微型联合收割机传动轴转矩转速实时测量装置的研究

摘要

在机械传动系统中，转矩、转速是反映系统运行参数的最典型物理量。转矩、转速测量是各种动力机械运行状态监测和故障识别预报的主要信息源，是检验各类动力机械功率输出是否达到设计指标的必备手段，也是设计的基本参数。微型联合收割机等农业机械在设计时需要了解各工作部件传动轴工作过程中的功率分配情况，其功率则可以通过测量各动力轴的转矩、转速来实现。我国微型联合收割机的功耗、体积、重量、可靠性等性能指标均比日本生产的微型联合收割机差，究其重要原因是我国的微型联合收割机在设计制造时缺乏田间实际作业时各部件功率消耗的基础数据，使得我国的设计人员只能采取保守、模仿设计，导致微型联合收割机在功耗、体积、重量、可靠性等方面与日本的差距较大。因此，掌握微型联合收割机各工作部件传动轴收获作业的转矩和转速、功率消耗等基础数据，有利于研究收割机的功耗分配，降低功耗，减小体积和重量，对于提升我国微型联合收割机的质量有着极其重要的意义。
　　传统的转矩测量方式在测量装置上有大量的引线，由于田间工作条件复杂，环境差，且在工作时振动大，不适合在田间实时测量;而专用的无线转矩传感器一般都为整体总成的设备，测量的时候需要将轴断开来安装，已经做好的微型联合收割机无安装空间，且其成本极高，尺寸较大，也不适合微型联合收割机收获作业时测量。因此，有必要研发结构较小、无需改动被测农机结构、安装方便、成本较低的测量装置，以实现对微型联合收割机田间收获作业状况下转矩转速的实时测量。可见，微型联合收割机工作部件传动轴转矩转速实时测量装置的设计与研究具有重要的现实意义。
　　本课题设计的微型联合收割机工作部件传动轴转矩转速实时测量装置，能够将测试数据记录、存储到U盘等存储设备中，方便测试数据分析处理。在查阅分析大量文献资料的基础上，进行了整体方案设计，模块化设计，硬件系统设计和软件系统设计;完成了系统的调试，数据测试试验分析。本设计采用应变片作为转矩测量传感器，采用霍尔传感器作为转速测量装置，通过数据处理器完成应变片电阻变化的测量、A/D转换、数据处理、转矩和转速的测量、数据的无线传输、数据存储等。
　　测量装置的数据处理器硬件系统选用16位PIC24FJ64GA004作为主控芯片、ADS8320作为A/D处理芯片、MRF89XAM9A作为数据的无线传输模块，以及集成运放INA333等其它高性能芯片，通过这些集成芯片搭建各类功能电路。基于软件开发环境MPLAB编写了数据处理器的主程序和子程序。硬件系统还采用了抗电磁干扰设计等措施，以保证其在复杂恶劣的环境中工作的稳定性，在通讯网络中传递数据的准确性。
　　在系统测试时，采用实验室条件下的模拟测量方式。模拟工作部件传动轴中的单一轴进行实验室条件下的台架试验，通过转矩、转速的测量数据计算与分析，验证了测试方法的可行性，以及测量结果的合理性和精确性。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 微型联合收割机概述

1．2 传动轴转矩转速测量的研究现状

1．2．1 转矩测量的研究现状

1．2．2 转速测量的研究现状

1．3 农业机械转矩转速相关测量的研究现状

第2章 绪论

2．1 本文的研究背景及意义

2．2 课题的研究范围及内容

第3章 转矩转速实时测量装置的基本原理

3．1 转矩测量的基本原理与方法

3．1．1 转矩测量方法的基本原理

3．1．2 应变型转矩测量

3．1．3 测量电桥

3．2 转速测量的基本原理与方法

3．2．1 霍尔效应与霍尔元件

3．2．2 霍尔传感器测速原理

3．3 实时测量的无线传输技术

第4章 转矩转速实时测量装置的总体设计要求与方案

4．1 转矩转速实时测量装置的总体设计要求

4．2 转矩转速实时测量装置的总体设计方案

4．3 装置数据处理器的总体设计方案

4．4 转速测量设计总体框图

第5章 装置测量部件的结构设计

5．1 转矩测量传感器

5．1．1 转矩测量传感器的结构

5．1．2 转矩测量传感器的力学模型分析

5．2 转速的测量

第6章 测量装置数据处理器的硬件设计

6．1 主要集成芯片的选择

6．1．1 主控芯片的选择

6．1．2 集成运算放大器的选择

6．1．3 A／D模块的选择

6．1．4 无线通信模块的选择

6．1．5 USB总线接口芯片的选择

6．2 主控芯片的最小系统及外围电路设计

6．2．1 复位及晶振电路设计

6．2．2 电源电路设计

6．2．3 主控芯片外围辅助电路设计

6．3 转矩测量数据处理器整体电路设计

6．3．1 集成放大器与A／D处理模块电路设计

6．3．2 ADS8320基准源电路设计

6．3．3 CPU与ADS8320及无线发送模块通信电路设计

6．3．4 数据无线接收CPU与USB接口模块通讯电路设计

6．4 转速测量系统电路设计

6．5 转矩转速测量数据处理器的电路板设计制作

第7章 转矩转速测量装置数据处理器的软件设计

7．1 软件开发环境

7．2 转矩测量数据处理器程序设计

7．2．1 数据处理器数据发送与接收的主程序设计

7．2．2 数据处理器A／D模块采样子程序设计

7．2．3 数据无线发送与接收程序设计

7．2．4 SPI通信子程序设计

7．2．5 数据处理器USB接口模块通信程序设计

7．3 转速测量程序设计

第8章 试验与结果分析

8．1 轮辐式转矩传感器有限元静力分析

8．2 转矩测量传感器的标定

8．3 转矩转速测量试验与分析

第9章 结论与建议

9．1 结论

9．2 建议

参考文献

致谢

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作者在攻读硕士学位期间授权专利