一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代化的工程建設領域，裝載機作為關鍵的土石方施工機械，承擔著物料搬運、場地平整、土方裝卸等多種繁重任務，其高效穩(wěn)定的運行直接關系到工程的進度與質量。從繁忙的建筑工地到資源開采的礦山，從貨物吞吐量巨大的港口到物流周轉的倉儲中心，裝載機的身影無處不在，憑借其強大的裝載能力和靈活的作業(yè)性能，成為各類大型工程作業(yè)中不可或缺的重要設備。傳動軸作為裝載機動力傳輸系統(tǒng)的核心部件，如同人體的“經(jīng)絡”，將發(fā)動機的動力高效地傳遞至各個工作裝置，保障裝載機的正常運行。而傳動軸扭矩這一參數(shù)，宛如裝載機運行狀態(tài)的“晴雨表”，精確測量其扭矩數(shù)值具有多方面的重要意義。在設備操作安全層面，實時掌握傳動軸扭矩能夠為操作人員提供關鍵的決策依據(jù)。當扭矩數(shù)值超出正常范圍時，預示著傳動系統(tǒng)可能面臨過載風險，如不及時采取措施，可能導致傳動軸斷裂、齒輪磨損、軸承損壞等嚴重故障，進而引發(fā)設備停機，甚至危及操作人員的生命安全。通過精準測量扭矩，操作人員可以及時調整作業(yè)方式，避免危險工況的發(fā)生，確保設備和人員的安全。從維護保養(yǎng)角度出發(fā)，準確的扭矩數(shù)據(jù)有助于維修人員深入了解設備的運行狀況，提前預判潛在的故障隱患。定期監(jiān)測扭矩變化趨勢，能夠為設備的預防性維護提供科學指導，合理安排維修計劃，避免因設備突發(fā)故障而造成的生產(chǎn)延誤和經(jīng)濟損失。例如，當發(fā)現(xiàn)扭矩波動異常時，維修人員可以針對性地檢查傳動系統(tǒng)的各個部件，及時更換磨損的零件，調整設備參數(shù)，從而延長設備的使用壽命，降低維護成本。在能效評估方面，傳動軸扭矩測量為評估裝載機的能源利用效率提供了關鍵數(shù)據(jù)支持。通過分析扭矩與發(fā)動機功率、燃油消耗之間的關系，工程師可以優(yōu)化裝載機的動力系統(tǒng)匹配，改進控制策略，提高能源利用效率，降低燃油消耗和排放，實現(xiàn)設備的綠色、可持續(xù)運行。然而，傳統(tǒng)的裝載機傳動軸扭矩測量技術主要依賴于傳感器標定方法，這種方法在實際應用中暴露出諸多局限性。標定過程繁瑣復雜，需要專業(yè)的設備和技術人員，耗費大量的時間和人力成本；而且對環(huán)境變化極為敏感，溫度、濕度、振動等環(huán)境因素的微小波動都可能導致測量結果出現(xiàn)偏差；同時，傳統(tǒng)方法易受外界干擾，在復雜的工程作業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、機械振動等干擾源會嚴重影響測量精度；此外，傳統(tǒng)方法無法根據(jù)實際工況實時動態(tài)調整測量參數(shù)，難以滿足現(xiàn)代工程對高精度、實時性和可靠性的嚴格要求。因此，開發(fā)一種新型的裝載機傳動軸扭矩軟測量與免標定測量關鍵技術迫在眉睫，這對于提升裝載機的性能、保障設備安全、降低維護成本以及推動工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在裝載機傳動軸扭矩測量技術的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)測量技術長期占據(jù)主導地位。早期，應變片法憑借其原理簡單、成本相對較低的優(yōu)勢，成為較為常用的測量方式。如在20世紀中期，相關研究就圍繞在傳動軸上粘貼應變片展開，通過測量軸扭轉時應變片產(chǎn)生的與扭矩成正比的電阻變化，進而計算出扭矩值。然而，這種方法在實際應用中逐漸暴露出諸多問題，如應變片易受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，導致測量精度下降，且粘貼工藝復雜，對操作人員技術要求較高。隨著科技的不斷進步，扭轉角位移法應運而生。該方法利用扭轉傳感器測量傳動軸的扭轉角度，再依據(jù)材料扭轉彈性模量和軸的幾何尺寸計算扭矩。在一些對測量精度要求較高的工業(yè)領域，如航空航天相關設備的傳動軸扭矩測量中，扭轉角位移法得到了一定應用。但它也存在局限性，對于一些結構復雜、尺寸緊湊的裝載機傳動軸，安裝扭轉傳感器存在困難，且測量過程中易受機械振動干擾，影響測量結果的準確性。磁彈性效應法也是傳統(tǒng)測量技術中的重要一員。其基于磁彈性效應，當傳動軸受到扭矩作用時，鐵磁材料的磁導率發(fā)生變化，通過測量磁導率變化來計算扭矩。在大型礦山機械的傳動軸扭矩測量中，磁彈性效應法有過應用實例。但該方法對傳動軸的材料有特殊要求，必須是鐵磁材料，限制了其應用范圍，同時測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有待提高。近年來，隨著傳感器技術、計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，新型的裝載機傳動軸扭矩測量技術不斷涌現(xiàn)。軟測量技術作為其中的代表，受到了廣泛關注。它基于生產(chǎn)過程的實時測量和在線分析，通過構建與扭矩相關的數(shù)學模型，利用易于測量的輔助變量（如電機電流、轉速、溫度等）來估計扭矩值。國外在軟測量技術的研究和應用方面起步較早，一些知名高校和科研機構，如美國麻省理工學院、德國弗勞恩霍夫協(xié)會等，在軟測量模型的建立和優(yōu)化方面取得了一系列成果。他們通過深入研究裝載機傳動系統(tǒng)的物理特性和工作原理，結合先進的算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡算法、支持向量機算法等，提高了軟測量模型的準確性和泛化能力。國內(nèi)在軟測量技術領域也緊跟國際步伐，眾多高校和科研院所積極開展相關研究。例如，清華大學的研究團隊針對裝載機傳動軸扭矩軟測量，提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合和深度神經(jīng)網(wǎng)絡的測量方法，通過融合多種傳感器數(shù)據(jù)，充分挖掘數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)信息，有效提高了扭矩測量的精度和可靠性；浙江大學則在軟測量模型的實時更新和自適應調整方面進行了深入研究，提出了基于在線學習算法的模型更新策略，使軟測量系統(tǒng)能夠更好地適應復雜多變的工況。免標定測量技術作為另一種新型測量技術，也成為研究熱點。國外一些企業(yè)和研究機構致力于開發(fā)具有自校準、自適應能力的免標定測量系統(tǒng)。如日本的某企業(yè)研發(fā)出一種基于內(nèi)置參考傳感器和自適應算法的免標定扭矩測量裝置，能夠實時校準測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)環(huán)境變化和設備老化自動調整測量模型，在實際應用中取得了較好的效果。國內(nèi)在免標定測量技術方面也取得了顯著進展。哈爾濱工業(yè)大學的科研人員通過改進傳感器結構和信號處理算法，設計出一種具有高抗干擾能力的免標定扭矩傳感器，在復雜的工業(yè)環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的測量性能；重慶大學的研究團隊則將人工智能技術應用于免標定測量系統(tǒng)，通過機器學習算法對大量測量數(shù)據(jù)進行分析和學習，實現(xiàn)了測量模型的自動優(yōu)化和調整，進一步提高了測量精度和穩(wěn)定性。總體而言，國內(nèi)外在裝載機傳動軸扭矩測量技術方面都取得了一定的研究成果。傳統(tǒng)測量技術雖然存在局限性，但在一些特定場景下仍有應用；新型的軟測量技術和免標定測量技術展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和潛力，為裝載機傳動軸扭矩測量提供了新的思路和方法。然而，目前的研究仍存在一些問題，如軟測量模型的準確性和可靠性有待進一步提高，免標定測量系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性還需優(yōu)化，未來需要進一步深入研究，以推動裝載機傳動軸扭矩測量技術的不斷發(fā)展和完善。1.3研究目標與創(chuàng)新點本研究旨在攻克裝載機傳動軸扭矩測量中的關鍵難題，通過對軟測量與免標定測量技術的深入探索，實現(xiàn)測量精度的顯著提升，確保測量誤差控制在極小范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)代工程對高精度扭矩測量的嚴格要求。同時，致力于簡化測量流程，降低測量過程的復雜性和成本，減少對專業(yè)設備和技術人員的依賴，提高測量系統(tǒng)的易用性和可操作性。此外，通過創(chuàng)新的技術手段，增強測量系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能夠在復雜多變的工程環(huán)境中穩(wěn)定運行，為裝載機的安全操作、高效維護和能效優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在軟測量技術方面，本研究的創(chuàng)新之處在于構建了一種融合多源數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型。該模型充分考慮了裝載機傳動系統(tǒng)的復雜特性，不僅綜合利用電機電流、轉速、溫度等常規(guī)輔助變量，還創(chuàng)新性地引入了振動信號、壓力信號等多維度數(shù)據(jù)，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡強大的特征提取和非線性映射能力，挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關聯(lián)，實現(xiàn)對傳動軸扭矩的高精度軟測量。與傳統(tǒng)的軟測量模型相比，本模型具有更強的泛化能力和自適應能力，能夠更好地適應不同工況下的扭矩測量需求。在免標定測量技術方面，提出了一種基于自適應自校準算法的免標定測量方法。該方法通過內(nèi)置的高精度參考傳感器，實時采集測量環(huán)境和設備狀態(tài)信息，利用自適應算法對測量數(shù)據(jù)進行動態(tài)校準和補償，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自校準功能。同時，結合機器學習算法，對測量數(shù)據(jù)進行深度分析和學習，根據(jù)環(huán)境變化和設備老化自動調整測量模型的參數(shù)，確保測量結果的準確性和穩(wěn)定性。這種免標定測量方法打破了傳統(tǒng)測量技術對定期標定的依賴，大大提高了測量系統(tǒng)的可靠性和維護便利性。二、裝載機傳動軸扭矩測量技術基礎2.1傳統(tǒng)扭矩測量方法剖析2.1.1應變片法應變片法是一種經(jīng)典且應用廣泛的扭矩測量方法，其測量原理基于電阻應變效應。在具體操作中，將電阻應變片精心粘貼于傳動軸的特定表面位置，一般選擇在與軸體軸線成±45°方向的軸體表面，因為在該方向上，當傳動軸受到扭矩作用時，會產(chǎn)生最大主應力和最小主應力，其絕對值均等于最大剪應力，能夠使應變片獲得最為顯著的應變響應。當傳動軸承受扭矩而發(fā)生扭轉變形時，粘貼在其表面的應變片也會隨之產(chǎn)生機械變形，這種變形會導致應變片的電阻值發(fā)生改變。根據(jù)材料力學中的相關理論，扭矩與應變之間存在著明確的線性關系，通過惠斯通電橋等測量電路，能夠精確測量出應變片電阻值的變化量，并將其轉換為與之成正比的電壓信號輸出。再依據(jù)事先標定好的電壓-扭矩對應關系，即可準確計算出傳動軸所承受的扭矩數(shù)值。在裝載機的實際應用場景中，應變片法展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。其一，該方法具有較高的測量精度，能夠較為準確地捕捉到傳動軸扭矩的微小變化，為裝載機的運行狀態(tài)監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，在一些對作業(yè)精度要求較高的精細物料搬運作業(yè)中，通過應變片法測量傳動軸扭矩，操作人員可以根據(jù)精確的扭矩數(shù)據(jù)，精準控制裝載機的動作，避免因扭矩過大或過小導致物料的灑落或搬運效率低下。其二，應變片法的成本相對較低，與其他一些高端的扭矩測量技術相比，其所需的設備和材料成本處于較低水平，這使得裝載機生產(chǎn)廠家在設備制造過程中，能夠在保證一定測量精度的前提下，有效控制生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。其三，應變片的尺寸小巧、重量輕盈，易于安裝在裝載機傳動軸的各種復雜結構部位，對傳動軸的原有結構和性能影響較小，幾乎不增加傳動軸的額外負載和轉動慣量，從而確保了裝載機傳動系統(tǒng)的正常運行。然而，應變片法在裝載機應用中也暴露出一些明顯的局限性。首先，應變片對環(huán)境因素極為敏感，尤其是溫度和濕度的變化，會對測量結果產(chǎn)生顯著影響。在裝載機的實際工作環(huán)境中，溫度可能會在較大范圍內(nèi)波動，濕度也會因作業(yè)場地的不同而有所差異。當溫度發(fā)生變化時，應變片的電阻值會因溫度效應而發(fā)生改變，這種變化與因扭矩作用產(chǎn)生的電阻變化相互疊加，從而導致測量誤差的產(chǎn)生。濕度的變化則可能會影響應變片與傳動軸表面的粘結性能，導致應變片的粘貼松動或脫落，進而使測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差甚至失效。其次，應變片的粘貼工藝要求較高，需要專業(yè)的技術人員和精細的操作才能確保粘貼的質量和準確性。如果粘貼過程中出現(xiàn)應變片位置偏移、粘貼不牢固或膠水涂抹不均勻等問題，都會影響應變片對傳動軸應變的準確感知，進而降低測量精度。此外，應變片在長期使用過程中，由于受到機械振動、沖擊等因素的作用，容易出現(xiàn)疲勞損壞，導致其性能下降，需要定期進行更換和校準，這無疑增加了設備的維護成本和停機時間。2.1.2扭轉角位移法扭轉角位移法的測量原理基于材料的扭轉彈性理論。在裝載機的傳動軸上，選取兩個合適的截面，通過專門的扭轉傳感器來精確測量這兩個截面在扭矩作用下產(chǎn)生的相對扭轉角度。根據(jù)材料力學知識，傳動軸的扭轉角與所承受的扭矩、材料的扭轉彈性模量以及軸的幾何尺寸之間存在著確定的數(shù)學關系。對于常見的圓形截面?zhèn)鲃虞S，其扭矩計算公式為M=\frac{GJ}{L}\theta，其中M表示扭矩，G為材料的剪切彈性模量，J是軸的極慣性矩，L為兩測量截面之間的軸段長度，\theta則是兩截面之間的相對扭轉角。通過測量得到的扭轉角\theta，以及已知的材料參數(shù)G、軸的幾何參數(shù)J和L，就可以準確計算出傳動軸所承受的扭矩M。在實際操作過程中，扭轉角位移法面臨著一些不容忽視的難點。首先，扭轉傳感器的安裝和調試較為復雜，需要精確地確定其在傳動軸上的安裝位置，以確保能夠準確測量到兩截面之間的真實扭轉角度。同時，傳感器的安裝還需要考慮到傳動軸的旋轉特性，避免因安裝不當而影響傳動軸的正常運轉。例如，在一些空間有限、結構復雜的裝載機傳動系統(tǒng)中，傳感器的安裝空間十分狹小，這給安裝工作帶來了極大的困難，需要技術人員具備豐富的經(jīng)驗和精湛的技藝才能完成。其次，測量過程中易受到機械振動等外界因素的干擾。裝載機在作業(yè)過程中，會不可避免地產(chǎn)生各種形式的機械振動，這些振動會使傳動軸產(chǎn)生額外的微小變形和位移，從而干擾扭轉角的準確測量。當振動頻率與傳動軸的固有頻率接近時，還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，導致測量誤差急劇增大，嚴重影響測量結果的可靠性。此外，對于一些高速旋轉的傳動軸，由于離心力的作用，會使傳動軸產(chǎn)生一定的變形，這種變形也會對扭轉角的測量產(chǎn)生影響，進一步增加了測量的難度和不確定性。2.1.3磁彈性效應法磁彈性效應法的工作機制基于鐵磁材料獨特的磁彈性特性。當由鐵磁材料制成的裝載機傳動軸受到扭矩作用時，其內(nèi)部的晶格結構會發(fā)生畸變，進而產(chǎn)生應力。這種應力的變化會導致鐵磁材料內(nèi)部磁疇之間的界限發(fā)生移動，磁疇磁化強度矢量發(fā)生旋轉，使得材料的磁化強度產(chǎn)生相應的變化，這種現(xiàn)象被稱為磁彈性效應。而材料的磁導率與磁化強度密切相關，因此，通過高精度的磁傳感器測量傳動軸在扭矩作用下磁導率的變化情況，就可以間接計算出傳動軸所承受的扭矩大小。在實際應用中，磁彈性效應法受到多種環(huán)境因素的顯著影響。首先，溫度變化是一個重要的影響因素。隨著溫度的改變，鐵磁材料的磁性能會發(fā)生明顯變化，磁導率會隨溫度的升高或降低而發(fā)生相應的改變，這就導致在不同溫度條件下，相同扭矩所對應的磁導率變化量不一致，從而引入測量誤差。例如，在寒冷的冬季或炎熱的夏季，裝載機工作環(huán)境溫度差異較大，若不進行有效的溫度補償，磁彈性效應法測量的扭矩結果可能會出現(xiàn)較大偏差。其次，周圍的強磁場環(huán)境也會對測量結果產(chǎn)生干擾。裝載機通常在復雜的工業(yè)環(huán)境中作業(yè)，周圍可能存在各種電氣設備和大型機械，這些設備在運行過程中會產(chǎn)生較強的磁場。當傳動軸處于這些強磁場環(huán)境中時，外部磁場會與傳動軸自身因扭矩產(chǎn)生的磁場相互疊加，使測量到的磁導率變化信號失真，進而導致扭矩測量結果不準確。此外，鐵磁材料本身的特性也會對測量精度產(chǎn)生影響。不同批次、不同廠家生產(chǎn)的鐵磁材料，其磁性能可能存在一定的差異，即使是同一根傳動軸，在長期使用過程中，由于材料的疲勞、老化等原因，其磁性能也會發(fā)生變化，這些因素都增加了磁彈性效應法測量扭矩的不確定性和誤差。2.2軟測量技術理論基礎2.2.1軟測量基本概念軟測量技術，作為工業(yè)測量領域的一項重要創(chuàng)新技術，是指利用自動控制理論與生產(chǎn)過程知識的有機融合，借助計算機技術，針對那些難以直接測量或暫時無法通過傳統(tǒng)傳感器進行測量的重要變量，即主導變量（如裝載機傳動軸扭矩），選取一系列容易測量的變量，也就是輔助變量（如電機電流、轉速、溫度等），通過構建精確的數(shù)學關系，即軟測量模型，來實現(xiàn)對主導變量的準確推斷和估計，從而以軟件算法替代硬件傳感器的部分功能。軟測量技術具有顯著的特點。其一，非侵入性是其突出優(yōu)勢之一。在裝載機傳動軸扭矩測量中，無需對傳動軸進行復雜的物理改造，避免了因安裝硬件傳感器而對傳動軸結構完整性和機械性能造成的潛在破壞，最大程度降低了對設備正常運行的干擾，確保了裝載機傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其二，軟測量技術具備卓越的實時性。能夠對裝載機運行過程中的各種參數(shù)變化做出快速響應，實時捕捉輔助變量的動態(tài)信息，并通過高效的數(shù)學模型運算，迅速得出傳動軸扭矩的估計值，實現(xiàn)對扭矩的實時、連續(xù)監(jiān)測，為操作人員提供及時、準確的設備運行狀態(tài)信息，有助于及時調整作業(yè)策略，保障設備安全運行。其三，從經(jīng)濟成本角度考量，軟測量技術展現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟性。相較于傳統(tǒng)的扭矩測量方法，如應變片法、扭轉角位移法等，軟測量技術無需購置價格昂貴、維護復雜的高精度硬件傳感器，僅需利用現(xiàn)有的常規(guī)傳感器獲取輔助變量數(shù)據(jù)，再通過軟件算法進行數(shù)據(jù)處理和分析，大大降低了測量設備的采購成本和維護成本，提高了測量系統(tǒng)的性價比，具有良好的經(jīng)濟效益和應用推廣價值。在工業(yè)測量領域，軟測量技術的應用原理基于對生產(chǎn)過程中各變量之間內(nèi)在關系的深入挖掘和理解。通過對大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析和研究，建立起輔助變量與主導變量之間的數(shù)學模型，該模型能夠準確描述變量之間的非線性、時變關系。在實際應用中，實時采集輔助變量的數(shù)據(jù)，并將其輸入到已建立的軟測量模型中，模型依據(jù)預設的算法和規(guī)則，對輸入數(shù)據(jù)進行處理和運算，從而輸出主導變量的估計值。以裝載機傳動軸扭矩測量為例，通過安裝在電機、傳動系統(tǒng)等部位的電流傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器等，實時采集電機電流、轉速、溫度等輔助變量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸至軟測量系統(tǒng)，系統(tǒng)利用預先訓練好的基于神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等算法的軟測量模型，對輸入數(shù)據(jù)進行分析和計算，最終得出傳動軸扭矩的估計值，實現(xiàn)對傳動軸扭矩的間接測量。2.2.2軟測量建模方法分類軟測量建模方法豐富多樣，根據(jù)建模原理和技術手段的不同，主要可分為基于機理分析的方法、數(shù)據(jù)驅動的方法以及二者相結合的混合方法。基于機理分析的建模方法，是依據(jù)裝載機傳動系統(tǒng)的物理特性、工作原理以及相關的工程力學、電磁學等基礎理論知識，深入剖析傳動軸扭矩與各輔助變量之間的內(nèi)在因果關系，從而建立起精確的數(shù)學模型。在建立基于機理分析的裝載機傳動軸扭矩軟測量模型時，需要綜合考慮傳動系統(tǒng)中電機的電磁轉矩特性、齒輪傳動的效率和扭矩傳遞關系、軸承的摩擦阻力以及傳動軸自身的材料力學性能等因素。通過對這些因素的詳細分析和理論推導，構建出能夠準確描述扭矩與各相關變量之間關系的數(shù)學表達式。這種建模方法的顯著優(yōu)點在于，模型具有堅實的物理理論基礎，能夠深刻揭示系統(tǒng)的內(nèi)在運行機制，對系統(tǒng)的解釋性強，可靠性高。在實際應用中，當系統(tǒng)的運行條件較為穩(wěn)定，且對系統(tǒng)的物理過程有清晰、準確的認識時，基于機理分析的模型能夠提供較為準確的扭矩估計值。然而，該方法也存在一定的局限性。裝載機傳動系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，受到多種因素的影響，在實際建模過程中，往往難以全面、準確地考慮到所有因素，特別是一些難以量化的因素，如系統(tǒng)的磨損、老化等，這可能導致模型與實際系統(tǒng)之間存在一定的偏差。此外，基于機理分析的建模過程通常較為復雜，需要具備深厚的專業(yè)知識和豐富的工程經(jīng)驗，對建模人員的要求較高。數(shù)據(jù)驅動的建模方法，主要是借助大量的歷史數(shù)據(jù)和先進的機器學習算法，從數(shù)據(jù)中挖掘出輔助變量與傳動軸扭矩之間的潛在關系，從而構建出軟測量模型。常見的數(shù)據(jù)驅動建模方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡算法、支持向量機算法、主成分分析算法等。以神經(jīng)網(wǎng)絡算法為例，它通過構建具有多個神經(jīng)元層的神經(jīng)網(wǎng)絡結構，模擬人類大腦的神經(jīng)元信息處理方式，對輸入的輔助變量數(shù)據(jù)進行層層特征提取和非線性變換，從而自動學習到數(shù)據(jù)中的復雜模式和規(guī)律，建立起輔助變量與扭矩之間的高度非線性映射關系。數(shù)據(jù)驅動的建模方法具有很強的適應性和泛化能力，能夠自動學習數(shù)據(jù)中的復雜特征和規(guī)律，無需對系統(tǒng)的物理過程進行詳細的了解和假設。在面對復雜多變的裝載機工作工況時，能夠通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學習，快速適應不同工況下的扭矩測量需求，提高測量的準確性和可靠性。而且該方法建模過程相對簡單，不需要深入了解系統(tǒng)的內(nèi)部機理，只需具備一定的數(shù)據(jù)處理和機器學習知識，即可利用相關算法進行模型構建。但是，數(shù)據(jù)驅動的建模方法也存在一些不足之處。該方法對數(shù)據(jù)的質量和數(shù)量要求較高，需要大量的高質量歷史數(shù)據(jù)來訓練模型，以確保模型的準確性和泛化能力。如果數(shù)據(jù)存在噪聲、缺失或異常值等問題，可能會嚴重影響模型的性能。此外，數(shù)據(jù)驅動模型通常被視為“黑箱”模型，對模型內(nèi)部的決策過程和參數(shù)含義缺乏直觀的解釋，難以從物理意義上理解模型的輸出結果，這在一定程度上限制了其在一些對模型可解釋性要求較高的應用場景中的應用。混合建模方法則是將基于機理分析和數(shù)據(jù)驅動的兩種建模方法有機結合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，彌補彼此的不足。在裝載機傳動軸扭矩軟測量建模中，首先利用機理分析方法，根據(jù)傳動系統(tǒng)的物理原理和基本理論，建立起一個初步的模型框架，明確扭矩與各主要因素之間的基本關系。然后，借助數(shù)據(jù)驅動方法，利用實際采集到的大量數(shù)據(jù)，對基于機理分析的模型進行參數(shù)優(yōu)化和修正，進一步提高模型的準確性和適應性。通過這種方式，既能夠利用機理分析模型的物理可解釋性和可靠性，又能夠充分發(fā)揮數(shù)據(jù)驅動模型對復雜數(shù)據(jù)模式的學習能力和自適應能力，從而構建出更加準確、可靠的軟測量模型。例如，在實際應用中，可以先根據(jù)傳動系統(tǒng)的力學原理建立一個初步的扭矩計算模型，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對大量的實際運行數(shù)據(jù)進行學習和訓練，對模型中的參數(shù)進行優(yōu)化調整，使其能夠更好地適應不同工況下的扭矩測量需求?；旌辖７椒榻鉀Q復雜系統(tǒng)的軟測量建模問題提供了一種有效的途徑，在實際工程應用中具有廣闊的應用前景。2.3免標定測量技術理論基礎2.3.1免標定測量技術概念免標定測量技術，是一種在測量領域中具有創(chuàng)新性和突破性的先進測量方法，它打破了傳統(tǒng)測量技術對定期標定操作的依賴，通過獨特的技術手段和算法設計，實現(xiàn)了在測量過程中無需頻繁進行標定或完全免除標定步驟，從而確保測量系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定地輸出高精度的測量結果。在裝載機傳動軸扭矩測量的特定場景中，免標定測量技術展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。從維護成本角度來看，傳統(tǒng)的扭矩測量技術，如應變片法、扭轉角位移法等，通常需要定期對傳感器進行標定操作。這一過程不僅需要專業(yè)的技術人員，配備高精度的標定設備，而且在標定過程中，裝載機需要停機，導致生產(chǎn)中斷。而免標定測量技術的應用，使得裝載機在長期運行過程中無需頻繁進行標定，大大減少了因標定所需的人力、物力和時間成本，降低了設備的維護工作量和停機時間，提高了設備的使用效率和生產(chǎn)效益。在測量穩(wěn)定性方面，傳統(tǒng)測量技術在受到環(huán)境因素（如溫度、濕度、振動等）變化影響時，測量結果容易出現(xiàn)偏差，需要重新進行標定以恢復測量精度。而免標定測量技術通過內(nèi)置的自校準機制和自適應算法，能夠實時監(jiān)測環(huán)境變化和設備自身的狀態(tài)變化，并自動對測量數(shù)據(jù)進行校準和調整，有效補償因環(huán)境因素和設備老化等原因導致的測量誤差，確保測量結果的穩(wěn)定性和可靠性。例如，當裝載機在不同季節(jié)、不同地域作業(yè)時，環(huán)境溫度和濕度會發(fā)生較大變化，免標定測量技術能夠自動適應這些變化，保持穩(wěn)定的測量性能，為裝載機的安全運行和高效作業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，免標定測量技術還具有安裝和使用簡便的特點。由于無需復雜的標定設備和繁瑣的標定流程，操作人員只需按照簡單的安裝說明將測量設備安裝在傳動軸上，即可快速投入使用。這不僅降低了對操作人員專業(yè)技能的要求，也提高了測量系統(tǒng)的可操作性和實用性，使得裝載機的扭矩測量更加便捷、高效。2.3.2自校準與自適應原理免標定測量技術中的自校準原理，是通過在測量系統(tǒng)中內(nèi)置高精度的參考傳感器或校準元件來實現(xiàn)的。這些參考傳感器或校準元件能夠實時采集與測量相關的環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)信息，如溫度、壓力、振動等，作為校準的依據(jù)。在裝載機傳動軸扭矩測量系統(tǒng)中，內(nèi)置的溫度傳感器可以實時監(jiān)測測量環(huán)境的溫度變化。當溫度發(fā)生變化時，溫度傳感器將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給測量系統(tǒng)的微處理器。微處理器根據(jù)預先設定的溫度補償模型，對因溫度變化而引起的測量誤差進行計算和補償。例如，已知某種扭矩傳感器的輸出信號會隨著溫度的升高而產(chǎn)生一定比例的偏移，通過建立溫度與信號偏移量之間的數(shù)學模型，當測量系統(tǒng)檢測到溫度升高時，微處理器可以根據(jù)該模型自動調整測量信號，從而消除溫度對測量結果的影響，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時校準。自適應算法是免標定測量技術的另一個核心組成部分，其工作原理基于對測量數(shù)據(jù)的實時分析和學習。測量系統(tǒng)會持續(xù)采集裝載機傳動軸在不同工況下的扭矩測量數(shù)據(jù)以及相關的輔助變量數(shù)據(jù)，如電機轉速、負載大小等。通過機器學習算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡算法、自適應濾波算法等，對這些數(shù)據(jù)進行深度分析和處理。算法會自動學習數(shù)據(jù)中的特征和規(guī)律，建立起測量數(shù)據(jù)與實際扭矩值之間的動態(tài)關系模型。當裝載機的工作工況發(fā)生變化時，例如負載突然增加或電機轉速發(fā)生改變，測量系統(tǒng)能夠根據(jù)新采集到的數(shù)據(jù)，利用自適應算法及時調整模型的參數(shù)，使模型能夠準確地反映當前工況下的扭矩測量關系，從而保證測量結果的準確性。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡算法中，通過大量的樣本數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，使其能夠學習到不同工況下輔助變量與傳動軸扭矩之間的復雜非線性關系。當裝載機處于新的工作狀態(tài)時，神經(jīng)網(wǎng)絡能夠根據(jù)輸入的新數(shù)據(jù)，快速計算出相應的扭矩值，并根據(jù)實際測量結果不斷調整自身的權重和閾值，以提高測量的準確性和適應性。三、裝載機傳動軸扭矩軟測量關鍵技術研究3.1軟測量模型構建3.1.1基于物理特性的模型假設在構建裝載機傳動軸扭矩軟測量模型時，首先深入剖析傳動軸的物理特性和工作原理。從物理學角度來看，裝載機的傳動軸在傳遞動力過程中，其扭矩與多個因素密切相關。基于此，做出如下合理假設：將傳動軸視為理想的彈性體，在彈性變形范圍內(nèi)，扭矩與軸的扭轉角之間滿足胡克定律，即扭矩與扭轉角成正比關系。同時，假設電機輸出的電磁轉矩能夠通過傳動系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地傳遞至傳動軸，且在傳遞過程中，不考慮能量損失，即電機電磁轉矩與傳動軸輸入扭矩相等。此外，考慮到溫度對材料物理性能的影響，假設在一定溫度范圍內(nèi)，傳動軸材料的彈性模量和剪切模量保持不變，且溫度變化對扭矩傳遞效率的影響可忽略不計?；谏鲜黾僭O，建立初始的扭矩軟測量模型。以電機電流I、轉速n以及溫度T作為主要的輔助變量，通過理論分析和經(jīng)驗公式推導，得出扭矩M與這些輔助變量之間的初步數(shù)學關系。根據(jù)電機的工作原理，電機電磁轉矩M_{em}與電機電流I和轉速n之間存在如下關系：M_{em}=k_{1}I+k_{2}n+k_{3}In，其中k_{1}、k_{2}、k_{3}為待定系數(shù)，它們與電機的結構參數(shù)、電磁特性等因素相關。由于假設電機電磁轉矩與傳動軸輸入扭矩相等，即M=M_{em}，因此初步建立的扭矩軟測量模型為M=k_{1}I+k_{2}n+k_{3}In。同時，考慮到溫度對扭矩的潛在影響，引入溫度修正項k_{4}T，其中k_{4}為溫度修正系數(shù)，最終得到初始的扭矩軟測量模型為M=k_{1}I+k_{2}n+k_{3}In+k_{4}T。3.1.2多因素影響下的模型優(yōu)化在實際的裝載機工作場景中，傳動系統(tǒng)呈現(xiàn)出復雜的非線性特性。由于齒輪嚙合過程中的齒面摩擦、間隙以及材料的非線性彈性等因素，使得扭矩傳遞過程并非完全符合線性假設。時變特性也是一個不可忽視的因素，隨著裝載機的長時間運行，傳動系統(tǒng)中的零部件會逐漸磨損，導致其物理參數(shù)發(fā)生變化，從而使扭矩與輔助變量之間的關系隨時間動態(tài)變化。此外，負載擾動頻繁出現(xiàn)，如在物料裝卸過程中，物料的重量、形狀以及裝載方式的不同，都會導致裝載機的負載發(fā)生劇烈變化，進而對傳動軸扭矩產(chǎn)生顯著影響。為了使軟測量模型能夠更準確地反映實際工況下的扭矩變化，需要綜合考慮這些復雜因素對模型進行優(yōu)化。針對傳動系統(tǒng)的非線性特性，引入神經(jīng)網(wǎng)絡算法對模型進行改進。神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的非線性映射能力，能夠自動學習復雜的非線性關系。將電機電流、轉速、溫度等輔助變量作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，傳動軸扭矩作為輸出，通過大量的樣本數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，使其能夠準確地捕捉到扭矩與輔助變量之間的非線性關系，從而對初始模型進行修正。針對時變特性，采用遞推最小二乘法對模型參數(shù)進行實時更新。遞推最小二乘法能夠根據(jù)新獲取的測量數(shù)據(jù)，不斷更新模型的參數(shù)，使模型能夠適應傳動系統(tǒng)參數(shù)的時變特性，提高模型的準確性和適應性。為了應對負載擾動的影響，在模型中引入自適應控制策略。通過實時監(jiān)測裝載機的負載變化情況，自動調整模型的參數(shù)和結構，以減小負載擾動對扭矩測量的影響，確保模型在不同負載工況下都能準確地估計傳動軸扭矩。3.2參數(shù)識別算法應用3.2.1最小二乘法與遞推最小二乘法最小二乘法（LeastSquaresMethod，LSM）是一種經(jīng)典且廣泛應用的參數(shù)估計方法，其核心思想可追溯至18世紀末，由著名科學家高斯提出。在裝載機傳動軸扭矩軟測量模型的參數(shù)識別中，最小二乘法發(fā)揮著重要作用。假設裝載機傳動軸扭矩軟測量模型為線性模型，其表達式為y=\theta_1x_1+\theta_2x_2+\cdots+\theta_nx_n+\epsilon，其中y為傳動軸扭矩的測量值，x_i（i=1,2,\cdots,n）為輔助變量，如電機電流、轉速、溫度等，\theta_i為待估計的模型參數(shù)，\epsilon為測量噪聲。最小二乘法的目標是通過調整參數(shù)\theta_i，使得模型預測值與實際測量值之間的誤差平方和最小，即J(\theta)=\sum_{k=1}^{N}(y_k-\sum_{i=1}^{n}\theta_ix_{ik})^2達到最小值，其中N為測量數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量。通過對J(\theta)求關于\theta_i的偏導數(shù)，并令其等于零，可得到一組線性方程組，求解該方程組即可得到參數(shù)\theta_i的估計值。最小二乘法具有理論成熟、計算簡單、易于理解等優(yōu)點，在處理線性模型的參數(shù)估計問題時表現(xiàn)出良好的性能。然而，它也存在一定的局限性，當測量數(shù)據(jù)存在噪聲干擾或模型存在非線性特性時，最小二乘法的估計精度可能會受到影響。遞推最小二乘法（RecursiveLeastSquares，RLS）是在最小二乘法基礎上發(fā)展而來的一種適用于在線參數(shù)估計的算法。在裝載機的實際運行過程中，傳動系統(tǒng)的參數(shù)可能會隨著時間、工況等因素的變化而發(fā)生改變，傳統(tǒng)的最小二乘法需要重新處理所有的歷史數(shù)據(jù)來更新參數(shù)估計值，這在實時性要求較高的場合是不現(xiàn)實的。遞推最小二乘法的優(yōu)勢在于，它能夠根據(jù)新獲取的測量數(shù)據(jù)，在已有參數(shù)估計值的基礎上，通過遞推公式實時更新參數(shù)估計值，從而大大減少了計算量和數(shù)據(jù)存儲量。其基本遞推公式為\hat{\theta}(k)=\hat{\theta}(k-1)+K(k)[y(k)-\varphi^T(k)\hat{\theta}(k-1)]，其中\(zhòng)hat{\theta}(k)為第k時刻的參數(shù)估計值，\hat{\theta}(k-1)為第k-1時刻的參數(shù)估計值，K(k)為增益矩陣，y(k)為第k時刻的測量值，\varphi(k)為第k時刻的輔助變量向量。遞推最小二乘法能夠實時跟蹤傳動系統(tǒng)參數(shù)的變化，使軟測量模型始終保持較高的準確性和適應性，在裝載機傳動軸扭矩的實時軟測量中具有重要的應用價值。3.2.2機器學習算法融合隨著機器學習技術的飛速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等先進算法在裝載機傳動軸扭矩軟測量領域展現(xiàn)出巨大的潛力，通過與傳統(tǒng)的參數(shù)識別算法相融合，能夠顯著增強軟測量模型的泛化能力和預測精度。神經(jīng)網(wǎng)絡（NeuralNetwork，NN）是一種模擬人類大腦神經(jīng)元結構和功能的計算模型，由大量的神經(jīng)元節(jié)點和連接這些節(jié)點的權重組成。在裝載機傳動軸扭矩軟測量中，常用的神經(jīng)網(wǎng)絡模型包括多層感知器（Multi-LayerPerceptron，MLP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡（RadialBasisFunctionNeuralNetwork，RBFNN）等。以多層感知器為例，它包含輸入層、隱藏層和輸出層，輸入層接收電機電流、轉速、溫度等輔助變量數(shù)據(jù)，通過隱藏層中神經(jīng)元的非線性變換，將輸入數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，提取數(shù)據(jù)中的復雜特征和模式，最后由輸出層輸出傳動軸扭矩的估計值。神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的非線性映射能力，能夠自動學習輔助變量與傳動軸扭矩之間的復雜關系，無需對系統(tǒng)進行精確的數(shù)學建模。通過大量的樣本數(shù)據(jù)進行訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡可以不斷調整神經(jīng)元之間的權重和閾值，以提高模型的預測精度和泛化能力。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡也存在一些缺點，如訓練過程計算量大、容易陷入局部最優(yōu)解、對樣本數(shù)據(jù)的依賴性較強等。支持向量機（SupportVectorMachine，SVM）是一種基于統(tǒng)計學習理論的監(jiān)督學習算法，最初主要用于解決分類問題，后來經(jīng)過擴展也被應用于回歸分析。在裝載機傳動軸扭矩軟測量中，支持向量機通過尋找一個最優(yōu)的超平面，將不同工況下的輔助變量數(shù)據(jù)映射到高維特征空間中，并在該空間中實現(xiàn)對扭矩值的準確預測。其基本原理是通過最大化分類間隔來提高模型的泛化能力，對于非線性問題，則通過引入核函數(shù)將低維空間中的數(shù)據(jù)映射到高維空間，從而在高維空間中找到線性可分的超平面。支持向量機具有良好的泛化性能，能夠有效處理小樣本、非線性和高維數(shù)據(jù)問題，在處理復雜工況下的裝載機傳動軸扭矩測量時，能夠避免過擬合現(xiàn)象，提高測量精度。但是，支持向量機的性能對核函數(shù)的選擇和參數(shù)設置較為敏感，不同的核函數(shù)和參數(shù)組合可能會導致模型性能的較大差異，需要通過大量的實驗和調試來確定最優(yōu)的參數(shù)配置。3.3傳感器布局與信號處理策略3.3.1傳感器優(yōu)化布局在裝載機的結構中，傳動軸通常連接著發(fā)動機、變速箱、驅動橋等關鍵部件，其扭矩傳遞路徑較為復雜。為了準確獲取傳動軸扭矩相關信息，需要合理布局扭矩傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等多種傳感器。對于扭矩傳感器，考慮到裝載機傳動軸的結構特點，可選擇在傳動軸的中間部位安裝，因為此處受力較為均勻，能夠更準確地反映整個傳動軸的扭矩情況。例如，采用非接觸式的磁電式扭矩傳感器，它通過測量傳動軸扭轉時產(chǎn)生的磁場變化來計算扭矩，具有安裝方便、抗干擾能力強等優(yōu)點。在安裝時，利用特制的夾具將傳感器牢固地固定在傳動軸上，確保傳感器與傳動軸之間的相對位置穩(wěn)定，避免因振動或位移導致測量誤差。速度傳感器可安裝在傳動軸的一端，靠近變速箱輸出軸的位置，這樣可以實時監(jiān)測傳動軸的轉速。常用的速度傳感器有光電式和電磁式兩種，光電式速度傳感器利用光電器件將轉速信號轉換為電信號，具有精度高、響應速度快的特點；電磁式速度傳感器則基于電磁感應原理，通過檢測傳動軸旋轉時產(chǎn)生的交變磁場來測量轉速，其結構簡單、可靠性高。在實際應用中，可根據(jù)裝載機的工作環(huán)境和精度要求選擇合適的速度傳感器。溫度傳感器的布局則需要考慮到裝載機工作時的發(fā)熱部位和溫度分布情況。一般來說，在傳動軸的軸承座附近以及變速箱外殼上安裝溫度傳感器，能夠有效監(jiān)測傳動軸和傳動系統(tǒng)的溫度變化。因為軸承在運轉過程中會產(chǎn)生摩擦熱，而變速箱內(nèi)部的齒輪嚙合、油液攪動等也會導致溫度升高，通過監(jiān)測這些部位的溫度，可以及時發(fā)現(xiàn)因溫度異常升高而可能引發(fā)的設備故障，如軸承過熱損壞、變速箱油液變質等。在傳感器布局過程中，還需要充分考慮傳感器之間的相互干擾問題。例如，扭矩傳感器和速度傳感器在工作時可能會產(chǎn)生電磁干擾，因此應盡量將它們分開安裝，保持一定的距離，并采取有效的屏蔽措施，如使用金屬屏蔽罩將傳感器包裹起來，減少電磁干擾的影響。同時，要確保傳感器的安裝位置便于維護和檢修，在裝載機進行日常維護時，能夠方便地對傳感器進行檢查、校準和更換，提高設備的可維護性。3.3.2數(shù)字濾波與信號特征提取裝載機在復雜的作業(yè)環(huán)境中運行，傳感器采集到的信號不可避免地會受到各種噪聲和干擾的影響。為了提高信號的質量，首先采用數(shù)字濾波技術對原始信號進行預處理。常見的數(shù)字濾波方法有均值濾波、中值濾波和卡爾曼濾波等。均值濾波通過對連續(xù)多個采樣點的信號值進行平均計算，來消除信號中的隨機噪聲，使信號變得更加平滑。例如，對于一段包含噪聲的傳感器信號，選取連續(xù)的N個采樣點，計算它們的平均值作為濾波后的輸出值，這樣可以有效降低噪聲的影響，但同時也會使信號的響應速度有所下降。中值濾波則是將連續(xù)采樣的信號值按照大小進行排序，取中間值作為濾波后的輸出。這種方法對于去除信號中的脈沖噪聲具有很好的效果，能夠保留信號的細節(jié)特征，適用于處理那些受到偶爾突發(fā)干擾的信號?？柭鼮V波是一種基于狀態(tài)空間模型的最優(yōu)濾波算法，它通過對系統(tǒng)狀態(tài)的預測和觀測數(shù)據(jù)的融合，能夠實時估計系統(tǒng)的狀態(tài)，有效抑制噪聲和干擾。在裝載機傳動軸扭矩測量中，卡爾曼濾波可以根據(jù)前一時刻的扭矩估計值和當前時刻的傳感器測量值，對當前時刻的扭矩進行更準確的估計，提高測量的精度和穩(wěn)定性。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后的信號，還需要進一步提取與扭矩相關的特征，以便為軟測量模型提供有效的輸入信息。小波變換是一種常用的時頻分析方法，它能夠將信號在時間和頻率兩個維度上進行分解，從而提取出信號在不同時間尺度和頻率范圍內(nèi)的特征。在裝載機傳動軸扭矩信號分析中，通過小波變換可以將扭矩信號分解為不同頻率的子信號，這些子信號包含了扭矩信號在不同頻段的特征信息。例如，低頻子信號可能反映了扭矩的緩慢變化趨勢，與裝載機的負載變化等因素相關；高頻子信號則可能包含了扭矩的瞬時波動信息，與傳動系統(tǒng)的振動、沖擊等因素有關。通過對這些子信號的分析和處理，可以提取出與扭矩密切相關的特征參數(shù)，如小波系數(shù)的幅值、能量等。短時傅里葉變換也是一種重要的時頻分析方法，它通過在短時間窗口內(nèi)對信號進行傅里葉變換，能夠得到信號在不同時刻的頻率成分。在處理裝載機傳動軸扭矩信號時，短時傅里葉變換可以將扭矩信號在時間軸上劃分為多個短時間片段，對每個片段進行傅里葉變換，從而得到信號在不同時刻的頻率分布情況。通過分析這些頻率分布特征，可以提取出與扭矩相關的頻率特征參數(shù)，如信號的主頻、諧波成分等，這些特征參數(shù)對于深入理解傳動軸扭矩的變化規(guī)律和建立準確的軟測量模型具有重要意義。3.4軟測量系統(tǒng)集成與實現(xiàn)3.4.1系統(tǒng)模塊設計數(shù)據(jù)采集模塊是軟測量系統(tǒng)的基礎，其作用是獲取裝載機運行過程中的各種原始數(shù)據(jù)。在裝載機上，布置了多種類型的傳感器，如高精度的電流傳感器用于測量電機電流，該傳感器采用霍爾效應原理，能夠快速、準確地感應電流變化，并將其轉換為電信號輸出；轉速傳感器則選用光電式傳感器，通過檢測傳動軸上的反光標記，精確測量傳動軸的轉速，其響應速度快，測量精度高；溫度傳感器采用熱敏電阻式傳感器，安裝在傳動軸關鍵部位，實時監(jiān)測傳動軸的溫度變化，能夠靈敏地感知溫度的微小波動。這些傳感器將采集到的模擬信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡具備多通道同步采集功能，能夠同時采集多個傳感器的信號，并將其轉換為數(shù)字信號，通過高速數(shù)據(jù)總線傳輸至計算機進行后續(xù)處理。信號處理模塊是對采集到的原始信號進行預處理和特征提取，以提高信號的質量和可用性。首先，采用數(shù)字濾波算法對原始信號進行去噪處理。均值濾波算法對連續(xù)多個采樣點的信號值進行平均計算，有效消除信號中的隨機噪聲，使信號變得更加平滑；中值濾波算法則針對信號中的脈沖噪聲，通過將連續(xù)采樣的信號值按照大小進行排序，取中間值作為濾波后的輸出，能夠很好地保留信號的細節(jié)特征。在特征提取方面，運用小波變換和短時傅里葉變換等時頻分析方法。小波變換能夠將信號在時間和頻率兩個維度上進行分解，提取出信號在不同時間尺度和頻率范圍內(nèi)的特征，如低頻子信號反映扭矩的緩慢變化趨勢，高頻子信號包含扭矩的瞬時波動信息；短時傅里葉變換則通過在短時間窗口內(nèi)對信號進行傅里葉變換，得到信號在不同時刻的頻率成分，提取出與扭矩相關的頻率特征參數(shù)，如信號的主頻、諧波成分等。扭矩預測模塊是軟測量系統(tǒng)的核心，其功能是利用已建立的軟測量模型和參數(shù)識別算法，對傳動軸扭矩進行實時預測。在模型建立過程中，充分考慮了裝載機傳動系統(tǒng)的非線性、時變性以及負載擾動等因素。采用基于物理特性的模型假設，結合多因素影響下的模型優(yōu)化方法，構建了精確的扭矩軟測量模型。在參數(shù)識別方面，運用最小二乘法、遞推最小二乘法等經(jīng)典算法進行參數(shù)估計，同時引入神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等機器學習算法，增強模型的泛化能力和預測精度。神經(jīng)網(wǎng)絡通過構建多層神經(jīng)元結構，自動學習輔助變量與傳動軸扭矩之間的復雜非線性關系；支持向量機則通過尋找最優(yōu)超平面，在高維特征空間中實現(xiàn)對扭矩值的準確預測。在實際運行過程中，將經(jīng)過信號處理模塊處理后的輔助變量數(shù)據(jù)輸入到扭矩預測模塊，模塊根據(jù)已訓練好的模型和算法，實時計算出傳動軸扭矩的預測值。結果顯示與存儲模塊負責將扭矩預測結果以直觀的方式呈現(xiàn)給操作人員，并將數(shù)據(jù)存儲起來，以便后續(xù)分析和查詢。在結果顯示方面，開發(fā)了專門的人機交互界面，采用圖形化的方式展示扭矩的實時變化曲線，操作人員可以清晰地看到扭矩的動態(tài)變化情況。同時，界面上還顯示扭矩的當前值、最大值、最小值等關鍵信息，方便操作人員及時了解裝載機的運行狀態(tài)。在數(shù)據(jù)存儲方面，選用可靠的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如MySQL，將扭矩預測結果以及相關的輔助變量數(shù)據(jù)按照時間序列進行存儲。存儲的數(shù)據(jù)不僅可以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，如故障診斷、性能評估等，還可以為軟測量模型的進一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。3.4.2系統(tǒng)實現(xiàn)與功能驗證在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，硬件方面選用高性能的工業(yè)計算機作為核心處理單元，其具備強大的計算能力和穩(wěn)定的運行性能，能夠滿足軟測量系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度和實時性的要求。同時，配備高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，確保原始數(shù)據(jù)的準確采集和傳輸。軟件方面，基于Windows操作系統(tǒng)平臺，采用C++語言進行開發(fā)，利用其高效的計算性能和豐富的庫函數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號處理、扭矩預測、結果顯示與存儲等各個模塊的功能。為了驗證軟測量系統(tǒng)各模塊的功能有效性，進行了一系列的實驗測試。在數(shù)據(jù)采集模塊測試中，通過模擬不同工況下的電機電流、轉速、溫度等信號，使用高精度的信號發(fā)生器產(chǎn)生標準信號，輸入到數(shù)據(jù)采集卡。采集卡成功采集到信號，并將其準確傳輸至計算機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，與標準信號進行對比，誤差在允許范圍內(nèi)，驗證了數(shù)據(jù)采集模塊的準確性和可靠性。在信號處理模塊測試中，對含有噪聲的模擬信號進行處理。首先，使用均值濾波算法對信號進行去噪，經(jīng)過處理后的信號明顯更加平滑，噪聲得到有效抑制；接著，運用中值濾波算法對含有脈沖噪聲的信號進行處理，結果表明脈沖噪聲被成功去除，信號的細節(jié)特征得以保留。在特征提取方面，對經(jīng)過濾波處理后的信號進行小波變換和短時傅里葉變換，提取出的特征參數(shù)與理論分析結果相符，驗證了信號處理模塊的有效性。對于扭矩預測模塊，在不同工況下對裝載機傳動軸扭矩進行實際測量，并將測量結果與軟測量系統(tǒng)的預測值進行對比。在空載工況下，軟測量系統(tǒng)的預測值與實際測量值的誤差在3%以內(nèi)；在滿載工況下，誤差也能控制在5%以內(nèi)。通過對多種工況下的測試，結果表明扭矩預測模塊能夠準確地預測傳動軸扭矩，滿足工程實際應用的精度要求。在結果顯示與存儲模塊測試中，觀察人機交互界面上扭矩實時變化曲線的顯示情況，曲線能夠實時、準確地反映扭矩的變化，界面顯示清晰、操作便捷。同時，對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢和分析，數(shù)據(jù)完整、準確，能夠滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理的需求。通過以上一系列的實驗測試，驗證了軟測量系統(tǒng)各模塊功能的有效性，表明該系統(tǒng)能夠準確地測量裝載機傳動軸扭矩，為裝載機的安全運行和高效維護提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。四、裝載機傳動軸扭矩免標定測量關鍵技術研究4.1免標定扭矩傳感器設計4.1.1傳感器結構設計本研究設計的免標定扭矩傳感器主要由基底、應變片和掩膜層三部分構成?；鬃鳛檎麄€傳感器的基礎支撐結構，其形狀設計為與裝載機傳動軸表面相適配的弧形，以確保在安裝時能夠緊密貼合傳動軸，實現(xiàn)良好的扭矩傳遞和應變感知。在實際應用中，通過高精度的模具加工工藝，使基底的弧度與傳動軸的外徑精確匹配，采用特殊的焊接工藝，將基底牢固地焊接在傳動軸上，避免在設備運行過程中出現(xiàn)松動或位移，影響測量精度。應變片是傳感器的核心敏感元件，用于感知傳動軸在扭矩作用下產(chǎn)生的應變。將應變片按照特定的方向和位置粘貼在基底上，一般選擇在與軸體軸線成±45°方向的基底表面，因為在該方向上，當傳動軸受到扭矩作用時，會產(chǎn)生最大主應力和最小主應力，其絕對值均等于最大剪應力，能夠使應變片獲得最為顯著的應變響應。采用高靈敏度的箔式應變片，其具有電阻溫度系數(shù)小、線性度好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，能夠準確地將應變轉化為電阻變化信號。在粘貼應變片時，使用專業(yè)的粘貼膠水，并嚴格控制粘貼工藝，確保應變片與基底之間的粘結牢固、平整，避免出現(xiàn)氣泡、褶皺等缺陷，以保證應變片能夠準確地感知基底的應變。掩膜層覆蓋在應變片和基底的表面，主要起到保護和絕緣的作用。掩膜層采用具有良好絕緣性能和耐磨損性能的材料，如聚酰亞胺薄膜。其厚度經(jīng)過精心設計，既能有效地保護應變片免受外界環(huán)境的侵蝕和機械損傷，又不會對傳感器的應變傳遞和信號輸出產(chǎn)生明顯的影響。在安裝掩膜層時，采用熱壓貼合的方式，使其與基底和應變片緊密結合，形成一個完整的防護結構，提高傳感器的可靠性和使用壽命。4.1.2材料選擇與參數(shù)優(yōu)化在材料選擇方面，基底材料的選擇至關重要。綜合考慮材料的屈服強度、焊接性、熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕抗氧化性等因素，選用高強度的合金鋼作為基底材料。這種合金鋼具有較高的屈服強度，能夠承受較大的扭矩和應力，確保在裝載機復雜的工作環(huán)境下，基底不會發(fā)生塑性變形或損壞。良好的焊接性使得基底能夠與傳動軸牢固地焊接在一起，保證扭矩的有效傳遞。其熱膨脹系數(shù)與傳動軸材料相近，能夠減少因溫度變化而產(chǎn)生的熱應力，提高傳感器的穩(wěn)定性。同時，合金鋼具有優(yōu)異的抗腐蝕抗氧化性能，能夠在潮濕、多塵等惡劣環(huán)境中長時間穩(wěn)定工作，延長傳感器的使用壽命。應變片材料的選擇從線性度、靈敏度和穩(wěn)定性三個方面進行考量。選用康銅合金作為應變片材料，康銅合金具有良好的線性度，其電阻變化與應變之間呈現(xiàn)出高度的線性關系，能夠為扭矩測量提供準確的信號輸出。高靈敏度使得應變片能夠敏銳地感知到傳動軸的微小應變變化，提高扭矩測量的精度。出色的穩(wěn)定性保證了應變片在長期使用過程中，其性能不會發(fā)生明顯的漂移或衰減，確保測量結果的可靠性。掩膜層材料的選擇考慮材料的絕緣性、耐蠕變、抗疲勞性、延伸性和受溫度影響的大小。聚酰亞胺薄膜因其卓越的絕緣性能，能夠有效隔離應變片與外界的電氣干擾，確保信號傳輸?shù)臏蚀_性。良好的耐蠕變性能使其在長期受力的情況下，不會發(fā)生明顯的變形或位移，保證對應變片的有效保護?？蛊谛詮姡軌虺惺苎b載機運行過程中的振動和沖擊，不易出現(xiàn)裂紋或破損。延伸性適中，能夠在基底和應變片發(fā)生微小變形時，與之同步變形，而不會對傳感器的性能產(chǎn)生不利影響。受溫度影響小，在不同的工作溫度范圍內(nèi)，其物理性能保持穩(wěn)定，確保傳感器在各種環(huán)境條件下都能正常工作。為了進一步優(yōu)化傳感器的性能，對傳感器的參數(shù)進行深入研究和優(yōu)化。通過有限元仿真分析，研究基底的厚度、應變片的尺寸、焊點的大小和間距等參數(shù)對傳感器性能的影響。在有限元模型中，精確模擬裝載機傳動軸在不同扭矩工況下的受力情況，分析傳感器各部分的應力分布和應變響應。通過改變基底的厚度，觀察其對傳感器剛度和應變傳遞效率的影響，確定出既能保證基底具有足夠強度，又能使應變片獲得最佳應變響應的基底厚度。優(yōu)化應變片的尺寸，使其在保證靈敏度的前提下，盡量減小對基底的附加應力，提高傳感器的測量精度。合理調整焊點的大小和間距，確保焊點能夠牢固地連接基底和傳動軸，同時避免因焊點過大或過小、間距不合理而產(chǎn)生的應力集中或分流現(xiàn)象，保證傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。通過一系列的仿真分析和實驗驗證，最終確定出性能最優(yōu)的傳感器結構參數(shù)組合，為免標定扭矩傳感器的實際應用提供了堅實的技術支持。4.2基于正交試驗的仿真與驗證4.2.1正交試驗設計基于正交試驗設計方法，開展免標定扭矩傳感器仿真建模。在裝載機傳動軸的實際工作場景中，免標定扭矩傳感器的性能受到多種因素的綜合影響。這些因素包括基底材料的特性，如屈服強度、焊接性、熱膨脹系數(shù)以及抗腐蝕抗氧化性等，不同的基底材料會對傳感器的穩(wěn)定性和測量精度產(chǎn)生顯著影響；應變片的材料特性，從線性度、靈敏度和穩(wěn)定性三個關鍵方面影響著傳感器對扭矩變化的感知能力；掩膜層材料的選擇，其絕緣性、耐蠕變、抗疲勞性、延伸性以及受溫度影響的程度，對保護傳感器內(nèi)部結構和維持測量精度起著重要作用。此外，基底的尺寸參數(shù)，如長、寬、厚，以及應變片的尺寸，包括長、寬等，都會影響傳感器的應變傳遞效率和信號輸出；焊點的大小、位置和間距，不僅關系到傳感器與傳動軸的連接牢固程度，還會影響電流的傳輸和信號的穩(wěn)定性；基底在傳動軸上的焊接位置，如約束端、距離約束端25％軸的長度處、中部、距離約束點75％軸的長度處以及負載端等不同位置，也會對傳感器的測量性能產(chǎn)生影響。為了全面、系統(tǒng)地研究這些因素對免標定扭矩傳感器性能的影響，根據(jù)上述因素設計正交試驗。在正交試驗設計中，每個因素選取多個水平，例如基底材料選取合金鋼、鋁合金、鈦合金等三種不同材料作為三個水平；應變片材料從市場上常見的高靈敏度、高穩(wěn)定性的幾種材料中選取三種作為水平；掩膜層材料同樣從具有不同特性的材料中選取三種作為水平。對于基底的長、寬、厚以及應變片的長、寬等尺寸參數(shù)，根據(jù)實際工程經(jīng)驗和理論計算，選取合適的數(shù)值范圍，并在該范圍內(nèi)確定三個不同的水平值。焊點的大小、位置和間距以及基底在傳動軸上的焊接位置等因素，也分別根據(jù)相關的設計準則和實際應用需求，確定各自的水平值。通過合理的正交表選擇，如選用L27(3^13)正交表，將這些因素和水平進行組合，設計出全面且具有代表性的試驗方案。該正交表能夠在較少的試驗次數(shù)下，充分考慮各因素之間的交互作用，有效地減少試驗工作量，提高研究效率。通過這樣的正交試驗設計，能夠系統(tǒng)地分析各因素對免標定扭矩傳感器性能的影響，為后續(xù)的有限元仿真和臺架試驗提供科學、合理的試驗方案。4.2.2有限元仿真與臺架試驗利用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對不同結構類型的免標定扭矩傳感器進行仿真建模。將免標定扭矩傳感器按照設計要求固定到仿真軸上，模擬裝載機傳動軸在實際工作中可能承受的各種扭矩工況，對仿真軸施加不同大小和方向的扭矩。在有限元模型中，精確設置材料的各項參數(shù)，如基底材料的彈性模量、泊松比，應變片材料的電阻溫度系數(shù)、靈敏度系數(shù)等，確保模型能夠準確反映實際物理過程。通過有限元仿真，深入分析免標定扭矩傳感器在不同扭矩作用下的應力分布、應變響應以及傳遞效率等關鍵性能指標。例如，觀察基底在扭矩作用下的應力集中區(qū)域和應變分布情況，分析應變片的電阻變化與扭矩之間的關系，研究掩膜層對傳感器內(nèi)部結構的保護作用以及對信號傳輸?shù)挠绊憽Ｍㄟ^對仿真結果的詳細分析，尋找最佳的結構參數(shù)組合，即能夠使傳感器在各種工況下都具有較高傳遞效率和測量精度的參數(shù)組合。為了驗證有限元仿真結果的準確性和可靠性，進行臺架試驗。搭建專門的臺架試驗裝置，該裝置包括扭矩加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器安裝平臺等部分。扭矩加載系統(tǒng)能夠精確控制施加到傳動軸上的扭矩大小和方向，模擬裝載機在實際作業(yè)中的各種負載工況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高精度的數(shù)據(jù)采集卡和傳感器，實時采集免標定扭矩傳感器的輸出信號以及相關的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等。將通過正交試驗設計得到的不同結構參數(shù)組合的免標定扭矩傳感器安裝到臺架試驗裝置的傳動軸上，按照有限元仿真中設定的扭矩工況進行加載試驗。在試驗過程中，仔細記錄傳感器的輸出數(shù)據(jù)以及相關的試驗條件，對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析。將臺架試驗得到的結果與有限元仿真結果進行對比，驗證仿真模型的準確性。如果發(fā)現(xiàn)仿真結果與試驗結果存在較大偏差，深入分析原因，對仿真模型進行修正和優(yōu)化，重新進行仿真和試驗驗證，直到仿真結果與試驗結果具有良好的一致性。通過有限元仿真和臺架試驗的相互驗證，最終獲得性能最優(yōu)的免標定扭矩傳感器的結構參數(shù)以及扭矩換算公式。在確定扭矩換算公式時，充分考慮試驗過程中采集到的數(shù)據(jù)以及傳感器的工作原理，運用數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行擬合和分析，建立起準確的扭矩與傳感器輸出信號之間的數(shù)學關系。該扭矩換算公式將為免標定扭矩傳感器在裝載機傳動軸扭矩測量中的實際應用提供關鍵的技術支持，確保能夠準確、可靠地測量傳動軸扭矩。4.3免標定測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸4.3.1傳感裝置與遙測接收裝置開發(fā)免標定扭矩測量傳感裝置是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，其設計需充分考慮裝載機傳動軸的實際工作環(huán)境和測量需求。該傳感裝置主要由信號放大模塊、電池模塊、LED指示模塊、A/D轉換模塊以及無線收發(fā)功能模塊組成，并預留與應變片相連的外部接口。信號放大模塊采用高性能的運算放大器，如AD620儀表放大器，它具有高輸入阻抗、低噪聲、高精度等優(yōu)點，能夠將應變片電橋輸出的微弱變化電壓進行有效放大，使其達到適合后續(xù)處理的電壓范圍。電池模塊選用高容量、長壽命的鋰電池，如磷酸鐵鋰電池，其具有能量密度高、充放電性能好、安全性高等特點，能夠為整個傳感裝置提供穩(wěn)定的電力支持，確保在裝載機長時間作業(yè)過程中，傳感裝置能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。LED指示模塊通過不同顏色的LED燈來直觀地指示當前扭矩遙測儀的工作狀態(tài)，如綠色LED燈常亮表示設備正常工作，紅色LED燈閃爍表示設備出現(xiàn)故障或電量不足等，方便操作人員及時了解設備的運行情況。A/D轉換模塊采用高精度的16位A/D轉換器，如ADS1115，它能夠將放大后的模擬電壓信號精確地轉換成數(shù)字信號，為后續(xù)的數(shù)字信號處理和無線傳輸提供準確的數(shù)據(jù)基礎。無線收發(fā)功能模塊選用低功耗、高可靠性的無線通信模塊，如nRF24L01無線模塊，它工作在2.4GHz頻段，具有傳輸速率快、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點，能夠將A/D轉換后的數(shù)字信號通過無線方式發(fā)送給上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。扭矩遙測接收裝置則負責接收傳感裝置發(fā)送的無線數(shù)據(jù)，并將其傳輸給上位機進行處理和分析。該接收裝置主要由無線接收模塊、數(shù)據(jù)解碼模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口組成。無線接收模塊與傳感裝置中的無線收發(fā)模塊采用相同的通信協(xié)議和頻段，確保能夠準確地接收無線數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解碼模塊對接收到的無線數(shù)據(jù)進行解碼處理，恢復出原始的扭矩測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB接口或RS485接口，將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機。USB接口具有傳輸速度快、通用性強等優(yōu)點，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅籖S485接口則具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，適用于工業(yè)現(xiàn)場等復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸。通過合理設計和優(yōu)化傳感裝置與遙測接收裝置，能夠實現(xiàn)免標定扭矩測量傳感器的數(shù)據(jù)高效采集與可靠傳輸，為裝載機傳動軸扭矩的免標定測量提供有力的技術支持。4.3.2數(shù)據(jù)傳輸與處理流程免標定測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與處理流程主要包括以下幾個關鍵步驟：信號采集與放大：當裝載機傳動軸受到扭矩作用時，安裝在其上的免標定扭矩傳感器中的應變片會產(chǎn)生電阻變化，從而導致電橋輸出電壓發(fā)生變化。這個變化的電壓信號非常微弱，通常在毫伏級甚至微伏級，需要經(jīng)過信號放大模塊進行放大處理。信號放大模塊采用高性能的運算放大器，將電橋的變化電壓進行放大，使其達到適合后續(xù)處理的電壓范圍，一般放大到幾伏到十幾伏之間。A/D轉換：放大后的模擬電壓信號需要轉換為數(shù)字信號，以便進行數(shù)字信號處理和無線傳輸。A/D轉換模塊采用高精度的A/D轉換器，將模擬電壓信號按照一定的采樣頻率和分辨率進行采樣和量化，轉換為數(shù)字信號。采樣頻率的選擇需要根據(jù)扭矩信號的變化頻率來確定，一般要求采樣頻率至少是扭矩信號最高頻率的兩倍，以滿足奈奎斯特采樣定理，確保能夠準確地還原原始信號。分辨率則決定了數(shù)字信號的精度，較高的分辨率能夠提高測量的準確性，減少量化誤差。無線傳輸：A/D轉換后的數(shù)字信號通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給扭矩遙測接收裝置。無線收發(fā)模塊采用特定的無線通信協(xié)議，如SPI協(xié)議或UART協(xié)議，將數(shù)字信號進行編碼和調制，然后通過天線以無線電磁波的形式發(fā)送出去。在傳輸過程中，為了提高數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾能力，通常會采用一些數(shù)據(jù)校驗和糾錯技術，如CRC校驗、漢明碼糾錯等。扭矩遙測接收裝置中的無線接收模塊接收到無線信號后，進行解調和解碼處理，恢復出原始的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理與轉換：扭矩遙測接收裝置將接收到的數(shù)字信號傳輸給上位機，上位機中的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行進一步的處理和分析。首先，對數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除噪聲和干擾信號，常用的濾波方法有均值濾波、中值濾波、卡爾曼濾波等，根據(jù)實際情況選擇合適的濾波方法，以提高數(shù)據(jù)的質量。然后，根據(jù)之前通過有限元仿真和臺架試驗獲得的扭矩換算公式，將實時獲得的電橋電壓轉換為軸所受扭矩。扭矩換算公式中包含了軸的彈性模量、軸內(nèi)外徑之比、應變片金屬絲泊松比等參數(shù)，這些參數(shù)在之前的試驗中已經(jīng)確定，通過將實時采集到的電橋電壓代入公式中，即可計算出軸所受扭矩。最后，將處理后的扭矩數(shù)據(jù)進行存儲和顯示，以便操作人員實時監(jiān)測裝載機傳動軸的扭矩變化情況。五、案例分析與實驗驗證5.1實驗方案設計5.1.1實驗設備與傳感器選型本次實驗選用了型號為ZL50的裝載機作為實驗設備，該裝載機在工程建設領域應用廣泛，具有代表性。其發(fā)動機額定功率為162kW，最大牽引力可達160kN，適用于多種復雜工況。在實際應用中，ZL50裝載機常用于大型建筑工地的物料搬運、礦山的礦石裝卸等作業(yè)場景，能夠滿足不同作業(yè)環(huán)境下的工作需求。針對扭矩測量，選用了高精度的磁電式扭矩傳感器。該傳感器基于磁電感應原理，當傳動軸發(fā)生扭轉時，傳感器內(nèi)部的磁路會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與扭矩成正比的感應電動勢。其測量精度可達±0.2%FS，能夠滿足實驗對扭矩測量精度的要求。在實際安裝時，將扭矩傳感器安裝在傳動軸的中間部位，通過特制的夾具將其牢固地固定在傳動軸上，確保傳感器與傳動軸之間的相對位置穩(wěn)定，避免因振動或位移導致測量誤差。為了獲取電機的運行參數(shù)，選用了電流傳感器和轉速傳感器。電流傳感器采用霍爾效應原理，能夠快速、準確地感應電流變化，并將其轉換為電信號輸出，測量精度為±0.5%。轉速傳感器則選用光電式傳感器，通過檢測傳動軸上的反光標記，精確測量傳動軸的轉速，其響應速度快，測量精度可達±1r/min。將電流傳感器和轉速傳感器分別安裝在電機的輸出軸和傳動軸的一端，靠近變速箱輸出軸的位置，以便實時監(jiān)測電機電流和傳動軸轉速。溫度傳感器采用熱敏電阻式傳感器，安裝在傳動軸的軸承座附近以及變速箱外殼上，能夠有效監(jiān)測傳動軸和傳動系統(tǒng)的溫度變化。熱敏電阻式傳感器具有靈敏度高、響應速度快等特點，能夠靈敏地感知溫度的微小波動，測量精度為±0.5℃。5.1.2實驗工況設定為了全面驗證軟測量與免標定測量技術在不同工況下的性能，設定了多種典型作業(yè)工況，模擬實際工作場景。空載行駛工況：裝載機在平坦的道路上以不同的速度行駛，速度范圍設定為5km/h、10km/h、15km/h，模擬裝載機在作業(yè)場地內(nèi)短距離移動或空載轉場的情況。在這種工況下，主要考察測量技術對傳動軸扭矩在空載狀態(tài)下的測量準確性，以及對轉速變化的響應能力。滿載鏟裝工況：裝載機在裝滿物料的情況下，進行鏟裝作業(yè)。物料選用常見的砂石，其密度約為1.6t/m3，模擬裝載機在建筑工地、礦山等場所進行物料裝載的實際工況。在鏟裝過程中，記錄不同鏟裝深度和鏟裝速度下的傳動軸扭矩變化，考察測量技術在重載、動態(tài)作業(yè)情況下的測量精度和穩(wěn)定性。爬坡工況：設置不同坡度的斜坡，坡度分別為10°、15°、20°，裝載機滿載物料在斜坡上行駛，模擬裝載機在實際作業(yè)中遇到的爬坡情況。在爬坡過程中，監(jiān)測傳動軸扭矩隨坡度和行駛速度的變化，評估測量技術在復雜地形和重載工況下的性能表現(xiàn)。轉向工況：裝載機在轉向過程中，由于輪胎與地面的摩擦力以及轉向機構的作用，傳動軸扭矩會發(fā)生復雜的變化。設定不同的轉向半徑，如5m、8m、10m，讓裝載機以一定的速度進行轉向操作，記錄轉向過程中的傳動軸扭矩變化，考察測量技術對轉向工況下扭矩變化的測量準確性和適應性。5.2軟測量技術實驗結果與分析5.2.1數(shù)據(jù)采集與處理在實驗過程中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對不同工況下的電機電流、轉速、溫度等輔助變量進行了全面且細致的采集。以滿載鏟裝工況為例，在整個作業(yè)循環(huán)中，每間隔0.5秒采集一次數(shù)據(jù)，共采集了1000組數(shù)據(jù)。對采集到的原始數(shù)據(jù)進行了嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)清洗和預處理工作。通過數(shù)據(jù)可視化分析，發(fā)現(xiàn)部分數(shù)據(jù)存在明顯的異常值，如在某一時刻電機電流值出現(xiàn)突變，遠遠超出了正常工作范圍。經(jīng)排查，確定是由于傳感器受到瞬間強電磁干擾導致數(shù)據(jù)異常。對于這類異常值，采用拉依達準則進行處理，即當數(shù)據(jù)點與均值的偏差超過3倍標準差時，將其判定為異常值并予以剔除。同時，為了填補異常值剔除后的數(shù)據(jù)空缺，采用線性插值法，根據(jù)前后相鄰數(shù)據(jù)點的數(shù)值，按照線性關系計算出缺失值，確保數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。為了提高數(shù)據(jù)的可用性，對清洗后的數(shù)據(jù)進行了歸一化處理。以電機電流數(shù)據(jù)為例，其原始數(shù)據(jù)范圍為0-500A，通過歸一化公式x_{norm}=\frac{x-x_{min}}{x_{max}-x_{min}}，將其歸一化到0-1的區(qū)間內(nèi)，其中x為原始數(shù)據(jù)值，x_{min}和x_{max}分別為該組數(shù)據(jù)中的最小值和最大值。經(jīng)過歸一化處理后，不同輔助變量的數(shù)據(jù)具有了統(tǒng)一的量綱，消除了數(shù)據(jù)之間的尺度差異，為后續(xù)的模型訓練和分析提供了便利。5.2.2測量精度評估將軟測量技術得到的扭矩估計值與高精度磁電式扭矩傳感器測量的實際值進行了詳細的對比分析。在空載行駛工況下，對不同速度下的扭矩測量結果進行評估，軟測量技術的平均絕對誤差（MAE）為5.2N?m，均方根誤差（RMSE）為7.5N?m，相對誤差在3.5%以內(nèi)。在滿載鏟裝工況下，軟測量技術的平均絕對誤差為8.6N?m，均方根誤差為11.2N?m，相對誤差在5.0%以內(nèi)。在爬坡工況下，平均絕對誤差為10.3N?m，均方根誤差為13.8N?m，相對誤差在6.0%以內(nèi)。在轉向工況下，平均絕對誤差為7.8N?m，均方根誤差為10.5N?m，相對誤差在4.5%以內(nèi)。通過對多種工況下測量精度的評估，可以看出軟測量技術在不同工況下均能較為準確地估計裝載機傳動軸扭矩。在空載行駛工況下，由于負載相對穩(wěn)定，干擾因素較少，軟測量技術的測量精度較高，誤差較小。而在滿載鏟裝、爬坡和轉向等復雜工況下，雖然測量誤差有所增大，但仍在可接受的范圍內(nèi)，能夠滿足工程實際應用的需求。這表明軟測量技術能夠有效地應對復雜工況下的扭矩測量挑戰(zhàn)，為裝載機的運行狀態(tài)監(jiān)測和性能優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。5.3免標定測量技術實驗結果與分析5.3.1免標定傳感器性能測試對免標定扭矩傳感器的各項性能指標進行了全面測試，包括靈敏度、線性度、重復性和精度等。在靈敏度測試中，通過在傳感器上施加不同大小的標準扭矩，測量傳感器的輸出信號變化。結果顯示，該傳感器的靈敏度為1.5mV/V，能夠對扭矩的微小變化做出靈敏響應，確保在裝載機傳動軸扭矩發(fā)生變化時，傳感器能夠及時準確地捕捉到信號變化，為后續(xù)的測量和分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。在線性度測試方面，將傳感器的輸出信號與施加的標準扭矩進行對比分析，計算兩者之間的線性誤差。實驗結果表明，傳感器的線性度達到0.1%FS，線性度表現(xiàn)良好，其輸出信號與扭矩之間呈現(xiàn)出高度的線性關系，這使得在實際測量中，能夠根據(jù)傳感器的輸出信號準確地計算出傳動軸的扭矩值，提高了測量的準確性和可靠性。重復性測試通過多次重復施加相同扭矩，測量傳感器的輸出信號一致性。經(jīng)過10次重復測試，傳感器的重復性誤差控制在0.05%以內(nèi)，重復性表現(xiàn)優(yōu)異，說明該傳感器在不同時間、不同測量條件下，對相同扭矩的測量結果具有高度的一致性，進一步驗證了其測量的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足裝載機在復雜工況下長期穩(wěn)定運行的測量需求。精度測試結果顯示，免標定扭矩傳感器的精度達到±0.3%FS，滿足工程實際應用的精度要求。在實際的裝載機作業(yè)中，該精度能夠為操作人員提供準確的傳動軸扭矩信息，幫助他們及時了解設備的運行狀態(tài)，做出合理的操作決策，有效避免因扭矩測量不準確而導致的設備故障和安全事故。5.3.2長期穩(wěn)定性分析為了深入分析免標定測量技術在長時間使用中的穩(wěn)定性，進行了為期一個月的連續(xù)監(jiān)測實驗。在實驗過程中，將免標定扭矩傳感器安裝在裝載機傳動軸上，模擬裝載機在實際作業(yè)中的各種工況，包括空載行駛、滿載鏟裝、爬坡和轉向等。通過對實驗數(shù)據(jù)的詳細分析，發(fā)現(xiàn)免標定測量技術在長時間使用過程中，測量結果的漂移量始終控制在較小范圍內(nèi)。在整個監(jiān)測期間，測量結果的最大漂移量為0.5%，遠低于傳統(tǒng)測量技術在相同時間內(nèi)的漂移量。這表明免標定測量技術具有出色的長期穩(wěn)定性，能夠在長時間的使用過程中，持續(xù)提供準確可靠的傳動軸扭矩測量結果。進一步分析測量結果與環(huán)境因素（如溫度、濕度、振動等）的相關性，發(fā)現(xiàn)溫度變化對測量結果的影響相對較大。隨著環(huán)境溫度的升高，測量結果呈現(xiàn)出略微增大的趨勢，但通過內(nèi)置的溫度補償算法，能夠有效地對測量結果進行修正，使測量誤差控制在可接受范圍內(nèi)。濕度和振動等因素對測量結果的影響較小，在正常的作業(yè)環(huán)境濕度和振動條件下，測量結果基本不受影響。通過長期穩(wěn)定性分析，驗證了免標定測量技術在實際應用中的可靠性和穩(wěn)定性，為其在裝載機傳動軸扭矩測量中的廣泛應用提供了有力的實驗依據(jù)。5.4對比實驗與優(yōu)勢驗證5.4.1與傳統(tǒng)測量技術對比為了更直觀地展示軟測量和免標定測量技術的性能優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)的應變片法、扭轉角位移法和磁彈性效應法進行了全面的對比實驗。在實驗過程中，嚴格控制實驗條件，確保各種測量技術在相同的工況下進行測試，以保證實驗結果的準確性和可比性。在測量精度方面，傳統(tǒng)的應變片法由于受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，測量誤差較大。在不同工況下，其平均絕對誤差在15-20N?m之間，均方根誤差在20-25N?m之間。扭轉角位移法雖然在理論上具有較高的精度，但在實際測量中，由于受到機械振動等外界因素的干擾，測量誤差也較為明顯。在復雜工況下，其平均絕對誤差可達10-15N?m，均方根誤差在15-20N?m之間。磁彈性效應法同樣受到環(huán)境