应用的低成本传感器发展的方法论为拖拉机设计前端装载机

文摘

拖拉机前端加载程序在农场使用的设备的重要组成部分。目前,中小企业的一个重要数量参与制造的设备。这些企业严重依赖经验的创新设计,在绝大多数情况下,他们无法获得足够的新前端加载器的优化设计方法。研究开发了一种方法来设计拖拉机前端装载机,在桶装载过程中获得准确的设计。的方法包括两个阶段:第一阶段涉及数值分析的前端装载机的结构行为组件通过有限元方法;第二阶段,实验阶段,利用低成本的传感器,特别是应变仪,分析现有的菌株在前端装载机结构在指定点。实验结果通过低成本传感器安装在前端装载机允许在点测量,分析现有的菌株以及验证所开发的数值模型。这种方法验证了通过应用商业前端装载机,更具体地说,公司的430型e2 Maquinaria阿格里科拉El莱昂。(西班牙)。

1。介绍

拖拉机前端装载机常用的日常任务进行农业控股有限公司(1]。加载器是安装在拖拉机的前部,携带或移动负载2]。目前一个重要的中小企业参与制造的设备。这些企业严重依赖它的体验设计,在绝大多数情况下,他们无法获得足够的新前端加载器的优化设计方法。这些公司目前所使用的方法不包括传统的实验测试。相反,制造一个原型后,公司分析其操作由于可靠的帮助顾客检测错误的用于改善其设计。在这个方法中,制造商没有一个详尽的工作由机器的控制权。出于这个原因,它是不可能确定的失败表示客户是否真的由于设计不当或滥用的原型。

虽然一些研究处理拖拉机加载器(3- - - - - -5),没有参考的结构行为装载机是他们制造的。同样,这些研究分析前端装载机的结构安全关注影响负荷的研究(2,6]。

技术专家指出,大多数损害发生前端装载机的结构安装在拖拉机源于滥用设备在日常工作的开展。更具体地说,大多数的缺陷检测塑料耐菌株甚至焊接接头的断裂结构,发生由于滥用这些设备在桶的装载演习。最常见的实例的超速是滥用拖拉机斗加载过程中或使用桶拆掉墙壁或树木连根拔起。两个实例得出相同的结果:有一个时间点,当桶无法前进时,拖拉机继续这样做。这一事实导致了抗变形的前端装载机的结构,导致塑料品种,甚至一些焊接接头的断裂。

因此,很明显,需要一种方法来开发前端装载机的设计安装在拖拉机斗加载过程。这种方法必须允许获取选中的点应力应变前端装载机的结构。获得的结果应该通过低成本的传感器,特别是应变仪。使用这些类型的传感器普遍存在的技术组件的结构分析一般金属结构(7- - - - - -10]。此外,这种方法必须允许分析每个组件的前端装载机的结构行为的数值技术基于有限元法(FEM)。结构分析的有限元法是一种技术被证明有记录的常用分析工具(9,11- - - - - -16),最近在一些农具(6,17,18]。此外,需要定义两个策略:静态和动态。静态策略允许分析前端装载机的结构行为在负载情况下的负载。另一方面,动态策略允许分析前端装载机的结构行为在负载情况下的负载是未知的。

2。客观的

本研究的主要目的是开发和验证方法的前端设计和开发农业拖拉机、装载机企业可以利用,没有资源应用昂贵的设计方法。为了实现这个项目的综合目标,两个技术目标需要达到:一个实验测试阶段的定义和数值分析阶段。实验测试阶段旨在获取,通过低成本的传感器、应变仪更具体地说,在前端装载机结构产生的应变和应力在桶装载过程中,大多数损伤发生的地方。同样,数值分析阶段的目的是获取全面的结构行为前端装载机斗加载过程中安装在一辆拖拉机。

3所示。材料和方法

方法由两个阶段。在第一阶段(实验),低成本sensors-more特别是应变计用来测量应变和应力在指定点的前端装载机结构。在第二阶段(数值分析),前端装载机的结构行为组件是通过有限元分析。

方法已验证通过其应用程序开发商业前端装载机,更具体地说,430年的e2模型Maquinaria阿格里科拉厄尔利公司(西班牙)。技术规范已经获得其商业手册(19),以及公司本身所提供的信息。

在实验和数值分析阶段使用的方法描述如下。

3.1。实验阶段

在实验测试中,前端装载机430 e2是安装在FENDT 718不同的拖拉机,如图1。

一旦前端装载机是耦合的,11个低成本传感器安装,更具体地说9单向应变仪和2圆花饰。玫瑰是一个与多个应变仪传感器在一个共同的载体。在这项研究中使用的花结是由三个应变仪(20.]。此外,进一步的单向应变仪(总系列十应变仪),以便执行修正引起的温度效应。表1描述了应变仪被放置的位置。图1显示前端装载机上的传感器的位置。数据2和3显示详细玫瑰1和应变仪8和10个,分别。

应变仪信号记录由应变计测量系统(StrainBook / 616,测量计算,诺顿,妈,美国)。该设备允许同时测量24通道。测量系统是连接到一个笔记本电脑配备数据采集软件(Waveview 7.15,测量计算)。

在这个阶段,两种类型的测试被定义。第一个涉及静载荷试验,而第二个是一个动态的负载测试。这些测试的设施进行了初榨de la橄榄体合作,在Ejea de los卡(西班牙),而合作持开放态度。实验测试进行了拖拉机发动机运行安全原因。这一事实意味着存在前端装载机的振动通过拖拉机发动机。

数据的采集频率用于记录在测试1 Hz的静态负荷情况和50 Hz动态负载测试。

3.1.1。静载荷试验

紧张和压力的情况下获得320公斤放在装载机铲斗的质量。目的,8袋化肥、质量的40公斤,是位于装载机斗。他们是桶表面均匀分布。一旦质量到位,前端装载机的位置是保持至少60年代,以获得一个稳定的压力和紧张的记录。在测试进行中,加载过程的时间是88秒,保持位置的时间是86秒。

前端装载机的铲斗基地放置水平,从地面5厘米高。图4显示前端装载机的位置和袋子的均匀分布的静态负荷情况。

3.1.2。动态负载测试

动态负载测试旨在分析前端装载机的结构组件的行为在加载过程中。通常的加载过程,这种类型的设备包括将桶放置在水平位置在地上,拖拉机驱动前进。在这个过程中,桶安装在前端装载机推到堆材料负载,一般谷物,肥料或土壤。桶是随后出现上升,从而结束了桶装载过程。图5显示了前端装载机及其负载,在这种情况下,化肥。

定义测试,定义一个具有真实负载的动态文章的可能性被排除,因其可重复性低,考虑到高可变性材料的密度(粮食、化肥和土壤)相关的环境条件。相反,一个动态实验测试显示高重复性的设计。因此,整体形成的拖拉机,前端装载机将推动对混凝土加载湾。要执行此操作,前端装载机被放置在地上,桶放置在水平位置。接触加载湾乐团由拖拉机和前端装载机发生在前端装载机铲斗的前面部分。图6显示了tractor-front装载机整体定位在动态负载测试的执行。相同的策略进行了两次。应变仪的数据被记录在一个50赫兹的频率。

动态测试的执行允许获得了应力应变在前端装载机加载过程中对于任何材料,具有高重复性不管环境条件,得到的临界点拖拉机没有任何进一步的行动。

3.2。数值分析阶段

在研究期间,前端装载机是模仿。(图的数值模型7)是由71039个节点和64294个元素。离散化的前端装载机结构组件(灰色,如图所示7),贝壳元素。贝壳元素也被用于桶模型,蓝色在图所示7。拖拉机的夹紧支柱(绿色的图7)是离散的体积元素。液压缸的造型和螺栓可动关节的前端装载机进行了通过要元素,如红色,如图所示7。多点约束(mpc)被用来避免螺栓和布什之间的完全僵硬的关节,从而复制他们的实际行为。

数值分析中使用的材料的所有组件的前端装载机斗,夹紧支柱钢S355-JR。另一方面,线性弹性钢应用液压缸和螺栓。使用的钢的力学性能如表所示2。

类似于实验阶段,两个负载病例定义的数值分析。第一个是一个静态负荷情况,而第二个是一个动态的负载情况。测试都是在下面详细描述。

3.2.1之上。静态负荷情况

静态负荷情况旨在分析综合前端装载机的结构行为的刚度和强度,当已知负载应用。数值分析软件进行了通过有限元分析6.14 - 2,标准制定的分析静态负荷情况。

进行数值分析,合奏bucket-front装载机与桶定位基础水平从地面5厘米高。

负载应用对应于一个下行垂直力为3136 N,均匀地分布在桶的底部在数值模型中。这是蓝色,如图所示8。应用中使用的重量对应的负载实验阶段(320公斤)。

至于中定义的边界条件数值分析、位移限制在孔的连接螺栓夹紧支柱的拖拉机。这些区域位移限制的数值分析红色如图所示8。

3.2.2。动态负荷情况

动态负荷情况,旨在分析前端装载机的结构行为的加载过程中刚度和强度。数值分析已通过商业软件进行有限元分析6.14 - 2,与显式动态负荷情况的分析。

在数值模型中,装载铲斗集一直放在较低的位置,与桶的底部在水平位置。

这个负载情况下,向前位移的拖拉机,而不是被选中。更具体地说,负荷情况下分析由1秒的50 mm向前移动。向前运动的定义考虑技术专家提供的信息生产的拖拉机前加载器。向前移动应用在附件的孔螺栓夹紧支柱的拖拉机。夹紧支柱传达位移的拖拉机底盘前端装载机在现实生活中。向前移动的区域应用红色如图所示9。

施加边界条件限制位移在拖拉机的前进方向额线桶基础的节点。这些节点蓝色,如图所示9。

4所示。结果与讨论

4.1。实验阶段

以下4.4.1。静载荷试验

进行静载荷试验的加载过程的时间是88秒,维持负载的时间是86秒。静载荷试验得到的结果如图10和11。这些数据显示微应变的值( )从单向应变仪,以及从圆花饰获得•冯•米塞斯应力值。必须指出,相关的计量渠道单向应变仪6和9受损在旅途中测试区域,因此,他们没有记录的应变变化进行完整的测试。

平均值和标准偏差的记录数据9低成本传感器在测试期间如表所示3。

获得的结果提供的证据表明,前端装载机的负载级别很低,与平均应力值花结1和8的11.7和7.3 MPa,分别和最大应变值的意思从单向应变计10。这些结果符合负载应用实验测试期间(320公斤)的最大容许的水桶负荷定义的位置(3400公斤)。

标准差从仪表2和3显示高值的意思。然而,两个因素必须考虑在分析这些结果。第一个担忧这些仪表的位置。指标2和3是放置在装载机的过剩,拖拉机发动机所产生的振动在操作的影响更大。其次,由这些指标平均值记录(和 ,)很低。这些值相当于0.21 MPa和1.26 MPa的单向应力,分别。此外,结果从应变仪2之间的范围和 ,而对于评估之间的范围是3和 。这些结果表明,应变变化都不到(相当于1.47 MPa)的单向压力仪表。这些微小的变化产生的标准差有高价值的意思是,因为记录的应变值非常低。

另一方面,仪表放置的结果更稳定地区的前端装载机结构(表10放置在夹紧支柱或计放置在左边支持11日)有一个较小的标准差与均值。此外,这些地区受到更大的努力产生的加载放在装载机斗。

4.1.2。动态负载测试

结果9个单向应变仪和两个花结数据所示12和13,分别。正如前面提到的,相对应的测量通道应变仪6和9受损在旅途中测试区域,因此,没有获得值从这些指标在动态负载测试。

第一秒55 - 57之间的动态负载测试进行,可以看到数据12和13。前面的应变和应力的变化与不同的策略进行前端装载机铲斗的位置垂直于加载湾,这两个纵向梁前端装载机的平衡。定位和加载应用程序在第二次测试开始在73.6秒加载应用程序最后84.5秒。

在分析结果的动态负载测试1和2,可以观察到在测试执行有着明显的差别。获得应力应变的变化显示了不同的前端装载机的结构行为在两个测试。这种装载机结构的变化行为导致塑料菌株产生的一些组件加载程序执行期间第一个测试。

获得的最大应变和应力值在第一次实验动态负荷情况列于表4。压力应变仪记录的2、3、4和10 , , ,和 ,分别。这些结果证明这些点应变仪分布记录重要的压力可能导致前端装载机的塑性应变。

整个分析结果在定性层面(前端装载机的不同行为在第一次和第二次测试)和定量水平(主要来自应变仪记录的应变值2,3,4,和10)证明了需要分析整个前端装载机的结构行为。获得的结果似乎表明,塑料压力很可能产生一些结构组件的前端装载机动态负载测试执行期间第一。

4.2。数值分析阶段

4.2.1。准备静态负荷情况

图14显示了·冯·米塞斯应力的结果得到的数值分析。最大应力值(182 MPa)是位于上层支持前端装载机的螺栓夹紧支柱。更高的紧张关系的支持组件位于前端装载机在夹紧支柱,以及夹紧支柱本身。然而,·冯·米塞斯应力值获得,除了前端装载机支持螺栓,没有超过110 MPa的组件。

获得的垂直位移的最大值为9.99 mm的前沿桶,如图15。

获得的结果允许确认前端装载机的设计分析显示没有刚度和强度问题静态负荷情况。

此外,表5显示菌株和•冯•米塞斯应力值从静态负荷情况获得低成本的传感器被放置在这些地方的实验测试。

4.2.2。动态负荷情况

图16显示·冯·米塞斯应力的数值分析。地图显示的压力,压力水平的前端装载机动态负荷情况远高于静态负荷情况的结果。更具体地说,在动态负荷情况分析,最大应力值高出370 MPa S355-JR钢的屈服强度。这个结果表明有前端装载机组件得到可塑性变形的动态负荷情况。在这个例子中,这些组件的纵向梁前端装载机,如图16。

位移结果如图17。最大水平位移是50毫米。这些值被放置在附件的孔螺栓夹紧支柱的拖拉机。相比之下,位移在桶的额线节点不存在的基础。这些结果符合边界条件的数值分析。

表6显示获得的菌株和•冯•米塞斯应力数值分析的前端装载机在动载荷情况下的低成本的传感器被放置的实验测试模型。

4.3。实验和数值结果之间的相关性

在这种性质的研究,数值和实验结果之间的相关性是至关重要的。一方面,数值和实验结果之间的相关性可以验证数值模型研究中使用。在这项研究中,这个验证允许知道前端装载机的结构行为分析。另一方面,验证数值模型允许验证的印象从实验结果记录创建通过应变仪的整个前端装载机的结构行为分析。

4.3.1。分析静态负荷情况

表7显示了一个静态的结果从每个9应变仪的负荷情况。它还显示了数值分析的结果进行了有限元的手段。此外,当比较获得的错误提供了实验结果的数值结果。

错误从应变仪获得的1、5、8、11是不到10%,被视为容许级从有限元结果的相关性。另一方面,错误的价值观从应变仪2和3分别为-700%和-50%。压力值应变仪记录的2和3的实验测试和 ,非常低的应变值。从数值分析获得的应变值应变仪2和3和 ,分别。的数值差异指标2和3的结果和 ,分别,相当于1.47 MPa和0.63 MPa的单向压力仪表2和3,这是一个小应变或应力结果的差异。由于压力的结果在如此低的水平,产生的误差在数值结果与实验结果的相关性非常高。由于小数值实验和数值结果之间的差异,和位置的应变仪2和3,分别获得的数值误差指标2和3是不显著的机械设计,从而允许验证结果通过数字技术在测量的应变仪2和3点。实验和数值结果之间的相对误差从应变仪4和7是24.14%和16.67%。然而,在这两种情况下,数值和实验结果之间的区别表4和表7。该应变值相当于1.47 MPa和0.21 MPa的单向应力,分别。因此,类似于仪表2和3,相对误差指标4和7在机械设计并不重要。实验和数值结果之间的速度差异不大,允许验证结果通过数值技术应变仪的测量分4和7。计10,误差为10.23%。这个错误被认为是容许。

获得的结果允许认为有很好的数值和实验结果之间的相关性研究的前端装载机430 e2。好相关的结果允许验证前端装载机的数值模型,以及定义的静态负荷情况的研究在开发方法论的前端装载机的设计。

4.3.2。动态负荷情况的分析

表8显示了应变和应力结果从实验测试和数值分析的动态负荷情况。这些结果对应的点应变仪放置在前端装载机。另一方面,这个表时提供错误得到数值结果与实验结果进行比较。

与静载荷情况下,大规模应用(320公斤)是已知的,对动载荷情况下,拖拉机施加的力和位移是已知的。因此,为了进行相关的结果,有必要找到一个时间,实验结果与数值分析的结果对动态负荷情况。

实验结果见表8获得秒56.18和56.24之间,因此涉及的时间间隔为0.06秒。如表所示8,错误的结果通过数值分析与实验结果相比,10%以下的九个点测量分析。这些错误和时间间隔不到10%,他们获得非常小(0.06秒)允许确认实验和数值结果有很高的相关性。这种关联使验证前端装载机的数值模型,以及定义的动态负荷情况的研究在方法论的发展前端装载机的设计。

5。结论

本研究显示的步骤实现发展的一个方法可以改善当前的技术设计和开发的农业拖拉机前端装载机。特别是,这种方法分析了策略产生损害的大多数情况下前端装载机,即。,桶装载。

发达的方法包括两个阶段:一个实验,另涉及数值分析。实验阶段,利用低成本的传感器,更具体地说9应变仪,使获得的应变和应力产生在特定点前端装载机结构。另一方面,数值分析阶段允许研究整个前端装载机的结构行为通过基于有限元法的数值技术。

在方法论的发展,两个负载情况下,定义了一个静态和动态,。静态案例研究允许获取产生的应变和应力在前端装载机知道质量是放置到桶里。第二个载荷情况下,动态的情况下,允许分析前端装载机的结构行为在桶装载过程。为了确保研究的重复性,实验测试中定义,桶的前部与前端装载机推到一个具体的进料台拖拉机前进。这个测试的数值分析是定义在一个类似的方式,将拖拉机的前进运动限制在5厘米。

实验结果通过九个应变仪和数值分析的结果从静态负荷情况显示高度相关。数值结果和实验结果之间的差异低于单向应变仪和0.4 MPa的玫瑰花饰。这种相关性的结果允许验证前端装载机的数值模型,定义的静态负荷情况以及在开发方法论的前端装载机的设计。

另一方面,实验结果和数值结果的动态负荷情况显示高度相关。具体,错误的结果通过数值分析与实验结果相比,10%以下的九个点测量分析。实验结果的间隔0.06秒。这个高相关性的结果允许验证前端装载机的数值模型,以及定义的动态负荷情况的研究在方法论的发展前端装载机的设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者表达自己的感谢合作“初榨de la奥利瓦,Ejea de los卡”与本研究他们的援助。这项研究是由VEHIVIAL研究集团公司(萨拉戈萨)大学和Maquinaria阿格里科拉El莱昂(西班牙)。

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