专利名称：模拟大型轴动态参数的检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种为研究大直径金属轴的能量转移特性所需的检测装置及其方法，尤其涉及一种模拟大型轴动态参数检测装置及其方法。
背景技术：
目前，对于大型轴动态参数检测主要采用应变片法，该方法将应变片用环氧树脂胶贴在被测轴的表面上，当轴受力，轴向和径向发生形变时，电桥电阻值发生变化。通过对电桥电阻值检测可以计算出大型轴动态变形参数。其不足之处是(1)装置的工艺和结构较复杂；(2)由于需要计算(微机)相对时实性较差，因此检测的数据精度较低，(3)由于动力轴上没有电能，检测信号需要通过滑环引出，因此不能采用无线信号传输的形式。上述现有技术不能广泛地应用于大型轴动态参数检测的实际当中，根据市场需求急需开发一种结构简单、检测准确并能采用无线信号传输的大型轴动态参数检测装置及其相应的检测方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟大型轴动态参数的检测装置及其方法，本发明借鉴了交流旋转变压器的原理来解决能量传递的问题，主要采用以中心频率为基础检测频率的变化量来确定大型轴动态参数，综合地应用了机械传动、变频技术、能量转换和信号传输等技术，能保证大型轴中、低速安全运行，从而解决了无接触式旋转体动态参数的传输问题。
为了解决上述技术问题，本发明模拟大型轴动态参数的检测装置包括驱动单元、模拟轴本体单元和参数检测器；所述模拟轴本体单元包括模拟金属轴体、轴体支撑移动架和刹车制动装置；所述模拟金属轴体的两端设置在轴体支撑移动架上，位于所述轴体支撑移动架的下部设置有平衡系统；所述参数检测器设置在所述模拟金属轴体径向外围处，所述参数检测器包括电源、传感器、信号处理发射单元和信号接收器；所述参数检测器的电源由设置在传导支架上的能量传递单元通过无线传导到所述的模拟金属轴体上，所述能量传递单元包括能量传递块和铁芯；所述传感器与轴平行地固定在传导支架上，将轴的轴向变形和径向信号检测出来，通过信号处理发射单元将变化的信号频率无线传输出来；所述信号处理发射单元包括所述信号处理发射单元包括桥式整流电路、信号放大电路、信号处理电路、混频电路、功放电路、无线发射电路、信号调制电路和本级振荡电路；所述桥式整流电路由桥式整流器D1和电容C1、C22、C19及U1组成，其功能是将交流电压转换成直流电压，经过C1、C19、C22滤波，再经过U1稳压，为整个电路提供工作电压；所述信号放大电路由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出；所述信号处理电路由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路109和信号放大电路103两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到调制电路108；所述信号调制电路由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，它将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到BG2的输入端；所述功放电路由电感RFC、电容C13、C14和C15及BG2组成，它将C12送来的混频后的信号进行放大，然后送到无线发射电路；所述无线发射电路由三极管BG3、电阻R19和电容C17及铁心B和发射天线组成，它将放大器放大后的信号经过BG3送到变压器B中然后通过天线AN发射；所述本级振荡电路采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到U1A的第2脚；所述能量传递单元是由T1完成能量传递功能，即，将电能无线传导到所述的桥式整流电路上，电能无线传导到所述的信号处理发射单元上，传感器通过所述的信号处理发射单元将信号放大、调制，并发射动态参数信号；所述驱动单元包括输入电源、变频器、输出电源和变频电机；所述刹车制动装置设置在所述模拟金属轴体的一端；所述模拟金属轴体的另一端与驱动单元连接；或所述模拟金属轴体的另一端通过皮带减速器与驱动单元连接。
本发明模拟大型轴动态参数的检测装置中，所述交流电动机采用三相交流异步电动机，功率大于或等于5KW；额定转速小于或等于1440r/min。所述变频器的容量大于或等于7KW；输入电压为三相380V；变频器输出频率在小于60Hz的范围内连续可调；所述变频器的工作方式采用中短时工作制，其连续性工作小于或等于8小时。所述模拟金属轴本体长度小于或等于1900mm，其高度小于或等于560mm；所述模拟金属轴体为实心结构；所述模拟金属轴体材料采用40Cr材料；所述模拟金属轴体的长度大于或等于1500mm；所述模拟金属轴的最大直径为小于或等于300mm。所述刹车制动装置采用手动液压刹制动装置，包括液压缸、刹车盘、刹车片和操作机构；利用所述手动液压刹制动装置模拟机械负载，对手动液压刹制动装置施加不同压力，传递到模拟轴体上，形成反向的转动力矩，当此时模拟轴体的转速将会有所下降，从而实现预定的设计功能；当所述模拟金属轴体与驱动单元直接相连时，所述模拟金属轴体的转速将会有所下降，从而实现预定的设计功能；当所述模拟金属轴体是通过皮带减速器与驱动单元连接时，驱动单元将会加大输入电功率，从而实现预定的设计功能。所述轴体支撑移动架包括位于模拟金属轴体两端的移动架和移动架下方的支架轮。
利用本发明模拟大型轴动态参数的检测装置的方法，包括以下步骤(1)按照设定参数，将系统运转起来；(2)启动能量传导电路，将电能无线传导到传感器和信号处理发射单元上；(3)利用刹车制动装置对模拟金属轴逐渐加载，使之达到稳定值；(4)传感器将信号放大、调制，并通过信号处理发射单元发射动态参数信号；(5)通过动态参数信号接收器接收上述动态参数信号；(6)动态参数接收器将上述动态参数信号进行放大整形并传送到计算机系统；(7)计算机系统对上述信号进行数据处理后输出结果。
与现有技术相比，本发明模拟大型轴动态参数的检测装置及其方法具有的有益效果是本发明大型轴动态检测的装置及其方法与采用应变片法比较，具有结构简单、检测数据准确、无线信号传输的优点。特别适用于大型轮船，军舰的动力轴的动态参数的检测。
图1是本发明模拟大型轴动态参数的检测装置的主视图；图2是图1所示检测装置的左视图；图3是利用本发明模拟大型轴动态参数的检测方法流程图；图4是本发明模拟大型轴动态参数的检测装置中信号处理发射单元的电路原理图；图5是本发明模拟大型轴动态参数的检测装置中信号处理发射单元的结构框图。
下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明100——驱动单元200——模拟轴本体单元300——参数检测器1——轴承盒2——模拟金属轴 3——支架轮4——能量传递块5——铁心6——传导支架7——传感器8——信号处理发射单元9——变频器10——变频电机11——平衡杆 12——输入电源13——输出电源14——轴体支撑移动架 15——刹车制动装置16——刹车盘 17——地脚稳定支架102——桥式整流电路103——信号放大电路 104——信号处理电路 105——混频电路106——功放电路 107——无线发射电路 108——信号调制电路109——本级振荡电路具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明模拟大型轴动态参数的检测装置包括驱动单元100、模拟金属轴本体单元200和参数检测器300。
所述驱动单元100包括输入电源12、变频器9、输出电源13和变频电机10。所述变频器9的容量大于或等于7KW；输入电压为三相380V；输出频率在小于60Hz的范围内连续可调；所述变频器9的工作方式采用中短时工作制，其连续性工作小于或等于8小时。所述变频电机10采用三相交流异步电动机，功率大于或等于5KW，额定转速小于或等于1440r/min。
所述模拟金属轴本体单元200包括模拟金属轴体2、轴体支撑移动架14和刹车制动装置15；所述模拟金属轴本体200长度小于或等于1900mm，其高度小于或等于560mm；所述所述模拟金属轴体2为实心结构；所述模拟金属轴体2的材料采用40Cr材料；所述模拟金属轴体2的长度大于或等于1500mm；所述模拟金属轴体2的最大直径为小于或等于300mm。所述模拟金属轴体2的两端通过轴承盒1设置在轴体支撑移动架14上，所述轴体支撑移动架14包括位于模拟金属轴体2两端的移动架和移动架下方的支架轮3，设计上要求轴体支撑移动架14结实可靠，可以移动。位于所述轴体支撑移动架14的下部设置有平衡系统。所述刹车制动装置15设置在所述模拟金属轴体2的一端；所述模拟金属轴体2的另一端与驱动单元100连接；或所述模拟金属轴体2的另一端通过皮带减速器与驱动单元100连接。所述刹车制动装置15采用手动液压刹制动装置，包括液压缸、刹车盘、刹车片和操作机构；利用所述手动液压刹制动装置模拟机械负载，对手动液压刹制动装置施加不同压力，传递到模拟轴体上，形成反向的转动力矩，当所述模拟金属轴体2与驱动单元100直接相连时，此时，当所述模拟金属轴体2是通过皮带减速器与驱动单元100连接时，驱动单元100将会加大输入电功率，从而实现预定的设计功能。所述手动液压制动装置可从零制动、线性减速制动、停转制动之间，并连续性可控。
所述参数检测器300设置在所述模拟金属轴体2径向的外围处，由能量传递块4、铁心5、传导支架6、传感器7、信号处理发射单元8和动态参数接收器。该接收器是由深圳鼎元微电有限公司生产的，其型号为DYJS-002型。所述动态参数接收器采用无线接收形式，其频点为2.3G～2.5G，以0.5为一步进，共分为5档。所述动态参数接收器与微机系统连接，通过导线将接收到的动态参数信号传给计算机进行数据处理。
所述参数检测器300的电源由设置在传导支架6上的能量传递单元通过无线传导到所述的模拟金属轴体2上，所述能量传递单元包括能量传递块4和铁芯5；所述传感器7与模拟金属轴体2平行地固定在传导支架6上，将模拟金属轴体2的轴向变形和径向变形信号检测出来，通过信号处理发射单元8，将变化的信号频率无线传输出来，由动态参数接收器接受进行信号数据处理。
如图5所示，本发明中所述信号处理发射单元包括桥式整流电路102、信号放大电路103、信号处理电路104、混频电路105、功放电路106、无线发射电路107、信号调制电路108和本级振荡电路109。
如图4所示，所述桥式整流电路102由桥式整流器D1和电容C1、C22、C19及U1组成，其主要功能是将交流电压转换成直流电压，经过C1、C19、C22滤波，再经过U1稳压，为整个电路提供工作电压。
所述信号放大电路103由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出。
所述信号处理电路104由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路105由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路109和信号放大电路103两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到信号调制电路108。
所述信号调制电路108由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，该电路将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到BG2的输入端。
所述功放电路106由电感RFC、电容C13、C14和C15及BG2组成，将C12送来的混频后的信号进行放大，然后送到无无线发射电路107。
所述无线发射电路107由三极管BG3、电阻R19和电容C17及铁心B和发射天线组成，它将放大器放大后的信号经过BG3送到变压器B中，然后，通过天线AN发射。
所述本级振荡电路109采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到U1A的第2脚；所述能量传递单元是由T1完成能量传递101功能，即将电能无线传导到所述的桥式整流电路102上，传感器通过所述的信号处理发射单元8将信号放大、调制，并发射动态参数信号。至此，完成了一个工作循环。
由于本发明模拟大型轴动态参数的检测装置的重量比较大，为了安全以及便于搬运和安装，分为两部分设计。其中，一部分为模拟金属轴本体单元200，另一部分为驱动单元100。本发明装置通过简单的机械联结，可以方便的形成一个整体而进入可运行的初始状态，或通过简单的机械分解，又可以较方便的形成两个或几个便于移动的部件。本发明中的皮带减速器被上述的模拟金属轴本体单元200和驱动单元100所分解，所述皮带减速器的减速比大于或等于3∶1，但在准许的条件下可作适当的提高；其皮带根数多于或等于2条。为能使模拟金属轴本体单元200和驱动单元100这两大部分便于组合与分解，确定这两各单元的联机距离是以皮带减速器便于安全可靠的安装及运行皮带为原则。
本发明模拟大型轴动态参数的检测装置的环境适应性指标分别为使用温度——室内温度；使用环境——室内使用；适应湿度——室内湿度。负载关系为负载性质——刹车制动装置15本发明装置的负载；带载寿命——可重复性刹车使用次数大于或等于10000次；带载状态——短时制及瞬时制为分秒量级。
如图3所示，利用本发明模拟大型轴动态参数的检测装置的方法包括以下步骤(1)按照设定参数，诸如模拟金属轴2的转速值、旋转方向和负载力矩等参数，将系统运转起来；(2)启动能量传递电路，将电能无线传导到传感器7和信号处理发射单元8上；(3)利用刹车制动装置15，可采用手动液压加载系统对模拟金属轴2逐渐加载，使之达到稳定值；
(4)传感器7检测，将信号放大、调制，并通过信号处理发射单元发射动态参数信号；(5)通过动态参数信号接收器接收由无线传输的上述动态参数信号；(6)动态参数接收器将接收到的上述动态参数信号进行放大整形传送到计算机系统；(7)计算机系统在接收到由动态参数信号接收器传送的信号后，进行数据处理，最终将结果显示在显示器上，并打印输出，至此，本发明模拟大型轴动态参的数检测装置在模拟金属轴2上标定完毕；(8)应用到实际的大型动力轴动态参数的检测中，本发明装置中的传感器从模拟金属轴2上取下，安装在真正需要检测的动力轴上就能监测大型轴动态参数。
利用本发明模拟大型轴动态参数的检测装置进行检测的工作过程如下。
首先，将模拟轴本体单元200与驱动单元100安装后，在检查其拖动皮带安装是否安全牢固，确认后，当设置转速在500r/min以下时，将轴体支撑移动架14的四个地脚稳定支架17右旋，利用平衡杆11调整，使整个系统处于水平状态，用手用力推动模拟金属轴2使其旋转，再检查各个部分的机械的安装是否合适，尤其是拖动皮带部分，并进一步检查电力驱动单元100的电气线路的连接和状态设定是否正确完成，确认后方可进行电动力拖动。当设置转速在500r/min以上时，四个地脚稳定支架17与四支架轮3必须卸掉，轴体支撑移动架14与地面用螺钉连接，并利用平衡杆11找水平。确认后，方可进行电动力拖动。
为了在模拟各种实际转速和瞬时大阻力的条件下，实现模拟金属轴2对机械动力传递的仿真环境。先将模拟金属轴2的实际工作转速折算到电动机和变频器的预设定之中，模拟金属轴2的最高转速应限制在小于1440r/min以内。当变频器将(380V/50Hz)的三相交流电，转换为电动机所需要的供电频率(低于50Hz)，交流电动机以低于额定转速进行旋转，通过皮带轮减速器的降速变换，拖动模拟金属轴2进行旋转，刹车制动装置采用手动液压刹制动装置为模拟机械负载，用手动液压刹制动装置其实施不同压力，传递到模拟金属轴2上，形成反向的转动力矩，此时模拟金属轴2的转速将会有所下降，电力驱动单元100将会加大输入电功率，从而实现预定的设计功能。
为了在模拟超低转速和超低动能的条件下，实现模拟轴体对弱能量机械动能传递的仿真环境。将本发明装置中的减速皮带拆下，即可实现手推拖动模拟轴的功能。即，用手拖动模拟金属轴2进行旋转，手动液压刹制动装置为模拟机械负载，手动液压刹制动装置其实施不同压力，传递到模拟金属轴2上，形成反向的转动力矩，此时模拟金属轴2的转速将会有所下降，从而实现预定的设计功能。
为了保证模拟大型轴动态参数检测，必须将电能通过无线传导到旋转的模拟大型轴上。本发明中是由设置在传导支架6上的能量传递单元通过无线传导到所述的模拟金属轴体2上，所述能量传递单元包括能量传递块4和铁芯5。
进行信号检测时，将微变形传感器7与模拟金属轴2平行固定在传导支架6上，将模拟金属轴2的轴向变形和径向变形信号检测出来，通过信号处理发射单元8将变化的信号频率无线传输出来，并由动态参数信号接收器接收后传送给计算机系统，计算机系统将接收到的信号进行计算处理后显示输出或打印输出，至此完成了大型模拟轴动态参数的检测。参考输出的信息将本发明的装置应用到实际的大型动力轴动态参数的检测中。即，将本发明装置中的传感器从模拟金属轴2上取下，安装在真正需要检测的动力轴上，例如大型轮船或军舰的动力轴上，就能检测出大型轴动态参数。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种模拟大型轴动态参数的检测装置，其特征在于，包括驱动单元、模拟轴本体单元和参数检测器；所述模拟轴本体单元包括模拟金属轴体、轴体支撑移动架和刹车制动装置；所述模拟金属轴体的两端设置在轴体支撑移动架上，位于所述轴体支撑移动架的下部设置有平衡系统；所述参数检测器设置在所述模拟金属轴体径向外围处，所述参数检测器包括电源、传感器、信号处理发射单元和信号接收器；所述参数检测器的电源由设置在传导支架上的能量传递单元通过无线传导到所述的模拟金属轴体上，所述能量传递单元包括能量传递块和铁芯；所述传感器与轴平行地固定在传导支架上，将轴的轴向变形和径向信号检测出来，通过信号处理发射单元将变化的信号频率无线传输出来；所述信号处理发射单元包括所述信号处理发射单元包括桥式整流电路、信号放大电路、信号处理电路、混频电路、功放电路、无线发射电路、信号调制电路和本级振荡电路；所述桥式整流电路由桥式整流器D1和电容C1、C22、C19及U1组成，其功能是将交流电压转换成直流电压，经过C1、C19、C22滤波，再经过U1稳压，为整个电路提供工作电压；所述信号放大电路由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出；所述信号处理电路由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路109和信号放大电路103两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到调制电路108；所述信号调制电路由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，它将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到BG2的输入端；所述功放电路由电感RFC、电容C13、C14和C15及BG2组成，它将C12送来的混频后的信号进行放大，然后送到无线发射电路；所述无线发射电路由三极管BG3、电阻R19和电容C17及铁心B和发射天线组成，它将放大器放大后的信号经过BG3送到变压器B中然后通过天线AN发射；所述本级振荡电路采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到U1A的第2脚；所述能量传递单元是由T1完成能量传递功能，即，将电能无线传导到所述的桥式整流电路上，电能无线传导到所述的信号处理发射单元上，传感器通过所述的信号处理发射单元将信号放大、调制，并发射动态参数信号；所述驱动单元包括输入电源、变频器、输出电源和变频电机；所述刹车制动装置设置在所述模拟金属轴体的一端；所述模拟金属轴体的另一端与驱动单元连接；或所述模拟金属轴体的另一端通过皮带减速器与驱动单元连接。
2.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述接收器的型号为DYJS-002型。
3.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述交流电动机采用三相交流异步电动机，功率大于或等于5KW；额定转速小于或等于1440r/min。
4.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述变频器的容量大于或等于7KW；输入电压为三相380V；变频器输出频率在小于60Hz的范围内连续可调；所述变频器的工作方式采用中短时工作制，其连续性工作小于或等于8小时。
5.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述模拟金属轴本体长度小于或等于1900mm，其高度小于或等于560mm；所述模拟金属轴体为实心结构；所述模拟金属轴体材料采用40Cr材料；所述模拟金属轴体的长度大于或等于1500mm；所述模拟金属轴的最大直径为小于或等于300mm。
6.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述刹车制动装置采用手动液压刹制动装置，包括液压缸、刹车盘、刹车片和操作机构；利用所述手动液压刹制动装置模拟机械负载，对手动液压刹制动装置施加不同压力，传递到模拟轴体上，形成反向的转动力矩，当此时模拟轴体的转速将会有所下降，从而实现预定的设计功能；当所述模拟金属轴体与驱动单元直接相连时，所述模拟金属轴体的转速将会有所下降，从而实现预定的设计功能；当所述模拟金属轴体是通过皮带减速器与驱动单元连接时，驱动单元将会加大输入电功率，从而实现预定的设计功能。
7.根据权利要求1所述的模拟大型轴动态参数的检测装置，其中，所述轴体支撑移动架包括位于模拟金属轴体两端的移动架和移动架下方的支架轮。
8.一种利用如权利要求1所述模拟大型轴动态参数的检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按照设定参数，将系统运转起来；(2)启动能量传导电路，将电能无线传导到传感器和信号处理发射单元上；(3)利用刹车制动装置对模拟金属轴逐渐加载，使之达到稳定值；(4)传感器将信号放大、调制，并通过信号处理发射单元发射动态参数信号；(5)通过动态参数信号接收器接收上述动态参数信号；(6)动态参数接收器将上述动态参数信号进行放大整形并传送到计算机系统；(7)计算机系统对上述信号进行数据处理后输出结果。
9.根据权利要求8所述的模拟大型轴动态参数的检测方法，其中，按照步骤(1)至(7)完成对模拟金属轴标定后，将本发明装置中的传感器从模拟金属轴上取下，安装在需要检测的动力轴上进行检测大型轴动态参数。
全文摘要
本发明公开了一种模拟大型轴动态参数的检测装置，解决了无接触式旋转体动态参数的传输问题。包括驱动单元、模拟轴本体单元和参数检测器；所述模拟轴本体单元包括模拟金属轴体、轴体支撑移动架和刹车制动装置；所述模拟金属轴体的两端设置在轴体支撑移动架上，位于所述轴体支撑移动架的下部设置有平衡系统；所述参数检测器设置在所述模拟金属轴体径向外围处，所述参数检测器的电源由设置在传导支架上的能量传递单元通过无线传导到所述的模拟金属轴体上，所述传感器与轴平行地固定在传导支架上，将轴的轴向变形和径向信号检测出来，通过信号处理发射单元将变化的信号频率无线传输出来。同时，本发明还公开了使用该装置进行检测的方法。
文档编号G08C19/12GK1776758SQ20051001645
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月28日 优先权日2005年11月28日
发明者姜印平, 张健, 郝莹, 金文 , 卫立珩 申请人:天津大学