CN101762371A - 旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置及测试方法，将电刷式导电环通过安装盘连接在压缩机衔铁上，压缩机衔铁花键配合在压缩机转轴上，用一带轴向通孔的压装螺栓轴向定位，电刷式导电环通过导线分别连接两组电阻式应变片，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称粘贴在压缩机转轴上，形成四臂差动电桥作为感应压缩机转子扭转振动的传感器，通过测得电阻式应变片在转子旋转时的应变变化量，计算分析得到转轴扭转振动剪切力的变化特征，通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系，输出的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，经数据采集处理器采集监控分析电压信号变化数据，即可通过计算机得出压缩机转轴扭矩振动数据。
Description
技术领域
本发明涉及旋叶式压缩机转子扭转振动测试领域，特别涉及一种旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置及测试方法。
背景技术
旋叶式小型压缩机通常应用于汽车空调系统，该类压缩机因其体积小、重量轻，一般外形尺寸为20cm×13cm×13cm左右，总重量一般在10kg以内。由于旋叶式压缩机安装在车辆发动机上运转，车辆行驶时产生的剧烈振动给旋叶式压缩机造成恶劣的工作环境，因此对旋叶式压缩机产品设计指标和实车故障诊断上的要求越来越高，而压缩机转子的扭转振动的测量是作为压缩机评价中必须重点考虑的环节之一，但是针对旋叶式小型压缩机扭转振动的测量一直存在困难。
目前，涉及压缩机扭转振动测量有两种测量方式，一种如公开号为CN1696630A的测量旋转机械转子扭转振动的方法及其装置所公开的技术，是将压缩机转轴延长，延长轴上连接一个扭转振动测量装置，通过将扭转振动测试的惯性环外接于被测转子，把转子扭转振动信号传递到惯性环上进行间接测试。采用这种测量装置，因测量装置的结构过大，安装空间大，测试安装极不方便，只适合测试大型的旋转机械，不能用于小型旋转机械的扭转振动测试，尤其是应用到现场实车测试，就更无法安装到车上进行实车测试；而且由于这种测试装置需外接延长的轴，加长了转轴，改变了转轴的原有质量，使转轴的扭转振动特性也发生了变化，误差较大，无法检测到精确数据，会影响测试效果。另一种是将压缩机扭转振动信号通过磁场耦合来传递能源及信号，此种测量方式的缺点就是扭振信号的感受微弱，信噪比低，加上横向振动的干扰，扭转振动信号的提取和分析都很困难，测试的准确性受到严重影响，误差较大，测试效果欠佳。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术存在的不足，提供一种旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，它采用在压缩机转轴上贴装电阻式应变片，并将电刷式导电环通过安装盘连接在压缩机衔铁上，既能够直接测量旋叶式压缩机转轴扭矩和扭转振动特性，避免间接测量带来的误差，同时又减小了测试装置的体积和质量，安装简单方便，可安装在车上实现实车测试。
本发明的该目的是这样实现的：将一电刷式导电环的旋转部通过螺钉连接在一安装盘上，安装盘的轴向设有中心过孔，中心过孔径向设置通孔贯穿安装盘，安装盘偏心位置通过多个螺钉与压缩机衔铁连接，所述压缩机衔铁的圆心孔与压缩机转轴花键配合，一带轴向通孔的压装螺栓与压缩机转轴的轴心孔螺纹配合，将压缩机衔铁轴向定位在压缩机转轴上，压缩机转轴上径向设置引线孔连通轴心孔，所述电刷式导电环的旋转部通过导线分别连接两组电阻式应变片，每组电阻式应变片具有两个呈90°交叉的电阻式应变片，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称粘贴在压缩机转轴上，使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，连接电阻式应变片的导线从压缩机转轴的引线孔、轴心孔、压装螺栓的轴向通孔、安装盘的中心过孔及径向通孔穿过与电刷式导电环旋转部的接线脚分别连接，电刷式导电环静止部的接线脚通过导线连接动态应变放大器，动态应变放大器经数据采集处理器连接计算机。
所述每个电阻式应变片的阻值为120欧姆。
所述压缩机转轴圆周设置环形槽，环形槽通过引线孔连通轴心孔，电阻式应变片粘贴在环形槽中。
所述每组的两个电阻式应变片中均有一个为受拉应变片，另一个为受压应变片，两组的受拉应变片的电源端并联于负电源，两组的受压应变片的电源端并联于正电源，两组电阻式应变片中，一组的两个应变片的信号端并联于正电压，另一组的两个应变片的信号端并联于负电压，构成四臂差动电桥。
所述数据采集处理器通过导线连接一数字转速表，数字转速表与安装盘或压缩机衔铁接触。
由于采用了上述方案，本发明具有以下优点：
将电刷式导电环通过一安装盘与压缩机衔铁连接，压缩机衔铁与压缩机转轴花键配合，且用一带轴向通孔的压装螺栓轴向定位压缩机转轴上，这种利用压缩机衔铁连接安装盘及电刷式导电环的方式，结构简单，体积小，安装方便，可安装在体积较小的旋叶式小型压缩机上进行检测。
所述电刷式导电环的旋转部通过导线分别连接两组电阻式应变片，每组电阻式应变片具有两个呈90°交叉的电阻式应变片，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称粘贴在压缩机转轴上，使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，构成四臂差动电桥，作为直接从压缩机转轴感应压缩机转轴扭转振动的传感器。在转轴旋转时，轴上力的传递是通过与轴线呈45°夹角的剪切力来实现的，即轴的扭转振动的变化就是轴的剪切力的变化。转轴旋转时，每组电阻式应变片中的一个电阻式应变片受拉，另一个电阻式应变片受压，两组电阻式应变片贴在转轴上随转轴旋转直接感应到的应变变化量信息，即可计算分析得到转轴扭转振动剪切力的变化特性，由此能够提供准确的转轴扭转振动剪切力的变化特性数据。
连接电阻式应变片的导线从压缩机转轴的引线孔、轴心孔、压装螺栓的轴向通孔、安装盘的中心过孔及径向通孔穿过与电刷式导电环旋转部的接线脚分别连接，解决了直接将应变片粘贴在压缩机转轴上应变片的信号导线布置的难题，使转轴旋转时这些信号导线不会发生缠绕。
电刷式导电环静止部的接线脚通过导线连接动态应变放大器，动态应变放大器经数据采集处理器连接计算机；同时所述数据采集处理器通过导线连接一数字转速表，数字转速表与安装盘或压缩机衔铁接触。这样可以将四臂差动电桥输出的旋转运行的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，和压缩机转速信号一并被采集到数据采集处理器，然后经计算机分析出最大扭矩值下的共振转速，和转轴扭转振动的频率特性。
本发明的又一目的是针对现有技术存在的不足，提供一种用上述测试装置测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法，它采用四个阻值相同的电阻式应变片分成两组对称粘贴在压缩机转轴上形成四臂差动电桥检测压缩机转子扭转振动剪切力的变化特性，并利用每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系，通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系，能够直接准确的检测到旋叶式小型压缩机转子扭转振动变化量。
本发明的这一目的是这样实现的：采用四个阻值相同的电阻式应变片平均分成两组对称粘贴在压缩机转轴上，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称，并使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，形成四臂差动电桥作为感应压缩机转子扭转振动的传感器，通过测得电阻式应变片在转子旋转时的应变变化量，计算分析得到转轴扭转振动剪切力的变化特征，从转轴扭矩与剪切力的关系得到转轴应变量，利用每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系，通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系，输出的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，经数据采集处理器采集监控分析电压信号变化数据，即可通过计算机得出压缩机转轴扭矩振动数据。
所述转轴扭矩与剪切力的关系为τ＝Mk/Wp
其中
τ为剪切力；
Mk是作用于轴上的扭矩；
Wp是轴截面的抗扭模数。
所述每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系为
ΔR/R＝K0ε
其中
ΔR为受到转轴扭转形变后应变片的电阻变化阻值；
R为应变片原始电阻；
K0为应变片灵敏度；
ε为转轴应变量。
所述通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系为
式1
式中：
R2-r2和R3-r3为受压应变片电阻值；
R1-r1和R4-r4为受拉应变片电阻值；
R1，R2，R3，R4为应变片原始阻值；
r1，r2，r3，r4为应变片随转轴扭转后产生的电阻变化量。
由于采用了上述方案，采用四个阻值相同的电阻式应变片平均分成两组对称粘贴在压缩机转轴上，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称，并使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，构成四臂差动电桥，可以测得与压缩机转轴的轴线方向呈45°夹角的电阻式应变片在转子旋转时的应变变化量，由于与压缩机转轴的轴线方向呈45°夹角的方向是转轴的剪切力方向，这样就可以从转轴扭矩与剪切力的关系τ＝Mk/Wp，计算得到转轴应变量；并利用每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系ΔR/R＝K0ε，通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系
输出的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，经数据采集处理器采集监控分析电压信号变化数据，即可通过计算机得出压缩机转轴扭矩振动数据。并且数据采集处理器还能将测得的压缩机转速信号采集，测出在最大扭矩值下的共振转速，分析得到扭转振动的频率特性。
本方法采用四个阻值相同的电阻式应变片，平均分为两组对称贴装在压缩机转轴上，构成四臂差动电桥直接从转轴上测量扭矩振动，通过采集监控分析差动电桥输出电压的电压变化情况即可得出转轴扭矩振动情况，既消除了非线性误差，而且电压灵敏度比单片应变片提高4倍，测量的准确性得到极大的提高，同时还起到温度补偿作用。采用这种方法，可以直接从压缩机转子的转轴上感应测量信号，解决了以前借助它物间接测试导致的信号采集误差较大，无法检测到精确数据，测试效果欠佳的问题；尤其是解决了旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试的难题，弥补现有技术存在的不足。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构示意图；
图2为转轴的局部放大图；
图3为压缩机衔铁的示意图；
图4为安装盘的示意图；
图5为两组电阻式应变片的连接电路图；
图6为差动电桥的原理图；
图7为本发明的电路框图。
附图中，1为转子，2为转轴，2a为轴心孔，2b为环形槽，3为电阻式应变片，4为圆心孔，5为衔铁，6为压装螺栓，6a为轴向通孔，7为中心过孔，8为安装盘，9为通孔，10为电刷式导电环，10a为旋转部，10b为静止部，11为接线脚，12为引线孔，13为安装螺纹孔，14为螺纹孔，15为过孔，16为导线，17为安装孔，20为压缩机，21为动态应变放大器，22为数据采集处理器，23为计算机，24为数字转速表。
具体实施方式
参见图1至图4和图7，一种旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，一电刷式导电环10的旋转部10a通过螺钉连接在一安装盘8上，两个螺钉分别从电刷式导电环10的旋转部10a上设置的两个安装孔17穿过与安装盘8上的两个螺纹孔14紧固连接，将电刷式导电环10固定在安装盘8上。安装盘8的轴向设有中心过孔7，中心过孔7径向设置通孔9贯穿安装盘8，安装盘8偏心位置设有三个过孔15，三个螺钉分别穿过安装盘8上的三个过孔15与压缩机衔铁5上设置的三个安装螺纹孔13紧固连接。所述压缩机衔铁5的圆心孔4通过内花键与压缩机转轴2花键配合，使压缩机衔铁5周向固定在压缩机转轴2上，一带轴向通孔的压装螺栓6与压缩机转轴2的轴心孔2a螺纹配合，将压缩机衔铁5轴向定位在压缩机转轴2上，压缩机转轴2上径向设置引线孔12连通轴心孔2a。所述压缩机转轴2圆周设置环形槽2b，环形槽2b通过引线孔12连通轴心孔，电阻式应变片3粘贴在环形槽2b中。所述电刷式导电环10的旋转部10a通过导线16分别连接两组电阻式应变片3，每组电阻式应变片3具有两个呈90°交叉的电阻式应变片，两组电阻式应变片3沿转轴圆周间隔180°对称粘贴在压缩机转轴2上，使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴2的轴线呈45°夹角。见图5、图6，所述每组的两个电阻式应变片中均有一个为受拉应变片R1、R4，另一个为受压应变片R2、R3，两组的受拉应变片R1、R4的电源端并联于负电源，两组的受压应变片R2、R3的电源端并联于正电源，两组电阻式应变片中，一组的两个应变片的信号端并联于正电压，另一组的两个应变片的信号端并联于负电压，由此构成一四臂差动电桥。连接电阻式应变片3的导线16从压缩机转轴2的引线孔12、轴心孔2a、压装螺栓6的轴向通孔6a、安装盘8的中心过孔7及径向通孔9穿过与电刷式导电环10旋转部10a的接线脚11分别连接，电刷式导电环10静止部10b的接线脚11通过导线连接动态应变放大器21，动态应变放大器21经数据采集处理器22连接计算机23。所述数据采集处理器22通过导线连接一数字转速表24，数字转速表24与安装盘或压缩机衔铁接触，用于测量压缩机转子的转速。
采用上述测试装置测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法是：
采用四个阻值相同的电阻式应变片平均分成两组对称粘贴在压缩机转轴上，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称，并使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，构成四臂差动电桥，通过测得与压缩机转轴的轴线方向呈45°夹角的电阻式应变片在转子旋转时的应变变化量，计算分析得到转轴扭转振动剪切力的变化特征，从转轴扭矩与剪切力的关系得到转轴应变量。
所述转轴扭矩与剪切力的关系为τ＝Mk/Wp
其中
τ为剪切力；
Mk是作用于轴上的扭矩；
Wp是轴截面的抗扭模数。
由此，根据虎克定律：
ε＝σ1/E-σ3μ/E
得到转轴主应力应变量与扭矩对应关系：
ε＝(1+μ)Mk/E Wp
其中
Mk是作用于轴上的扭矩；
Wp是轴截面的抗扭模数；
E轴材料的弹性模量；
ε转轴与轴线方向成45°的主应力应变量；
σ为转轴主应力；
μ泊松比。
由于采用电阻式应变片作为感应压缩机转轴扭转振动传感器，从测到应变片的应变变化量即可计算分析得到扭转振动剪切力的变化特性，对于转轴而言，剪切力方向是与压缩机转轴轴线方向成45°夹角方向，通过两组应变片组成的测扭四臂差动电桥，如附图5所示，在转轴旋转时，各组电阻式应变片内有一个应变片受拉，另一个应变片受压。将每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴上的应变变化量形成的线性关系：
ΔR/R＝K0ε
其中
ΔR为受到转轴扭转形变后应变片的电阻变化阻值；
R为应变片原始电阻；
K0为应变片灵敏度；
ε为转轴应变量。
通过加载激励电压U激励，形成转轴应变量ε以电压信号输出U输出的线性关系，如图6所示：
式中：
R2-r2和R3-r3为受压应变片电阻值；
R1-r1和R4-r4为受拉应变片电阻值；
R1，R2，R3，R4为应变片原始阻值；
r1，r2，r3，r4为应变片随转轴扭转后产生的电阻变化量。
输出的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，经数据采集处理器采集监控分析电压信号变化数据，即可通过计算机得出压缩机转轴扭矩振动数据。由于作为感应器的四臂差动电桥的四个电阻式应变片的阻值相同，电阻值设定为R，因此四个电阻式应变片R1，R2，R3，R4的电阻变化量也相等，故四个应变片的电阻变化量r1，r2，r3，r4设定为ΔR，由此将公式ΔR/R＝K0ε代入式1并简化为：
U输出＝U激励Kε
这样使分析计算也极其简单，从采集监控分析U输出的电压变化情况即可得出转轴扭矩振动情况。
本发明装置及方法可直接测试旋叶式小型压缩机转轴扭矩和扭转振动特性，避免了间接测量带来的误差；同时减小外部连接装置的体积和质量，具有操作性强，易实施的优点。
Claims (9)
1.一种旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，其特征在于：一电刷式导电环的旋转部通过螺钉连接在一安装盘上，安装盘的轴向设有中心过孔，中心过孔径向设置通孔贯穿安装盘，安装盘偏心位置通过多个螺钉与压缩机衔铁连接，所述压缩机衔铁的圆心孔与压缩机转轴花键配合，一带轴向通孔的压装螺栓与压缩机转轴的轴心孔螺纹配合，将压缩机衔铁轴向定位在压缩机转轴上，压缩机转轴上径向设置引线孔连通轴心孔，所述电刷式导电环的旋转部通过导线分别连接两组电阻式应变片，每组电阻式应变片具有两个呈90°交叉的电阻式应变片，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称粘贴在压缩机转轴上，使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，连接电阻式应变片的导线从压缩机转轴的引线孔、轴心孔、压装螺栓的轴向通孔、安装盘的中心过孔及径向通孔穿过与电刷式导电环旋转部的接线脚分别连接，电刷式导电环静止部的接线脚通过导线连接动态应变放大器，动态应变放大器经数据采集处理器连接计算机。
2.根据权利要求1所述的旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，其特征在于：所述每个电阻式应变片的阻值为120欧姆。
3.根据权利要求1所述的旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，其特征在于：所述压缩机转轴圆周设置环形槽，环形槽通过引线孔连通轴心孔，电阻式应变片粘贴在环形槽中。
4.根据权利要求1所述的旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，其特征在于：所述每组的两个电阻式应变片中均有一个为受拉应变片，另一个为受压应变片，所述两组的受拉应变片的电源端并联于负电源，两组的受压应变片的电源端并联于正电源，两组电阻式应变片中，一组的两个应变片的信号端并联于正电压，另一组的两个应变片的信号端并联于负电压，构成四臂差动电桥。
5.根据权利要求1所述的旋叶式小型压缩机转子扭转振动测试装置，其特征在于：所述数据采集处理器通过导线连接一数字转速表，数字转速表与安装盘或压缩机衔铁接触。
6.一种用权利要求1所述的测试装置测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法，其特征在于：采用四个阻值相同的电阻式应变片平均分成两组对称粘贴在压缩机转轴上，两组电阻式应变片沿转轴圆周间隔180°对称，并使每个电阻式应变片纵向与压缩机转轴的轴线呈45°夹角，形成四臂差动电桥作为感应压缩机转子扭转振动的传感器，通过测得电阻式应变片在转子旋转时的应变变化量，计算分析得到转轴扭转振动剪切力的变化特征，从转轴扭矩与剪切力的关系得到转轴应变量，利用每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系，通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系，输出的扭转振动电压信号经动态应变放大器调理放大后，经数据采集处理器采集监控分析电压信号变化数据，即可通过计算机得出压缩机转轴扭矩振动数据。
7.根据权利要求5所述的测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法，其特征在于：所述转轴扭矩与剪切力的关系为τ＝Mk/Wp
其中
τ为剪切力；
Mk是作用于轴上的扭矩；
Wp是轴截面的抗扭模数。
8.根据权利要求5所述的测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法，其特征在于：所述每个电阻式应变片的电阻变化量与转轴的应变变化量的线性关系为
ΔR/R＝K0ε
其中
ΔR为受到转轴扭转形变后应变片的电阻变化阻值；
R为应变片原始电阻；
K0为应变片灵敏度；
ε为转轴应变量。
9.根据权利要求5所述的测试旋叶式小型压缩机转子扭转振动的方法，其特征在于：所述通过加载激励电压，形成应变量以电压信号输出的线性关系为
式1
式中：
R2-r2和R3-r3为受压应变片电阻值；
R1-r1和R4-r4为受拉应变片电阻值；
R1，R2，R3，R4为应变片原始阻值；
r1，r2，r3，r4为应变片随转轴扭转后产生的电阻变化量。
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