CN103868636A - 一种旋转轴扭矩动态测量监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，属于齿轮传动系统扭矩动态测量技术领域。主要解决现有技术对于大型齿轮传动系统扭矩动态测量不能方便准确的获取扭矩测量结果的问题，包括机械测量系统及远程监控系统，所述机械测量系统包括扭矩传感机构、扭转角测量机构及测量信号传输机构；其特点是：所述扭矩传感机构包括开有通孔的被测旋转轴、固定装置、传感轴及定位轴承；所述传感轴位于通孔的中心位置；所述扭转角测量机构包括光电编码器芯轴及光电编码器本体，所述光电编码器的外壳固接在被测旋转轴的端面上，所述芯轴伸入所述通孔内；所述远程监控系统包括微处理器、无线信号发收装置及上位机。

Description

一种旋转轴扭矩动态测量监控系统

技术领域

本发明属于齿轮传动系统扭矩动态测量技术领域，具体涉及一种旋转轴扭矩动态测量监控系统。 

背景技术

为解决某大型齿轮传动系统扭矩动态测量的技术难题，针对该传动系统低速大扭矩运转和狭窄外部空间的特点，提出并研制一种在传动主轴内嵌入扭矩动态测量装置，实现对传动系统运行关键部件的数据监测、通讯，具有数据记忆、存储、分析处理与报警功能的一个集成测试系统。 

为了更准确动态监测传递低速大扭矩的旋转长轴的扭矩大小，若采用在旋转轴上粘贴应变片的传统方法进行测量，由于布线的缠绕和信号的传输问题，不能方便准确的获取扭矩测量结果。本测量装置提供一种利用光电编码器将旋转轴承受的扭矩转化为扭转角度的变化进行测量的方法，由金属滑环（适用于低速相对运动）实现动静部件之间的信号传递，再通过无线传输技术，将测量的扭矩传输到上位机，实现对旋转轴的扭矩大小的连续动态监测与控制。 

发明内容

本发明目的是解决现有技术存在的问题，提供一种旋转轴扭矩动态测量监控系统。 

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案是： 

一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，包括机械测量系统及远程监控系统，所述机械测量系统包括扭矩传感机构、扭转角测量机构及测量信号传输机构；其特点是：所述扭矩传感机构包括开有通孔的被测旋转轴、固定装置、传感轴 及定位轴承，所述通孔的轴线与被测旋转轴的旋转轴线重合；所述传感轴位于通孔的中心位置，其外径小于所述通孔的内径，其一端通过固定装置固接在被测旋转轴的一端，其另一端穿过定位轴承与扭转角测量机构的光电编码器芯轴通过联轴器连接；所述定位轴承位于所述通孔内靠近所述联轴器的位置； 

所述扭转角测量机构包括光电编码器芯轴及光电编码器本体，所述光电编码器的外壳固接在被测旋转轴的端面上，所述光电编码器芯轴伸入所述通孔内； 

所述测量信号传输机构包括光电编码器的输出线束、导电滑环、内外端盖及导线；所述导电滑环包括动滑环及静滑环，其动滑环通过内端盖与被测旋转轴固接，静滑环与固接在被测旋转轴轴承座上的外端盖固接，动滑环与静滑环保持滑动接触；所述导线一端从静滑环外端中部引出，另一端与微处理器连接； 

所述远程监控系统包括微处理器、无线信号发射装置、无线信号接收装置及上位机，所述微处理器将导线传输的信号进行处理，并将处理结果信号经无线发射装置发射至无线信号接收装置，再经上位机进行数据管理及控制。 

所述传感轴采用中空轻质材料制成； 

所述无线信号发射装置及无线信号接收装置采用GPRS无线传输模块； 

所述微处理器采用DSP芯片。 

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果： 

由于本发明采用带有定位轴承的传感轴及光电编码器对被测旋转轴的扭矩进行测量，提高测量的准确性和可靠性；采用远程监控系统实现了对系统健康状态管理与控制。 

附图说明

图1为本发明结构示意图； 

图2为本发明无线传输系统示意图。 

图中：1—被测旋转轴；2—传感轴；3—固定装置；4—通孔；5—定位轴承； 6—光电编码器本体；7—外端盖；8—静滑环；9—光电编码器芯轴；10—线束；11—动滑环；12—联轴器；13—导线；14—被测旋转轴轴承座；15—内端盖；16—微处理器；17—信号发射装置；18—信号接收装置；19—上位机。 

具体实施方式

如图1所示，一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，包括机械测量系统及远程监控系统，所述机械测量系统包括扭矩传感机构、扭转角测量机构及测量信号传输机构； 

所述扭矩传感机构包括开有通孔4的被测旋转轴1、固定装置3、传感轴2及定位轴承5，所述通孔4的轴线与被测旋转轴1的旋转轴线重合；所述传感轴2位于通孔4的中心位置，其外径小于所述通孔4的内径，其一端通过固定装置3固接在被测旋转轴1的一端，其另一端穿过定位轴承5与扭转角测量机构的光电编码器芯轴9通过联轴器12连接；所述定位轴承5位于所述通孔4内靠近所述联轴器12的位置； 

所述扭转角测量机构包括光电编码器芯轴9及光电编码器本体6，所述光电编码器本体6的外壳固接在被测旋转轴1的端面上，所述光电编码器芯轴9伸入所述通孔4内； 

所述测量信号传输机构包括光电编码器的输出线束10、导电滑环、内端盖15、外端盖7及导线13；所述导电滑环包括动滑环11及静滑环8，其动滑环11通过内端盖15与被测旋转轴1固接，静滑环8与固接在被测旋转轴轴承座14上的外端盖7固接，动滑环11与静滑环8保持滑动接触；所述导线13一端从静滑环8中引出，另一端与微处理器16连接； 

如图2所示，所述远程监控系统包括微处理器16、无线信号发射装置17、无线信号接收装置18及上位机19，所述微处理器16将导线13传输的信号进行处理并运算，并将处理结果信号经无线信号发射装置17发射至无线信号接收装置18，再经上位机19进行数据管理及控制。 

所述传感轴2采用中空轻质材料制成； 

所述无线信号发射装置17及无线信号接收装置18采用GPRS无线传输模块； 

所述微处理器16采用DSP芯片。 

工作原理： 

通过测量传动扭力轴变形扭转角来测量扭矩的计算算方法是：当传动扭力轴的一端受扭后，相对于另一端就会产生一个扭转角。由材料力学可知： 

轴的扭矩角度θ为 

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{TL}}{{\mathrm{GI}}_P}$

其中，T——传动扭力轴外加的扭矩；L——传动扭力轴的长度； 

I_P——扭力轴横截面对圆心的极惯性矩；G——比例常数，为轴材料的剪切弹性模量，一般钢G=（8.16～8.29）×10¹⁰Pa。 

对于空心轴，极惯性矩I_p为 

$I_p=\frac{\mathrm{\π}(D^4-d^4)}{32}$

其中，D——空心轴外径；d——空心轴内径。 

经整理可以得到扭转角与承受扭矩之间的关系： 

由上式可见，只要扭力轴的受力在材料的弹性极限范围以内，受扭后的扭转角与外加扭矩T是成正比的。所以，扭转角的大小可以直接反映扭矩的大小。 

$\mathrm{\θ}=T\frac{32L}{\mathrm{\πG}(D^4-d^4)}$ 。

Claims (4)

1.一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，包括机械测量系统及远程监控系统，所述机械测量系统包括扭矩传感机构、扭转角测量机构及测量信号传输机构；其特征是：

所述扭矩传感机构包括开有通孔（4）的被测旋转轴（1）、固定装置（3）、传感轴（2）及定位轴承（5），所述通孔（4）的轴线与被测旋转轴（1）的旋转轴线重合；所述传感轴（2）位于通孔（4）的中心位置，其外径小于所述通孔（4）的内径，其一端通过固定装置（3）固接在被测旋转轴（1）的一端，其另一端穿过定位轴承（5）与扭转角测量机构的光电编码器芯轴（9）通过联轴器（12）连接；所述定位轴承（5）位于所述通孔（4）内靠近所述联轴器（12）的位置；

所述扭转角测量机构包括光电编码器芯轴（9）及光电编码器本体（6），所述光电编码器本体（6）的外壳固接在被测旋转轴（1）的端面上，所述光电编码器芯轴（9）伸入所述通孔（4）内；

所述测量信号传输机构包括光电编码器的输出线束（10）、导电滑环、内端盖（15）、外端盖（7）及导线（13）；所述导电滑环包括动滑环（11）及静滑环（8），其动滑环（11）通过内端盖（15）与被测旋转轴（1）固接，静滑环（8）与固接在被测旋转轴轴承座（14）上的外端盖（7）固接，动滑环（11）与静滑环（8）保持滑动接触；所述导线（13）一端从静滑环（8）中引出，另一端与微处理器（16）连接；

所述远程监控系统包括微处理器（16）、无线信号发射装置（17）、无线信号接收装置（18）及上位机（19），所述微处理器（16）将导线（13）传输的信号进行处理并运算，并将处理结果信号经无线信号发射装置（17）发射至无线信号接收装置（18），再经上位机（19）进行数据管理及控制。

2.根据权利要求1所述的一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，其特征是：所述传感轴（2）采用中空轻质材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，其特征是：所述无线信号发射装置（17）及无线信号接收装置（18）采用GPRS无线传输模块。

4.根据权利要求1所述的一种旋转轴扭矩动态测量监控系统，其特征是：所述微处理器（16）采用DSP芯片。

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