CN207163627U - 一种悬挂式空间测力系统 - Google Patents

Abstract

一种悬挂式空间测力系统，属于测力设备技术领域。包括上拉杆，其上串联连接拉力传感器和角度传感器，连接拉力传感器的一端连接于拖拉机三点悬挂架的上悬挂，另一端连接待测机具连接架的上连接杆节点；下拉杆为两个，一端连接拖拉机，另一端分别连接测力传感器，测力传感器的信号线连接待测机具的横梁；拉力传感器、角度传感器及两测力传感器分别通过接收和数据采集装置连接计算机，通过计算机计算显示各方向合力。本实用新型能够实时记录各传感器在农机具田间工作时输出的电压值，并能够准确得到其牵引力的大小。适用于测定任何通过三点悬挂连接的农机具的牵引力大小和土壤作用在机具上的力。

Description

一种悬挂式空间测力系统

技术领域

本发明属于测力设备技术领域，特别是涉及一种悬挂式空间测力系统。

背景技术

目前，通过研究，利用测力传感器测定被测物在实际使用过程中产生的载荷。例如,对农业机具测量各方向拉力等。以检测农业机具在使用时所需拉力的大小，配备合适的牵引力。现有的测力装置多采用八角环或组合梁结构，采用多个角度传感器进行角度测量，结构繁琐，增加了成本。

专利号为201520698859.4的实用新型专利，公开了一种用于拖拉机悬挂耕深控制的牵引力传感机构,包括上拉杆、下拉杆、测力弹簧、弹簧固定箱体、弹簧座、齿扇、小齿轮以及角位移传感器,通过在上拉杆上安装力传感机构,将上拉杆上的力传给齿扇、齿轮放大机构,从而将位移量转换为角度量,实现了悬挂机构的力传感控制；通过在提升臂上安装角度传感器,实现了耕深的综合调节。但其传动结构复杂，使用和维修成本高，且不能检测各个方向上的合力。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种悬挂式空间测力系统，它只采用一个角度传感器，只需测量一个角度，即可得出农机具各个方向的拉力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种悬挂式空间测力系统，包括：

上拉杆，其上串联连接拉力传感器和角度传感器，连接拉力传感器的一端连接于拖拉机悬挂架的上悬挂，另一端连接待测机具连接架的上连接杆节点；

下拉杆，为两个，一端连接拖拉机，另一端分别连接测力传感器，测力传感器连接待测机具的横梁；

拉力传感器、角度传感器及两测力传感器分别通过数据采集器连接计算机，通过计算机计算显示各方向合力。

进一步地，所述测力传感器一端设置连接板，用于连接待测机具，另一端设置连接耳板，用于连接下拉杆的连接轴，连接板和连接耳板间为承力框，所述承力框为中部空心的框体结构，且在承力框靠近连接耳板的一侧带有间隙，使上下两部分分离，上部形成上悬臂梁，下部形成下悬臂梁；上、下悬臂梁间的间隙为带折边的凹槽型结构。

本发明的一种测力方式，在测力时，在所述连接耳板上下表面分别对称设置两组应变片R₁、R₂和R₃、R₄；上悬臂梁顶面及底面分别对称设置两组应变片R₅、R₆和R₇、R₈，搭接成全桥电路，数据线通过应变放大和数据采集装置分别连接计算机。

本发明的另一种测力方式，在测力时，在所述连接耳板对应上悬臂梁的侧面及其靠近的上悬臂梁内框分别对称设置两组应变片R₉、R₁₀和R₁₁、R₁₂，上悬臂梁顶面及底面分别对称设置两组应变片R₅、R₆和R₇、R₈，搭接成全桥电路，数据线通过应变放大和数据采集装置分别连接计算机。

进一步地，所述上、下悬臂梁沿竖直方向的间隙x为水平牵引阻力和竖直方向力的合力对悬臂梁末端A点的挠度值之和。

进一步地，靠近所述上悬臂梁末端A点的凹型槽侧壁上开有圆弧形通孔，内置钢筋，且钢筋外径凸出该圆弧形通孔边界，其凸出部分最大长度小于上下悬臂梁间的间隙x，以调节承力框的最大过载保护值。

进一步地，所述连接耳板竖直Y轴方向高度h₁为其上开有的连接孔半径r的3-5倍，即：h₁＝(3-5)r。

进一步地，所述连接耳板沿水平Z轴方向宽度由下列公式得到:

其中：F_y：以连接孔中心为原点沿竖直方向的力，σ₁：F_y相对于连接耳板根部竖直截面M1的应力，所述M1截面过连接耳板应变片处；l₁：F_y到截面M1的距离，h₁：连接耳板竖直方向高度；

其中σ₁小于等于σ_许，则取σ₁接近σ_许，即可得出b₁。

进一步地，所述上悬臂梁顶面到底面间的高度h₂，由下列公式得到:

其中σ₂小于等于σ_许，则l₂为连接孔中心线到截面M2的距离，所述M2截面过上悬臂梁应变片处；给定F_y、l₂、b₂和σ_许，其中承力框沿水平Z轴方向宽度b₂＝b₁+b₀，其中b₀为两连接耳板间的距离，即可确定h₂。

进一步地，所述计算机的计算方法如下：

第一步：加载固定已知载荷，标定各拉力传感器和角度传感器；

第二步：调零，进行无载荷时初始校准；

第三步：开始，输入基本参数，包括上、下拉杆长度及其空间位置，各传感器信息，包括4组应变传感器、角度传感器和拉力传感器；

第四步：进行测试，同时接收各传感器测得的信号；

第五步：根据各传感器测得的数据，按照矢量合成定理合成所测定方向上的合力；根据实际需求，角度传感器输入的不同角度，得到不同方向上的合力；

第六步：判断σ₁、σ₂是否超过σ_许，如超过，则报警，不超过，继续进行1-6步测试。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用与拖拉机悬挂架连接的上拉杆上串联连接一个拉力传感器和一个角度传感器，下拉杆通过两测力传感器连接待测机具；各传感器分别通过数据采集器连接计算机，通过计算机计算显示各方向合力。使得本发明能够实时记录各传感器在农机具田间工作时输出的电压值，并能够准确得到其牵引力的大小。

2.本发明所述测力传感器的测力部成L型结构，其承力框的上、下悬臂梁间为带折边的凹槽型间隙，沿竖直方向配合的间隙X为水平牵引阻力和竖直方向力的合力对悬臂梁末端A点的挠度值之和，防止承力框受损。在测力时，在所述连接耳板上下表面分别对称设置两组应变片，防止受力不均；在所述上悬臂梁顶面及底面分别对称设置两组应变片，形成全桥测力结构，在有侧向力作用时，不影响测量结果；其h₂和l长度的确定，为了满足承力框的承载力，保证应力在许用应力范围之内，保证测量精度，防止承力框受损。

3.本发明适用于测定任何通过三点悬挂连接的农机具的牵引力大小和土壤作用在机具上的力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中测力传感器的立体结构示意图。

图3为图2的测力传感器主视图。

图4为图3的I部放大示意图。

图5为图3的俯视图。

图6为实施例1应变片粘贴示意图。

图7为实施例2应变片粘贴示意图

图8为本发明的各硬件连接框图。

图中：1.悬挂架，2.拉力传感器，3.角度传感器，4.上拉杆，5.连接架，51.上连接杆，52.横梁，6.测力传感器Ⅰ，61.连接耳板，62.连接孔，63.斜面，64.上悬臂梁，65.连接板，66.下悬臂梁，67.通孔，68.间隙，7.测力传感器Ⅱ，8.下拉杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：如图1所示，本发明一种悬挂式空间测力系统，包括：

上拉杆4，其上串联连接拉力传感器2和角度传感器3，连接拉力传感器2的一端连接于拖拉机悬挂架1的上悬挂，另一端连接待测机具连接架5的上连接杆51节点；

下拉杆8，为两个，一端连接拖拉机悬挂架1的下悬挂，另一端分别连接测力传感器Ⅰ6和测力传感器Ⅱ7，两测力传感器均连接待测机具的横梁52；

拉力传感器2、角度传感器3及两测力传感器Ⅰ6、Ⅱ7分别通过应变放大电路板、数据采集器连接计算机，通过计算机计算显示各方向合力。

如图8所示，所述测力传感器Ⅰ6和测力传感器Ⅱ7的信号线分别连接应变片放大电路板Ⅰ，拉力传感器的信号线连接应变片放大电路板Ⅱ，两个应变片放大电路板Ⅰ和Ⅱ的输出信号线分别通过数据采集器连接计算机。蓄电池给角度传感器供电，数据采集器给应变片放大板提供供电电压。

如图2-图5所示，所述测力传感器Ⅰ6和测力传感器Ⅱ7结构相同，对称设置，现以测力传感器Ⅰ6为例对其结构进行详细说明：所述测力传感器Ⅰ6一端设置连接板65，连接板上设置四个安装孔，通过U型螺栓与待测机具连接，另一端设置连接耳板61，用于连接下拉杆，连接板65和连接耳板61间为承力框，所述承力框为中部空心的框体结构，且在承力框靠近连接耳板61的一侧带有间隙67，使上下两部分分离，上部形成上悬臂梁64，下部形成下悬臂梁66；上、下悬臂梁64、66间的间隙67为带折边的凹槽型结构，使上悬臂梁64和连接耳板61组成的测力部形成L型结构。

如图6所示，测力时，在所述连接耳板61上下表面分别对称设置两组应变传感器，分别为R₁、R₂和R₃、R₄，防止受力不均匀；上悬臂梁64顶面及底面分别对称设置两组应变传感器，分别R₅、R₆和R₇、R₈，构成全桥连接，在有侧向力作用时，不影响测量结果，各应变传感器通过数据采集器连接计算机。

如图3、图4所示，所述上、下悬臂梁64、66沿竖直方向配合的间隙x为水平牵引阻力和竖直方向力的合力对悬臂梁末端A点的挠度值之和，本例间隙x为1mm。靠近所述上悬臂梁64末端A点的凹型槽侧壁上开有圆弧形通孔68，内置钢筋，且钢筋外径凸出该圆弧形通孔68的边界，其凸出部分最大长度小于上、下悬臂梁64、66间的间隙x，以调节承力框的最大过载保护值。

本例中所述连接耳板61竖直Y轴方向高度h₁为其上开有的连接孔62半径r的3-5倍，即：h₁＝(3-5)r。本例中r为12mm，取h₁＝3r＝36mm；

所述连接耳板61沿水平Z轴方向宽度由下列公式得到:

其中：F_y：以连接孔中心为原点沿竖直方向的力，本例取F_y＝5000N；σ₁：F_y相对于连接耳板根部竖直截面M1的应力，所述M1截面过连接耳板应变片处；l₁：F_y到截面M1的距离，本例取l₁＝50mm；h₁：连接耳板竖直方向高度，得到：

其中σ₁小于等于σ_许(σ_许取45号钢的许用应力120MPa)，则取σ₁接近σ_许，即可得出

本例取b₁＝20mm，承力框沿水平Z轴方向宽度b₂＝b₁+b₀，其中b₀为两连接耳板61间的距离，由所连接的拖拉机下拉杆8端头宽度决定，为35mm，得到b₂＝b₁+b₀＝55mm；

所述上悬臂梁64顶面到底面间的高度h₂，由下列公式得到:所述F_y对承力框内框靠近连接板65的竖直截面M2产生的应力：

其中σ₂小于等于σ_许，则l₂为连接孔62中心线到截面M₂的距离，所述M2截面过上悬臂梁应变片处；本例给定F_y＝5000N、l₂＝100mm、b₂＝55mm和σ_许＝120MPa，即可确定本例取h₂＝25mm，满足测力要求。

本发明在使用时，所述计算机的测量方法如下：

第一步：加载固定已知载荷，标定各拉力传感器和角度传感器；

第二步：调零，进行无载荷时初始校准；

第三步：开始，输入基本参数，包括上、下拉杆长度及其空间位置，各传感器信息——4组应变传感器、角度传感器和拉力传感器；

第四步：进行测试，同时接收各传感器测得的信号；

第五步：根据各传感器测得的数据，按照矢量合成定理合成所测定方向上的合力；根据实际需求，角度传感器输入的不同角度，得到不同方向上的合力；

第六步：判断σ₁、σ₂是否超过σ_许，如超过，则报警，不超过，继续进行1-6步测试。

本发明的测试系统可以实时检测并显示动力输出轴的扭矩和转速，输出功率，拖拉机对农机具的牵引力。该系统的传感器组分别将动力输出轴的扭矩、上、下拉杆的作用力、上拉杆的角度等物理量转换为电信号，通过信号调理电路(放大电路板)转换成标准电压信号，通过无线传输数据采集器传输数据，用计算机进行数据的采集与显示。信号调理电路和无线传输数据采集器采用的现有外购件，接收来自角度传感器、拉力传感器和扭矩传感器的信号，并经无线传输送入电脑端的无线接收端，通过基于LabVIEW开发的测试系统软件以曲线和数据的形式实时显示并进行存储输出轴扭矩，机具水平方向和垂直方向受力等数据。

实施例2：本例与实施例1不同的是：如图6所示，本例在测力时，在所述连接耳板61对应上悬臂梁64的侧面及其靠近的上悬臂梁内框分别对称设置两组应变片R₉、R₁₀和R₁₁、R₁₂，上悬臂梁64顶面及底面分别对称设置两组应变片R₅、R₆和R₇、R₈，各应变传感器通过数据采集器分别连接计算机。其测试方法与实施例1相同。

所述连接耳板61竖直Y轴方向高度h₁为其上开有的连接孔62半径r的3-5倍，即：h₁＝(3-5)r。本例中r为12mm，取h₁＝4r＝48mm；

所述连接耳板61沿水平Z轴方向宽度由下列公式得到:

其中：F_y：以连接孔中心为原点沿竖直方向的力，本例取F_y＝10000N；σ₁：F_y相对于连接耳板根部竖直截面M1的应力，所述M1截面过连接耳板应变片处；l₁：F_y到截面M1的距离，本例取l₁＝50mm；h₁：连接耳板竖直方向高度，得到：

其中σ₁小于等于σ_许，则取σ₁接近σ_许，即可得出

本例取b₁＝20mm，承力框沿水平Z轴方向宽度b₂＝b₁+b₀，其中b₀为两连接耳板61间的距离，由所连接的拖拉机下拉杆8端头宽度决定，为35mm，得到b₂＝b₁+b₀＝55mm。

所述上悬臂梁64顶面到内框间的高度h₂，由下列公式得到:所述F_y对承力框内框靠近连接板65的竖直截面M2产生的应力，所述M2截面过上悬臂梁应变片处：

其中σ₂小于等于σ_许，则l₂为连接孔62中心线到截面M₂的距离；本例给定F_y＝10000N、l₂＝100mm、b₂＝55mm和σ_许＝120MPa，即可确定本例取h₂＝40mm，满足测力要求。

实施例3：本例与实施例1不同的是：所述连接耳板61竖直Y轴方向高度h₁为其上开有的连接孔62半径r的3-5倍，即：h₁＝(3-5)r。本例中r为12mm，取h₁＝5r＝60mm；

所述连接耳板61沿水平Z轴方向宽度由下列公式得到:

其中：F_y：以连接孔中心为原点沿竖直方向的力，本例取F_y＝8000N；σ₁：F_y相对于连接耳板根部竖直截面M1的应力，l₁：F_y到截面M1的距离，本例取l₁＝60mm；h₁：连接耳板竖直方向高度，得到：

其中σ₁小于等于σ_许，则取σ₁接近σ_许，即可得出

本例取b₁＝15mm，承力框沿水平Z轴方向宽度b₂＝b₁+b₀，其中b₀为两连接耳板61间的距离，由所连接的拖拉机下拉杆8端头宽度决定，为35mm，得到b₂＝b₁+b₀＝50mm。

所述上悬臂梁64顶面到内框间的高度h₂，由下列公式得到:所述F_y对承力框内框靠近连接板65的竖直截面M2产生的应力：

其中σ₂小于等于σ_许，则l₂为连接孔62中心线到截面M₂的距离；本例给定F_y＝8000N、l₂＝110mm、b₂＝50mm和σ_许＝120MPa，即可确定本例取h₂＝40mm，满足测力要求。

Claims (7)

1.一种悬挂式空间测力系统，其特征在于：包括：

上拉杆，其上串联连接拉力传感器和角度传感器，连接拉力传感器的一端连接于拖拉机悬挂架的上悬挂，另一端连接待测机具连接架的上连接杆节点；

下拉杆，为两个，一端连接拖拉机，另一端分别连接测力传感器，测力传感器连接待测机具的横梁；

拉力传感器、角度传感器及两测力传感器分别通过数据采集器连接计算机，通过计算机计算显示各方向合力。

2.根据权利要求1所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：所述测力传感器一端设置连接板，用于连接待测机具，另一端设置连接耳板，用于连接下拉杆的连接轴，连接板和连接耳板间为承力框，所述承力框为中部空心的框体结构，且在承力框靠近连接耳板的一侧带有间隙，使上下两部分分离，上部形成上悬臂梁，下部形成下悬臂梁；上、下悬臂梁间的间隙为带折边的凹槽型结构。

3.根据权利要求2所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：测力时，在所述连接耳板上下表面分别对称设置两组应变片R₁、R₂和R₃、R₄；上悬臂梁顶面及底面分别对称设置两组应变片R₅、R₆和R₇、R₈，搭接成全桥电路，数据线通过应变放大和数据采集装置分别连接计算机。

4.根据权利要求2所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：测力时，在所述连接耳板对应上悬臂梁的侧面及其靠近的上悬臂梁内框分别对称设置两组应变片R₉、R₁₀和R₁₁、R₁₂，上悬臂梁顶面及底面分别对称设置两组应变片R₅、R₆和R₇、R₈，搭接成全桥电路，数据线通过应变放大和数据采集装置分别连接计算机。

5.根据权利要求2所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：所述上、下悬臂梁沿竖直方向的间隙x为水平牵引阻力和竖直方向力的合力对悬臂梁末端A点的挠度值之和。

6.根据权利要求2所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：靠近所述上悬臂梁末端A点的凹型槽侧壁上开有圆弧形通孔，内置钢筋，且钢筋外径凸出该圆弧形通孔边界，其凸出部分最大长度小于上下悬臂梁间的间隙x，以调节承力框的最大过载保护值。

7.根据权利要求2所述悬挂式空间测力系统，其特征在于：所述连接耳板竖直Y轴方向高度h₁为其上开有的连接孔半径r的3-5倍，即：h₁＝(3-5)r。