CN102901596A - 等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法 - Google Patents

等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法 Download PDF

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CN102901596A CN2012103886053A CN201210388605A CN102901596A CN 102901596 A CN102901596 A CN 102901596A CN 2012103886053 A CN2012103886053 A CN 2012103886053A CN 201210388605 A CN201210388605 A CN 201210388605A CN 102901596 A CN102901596 A CN 102901596A
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Abstract

本发明涉及转轴的动态扭矩测试领域，具体为一种等直径转轴的光电反射式动态扭矩非接触测试方法，解决了现有等直径转轴的动态扭矩测试方法计算模型复杂、测量装置结构复杂且成本高的问题。等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法包括如下步骤：被测转轴在动态扭矩的作用下运转时动态信号智能测试分析系统会检测到第一反射式光电传感器和第二反射式光电传感器从同一条检测刻度线上反射得到的两个光电脉冲信号的时差为τ，连续检测后将不同时刻得到的时差值构成时间序列τ(t)；将代入公式和从而计算出动态扭矩M(t)。本发明所述的测试方法精度较高，广泛适用于传动设备上等直径转轴的动态扭矩测试。

Description

等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法
技术领域
本发明涉及转轴的动态扭矩测试方法，具体为一种等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法。
背景技术
目前传动设备测量等直径转轴的动态扭矩测试方法主要有以下几种：（1）、电阻应变式扭矩测试方法，它是将应变片粘贴于被测转轴上，并将应变片连接到测量转换电路从而构成应变式扭矩测试系统，该测试方法的缺点是接触式测试，需要无线传输数据，此方法存在温度稳定性差、灵敏度离散程度大、在较大应变作用下非线性误差较大、可靠性差以及测量精度低等问题，且应变片测试系统在高速运转时容易从被测转轴上甩出，给实际使用带来一定困难。（2）、磁弹形测试系统，它是将与专用磁电式检测器连接的环型空间阵列套于被测转轴上，利用扭应力产生磁效应的原理进行测量，主要用来测量一些粗短轴的扭矩，测量类型受限，测量结果因受电磁场干扰而误差较大，且测试装置结构复杂、价格昂贵。（3）、激光式扭矩传感器，它是利用激光多普勒效应在单截面测量被测转轴转速的基础上，采用双截面测量转速差并积分得到转轴在扭矩作用下的扭转角，实现扭矩非接触测量；但装置制作成本和使用成本都很高，进行测量时设备调试困难，定向性较差且受环境温度影响较大，数学计算模型相当复杂、计算繁琐，难以推广使用。上述几种扭矩测试方法都存在各自的不足，且测量类型受到限制，尤其是对于高速连轧机等大型设备的传动轴，运用上述方法难以实现动态扭矩的精确测量。
发明内容
本发明为了解决现有等直径转轴的动态扭矩测试方法计算模型复杂、测量装置结构复杂、测试范围受限且成本高的问题，提供了一种等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法，包括如下步骤：
（1）、在直径为d的被测转轴的一侧安装与被测转轴之间留有间隙且光源发出的光线位于被测转轴的振动节点截面（振动节点截面指转轴上不产生扭转形变处的截面，为本领域人员公知的技术）上的第一反射式光电传感器（所述反射式光电传感器包括自带的一个光源和一个光接收装置；工作时光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，被检测的转轴表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，再经过相关电路的处理得到所需要的信息；反射式光电传感器与被测转轴之间的距离根据反射式光电传感器的有效测量距离确定）、以及与被测转轴之间的间隙与第一反射式光电传感器和被测转轴之间的间隙相等且光源发出的光线位于距被测转轴的振动节点截面L处的检测截面（检测截面为任意截面，通常选择被测转轴的相对扭转角位移最大处截面，以提高精确度，为本领域技术人员公知的技术）上的第二反射式光电传感器；第一反射式光电传感器和第二反射式光电传感器均与动态信号智能测试分析系统的信号输入端相连；在被测转轴上制作与轴线平行的检测刻度线；
（2）、当被测转轴带负载运转时，在静态负载转矩的作用下会产生静 态扭矩；当被测转轴受到来自于动力源或负载的动态激励,会产生n阶 正弦变化的扭转振动从而产生动态扭矩；在静、动态扭矩的作用下， 被测转轴的振动节点截面和检测截面之间会产生动态相对转角θ，从 而使动态信号智能测试分析系统检测到第一反射式光电传感器和第二 反射式光电传感器从同一条检测刻度线上反射得到的光电脉冲信号之 间产生时差τ，对不同时刻连续检测得到动态时差序列信号τ(t)，根 据线性弹性力学理论（线性弹性力学理论为本领域技术人员公知的技 术）τ(t)是由静态分量τ0和正弦变化的第1-i阶动态分量τі(t)（i =1，2，3，…，n）组成，即 ；
（3）、根据如下步骤计算在静、第1-i阶（i=1，2，3，…，n）动态扭矩的作用下τ(t)的静态分量τ0、第1-i阶动态分量的幅值τi（i=1，2，3……n）（i的值根据实际情况进行选取：在实际操作中，动态扭矩的静态分量和第1阶动态分量对于传动系统的影响最大；而第1阶以上的高频扭振，其振幅相对较小，对系统的危害较小；所以i的值一般选取1，特殊情况下i的值根据需要选取1以上）：
理论计算出被测转轴的第1阶固有频率f1和第i阶（i=1，2，3，…，n）固有频率fi的估算值（被测转轴的固有频率如何理论计算是本领域技术人员公知的技术）；选取被测转轴的转动频率fz值为大于等于第1阶固有频率的估算值且小于等于50Hz，则被测转轴的转动周期Tz=1/fz；根据被测转轴在第i阶（i =1，2，3……n）固有频率值下振型的不同，调整被测转轴上振动节点截面的位置、以及检测截面距振动节点截面的距离L（在不同固有频率的扭转振动下被测转轴上振动节点截面和扭转角位移最大处截面的位置是本领域技术人员公知的技术）；根据采样定理（采样定理指在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fc大于信号中最高频率fmax的2倍时，即fc ≥ 2fmax，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息；一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的4～5倍；采样定理又称奈奎斯特定理）选取时差序列动态信号τ(t)的采样频率fci（i =1，2，3……n）为第i阶固有频率的估算值的4-5倍以上；根据公式fci= mi*fz（i=1，2，3……n）计算得到被测转轴上检测刻度线的数量mi（增加检测刻度线可以提高τ(t)的采样频率），相邻检测刻度线之间的间距相等；当被测转轴在静、第1-i阶（i=1，2，3，…，n）动态扭矩作用下转动时，动态信号智能测试分析系统会检测到第一反射式光电传感器和第二反射式光电传感器从同一条检测刻度线上反射得到的两个光电脉冲信号的时差τ，连续检测后在时间段Ts内得到k个样本点构成动态时间序列信号τ(t)，将τ(t)进行高频滤波从而去掉第i阶（i =1，2，3……n）以上扭转振动频率的成分；从动态时间序列信号τ(t)上算出静态分量
Figure BDA0000225403882
（j=1，2，…，k）；再用如下两种方法中的任一种方法算出τ(t)的第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）和固有频率fi（i =1，2，3……n）：1）用MATLAB软件中的curve fitting tool box工具对动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行动态信号函数为 的曲线拟合从而得到τ(t)的i阶（i =1，2，3……n）正弦变化曲线图、以及第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）和固有频率fi（i =1，2，3……n）的准确测量值；2）用MATLAB软件中的signal processing tool box工具将动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行傅里叶变换从而得到τ(t)的频谱曲线图，频谱曲线图中峰值的横坐标对应的频率依次为被测转轴（5）的第1-i阶(i=1，2，3，…，n)固有频率的准确测量值而相应纵坐标为第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）；
（4）、将上述计算得到的静态分量τ0、第1-i阶动态分量的幅值τi（i=1，2，3……n）、以及第1-i阶固有频率fi（i=1，2，3……n）代入动态时间序列信号τ(t)中得到： （ i=1，2，3……n)；将τ(t)代入公式
Figure BDA0000225403885
（i=1，2，3……n） 中计算得到动态相对转角 （i=1，2，3……n）；再将θ(t)代入公式
Figure BDA0000225403887
中计算得到被测转轴的动态扭矩（i=1，2，3……n）；其中：G是切变模量，为常量7.938e10Pa；
Figure BDA0000225403889
为静态扭矩分量； 为第i阶动态扭矩分量（i=1，2，3，…，n）。
使用前采用如下装置进行校核：如图2所示，被测转轴5的两端分别通过联轴器10与磁粉制动器13和插入式扭矩传感器12连接；插入式扭矩传感器12的转轴另一端通过联轴器10与惯性块11连接，惯性块11的转轴另一端通过联轴器10与伺服电机9连接，伺服电机9的转轴另一端通过联轴器10与光电编码器8连接；光电编码器8、插入式扭矩传感器12的信号线均与动态信号智能测试分析系统2的信号输入端相连；伺服电机9经伺服驱动器7与动态信号智能测试分析系统2的控制端相连；磁粉制动器13经功率放大器6与动态信号智能测试分析系统2的控制端相连。工作时，伺服电机9为待测转轴5提供动力源，动态信号智能测试分析系统2经功率放大器6将负载转矩控制信号传输给磁粉制动器13，为待测转轴5提供负载转矩从而实现对待测转轴5的制动控制；当待测转轴5产生扭矩时，第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1均将测得的光电脉冲信号传输给动态信号智能测试系统2，动态信号智能测试系统2将测得的信号脉冲时差通过计算得到测试扭矩，同时动态信号智能测试分析系统2采集插入式扭矩传感器12输出的标定扭矩；动态信号智能测试分析系统2比较测试扭矩和标定扭矩，分别计算动态扭矩幅值和特征频率的偏差。若无偏差，则直接使用；若有偏差，则分为系统偏差和随机偏差两类。若是系统偏差，也叫规律偏差，即在一定的测量条件下误差值的大小和符号（正值或负值）保持不变；可以通过修正计算方法来消除偏差，或加、减相应的偏差值。若是随机误差，通过动态信号智能测试分析系统2改变经功率放大器6传输到磁粉制动器13的负载转矩控制信号从而改变施加在待测转轴上的负载，同时光电编码器8将测得的转速反馈给动态信号智能测试分析系统2，动态信号智能测试分析系统2通过伺服驱动器7实现对伺服电机9的速度控制；通过多次模拟加载工况，得到不同工况下的扭矩，进而得到测试信号和标准信号的参数曲线，通过对比两曲线之间的差值，运用数值分析差值逼近方法，拟合出一条差值曲线，进而根据差值曲线来相应修正计算方法，修正偏差，从而完成结果标定。
本发明所述的测试方法为非接触测量，提高了可靠性和可操作性；测量精度等级可达到±1%，频率误差小于0.1%，幅值误差小于0.1%，精度较高；使用的测试装置结构简单、工作效率高，成本低；测得的数据计算时数学模型构造简单，容易计算，误差小；解决了现有等直径转轴的扭矩测试方法计算模型复杂、测量装置结构复杂且成本高的问题；可广泛适用于所有传动设备上等直径转轴的动态扭矩测试，尤其是大型传动轴上。
附图说明
图1是本发明的测量装置结构示意图。
图2是本发明校核时的校核装置结构示意图。
图3是本发明实施例1中传动系统的结构示意图。
图4是本发明实施例2中在有限元分析软件上构建的传动系统简化结构的三维分析模型。
图5是本发明实施例1中被测转轴在静、第1阶扭转振动下τ(t)的曲线图。
图6是本发明实施例1中被测转轴只测试第1阶动态扭矩的曲线图。
图7是本发明实施例2中被测转轴在静、第1-2阶扭转振动下τ(t)的曲线图。
图8是本发明实施例2中被测转轴只测试前2阶动态扭矩的曲线图。
图9是本发明实施例3中被测转轴在静、第1-3阶扭转振动下τ(t)的频谱曲线图；其中：纵轴为幅值轴，单位为分贝；横轴为频率轴，单位为赫兹。
图10是本发明实施例3中被测转轴只测试前3阶动态扭矩的曲线图。
图中：1-第二反射式光电传感器；2-动态信号智能测试分析系统；3-第一反射式光电传感器；4-等距刻度线；5-被测转轴；6-功率放大器；7-伺服驱动器；8-光电编码器；9-伺服电机；10-联轴器；11-惯性块；12-插入式扭矩传感器；13-磁粉制动器；14-轧钢辊；15-电机转子。
具体实施方式
实施例1：
等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法（只测试被测转轴的第1阶扭转振动），包括如下步骤：
（1）、构建如图3所示的传动系统：选取直径为0.1m、长度为5m的被测转轴5，被测转轴5的左端与直径为0.4m、长度为1m的轧钢辊14固定，被测转轴5的右端与直径为0.4m、长度为1m的电机转子15固定。在被测转轴5的一侧安装与被测转轴5之间留有间隙且光源发出的光线位于被测转轴5的振动节点截面上的第一反射式光电传感器3、以及与被测转轴5之间的间隙与第一反射式光电传感器3和被测转轴5之间的间隙相等且光源发出的光线位于距被测转轴5的振动节点截面L处的检测截面上的第二反射式光电传感器1；第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1均与动态信号智能测试分析系统2的信号输入端相连。
（2）、当被测转轴5带负载运转时，在负载转矩的作用下会产生静态扭矩；当被测转轴5受到来自于动力源或负载的冲击激励下会产生n阶正弦变化的扭转振动从而产生动态扭矩。在静、动态扭矩的作用下，被测转轴5的振动节点截面和检测截面之间会产生动态相对转角θ，从而使动态信号智能测试分析系统2检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的光电脉冲信号之间产生的时差τ，对不同时刻连续检测得到动态时差序列信号τ(t)，根据线性弹性力学理论τ(t)是由静态分量τ0和正弦变化的第1~i阶动态分量τi(t)（i=1，2，3，…，n）组成，即
Figure BDA00002254038811
。
（3）、根据如下步骤计算在静、第1阶动态扭矩的作用下τ(t)的静态分量τ0、第1阶动态分量的幅值τ1和固有频率f1：
采用如下工程力学公式理论计算被测转轴的第1阶固有频率的估算值：查手册得到钢材料的计算参数如下：钢的材料密度ρ为7850kg/m^3；杨氏模量E为205e9Pa；泊松比ν为0.28；剪切弹性模量G为7.938e10Pa。因左端轧钢辊的半径r1=0.2m、长度l1=1m，被测转轴的直径d=0.1m、长度l=5m，右端电机转子的半径r2=0.2m、长度l2=1m；因此根据质量计算公式m1=m2=ρ×l×π×r2可算出轧钢辊和电机转子的质量；将算出的轧钢辊和电机转子的质量代入转动惯量的计算公式J1=J2=0.5×m×r2中算出轧钢辊和电机转子的转动惯量；将查到的计算参数代入转轴扭转刚度的计算公式
Figure BDA00002254038812
中算出被测转轴的扭转刚度；再将上述计算出的K、J1、J2代入公式
Figure BDA00002254038813
、f1=Ω/2π中，从而计算出被测转轴5的第一阶固有频率为f1=Ω/2π≈20Hz。选择被测转轴的转动频率fz为大于等于第1阶固有频率的估算值且小于等于50Hz，取fz=50Hz；Tz=1/ fz=0.02s则为被测转轴转一圈所用时间，即被测转轴的转动速度为3000rpm。
调整第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的位置，使第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的光源发出的光线分别位于被测转轴中心的振动节点截面上和距被测转轴中心的振动节点截面L=2m（2.5m、1.8m、1.5m、1m）的检测截面上；根据采样定理选取时差动态信号函数τ(t)的采样频率fc1=5f1 =100Hz；根据公式fc1=m1*fz计算得到被测转轴上检测刻度线的数量m1=2。当被测转轴5在静、第1阶动态扭矩作用下运转时，被测转轴5的振动节点截面和检测截面之间会产生相对转角θ，从而使动态信号智能测试分析系统2检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的光电脉冲信号之间产生时差τ，连续检测后在时间段0.4s内得到k=40个样本点构成动态时间序列信号τ(t)；将τ(t)进行高频滤波从而去掉第1阶以上扭转振动频率的成分；从动态时间序列信号τ(t)上算出静态分量
Figure BDA00002254038814
（j=1，2，…，k）=0.0000444；再用MATLAB软件中的curve fitting tool box工具对动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行动态信号函数为τ(t)=τ0+τ1sin(2πf1t)的曲线拟合从而得到τ(t)的1阶正弦变化曲线图（如图5所示）、以及第1阶动态分量的幅值τ1=0.0000135和固有频率f1≈20Hz；
（4）、将τ(t)代入公式
Figure BDA00002254038815
中计算得到动态相对转角θ(t)，再将θ(t)代入公式
Figure BDA00002254038816
中计算得到被测转轴5的动态扭矩M(t)=M0+M1sin(2πf1t)=2.176×103+1.7025×103sin(40πt)Nm，其曲线图如图6所示。
实施例2：
等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法（只测试被测转轴的前2阶动态扭矩），包括如下步骤：
（1）、构建如实施例1中的传动系统。
（2）、当被测转轴5带负载运转时，在负载转矩的作用下会产生静态扭矩；当被测转轴5受到来自于动力源或负载扭矩的宽带激励时会产生n阶正弦变化的扭转振动从而产生动态扭矩。在静、动态扭矩的作用下，被测转轴5的振动节点截面和检测截面之间会产生动态相对转角θ，从而使动态信号智能测试分析系统2检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的光电脉冲信号之间产生的时差τ，对不同时刻连续检测得到动态时差序列信号τ(t)，根据线性弹性力学理论τ(t)是由静态分量τ0和正弦变化的第1~i阶动态分量τi(t)（i=1，2，3，…，n）组成，即 。
（3）、根据如下步骤计算在静、第1-2阶动态扭矩的作用下τ(t)的静态分量τ0，第1、2阶动态分量的幅值τ1、τ2 和固有频率f1、f2：
采用如下方法利用有限元分析软件ComsolMultiphysics 4.2a理论计算被测转轴5的第1、2阶固有频率的估算值：查手册得到钢材料的计算参数如下：钢的材料密度ρ为7850kg/m^3；杨氏模量E为205e9Pa；泊松比ν为0.28。在有限元分析软件上构建如图4所示的传动系统简化结构的三维分析模型；通过分析后得出如下表1所示被测转轴5的第1、2阶固有频率及振型说明：
表1
Figure BDA00002254038818
选择被测转轴的转动频率fz为大于等于第1阶固有频率的估算值且小于等于50Hz，取fz=50Hz；Tz=1/ fz=0.02s则为被测转轴转一圈所用时间，即被测转轴的转动速度为3000rpm。调整第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的位置，使第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的光源发出的光线分别位于被测转轴端部的振动节点截面上和距被测转轴端部的振动节点截面L=2.5m（此处为转轴的扭转角位移最大处）的检测截面上；根据采样定理选取时差动态信号函数τ(t)的采样频率fc2=6.3f2≈2000Hz，则采样周期Tc2=1/fc2=0.0005s；根据公式fc2=m2* fz计算得到被测转轴上检测刻度线的数量m2=40，相邻检测刻度线4之间的间距相等。当被测转轴5在静、第1-2阶动态扭矩的作用下运转时，动态信号智能测试分析系统2会检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的两个光电脉冲信号的时差τ，连续检测后在时间段0.1s内得到k=200个样本点构成动态时间序列信号τ(t)；将τ(t)进行高频滤波从而去掉第2阶以上扭转振动频率的成分；从动态时间序列信号τ(t)上算出静态分量 （j=1，2，…，k）=0.0000444；再用MATLAB软件中的curve fitting tool box工具对动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行动态信号函数为τ(t)=τ0+τ1sin(2πf1t)+τ2sin(2πf2t)的曲线拟合从而得到τ(t)的2阶正弦变化曲线图（如图7所示）、以及第1阶动态分量的幅值τ1=0.0000135和固有频率f1≈20Hz、第2阶动态分量的幅值τ2=0.0000104和固有频率f2≈318.3Hz；
（4）、将上述计算中得到的静态分量τ0，第1、2阶动态分量的幅值τ1 、τ2，以及第1、2阶固有频率f1、f2代入动态时间序列信号τ(t)中得到：τ(t)=τ0+τ1sin(2πf1t)+τ2sin(2πf2t)；将τ(t)代入公式
Figure BDA00002254038820
中计算得到动态相对转角θ(t)=θ0+θ1sin(2πf1t)+θ2sin(2πf2t)；再将θ(t)代入公式
Figure BDA00002254038821
中计算得到被测转轴5的动态扭矩M(t)=M0+M1sin(2πf1t)+M2sin(2πf2t)=2.176×103+1.7025×102sin(40πt)+5.0946×102sin(637.4πt) Nm，其曲线图如图8所示。
实施例3：
等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法（只测试被测转轴的前3阶动态扭矩），包括如下步骤：
（1）、构建如实施例1中的传动系统。
（2）、当被测转轴5带负载运转时，在负载转矩的作用下会产生静态扭矩；当被测转轴5受到来自于动力源或负载扭矩的宽带激励时会产生n阶正弦变化的扭转振动从而产生动态扭矩。在静、动态扭矩的作用下，被测转轴5的振动节点截面和检测截面之间会产生动态相对转角θ，从而使动态信号智能测试分析系统2检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的光电脉冲信号之间产生的时差τ，对不同时刻连续检测得到动态时差序列信号τ(t)，根据线性弹性力学理论τ(t)是由静态分量τ0和正弦变化的第1~i阶动态分量τi(t)（i=1，2，3，…，n）组成，即
Figure BDA00002254038822
。
（3）、根据如下步骤计算在静、第1-3阶动态扭矩的作用下τ(t)的静态分量τ0、第1-3阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3）和固有频率fi（i =1，2，3）：
采用如下方法利用有限元分析软件ComsolMultiphysics 4.2a计算被测转轴5的第3阶固有频率：
查手册得到钢材料的计算参数如下：钢的材料密度ρ为7850kg/m^3；杨氏模量E为205e9Pa；泊松比ν为0.28。在有限元分析软件上构建如图4所示的传动系统简化结构的三维分析模型；通过分析后得出如下表2所示被测转轴5的第1、3阶固有频率及振型说明：
表2
Figure BDA00002254038823
选择被测转轴的转动频率fz为大于等于第1阶固有频率的估算值且小于等于50Hz，取fz=50Hz；Tz=1/ fz=0.02s则为被测转轴转一圈所用时间，即被测转轴的转动速度为3000rpm。
调整第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的位置，使第一光电反射式传感器3和第二光电反射式传感器1的光源发出的光线分别位于被测转轴中部的振动节点截面上和距被测转轴中部的振动节点截面L=1.25m（1m、0.8m）的检测截面上；根据采样定理选取时差动态信号函数τ(t)的采样频率fc3=4.2 f3≈4000Hz，则采样周期Tc3=1/fc3=0.00025s；根据公式fc3=m3* fz计算得到被测转轴5上检测刻度线4的数量m3=80，相邻检测刻度线4之间的间距相等。当被测转轴5在静、第1-3阶动态扭矩的作用下运转时，动态信号智能测试分析系统2会检测到第一反射式光电传感器3和第二反射式光电传感器1从同一条检测刻度线4上反射得到的两个光电脉冲信号的时差τ，连续检测后在时间段0.1s内得到k=400个样本点构成动态时间序列信号τ(t)；将τ(t)进行高频滤波从而去掉第3阶以上扭转振动频率的成分；从动态时间序列信号τ(t)上算出静态分量
Figure BDA00002254038824
（j=1，2，…，k）=0.0000444；用MATLAB软件中的signal processing tool box工具将动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行傅里叶变换从而得到τ(t)的频谱曲线图（如图9所示），频谱曲线图中峰值的横坐标对应的频率依次为被测转轴5的第1阶固有频率f3≈20Hz、第2阶固有频率f2=318.3Hz、第3阶固有频率f3≈952.7而相应纵坐标为第1阶动态分量的幅值τ1=0000135、第2阶动态分量的幅值τ2=0.0000104、第3阶动态分量的幅值τ3=0.0000104；
（4）、将上述计算中得到的静态分量τ0、第1-3阶动态分量的幅值τi（i=1，2，3）、以及第1-3阶固有频率fi（i=1,2,3）代入动态时间序列信号τ(t)中得到：τ(t)=τ0+τ1sin(2πf1t)+τ2sin(2πf2t)+τ3sin(2πf3t)；将τ(t)代入公式
Figure BDA00002254038825
中计算得到动态相对转角θ(t)=θ0+θ1sin(2πf1t)+θ2sin(2πf2t) +θ3sin(2πf3t)；再将θ(t)代入公式
Figure BDA00002254038826
中计算得到被测转轴（5）的动态扭矩M=M0+M1sin(2πf1t)+M2sin(2πf2t)+M3sin(2πf3t)= 2.176×103+1.7025×102sin(40πt)+5.0946×102sin(637.4πt)+3.6206×102sin(1904.6πt)Nm，其曲线图如图10所示。
具体实施时，所述动态信号智能测试分析系统采用DASP V10型动态信号智能测试分析系统，可实现高速数据采集和信号分析任务，每通道信号采样频率fs=102.4kHz，能够保证捕捉到传动轴上每一根刻度线的光电反射脉冲信号。

Claims (2)

1.等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、在直径为d的被测转轴（5）的一侧安装与被测转轴（5）之间留有间隙且光源发出的光线位于被测转轴（5）的振动节点截面上的第一反射式光电传感器（3）、以及与被测转轴（5）之间的间隙与第一反射式光电传感器（3）和被测转轴（5）之间的间隙相等且光源发出的光线位于距被测转轴（5）的振动节点截面L处的检测截面上的第二反射式光电传感器（1）；第一反射式光电传感器（3）和第二反射式光电传感器（1）均与动态信号智能测试分析系统（2）的信号输入端相连；在被测转轴（5）上制作与轴线平行的检测刻度线（4）；
（2）、当被测转轴（5）带负载运转时，在静态负载转矩的作用下会产生静态扭矩；当被测转轴（5）受到来自于动力源或负载的动态激励,会产生n阶正弦变化的扭转振动从而产生动态扭矩；在静、动态扭矩的作用下，被测转轴（5）的振动节点截面和检测截面之间会产生动态相对转角θ，从而使动态信号智能测试分析系统（2）检测到第一反射式光电传感器（3）和第二反射式光电传感器（1）从同一条检测刻度线（4）上反射得到的光电脉冲信号之间产生的时差τ，对不同时刻连续检测得到动态时差序列信号τ(t)，根据线性弹性力学理论τ(t)是由静态分量τ0和正弦变化的第1~i阶动态分量τi(t)（i=1，2，3，…，n）组成，即
Figure FDA0000225403871
；
（3）、根据如下步骤计算在静、第1-i阶（i=1，2，3，…，n）动态扭矩的作用下τ(t)的静态分量τ0、第1-i阶动态分量的幅值τi（i=1，2，3……n）和固有频率fi（i =1，2，3……n）：
理论计算出被测转轴（5）的第1阶固有频率f1和第i阶（i=1，2，3，…，n）固有频率fi的估算值；选取被测转轴（5）的转动频率fz的值为大于等于第1阶固有频率的估算值且小于等于50Hz，则被测转轴（5）的转动周期Tz=1/fz；根据被测转轴（5）在第i阶（i =1，2，3……n）固有频率值下振型的不同，调整被测转轴（5）上振动节点截面的位置、以及检测截面距振动节点截面的距离L；根据采样定理选取时差序列动态信号τ(t)的采样频率fci（i =1，2，3……n）为第i阶固有频率的估算值的4-5倍以上；根据公式fci= mi*fz（i=1，2，3……n）计算得到被测转轴（5）上检测刻度线（4）的数量mi，相邻检测刻度线（4）之间的间距相等；当被测转轴（5）在静、第1-i阶（i=1，2，3，…，n）动态扭矩作用下转动时，动态信号智能测试分析系统（2）会检测到第一反射式光电传感器（3）和第二反射式光电传感器（1）从同一条检测刻度线（4）上反射得到的两个光电脉冲信号的时差τ，连续检测后在时间段Ts内得到k个样本点构成动态时间序列信号τ(t)，将τ(t)进行高频滤波从而去掉第i阶（i=1，2，3，…，n）以上扭转振动频率的成分；从动态时间序列信号τ(t)上算出静态分量 （j=1，2，…，k）；再用如下两种方法中的任一种方法算出τ(t)的第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）和固有频率fi（i =1，2，3……n）：1）用MATLAB软件中的curve fitting tool box工具对动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行动态信号函数为
Figure FDA0000225403873
的曲线拟合从而得到τ(t)的i阶（i =1，2，3……n）正弦变化曲线图、以及第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）和固有频率fi（i =1，2，3……n）的准确测量值；2）用MATLAB软件中的signal processing tool box工具将动态时间序列信号τ(t)去掉静态分量后进行傅里叶变换从而得到τ(t)的频谱曲线图，频谱曲线图中峰值的横坐标对应的频率依次为被测转轴（5）的第1-i阶(i=1，2，3，…，n)固有频率的准确测量值而相应纵坐标为第1-i阶动态分量的幅值τi（i =1，2，3……n）；
（4）、将上述计算中得到的静态分量τ0、第1-i阶动态分量的幅值τi（i=1，2，3，…，n）、以及第1-i阶固有频率fi（i=1，2，3，…，n）代入动态时差序列信号τ(t)中得到： （ i=1，2，3，…，n）；将τ(t)代入公式
Figure FDA0000225403875
（i=1，2，3，…，n） 中计算得到动态相对转角
Figure FDA0000225403876
（i=1，2，3，…，n）；再将θ(t)代入公式
Figure FDA0000225403877
中计算得到被测转轴（5）的动态扭矩
Figure FDA0000225403878
（i=1，2，3，…，n）；其中：G是切变弹性模量，为常量7.938e10Pa；
Figure FDA0000225403879
为静态扭矩分量；
Figure FDA00002254038710
为第i阶动态扭矩分量（i=1，2，3，…，n）。
2.根据权利要求1所述的等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法，其特征在于：所述第一反射式光电传感器（3）和第二反射式光电传感器（1）采用E3Z-R61型反射式光电传感器。
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