一种在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的制作方法

本发明涉及一种在线监测轴类零件结构运动间隙的装置，在服役过程中监测产品内部轴结构的运动间隙状况，通过监测装置，分析含轴颈间隙的机构动力学特性，为现有产品在线监测提供决策依据。

随着机械工程不断向高速、重载和精密方向上的发展，研究构件的柔性和在轴颈处含磨损间隙对机构系统动力学行为的影响更为迫切。轴颈含磨损间隙的存在会破坏机构运动的理想模式，使构件间产生碰撞和振动，会对机构系统动力学特性产生很大的影响，并且这种影响会随着轴颈机构间隙处的磨损而加剧，轴类零件轴颈结构处磨损预测已经成为机械工程迫切需要解决的关键问题之一。现有的关于轴类零件结构运动间隙的研究方法主要是通过系统动力学的数值分析与仿真模拟，但这些研究大多都是考虑在理想条件下，其结果与含间隙轴颈机构真实的运动情况有很大的差距，并且在轴颈间隙机构内运动情况复杂，对冲击载荷的变化情况难以达到真实的掌握，缺乏准确了解含间隙的轴颈机构的内在动力学特性的途径。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种在线监测轴类零件结构运动间隙的装置，通过监测含间隙运动的轴颈机构的运动状态，真实了解轴颈机构在间隙内的碰撞力以及机构整体性能的变化情况。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点是：

设置所述监测装置的动力机构是固定安装在第一防震基座上的电机；

设置由输入曲柄、连杆、输出曲柄和机架构成的双曲柄四杆机构；其中，输入曲柄的输入连接轴与电机的输出轴通过联轴器相连接，输出曲柄的输出连接轴在轴端设置有带轮机构，连杆的第一端与输入曲柄铰接，输出曲柄与连杆的第二端通过轴颈杆形成铰接；在连杆的第二端铰接孔中设置有压电陶瓷环，所述轴颈杆中的轴颈段与所述压电陶瓷环在装配尺寸上存在有间隙；

所述电机的输出动力通过带轮机构带动测功机旋转，测功机通过终端设备能够调节不同的负载；

以所述压电陶瓷环的输出信号作为监测装置的检测信号，利用所述压电陶瓷环通过碰撞形变引起电位差产生的电流大小、电流持续的时间反映不同时刻轴颈杆上轴颈与压电陶瓷环表面的碰撞力大小、碰撞力的接触时间以及一个运动周期内的碰撞次数。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：设置所述压电陶瓷环的输出信号线引出结构为：压电陶瓷环的输出信号线绑定在连杆的引导槽内，在所述连杆上安装前置放大器芯片对压电陶瓷环的输出信号进行放大，所述前置放大器芯的安装位置不会对双曲柄机构的运动造成干涉；前置放大器芯片的信号电缆接入输入曲柄与连杆铰链处的第二集电环的连接线上，由第二电刷经输入曲柄接入固定在输入连接轴上第一集电环的输入引线接口内，并由第一电刷引出。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：输入连接轴通过第一轴承座支撑在第一防震基座上，输出连接轴通过第二轴承座支撑在第二防震基座上，所述第一防震基座与第二防震基座具有相同的水平高度，便于轴连接结构调整，且相互独立互不影响。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：

在所述第一轴承座的相互垂直的两个方向上设置振动加速度传感器，分别用于检测输入连接轴在沿X向和Y向上的振动加速度；

在所述第二轴承座的相互垂直的两个方向上设置振动加速度传感器，分别用于检测输出连接轴在沿X向和Y向上的振动加速度。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：在所述输出连接轴的轴线所在位置的正下方设置转速传感器，实时检测输出曲柄的转速，用于计算输出曲柄旋转一周的时间，判断一周内碰撞的次数。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：所述轴颈杆为双头带螺纹的销杆，轴颈杆的一端通过螺母固定在输出曲柄上，不发生相对转动，另一端由一对顶螺母锁紧，使连杆与轴颈杆上的轴颈可相对转动并不发生相对干涉；通过替换在轴颈处的不同轴径尺寸轴颈杆改变轴颈与连杆中压电陶瓷环之间的配合间隙的大小，监测不同间隙状态下的轴颈运动状态。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：在输入连接轴与输入曲柄的连接处，以及在输出连接轴与输出曲柄的连接处为锥形面，并在所述锥形面上通过键相对固定。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：在由输入曲柄、连杆、输出曲柄与机架构成的双曲柄四杆机构中，输入曲柄、连杆、输出曲柄以及机架在满足机架为最短杆同时保证杆长之和的条件下，根据要求替换不同长度的杆件，用于不同类型的杆件结构中轴结构间隙的监测。

本发明在线监测轴类零件结构运动间隙的装置的结构特点也在于：所述电机采用由变频器控制的伺服电机，实现电机的变转速输出，通过设定不同的电机转速，调节测功机的输入电流，实现对负载的加载，模拟真实的连杆轴颈运动工况。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是在连杆的旋转孔内安装并固定一压电陶瓷环，轴颈杆的轴颈段与压电陶瓷环在装配尺寸上含有间隙，轴颈杆结构类似一双头带螺纹的销，一端通过两螺母完全固定在曲柄上，不发生相对转动，另一端由一副对顶螺母固定，使连杆与轴颈可相对转动并不发生相对干涉；可通过替换在轴颈处不同尺寸的轴颈杆改变轴颈与连杆内压电陶瓷环间的配合间隙的大小，监测不同磨损状态下的轴颈运动状态。

2、现有技术对于间隙内碰撞情况不能准确掌握，本发明可通过轴颈杆上的轴颈与压电陶瓷环间的碰撞，使压电陶瓷环产生压电效应，将旋转轴上的监测信号通过集电环与电刷引入到终端的控制器上，可以准确掌握相互间的碰撞力大小、碰撞时间以及一个旋转周期内的碰撞次数。

3、本发明在输入、输出曲柄连接轴的轴承座上各自安装了沿X、Y方向的振动加速度传感器，可以监测因间隙导致的曲柄振动，在工程机械中可以作为衡量设备运行状态的一个重要指标，同时，转速传感器可以实时的监测输出曲轴的转速。

4、本发明结构简单，便于安装与拆卸，能够有效监测不同磨损状态下轴类零件上轴颈的运动状态。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明中铰链处曲柄与压电陶瓷环结构示意图；

图3为本发明中轴颈旋转铰链结构示意图；

图4为本发明中曲柄连接轴结构示意图；

图5为本发明中集电环与电刷安装位置局部示意图；

图6为本发明监测原理示意图。

图中标号：1a第一防震基座，1b第二防震基座，2电机，3联轴器，4输入连接轴，5为Y向加速度传感器电刷输入曲柄，6为X向加速度传感器电刷，7第一电刷，8第一集电环，9转速传感器，10输出连接轴，11输出曲柄，12轴颈杆，13连杆，14输入曲柄，15带轮机构，16测功机，17压电陶瓷环，18第二集电环，19第二电刷，20对顶螺母。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中在线监测轴类零件结构运动间隙的装置包括：

设置监测装置的动力机构是固定安装在第一防震基座1a上的电机2。

设置由输入曲柄14、连杆13、输出曲柄11和机架构成的双曲柄四杆机构；其中，输入曲柄14的输入连接轴4与电机2的输出轴通过联轴器3相连接，输出曲柄11的输出连接轴10在轴端设置有带轮机构15，连杆13的第一端与输入曲柄14铰接，输出曲柄11与连杆13的第二端通过轴颈杆12形成铰接；在连杆13的第二端铰接孔中设置有压电陶瓷环17，轴颈杆12中的轴颈段与压电陶瓷环17在装配尺寸上存在有间隙。

电机2的输出动力通过带轮机构15带动测功机16旋转，测功机16通过终端设备能够调节不同的负载。

压电陶瓷环17是具有耐磨损和耐冲击的特性，以压电陶瓷环17的输出信号作为监测装置的检测信号，利用压电陶瓷环17通过碰撞形变引起电位差产生的电流大小、电流持续的时间反映不同时刻轴颈杆12上轴颈与压电陶瓷环17表面的碰撞力大小、碰撞力的接触时间以及一个运动周期内的碰撞次数。

在由输入曲柄14、连杆13、输出曲柄11与机架构成的双曲柄四杆机构中，输入曲柄14、连杆13、输出曲柄11以及机架在满足机架为最短杆同时保证杆长之和的条件下，根据要求替换不同长度的杆件，用于实现不同的轴类零件结构。

如图1和图5所示，压电陶瓷环17为轴向极化，在其两端有输出信号线，设置压电陶瓷环17的输出信号线引出结构为：压电陶瓷环17的输出信号线绑定在连杆13的引导槽内，在连杆13上安装前置放大器芯片对压电陶瓷环17的输出信号进行放大，前置放大器芯的安装位置不会对双曲柄机构的运动造成干涉；前置放大器芯片的信号电缆接入输入曲柄14与连杆13铰链处的第二集电环18的连接线上，由第二电刷19经输入曲柄14接入固定在输入连接轴4上第一集电环8的输入引线接口内，并由第一电刷7引出；其中，第二集电环18和第二电刷19配合设置，第一集电环8和第一电刷7配合设置；图5所示为第二集电环18与第二电刷19的安装位置，其中第二集电环18固定安装在连杆13上，第二电刷19固定安装在输入曲柄14上，在第二集电环18与输入曲柄14相接触的表面固定一金属薄片，防止在旋转时对第二集电环18的侧面形成磨损，第二集电环18为四路接口，其中两路接口为前置放大器芯片供电，另外两路接口为信号传输接口；第一集电环8也同样形成四路接口。

图1示出，输入连接轴4通过第一轴承座支撑在第一防震基座1a上，输出连接轴10通过第二轴承座支撑在第二防震基座1b上，第一防震基座1a与第二防震基座1b具有相同的水平高度，且相互独立互不影响；在第一防震基座1a与第二防震基座1b的底部设置有用于固定安装的T型安装槽。

在第一轴承座的相互垂直的两个方向上设置振动加速度传感器，分别用于检测输入连接轴4在沿X向和Y向上的振动加速度；图1中示出了Y向加速度传感器电刷输入曲柄5和X向加速度传感器电刷6；在第二轴承座的相互垂直的两个方向上设置振动加速度传感器，分别用于检测输出连接轴10在沿X向和Y向上的振动加速度；在输出连接轴10的轴线所在位置的正下方设置转速传感器9，实时检测输出曲柄11的转速，用于计算输出曲柄11旋转一周的时间，判断一周内碰撞的次数。由振动加速度可检测因轴颈间隙对曲柄轴产生的振动影响，同时监测输出曲柄的转速变化。

如图2和图3所示，轴颈杆12为双头带螺纹的销杆，轴颈杆12的一端通过螺母固定在输出曲柄11上，不发生相对转动，另一端由一对顶螺母20锁紧，使连杆13与轴颈杆12上的轴颈可相对转动并不发生相对干涉；通过替换在轴颈处不同轴径尺寸的轴颈杆12改变轴颈与连杆13中压电陶瓷环17之间的配合间隙的大小，监测不同磨损状态下的轴颈运动状态。

如图1和图4所示，本实施例中在输入连接轴4与输入曲柄14的连接处，以及在输出连接轴10与输出曲柄11的连接处为锥形面，并在锥形面上通过键相对固定，利用锥度限制输入曲柄沿连接轴的轴向上的运动，起到定位的作用。

电机2采用由变频器控制的伺服电机，配备变频器，具有高转速、高扭矩以及精确的变转速输出，通过设定不同的电机转速，调节测功机16的输入电流，实现对负载的加载，模拟真实的连杆轴颈运动工况。

本发明用于监测不同轴颈配合间隙下的运动状态，也可以用于研究不同扭矩与负载状态下轴颈间隙机构的运动状态，探究其运动学特性。

图6为装置监测示意，由压电陶瓷环可以监测在任意时刻内在轴颈间隙内的运动特征，由两组加速度传感器可以准确的掌握在轴颈间隙处的碰撞对机体结构振动特征的影响，并由转速传感器了解曲柄旋转轴的运动特征，并最终可掌握含间隙运动的轴颈机构因间隙的变化对机构的动力学特征的影响，监测过程：

首先，按要求选择合适长度的各个杆件，再选取轴颈尺寸合适的轴颈杆安装紧固于曲柄上并与压电陶瓷环进行配合，再安装并调试四杆机构；调节测功机的电流，固定在试验所需的负载下，再调节交流伺服电机，使其按要求的变转速输出。

然后，通过压电陶瓷环的输出电流以及输出曲柄的转速可计算出碰撞力的大小，掌握碰撞接触时间以及一个周期内的碰撞次数，由加速度传感器可监测输入、输出曲柄连接轴在轴承座处的振动强度，并监测输出曲轴的各个时刻的转速。

最后，可以对轴颈杆进行更换，选取合适的尺寸的轴颈进行试验，模拟不同磨损状态下的轴颈与杆件间的配合间隙，记录相应的试验数据。