CN103983388B - 一种实时在线式轴功率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功率测量领域，具体是一种实时在线式轴功率测量方法。该方法通过在机械轴上设置发光源或反射点，将机械轴发生扭转所产生的形变放大，能够更准确的计算出发生形变后两发光源或两反射点之间的角度，进而获得更精确的抗扭刚度值，以最大限度的减小在求解轴功率时的误差，获得精确数据。具有操作便捷、稳定性高的特点，适用于轴功率长时间在线测量应用。

Description

一种实时在线式轴功率测量方法

技术领域

本发明属于功率测量领域，具体涉及一种实时在线式轴功率测量方法。

背景技术

机械轴功率测量的应用范围很广，其涉及到的领域包括工业、交通运输、航海、航空等。在轴功率的计算中，重要参数有扭矩和转速，其中转速较易测量，而扭矩测量较复杂。

从原理上可将扭矩测量法分为平衡力法和传递法。平衡力法是指利用平衡扭矩来平衡被测机械轴的扭矩，进而求得被测机械轴扭矩，这种方法只适用于测量机械轴匀速转动或静止的情况，不适用于机械轴实际工作时测量。传递法是指根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩，专利201120533280《一种船舶轴功率测试装置》采用的电阻应变片法就是典型的传递法。

目前国内采用的测扭矩的方法主要有应变式扭矩测试法和相位差式扭矩测试法。应变式扭矩测试法一般分为应变片法和磁弹性法。

应变片法(以专利201120533280《一种船舶轴功率测试装置》为例)是指在机械轴上安装电阻应变片，当被测轴转动时机械轴表面产生扭转形变，贴于轴系表面的电阻应变片亦产生形变，引起电阻应变片阻值的变化。电阻的变化被转化为电信号，传输至信号发射器，发射器再将信号传输给信号接收端。应变片法的安装要求较高，人为因素影响大，难以保证精度，使用周期和寿命短。此外，使用电阻应变片法，需要在应变片上安装一个发射器将电信号转变为无线信号。发射器由高能电池提供电能，能耗较大。此方法在机械轴上安装的原件过多，不适合机械轴在线工作时进行测量。磁弹性法是基于铁磁材料的压磁效应检验线圈中的磁通量的变化量，结构复杂，设备加工工艺要求高。

相位差式扭矩测试法一般有钢弦法和激光法。钢弦法是通过钢弦传感器频率变化检测相位差，如专利200820154915《一种测量大直径轴功率的装置》，这种方法精度高，但是存在着结构复杂、安装不便、不易携带的缺点。激光法则是利用激光发射接收器等设备检测传感器信号相位差，如专利201110008400《光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置》。这种方法测量精度较高，操作简单。但是在机械轴上安装较大的附件的测量方法，会造成机械轴偏心，产生震动，影响机械轴的正常使用，不适合用于在线测量轴功率。

上述机械轴功率的测量方法普遍存在着结构复杂的弊端。同时，大部分的轴功率测量装置需要将部分设备安装在机械轴上面，如专利201120533280需要安装应变片、专利201110008400需要安装光电码盘、专利200820154915则需要安装大型的线圈。安装的过程中可能会涉及到机械轴的拆卸，给用户带来不便。不仅如此，在长期的使用中，上述部件在机械轴上的位置可能会因为人为因素或环境因素发生改变，与最初的位置不一致，最终导致测试的结果出现偏差。上述的轴功率测量法可以对机械轴进行短期的测量，无法应用于在线测量。

发明内容

由于现有的轴功率测试装置存在结构复杂，安装要求高，附加在机械轴上的装置体积较大的特点，大多只适用于测量机械轴匀速转动或静止情况下的功率，将其应用于机械轴实际工作中时，往往存在测量结果偏差大，测量精度不高的问题。本发明提供一种操作简单，测量精度高且适用于实时在线测试的轴功率测量方法。本发明的实时在线式轴功率测量方法包括以下步骤：

在机械轴同一母线上安装两个发光源，测取机械轴的半径和两个发光源之间的间距；

对机械轴施加一切应力，计算所述机械轴受力扭转后两发光源之间的角度，推算得到该机械轴的抗扭刚度值；

在所述机械轴的同一母线上标记两个反射点，测取两个反射点之间的间距；

开启控制开关使机械轴正常工作，采用激光探测器测得该机械轴的实时工作转速，计算机械轴扭转后两个反射点之间的角度，代入所述抗扭刚度值即可求得该机械轴的功率。

上述步骤的具体操作过程如下：

S1：在机械轴的正下方设置一台面与机械轴平行的工作台，机械轴同一母线上安装两个发光源，旋转机械轴，使两个发光源处于机械轴外圆最低点，将所述两个发光源投射于工作台台面的投影点记作首次投影点，测出机械轴的半径R、所述两个发光源之间的间距L₀以及机械轴外圆底部到工作台台面的垂直距离H；

S2：使用机械夹臂对机械轴施加一切应力F₀，机械轴发生扭转，两发光源在机械轴上的位置随机械轴扭转发生偏移，相应的，所述两个发光源投射在工作台台面上的投影点偏离首次投影点，测出偏移距离x₁，x₂；则机械轴在切应力F₀的作用力下发生扭转，使两个发光源之间产生一角度θ₀(rad)，其表达式如下：

${\mathrm{\θ}}_0=\arctan \left(\frac{x_2}{H+R}\right)\±\arctan \left(\frac{x_1}{H+R}\right)---\left(1\right)$

式中，x₁、x₂分别为机械轴发生扭转后两个投影点偏移首次投影点的距离(m)，H为机械轴外圆底部到工作台台面的垂直距离(m)，R为轴的半径(m)；

将所述角度代入以下表达式可以求得所述机械轴的抗扭刚度值

$G\·I_P=\frac{180\·F_0\·R\·L_0}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\θ}}_0}---\left(4\right)$

式中，G·I_P表示机械轴抗扭刚度，I_P表示极惯性矩(m⁴)，G表示材料的切变模量(Pa)，F₀表示切应力(N),R为轴的半径(m),L₀为两个发光源之间的距离(m)，θ₀表示机械轴受力扭转后两发光源位置之间的角度(rad)；

S3：撤去所述发光源，在所述机械轴的同一母线上标记两个反射点，在反射点的下方对应安装用于向所述反射点发射和接收激光束的激光探测器，并测取两个反射点之间的间距L₁；

S4：开启控制开关使机械轴正常工作，所述激光探测器通过识别反射点可以测得两个反射点旋转一周到达起始位置的时刻t₁，t₂和机械轴旋转一周所用的时间，进而求得机械轴的转速n，则两个反射点随机械轴工作扭转后产生一个角度θ₁(rad)，其表达式如下：

${\mathrm{\θ}}_1=(t_2-t_1)\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(5\right)$

式中，t₁、t₂分别表示两反射点随机械轴旋转一周后到达起始位置的先后时刻(min)，n表示轴的转速(r/min)；

将所述角度代入以下表达式可以求得所述机械轴实际工作时的功率

$P=\frac{\mathrm{\π}\·G\·I_P\·{\mathrm{\θ}}_1}{180\·L_1}\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(9\right)$

式中，P为轴功率(kw)，G·I_P为S2中求得的该机械轴的抗扭刚度值，θ₁为机械轴工作扭转后两反射点之间的角度(rad)，n表示轴的转速(r/min)，L₁表示两个反射点之间的距离(m)。

较佳的，所述反射点为粘接在机械轴表面的反射片，或涂刷在机械轴表面的反射涂层。且反射片的质量不超过50g。以减轻机械轴上的附件的质量，避免造成机械轴偏心、振动而影响机械轴正常使用。

较佳的，所述发光源为激光光源，并通过粘接方式固定在机械轴上。激光具有亮度高、方向性好、单色性好等特点，能够保证光束的准直性和投影的精准性，减小测量误差，提高测量精度。

具体地，所述激光探测器可设置在不影响机械轴工作的任意位置，只需使激光探测器的激光探头与反射点相对应即可。以保证激光探头能顺利的向反射点发射和接收激光束，又不会对机械轴正常工作造成影响。

由于以上技术方案，本发明的有益效果为：

1.通过在机械轴上设置发光源或反射点，将机械轴发生扭转所产生的形变放大，能够更准确的计算出发生形变后两发光源或两反射点之间的角度，进而获得更精确的抗扭刚度值，以最大限度地减小在求解轴功率时的误差，获得精确数据；

2.与现有技术中在机械轴上安装较大附件的测量方法相比，本发明附加在机械轴上的反射点为反射片或反射涂层，它们自身质量非常轻、与机械轴的贴合非常紧密，因而不会造成机械轴偏心、振动，不会影响轴系的正常运转，也不会轻易脱落，具有高度的稳定性，适于长时间在线测量应用；

3.测量过程中不与机械轴接触，仅通过改变反射点和对应的激光探测器的位置就可以测量机械轴任意段或整个轴的扭矩和功率，具有操作便捷的优点；

4.测量装置结构简单、易安装，且拆卸方便，便于携带，可连续重复使用。

附图说明

图1为本发明实施例中对静止状态的机械轴施加切应力前的示意图；

图2为本发明实施例中对静止状态的机械轴施加切应力后的示意图；

图3为本发明实施例中对静止状态的机械轴施加切应力后的右视图；

图4为本发明实施例中对静止状态的机械轴施加切应力后的右视图；

图5为本发明实施例中机械轴正常工作前的示意图；

图6为本发明实施例中机械轴正常工作中的示意图；

图中:1-机械轴，2-发光源，3-工作台，4-反射点，5-激光探测器。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。本领域普通技术人员根据本发明构思而做出的简单变换，应当在本发明所要求保护的范围内。

以下结合附图，具体说明本发明的构思，以及在此构思下的工作过程。

本发明提供一种实时在线式轴功率测量方法，通过将机械轴发生扭转所产生的形变放大，来间接测量机械轴的轴功率。其具体步骤如下：

S1：如图1所示，在机械轴1的正下方设置一台面与机械轴1平行的工作台3，机械轴1同一母线上安装两个发光源2，旋转机械轴1，使两个发光源2处于机械轴外圆最低点，将所述两个发光源2投射于工作台3台面的投影点记作首次投影点A₁,A₂，为使投射效果更佳以方便后续数据的测取，所述发光源2优选为激光光源，并通过粘接方式固定在机械轴1上；测出机械轴1的半径R、所述两个发光源2之间的间距L₀以及机械轴外圆底部到工作台台面的垂直距离H，为使测量方便，可以在首次投影点A₁,A₂之间放置一测量标尺。

S2：使用机械夹臂对机械轴1施加一切应力F₀，机械轴发生扭转；参见图2，两发光源2在机械轴1上的位置随机械轴扭转发生偏移，相应的，两个发光源2投射在工作台台面上的投影点B₁,B₂偏离首次投影点A₁,A₂，测出A₁B₁之间的距离x₁和A₂B₂之间的距离x₂，如图3和图4所示，机械轴在切应力F₀的作用力下发生扭转，使两个发光源之间产生一角度θ₀(rad)，其表达式如下：

${\mathrm{\θ}}_0=\arctan \left(\frac{x_1}{H+R}\right)\±\arctan \left(\frac{x_2}{H+R}\right)---\left(1\right)$

式中，x₁、x₂分别为机械轴发生扭转后两个投影点偏移首次投影点的距离(m)，H为机械轴外圆底部到工作台台面的垂直距离(m)，R为轴的半径(m)；

根据在扭矩作用下两截面相对扭转角(rad)的计算公式

及扭矩T₀(N·m)的计算公式

T₀＝F₀·R(3)

合并整理后可以得到机械轴抗扭刚度的表达式

$G\·I_P=\frac{180\·F_0\·R\·L_0}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\θ}}_0}---\left(4\right)$

式中，G·I_P表示机械轴抗扭刚度，I_P表示极惯性矩(m⁴)，G表示材料的切变模量(Pa)，F₀表示切应力(N),R为轴的半径(m),L₀为两个发光源之间的距离(m)，θ₀表示机械轴受力扭转后两发光源位置之间的角度(rad)；

S3：参见图5，撤去上述发光源2，在机械轴1上选取一待测段，并在待测段的同一母线上粘接两个反射片或涂刷两处反射涂层作为反射点4，为避免反射点影响机械轴正常工作，反射片的质量应不超过50g；然后测量两个反射点之间的间距L₁，并在反射点的下方对应安装激光探测器5，用以向所述反射点4发射和接收激光束，激光探测器可以安装在不影响机械轴工作的任意位置，只需使激光探测器的激光探头与反射点相对应即可。

S4：开启控制开关使机械轴1正常工作，所述激光探测器5通过识别反射点4可以测得两个反射点4旋转一周到达起始位置的时刻t₁，t₂和机械轴旋转一周所用的时间t，进而求得机械轴的转速n，由此可得机械轴工作扭转后两个反射点的位置之间的角度θ₁(rad)为

${\mathrm{\θ}}_1=(t_2-t_1)\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(5\right)$

式中，t₁、t₂分别表示两反射点随机械轴旋转一周后到达起始位置的先后时刻(min)，n表示轴的转速(r/min)；

其角速度ω(rad/min)为

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(6\right)$

式中，n表示轴的转速(r/min)；

根据扭转角的计算公式及扭矩的计算公式合并整理可得机械轴实际工作时该待测段的扭矩你

$T_1=\frac{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\θ}}_1\·G\·I_P}{180\·L_1}---\left(7\right)$

然后利用功率计算公式

P＝T₁·ω(8)

将公式(6)和(7)代入公式(8)中可得到机械轴工作时的轴功率计算公式

$P=T_1\·\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\π}\·G\·I_P\·{\mathrm{\θ}}_1}{180\·L_1}\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(9\right)$

式中，P为轴功率(kw)，T₁表示轴的输出扭矩(N·m)ω表示角速度(rad/min)，G·I_P为S2中求得的该机械轴的抗扭刚度值，θ₁为机械轴工作扭转后两反射点之间的角度(rad)，n表示轴的转速(r/min)，L₁表示两个反射点之间的距离(m)；

将S2中求得的抗扭刚度值代入公式(9)中，即可求得该段机械轴工作时的功率。

本发明中的反射点可根据需要标记在机械轴的任意段，只需在反射点对应位置处安装激光探测器，即可测量机械轴任意段的扭矩和功率，若配合相应的软件系统，能够实时监测机械轴从开始工作到稳定工作这一时段内的转速、扭矩和功率的变化。本发明方法使用的测量装置简单易安装，其附加在机械轴上的反射点为反射片或反射涂层，它们自身质量非常轻、与机械轴的贴合非常紧密，既不会造成机械轴偏心、振动，不会影响机械轴的正常运转，也不会轻易脱落，具有高度的稳定性，适用于在线测量机械轴的轴功率。

Claims (5)

1.一种实时在线式轴功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在机械轴同一母线上安装两个发光源，测取机械轴的半径和两个发光源之间的间距，具体为：

在机械轴的正下方设置一台面与机械轴平行的工作台，机械轴同一母线上安装两个发光源，旋转机械轴，使两个发光源处于机械轴外圆最低点，将所述两个发光源投射于工作台台面的投影点记作首次投影点，测出机械轴的半径R、所述两个发光源之间的间距L₀以及机械轴外圆底部到工作台台面的垂直距离H；

S2：对机械轴施加一切应力，计算所述机械轴受力扭转后两发光源之间的角度，推算得到该机械轴的抗扭刚度值，具体为：

使用机械夹臂对机械轴施加一切应力F₀，机械轴发生扭转，两发光源在机械轴上的位置随机械轴扭转发生偏移，相应的，所述两个发光源投射在工作台台面上的投影点偏离首次投影点，测出偏移距离x₁，x₂；则机械轴在切应力F₀的作用力下发生扭转，使两个发光源之间产生一角度，其表达式如下：

${\mathrm{\θ}}_0=arctan\left(\frac{x_2}{H+R}\right)\±arctan\left(\frac{x_1}{H+R}\right)---\left(1\right)$

将所述角度代入以下表达式可以求得所述机械轴的抗扭刚度值

$G\·I_P=\frac{180\·F_0\·R\·L_0}{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\θ}}_0}---\left(4\right)$

式中，G·I_P表示机械轴抗扭刚度，I_P表示极惯性矩，G表示机械轴的切变模量；

S3：在所述机械轴的同一母线上标记两个反射点，测取两个反射点之间的间距，具体为：

撤去所述发光源，在所述机械轴的同一母线上标记两个反射点，在反射点的下方对应安装用于向所述反射点发射和接收激光束的激光探测器，并测取两个反射点之间的间距L₁；

S4：开启控制开关使机械轴正常工作，采用激光探测器测得该机械轴的实时工作转速，计算机械轴扭转后两个反射点之间的角度，代入所述抗扭刚度值即可求得该机械轴的功率，具体为：

开启控制开关使机械轴正常工作，所述激光探测器通过识别反射点可以测得两个反射点旋转一周到达起始位置的时刻t₁，t₂和机械轴旋转一周所用的时间，进而求得机械轴的转速n，则机械轴工作扭转后两个反射点的位置之间的角度为

${\mathrm{\θ}}_1=(t_2-t_1)\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(5\right)$

将所述角度代入以下表达式可以求得所述机械轴实际工作时的功率

$P=\frac{\mathrm{\π}\·G\·I_P\·{\mathrm{\θ}}_1}{180\·L_1}\·\frac{2\mathrm{\π}\·n}{60}---\left(9\right)$

式中，G·I_P为S2中求得的该机械轴的抗扭刚度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反射点为粘接在机械轴表面的反射片，或涂刷在机械轴表面的反射涂层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述反射片的质量不超过50g。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光探测器设置在不影响机械轴工作的任意位置，且激光探测器的激光探头与反射点相对应。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发光源为激光光源，并通过粘接方式固定在机械轴上。