检测装置及传动轴扭转角度的检测方法与流程

1.本发明涉及油田压裂作业设备技术领域，具体而言，涉及一种检测装置及传动轴扭转角度的检测方法。


背景技术：

2.一般的油田压裂作业中，通常包含压裂设备、混砂设备、混配设备、化添设备等。随着近些年页岩气的开采，大规模压裂作业渐成常态，而压裂设备作为压裂作业的核心设备，其稳定可靠性对作业成功起着非常重要的作用。
3.柴驱压裂设备主要由发动机、变速箱、柱塞泵和控制系统等组成，电驱压裂设备主要由电机、传动轴、柱塞泵和控制系统等组成。其中，传动轴作为动力传递的重要一环，其可靠和稳定性对设备运转及作业有着重要影响。
4.在压裂设备作业过程中，经常出现传动轴断裂的事故。目前，尚没有专门的技术和方案可以实现对运行中的传动轴进行扭转角度的实时测量和检测，只能通过传动轴的大概寿命周期或定期的人为目视检修进行更换处理，同时，因为传动轴的安装和使用方式，也没有成熟的工具和方法对传动轴的扭转角度进行实时测量和检测。因此会导致设备操作和维修人员无法及时发现设备的问题，及时进行维修保养，甚至导致出现重大事故。
5.其中，由于传动轴工作时一直处于高速旋转状态，所以没有合适的传感器对其进行检测。目前存在一些对传动轴进行静态检测扭转角度的方案，通过在传动轴上安装相应应变片，将应变片连接至相应控制检测系统，根据应变片检测传动轴的扭转角度。但是，此方案仅满足静态试验，在高速旋转的设备上，根本无法使用，不适用于常规检测和使用。
6.并且，对于通过维修人员进行传动轴寿命的维修和保养进行预防，则由于不同人员的经验不同，可能造成检查不严格，检查标准不统一等原因，造成检查保养不全面，过多的依靠维修人员的个人技能，同时在传动轴工作时，仍然不能进行传动轴状态的实时检查。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种检测装置及传动轴扭转角度的检测方法，以解决现有技术中的无法在传动轴工作时实时检测其扭转角度的问题。
8.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种检测装置，用于实时获得传动轴的扭转角度，传动轴沿其延伸方向具有依次布置的输入端和输出端，检测装置包括：第一齿盘，用于设置在输入端，第一齿盘沿其周向具有多个间隔设置的第一轮齿；第二齿盘，用于设置在输出端，第二齿盘沿其周向具有多个间隔设置的第二轮齿；第一检测件，用于检测经过其第一检测头的第一轮齿的个数；第二检测件，用于检测经过其第二检测头的第二轮齿的个数；控制器，与第一检测件和第二检测件均通讯连接，以根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的扭转角度。
9.进一步地，沿第一齿盘的径向方向，第一检测头与第一齿盘间隔设置；和/或，沿第二齿盘的径向方向，第二检测头与第二齿盘间隔设置。
10.进一步地，第一齿盘的轴线和第二齿盘的轴线均与传动轴的轴线相重合；第一检测头的中心线与第一齿盘的轴线相垂直设置；和/或，第二检测头的中心线与第二齿盘的轴线相垂直设置。
11.进一步地，第一检测件为磁性开关；和/或，第二检测件为磁性开关。
12.进一步地，第一齿盘的第一轮齿的个数和第二齿盘的第二轮齿的个数相等；和/或，第一齿盘的直径与第二齿盘的直径相等。
13.根据本发明的另一方面，提供了一种传动轴扭转角度的检测方法，应用于上述的检测装置，传动轴扭转角度的检测方法包括：接收第一检测件在传动轴转动过程中所检测到的第一齿盘的第一轮齿的个数；接收第二检测件在传动轴转动过程中所检测到的第二齿盘的第二轮齿的个数；计算出传动轴的扭转角度。
14.进一步地，计算出传动轴的扭转角度的方法，包括：根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的输入端的第一旋转速度和传动轴的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴的扭转角度。
15.进一步地，根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的输入端的第一旋转速度和传动轴的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴的扭转角度的方法，包括：当传动轴空载运行时，在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘转动一圈所对应的第一轮齿的个数时，计时为t
in
；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘转动一圈所对应的第二轮齿的个数时，计时为t
out
；当传动轴带载运行时，在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘转动一圈所对应的第一轮齿的个数时，计时为t
in’；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘转动一圈所对应的第二轮齿的个数时，计时为t
out’；根据公式∠a＝360
×
(t
delta
’‑
t
delta
)/t
in
、t
delta
＝t
out-t
in
和t
delta’＝t
out
’‑
t
in’计算出传动轴的扭转角度∠a。
16.进一步地，根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的输入端的第一旋转速度和传动轴的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴的扭转角度的方法，包括：在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘转动预设转动距离所对应的第一轮齿的个数时，计时为t1；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘转动预设转动距离所对应的第二轮齿的个数时，计时为t2；根据公式δl＝πd/t1×
(t
2-t1)计算出传动轴的扭转距离δl；根据传动轴的扭转距离δl计算出传动轴的扭转角度∠a；其中，d为第一齿盘的直径；第一齿盘和第二齿盘的直径相等。
17.进一步地，传动轴扭转角度的检测方法还包括：判断扭转角度与第一扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第一扭转角度阈值时，控制传动轴停止转动；当扭转角度小于第一扭转角度阈值时，判断扭转角度与第二扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第二扭转角度阈值时，控制传动轴降低转速和/或降低传动轴的负载；当扭转角度小于第二扭转角度阈值时，判断扭转角度与第三扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第三扭转角度阈值时报警。
18.本发明的检测装置包括第一齿盘、第二齿盘、第一检测件、第二检测件和控制器，第一齿盘和第二齿盘分别设置在传动轴的输入端和输出端，第一齿盘和第二齿盘分别具有沿周向设置的多个第一轮齿和多个第二轮齿，第一检测件和第二检测件在传动轴带动第一齿盘和第二齿盘转动时，对经过第一检测头的多个第一轮齿进行计数，并对经过第二检测头的多个第二轮齿进行计数，并且控制器可以接收第一检测件检测到的第一轮齿的个数以
及第二检测件检测到的第二轮齿的个数，并计算出传动轴的扭转角度，这样在传动轴转动时便可以对其扭转角度进行实时检测，不用停下传动轴进行检测工作，从而解决了现有技术中的无法在传动轴工作时实时检测其扭转角度的问题，进而能及时发现传动轴的问题，避免传动轴断裂，提高安全性。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的检测装置的实施例的示意图；
21.图2示出了根据本发明的传动轴扭转角度的检测方法的整体流程图；
22.图3示出了根据本发明的传动轴扭转角度的检测方法的一个实施例的流程图；
23.图4示出了根据本发明的传动轴扭转角度的检测方法的另一个实施例的流程图。
24.其中，上述附图包括以下附图标记：
25.10、传动轴；20、第一齿盘；30、第二齿盘；40、第一检测件；50、第二检测件。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.本发明提供了一种检测装置，请参考图1，用于实时获得传动轴10的扭转角度，传动轴10沿其延伸方向具有依次布置的输入端和输出端，检测装置包括：第一齿盘20，用于设置在输入端，第一齿盘20沿其周向具有多个间隔设置的第一轮齿；第二齿盘30，用于设置在输出端，第二齿盘30沿其周向具有多个间隔设置的第二轮齿；第一检测件40，用于检测经过其第一检测头的第一轮齿的个数；第二检测件50，用于检测经过其第二检测头的第二轮齿的个数；控制器，与第一检测件40和第二检测件50均通讯连接，以根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴10的扭转角度。
30.本发明的检测装置包括第一齿盘20、第二齿盘30、第一检测件40、第二检测件50和控制器，第一齿盘20和第二齿盘30分别设置在传动轴10的输入端和输出端，第一齿盘20和第二齿盘30分别具有沿周向设置的多个第一轮齿和多个第二轮齿，第一检测件40和第二检测件50在传动轴10带动第一齿盘20和第二齿盘30转动时，对经过第一检测头的多个第一轮齿进行计数，并对经过第二检测头的多个第二轮齿进行计数，并且控制器可以接收第一检测件40检测到的第一轮齿的个数以及第二检测件50检测到的第二轮齿的个数，并计算出传动轴10的扭转角度，这样在传动轴10转动时便可以对其扭转角度进行实时检测，不用停下
传动轴10进行检测工作，从而解决了现有技术中的无法在传动轴工作时实时检测其扭转角度的问题，进而能及时发现传动轴10的问题，避免传动轴10断裂，提高安全性。
31.需要说明的是，第一检测件能够检测出距离其一定距离的结构，第一检测件能够检测出凸出于第一齿盘主体设置的第一轮齿；同理，第二检测件也能够检测出距离其一定距离的结构，第二检测件能够检测出凸出于第二齿盘主体设置的第二轮齿。
32.需要说明的是，传动轴10的延伸方向为其轴向方向，即图1中的左右方向。
33.具体地，第一检测件40的第一检测头朝向第一齿盘20设置，第二检测件50的第二检测头朝向第二齿盘30设置。
34.在本实施例中，沿第一齿盘20的径向方向，第一检测头与第一齿盘20间隔设置；和/或，沿第二齿盘30的径向方向，第二检测头与第二齿盘30间隔设置。
35.具体实施时，这样的间隔设置可以实现对传动轴不接触式检测，保证了第一检测头与第一齿盘20之间不会产生干扰，第二检测头与第二齿盘30之间也不会产生干扰，并且为第一检测头和第二检测头的检测提供了检测空间，使检测更加准确。
36.在本实施例中，第一齿盘20的轴线和第二齿盘30的轴线均与传动轴10的轴线相重合；第一检测头的中心线与第一齿盘20的轴线相垂直设置；和/或，第二检测头的中心线与第二齿盘30的轴线相垂直设置。
37.具体实施时，第一检测头和第二检测头的中心线与第一齿盘20和第二齿盘30的轴线相垂直设置保证了检测的准确性，第一检测头和第二检测头在检测时能够正对于经过的轮齿，并进行个数的检测。
38.在本实施例中，第一检测件40为磁性开关；和/或，第二检测件50为磁性开关。其中，磁性开关即为接近开关。
39.在本实施例中，第一齿盘20的第一轮齿的个数和第二齿盘30的第二轮齿的个数相等；和/或，第一齿盘20的直径与第二齿盘30的直径相等。
40.具体实施时，第一齿盘20和第二齿盘30的轮齿个数相等或直径相等，可以保证在检测转动轮齿个数时，不会出现因第一齿盘20和第二齿盘30不一致而导致的误差；也便于控制器计算传动轴的扭转角度。
41.本发明还提供了一种传动轴扭转角度的检测方法，请参考图2，应用于上述实施例中的检测装置，传动轴扭转角度的检测方法包括：
42.s110，接收第一检测件40在传动轴10转动过程中所检测到的第一齿盘20的第一轮齿的个数；
43.s120，接收第二检测件50在传动轴10转动过程中所检测到的第二齿盘30的第二轮齿的个数；
44.s130，计算出传动轴10的扭转角度。
45.具体实施时，利用此检测方法，可以在传动轴10转动的过程中实现对第一齿盘20的第一轮齿和第二齿盘30的第二轮齿的个数检测，并根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴10的扭转角度，使传动轴10在工作状态下也可以进行扭转角度的检测。
46.在本实施例中，计算出传动轴10的扭转角度的方法，包括：根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的输入端的第一旋转速度和传动轴的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴10的扭转角度。这样通过检测第一
轮齿的个数和第二轮齿的个数来计算第一旋转速度和第二旋转速度，进而计算出扭转角度，实现了传动轴在旋转过程中的扭转角度的实时检测。
47.在一些实施例中，如图3所示，根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴的输入端的第一旋转速度和传动轴的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴10的扭转角度的方法，包括：当传动轴10空载运行时，在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘20转动一圈所对应的第一轮齿的个数时，计时为t
in
；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘30转动一圈所对应的第二轮齿的个数时，计时为t
out
；当传动轴10带载运行时，在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘20转动一圈所对应的第一轮齿的个数时，计时为t
in’；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘30转动一圈所对应的第二轮齿的个数时，计时为t
out’；根据公式∠a＝360
×
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)/t
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、t
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＝t
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in
和t
delta’＝t
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’‑
t
in’计算出传动轴10的扭转角度∠a。具体地，传动轴10转动一圈时，第一齿盘20和第二齿盘30均转动一圈，第一齿盘20转动一圈对应于第一预设个数的第一轮齿，第二齿盘30转动一圈对应于第二预设个数的第二轮齿，控制器在接收到第一预设个数的第一轮齿时判断第一齿盘20转动了一圈，以进行计时；控制器在接收到第二预设个数的第二轮齿时判断第二齿盘30转动了一圈，以进行计时；控制器根据上述公式进行计算，最终计算出传动轴10的扭转角度，这样的间接测量方式使传动轴10在工作状态下可以测量出其扭转角度。
48.具体地，当∠a为正值时，表明传动轴10的输出端相对于输入端发生了滞后偏转，此时负载发生了增加突变；当∠a为负值时，表明传动轴10的输出端相对于输入端发生了超前偏转，此时负载发生了减小突变，或者负载稳定后，传动轴10发生了形变复位。
49.在一些实施例中，如图4所示，根据第一轮齿的个数和第二轮齿的个数计算出传动轴10的输入端的第一旋转速度和传动轴10的输出端的第二旋转速度，并根据第一旋转速度和第二旋转速度计算出传动轴10的扭转角度的方法，包括：在接收到第一轮齿的个数为第一齿盘20转动预设转动距离所对应的第一轮齿的个数时，计时为t1；在接收到第二轮齿的个数为第二齿盘30转动预设转动距离所对应的第二轮齿的个数时，计时为t2；根据公式δl＝πd/t1×
(t
2-t1)计算出传动轴10的扭转距离δl；根据传动轴10的扭转距离δl计算出传动轴10的扭转角度∠a；其中，d为第一齿盘20的直径；第一齿盘20和第二齿盘30的直径相等。具体地，传动轴10带动第一齿盘20和第二齿盘30转动时，控制器根据第一轮齿的数量计算出第一齿盘20的转动距离，即第一轮齿移动的距离；控制器根据第二轮齿的数量计算出第二齿盘30的转动距离；控制器对第一齿盘20和第二齿盘30每转预设转动距离分别进行计时；控制器根据上述公式对扭转距离δl进行计算，最终计算出得到传动轴10的扭转角度∠a，这样的间接测量方式使传动轴10在工作状态下可以测量出其扭转角度。
50.具体地，当δl为正值时，表明传动轴10的输出端相对于输入端发生了滞后偏转，此时负载发生了增加突变；当δl为负值时，表明传动轴10的输出端相对于输入端发生了超前偏转，此时负载发生了减小突变，或者负载稳定后，传动轴10发生了形变复位。
51.具体地，根据传动轴10的扭转距离δl计算出传动轴10的扭转角度∠a的方法包括：根据公式∠a＝360
×
δl/πd计算出扭转角度∠a。
52.在本实施例中，传动轴扭转角度的检测方法还包括：计算传动轴10的扭转角度∠a在单位时间内的变化值，以获得扭转角度变换率δ∠a，也即∠a对时间的微分。通过扭转角度变换率δ∠a，可以得出传动轴10的负载是否在持续变化或者传动轴10的扭转角度是否在
持续变化。
53.具体实施时，当δ∠a为正值时，传动轴10的负载在持续增大或者传动轴10的扭转角度在持续增大；当δ∠a为负值时，传动轴10的负载在持续减小或逐渐稳定或者传动轴10的扭转角度在持续减小。
54.在本实施例中，传动轴扭转角度的检测方法还包括：判断扭转角度与第一扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第一扭转角度阈值时，控制传动轴10停止转动；当扭转角度小于第一扭转角度阈值时，判断扭转角度与第二扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第二扭转角度阈值时，控制传动轴10降低转速和/或降低传动轴10的负载；当扭转角度小于第二扭转角度阈值时，判断扭转角度与第三扭转角度阈值之间的关系，当扭转角度大于或等于第三扭转角度阈值时报警。合理设定第一扭转角度阈值(也即停机阈值)、第二扭转角度阈值(也即降扭阈值)和第三扭转角度阈值(也即报警阈值)，当到达相关阈值时，进行相关报警、降扭(即控制传动轴10降低转速和/或降低传动轴10的负载)甚至停机等操作，保证了传动轴10不会发生过大角度的扭转，避免造成传动轴10的损坏。
55.具体地，第一扭转角度阈值大于第二扭转角度阈值，第二扭转角度阈值大于第三扭转角度阈值。
56.具体实施时，通过现场测试，积累传动轴10的扭转角度∠a的数据库，获得扭转角度∠a与时间的曲线关系(角度变化加速度)，以便于根据实时扭转角度∠a判断传动轴10的性能以及进行寿命分析。
57.具体实施时，通过记录设备运行水马力(设备运行功率)和传动轴10的扭转角度∠a，形成传动轴10扭转角度∠a与水马力之间的曲线及函数关系，以便于进一步分析水马力对传动轴扭转角度∠a的影响，同时也可根据实时扭转角度判断传动轴10的性能以及进行寿命分析。
58.具体实施时，通过增加环境温度检测，判断不同环境温度下的传动轴10的扭转角度∠a，形成传动轴10扭转角度∠a与环境温度之间的曲线及函数关系，便于进一步分析环境温度对传动轴10的扭转角度∠a的影响，同时也可根据实时扭转角度判断传动轴10的性能以及进行寿命分析。
59.具体实施时，利用本技术的检测装置和检测方法，可以实现传动轴10扭转角度∠a的在线实时检测，使数据可以实时展现，并结合大量实验数据对传动轴10设备进行智能判断，大大降低现场设备操作人员及维修人员的技能要求，提高问题处理的速度和效率。
60.本技术通过增加非接触式的检测装置，利用第一旋转速度和第二旋转速度进行计算，计算出传动轴10的扭转角度∠a，解决了检测件在高速旋转过程中与传动轴10之间的信号连接和检测不便的问题；并通过设计相关算法，实时检测传动轴10的扭转角度∠a，将此扭转角度∠a实时展现在操作人员面前，大大降低了对操作和维修人员的技能要求；同时根据大数据和传动轴10的设计参数进行对比，实现了对传动轴10工作状态时的性能分析、实时报警以及进行寿命分析的功能。
61.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
62.本发明的检测装置包括第一齿盘20、第二齿盘30、第一检测件40、第二检测件50和控制器，第一齿盘20和第二齿盘30分别设置在传动轴10的输入端和输出端，第一齿盘20和第二齿盘30分别具有沿周向设置的多个第一轮齿和多个第二轮齿，第一检测件40和第二检
测件50在传动轴10带动第一齿盘20和第二齿盘30转动时，对经过第一检测头的多个第一轮齿进行计数，并对经过第二检测头的多个第二轮齿进行计数，并且控制器可以接收第一检测件40检测到的第一轮齿的个数以及第二检测件50检测到的第二轮齿的个数，并计算出传动轴10的扭转角度，这样在传动轴10转动时便可以对其扭转角度进行实时检测，不用停下传动轴10进行检测工作，从而解决了现有技术中的无法在传动轴工作时实时检测其扭转角度的问题，进而能及时发现传动轴10的问题，避免传动轴10断裂，提高安全性。
63.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
64.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。