裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量革新：軟測(cè)量與免標(biāo)定技術(shù)的深度探索

一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代化的工程建設(shè)領(lǐng)域，裝載機(jī)作為關(guān)鍵的土石方施工機(jī)械，承擔(dān)著物料搬運(yùn)、場地平整、土方裝卸等多種繁重任務(wù)，其高效穩(wěn)定的運(yùn)行直接關(guān)系到工程的進(jìn)度與質(zhì)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(zhuǎn)的倉儲(chǔ)中心，裝載機(jī)的身影無處不在，憑借其強(qiáng)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(shè)備。傳動(dòng)軸作為裝載機(jī)動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的核心部件，如同人體的“經(jīng)絡(luò)”，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力高效地傳遞至各個(gè)工作裝置，保障裝載機(jī)的正常運(yùn)行。而傳動(dòng)軸扭矩這一參數(shù)，宛如裝載機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的“晴雨表”，精確測(cè)量其扭矩?cái)?shù)值具有多方面的重要意義。在設(shè)備操作安全層面，實(shí)時(shí)掌握傳動(dòng)軸扭矩能夠?yàn)椴僮魅藛T提供關(guān)鍵的決策依據(jù)。當(dāng)扭矩?cái)?shù)值超出正常范圍時(shí)，預(yù)示著傳動(dòng)系統(tǒng)可能面臨過載風(fēng)險(xiǎn)，如不及時(shí)采取措施，可能導(dǎo)致傳動(dòng)軸斷裂、齒輪磨損、軸承損壞等嚴(yán)重故障，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備停機(jī)，甚至危及操作人員的生命安全。通過精準(zhǔn)測(cè)量扭矩，操作人員可以及時(shí)調(diào)整作業(yè)方式，避免危險(xiǎn)工況的發(fā)生，確保設(shè)備和人員的安全。從維護(hù)保養(yǎng)角度出發(fā)，準(zhǔn)確的扭矩?cái)?shù)據(jù)有助于維修人員深入了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，提前預(yù)判潛在的故障隱患。定期監(jiān)測(cè)扭矩變化趨勢(shì)，能夠?yàn)樵O(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)，合理安排維修計(jì)劃，避免因設(shè)備突發(fā)故障而造成的生產(chǎn)延誤和經(jīng)濟(jì)損失。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)扭矩波動(dòng)異常時(shí)，維修人員可以針對(duì)性地檢查傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件，及時(shí)更換磨損的零件，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，從而延長設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。在能效評(píng)估方面，傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量為評(píng)估裝載機(jī)的能源利用效率提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。通過分析扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗之間的關(guān)系，工程師可以優(yōu)化裝載機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配，改進(jìn)控制策略，提高能源利用效率，降低燃油消耗和排放，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的綠色、可持續(xù)運(yùn)行。然而，傳統(tǒng)的裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)主要依賴于傳感器標(biāo)定方法，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中暴露出諸多局限性。標(biāo)定過程繁瑣復(fù)雜，需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)人員，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本；而且對(duì)環(huán)境變化極為敏感，溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境因素的微小波動(dòng)都可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差；同時(shí)，傳統(tǒng)方法易受外界干擾，在復(fù)雜的工程作業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)等干擾源會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度；此外，傳統(tǒng)方法無法根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)量參數(shù)，難以滿足現(xiàn)代工程對(duì)高精度、實(shí)時(shí)性和可靠性的嚴(yán)格要求。因此，開發(fā)一種新型的裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量與免標(biāo)定測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)迫在眉睫，這對(duì)于提升裝載機(jī)的性能、保障設(shè)備安全、降低維護(hù)成本以及推動(dòng)工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)長期占據(jù)主導(dǎo)地位。早期，應(yīng)變片法憑借其原理簡單、成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，成為較為常用的測(cè)量方式。如在20世紀(jì)中期，相關(guān)研究就圍繞在傳動(dòng)軸上粘貼應(yīng)變片展開，通過測(cè)量軸扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)變片產(chǎn)生的與扭矩成正比的電阻變化，進(jìn)而計(jì)算出扭矩值。然而，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中逐漸暴露出諸多問題，如應(yīng)變片易受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，且粘貼工藝復(fù)雜，對(duì)操作人員技術(shù)要求較高。隨著科技的不斷進(jìn)步，扭轉(zhuǎn)角位移法應(yīng)運(yùn)而生。該方法利用扭轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)角度，再依據(jù)材料扭轉(zhuǎn)彈性模量和軸的幾何尺寸計(jì)算扭矩。在一些對(duì)測(cè)量精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域，如航空航天相關(guān)設(shè)備的傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中，扭轉(zhuǎn)角位移法得到了一定應(yīng)用。但它也存在局限性，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸緊湊的裝載機(jī)傳動(dòng)軸，安裝扭轉(zhuǎn)傳感器存在困難，且測(cè)量過程中易受機(jī)械振動(dòng)干擾，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。磁彈性效應(yīng)法也是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)中的重要一員。其基于磁彈性效應(yīng)，當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，通過測(cè)量磁導(dǎo)率變化來計(jì)算扭矩。在大型礦山機(jī)械的傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中，磁彈性效應(yīng)法有過應(yīng)用實(shí)例。但該方法對(duì)傳動(dòng)軸的材料有特殊要求，必須是鐵磁材料，限制了其應(yīng)用范圍，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有待提高。近年來，隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)不斷涌現(xiàn)。軟測(cè)量技術(shù)作為其中的代表，受到了廣泛關(guān)注。它基于生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)測(cè)量和在線分析，通過構(gòu)建與扭矩相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，利用易于測(cè)量的輔助變量（如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等）來估計(jì)扭矩值。國外在軟測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用方面起步較早，一些知名高校和科研機(jī)構(gòu)，如美國麻省理工學(xué)院、德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)等，在軟測(cè)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的物理特性和工作原理，結(jié)合先進(jìn)的算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)算法等，提高了軟測(cè)量模型的準(zhǔn)確性和泛化能力。國內(nèi)在軟測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域也緊跟國際步伐，眾多高校和科研院所積極開展相關(guān)研究。例如，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)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(luò)的測(cè)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(guān)聯(lián)信息，有效提高了扭矩測(cè)量的精度和可靠性；浙江大學(xué)則在軟測(cè)量模型的實(shí)時(shí)更新和自適應(yīng)調(diào)整方面進(jìn)行了深入研究，提出了基于在線學(xué)習(xí)算法的模型更新策略，使軟測(cè)量系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工況。免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)作為另一種新型測(cè)量技術(shù)，也成為研究熱點(diǎn)。國外一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)致力于開發(fā)具有自校準(zhǔn)、自適應(yīng)能力的免標(biāo)定測(cè)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(yīng)算法的免標(biāo)定扭矩測(cè)量裝置，能夠?qū)崟r(shí)校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)環(huán)境變化和設(shè)備老化自動(dòng)調(diào)整測(cè)量模型，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。國內(nèi)在免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)方面也取得了顯著進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員通過改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法，設(shè)計(jì)出一種具有高抗干擾能力的免標(biāo)定扭矩傳感器，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的測(cè)量性能；重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則將人工智能技術(shù)應(yīng)用于免標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量模型的自動(dòng)優(yōu)化和調(diào)整，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性?？傮w而言，國內(nèi)外在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)方面都取得了一定的研究成果。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)雖然存在局限性，但在一些特定場景下仍有應(yīng)用；新型的軟測(cè)量技術(shù)和免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力，為裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)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(cè)量模型的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高，免標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性還需優(yōu)化，未來需要進(jìn)一步深入研究，以推動(dòng)裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在攻克裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中的關(guān)鍵難題，通過對(duì)軟測(cè)量與免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)的深入探索，實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的顯著提升，確保測(cè)量誤差控制在極小范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)代工程對(duì)高精度扭矩測(cè)量的嚴(yán)格要求。同時(shí)，致力于簡化測(cè)量流程，降低測(cè)量過程的復(fù)雜性和成本，減少對(duì)專業(yè)設(shè)備和技術(shù)人員的依賴，提高測(cè)量系統(tǒng)的易用性和可操作性。此外，通過創(chuàng)新的技術(shù)手段，增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能夠在復(fù)雜多變的工程環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，為裝載機(jī)的安全操作、高效維護(hù)和能效優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在軟測(cè)量技術(shù)方面，本研究的創(chuàng)新之處在于構(gòu)建了一種融合多源數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型充分考慮了裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜特性，不僅綜合利用電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等常規(guī)輔助變量，還創(chuàng)新性地引入了振動(dòng)信號(hào)、壓力信號(hào)等多維度數(shù)據(jù)，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)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(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸扭矩的高精度軟測(cè)量。與傳統(tǒng)的軟測(cè)量模型相比，本模型具有更強(qiáng)的泛化能力和自適應(yīng)能力，能夠更好地適應(yīng)不同工況下的扭矩測(cè)量需求。在免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)方面，提出了一種基于自適應(yīng)自校準(zhǔn)算法的免標(biāo)定測(cè)量方法。該方法通過內(nèi)置的高精度參考傳感器，實(shí)時(shí)采集測(cè)量環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)信息，利用自適應(yīng)算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自校準(zhǔn)功能。同時(shí)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和學(xué)習(xí)，根據(jù)環(huán)境變化和設(shè)備老化自動(dòng)調(diào)整測(cè)量模型的參數(shù)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這種免標(biāo)定測(cè)量方法打破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)定期標(biāo)定的依賴，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)便利性。二、裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)2.1傳統(tǒng)扭矩測(cè)量方法剖析2.1.1應(yīng)變片法應(yīng)變片法是一種經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的扭矩測(cè)量方法，其測(cè)量原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。在具體操作中，將電阻應(yīng)變片精心粘貼于傳動(dòng)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?yàn)樵谠摲较蛏?，?dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，其絕對(duì)值均等于最大剪應(yīng)力，能夠使應(yīng)變片獲得最為顯著的應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)傳動(dòng)軸承受扭矩而發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，粘貼在其表面的應(yīng)變片也會(huì)隨之產(chǎn)生機(jī)械變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻值發(fā)生改變。根據(jù)材料力學(xué)中的相關(guān)理論，扭矩與應(yīng)變之間存在著明確的線性關(guān)系，通過惠斯通電橋等測(cè)量電路，能夠精確測(cè)量出應(yīng)變片電阻值的變化量，并將其轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓信號(hào)輸出。再依據(jù)事先標(biāo)定好的電壓-扭矩對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可準(zhǔn)確計(jì)算出傳動(dòng)軸所承受的扭矩?cái)?shù)值。在裝載機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場景中，應(yīng)變片法展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。其一，該方法具有較高的測(cè)量精度，能夠較為準(zhǔn)確地捕捉到傳動(dòng)軸扭矩的微小變化，為裝載機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，在一些對(duì)作業(yè)精度要求較高的精細(xì)物料搬運(yùn)作業(yè)中，通過應(yīng)變片法測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩，操作人員可以根據(jù)精確的扭矩?cái)?shù)據(jù)，精準(zhǔn)控制裝載機(jī)的動(dòng)作，避免因扭矩過大或過小導(dǎo)致物料的灑落或搬運(yùn)效率低下。其二，應(yīng)變片法的成本相對(duì)較低，與其他一些高端的扭矩測(cè)量技術(shù)相比，其所需的設(shè)備和材料成本處于較低水平，這使得裝載機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)備制造過程中，能夠在保證一定測(cè)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(yīng)變片的尺寸小巧、重量輕盈，易于安裝在裝載機(jī)傳動(dòng)軸的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位，對(duì)傳動(dòng)軸的原有結(jié)構(gòu)和性能影響較小，幾乎不增加傳動(dòng)軸的額外負(fù)載和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而確保了裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。然而，應(yīng)變片法在裝載機(jī)應(yīng)用中也暴露出一些明顯的局限性。首先，應(yīng)變片對(duì)環(huán)境因素極為敏感，尤其是溫度和濕度的變化，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。在裝載機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境中，溫度可能會(huì)在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，濕度也會(huì)因作業(yè)場地的不同而有所差異。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變片的電阻值會(huì)因溫度效應(yīng)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(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。濕度的變化則可能會(huì)影響應(yīng)變片與傳動(dòng)軸表面的粘結(jié)性能，導(dǎo)致應(yīng)變片的粘貼松動(dòng)或脫落，進(jìn)而使測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差甚至失效。其次，應(yīng)變片的粘貼工藝要求較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員和精細(xì)的操作才能確保粘貼的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。如果粘貼過程中出現(xiàn)應(yīng)變片位置偏移、粘貼不牢固或膠水涂抹不均勻等問題，都會(huì)影響應(yīng)變片對(duì)傳動(dòng)軸應(yīng)變的準(zhǔn)確感知，進(jìn)而降低測(cè)量精度。此外，應(yīng)變片在長期使用過程中，由于受到機(jī)械振動(dòng)、沖擊等因素的作用，容易出現(xiàn)疲勞損壞，導(dǎo)致其性能下降，需要定期進(jìn)行更換和校準(zhǔn)，這無疑增加了設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。2.1.2扭轉(zhuǎn)角位移法扭轉(zhuǎn)角位移法的測(cè)量原理基于材料的扭轉(zhuǎn)彈性理論。在裝載機(jī)的傳動(dòng)軸上，選取兩個(gè)合適的截面，通過專門的扭轉(zhuǎn)傳感器來精確測(cè)量這兩個(gè)截面在扭矩作用下產(chǎn)生的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)角與所承受的扭矩、材料的扭轉(zhuǎn)彈性模量以及軸的幾何尺寸之間存在著確定的數(shù)學(xué)關(guān)系。對(duì)于常見的圓形截面?zhèn)鲃?dòng)軸，其扭矩計(jì)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(cè)量截面之間的軸段長度，\theta則是兩截面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。通過測(cè)量得到的扭轉(zhuǎn)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(zhǔn)確計(jì)算出傳動(dòng)軸所承受的扭矩M。在實(shí)際操作過程中，扭轉(zhuǎn)角位移法面臨著一些不容忽視的難點(diǎn)。首先，扭轉(zhuǎn)傳感器的安裝和調(diào)試較為復(fù)雜，需要精確地確定其在傳動(dòng)軸上的安裝位置，以確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量到兩截面之間的真實(shí)扭轉(zhuǎn)角度。同時(shí)，傳感器的安裝還需要考慮到傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)特性，避免因安裝不當(dāng)而影響傳動(dòng)軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，在一些空間有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝載機(jī)傳動(dòng)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(shù)人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和精湛的技藝才能完成。其次，測(cè)量過程中易受到機(jī)械振動(dòng)等外界因素的干擾。裝載機(jī)在作業(yè)過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生各種形式的機(jī)械振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)使傳動(dòng)軸產(chǎn)生額外的微小變形和位移，從而干擾扭轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)振動(dòng)頻率與傳動(dòng)軸的固有頻率接近時(shí)，還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差急劇增大，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的可靠性。此外，對(duì)于一些高速旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)軸，由于離心力的作用，會(huì)使傳動(dòng)軸產(chǎn)生一定的變形，這種變形也會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量產(chǎn)生影響，進(jìn)一步增加了測(cè)量的難度和不確定性。2.1.3磁彈性效應(yīng)法磁彈性效應(yīng)法的工作機(jī)制基于鐵磁材料獨(dú)特的磁彈性特性。當(dāng)由鐵磁材料制成的裝載機(jī)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)，其內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致鐵磁材料內(nèi)部磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，磁疇磁化強(qiáng)度矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使得材料的磁化強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象被稱為磁彈性效應(yīng)。而材料的磁導(dǎo)率與磁化強(qiáng)度密切相關(guān)，因此，通過高精度的磁傳感器測(cè)量傳動(dòng)軸在扭矩作用下磁導(dǎo)率的變化情況，就可以間接計(jì)算出傳動(dòng)軸所承受的扭矩大小。在實(shí)際應(yīng)用中，磁彈性效應(yīng)法受到多種環(huán)境因素的顯著影響。首先，溫度變化是一個(gè)重要的影響因素。隨著溫度的改變，鐵磁材料的磁性能會(huì)發(fā)生明顯變化，磁導(dǎo)率會(huì)隨溫度的升高或降低而發(fā)生相應(yīng)的改變，這就導(dǎo)致在不同溫度條件下，相同扭矩所對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率變化量不一致，從而引入測(cè)量誤差。例如，在寒冷的冬季或炎熱的夏季，裝載機(jī)工作環(huán)境溫度差異較大，若不進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償，磁彈性效應(yīng)法測(cè)量的扭矩結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差。其次，周圍的強(qiáng)磁場環(huán)境也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾。裝載機(jī)通常在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中作業(yè)，周圍可能存在各種電氣設(shè)備和大型機(jī)械，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場。當(dāng)傳動(dòng)軸處于這些強(qiáng)磁場環(huán)境中時(shí)，外部磁場會(huì)與傳動(dòng)軸自身因扭矩產(chǎn)生的磁場相互疊加，使測(cè)量到的磁導(dǎo)率變化信號(hào)失真，進(jìn)而導(dǎo)致扭矩測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，鐵磁材料本身的特性也會(huì)對(duì)測(cè)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(dòng)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(huì)發(fā)生變化，這些因素都增加了磁彈性效應(yīng)法測(cè)量扭矩的不確定性和誤差。2.2軟測(cè)量技術(shù)理論基礎(chǔ)2.2.1軟測(cè)量基本概念軟測(cè)量技術(shù)，作為工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)，是指利用自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)過程知識(shí)的有機(jī)融合，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，針對(duì)那些難以直接測(cè)量或暫時(shí)無法通過傳統(tǒng)傳感器進(jìn)行測(cè)量的重要變量，即主導(dǎo)變量（如裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩），選取一系列容易測(cè)量的變量，也就是輔助變量（如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等），通過構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)關(guān)系，即軟測(cè)量模型，來實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的準(zhǔn)確推斷和估計(jì)，從而以軟件算法替代硬件傳感器的部分功能。軟測(cè)量技術(shù)具有顯著的特點(diǎn)。其一，非侵入性是其突出優(yōu)勢(shì)之一。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中，無需對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行復(fù)雜的物理改造，避免了因安裝硬件傳感器而對(duì)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能造成的潛在破壞，最大程度降低了對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行的干擾，確保了裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其二，軟測(cè)量技術(shù)具備卓越的實(shí)時(shí)性。能夠?qū)ρb載機(jī)運(yùn)行過程中的各種參數(shù)變化做出快速響應(yīng)，實(shí)時(shí)捕捉輔助變量的動(dòng)態(tài)信息，并通過高效的數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，迅速得出傳動(dòng)軸扭矩的估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，為操作人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，有助于及時(shí)調(diào)整作業(yè)策略，保障設(shè)備安全運(yùn)行。其三，從經(jīng)濟(jì)成本角度考量，軟測(cè)量技術(shù)展現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)性。相較于傳統(tǒng)的扭矩測(cè)量方法，如應(yīng)變片法、扭轉(zhuǎn)角位移法等，軟測(cè)量技術(shù)無需購置價(jià)格昂貴、維護(hù)復(fù)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，大大降低了測(cè)量設(shè)備的采購成本和維護(hù)成本，提高了測(cè)量系統(tǒng)的性價(jià)比，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用推廣價(jià)值。在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用原理基于對(duì)生產(chǎn)過程中各變量之間內(nèi)在關(guān)系的深入挖掘和理解。通過對(duì)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(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)模型，該模型能夠準(zhǔn)確描述變量之間的非線性、時(shí)變關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)采集輔助變量的數(shù)據(jù)，并將其輸入到已建立的軟測(cè)量模型中，模型依據(jù)預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，從而輸出主導(dǎo)變量的估計(jì)值。以裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量為例，通過安裝在電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等部位的電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)采集電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等輔助變量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸至軟測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)利用預(yù)先訓(xùn)練好的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法的軟測(cè)量模型，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，最終得出傳動(dòng)軸扭矩的估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸扭矩的間接測(cè)量。2.2.2軟測(cè)量建模方法分類軟測(cè)量建模方法豐富多樣，根據(jù)建模原理和技術(shù)手段的不同，主要可分為基于機(jī)理分析的方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法以及二者相結(jié)合的混合方法。基于機(jī)理分析的建模方法，是依據(jù)裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的物理特性、工作原理以及相關(guān)的工程力學(xué)、電磁學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，深入剖析傳動(dòng)軸扭矩與各輔助變量之間的內(nèi)在因果關(guān)系，從而建立起精確的數(shù)學(xué)模型。在建立基于機(jī)理分析的裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量模型時(shí)，需要綜合考慮傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性、齒輪傳動(dòng)的效率和扭矩傳遞關(guān)系、軸承的摩擦阻力以及傳動(dòng)軸自身的材料力學(xué)性能等因素。通過對(duì)這些因素的詳細(xì)分析和理論推導(dǎo)，構(gòu)建出能夠準(zhǔn)確描述扭矩與各相關(guān)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這種建模方法的顯著優(yōu)點(diǎn)在于，模型具有堅(jiān)實(shí)的物理理論基礎(chǔ)，能夠深刻揭示系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)的解釋性強(qiáng)，可靠性高。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行條件較為穩(wěn)定，且對(duì)系統(tǒng)的物理過程有清晰、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)時(shí)，基于機(jī)理分析的模型能夠提供較為準(zhǔn)確的扭矩估計(jì)值。然而，該方法也存在一定的局限性。裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，受到多種因素的影響，在實(shí)際建模過程中，往往難以全面、準(zhǔn)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(dǎo)致模型與實(shí)際系統(tǒng)之間存在一定的偏差。此外，基于機(jī)理分析的建模過程通常較為復(fù)雜，需要具備深厚的專業(yè)知識(shí)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)建模人員的要求較高。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法，主要是借助大量的歷史數(shù)據(jù)和先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從數(shù)據(jù)中挖掘出輔助變量與傳動(dòng)軸扭矩之間的潛在關(guān)系，從而構(gòu)建出軟測(cè)量模型。常見的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)算法、主成分分析算法等。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為例，它通過構(gòu)建具有多個(gè)神經(jīng)元層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模擬人類大腦的神經(jīng)元信息處理方式，對(duì)輸入的輔助變量數(shù)據(jù)進(jìn)行層層特征提取和非線性變換，從而自動(dòng)學(xué)習(xí)到數(shù)據(jù)中的復(fù)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(guān)系。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和泛化能力，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜特征和規(guī)律，無需對(duì)系統(tǒng)的物理過程進(jìn)行詳細(xì)的了解和假設(shè)。在面對(duì)復(fù)雜多變的裝載機(jī)工作工況時(shí)，能夠通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，快速適應(yīng)不同工況下的扭矩測(cè)量需求，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。而且該方法建模過程相對(duì)簡單，不需要深入了解系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)理，只需具備一定的數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)，即可利用相關(guān)算法進(jìn)行模型構(gòu)建。但是，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法也存在一些不足之處。該方法對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求較高，需要大量的高質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，以確保模型的準(zhǔn)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(huì)嚴(yán)重影響模型的性能。此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型通常被視為“黑箱”模型，對(duì)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(jié)果，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)模型可解釋性要求較高的應(yīng)用場景中的應(yīng)用?；旌辖７椒▌t是將基于機(jī)理分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩種建模方法有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的不足。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量建模中，首先利用機(jī)理分析方法，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的物理原理和基本理論，建立起一個(gè)初步的模型框架，明確扭矩與各主要因素之間的基本關(guān)系。然后，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，利用實(shí)際采集到的大量數(shù)據(jù)，對(duì)基于機(jī)理分析的模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和修正，進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。通過這種方式，既能夠利用機(jī)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(qū)動(dòng)模型對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)模式的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，從而構(gòu)建出更加準(zhǔn)確、可靠的軟測(cè)量模型。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，可以先根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)原理建立一個(gè)初步的扭矩計(jì)算模型，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使其能夠更好地適應(yīng)不同工況下的扭矩測(cè)量需求?；旌辖７椒榻鉀Q復(fù)雜系統(tǒng)的軟測(cè)量建模問題提供了一種有效的途徑，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。2.3免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)理論基礎(chǔ)2.3.1免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)概念免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)，是一種在測(cè)量領(lǐng)域中具有創(chuàng)新性和突破性的先進(jìn)測(cè)量方法，它打破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)定期標(biāo)定操作的依賴，通過獨(dú)特的技術(shù)手段和算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在測(cè)量過程中無需頻繁進(jìn)行標(biāo)定或完全免除標(biāo)定步驟，從而確保測(cè)量系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定地輸出高精度的測(cè)量結(jié)果。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量的特定場景中，免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。從維護(hù)成本角度來看，傳統(tǒng)的扭矩測(cè)量技術(shù)，如應(yīng)變片法、扭轉(zhuǎn)角位移法等，通常需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定操作。這一過程不僅需要專業(yè)的技術(shù)人員，配備高精度的標(biāo)定設(shè)備，而且在標(biāo)定過程中，裝載機(jī)需要停機(jī)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，使得裝載機(jī)在長期運(yùn)行過程中無需頻繁進(jìn)行標(biāo)定，大大減少了因標(biāo)定所需的人力、物力和時(shí)間成本，降低了設(shè)備的維護(hù)工作量和停機(jī)時(shí)間，提高了設(shè)備的使用效率和生產(chǎn)效益。在測(cè)量穩(wěn)定性方面，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在受到環(huán)境因素（如溫度、濕度、振動(dòng)等）變化影響時(shí)，測(cè)量結(jié)果容易出現(xiàn)偏差，需要重新進(jìn)行標(biāo)定以恢復(fù)測(cè)量精度。而免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)通過內(nèi)置的自校準(zhǔn)機(jī)制和自適應(yīng)算法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化和設(shè)備自身的狀態(tài)變化，并自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，有效補(bǔ)償因環(huán)境因素和設(shè)備老化等原因?qū)е碌臏y(cè)量誤差，確保測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。例如，當(dāng)裝載機(jī)在不同季節(jié)、不同地域作業(yè)時(shí)，環(huán)境溫度和濕度會(huì)發(fā)生較大變化，免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)能夠自動(dòng)適應(yīng)這些變化，保持穩(wěn)定的測(cè)量性能，為裝載機(jī)的安全運(yùn)行和高效作業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)還具有安裝和使用簡便的特點(diǎn)。由于無需復(fù)雜的標(biāo)定設(shè)備和繁瑣的標(biāo)定流程，操作人員只需按照簡單的安裝說明將測(cè)量設(shè)備安裝在傳動(dòng)軸上，即可快速投入使用。這不僅降低了對(duì)操作人員專業(yè)技能的要求，也提高了測(cè)量系統(tǒng)的可操作性和實(shí)用性，使得裝載機(jī)的扭矩測(cè)量更加便捷、高效。2.3.2自校準(zhǔn)與自適應(yīng)原理免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)中的自校準(zhǔn)原理，是通過在測(cè)量系統(tǒng)中內(nèi)置高精度的參考傳感器或校準(zhǔn)元件來實(shí)現(xiàn)的。這些參考傳感器或校準(zhǔn)元件能夠?qū)崟r(shí)采集與測(cè)量相關(guān)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息，如溫度、壓力、振動(dòng)等，作為校準(zhǔn)的依據(jù)。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量系統(tǒng)中，內(nèi)置的溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量環(huán)境的溫度變化。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度傳感器將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)量系統(tǒng)的微處理器。微處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度補(bǔ)償模型，對(duì)因溫度變化而引起的測(cè)量誤差進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。例如，已知某種扭矩傳感器的輸出信號(hào)會(huì)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(hào)偏移量之間的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到溫度升高時(shí)，微處理器可以根據(jù)該模型自動(dòng)調(diào)整測(cè)量信號(hào)，從而消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。自適應(yīng)算法是免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)的另一個(gè)核心組成部分，其工作原理基于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和學(xué)習(xí)。測(cè)量系統(tǒng)會(huì)持續(xù)采集裝載機(jī)傳動(dòng)軸在不同工況下的扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的輔助變量數(shù)據(jù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小等。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、自適應(yīng)濾波算法等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和處理。算法會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的特征和規(guī)律，建立起測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際扭矩值之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系模型。當(dāng)裝載機(jī)的工作工況發(fā)生變化時(shí)，例如負(fù)載突然增加或電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，測(cè)量系統(tǒng)能夠根據(jù)新采集到的數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)算法及時(shí)調(diào)整模型的參數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)前工況下的扭矩測(cè)量關(guān)系，從而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中，通過大量的樣本數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠?qū)W習(xí)到不同工況下輔助變量與傳動(dòng)軸扭矩之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。當(dāng)裝載機(jī)處于新的工作狀態(tài)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)輸入的新數(shù)據(jù)，快速計(jì)算出相應(yīng)的扭矩值，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果不斷調(diào)整自身的權(quán)重和閾值，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。三、裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究3.1軟測(cè)量模型構(gòu)建3.1.1基于物理特性的模型假設(shè)在構(gòu)建裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量模型時(shí)，首先深入剖析傳動(dòng)軸的物理特性和工作原理。從物理學(xué)角度來看，裝載機(jī)的傳動(dòng)軸在傳遞動(dòng)力過程中，其扭矩與多個(gè)因素密切相關(guān)?；诖?，做出如下合理假設(shè)：將傳動(dòng)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(zhuǎn)角之間滿足胡克定律，即扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。同時(shí)，假設(shè)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩能夠通過傳動(dòng)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地傳遞至傳動(dòng)軸，且在傳遞過程中，不考慮能量損失，即電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)軸輸入扭矩相等。此外，考慮到溫度對(duì)材料物理性能的影響，假設(shè)在一定溫度范圍內(nèi)，傳動(dòng)軸材料的彈性模量和剪切模量保持不變，且溫度變化對(duì)扭矩傳遞效率的影響可忽略不計(jì)?；谏鲜黾僭O(shè)，建立初始的扭矩軟測(cè)量模型。以電機(jī)電流I、轉(zhuǎn)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(yàn)公式推導(dǎo)，得出扭矩M與這些輔助變量之間的初步數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)電機(jī)的工作原理，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩M_{em}與電機(jī)電流I和轉(zhuǎn)速n之間存在如下關(guān)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(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁特性等因素相關(guān)。由于假設(shè)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)軸輸入扭矩相等，即M=M_{em}，因此初步建立的扭矩軟測(cè)量模型為M=k_{1}I+k_{2}n+k_{3}In。同時(shí)，考慮到溫度對(duì)扭矩的潛在影響，引入溫度修正項(xiàng)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(cè)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(shí)際的裝載機(jī)工作場景中，傳動(dòng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)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(shè)。時(shí)變特性也是一個(gè)不可忽視的因素，隨著裝載機(jī)的長時(shí)間運(yùn)行，傳動(dòng)系統(tǒng)中的零部件會(huì)逐漸磨損，導(dǎo)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(guān)系隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。此外，負(fù)載擾動(dòng)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(huì)導(dǎo)致裝載機(jī)的負(fù)載發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而對(duì)傳動(dòng)軸扭矩產(chǎn)生顯著影響。為了使軟測(cè)量模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際工況下的扭矩變化，需要綜合考慮這些復(fù)雜因素對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性特性，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)復(fù)雜的非線性關(guān)系。將電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等輔助變量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，傳動(dòng)軸扭矩作為輸出，通過大量的樣本數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠準(zhǔn)確地捕捉到扭矩與輔助變量之間的非線性關(guān)系，從而對(duì)初始模型進(jìn)行修正。針對(duì)時(shí)變特性，采用遞推最小二乘法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。遞推最小二乘法能夠根據(jù)新獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)，不斷更新模型的參數(shù)，使模型能夠適應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變特性，提高模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。為了應(yīng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的影響，在模型中引入自適應(yīng)控制策略。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝載機(jī)的負(fù)載變化情況，自動(dòng)調(diào)整模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以減小負(fù)載擾動(dòng)對(duì)扭矩測(cè)量的影響，確保模型在不同負(fù)載工況下都能準(zhǔn)確地估計(jì)傳動(dòng)軸扭矩。3.2參數(shù)識(shí)別算法應(yīng)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(yīng)用的參數(shù)估計(jì)方法，其核心思想可追溯至18世紀(jì)末，由著名科學(xué)家高斯提出。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量模型的參數(shù)識(shí)別中，最小二乘法發(fā)揮著重要作用。假設(shè)裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量模型為線性模型，其表達(dá)式為y=\theta_1x_1+\theta_2x_2+\cdots+\theta_nx_n+\epsilon，其中y為傳動(dòng)軸扭矩的測(cè)量值，x_i（i=1,2,\cdots,n）為輔助變量，如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等，\theta_i為待估計(jì)的模型參數(shù)，\epsilon為測(cè)量噪聲。最小二乘法的目標(biāo)是通過調(diào)整參數(shù)\theta_i，使得模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)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(dá)到最小值，其中N為測(cè)量數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量。通過對(duì)J(\theta)求關(guān)于\theta_i的偏導(dǎo)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(jì)值。最小二乘法具有理論成熟、計(jì)算簡單、易于理解等優(yōu)點(diǎn)，在處理線性模型的參數(shù)估計(jì)問題時(shí)表現(xiàn)出良好的性能。然而，它也存在一定的局限性，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)存在噪聲干擾或模型存在非線性特性時(shí)，最小二乘法的估計(jì)精度可能會(huì)受到影響。遞推最小二乘法（RecursiveLeastSquares，RLS）是在最小二乘法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種適用于在線參數(shù)估計(jì)的算法。在裝載機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)可能會(huì)隨著時(shí)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(jì)值，這在實(shí)時(shí)性要求較高的場合是不現(xiàn)實(shí)的。遞推最小二乘法的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠根據(jù)新獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)，在已有參數(shù)估計(jì)值的基礎(chǔ)上，通過遞推公式實(shí)時(shí)更新參數(shù)估計(jì)值，從而大大減少了計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)刻的參數(shù)估計(jì)值，\hat{\theta}(k-1)為第k-1時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)值，K(k)為增益矩陣，y(k)為第k時(shí)刻的測(cè)量值，\varphi(k)為第k時(shí)刻的輔助變量向量。遞推最小二乘法能夠?qū)崟r(shí)跟蹤傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，使軟測(cè)量模型始終保持較高的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩的實(shí)時(shí)軟測(cè)量中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。3.2.2機(jī)器學(xué)習(xí)算法融合隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等先進(jìn)算法在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，通過與傳統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別算法相融合，能夠顯著增強(qiáng)軟測(cè)量模型的泛化能力和預(yù)測(cè)精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NeuralNetwork，NN）是一種模擬人類大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的計(jì)算模型，由大量的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的權(quán)重組成。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量中，常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括多層感知器（Multi-LayerPerceptron，MLP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（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(jī)電流、轉(zhuǎn)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(fù)雜特征和模式，最后由輸出層輸出傳動(dòng)軸扭矩的估計(jì)值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)輔助變量與傳動(dòng)軸扭矩之間的復(fù)雜關(guān)系，無需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模。通過大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以不斷調(diào)整神經(jīng)元之間的權(quán)重和閾值，以提高模型的預(yù)測(cè)精度和泛化能力。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在一些缺點(diǎn)，如訓(xùn)練過程計(jì)算量大、容易陷入局部最優(yōu)解、對(duì)樣本數(shù)據(jù)的依賴性較強(qiáng)等。支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，SVM）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，最初主要用于解決分類問題，后來經(jīng)過擴(kuò)展也被應(yīng)用于回歸分析。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩軟測(cè)量中，支持向量機(jī)通過尋找一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩值的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(duì)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(jī)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(fù)雜工況下的裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量時(shí)，能夠避免過擬合現(xiàn)象，提高測(cè)量精度。但是，支持向量機(jī)的性能對(duì)核函數(shù)的選擇和參數(shù)設(shè)置較為敏感，不同的核函數(shù)和參數(shù)組合可能會(huì)導(dǎo)致模型性能的較大差異，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試來確定最優(yōu)的參數(shù)配置。3.3傳感器布局與信號(hào)處理策略3.3.1傳感器優(yōu)化布局在裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)中，傳動(dòng)軸通常連接著發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋等關(guān)鍵部件，其扭矩傳遞路徑較為復(fù)雜。為了準(zhǔn)確獲取傳動(dòng)軸扭矩相關(guān)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(duì)于扭矩傳感器，考慮到裝載機(jī)傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可選擇在傳動(dòng)軸的中間部位安裝，因?yàn)榇颂幨芰^為均勻，能夠更準(zhǔn)確地反映整個(gè)傳動(dòng)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(cè)量傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化來計(jì)算扭矩，具有安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在安裝時(shí)，利用特制的夾具將傳感器牢固地固定在傳動(dòng)軸上，確保傳感器與傳動(dòng)軸之間的相對(duì)位置穩(wěn)定，避免因振動(dòng)或位移導(dǎo)致測(cè)量誤差。速度傳感器可安裝在傳動(dòng)軸的一端，靠近變速箱輸出軸的位置，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)；電磁式速度傳感器則基于電磁感應(yīng)原理，通過檢測(cè)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的交變磁場來測(cè)量轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)裝載機(jī)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(jī)工作時(shí)的發(fā)熱部位和溫度分布情況。一般來說，在傳動(dòng)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(cè)傳動(dòng)軸和傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度變化。因?yàn)檩S承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，而變速箱內(nèi)部的齒輪嚙合、油液攪動(dòng)等也會(huì)導(dǎo)致溫度升高，通過監(jiān)測(cè)這些部位的溫度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)因溫度異常升高而可能引發(fā)的設(shè)備故障，如軸承過熱損壞、變速箱油液變質(zhì)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(shí)可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此應(yīng)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(shí)，要確保傳感器的安裝位置便于維護(hù)和檢修，在裝載機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，能夠方便地對(duì)傳感器進(jìn)行檢查、校準(zhǔn)和更換，提高設(shè)備的可維護(hù)性。3.3.2數(shù)字濾波與信號(hào)特征提取裝載機(jī)在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，傳感器采集到的信號(hào)不可避免地會(huì)受到各種噪聲和干擾的影響。為了提高信號(hào)的質(zhì)量，首先采用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)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(duì)連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)值進(jìn)行平均計(jì)算，來消除信號(hào)中的隨機(jī)噪聲，使信號(hào)變得更加平滑。例如，對(duì)于一段包含噪聲的傳感器信號(hào)，選取連續(xù)的N個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)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(shí)也會(huì)使信號(hào)的響應(yīng)速度有所下降。中值濾波則是將連續(xù)采樣的信號(hào)值按照大小進(jìn)行排序，取中間值作為濾波后的輸出。這種方法對(duì)于去除信號(hào)中的脈沖噪聲具有很好的效果，能夠保留信號(hào)的細(xì)節(jié)特征，適用于處理那些受到偶爾突發(fā)干擾的信號(hào)?？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(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的融合，能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)，有效抑制噪聲和干擾。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中，卡爾曼濾波可以根據(jù)前一時(shí)刻的扭矩估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的傳感器測(cè)量值，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的扭矩進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后的信號(hào)，還需要進(jìn)一步提取與扭矩相關(guān)的特征，以便為軟測(cè)量模型提供有效的輸入信息。小波變換是一種常用的時(shí)頻分析方法，它能夠?qū)⑿盘?hào)在時(shí)間和頻率兩個(gè)維度上進(jìn)行分解，從而提取出信號(hào)在不同時(shí)間尺度和頻率范圍內(nèi)的特征。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)分析中，通過小波變換可以將扭矩信號(hào)分解為不同頻率的子信號(hào)，這些子信號(hào)包含了扭矩信號(hào)在不同頻段的特征信息。例如，低頻子信號(hào)可能反映了扭矩的緩慢變化趨勢(shì)，與裝載機(jī)的負(fù)載變化等因素相關(guān)；高頻子信號(hào)則可能包含了扭矩的瞬時(shí)波動(dòng)信息，與傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊等因素有關(guān)。通過對(duì)這些子信號(hào)的分析和處理，可以提取出與扭矩密切相關(guān)的特征參數(shù)，如小波系數(shù)的幅值、能量等。短時(shí)傅里葉變換也是一種重要的時(shí)頻分析方法，它通過在短時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，能夠得到信號(hào)在不同時(shí)刻的頻率成分。在處理裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)時(shí)，短時(shí)傅里葉變換可以將扭矩信號(hào)在時(shí)間軸上劃分為多個(gè)短時(shí)間片段，對(duì)每個(gè)片段進(jìn)行傅里葉變換，從而得到信號(hào)在不同時(shí)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(guān)的頻率特征參數(shù)，如信號(hào)的主頻、諧波成分等，這些特征參數(shù)對(duì)于深入理解傳動(dòng)軸扭矩的變化規(guī)律和建立準(zhǔn)確的軟測(cè)量模型具有重要意義。3.4軟測(cè)量系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)3.4.1系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊是軟測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其作用是獲取裝載機(jī)運(yùn)行過程中的各種原始數(shù)據(jù)。在裝載機(jī)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(cè)量電機(jī)電流，該傳感器采用霍爾效應(yīng)原理，能夠快速、準(zhǔn)確地感應(yīng)電流變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；轉(zhuǎn)速傳感器則選用光電式傳感器，通過檢測(cè)傳動(dòng)軸上的反光標(biāo)記，精確測(cè)量傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，其響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高；溫度傳感器采用熱敏電阻式傳感器，安裝在傳動(dòng)軸關(guān)鍵部位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)軸的溫度變化，能夠靈敏地感知溫度的微小波動(dòng)。這些傳感器將采集到的模擬信號(hào)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(shí)采集多個(gè)傳感器的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過高速數(shù)據(jù)總線傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。信號(hào)處理模塊是對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，以提高信號(hào)的質(zhì)量和可用性。首先，采用數(shù)字濾波算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪處理。均值濾波算法對(duì)連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)值進(jìn)行平均計(jì)算，有效消除信號(hào)中的隨機(jī)噪聲，使信號(hào)變得更加平滑；中值濾波算法則針對(duì)信號(hào)中的脈沖噪聲，通過將連續(xù)采樣的信號(hào)值按照大小進(jìn)行排序，取中間值作為濾波后的輸出，能夠很好地保留信號(hào)的細(xì)節(jié)特征。在特征提取方面，運(yùn)用小波變換和短時(shí)傅里葉變換等時(shí)頻分析方法。小波變換能夠?qū)⑿盘?hào)在時(shí)間和頻率兩個(gè)維度上進(jìn)行分解，提取出信號(hào)在不同時(shí)間尺度和頻率范圍內(nèi)的特征，如低頻子信號(hào)反映扭矩的緩慢變化趨勢(shì)，高頻子信號(hào)包含扭矩的瞬時(shí)波動(dòng)信息；短時(shí)傅里葉變換則通過在短時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到信號(hào)在不同時(shí)刻的頻率成分，提取出與扭矩相關(guān)的頻率特征參數(shù)，如信號(hào)的主頻、諧波成分等。扭矩預(yù)測(cè)模塊是軟測(cè)量系統(tǒng)的核心，其功能是利用已建立的軟測(cè)量模型和參數(shù)識(shí)別算法，對(duì)傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。在模型建立過程中，充分考慮了裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性以及負(fù)載擾動(dòng)等因素。采用基于物理特性的模型假設(shè)，結(jié)合多因素影響下的模型優(yōu)化方法，構(gòu)建了精確的扭矩軟測(cè)量模型。在參數(shù)識(shí)別方面，運(yùn)用最小二乘法、遞推最小二乘法等經(jīng)典算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，同時(shí)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，增強(qiáng)模型的泛化能力和預(yù)測(cè)精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建多層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，自動(dòng)學(xué)習(xí)輔助變量與傳動(dòng)軸扭矩之間的復(fù)雜非線性關(guān)系；支持向量機(jī)則通過尋找最優(yōu)超平面，在高維特征空間中實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩值的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，將經(jīng)過信號(hào)處理模塊處理后的輔助變量數(shù)據(jù)輸入到扭矩預(yù)測(cè)模塊，模塊根據(jù)已訓(xùn)練好的模型和算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出傳動(dòng)軸扭矩的預(yù)測(cè)值。結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將扭矩預(yù)測(cè)結(jié)果以直觀的方式呈現(xiàn)給操作人員，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，以便后續(xù)分析和查詢。在結(jié)果顯示方面，開發(fā)了專門的人機(jī)交互界面，采用圖形化的方式展示扭矩的實(shí)時(shí)變化曲線，操作人員可以清晰地看到扭矩的動(dòng)態(tài)變化情況。同時(shí)，界面上還顯示扭矩的當(dāng)前值、最大值、最小值等關(guān)鍵信息，方便操作人員及時(shí)了解裝載機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，選用可靠的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如MySQL，將扭矩預(yù)測(cè)結(jié)果以及相關(guān)的輔助變量數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)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(píng)估等，還可以為軟測(cè)量模型的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。3.4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與功能驗(yàn)證在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，硬件方面選用高性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為核心處理單元，其具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和穩(wěn)定的運(yùn)行性能，能夠滿足軟測(cè)量系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)，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(zhǔn)確采集和傳輸。軟件方面，基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，利用其高效的計(jì)算性能和豐富的庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、扭矩預(yù)測(cè)、結(jié)果顯示與存儲(chǔ)等各個(gè)模塊的功能。為了驗(yàn)證軟測(cè)量系統(tǒng)各模塊的功能有效性，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)試中，通過模擬不同工況下的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等信號(hào)，使用高精度的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集卡。采集卡成功采集到信號(hào)，并將其準(zhǔn)確傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集模塊的準(zhǔn)確性和可靠性。在信號(hào)處理模塊測(cè)試中，對(duì)含有噪聲的模擬信號(hào)進(jìn)行處理。首先，使用均值濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪，經(jīng)過處理后的信號(hào)明顯更加平滑，噪聲得到有效抑制；接著，運(yùn)用中值濾波算法對(duì)含有脈沖噪聲的信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果表明脈沖噪聲被成功去除，信號(hào)的細(xì)節(jié)特征得以保留。在特征提取方面，對(duì)經(jīng)過濾波處理后的信號(hào)進(jìn)行小波變換和短時(shí)傅里葉變換，提取出的特征參數(shù)與理論分析結(jié)果相符，驗(yàn)證了信號(hào)處理模塊的有效性。對(duì)于扭矩預(yù)測(cè)模塊，在不同工況下對(duì)裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與軟測(cè)量系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。在空載工況下，軟測(cè)量系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)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(duì)多種工況下的測(cè)試，結(jié)果表明扭矩預(yù)測(cè)模塊能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)傳動(dòng)軸扭矩，滿足工程實(shí)際應(yīng)用的精度要求。在結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊測(cè)試中，觀察人機(jī)交互界面上扭矩實(shí)時(shí)變化曲線的顯示情況，曲線能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映扭矩的變化，界面顯示清晰、操作便捷。同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了軟測(cè)量系統(tǒng)各模塊功能的有效性，表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩，為裝載機(jī)的安全運(yùn)行和高效維護(hù)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。四、裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩免標(biāo)定測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究4.1免標(biāo)定扭矩傳感器設(shè)計(jì)4.1.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的免標(biāo)定扭矩傳感器主要由基底、應(yīng)變片和掩膜層三部分構(gòu)成?；鬃鳛檎麄€(gè)傳感器的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，其形狀設(shè)計(jì)為與裝載機(jī)傳動(dòng)軸表面相適配的弧形，以確保在安裝時(shí)能夠緊密貼合傳動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)良好的扭矩傳遞和應(yīng)變感知。在實(shí)際應(yīng)用中，通過高精度的模具加工工藝，使基底的弧度與傳動(dòng)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(dòng)軸上，避免在設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)松動(dòng)或位移，影響測(cè)量精度。應(yīng)變片是傳感器的核心敏感元件，用于感知傳動(dòng)軸在扭矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。將應(yīng)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?yàn)樵谠摲较蛏?，?dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，其絕對(duì)值均等于最大剪應(yīng)力，能夠使應(yīng)變片獲得最為顯著的應(yīng)變響應(yīng)。采用高靈敏度的箔式應(yīng)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(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化信號(hào)。在粘貼應(yīng)變片時(shí)，使用專業(yè)的粘貼膠水，并嚴(yán)格控制粘貼工藝，確保應(yīng)變片與基底之間的粘結(jié)牢固、平整，避免出現(xiàn)氣泡、褶皺等缺陷，以保證應(yīng)變片能夠準(zhǔn)確地感知基底的應(yīng)變。掩膜層覆蓋在應(yīng)變片和基底的表面，主要起到保護(hù)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(shè)計(jì)，既能有效地保護(hù)應(yīng)變片免受外界環(huán)境的侵蝕和機(jī)械損傷，又不會(huì)對(duì)傳感器的應(yīng)變傳遞和信號(hào)輸出產(chǎn)生明顯的影響。在安裝掩膜層時(shí)，采用熱壓貼合的方式，使其與基底和應(yīng)變片緊密結(jié)合，形成一個(gè)完整的防護(hù)結(jié)構(gòu)，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(guān)重要。綜合考慮材料的屈服強(qiáng)度、焊接性、熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕抗氧化性等因素，選用高強(qiáng)度的合金鋼作為基底材料。這種合金鋼具有較高的屈服強(qiáng)度，能夠承受較大的扭矩和應(yīng)力，確保在裝載機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境下，基底不會(huì)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(dòng)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(dòng)軸材料相近，能夠減少因溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高傳感器的穩(wěn)定性。同時(shí)，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(shí)間穩(wěn)定工作，延長傳感器的使用壽命。應(yīng)變片材料的選擇從線性度、靈敏度和穩(wěn)定性三個(gè)方面進(jìn)行考量。選用康銅合金作為應(yīng)變片材料，康銅合金具有良好的線性度，其電阻變化與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出高度的線性關(guān)系，能夠?yàn)榕ぞ販y(cè)量提供準(zhǔn)確的信號(hào)輸出。高靈敏度使得應(yīng)變片能夠敏銳地感知到傳動(dòng)軸的微小應(yīng)變變化，提高扭矩測(cè)量的精度。出色的穩(wěn)定性保證了應(yīng)變片在長期使用過程中，其性能不會(huì)發(fā)生明顯的漂移或衰減，確保測(cè)量結(jié)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(yīng)變片與外界的電氣干擾，確保信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。良好的耐蠕變性能使其在長期受力的情況下，不會(huì)發(fā)生明顯的變形或位移，保證對(duì)應(yīng)變片的有效保護(hù)?？蛊谛詮?qiáng)，能夠承受裝載機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)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(yīng)變片發(fā)生微小變形時(shí)，與之同步變形，而不會(huì)對(duì)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(jìn)一步優(yōu)化傳感器的性能，對(duì)傳感器的參數(shù)進(jìn)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(yīng)變片的尺寸、焊點(diǎn)的大小和間距等參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響。在有限元模型中，精確模擬裝載機(jī)傳動(dòng)軸在不同扭矩工況下的受力情況，分析傳感器各部分的應(yīng)力分布和應(yīng)變響應(yīng)。通過改變基底的厚度，觀察其對(duì)傳感器剛度和應(yīng)變傳遞效率的影響，確定出既能保證基底具有足夠強(qiáng)度，又能使應(yīng)變片獲得最佳應(yīng)變響應(yīng)的基底厚度。優(yōu)化應(yīng)變片的尺寸，使其在保證靈敏度的前提下，盡量減小對(duì)基底的附加應(yīng)力，提高傳感器的測(cè)量精度。合理調(diào)整焊點(diǎn)的大小和間距，確保焊點(diǎn)能夠牢固地連接基底和傳動(dòng)軸，同時(shí)避免因焊點(diǎn)過大或過小、間距不合理而產(chǎn)生的應(yīng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定出性能最優(yōu)的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為免標(biāo)定扭矩傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。4.2基于正交試驗(yàn)的仿真與驗(yàn)證4.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，開展免標(biāo)定扭矩傳感器仿真建模。在裝載機(jī)傳動(dòng)軸的實(shí)際工作場景中，免標(biāo)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(qiáng)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(huì)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度產(chǎn)生顯著影響；應(yīng)變片的材料特性，從線性度、靈敏度和穩(wěn)定性三個(gè)關(guān)鍵方面影響著傳感器對(duì)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(duì)保護(hù)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和維持測(cè)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(yīng)變片的尺寸，包括長、寬等，都會(huì)影響傳感器的應(yīng)變傳遞效率和信號(hào)輸出；焊點(diǎn)的大小、位置和間距，不僅關(guān)系到傳感器與傳動(dòng)軸的連接牢固程度，還會(huì)影響電流的傳輸和信號(hào)的穩(wěn)定性；基底在傳動(dòng)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(diǎn)75％軸的長度處以及負(fù)載端等不同位置，也會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量性能產(chǎn)生影響。為了全面、系統(tǒng)地研究這些因素對(duì)免標(biāo)定扭矩傳感器性能的影響，根據(jù)上述因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，每個(gè)因素選取多個(gè)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(gè)水平；應(yīng)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(duì)于基底的長、寬、厚以及應(yīng)變片的長、寬等尺寸參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，選取合適的數(shù)值范圍，并在該范圍內(nèi)確定三個(gè)不同的水平值。焊點(diǎn)的大小、位置和間距以及基底在傳動(dòng)軸上的焊接位置等因素，也分別根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和實(shí)際應(yīng)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(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出全面且具有代表性的試驗(yàn)方案。該正交表能夠在較少的試驗(yàn)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(yàn)工作量，提高研究效率。通過這樣的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠系統(tǒng)地分析各因素對(duì)免標(biāo)定扭矩傳感器性能的影響，為后續(xù)的有限元仿真和臺(tái)架試驗(yàn)提供科學(xué)、合理的試驗(yàn)方案。4.2.2有限元仿真與臺(tái)架試驗(yàn)利用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的免標(biāo)定扭矩傳感器進(jìn)行仿真建模。將免標(biāo)定扭矩傳感器按照設(shè)計(jì)要求固定到仿真軸上，模擬裝載機(jī)傳動(dòng)軸在實(shí)際工作中可能承受的各種扭矩工況，對(duì)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(shè)置材料的各項(xiàng)參數(shù)，如基底材料的彈性模量、泊松比，應(yīng)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(zhǔn)確反映實(shí)際物理過程。通過有限元仿真，深入分析免標(biāo)定扭矩傳感器在不同扭矩作用下的應(yīng)力分布、應(yīng)變響應(yīng)以及傳遞效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。例如，觀察基底在扭矩作用下的應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)變分布情況，分析應(yīng)變片的電阻變化與扭矩之間的關(guān)系，研究掩膜層對(duì)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用以及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。通過對(duì)仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，尋找最佳的結(jié)構(gòu)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(cè)量精度的參數(shù)組合。為了驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。搭建專門的臺(tái)架試驗(yàn)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(tái)等部分。扭矩加載系統(tǒng)能夠精確控制施加到傳動(dòng)軸上的扭矩大小和方向，模擬裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)中的各種負(fù)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(shí)時(shí)采集免標(biāo)定扭矩傳感器的輸出信號(hào)以及相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等。將通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的免標(biāo)定扭矩傳感器安裝到臺(tái)架試驗(yàn)裝置的傳動(dòng)軸上，按照有限元仿真中設(shè)定的扭矩工況進(jìn)行加載試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，仔細(xì)記錄傳感器的輸出數(shù)據(jù)以及相關(guān)的試驗(yàn)條件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。將臺(tái)架試驗(yàn)得到的結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。如果發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差，深入分析原因，對(duì)仿真模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，重新進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，直到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。通過有限元仿真和臺(tái)架試驗(yàn)的相互驗(yàn)證，最終獲得性能最優(yōu)的免標(biāo)定扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及扭矩?fù)Q算公式。在確定扭矩?fù)Q算公式時(shí)，充分考慮試驗(yàn)過程中采集到的數(shù)據(jù)以及傳感器的工作原理，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，建立起準(zhǔn)確的扭矩與傳感器輸出信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。該扭矩?fù)Q算公式將為免標(biāo)定扭矩傳感器在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，確保能夠準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩。4.3免標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸4.3.1傳感裝置與遙測(cè)接收裝置開發(fā)免標(biāo)定扭矩測(cè)量傳感裝置是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)需充分考慮裝載機(jī)傳動(dòng)軸的實(shí)際工作環(huán)境和測(cè)量需求。該傳感裝置主要由信號(hào)放大模塊、電池模塊、LED指示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及無線收發(fā)功能模塊組成，并預(yù)留與應(yīng)變片相連的外部接口。信號(hào)放大模塊采用高性能的運(yùn)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(diǎn)，能夠?qū)?yīng)變片電橋輸出的微弱變化電壓進(jìn)行有效放大，使其達(dá)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(diǎn)，能夠?yàn)檎麄€(gè)傳感裝置提供穩(wěn)定的電力支持，確保在裝載機(jī)長時(shí)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(dāng)前扭矩遙測(cè)儀的工作狀態(tài)，如綠色LED燈常亮表示設(shè)備正常工作，紅色LED燈閃爍表示設(shè)備出現(xiàn)故障或電量不足等，方便操作人員及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用高精度的16位A/D轉(zhuǎn)換器，如ADS1115，它能夠?qū)⒎糯蠛蟮哪M電壓信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理和無線傳輸提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。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(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過無線方式發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。扭矩遙測(cè)接收裝置則負(fù)責(zé)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(jī)進(jìn)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(zhǔn)確地接收無線數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解碼模塊對(duì)接收到的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，恢復(fù)出原始的扭矩測(cè)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(jī)。USB接口具有傳輸速度快、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?；RS485接口則具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于工業(yè)現(xiàn)場等復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸。通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化傳感裝置與遙測(cè)接收裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)免標(biāo)定扭矩測(cè)量傳感器的數(shù)據(jù)高效采集與可靠傳輸，為裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩的免標(biāo)定測(cè)量提供有力的技術(shù)支持。4.3.2數(shù)據(jù)傳輸與處理流程免標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與處理流程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：信號(hào)采集與放大：當(dāng)裝載機(jī)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)，安裝在其上的免標(biāo)定扭矩傳感器中的應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生電阻變化，從而導(dǎo)致電橋輸出電壓發(fā)生變化。這個(gè)變化的電壓信號(hào)非常微弱，通常在毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，需要經(jīng)過信號(hào)放大模塊進(jìn)行放大處理。信號(hào)放大模塊采用高性能的運(yùn)算放大器，將電橋的變化電壓進(jìn)行放大，使其達(dá)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(zhuǎn)換：放大后的模擬電壓信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和無線傳輸。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號(hào)按照一定的采樣頻率和分辨率進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采樣頻率的選擇需要根據(jù)扭矩信號(hào)的變化頻率來確定，一般要求采樣頻率至少是扭矩信號(hào)最高頻率的兩倍，以滿足奈奎斯特采樣定理，確保能夠準(zhǔn)確地還原原始信號(hào)。分辨率則決定了數(shù)字信號(hào)的精度，較高的分辨率能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少量化誤差。無線傳輸：A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給扭矩遙測(cè)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(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)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(huì)采用一些數(shù)據(jù)校驗(yàn)和糾錯(cuò)技術(shù)，如CRC校驗(yàn)、漢明碼糾錯(cuò)等。扭矩遙測(cè)接收裝置中的無線接收模塊接收到無線信號(hào)后，進(jìn)行解調(diào)和解碼處理，恢復(fù)出原始的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換：扭矩遙測(cè)接收裝置將接收到的數(shù)字信號(hào)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲和干擾信號(hào)，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(shí)際情況選擇合適的濾波方法，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。然后，根據(jù)之前通過有限元仿真和臺(tái)架試驗(yàn)獲得的扭矩?fù)Q算公式，將實(shí)時(shí)獲得的電橋電壓轉(zhuǎn)換為軸所受扭矩。扭矩?fù)Q算公式中包含了軸的彈性模量、軸內(nèi)外徑之比、應(yīng)變片金屬絲泊松比等參數(shù)，這些參數(shù)在之前的試驗(yàn)中已經(jīng)確定，通過將實(shí)時(shí)采集到的電橋電壓代入公式中，即可計(jì)算出軸所受扭矩。最后，將處理后的扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，以便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝載機(jī)傳動(dòng)軸的扭矩變化情況。五、案例分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與傳感器選型本次實(shí)驗(yàn)選用了型號(hào)為ZL50的裝載機(jī)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該裝載機(jī)在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有代表性。其發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為162kW，最大牽引力可達(dá)160kN，適用于多種復(fù)雜工況。在實(shí)際應(yīng)用中，ZL50裝載機(jī)常用于大型建筑工地的物料搬運(yùn)、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(duì)扭矩測(cè)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(yīng)原理，當(dāng)傳動(dòng)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器內(nèi)部的磁路會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與扭矩成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其測(cè)量精度可達(dá)±0.2%FS，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)扭矩測(cè)量精度的要求。在實(shí)際安裝時(shí)，將扭矩傳感器安裝在傳動(dòng)軸的中間部位，通過特制的夾具將其牢固地固定在傳動(dòng)軸上，確保傳感器與傳動(dòng)軸之間的相對(duì)位置穩(wěn)定，避免因振動(dòng)或位移導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了獲取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，選用了電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。電流傳感器采用霍爾效應(yīng)原理，能夠快速、準(zhǔn)確地感應(yīng)電流變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，測(cè)量精度為±0.5%。轉(zhuǎn)速傳感器則選用光電式傳感器，通過檢測(cè)傳動(dòng)軸上的反光標(biāo)記，精確測(cè)量傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，其響應(yīng)速度快，測(cè)量精度可達(dá)±1r/min。將電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器分別安裝在電機(jī)的輸出軸和傳動(dòng)軸的一端，靠近變速箱輸出軸的位置，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流和傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速。溫度傳感器采用熱敏電阻式傳感器，安裝在傳動(dòng)軸的軸承座附近以及變速箱外殼上，能夠有效監(jiān)測(cè)傳動(dòng)軸和傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度變化。熱敏電阻式傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠靈敏地感知溫度的微小波動(dòng)，測(cè)量精度為±0.5℃。5.1.2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定為了全面驗(yàn)證軟測(cè)量與免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)在不同工況下的性能，設(shè)定了多種典型作業(yè)工況，模擬實(shí)際工作場景?？蛰d行駛工況：裝載機(jī)在平坦的道路上以不同的速度行駛，速度范圍設(shè)定為5km/h、10km/h、15km/h，模擬裝載機(jī)在作業(yè)場地內(nèi)短距離移動(dòng)或空載轉(zhuǎn)場的情況。在這種工況下，主要考察測(cè)量技術(shù)對(duì)傳動(dòng)軸扭矩在空載狀態(tài)下的測(cè)量準(zhǔn)確性，以及對(duì)轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)能力。滿載鏟裝工況：裝載機(jī)在裝滿物料的情況下，進(jìn)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(jī)在建筑工地、礦山等場所進(jìn)行物料裝載的實(shí)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(dòng)軸扭矩變化，考察測(cè)量技術(shù)在重載、動(dòng)態(tài)作業(yè)情況下的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。爬坡工況：設(shè)置不同坡度的斜坡，坡度分別為10°、15°、20°，裝載機(jī)滿載物料在斜坡上行駛，模擬裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)中遇到的爬坡情況。在爬坡過程中，監(jiān)測(cè)傳動(dòng)軸扭矩隨坡度和行駛速度的變化，評(píng)估測(cè)量技術(shù)在復(fù)雜地形和重載工況下的性能表現(xiàn)。轉(zhuǎn)向工況：裝載機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中，由于輪胎與地面的摩擦力以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用，傳動(dòng)軸扭矩會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化。設(shè)定不同的轉(zhuǎn)向半徑，如5m、8m、10m，讓裝載機(jī)以一定的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，記錄轉(zhuǎn)向過程中的傳動(dòng)軸扭矩變化，考察測(cè)量技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向工況下扭矩變化的測(cè)量準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。5.2軟測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.2.1數(shù)據(jù)采集與處理在實(shí)驗(yàn)過程中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)不同工況下的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、溫度等輔助變量進(jìn)行了全面且細(xì)致的采集。以滿載鏟裝工況為例，在整個(gè)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(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)清洗和預(yù)處理工作。通過數(shù)據(jù)可視化分析，發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)存在明顯的異常值，如在某一時(shí)刻電機(jī)電流值出現(xiàn)突變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。對(duì)于這類異常值，采用拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行處理，即當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)與均值的偏差超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，將其判定為異常值并予以剔除。同時(shí)，為了填補(bǔ)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(diǎn)的數(shù)值，按照線性關(guān)系計(jì)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(duì)清洗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。以電機(jī)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(xùn)練和分析提供了便利。5.2.2測(cè)量精度評(píng)估將軟測(cè)量技術(shù)得到的扭矩估計(jì)值與高精度磁電式扭矩傳感器測(cè)量的實(shí)際值進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。在空載行駛工況下，對(duì)不同速度下的扭矩測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，軟測(cè)量技術(shù)的平均絕對(duì)誤差（MAE）為5.2N?m，均方根誤差（RMSE）為7.5N?m，相對(duì)誤差在3.5%以內(nèi)。在滿載鏟裝工況下，軟測(cè)量技術(shù)的平均絕對(duì)誤差為8.6N?m，均方根誤差為11.2N?m，相對(duì)誤差在5.0%以內(nèi)。在爬坡工況下，平均絕對(duì)誤差為10.3N?m，均方根誤差為13.8N?m，相對(duì)誤差在6.0%以內(nèi)。在轉(zhuǎn)向工況下，平均絕對(duì)誤差為7.8N?m，均方根誤差為10.5N?m，相對(duì)誤差在4.5%以內(nèi)。通過對(duì)多種工況下測(cè)量精度的評(píng)估，可以看出軟測(cè)量技術(shù)在不同工況下均能較為準(zhǔn)確地估計(jì)裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩。在空載行駛工況下，由于負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，干擾因素較少，軟測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度較高，誤差較小。而在滿載鏟裝、爬坡和轉(zhuǎn)向等復(fù)雜工況下，雖然測(cè)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(shí)際應(yīng)用的需求。這表明軟測(cè)量技術(shù)能夠有效地應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況下的扭矩測(cè)量挑戰(zhàn)，為裝載機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和性能優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。5.3免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.3.1免標(biāo)定傳感器性能測(cè)試對(duì)免標(biāo)定扭矩傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試，包括靈敏度、線性度、重復(fù)性和精度等。在靈敏度測(cè)試中，通過在傳感器上施加不同大小的標(biāo)準(zhǔn)扭矩，測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)變化。結(jié)果顯示，該傳感器的靈敏度為1.5mV/V，能夠?qū)εぞ氐奈⑿∽兓龀鲮`敏響應(yīng)，確保在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩發(fā)生變化時(shí)，傳感器能夠及時(shí)準(zhǔn)確地捕捉到信號(hào)變化，為后續(xù)的測(cè)量和分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在線性度測(cè)試方面，將傳感器的輸出信號(hào)與施加的標(biāo)準(zhǔn)扭矩進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算兩者之間的線性誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的線性度達(dá)到0.1%FS，線性度表現(xiàn)良好，其輸出信號(hào)與扭矩之間呈現(xiàn)出高度的線性關(guān)系，這使得在實(shí)際測(cè)量中，能夠根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)準(zhǔn)確地計(jì)算出傳動(dòng)軸的扭矩值，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。重復(fù)性測(cè)試通過多次重復(fù)施加相同扭矩，測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)一致性。經(jīng)過10次重復(fù)測(cè)試，傳感器的重復(fù)性誤差控制在0.05%以內(nèi)，重復(fù)性表現(xiàn)優(yōu)異，說明該傳感器在不同時(shí)間、不同測(cè)量條件下，對(duì)相同扭矩的測(cè)量結(jié)果具有高度的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了其測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足裝載機(jī)在復(fù)雜工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行的測(cè)量需求。精度測(cè)試結(jié)果顯示，免標(biāo)定扭矩傳感器的精度達(dá)到±0.3%FS，滿足工程實(shí)際應(yīng)用的精度要求。在實(shí)際的裝載機(jī)作業(yè)中，該精度能夠?yàn)椴僮魅藛T提供準(zhǔn)確的傳動(dòng)軸扭矩信息，幫助他們及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，做出合理的操作決策，有效避免因扭矩測(cè)量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的設(shè)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(biāo)定測(cè)量技術(shù)在長時(shí)間使用中的穩(wěn)定性，進(jìn)行了為期一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將免標(biāo)定扭矩傳感器安裝在裝載機(jī)傳動(dòng)軸上，模擬裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)中的各種工況，包括空載行駛、滿載鏟裝、爬坡和轉(zhuǎn)向等。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)在長時(shí)間使用過程中，測(cè)量結(jié)果的漂移量始終控制在較小范圍內(nèi)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，測(cè)量結(jié)果的最大漂移量為0.5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在相同時(shí)間內(nèi)的漂移量。這表明免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)具有出色的長期穩(wěn)定性，能夠在長時(shí)間的使用過程中，持續(xù)提供準(zhǔn)確可靠的傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量結(jié)果。進(jìn)一步分析測(cè)量結(jié)果與環(huán)境因素（如溫度、濕度、振動(dòng)等）的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)較大。隨著環(huán)境溫度的升高，測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出略微增大的趨勢(shì)，但通過內(nèi)置的溫度補(bǔ)償算法，能夠有效地對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，使測(cè)量誤差控制在可接受范圍內(nèi)。濕度和振動(dòng)等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較小，在正常的作業(yè)環(huán)境濕度和振動(dòng)條件下，測(cè)量結(jié)果基本不受影響。通過長期穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性，為其在裝載機(jī)傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量中的廣泛應(yīng)用提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。5.4對(duì)比實(shí)驗(yàn)與優(yōu)勢(shì)驗(yàn)證5.4.1與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)比為了更直觀地展示軟測(cè)量和免標(biāo)定測(cè)量技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，將其與傳統(tǒng)的應(yīng)變片法、扭轉(zhuǎn)角位移法和磁彈性效應(yīng)法進(jìn)行了全面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保各種測(cè)量技術(shù)在相同的工況下進(jìn)行測(cè)試，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。在測(cè)量精度方面，傳統(tǒng)的應(yīng)變片法由于受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，測(cè)量誤差較大。在不同工況下，其平均絕對(duì)誤差在15-20N?m之間，均方根誤差在20-25N?m之間。扭轉(zhuǎn)角位移法雖然在理論上具有較高的精度，但在實(shí)際測(cè)量中，由于受到機(jī)械振動(dòng)等外界因素的干擾，測(cè)量誤差也較為明顯。在復(fù)雜工況下，其平均絕對(duì)誤差可達(dá)10-15N?m，均方根誤差在15-20N?m之間。磁彈性效應(yīng)法同樣受到環(huán)境