基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，通过卡环、位移测量臂及位移参考臂、辅助支撑、约束阻尼器等机构，巧妙地将对旋转轴扭矩的测量转换为对轴上两点相对位移的测量。相对位移测量采用反射式电涡流位移传感器，具有抗灰尘、油污、烟雾、潮湿等恶劣环境的能力，并且具有很高的位移测量分辨率和精度，可以随时进行零位标定，并进行正反向在线测试，特别适合轴径大、刚度强、扭转角特别小、工作环境恶劣的情况使用。本发明同时通过梯形梁、约束阻尼层、辅助支撑和自由端加约束阻尼器等综合措施，最大限度减小振动对测试结果的影响，提高测试精度。
【专利说明】基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扭矩测试方法，特别涉及一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法。
【背景技术】
[0002]扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。常用的旋转轴扭矩测量方法主要有应变式和转角式。应变型采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理，此种传感器因成本低廉和操作简便广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上，缺点是湿度、温度、振动等会影响传感器的寿命和工作可靠性，且需要妥善解决在旋转条件下的可靠供电和信号传输问题。转角型实质是通过测量轴的扭转变形角来间接测量扭矩，一般可以实现非接触测量，但由于一般转轴的刚度都很大，实际产生的扭转变形角非常小，对机器微小变形角的准确测量是转角式扭矩测试方法的关键。
[0003]经对现有技术的文献检索发现，现有测量轴扭转变形的主要方法是通过在轴上沿轴向一定距离安装两组栅式(容栅、磁栅、光栅)传感器，轴旋转时通过测量两路脉冲信号的相位差来解算轴的扭转变形角和扭矩，如中国专利“等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法CN201210388605.3”和吉小军等人发表的论文” 一种轴扭转变形动态测量系统的设计及实现”，以反射式激光测头和制作在旋转轴上的色标带构成敏感转速和作用扭矩的色标传感器，通过FPGA计数原理检测两路脉冲信号的相位差。这种测试方法的缺点是现场使用时难以保持初始零位恒定、可靠性较差、抗干扰能力差，测量精度有限。
[0004]经对现有技术的文献检索发现，中国专利“扭转角变形测量仪(CN200520034454.7)”和“扭转角的激光测量装置CN91222479.7”分别公开了采用百分表和激光测量装置测量轴变形角的方法，但这种方式只能用于静态轴的扭转角的测试，不适合旋转轴使用。
【发明内容】
[0005]本发明是针对大型转轴动态扭矩的现场测量困难的问题，提出了一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，通过电涡流位移传感器测量轴扭转变形，进而间接测量转轴扭矩的测试方法，尤其适合大型转轴和恶劣的工业现场使用。
[0006]本发明的技术方案为:一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，具体包括如下步骤:
O建立基于相对位移测量的扭矩测试装置:包括被测转轴、左右卡环、辅助支撑、位移测量臂、参考臂、约束阻尼器、电涡流位移传感器以及测量电路；
左右卡环分别固定于被测转转轴的两端，辅助支撑位于左右卡环两者中间位置，卡装于被测转轴上；位移测量臂和参考臂的粗端分别通过左右卡环与被测转轴固联，随转轴一同旋转； 位移测量臂和参考臂的另一端细端自由放置在辅助支撑上，成为自由端，静止时，位移测量臂和参考臂互相平行，并同时平行与测转转轴轴线，运动时，位移测量臂和参考臂的自由端可沿支撑弧面自由滑动；位移测量臂的自由端面向参考臂上安装反射式电涡流位移传感器，参考臂的自由端面向位移测量臂处安装铜质的感应圆盘，形成对涡流位移传感器的参考点；
在位移测量臂和参考臂的自由端外侧分别设置相同的约束阻尼器，约束阻尼器的外壳固联于辅助支撑上，电涡流位移传感器安装在位移测量臂的自由端，与参考臂自由端构成测量位移的相对参考点；
2)测量电路固定在被测转轴上，输出激励到涡流传感器，获取传感器的输出信号，在转轴静止或者没有扭矩载荷的情况下，电涡流位移传感器的输出对应系统零位，对系统零点进行标定；
3)工作时被测转轴在被扭矩载荷作用下发生扭转变形，带动位移测量臂和参考臂发生相对移动，电涡流位移传感器与参考臂上铜质圆盘参考点的相对距离发生变化，在正向扭矩或反向扭矩作用下，电涡流位移传感器信号输出与位移成比例关系电压信号，测量电路实时采集电涡流位移传感器信号；
4)垂直与轴向的位移与扭矩载荷成正比，比例系数由测量构件决定，测量电路根据采集信号计算出实时扭矩载荷数据，通过无线方式发送出去。
[0007]所述约束阻尼器可选机械阻尼或液体阻尼，根据测量范围和分辨率要求选择阻尼器性能参数。
[0008]所述位移测量臂和参考臂结构相同，采用了高刚度的梯形梁结构，梁结构表面设置约束阻尼层和粘弹层，受到振动作用时，阻尼层发生剪切变形使机械振动的能量转化成热能。
[0009]所述被测轴上的辅助支撑上固联一对约束阻尼器，一对约束阻尼器一端固定在辅助支撑上，另一端固定在测量臂和参考臂上。
[0010]本发明的有益效果在于:本发明基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，不用于传统的应变或相位差测试思路，而转换为位移的测量。与现有技术相比，电涡流位移传感器具有很强的环节适应能力，具有抗灰尘、油污、烟雾、潮湿等恶劣环境的能力，因而适合恶劣的工业现场使用，具有很高的可靠性和长期稳定性；电涡流位移传感器具有很高的位移测量分辨率和精度，商用的传感器在小量程范围很容易达到0.0lum的测量精度。因而适合大轴径尺寸的微小扭转变形的高精度测试；测试系统的定标和零位校正容易实现，可以在静态条件下随时进行零位标定，不同于相位差式测量方法，必须在轴空载旋转条件下才能校准零位。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明测量原理示意图；
图2为本发明基于相对位移测量的扭矩测试方案示意图；
图3为本发明参考臂结构示意图；
图4为本发明约束阻尼器及其连接示意图；
图5为本发明测量电路功能模块图。【具体实施方式】
[0012]如图1所示本发明测量原理示意图，对于转轴上相距一定距离L的两个点A、B，当轴以一定的扭矩负荷旋转时，A、B两点会产生相对扭转变形。在轴向距离L上产生的相对扭转变形角Θ:
Θ=ML / JG
式中=J为被测轴截面的极惯性矩;M为扭矩载荷；G为轴剪切弹性模量。
[0013]由于变形角Θ非常小，它和垂直与轴向的位移变形As之间的关系可以等效为:
【权利要求】
1.一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)建立基于相对位移测量的扭矩测试装置:包括被测转轴、左右卡环、辅助支撑、位移测量臂、参考臂、约束阻尼器、电涡流位移传感器以及测量电路； 左右卡环分别固定于被测转转轴的两端，辅助支撑位于左右卡环两者中间位置，卡装于被测转轴上；位移测量臂和参考臂的粗端分别通过左右卡环与被测转轴固联，随转轴一同旋转； 位移测量臂和参考臂的另一端细端自由放置在辅助支撑上，成为自由端，静止时，位移测量臂和参考臂互相平行，并同时平行与测转转轴轴线，运动时，位移测量臂和参考臂的自由端可沿支撑弧面自由滑动；位移测量臂的自由端面向参考臂上安装反射式电涡流位移传感器， 参考臂的自由端面向位移测量臂处安装铜质的感应圆盘，形成对涡流位移传感器的参考点； 在位移测量臂和参考臂的自由端外侧分别设置相同的约束阻尼器，约束阻尼器的外壳固联于辅助支撑上，电涡流位移传感器安装在位移测量臂的自由端，与参考臂自由端构成测量位移的相对参考点； 2)测量电路固定在被测转轴上，输出激励到涡流传感器，获取传感器的输出信号，在转轴静止或者没有扭矩载荷的情况下，电涡流位移传感器的输出对应系统零位，对系统零点进行标定； 3)工作时被测转轴在被扭矩载荷作用下发生扭转变形，带动位移测量臂和参考臂发生相对移动，电涡流位移传感器与参考臂上铜质圆盘参考点的相对距离发生变化，在正向扭矩或反向扭矩作用下，电涡流位移传感器信号输出与位移成比例关系电压信号，测量电路实时采集电涡流位移传感器信号； 4)垂直与轴向的位移与扭矩载荷成正比，比例系数由测量构件决定，测量电路根据采集信号计算出实时扭矩载荷数据，通过无线方式发送出去。
2.根据权利要求1所述基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，其特征在于，所述约束阻尼器可选机械阻尼或液体阻尼，根据测量范围和分辨率要求选择阻尼器性能参数。
3.根据权利要求1所述基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，其特征在于，所述位移测量臂和参考臂结构相同，采用了高刚度的梯形梁结构，梁结构表面设置约束阻尼层和粘弹层，受到振动作用时，阻尼层发生剪切变形使机械振动的能量转化成热能。
4.根据权利要求1所述基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，其特征在于，所述被测轴上的辅助支撑上固联一对约束阻尼器，一对约束阻尼器一端固定在辅助支撑上，另一端固定在测量臂和参考臂上。
【文档编号】G01L3/00GK104019929SQ201410259311
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】齐红丽, 吉小军, 江舒, 戚培芸, 冯伟, 林杰俊 申请人:中国船舶重工集团公司第七0四研究所