农田地面有效激励谱测量装置，包括：测量车和测试系统；
所述测试系统包括数据采集模块和数据处理模块；
所述测量车包括测量架、连接杆、地面仿形轮和升降机构，所述升降机构设于所述测量架上，所述测量架套接在所述连接杆上，所述连接杆下端连有所述地面仿形轮；
所述测量架和地面仿形轮之间设有弹簧，所述弹簧设于所述连接杆上，用来保证轮子与地面实时接触；
所述测量架上设有速度传感器，所述测量架与地面仿形轮之间设有直线位移传感器，所述地面仿形轮轮轴处设有光电旋转编码器；
所述速度传感器、直线位移传感器和所述光电旋转编码器与所述数据采集模块电连接。
本实用新型装置还包括配重装置，所述配重装置设于所述测量架上，所述配重装置包括配重架和配重块，所述配重块的数目可调节。
所述配重架包括底盘和凸起部，所述凸起部由定位部和卡接部组成。
所述卡接部的横截面为倒置的梯形。与配重块的凹槽一一对应，使得配重块能够牢牢卡在所述配重架上。
还包括实体机连接装置，所述实体机连接装置包括依次连接的连接件和连杆，所述连杆与所述升降机构相连接，所述连接件与所述连杆之间设有拉力传感器，所述拉力传感器与所述数据采集模块电连接。
所述升降机构由四个平行的连杆和前、后支架组成平行四边形机构，使得测量架始终垂直地面运动。所述平行四边形机构内还设有液压缸作为动力装置，液压缸伸缩带动测试架上升或者下降，可以根据车辆底盘高度，调节测量架基准位置。可适用于多种农机具、农用车。
所述连接杆与地面仿形轮之间设有连接座。
本实用新型的有益效果是：
现有的路谱测试几乎都是关于公路路面的，公路路面经过压实，路面硬度大，车辆行驶过程中路面不会发生塑性变形，农田地面由于土壤的粘弹性、剪胀性等，使得采集到的纵断面激励谱并非真正作用农机底盘的有效激励。本实用新型针对此问题提出了解决办法，可以获得不同负载下的有效激励数据。
已有的测试装置对测试测试速度要求在30km/h以上才，农田地面测量时速度应在10km/h左右，需能适应农机具正常行驶和作业速度。本设计的测量设备适合安装于低速农机具。
不少路面谱测量方法都通过采集振动加速度信号，转换得到位移功率谱密度的方法误差比较大，根本原因是加速度传感器引入的误差及二次积分后引起的静态漂移。加速度传感器低频响应差，而农田面起伏不平，在这种随机振动冲击下轮轴车的加速度平均值不一定总是0而相反是可能很大的，引起加速度信号的失真，积分两次以后就出现单调上升，本设计用直线位移传感器测量路面随机信号，避免了失真，并使用速度传感器，获得惯性基准的位移信号，来校正地面仿形轮测得为位移值。
本实用新型适用于低速的原因，农机在田间行驶车速比较有限，通常都在10km/h，被测地面位移信号属于缓慢变化信号。
而公路不平度测试系统，大多采用数字接口的传感器，只能用来大致测量运动较快的位移，对缓慢运动的测试效果极差，对电源的要求也很高。
所以本实用新型采用模拟接口的传感器配合放大电路、模拟积分电路等来实现对农田地面激励数据低速测量的采集，总的系统误差比较小。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型农田地面有效激励谱测量装置结构示意图；
图2是一个较佳实施例测试系统的结构示意图；
图3是本实用新型运行流程图。
具体实施方式
如图1-3所示，本实用新型公开一种农田地面有效激励谱测量方法，
测量车上的测量轮跟随路面的起伏而升降，产生位移，通过安装于测量架上的速度传感器测得测量架垂直方向振动速度信号，经过硬件积分模块获得测量架的位移信号，将两个位移信号综合以后得到对应路面的有效激励谱。
具体步骤为：测量车上的测量轮跟随路面的起伏而升降，产生位移W，在测量车上垂直于对应路面位置的地方，安装速度传感器，测量所述测量架上测量轮垂直方向的速度然后通过电路模拟积分，得到了所述测量架的位移Z；根据真实的路面不平度
由不平度Wm测量值序列qi(t)得到Gq(f)的谱估计值，空间频率nc按GB7031-86分位，再根据公式
f＝nv(2)，
对应地把时间频率f按倍频程分位，依f各分位点，读取Gq(f)值，然后根据空间频率谱密度与时间频率谱密度的关系
计算路面谱Gq(n)，
其中：f为时间频率，单位Hz，n为空间频率，单位m-1，v为车速，通过测试所述测量车轮角位移α与车轮半径r可以换算得到，单位m/s；
从而得到对应路面激励谱。
一种农田地面有效激励谱测量装置，包括：测量车和测试系统；
测试系统包括数据采集模块和数据处理模块；
测量车包括测量架10、连接杆11、地面仿形轮1和升降机构7，升降机构7设于测量架10上，测量架10套接在连接杆11上，连接杆11下端连有地面仿形轮地面仿形轮1；
测量架10和地面仿形轮地面仿形轮1之间设有弹簧9，弹簧9设于连接杆11上；
测量架10上设有速度传感器4，测量架10与地面仿形轮1之间设有直线位移传感器3，地面仿形轮1上设有光电旋转编码器2；
速度传感器4、直线位移传感器3和光电旋转编码器2与数据采集模块电连接。
本实用新型可根据实际用途配置配重装置8或者实体机连接装置6。
配重装置8设于测量架10上，配重装置8包括配重架和配重块，配重块的数目可调节。
配重架包括底盘和凸起部，凸起部由定位部和卡接部组成，卡接部的横截面为梯形。可实现配重块的卡接。
实体机连接装置6包括依次连接的连接件和连杆，连杆与升降机构7相连接，连接件与连杆之间设有拉力传感器5，拉力传感器5与数据采集模块电连接。
升降机构7由四个平行的连杆和前、后支架组成平行四边形机构，平行四边形机构内还设有液压缸，液压缸可伸缩，使得测量架始终垂直地面运动。升降机构7则作为动力装置，可以根据车辆底盘高度，调节测量架基准位置。可适用于多种农机具、农用车。
连接杆10与地面仿形轮1之间设有连接座。连接座的既能保持与测量架10水平。保证垂直位移准确，又能卡住地面仿形轮1，使得地面仿形轮1不会在水平方向上晃动。
地面仿形轮1可以在与所测路面的垂直方向上下运动，测量地面不平度，弹簧9用于复位，升降机构7用于调节位移传感器基准的位置，适应不同牵引车底盘高速。拉力传感器5测牵引阻力。光电旋转编码器2用于测量地面仿形轮1转速，进而得到车速。用直线位移传感器3测量路面随机信号，避免了失真，并使用速度传感器4，获得测量架10惯性基准的位移信号，来校正地面仿形轮1测得为位移值，得到地面真实的激励数据。
数据采集模块准确的测量各个传感器传回来的测量数据，并通过计算处理显示出来。如图2所示，数据采集模块硬件电路主要由以下几部分组成：PC机、DSP、电源模块、CPLD信号处理模块、升降机构驱动模块、串口通信模块以及传感器信号采集模块。工作原理如下：PC与DSP通过串口通讯，向DSP发送相应的控制命令及举升升降机构的期望值，同时接收DSP传回的各传感器测得的数据并进行处理。DSP根据接收到的PC机的指令，经过一定的运动控制算法处理后输出给DA模块，转换为控制升降机构位置的模拟量，并通过驱动器控制升降机构伸缩。设计时使系统运行过程中测量的传感器数据存储在DSP中，系统停止工作时，再将数据传至PC机。
电源模块主要完成外部输入电源的转换和滤波，使之转换成适合各类芯片的工作电压，满足整个系统的供电，包括CPLD的供电。电源转换芯片选用FM20-24S12、FM5-24S05和TMS1117-3.3三种型号，FM20-24S12用于将24V电源转换成12V，FM5-24S05用于将24V电源转换成5V，TMS1117-3.3用于将5V电源转换成3.3V。
信号采集模块主要完成传感器信号的采集，芯片选用四通道光耦隔离TLP521-4芯片。
信号处理模块配合DSP完成各种信号(模拟量)的输入输出。同时完成各种信号(包括光电编码器信号、位移传感器信号、拉压力传感器信号、速度传感器信号以及升降机构作动信号)的处理如放大、去漂和信号积分等。尤其是对于竖直方向速度信号的处理，进行放大、去漂移以后，还需将速度对时间进行积分从而获得测试架的振动位移信号，相对于软件积分，本实用新型采用硬件积分电路的方法更灵活有效，只需指定积分时间窗口，让硬件电路完成速度信号积分，通过模数转换就可以获得期间的信号积分值。用于信号处理的CPLD芯片优选Altera公司生产的EPM3256ATI144-10N芯片。
升降机构驱动平行四边形机构进行举升和降落测试装置，目的是调节测量架惯性基准，适应不同牵引车底盘高度。用TMS320LF2407DSP作为控制器来控制液压伺服位置系统。此系统主要由三部分组成：DSP数字控制器、液压伺服位置测试系统测试系统(如高速开关阀、插装阀、升降机构和负载)、升降机构位置传感器。系统结构框图如图所示。高速开关阀采用PWM工作方式，通过调节PWM信号的占空比控制高速开关阀，就可以控制插装阀控制腔的压力，从而控制插装阀工作口输出的流量和压力，最终实现对升降机构的位置控制。
串口通信模块主要完成主控板与PC操作面板之间的通信，芯片选用MAX3485芯片。
本实施例中的光电编码器的输出方式采用串行输出，其输出的脉冲信号经过RS485转换芯片，连接编码器自身提供的解码芯片AU5561，解码后的脉冲信号通过数据总线送入TMS320F2047的QEP模块，通过去读寄存器数值可以实时检测转角位置，并计算。
同时，使用土壤硬度计，在测量地面激励谱的同时获取土壤坚实度K，记录试验车速V、地面仿形轮的配重N，研究不同地区条件下，土壤坚实度、试验车速、地面仿形轮的配重对有效地面谱的影响规律。并使用通过RBF神经网络函数构建土壤属性、原始不平度与有效地面激励的关系。
综上，典型农田激励谱数据在大型农业机械装备的设计与研发中有着重要的作用。在农业装备设计阶段，农田不平度激励数据经过转换可以用于国际主流的仿真分析软件的输入激励，用来研究车辆系统在不同农田路面上行驶的响应，可达到缩短设计周期、提高农机可靠性、耐久性的目的。在样机试验阶段，典型农田不平度激励数据可以用于路谱室内模拟实验，能使农机在不同地域作业时的振动状况在试验室中得到真实的再现，直观、有效地观察和分析整机可靠性以及各零部件疲劳损坏的原因。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，包括：测量车和测试系统；
所述测试系统包括数据采集模块和数据处理模块；
所述测量车包括测量架、连接杆、地面仿形轮和升降机构，所述升降机构设于所述测量架上，所述测量架套接在所述连接杆上，所述连接杆下端连有所述地面仿形轮；
所述测量架和地面仿形轮之间设有弹簧，所述弹簧设于所述连接杆上，用来保证轮子与地面实时接触；
所述测量架上设有速度传感器，所述测量架与地面仿形轮之间设有直线位移传感器，所述地面仿形轮轮轴处设有光电旋转编码器；
所述速度传感器、直线位移传感器和所述光电旋转编码器与所述数据采集模块电连接。
2.根据权利要求1所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，还包括配重装置，所述配重装置设于所述测量架上，所述配重装置包括配重架和配重块，所述配重块的数目可调节。
3.根据权利要求2所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，所述配重架包括底盘和凸起部，所述凸起部由定位部和卡接部组成。
4.根据权利要求3所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，所述卡接部的横截面为倒置的梯形。
5.根据权利要求1所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，还包括实体机连接装置，所述实体机连接装置包括依次连接的连接件和连杆，所述连杆与所述升降机构相连接，所述连接件与所述连杆之间设有拉力传感器，所述拉力传感器与所述数据采集模块电连接。
6.根据权利要求1所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，所述升降机构由四个平行的连杆和前、后支架组成平行四边形机构，所述平行四边形机构内还设有液压缸，所述液压缸可伸缩。
7.根据权利要求1所述的农田地面有效激励谱测量装置，其特征在于，所述连接杆与地面仿形之间设有连接座。
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