内燃动力总成轴系扭矩测试方法及装置与流程

本发明涉及轨道车辆扭矩测试技术领域，尤其涉及一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法及装置。

背景技术：

内燃动车组的内燃动力总成轴系包括内燃机主轴与发电机主轴，两者之间通过联轴器连接，即内燃机主轴的输出端与联轴器主动端固定连接，联轴器被动端与发电机主轴的输入端固定连接。且内燃机主轴的输出端固定设置飞轮，飞轮质量较大，可以储能，从而可以提高内燃动力总成轴系运行的平稳性。另外，在内燃机主轴背离输出端的自由端套设有自由端齿轮，自由端齿轮可以与电机或马达连接，充分利用内燃机主轴的动能，提高能源的利用率。动车组的内燃动力总成轴系的性能直接关系到动车组运营的可靠和安全，因此如何精确测量内燃动力总成轴系扭矩越来越重要。

现有技术中，轴系扭矩的测试主要是通过加装齿盘的方式来实现，即在内燃机主轴的输出端和发电机主轴的输入端分别固定有第一齿盘和第二齿盘，第一齿盘对应位置设置有第一磁电传感器，第二齿盘对应位置设置有第二磁电传感器，当轴系转动时，采集模块可以获取第一磁电传感器和第二磁电传感器测得的数据，处理模块可以根据该数据确定轴系的扭转角，进而获得转矩。

但是，由于联轴器具有较大的弹性，当内燃机主轴转动时，联轴器主动端同时转动，而联轴器被动端不会立即转动，只有当主动端转过一定角度后被动端才会转动，该角度被称为初始静扭角，并且由于初始静扭角的存在，使得内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端的相对扭转角较大。而现有技术加装齿盘的方式只适用于轴系的相对扭转角小于齿盘一个齿的角度，因此，当初始静扭角大于一个齿的角度时，测量结果不准。

技术实现要素：

本发明提供一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法及装置，以克服现有技术加装齿盘的方式无法准确测量联轴器两端扭矩的问题。

本发明提供一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法，包括：通过第一传感器获取固定于飞轮上的第一指针的第一转动信息；通过第二传感器获取联轴器被动端的第二指针的第二转动信息；且所述第一指针与所述第二指针之间具有第一预设角度；根据所述第一转动信息、所述第二转动信息和所述第一预设角度确定所述联轴器主动端与被动端的初始静扭角；通过第三传感器获取飞轮的第三转动信息；通过第四传感器获取联轴器被动端的第四转动信息；根据所述第三转动信息、所述第四转动信息确定扭角波动中间值；根据所述初始静扭角以及所述扭角波动中间值确定所述飞轮与所述联轴器被动端之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端之间的扭矩值。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试方法，其中，所述第一传感器为磁电传感器，所述第二传感器和所述第四传感器为同一个激光传感器，所述第三传感器为磁电传感器。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试方法，其中，所述第一预设角度为90度。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试方法，还包括：通过第五传感器获取固定于内燃机主轴自由端齿轮的第五转动信息；根据所述第三转动信息和所述第五转动信息确定所述内燃机主轴两端的相对扭角差，进而确定内燃机主轴两端的扭矩值。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试方法，其中，所述第五传感器为激光传感器。

本发明还提供一种内燃动力总成轴系扭矩测试装置，包括：采集模块，用于通过第一传感器获取固定于飞轮上的第一指针的第一转动信息；所述采集模块还用于通过第二传感器获取联轴器被动端的第二指针的第二转动信息；且所述第一指针与所述第二指针之间具有第一预设角度；处理模块，用于根据所述第一转动信息和所述第二转动信息确定所述联轴器主动端与被动端的初始静扭角；所述采集模块还用于通过第三传感器获取飞轮的第三转动信息；所述采集模块还用于通过第四传感器获取联轴器被动端的第四转动信息；所述处理模块还用于根据所述第三转动信息、所述第四转动信息确定扭角波动中间值；所述处理模块还用于根据所述初始静扭角以及所述扭角波动中间值确定所述飞轮与所述联轴器被动端之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端之间的扭矩值。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试装置，其中，所述第一传感器为磁电传感器，所述第二传感器和所述第四传感器为同一个激光传感器，所述第三传感器为磁电传感器。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试装置，其中，所述第一预设角度为90度。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试装置，所述采集模块还用于通过第五传感器获取固定于内燃机主轴自由端齿轮的第五转动信息；所述处理模块还用于根据所述第三转动信息和所述第五转动信息确定所述内燃机主轴两端的相对扭角差，进而确定内燃机主轴两端的扭矩值。

如上所述的内燃动力总成轴系扭矩测试装置，其中，所述第五传感器为激光传感器。

本发明提供的一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法及装置，通过获取飞轮上的第一指针的第一转动信息、联轴器被动端的第二指针的第二转动信息以及第一指针与第二指针之间的第一预设角度来确定联轴器主动端与被动端的初始静扭角，通过获取飞轮的第三转动信息以及联轴器被动端的第四转动信息来确定扭角波动中间值，并通过初始静扭角以及扭角波动中间值确定飞轮与联轴器被动端之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端之间的扭矩值，使得测得的结果更加准确。

附图说明

图1为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法实施例一的流程图；

图2为与图1对应的内燃动力总成轴系的结构示意图；

图3为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法实施例二的流程图；

图4为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法实的波形图；

图5为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试装置的结构示意图。

附图标记说明：

1：内燃机主轴；

11：自由端齿轮；

12：飞轮；

121：第一指针；

13：联轴器主动端；

2：发电机主轴；

21：联轴器被动端；

211：第二指针；

3：采集模块；

31：第一传感器；

32：第二传感器；

33：第三传感器；

34：第四传感器；

35：第五传感器；

4：处理模块。

具体实施方式

动车组的内燃动力总成主要包括内燃机、发电机、液压装置等部件，内燃动车组动力总成通过将内燃机燃烧产生的热能转换为扭转的机械能，再通过发电机转换为电能，用作动车组的牵引动力和辅助用电。在动车组运行、加速减速、启停过程中，需要内燃动力总成轴系能够稳定、准确的传递扭矩，所以内燃动力总成轴系工作扭矩直接关系到动车组运营的可靠和安全，精确测量内燃动力总成轴系扭矩是监测动力总成工况及故障诊断必不可少的工作。

动车组的内燃动力总成轴系包括内燃机主轴与发电机主轴，两者之间通过联轴器连接，即内燃机主轴的输出端与联轴器主动端固定连接，联轴器被动端与发电机主轴的输入端固定连接。且为了提高能源的利用率和运行的平稳性，通常在内燃机主轴的输出端固定设置飞轮，在内燃机主轴背离输出端的自由端套设有自由端齿轮。动车组的内燃动力总成轴系的性能直接关系到动车组运营的可靠和安全，因此如何精确测量内燃动力总成轴系扭矩越来越重要。

现有技术中，轴系扭矩的测试主要是通过加装齿盘的方式来实现，即在轴系的两端分别固定有第一齿盘和第二齿盘，第一齿盘对应位置设置有第一磁电传感器，第二齿盘对应位置设置有第二磁电传感器，当轴系转动时，采集模块可以获取第一磁电传感器和第二磁电传感器测得的数据，处理模块可以根据该数据确定轴系的扭转角，进而获得转矩。

但是，由于联轴器具有一定的弹性，当内燃机主轴转动时，联轴器主动端同时转动，而联轴器被动端不会立即转动，只有当主动端转过一定角度后被动端才会转动，该角度被称为初始静扭角。而现有技术加装齿盘的方式只适用于轴系的扭转角小于一个齿的角度，因此，当初始静扭角大于一个齿的角度时，测量结果不准。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法及装置，以准确测量内燃机主轴与发电机主轴之间的扭矩。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明不局限于下述的具体实施方式。

图1为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法实施例一的流程图；图2为与图1对应的内燃动力总成轴系的结构示意图。

请结合图1和图2，本实施例提供的内燃动力总成轴系扭矩测试方法包括：

步骤101，通过第一传感器31获取固定于飞轮12上的第一指针121的第一转动信息。

具体地，动车组的内燃动力总成轴系包括内燃机主轴1与发电机主轴2，两者通过联轴器固定连接，内燃机主轴1的输出端与联轴器主动端13固定连接，联轴器被动端21与发电机主轴2的输入端固定连接。另外，内燃机主轴1的输出端还可以固定设置有飞轮12，飞轮12质量较大，可以储能，从而可以提高内燃动力总成轴系运行的平稳性。飞轮12上可以设置有第一指针121，第一指针121可以为设置在飞轮12端面上的凸起或标记，其可以被第一传感器31识别到。第一传感器31可以设置第一指针121周向平面内，优选地，第一指针121可以设置在飞轮12的边缘，第一传感器31可以设置在内燃动力总成的壳体内侧，从而方便第一传感器31检测其第一转动信息。第一传感器31可以将第一指针121的第一转动信息转换为电信号输出。

第一转动信息可以有多种，例如其可以为第一指针121的位移随时间的变化规律，此时，第一传感器31可以为位移传感器，其可以检测到第一指针121的位移随时间的变化，最终可以以波形或函数的形式呈现，在此不做具体限定。又例如第一转动信息还可以为第一指针121的转角随时间的变化规律，优选地，第一传感器31可以为激光传感器或磁电传感器等，其可以检测到第一指针121随时间变化的脉冲波形图，假设第一传感器31检测到第一指针121时输出为1，没检测到时输出为0，当第一指针121跟随内燃机主轴1转动时，其位置不断发生变化，当第一指针121转动到第一传感器31的检测范围内时，第一传感器31输出为1，当第一指针121离开检测范围时，第一传感器31输出为0，体现在波形图中，可以为方波，相邻两个波峰出现的时间间隔为第一指针121旋转一周的时间。

步骤102，通过第二传感器32获取联轴器被动端21的第二指针211的第二转动信息；且第一指针121与第二指针211之间具有第一预设角度

具体地，联轴器被动端21也可以设置有第二指针211，第二指针211也可以为设置在联轴器被动端21上的凸起或标记，其可以被第二传感器32识别到。第二传感器32可以为激光传感器或磁电传感器等，在此不做具体限定。第二转动信息的类型和检测方式与第一转动信息相似，具体可以参考第一转动信息，在此不再赘述。

另外，第一指针121和第二指针211之间可以具有第一预设角度第一预设角度可以为0度到180度，第一预设角度的值可以根据实际需求进行设置，在此不做具体设定。

步骤103，根据第一转动信息、第二转动信息和第一预设角度确定联轴器主动端与被动端的初始静扭角θ₀。

具体地，由于联轴器具有一定的弹性，当内燃机主轴1转动时，联轴器主动端13同时转动，而联轴器被动端21不会立即转动，只有当联轴器主动端13转过一定角度后被动端才会转动，该角度被称为联轴器主动端与被动端的初始静扭角θ₀。当内燃机主轴1开始运转时第一传感器31可以检测到第一转动信息，以第一转动信息为第一指针121的转角随时间的变化规律，第一传感器31可以检测到第一指针121随时间变化的脉冲波形图为例，通过第一转动信息可以记录下第一指针121首次出现的时间，即第一转动信息中波峰首次出现的时间，并通过积分方法可以获得该时间内内燃机主轴1转过的角度。由于初始静扭角θ₀的存在，内燃机主轴1开始转动并经过一段时间后，第二传感器32才可以检测到第二转动信息，通过第二转动信息可以记录下第二指针211首次出现的时间，即第二转动信息中波峰首次出现的时间，并可以通过积分的方法获得该时间内发电机主轴2转过的角度，将内燃机主轴1转过的角度减去电机主轴2转过的角度即可得到中间扭角差θ，根据进而获得初始静扭角θ₀。

第一预设角度可以延长第一指针121首次出现的时间与第二指针211首次出现的时间之间的差值，从而使得计算结果更准确。优选地，第一预设角度为90度，方便计算。

步骤104，通过第三传感器33获取飞轮12的第三转动信息。

具体地，第三传感器33的类型可以参考第一传感器31，在此不做具体限定。由于飞轮12的周侧均匀设置有多个齿，第三转动信息可以为检测到的飞轮12上某个齿的位移随时间的变化，也可以是飞轮12的转角随时间的变化，具体可以参考第一转动信息，在此不再赘述。当第三传感器33为激光传感器或磁电传感器时，检测到的飞轮12上的齿随时间变化的脉冲波形图与第一转动信息不同的是，第一指针121的数量只有一个，因此，第一转动信息相邻两个波峰之间的角度为360度。而第三转动信息中相邻两个波峰之间的角度为飞轮12上相邻两个角之间的角度，该角度可以通过齿的个数计算。

步骤105，通过第四传感器34获取联轴器被动端21的第四转动信息。

具体地，可以在联轴器被动端21或发电机主轴2上设置齿盘，齿盘上可以均匀分散有多个齿，第四传感器34和第四转动信息的类型可以参考第三传感器33和第三转动信息，在此不做赘述。

步骤106，根据第三转动信息、所述第四转动信息确定扭角波动中间值Δθ；

具体地，扭角波动中间值Δθ可以是发电机2运转后，联轴器被动端21的转角与内燃机主轴1输出端的转角的差值随时间的变化规律。

以第三转动信息为飞轮12的转角随时间的变化规律，第三传感器33可以检测到飞轮12上的齿随时间变化的脉冲波形图为例，可以计算从发电机主轴2开始转动后的某一时间间隔内，第三转动信息中脉冲的个数，并通过积分获得飞轮12处内燃机主轴1的输出端转角随时间的变化函数；同时，可以计算该相同时间段内，第四转动信息中脉冲的个数，并通过积分获得联轴器被动端21处发电机主轴2的转角随时间的变化函数；并将上述两变化函数做减法，即可获得扭角波动中间值Δθ。

步骤107，根据初始静扭角θ₀以及扭角波动中间值Δθ确定飞轮12与联轴器被动端21之间的相对扭角差θ_联轴器；具体可以根据公式来获得。

步骤108，确定内燃机主轴1输出端与发电机主轴2输入端之间的扭矩值。根据步骤107获得的相对扭角差θ_联轴器和扭转刚度值可以获得内燃机主轴1输出端与发电机主轴2输入端之间的扭矩值。其中，扭转刚度可以根据材料属性确定。

可以理解的是，当上述第一转动信息、第二转动信息、第三转动信息、第四转动信息为位移随时间的变化规律时，可以通过线位移与角位移的换算公式，将位移随时间的变化转换为转角随时间的变化，然后进行计算，在此不再赘述。

本实施例提供的一种内燃动力总成轴系扭矩测试方法，通过获取飞轮上的第一指针的第一转动信息、联轴器被动端的第二指针的第二转动信息以及飞轮上的第一指针与联轴器被动端的第二指针之间的第一预设角度来确定联轴器主动端与被动端的初始静扭角，通过获取飞轮的第三转动信息以及联轴器被动端的第四转动信息来确定扭角波动中间值，并通过初始静扭角以及扭角波动中间值确定飞轮与联轴器被动端之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端之间的相对扭角差及扭矩值，使得测得的结果更加准确。

作为一种优选地实施方式，第一传感器31为磁电传感器，第二传感器32和第四传感器34为同一个激光传感器，第三传感器33为磁电传感器。

具体地，第一指针121可以为设置在飞轮12端面边缘的柱状凸起，第一传感器31可以为磁电传感器，第三传感器33也可以为设置在内燃动力总成壳体上，并正对飞轮12周侧的磁电传感器，从而可以降低成本。

第二传感器32和第四传感器34由于都是测量联轴器被动端21的转动信息，两者可以使用同一个激光传感器，即联轴器被动端21周侧可以设置有与激光传感器像匹配的间隔均匀的多个光栅，第二指针211可以为多个光栅中的一个，该光栅的宽度可以大于或小于其他光栅，从而方便识别出第二指针211，从而获取第二转动信息。并且，由于光栅和第一指针121的重量都较小，比起加装齿盘的方式不会改变内燃动力总成轴系的重量，不会影响内燃动力总成的正常工作，即使在运行的动车组上也可以实现测试功能，能够实现在线监测功能，有助于对动车组的故障诊断判别。

图3为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法实施例二的流程图。请结合图3，在另一个实施例中，内燃动力总成轴系扭矩测试方法还包括：

步骤201，通过第五传感器35获取固定于内燃机主轴1自由端齿轮11的第五转动信息。

具体地，内燃机主轴1背离飞轮12的另一端可以设置有自由端齿轮11，自由端齿轮11可以连接泵或者电机等，从而提高内燃机主轴1的能源利用率。第五传感器35可以设置在自由端齿轮11侧面正对的壳体上，其类型可以参考第三传感器33，在此不再赘述，优选地，其可以为激光传感器，由于自由端齿轮11的直径可能较小，激光传感器测量结果更为准确。第五转动信息的类型与第三转动信息相似，具体可以参考第三转动信息，在此不再赘述。

步骤202，根据第三转动信息和第五转动信息确定内燃机主轴1两端的相对扭角差。

第三转动信息和第五转动信息分别为内燃机主轴1两端的扭角随时间的变化函数，由于内燃机主轴1为刚性轴，其扭转角较小不会超过一个齿，因此通过在相同时间段内第三转动信息和第五转动信息的脉冲个数可以确定内燃机主轴1两端的相对扭角差，具体方法可以参考步骤106中扭角波动中间值的确定方法。

步骤203，确定内燃机主轴1两端的扭矩值。根据步骤202获得的内燃机主轴1两端的相对扭角差和扭转刚度值可以获得内燃机主轴1两端的扭矩值。其中，扭转刚度可以根据材料属性确定。

本实施例可以确定内燃机主轴1两端的扭矩值，测量结果更加全面，并且利用内燃机主轴1两端的飞轮12和自由端齿轮11，无需加装齿盘，可以实现在线实时监测，利于后续故障诊断。

另外，经过内燃动力总成轴系的相对扭角差还可以经傅里叶变换获得内燃动力总成轴系频率特性，并通过实时监控相对扭角差、扭矩值和频率特性，可以为后续故障诊断提供依据。其中，相对扭角差可以为步骤202和步骤107获得的，扭矩值可以为步骤203和步骤108获得的。

图4为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试方法的波形图。请参考图4，S₀为第一转动信息的波形图；S₁为激光传感器获得的第二转动信息和第四转动信息的波形图；S₂为第三转动信息的波形图；S₃为第五转动信息的波形图；t₁为第一指针121首次出现的时间；t₂为第二指针211首次出现的时间。

S₀中脉冲为第一指针121的波形图，相邻两脉冲之间的角度为360度，t₁为第一指针121首次出现的时刻；S₁为中包含第二转动信息和第四转动信息，从图中可以看出，t₂时刻的脉冲宽度与其他脉冲宽度不同，该脉冲代表第二指针211；通过t₁和t₂时刻的脉冲可以确定步骤103中的中间扭角差，再根据第一预设角度可以获得步骤103中的初始静扭角。

S₂为飞轮12周侧齿的波形图，根据S₂结合S₁中除第二指针211外其他脉冲可以确定步骤106中的扭角波动中间值。

进而根据步骤107和步骤108可以获得飞轮12与联轴器被动端21之间的相对扭角差和内燃机主轴1输出端与发电机主轴2输入端之间的扭矩值。

S₃为自由端齿轮11的波形图，结合S₂，根据步骤201和步骤203可以确定内燃机主轴1两端的相对扭角差和扭矩值。具体方式可以参考上述步骤，在此不再赘述。

图5为本发明内燃动力总成轴系扭矩测试装置的结构示意图。请结合图5，本实施例还提供一种内燃动力总成轴系扭矩测试装置，包括：采集模块3，用于通过第一传感器31获取固定于飞轮12上的第一指针121的第一转动信息；采集模块3还用于通过第二传感器32获取联轴器被动端21的第二指针211的第二转动信息；且第一指针121与第二指针211之间具有第一预设角度；处理模块4，用于根据第一转动信息和第二转动信息确定联轴器主动端与被动端的初始静扭角；采集模块3还用于通过第三传感器33获取飞轮12的第三转动信息；采集模块3还用于通过第四传感器34获取联轴器被动端21的第四转动信息；处理模块4还用于根据第三转动信息、第四转动信息确定扭角波动中间值；处理模块4还用于根据初始静扭角以及扭角波动中间值确定飞轮12与联轴器被动端21之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴1输出端与发电机主轴2输入端之间的扭矩值。

本实施例提供的一种内燃动力总成轴系扭矩测试装置，通过设置采集模块和处理模块，采集模块可以获取飞轮上的第一指针的第一转动信息、联轴器被动端的第二指针的第二转动信息以及第一指针与第二指针之间的第一预设角度，处理模块根据采集模块获取到的信息来确定联轴器主动端与被动端的初始静扭角，采集模块还能够获取飞轮的第三转动信息以及联轴器被动端的第四转动信息，处理模块还可以根据飞轮的第三转动信息以及联轴器被动端的第四转动信息来确定扭角波动中间值，并通过初始静扭角以及扭角波动中间值确定飞轮与联轴器被动端之间的相对扭角差，进而确定内燃机主轴输出端与发电机主轴输入端之间的扭矩值，使得测得的结果更加准确。

本实施例提供的程序间切换的装置的具体原理和实现方式均与图1与图2所示的实施例类似，此处不再赘述。

进一步，第一传感器31为磁电传感器，第二传感器32和第四传感器34为同一个激光传感器，第三传感器33为磁电传感器。

更进一步，第一预设角度为90度。

在上述实施例的基础上，采集模块3还用于通过第五传感器35获取固定于内燃机主轴1自由端齿轮11的第五转动信息；处理模块4还用于根据第三转动信息和第五转动信息确定内燃机主轴1两端的相对扭角差，进而确定内燃机主轴1两端的扭矩值。

进一步地，第五传感器35为激光传感器。

本实施例可以确定内燃机主轴1两端的扭矩值，测量结果更加全面，并且利用内燃机主轴1两端的飞轮12和自由端齿轮11，无需加装齿盘，可以实现在线实时监测，利于后续故障诊断。

本实施例提供的程序间切换的装置的具体原理和实现方式均与图3所示的实施例类似，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。