賈海波，王樹景，康凱旋

(江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州221004)

0 引言

作為路面養(yǎng)護(hù)設(shè)備的主力軍，銑刨機(jī)承擔(dān)了路面油包、車轍等病害銑平修整以及光滑路面拉毛工作，在國內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。切削轉(zhuǎn)子是銑刨機(jī)作業(yè)的工作裝置，通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和機(jī)器的水平運(yùn)動完成對路面的銑削、破碎。試驗(yàn)研究表明，切削轉(zhuǎn)子消耗了整機(jī)77%以上的功率。因此，施工作業(yè)阻力是銑刨機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中必不可少的參數(shù)之一。

長安大學(xué)呂聰正等［1］通過理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)對轉(zhuǎn)子作業(yè)阻力進(jìn)行了分析，得到行駛阻力、銑刨扭矩隨銑刨厚度和行走速度增加而增大的規(guī)律；肖寶山［2］研究了轉(zhuǎn)子對瀝青混凝土路面的銑削過程，通過類比圓柱銑刀銑削灰鑄鐵的計(jì)算方法，提出銑刨機(jī)銑削瀝青混凝土的銑削力計(jì)算公式；李玉平等［3］通過ADAMS軟件對銑刨刀具作業(yè)過程進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到了銑刨轉(zhuǎn)子的銑削扭矩和垂直沖擊力；田晉躍等［4］通過分析切削轉(zhuǎn)子的工作方式和銑削運(yùn)動，建立了銑刨刀具銑削受力的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，分析了刀具安裝和運(yùn)動參數(shù)對刀具銑削受力的影響規(guī)律；汪學(xué)斌等［5］根據(jù)瀝青混凝土剪切破壞力學(xué)特點(diǎn)建立單刀銑削阻力模型，并且以銑削速比和線速度對銑削阻力公式進(jìn)行了修正。

可見，關(guān)于切削轉(zhuǎn)子作業(yè)阻力的研究，大多集中在理論計(jì)算和仿真模擬方面。瀝青路面由多種材料按比例混合而成，力學(xué)特性復(fù)雜，難以用簡單的力學(xué)模型表達(dá)。并且，切削轉(zhuǎn)子的每把刀具在切削過程中受力時(shí)刻發(fā)生變化，使得整個轉(zhuǎn)子在銑削路面時(shí)受力情況十分復(fù)雜。單純采用理論分析難以得到切削轉(zhuǎn)子在作業(yè)過程中受到的實(shí)際切削阻力，本文通過分析銑刨機(jī)轉(zhuǎn)子動力傳輸鏈，綜合扭矩傳感測量技術(shù)，提出了一種切削轉(zhuǎn)子作業(yè)阻力精確測量的方法。

1 載荷傳輸路徑分析

為明確銑刨機(jī)切削阻力的傳遞路徑，以某型號1 m 銑刨機(jī)為對象進(jìn)行試驗(yàn)研究，其切削轉(zhuǎn)子驅(qū)動系統(tǒng)采用機(jī)械鏈傳動驅(qū)動方式如圖1 所示，動力傳輸鏈由發(fā)動機(jī)、離合器、傳動軸、變速箱、皮帶輪組成。其中，從變速箱到切削轉(zhuǎn)子的動力傳輸機(jī)構(gòu)全部被機(jī)罩包裹封閉，不具備傳感器布置的條件。傳動軸作為切削轉(zhuǎn)子動力傳輸鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有形狀規(guī)則、易拆卸的特點(diǎn)，并且周圍空間充足，是測量銑刨輪傳輸動力的理想介質(zhì)。

圖1 切削轉(zhuǎn)子動力傳輸示意圖

根據(jù)切削轉(zhuǎn)子動力傳輸關(guān)系，可以得出作業(yè)阻力計(jì)算公式。

式中：T 為作業(yè)阻力；i1為變速箱傳動比；i2為皮帶傳動比；T 為傳動軸所受扭矩；R 為切削轉(zhuǎn)子切削直徑。

2 扭矩傳感器布置

軸類零件受到扭矩作用時(shí)，在其表面會產(chǎn)生剪應(yīng)變，這一應(yīng)變可以通過電阻應(yīng)變片來測量。傳動軸在受純轉(zhuǎn)矩時(shí)，在與其軸線成45°的方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向，其相互垂直方向上的拉應(yīng)力和壓主應(yīng)力絕對值相等、符號相反，因此，可在這兩個方向上粘貼應(yīng)變片(R1、R2、R3、R4)，組成全橋電路來測量傳動軸的應(yīng)變，如圖2 所示。測試過程中，在傳動軸軸線方向上對稱粘貼兩片半橋應(yīng)變片，根據(jù)惠斯通電橋原理連接信號線組成傳動軸的扭矩傳感器，如圖3 所示。

圖2 應(yīng)變片布置示意圖

圖3 粘貼應(yīng)變片

3 傳感器標(biāo)定

為準(zhǔn)確獲得電橋輸出信號與承載力矩的數(shù)學(xué)關(guān)系，對傳動軸扭矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。將傳動軸一端固定，在另一端施加額定力矩，采集電橋輸出的信號，分析傳動軸承載扭矩與電橋信號之間的關(guān)系，標(biāo)定工裝如圖4 所示。

圖4 扭矩標(biāo)定工裝示意圖

標(biāo)定試驗(yàn)開始前利用角度儀將臂架調(diào)整至水平，確保傳動軸處于無扭矩載荷狀態(tài)。首先，在臂架的一端加載祛碼，每次加載一組祛碼，待采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，繼續(xù)加載下一組祛碼；其次，所有祛碼加載結(jié)束后，按相反的順序依次卸載祛碼，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即完成一次標(biāo)定試驗(yàn)；最后，按照第一次標(biāo)定試驗(yàn)步驟重復(fù)做N 次試驗(yàn)，得到傳動軸上電橋輸出信號隨加載力矩變化的數(shù)據(jù)曲線，如圖5 所示。

圖5 扭矩傳感器信號采集

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在祛碼加載和卸載的過程中，當(dāng)傳動軸受到相同扭矩載荷時(shí)，電橋輸出的電壓信號處在同一水平，說明扭矩傳感器具有很強(qiáng)的再現(xiàn)性。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)束后，通過回歸方程分析傳感器電壓信號與加載力矩的線性關(guān)系，如圖6 所示。從圖中線性相關(guān)系數(shù)可以看到，加載和卸載過程中電壓信號與力矩參數(shù)存在非常強(qiáng)的線性關(guān)系。最后，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果得出傳動軸所受扭矩和扭矩傳感器電壓信號的計(jì)算關(guān)系。

式中：x 為傳動軸扭矩載荷(N·m)；y 為傳感器電壓信號(mV)。

圖6 扭矩傳感器信號采集

4 結(jié)束語

本文針對銑刨機(jī)切削轉(zhuǎn)子作業(yè)阻力難以測量的問題，通過分析轉(zhuǎn)子動力傳輸鏈，采用在傳動軸上布置應(yīng)變片設(shè)計(jì)了扭矩傳感器，通過標(biāo)定試驗(yàn)建立了電壓信號和傳動軸載荷的回歸模型，提出了一種切削轉(zhuǎn)子作業(yè)阻力精確測量的方法，為銑刨機(jī)施工過程中作業(yè)載荷測試提供了可靠手段。