一种农机旋转部件输出功率的测量方法

专利名称：一种农机旋转部件输出功率的测量方法
技术领域：
本发明涉及农业机械，具体是一种农业机械旋转部件输出功率的 测量方法。
背景技术：
在农业机械中旋转工作部件较多，且易产生故障，对于农机旋转 工作部件来说，功率是其重要参数之一。在工作过程中，如果功率超 过额定功率将出现堵塞等故障影响整机工作效率，如果功率远小于额 定功率将不能发挥整机的工作能力，造成浪费。农业机械的工作环境比较恶劣，加上我国农机加工水平不高，农机的利润空间不大，这给 旋转工作部件功率的在线监测带来困难，使机器故障率较高，监测水 平较低，并影响今后农业机械自动控制系统的建立。在农机的使用中， 比较理想的应用条件就是机手或者控制系统能够时刻监测到关键旋 转部件的功率，进而对机器进行一定的调整，发挥机器的最大功效， 降低故障率。在实际应用中，农机旋转工作部件的功率判定一是由机手凭经验 估计功率，然而现在农机应用越来越普遍，机型越来越大，只靠经验判断功率难度很大，且不利于今后向自动化控制的发展；二是直接由 转速表示功率，监测转速比较简单，当旋转部件功率超过额定功率时 转速会下降，但当转速在允许范围内时，并不能确定旋转部件工作在 其功率远小于额定功率状态还是在额定功率状态，因此转速并不能真 正反应旋转部件的功率，只是起警示作用；三是采用测功仪进行测量， 测功仪的原理是测定旋转工作部件的转速和扭矩，用转速和扭矩的乘 积来反映功率的大小。扭矩的测量是基于转轴的变形，而通常旋转工 作部件轴除了承受转矩还要承受弯矩，导致转轴变形复杂，难于计算。而且，由于常用的旋转工作部件轴的材料硬度大，在工作中变形很小， 难以测量。所以，常用的测功仪釆用旋转工作部件外接弹性轴的方法 来克服上述缺点，即通过联轴器将动力传到弹性轴上，再通过另外一 个联轴器将动力传递到旋转工作部件。由于弹性轴变形较大，通过应 变片测定弹性轴的变形相对容易。将测得的变形换算成扭矩，与测得 的扭矩相乘即可得出功率值。上述原理的测功仪机构复杂，安装尺寸 大，对工作环境敏感性高，价格昂贵，适用于实验室或者厂房内旋转 工作部件功率测量，且难以实现在农机上在线安装使用。这些给农机旋转工作部件的功率的测量带来不便。因此目前需要一种价格低廉， 能在线准确监测农机旋转部件功率的方法，降低农机的故障率，提高 农机的工作效率，降低机手的劳动强度，并为农机的自动化控制提供 便利条件。发明内容本发明的目的就在于针对目前农机上无法安装测功仪，给在线测 量农机旋转工作部件功率带来不便的状况，提供一种农业机械旋转部 件输出功率的测量方法，该测量方法更方便、费用低廉，为整机的监控系统提供充足的信息。为实现上述目的，本发明的技术方案是釆用 一种农机旋转部件输出功率的测量方法，所述方法包括如下步骤Sl:由转速传感器测量所述旋转部件的转速信号，并将测量到的 转速信号经线缆传送到单片机；S2:由压力传感器测量与所述旋转部件连接的液压传动机构中液 压油的压力信号，并将测量到的压力信号经线缆传送到单片机，其中， 所述液压油的压力与所述农机旋转部件输出的扭矩成比例；S3:所述单片机将所述转速信号与所述压力信号按如下计算公式公式中—农机旋转部件输出功率;ju—三角传动带与主动轮或被动轮之间的摩擦系数； p-液压油的压力； r…与旋转部件连接的主动轮半径； n…旋转部件旋转速度；S—-封闭油腔内液压油压力作用在活塞端面的面积； a——三角传动带楔角；其中，]Li、 r、 S、 a为常数，p、 n为传感器测量数据S4:所述单片机将计算处理后的数据送到液晶显示器，所述液晶 显示器显示出旋转部件输出功率。其中，将所述传感器安装在液压阀上，所述液压阀是液压传动机 构中的一个部件。其中，所述液压传动机构包括安装在传动轮一侧的液压缸，和安 装在传动轮另一侧的活塞体。其中，所述活塞体是空心套，所述空心套的外壁与所述传动轮固 定连接，在所述空心套的中心装有可与液压缸一起转动的输油芯，所 述输油芯与所述空心套动配合，所述输油芯的一端与液压缸的内腔连 接，所述输油芯的另一端与转接件的一端连接，所述转接件的另一端 与油管的一端连接，所述油管的另一端与液压阀连接，其中，所述输油芯在位于液压缸内腔室段上设有进出液压油的孔。其中，所述传动轮是液压传动机构中的主动轮，所述主动轮分为 动盘和定盘两个部分，所述定盘的中心与液压缸的一端连接，所述动 盘的中心与活塞体外壁连接，所述液压缸的另一端与农机传动机构中 的驱动轴的一端连接，所述驱动轴的另一端与驱动轮连接。其中，将所述主动轮的外缘部分做成梯形槽，在所述梯形曹中装 有三角传动带，所述三角传送带将主动轮与被动轮连接，所述被动轮 的中心与农机旋转部件相连接。其中，所述农机旋转部件在工作时输出扭矩，所述扭矩通过被动 轮传递给所述三角传动带，所述三角传动带将所述扭矩传递给所述主 动轮，在所述主动轮的梯形槽斜面上，所述扭矩在主动和被动轮上被 转换成压力和摩擦力，所述压力在所述主动轮的动盘和定盘上被分解 为径向压力和轴向压力，所述轴向压力分别被作用在所述液压缸和所 述活塞体上，所述作用于液压缸和活塞体上的径向压力将引起液压缸 内油压的变化，所述油压的压力信号被所述压力传感器测量。本发明的优点和有益效果在于，利用常用的单片机测量系统、速 度传感器、油压传感器，通过对油压、转速的测定就可准确得出功率， 成本较低。这不仅给旋转工作部件功率的测量带来方便，同时还节省 了功率测定的费用，尤其是适用于农机旋转工作部件功率的在线测 量，因此具有较好的经济价值。


图l是本发明的测量方法中三角传动带轮受力原理图； 图2是本发明的系统结构原理图； 图3是本发明的系统结构原理图。图中1、液压阀；2、压力传感器；3、油管；4、线缆；5、单 片机；6、数据线，7、液晶显示器；8、液压传动机构；9、线缆；10、 转速传感器；11、旋转部件转轴；12、旋转工作部件；13、定盘；14、 动盘；15、活塞体、16、转接件；17、油孔；18、输油芯，19、密封 环；20、三角传动带；21、被动轮；22、轴承；23、主动轮；24、封 闭油腔；25、压力作用面；26、驱动轮；27、轴承；28、驱动轮；29、 液压缸。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 如图2与图3所示，本发明具体实施方式
是将压力传感器2安装 在液压阀1的回路中，通过油管3和油孔17与封闭油腔24相连，这样压力传感器2就可以准确测量到封闭油腔24内液压油的压力。 液压阀1与液压传动机构8可以用于改变旋转工作部件12的转速， 转速传感器IO安装在旋转工作部件转轴11轴头，测量其回转脉冲信 号也就是转速。压力传感器2与转速传感器10分别由线缆4和线缆 9与单片机5相接，单片机5通过数据线6与液晶显示器7相接。本发明的液压传动机构的主动轮23通过液压缸29和活塞体15 安装在驱动轴28上，通过三角传动带20与安装在旋转部件转轴11 上的液压传动机构的被动轮21相连，活塞体15与动盘14连接在一 起，能与动盘一起做轴向移动，液压缸29与定盘13连接在一起，传 递三角传动带用于传递动力，同时还可将压力传递给液压密封油腔 24,封闭油腔24由液压缸29与活塞体15之间形成的油室形成，油 孔17是输油芯18的内孔，输油芯18被装在活塞体15的中间，通过 可旋转的转接件16与油管3相连。封闭油腔24的油量通过液压阀1 调整。活塞体15的一侧是承受液压油压力的压力作用面25，封闭油 腔24中油量的多少可以带动活塞体15与动盘14沿轴向移动，从而 可以改变液压传动机构的变速比，这样就可以改变旋转部件转轴11 的转速。本发明的测量方法如下旋转工作部件12工作时，压力传感器 2测量封闭油腔24内的液压油的压力，转速传感器IO测量旋转部件转轴ll转速，并将测量到的信号传入单片机5，得到液压油的压力P与转速n,代入公式A^'" '^计算，最终可得出精确的农机旋cos a转工作部件12的输出功率j^，并将转速与功率显示在液晶显示器7 上。公式中p『一农机旋转部件输出功率；JU-—三角传动带与主动轮或被动轮之间的摩擦系数； p---液压油的压力；r---与旋转部件连接的主动轮半径； n…旋转部件旋转速度；S…封闭油腔内液压油压力作用在活塞端面的面积； a…三角传动带楔角。 图1中，N为三角传动带20对液压传动机构主动轮23的梯形槽斜面的正压力。三角传动带20对动盘14的梯形槽斜面正压力，可分解为径向分力和轴向分力，其中的轴向分力为N产NxCOSa。根据三角传动带传动原理，三角传动带20对液压传动机构主动轮23与液压液压传动机构被动轮21的正压力相同，则三角传动带20对被动轮21的轴向分力与Np相同。三角传动带20对液压传动机构主动轮23的摩擦力<formula>formula see original document page 9</formula>M为摩擦系数。三角传动带20传递的扭矩<formula>formula see original document page 9</formula>则<formula>formula see original document page 9</formula>为三角传动带轮半径。而三角传动带20 cos a传递的功率<formula>formula see original document page 9</formula>其中n为液压传动机构被动轮旋转cos a速度。如此建立了旋转工作部件12功率与转速n及轴向力NF之间的 函数关系。图2中，旋转部件转轴11的动力由驱动轮26传入，经过液压传 动机构8的液压传动机构主动轮23、三角传动带20传到液压传动机 构被动轮21。当旋转工作部件12消耗功率增大时，扭矩增大，由公式<formula>formula see original document page 9</formula>二可知，液压传动机构主动轮23承受的轴向力Np增大。本发明的测量过程是先启动旋转工作部件12,然后给单片机5 上电，开启液压闽l，根据液晶显示器7上所显示的转速数据调整封 闭油腔24的油量，当液压油由油管3注入到油腔24，或者液压油由油腔24通过油孔17回油时，带动活塞体15轴向移动，从而使动盘 14轴向移动，调整动盘14、定盘13之间间隙，改变液压传动机构主 动轮23、被动轮21之间的传动比，当液晶显示器7所显示转速为旋 转工作部件12所需工作转速时，关闭液压阀1。此时动盘14、定盘 13间隙调定，液压传动机构主动轮23、被动轮盘21传动比调定，液压油被密封在密封油腔24中。压力^-^L,其中S封闭油腔压力作用于活塞端面面积。如前所述，当旋转工作部件12功率增大时，三 角传动带20对液压传动机构主动轮23的轴向力增大，此轴向力通过 定盘13、活塞体15和液压缸缸29作用到封闭油腔24上，导致封闭液压油压力增大。反之亦然。在液压阀l上连接压力传感器2，根据公式7^i^L^".^，即可测量扭矩变化。在旋转工作部件12 cosa cosa上安装有转速传感器io,即可测量旋转速度。根据公式pxr = ii^^，可测算旋转工作部件12消耗功率。 cos a本发明中单片机5采用定时计数器对釆集到的转速传感器10的脉冲信号进行计算处理，测量液压传动机构主动轮23转速。本发明中单片机5将釆集到的信号进行AD转换，并对釆集到的转速与压力传感器2的信号进行计算处理，测量出液压传动机构主动轮23的扭矩。本发明中单片机5对釆集到速度和压力信号值，按照公式 ^"',S《计算得出功率值,传送到液晶显示器上显示。COS"本发明利用常用的单片机测量系统、速度传感器、油压压力传感 器，通过对油压、转速的测定就可准确得出功率，成本较低。这不仅 给旋转工作部件功率的测量带来方便，同时还节省了功率测定的费用，尤其是适用于农机旋转工作部件功率的在线测量，因此具有较好 的经济价值。以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域 的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落 入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种农机旋转部件输出功率的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤S1由转速传感器测量所述旋转部件的转速信号，并将测量到的转速信号经线缆传送到单片机；S2由压力传感器测量与所述旋转部件连接的液压传动机构中液压油的压力信号，并将测量到的压力信号经线缆传送到单片机，其中，所述液压油的压力与所述农机旋转部件输出的扭矩成比例；S3所述单片机将所述转速信号与所述压力信号按如下计算公式计算处理<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>&mu;</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>n</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>p</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>S</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008101012388C00011.gif" wi="134" he="38" img-content="drawing" img-format="tif"/-->公式中PW---农机旋转部件输出功率； μ---三角传动带与主动轮或被动轮之间的摩擦系数； p---液压油的压力； r---与旋转部件连接的主动轮半径； n---旋转部件旋转速度； S---封闭油腔内液压油压力作用在活塞端面的面积； α---三角传动带楔角；其中，μ、r、S、α为常数，p、n为传感器测量数据S4所述单片机将计算处理后的数据送到液晶显示器，所述液晶显示器显示出旋转部件输出功率。
2、 如权利要求1所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，将所述传感器安装在所述液压传动机构中的液压阀上。
3、 如权利要求2所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，所述液压传动机构包括安装在传动轮一侧的液压缸，和安 装在传动轮另一侧的活塞体。
4、 如权利要求3所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，所述活塞体是空心套，所述空心套的外壁与所述传动轮固定连接，在所述空心套的中心装有可与液压缸一起转动的输油芯，所 述输油芯与所述空心套动配合，所述输油芯的一端与液压缸的内腔连 接，所述输油芯的另一端与转接件的一端连接，所述转接件的另一端 与油管的一端连接，所述油管的另一端与液压闽连接。
5、 如权利要求4所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，所述输油芯在位于液压缸内腔室段上设有进出液压油的 孔。
6、 如权利要求3所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，所述传动轮是液压传动机构中的主动轮，所述主动轮分为 动盘和定盘两个部分，所述定盘的中心与液压缸的一端连接，所述动 盘的中心与活塞体外壁连接，所述液压缸的另 一端与农机传动机构中 的驱动轴的一端连接，所述驱动轴的另一端与农机驱动轮连接。
7、 如权利要求6所述的农机旋转部件输出功率的测量方法，其 特征在于，将所述主动轮的外缘部分做成梯形槽，在所述梯形曹中装 有三角传动带，所述三角传送带将主动轮与被动轮连接，所述被动轮 的中心与农机旋转部件相连接。
8、 如权利要求2至7任一权利要求所述的农机旋转部件输出功 率的测量方法，其特征在于，所述农机旋转部件在工作时输出扭矩， 所述扭矩通过被动轮传递给所述三角传动带，所述三角传动带将所述 扭矩传递给所述主动轮，在所述主动轮的梯形槽斜面上，所述扭矩在 主动和被动轮上被转换成压力和摩擦力，所述压力在所述主动轮的动 盘和定盘上被分解为径向压力和轴向压力，所述轴向压力分别被作用 在所述液压缸和所述活塞体上，所述作用于液压缸和活塞体上的径向 压力将引起液压缸内油压的变化，所述油压的压力信号被所述压力传 感器测量。
全文摘要
本发明涉及一种农机旋转部件输出功率的测量方法。本发明所述方法包括如下步骤，由转速传感器测量所述旋转部件的转速信号，并将测量到的转速信号经线缆传送到单片机，由压力传感器测量液压油的压力信号，并将测量到的压力信号经线缆传送到单片机，其中，所述液压油的压力与所述农机旋转部件输出的扭矩成比例，所述单片机将所述转速信号与所述压力信号计算处理后传送到液晶显示器，所述液晶显示器显示出旋转部件输出功率。本发明的优点在于，利用常用的单片机测量系统、速度传感器、油压传感器，通过对油压、转速的测定就可准确得出功率，成本较低。
文档编号G01L3/00GK101231201SQ200810101238
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月29日 优先权日2008年2月29日
发明者卢文涛, 张东兴, 李晓华, 桂应发, 邓志刚, 高海涛 申请人:中国农业大学