CN104677630A - 自动同步离合器状态监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动同步离合器状态监控方法，改进离合器活动部件，即同步离合器内部的自行接合或自动分离的轴活动部件，采用电涡流传感器对轴活动部件表面贴近进行非接触式检测；测得离合器移动位置状态。尤其是轴活动部件由圆柱面改为锥面；电涡流传感器通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。可应用于现代发电机组、舰船传动系统、能量回收机组的辅动力机和工作机之间自动同步离合器的离合状态及其离合位置监控。

Description

自动同步离合器状态监控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种工业、船舶领域的自动同步离合器状态监控方法，可用于现代发电机组、舰船传动等系统中离合器活动状态的在线监测。

背景技术

自动同步离合器是一种通过齿轮元件和离合器传递功率的全自动型单向超越离合器，是一个封闭的机械系统，广泛应用于舰船、电站等动力装置中。自动同步离合器也称为SSS(Synchro-Self-Shifting)离合器，是一种通过齿轮元件传递功率的全自动型单向超越离合器。它能够根据输入、输出端转速的高低自动进行切换：当输入端相对输出端升速时，离合器自动啮合；当输入端相对输出端降速时，离合器自动脱开，独立于外部控制，啮合后同步机械完全卸载。自动同步离合器在柴-燃联合动力装置型军舰、发电站的燃气轮机和冶金行业的能量回收系统中广泛应用。目前世界上只有英国SSS公司德国MAAG公司拥有成熟的离合器设计和制造能力，国内仅有少数企业和船舶研究所在研发制造。由于离合器的特殊性，其运行时高速旋转，并在轴向方向活动，移动形成较大，监控比较困难，目前针对该类产品目前没有仪表设备对其实时监控。鉴于上述情况，国内自动同步离合器制造商希望能够突破离合器状态监控的技术瓶颈，我们在制造商的机械背景下，结合项目发明了自动同步离合器状态监控方法，并设计生产样机应用到制造商项目中，切实解决了离合器的状态监控问题。

块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流)，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。电涡流传感器工作原理如图所示

按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、 表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小等特点。

发明内容

本发明的目的在于，设计一种能够在线监测高速旋转、大行程活动范围的自动同步离合器工作状态，使得仪器仪表能够实时将离合器的状态显示或远传，提供给操作员或中控系统判断整个传动系统工作是否正常，使得原本封闭的机械运动得以信息化。

自动同步离合器状态监控方法，其特征在于改进离合器活动部件，即同步离合器内部的自行接合或自动分离的轴活动部件，采用电涡流传感器对轴活动部件表面进行贴近非接触式检测；尤其是轴活动部件由圆柱面改为锥面，并使得活动距离与锥度成一定比例，使电涡流传感器对锥面表面进行非接触式检测；电涡流传感器通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。

该方法包括电涡流传感器测量探头、测量仪表以及对自动同步离合器测量面的改进，使得监控高速旋转、大行程范围移动的自动同步离合器成为可能，并成功应用于工程。本发明通过对原离合器最重要的中空圆柱体活动部件(即轴活动部件)改进成一定锥度的中空圆锥体，锥面长48mm，锥度为θ，tanθ＝1/15；测量探头为直径8mm的电涡流探头，径向垂直于活动圆锥体安装，使得离合器圆锥面活动离探头最近端距离为0.5mm，离合器在高速旋转达到一定转速后自动吸合，圆椎体轴向滑动距离为30mm，此时离合器粘合，在此过程中，根据锥度计算，锥面径向变化距离为2mm，仪表通过探头测量离合器径向锥面变化，可算得离合器轴向活动位置，即可显示离合器状态、距离。

根据上述自动同步离合器状态监控装置，轴活动部件由圆柱面改为锥面，并使得活动距离与锥度成一定比例，使用电涡流传感器测量其活动过程中的径向变化距离，电涡流传感器通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。

如上所述的自动同步离合器，其原啮合活动部件即轴活动部件为圆筒状，内部为啮合齿，对其进行设计改造，在活动部件端面作为测量面，且加工成锥筒形，形成活动部件轴向运动和径向距离变化的比例关系，可使用电涡流传感器测量测量微小的径向距离(传感器端面与锥筒形表面)变化，结合设计的仪表采集调理计算信号，根据三角关系，显示出离合器活动部件轴向移动距离。

本发明的有益效果：如上所述的监控方法与装置，能够接收电涡流传感器信号，通 过线性矫正及监控起点终点确认，可完成传感器测量离合器起止位置的确定，通过对电涡流传感器信号的调理、采集、计算，仪表可实时显示离合器位置状态(0～30mm或其他范围)，同时仪表可设置离合状态指示。尤其是通过对轴活动部件端部三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。仪表可将离合器位置信号以4～20mA模式输出，也可将离合状态开关量信号输出至DCS中控系统或其他集控系统内，满足远程监控要求。

附图说明

图1自动同步离合器活动部件与传感器安装示意剖面图；

图2是方法原理流程图；

图3自动同步离合器测量时局部放大剖面图，图3A为探头与被测面距离最远端，图3C为电涡流传感器探头与被测锥面最近端，图3B为中间位置的示意图。

具体实施方式

自动同步离合器原结构如图1所示，在电机启动旋转后，离合器联接动力轴与驱动轴，当转速达到一定转速或离合器两端转速差达到设计值，离合器自动合上，实现两端旋转的同步。自动同步离合器独立于外部控制，传统的离合器封闭在机壳内部，工作过程中，无法实现控制或监视，为了实现对离合器工作状态的实时监控，感知离合器离合状态及其位置，需要设计一种针对离合器状态的监控方法。

现有技术包括自动同步离合器包括机械电机式自动离合器和液压式自动离合器。机械电机式自动离合器的ECU汇集油门踏板、发动机转速传感器、车速传感器等信号，经处理后发送指令驱动伺服马达，通过拉杆等机械形式驱使离合器动作；液压式自动离合器则是由ECU发送信号驱动电动液压系统，通过液压操纵离合器动作。

改进离合器活动部件，由圆柱面改为锥面，并使得活动距离与锥度成一定比例，使用电涡流传感器测量其活动过程中的径向变化距离，仪表通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。高速旋转的离合器活动部件，必需是有一定锥度的圆柱体，锥面径向变化范围必需满足电涡流传感器线性测量要求，电涡流传感器在此范围内工作在线性区域。

使用电涡流传感器这种非接触式探头，完成微小的径向距离变化监测，提供给二次仪表计算显示。

监控仪表通过电涡流传感器对离合器活动部件径向距离的测量，按比例计算放大，显示出离合器实际轴向位置的变化、离合的状态。

如上所述的电涡流传感器，由探头、前置器组成，探头直径根据所测移动范围而定，如移动30mm，探头直径8mm，轴活动部件移动30mm时对应离合器的接合或分离两个位置；更精确的是离合器活动部件径向距离变化2mm，满足电涡流传感器线性测量要求，传感器垂直于离合器轴向安装，保证离合器活动范围内保持与探头最近安全距离为0.5mm。

离合器结构改进设计：考虑到离合器工作状态是高速旋转，离合时轴向行程移动30mm，需要直接测量其位置，难度较大。通过对离合器结构的详细剖析，原结构如图1所示，设计一种间接测量法，同时需要对离合器进行改进来配合这种测试方法。改进离合器活动部件端面，由原圆柱面改进为圆锥面，实现一个角度，并加长端面，满足轴向移动30mm范围内，径向变化在2mm范围内的比例关系，同时在端面垂直轴向位置安装电涡流传感器，固定于机壳，调整其线性测量距离范围，实现安全精确测量。

传感器设计安装：满足该离合器结构，设计电涡流传感器，离合器机壳开孔，设计套管密封，加长加固探头，满足测量距离要求，较小高速旋转部件对探头的影响。安装探头如图所示，满足探头与离合器端面在活动范围内最小距离为0.5mm，同时将探头电缆引出至前置器。

装置设计：如图2所示测量方法流程，仪表接收探头前置器调制信号，通过信号滤波、调理、采集、处理、显示及通讯电路，实现了离合器位置变化的间接测量方法，可独立完成监控，也可联合DCS完成远程系统监控。

工作过程：如图所示，离合器1、离合器外壳2、轴活动部件3、锁紧螺母4、电涡流传感器套管5。电涡流传感器固定于机壳，在离合器轴活动部件3的锥面活动，如图3，图3A为探头与被测面距离最远端(间距L＝2.5mm)，图3C为电涡流传感器探头与被测锥面最近端(间距L＝0.5mm)，图3B为任意位置(间距L)。设离合器活动位置距离为S，锥面角度为θ，由图3可知，tanθ＝2mm/30mm＝1/15。轴活动部件移动30mm时对应离合器的接合或分离两个位置。

当工作时，离合器锥面活动，引起探头与锥面的间距变化L，那么tanθ＝L/S，得L/S＝1/15，得出S＝15*L，由于L通过探头可直接测得，故装置可得知S的值，即可间接测量离合器活动的任意距离。方法验证：按上述方法实施方式，完成对离合器结构的设计、制造，传感器的设计、制造，仪表的设计、制造，配合离合器设计制造商进行现场安装、调试及验证。静态验证，离合器未封盖、两端未联接传动，安装调试传感器， 手动推动离合器，实现由离到合的两极端位置变化，实测距离变化与仪表显示，误差小于0.5％，最小分辨率为15um。动态验证，离合器密封紧固，两端联接电机和变速箱，开启电机，调节转速，仪表可灵敏显示离合器的离合状态及行程位置。

本发明可应用于现代发电机组、舰船传动系统、能量回收机组的辅动力机和工作机之间自动同步离合器的离合状态及其离合位置监控。

Claims (5)

1.自动同步离合器状态监控方法，其特征在于改进离合器活动部件，即同步离合器内部的自行接合或自动分离的轴活动部件，采用电涡流传感器对轴活动部件表面贴近进行非接触式检测；测得离合器移动位置状态。

2.根据权利要求1所述的自动同步离合器状态监控方法，其特征在于轴活动部件为锥面，并使得活动距离与锥度成一定比例，使电涡流传感器对锥面表面进行非接触式检测；电涡流传感器通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。

3.根据权利要求1或2所述的自动同步离合器状态监控装置，其特征在于使用电涡流传感器测量测量微小的径向距离即传感器端面与锥筒形表面变化。

4.根据权利要求1或2所述的自动同步离合器状态监控装置，其特征在于在轴活动部件筒侧端面作为测量面，且加工成锥筒形，形成活动部件轴向运动和径向距离变化的比例关系，使得活动距离与锥度成一定比例，使用电涡流传感器测量其活动过程中的径向变化距离，电涡流传感器通过三角计算测得离合器移动位置并显示状态及距离。

5.根据权利要求4所述的自动同步离合器状态监控装置，其特征在于电涡流传感器探头与被测锥面最远端间距L=2.5mm，电涡流传感器探头与被测锥面最近端间距L=0.5mm，设离合器活动位置距离为S为30mm，锥面角度为θ，tanθ=2mm/30mm=1/15。