一种动态测量电机实时应力的装置的制作方法

本实用新型涉及一种动态测量电机实时应力的装置。

背景技术：

目前，常见的电机扭矩测量方法可分为传递法和能量转换法。传递法即通过监测传递扭矩弹性元件的物理参数变化计算电机扭矩；能量转换法是指根据能量守恒定律通过测量热能、电能等其它参数来间接测量扭矩。能量转换法已有成品设备可用，但其具有体积较大，工作环境要求高等缺点，应用受限。传递法借助于弹性元件，可设计成各种形状、体积的测量装置，适应性强，精度较高，应用最为广泛。

在传递法范畴内，国内可见的电机测力相关方法仅有扭矩测量，未见对扭矩、轴向力同时测量的方法或设备。轴力测量在许多设备上可见，如钻探机械、交通工具、建筑等行业，主要监测杆或轴的轴向力。基于传递法的监测设备，未见能够同时测量扭矩与轴向压力的。此外，现有的测量装置是将应力片直接贴在柱状被测构件的外表面，工作时，测量装置及应力片极易受到碰擦，造成损坏，影响测量的精度或失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种动态测量电机实时应力的装置，该装置能够同时测量电机的轴向压应力和环向剪应力，进而得出轴力和扭矩；同时本装置的应变片布置于钢质结构内部，性能稳定，不易损坏。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：包括安装于电机与电机固定底座之间的受力应变筒，所述的受力应变筒包括筒体、固定在筒体顶端的固定板以及固定在筒体底端的法兰板，所述的筒体由与固定板相连的第一筒体以及与法兰板相连的第二筒体组成，所述的固定板、第一筒体、第二筒体及法兰板为一体结构，且整体形成顶端封闭、底端敞口的筒状空腔结构，所述的第一筒体与第二筒体的内径相等，所述第一筒体的外径小于第二筒体的外径，所述固定板的直径与第一筒体的外径相吻合，所述第一筒体的内壁上设有剪力应变片及轴向压力应变片，所述的剪力应变片及轴向压力应变片沿第一筒体的内壁均匀间隔布置且所处的高度相同，所述第二筒体的内壁上设有压力对比应变片及轴向压力温度补偿应变片，所述的压力对比应变片及轴向压力温度补偿应变片沿第二筒体的内壁均匀间隔布置且所处的高度相同，所述的压力对比应变片及轴向压力温度补偿应变片分别位于剪力应变片及轴向压力应变片的正下方，所述的剪力应变片、轴向压力应变片、压力对比应变片以及轴向压力温度补偿应变片分别设置两组，每组剪力应变片设置两个，每组中的轴向压力应变片、压力对比应变片以及轴向压力温度补偿应变片分别设置一个。

两组所述的剪力应变片及两组所述的轴向压力应变片均位于第一筒体内壁的中间高度，且每组中的两个剪力应变片沿水平线镜像设置且与水平线的夹角分别为±45°，每组中的两个剪力应变片与水平线的交点重合。

两组所述的压力对比应变片及两组所述的轴向压力温度补偿应变片均位于第二筒体内壁的中部高度。

所述的剪力应变片、轴向压力应变片、压力对比应变片及轴向压力温度补偿应变片均为箔式电阻应变片，其中：轴向压力温度补偿应变片中电阻丝的设置方向与受力应变筒的轴线相垂直，压力对比应变片及轴向压力应变片中电阻丝的设置方向与受力应变筒的轴线相平行。

所述第一筒体与第二筒体的壁厚比小于1：2，所述第二筒体与第一筒体的横截面的比大于2.5：1。

所述的固定板与电机固定底座通过螺钉连接，所述的固定板上设有与电机固定底座相连的螺孔，所述法兰板的外径大于第二筒体的外径，所述法兰板的内径小于第二筒体的内径，所述的法兰板与电机定子焊接相连。

所述受力应变筒为钢制应变筒。

由上述技术方案可知，本实用新型通过在受力应变筒的内壁上分别设置剪力应变片、轴向压力应变片、压力对比应变片以及轴向压力温度补偿应变片，可实时动态测量电机所受的轴向压力和输出扭力，且测量的准确度更高，功能更全面。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是本实用新型的使用状态图；

图4是本实用新型扭矩测量时的电路示意图；

图5是本实用新型轴力对比测量时的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1、图2、图3所示的一种动态测量电机实时应力的装置，包括安装于电机与电机固定底座之间的受力应变筒，优选的，受力应变筒为钢制应变筒，可采用45#钢制成。受力应变筒包括筒体1、固定在筒体1顶端的固定板2以及固定在筒体1底端的法兰板3，筒体1由与固定板2相连的第一筒体11以及与法兰板3相连的第二筒体12组成，固定板2、第一筒体11、第二筒体12及法兰板3为一体结构，且整体形成顶端封闭、底端敞口的筒状空腔结构，第一筒体11与第二筒体12的内径相等，第一筒体11的外径小于第二筒体12的外径，固定板2的直径与第一筒体11的外径相吻合。具体地说，整个受力应变筒为空腔结构，内部直径均匀，外部采用变截面设计，共包括四段：即固定板2形成结构固定端a，第一筒体11形成应变测量段b，第二筒体12形成温度补偿段c，法兰板3形成电机连接段d，也就是整个受力应变筒采用四段式的连接结构，其优点在于：1)应变测量段b抗压刚度小于温度补偿段c的40％，易产生可监测的应变量；温度补偿段c的变形量较小，作为温度补偿片的载体更稳定；2)采用简单的结构实现多重功能，能够监测轴向应变、剪应变、温度补偿、轴向应变对比；3)结构紧凑，方便加工，可根据电机大小、使用空间调整设计；4)温度补偿段c紧邻应变测量段b，可将温度差异影响最小化。

进一步的，第一筒体11的内壁上设有剪力应变片4及轴向压力应变片5，剪力应变片4及轴向压力应变片5沿第一筒体11的内壁均匀间隔布置且所处的高度相同，第二筒体12的内壁上设有压力对比应变片6及轴向压力温度补偿应变片7，压力对比应变片6及轴向压力温度补偿应变片7沿第二筒体12的内壁均匀间隔布置且所处的高度相同，压力对比应变片6及轴向压力温度补偿应变片7分别位于剪力应变片4及轴向压力应变片5的正下方，剪力应变片4、轴向压力应变片5、压力对比应变片6以及轴向压力温度补偿应变片7分别设置两组，每组剪力应变片4设置两个，每组中的轴向压力应变片5、压力对比应变片6以及轴向压力温度补偿应变片7分别设置一个，即一共设置四个剪力应变片4、两个轴向压力应变片5、两个压力对比应变片6以及两个轴向压力温度补偿应变片7，两组剪力应变片4间隔180度对称设置，两组轴向压力应变片5间隔180度对称设置，且与剪力应变片4间隔90度；两组压力对比应变片6间隔180度对称设置，两组轴向压力温度补偿应变片7间隔180度对称设置，且与压力对比应变片6间隔90度。压力对比应变片6用于检测应变压力筒温度补偿段c的轴向应变，与应变测量段b的应变值进行对比，检验轴向应力测量的可靠性。

各应变片之间的连接关系如下：

一、轴力测量。

两组轴向压力应变片5与两组轴向压力温度补偿应变片7组成一个全桥电路，轴向压力应变片5与轴向压力温度补偿应变片7互相间隔相连，接入测量仪器。

二、扭矩测量。

两组剪力应变片4组成一个全桥电路，同一组内的应变片相邻连接，接入测量仪器。

全桥电路示意图如图4所示，其中：e为电桥电压，e0为输出电压；压应变测量时，轴向压力温度补偿应变片置于rg2和rg4位置；剪应变测量时，rg1、rg2为一组，rg3、rg4为一组。

三、轴力对比测量。借助两个等值固定电阻r，将两组压力对比应变片6接入一个全桥电路，连接测量仪器。

轴力对比测量的电路示意图如图5所示，图中：e为电桥电压，e0为输出电压；压力对比应变片置于rg1和rg2位置。

进一步的，第一筒体11与第二筒体12的壁厚比小于1：2，第二筒体12与第一筒体11的横截面的比大于2.5：1，由于温度补偿段c较应变测量段b的应变小很多，且轴向压力温度补偿应变片已按照消除应变影响的方向布置，因此轴向压力温度补偿应变片是可靠适用的。

进一步的，两组剪力应变片4及两组轴向压力应变片5均位于第一筒体11内壁的中间高度，且每组中的两个剪力应变片4沿水平线镜像设置且与水平线的夹角分别为±45°，每组中的两个剪力应变片4与水平线的交点重合。此种布置方式可消除导线的温度影响，可消除整体弯曲应变与压缩拉伸应变，最终通过标定弹性模量计算所受扭转力大小。

进一步的，两组压力对比应变片6及两组轴向压力温度补偿应变片7均位于第二筒体内壁的中部高度。

进一步的，剪力应变片4、轴向压力应变片5、压力对比应变片6及轴向压力温度补偿应变片7均为箔式电阻应变片，其中：轴向压力温度补偿应变片7中电阻丝的设置方向与受力应变筒的轴线相垂直，压力对比应变片6及轴向压力应变片5中电阻丝的设置方向与受力应变筒的轴线相平行。

固定板2与电机固定底座通过螺钉连接，固定板2上设有与电机固定底座相连的螺孔21，法兰板3的外径大于第二筒体12的外径，法兰板3的内径小于第二筒体12的内径，法兰板3与电机定子100焊接相连。

下面通过本实用新型典型的连接方式来进行工作原理的说明：

使用时，电动机通过本装置连接于支座或底座，电动机输出轴、连接件与减速箱连接，减速箱通过夹具连接钻杆。

一、钻杆所受轴向压力或拉力，通过减速箱、电机传递至受力应变筒，受力应变筒发生压缩或拉伸应变，进而计算轴向压力或拉力量值。轴向压力温度补偿应变片电阻丝垂直于应力轴方向，且温度补偿段变形量小于应变测量段，因此认为温度补偿应变片应变量为0。

在全桥电路中，电桥电压e，输出电压e0，应变计算公式为：

ε0＝2e0/(eks)；

其中：ks为应变片的应变率。

整体受压力计算公式为：

n＝ε0eta；

其中：n为压力，et为应变筒材料弹性模量，a为应变筒截面积。

二、轴向压力对比。

同样的，采用全桥电路获取参数，计算公式同上。不同的是，应变筒截面积(a)采用温度补偿段的截面积。通过压力对比值，检验应变测量段轴向应力的准确度。

三、扭力计算。钻杆在工作时，遇到各种摩擦或阻力，电机输出的扭矩不同。通过剪力应变片的应变量，结合事先检测标定过的应变筒抗扭刚度，计算输出扭力的量值。

在全桥电路中，电桥电压e，输出电压e0，剪应变计算公式为：

ε0＝e0/(eks)；

其中：ks为应变片的应变率。

整体扭力计算公式为：

t＝ε0gip＝ε0kg；

其中：t为扭力，g为应变筒材料剪切模量，ip为应变筒截面极惯性矩，kg为检测标定抗扭刚度系数。

实施例：

本实用新型的受力应变筒采用45号钢，高度50mm，其中应变测量段b高度27mm，外径50mm；温度补偿段c高度12mm，外径60mm；由固定板2、第一筒体11、第二筒体12及法兰板3围合的圆柱形空腔内径42mm，高度39mm。按照上述布置方式安装四种电阻应变片，并对压力应变筒进行压力、扭转标定，得到抗压刚度系数与抗扭刚度系数。上述所有应变片各项参数相同，具体如下：

应变片面积3*5mm，测量结构材质康铜，载体材质聚酰亚胺，厚度45μm，标称电阻120，工作温度范围-10～115℃，温度系数(115±10)*10^-6/k，基准温度时的弯折最小曲率半径10mm，机械滞后0.5～1μm/m。

将设备安装至一台小型钻机支架上，安装电机、柱状行星轮减速箱、钻杆夹具，连接电阻应变片至数据采集器，采集器通过数据线连接已编程单片机。电机、仪器设备使用18v磷酸铁锂电池供电。使用该钻机到郊外土层进行钻探测试，钻孔进尺3.5m，上部1.5m土层显示扭矩为2～5n·m，压力19～35n，轴向对比压力为20～37n；下部2.5m土层显示扭矩为5～20n·m，压力30～80n，轴向对比压力为31～79n。与其它外置式扭力计、压力计对单独钻杆的测量数据非常接近。同时，本装置的轴向对比压力与主测压力差异很小，最大差异约5％。以上情况说明压应力测量值是准确可靠的。随后，在钻孔附近继续进行试钻，显示的各项数据较为稳定，具有很强的相似性，与其它外置式扭力计及压力计独立测量数据的差异为3～5％。

综上，本实用新型的动态测量电机实时应力装置具有良好的稳定性和适应性，能准确、实时测量应变筒的应变值，实时计算并显示电机所受轴向压力(拉力)及扭力。

本实用新型的有益效果在于：1)本实用新型可实时动态测量电机所受的轴向压力和输出扭力；2)本实用新型分别设置剪力应变片、轴向压力应变片、压力对比应变片以及轴向压力温度补偿应变片，测量的准确度更高，功能更全面；3)本实用新型剪力应变片与轴向压力应变片的布置方式，可准确测量剪应变和轴向压应变，进而得出电机的扭力和轴向压力；4)本实用新型的外形紧凑，结构合理。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。