CN105628272A - 基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法，装置包括盛装有液体工质的保温室，保温室上装有一个盲板，转动轴穿过盲板中心伸入到液体工质中，转动轴前端固定安装有风扇扇叶、后端通过联轴器与待测轴连接，盲板上等距离分布有6个通孔，6个热电偶分别穿过6个通孔伸入到液体工质中，热电偶数据输出端与多点温度记录仪连接，测量时将转动轴后端与待测轴相连，使待测轴转动并带动转动轴转动，转动轴带动前端风扇扇叶转动，风扇扇叶搅拌液体工质，多点记录仪计算出单位时间液体工质平均温度变化量，根据液体工质的比热容和质量，计算出待测轴的轴功率，本装置结构简单，测量方法易操作，测量效率高，易于应用和推广。

Description

基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种机械能与热力学能转换及测量技术领域，具体涉及一种基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法。

背景技术

目前国内外测量轴功率大多是通过测量轴的输出扭矩和转速进而计算得到。

轴旋转时向个输出机械能，轴功率满足如下关系：

$P=T\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}nT}{60}=\frac{\mathrm{\π}nT}{30}$

其中，P为转动轴功率，单位kW；T为转动轴的输出扭矩，单位N·m；n为转动轴的转速，单位r/min。

其中转速测量技术已经十分成熟，可是扭矩测量技术相比之下并不十分成熟，目前应用比较广泛的有应变型传感器和相位差式扭矩传感器，应变片技术具有应用范围广、测量精度高、性能稳定等特点,但应变片的安装及环境因素对精度影响比较明显。相位差式扭矩测量仪属于非接触式测量,具有结构简单、响应速度快、灵敏度高等特点,但缺点也因不同类型而异,如钢弦测功仪不能测高速轴且精度低、磁弹式准确度低且易受外界电磁干扰等。由此可见扭矩测量技术有待进一步发展,以提高测量的精度。近年来,扭矩仪进行检测的方法较多,各种检测仪器性能各异,结构形式繁多,它们在各种不同的场合及环境下各有一定的使用价值，但使用时都要做大量的准备工作,如:轴及传感器的反复安装、信号的传输等，需要多次停机并反复进行信号修正。

专利201320459236.2公开了一种检测设备，其中的核心部件磁滞测功机采用磁滞制动器与传感装置进行配合。这种检测装置虽然结构简单，操作方便，但是当磁滞测功机工作时，转动轴拖动涡流盘旋转，激磁线圈通以可调节的电压。由于在磁极周围产生磁场，该磁场将对检测结果产生较大的影响，而且由于转动轴拖动涡流盘旋转，所以它不能进行低速转动轴的检测。专利201420087678.3公开了一种电力测功器，它是通过将扭矩传感器与传动轴连接，采用多种传感器连接相应的部件测量出所需数据。但是它的结构中有多个电机，联轴器，齿轮箱，转动法兰盘等，过于复杂，操作中有很多的不确定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的结构复杂，操作难度高等问题，提供了一种基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法。本发明的目的是为了解决目前转动轴功率测量装置复杂的问题，避开转动轴功率的直接测量的难点，本发明提供一种结构简单应用性广的测量装置及测量方法。

为满足上述技术要求，本发明是采用如下技术方案实现的：

本发明利用能量转换定律，将轴的机械能转化为液体工质的热力学能，通过对单位时间内液体工质热力学能增量的计算求得功率。

基于能量转换的轴功率测量装置，其特征在于，包括一个保温室，保温室由白钢容器与顶部的法兰盘内圈焊接而成，保温室内部盛装有液体工质，保温室上部通过螺栓装有一个可盖住法兰盘上表面的圆盘形的盲板，盲板圆心处开有沉孔，沉孔包括上部的沉头部分和下部的过孔部分，沉孔的沉头部分固定有轴承，转动轴与轴承配合并穿过沉孔的过孔部分伸入到保温室内的液体工质中，转动轴前端固定安装有风扇扇叶，转动轴后端通过联轴器与待测轴连接，盲板上以沉孔的圆心为圆心、大于沉孔半径且小于盲板半径的长度为半径的圆周上等距离分布有6个通孔，6个热电偶分别穿过6个通孔伸入到保温室内的液体工质中，6个热电偶从上而下穿出通孔下表面的长度，按逆时针方向，依次为保温室高度的 并用密封胶密封通孔与热电偶之间的缝隙，每个热电偶的数据输出端与多点温度记录仪的数据输入端连接。

所述的保温室的外表面包裹有保温材料制成的保温层。

使用上述基于能量转换的轴功率测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、将转动轴后端与待测轴通过相应规格型号的联轴器相连；

第二步、使待测轴转动，待测轴通过联轴器带动转动轴转动，转动轴带动前端风扇扇叶转动，风扇扇叶开始搅拌保温室内的液体工质，待测轴的旋转机械能通过转动轴和风扇扇叶转化成了液体工质的热力学能；

第三步、开始温度测量，将多点记录仪显示的六个测量点的温度求和取平均值记录下来，用平均温度代表此时刻液体工质的实际温度，液体工质初始平均温度记为T₀，然后每相隔6秒为一个测量时间点记录一次液体工质的平均温度，共计记录10分钟，每个时间测量点对应的温度平均值分别记为T₁，T₂…T₁₀₀，则T₀，T₁，T₂…T₁₀₀共有101组数据；

第四步、绘制曲线，按照T₀-T₁₀₀这101组温度平均值数据绘制平均温度—时间变化曲线，选取其中平均温度上升速率平稳的曲线段，即平均温度变化曲线呈一条斜直线段，记所选取曲线段始端的时间测量点对应的平均温度值记为T_a，末端的时间测量点对应的平均温度值记为T_b，a和b均为整数，且0≤a≤b≤100，则选取曲线段平均温度变化量△T＝T_b-T_a，所选取曲线段的时间段长度t＝6×(b-a)；

第五步、进行计算，计算待测轴的轴功率时满足如下关系：

$P=\frac{W}{t}=\frac{Q}{t}=\frac{cm\mathrm{\Δ}T}{t}$

其中，P为待测轴的轴功率，单位kW；c为保温室内的液体工质的比热容，单位kJ/(kg·K)；m为保温室内的液体工质的质量，单位kg；△T为所选时间段内的液体工质平均温度变化量，单位K；t为所选曲线段的时间长度，单位s。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明的有益效果在于，本发明所述的基于能量转换的轴功率测量装置及测量方法，可以通过机械能转换为热力学能实现轴功率的准确测量。整个测量装置可适用于多种测量场合，各种轴的功率测量，便捷易行，应用性广。本发明结构合理，操作简单，工作性能好。通过热电偶和多点温度记录仪测量并记录保温室内液体工质温度变化，更加精确。通过转动轴带动风扇扇叶转动，进而加热保温室内液体工质，原理简单，数据处理方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的基于能量转换的轴功率测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述的基于能量转换的轴功率测量装置的盲板的主视图；

图3为本发明所述的基于能量转换的轴功率测量装置的盲板的加工俯视图；

图4为本发明所述的基于能量转换的轴功率测量装置的热电偶分布示意图；

图5位本发明所述的基于能量转换的轴功率测量方法的流程图。

图中：1.转动轴，2.轴承，3.保温材料，4.保温室，5.液体工质，6.风扇扇叶，7.热电偶，8.多点温度记录仪，9.盲板，10.沉孔，11.通孔。

具体实施方式

本发明提供了一种基于能量转换的轴功率测量装置，包括一个保温室4，保温室4由白钢容器与顶部的法兰盘内圈焊接而成，保温室4内部盛装有液体工质5，保温室4上部通过螺栓装有一个可盖住法兰盘上表面的圆盘形的盲板9，盲板9圆心处开有沉孔10，沉孔10包括上部的沉头部分和下部的过孔部分，沉孔10的沉头部分固定有轴承2，转动轴1与轴承2配合并穿过沉孔10的过孔部分伸入到保温室4内的液体工质5中，转动轴1前端固定安装有风扇扇叶6，转动轴1后端通过联轴器与待测轴连接，盲板9上以沉孔10的圆心为圆心、大于沉孔10半径且小于盲板9半径的长度为半径的圆周上等距离分布有6个通孔11，6个热电偶7分别穿过6个通孔11伸入到保温室4内的液体工质5中，6个热电偶7从上而下穿出通孔11下表面的长度，按逆时针方向，依次为保温室4高度的并用密封胶密封通孔11与热电偶7之间的缝隙，每个热电偶7的数据输出端与多点温度记录仪8的数据输入端连接。

所述的保温室4的外表面包裹有保温材料制成的保温层3。

参照如图1、图2、图3，本实施方式所述的一种基于能量转换的轴功率测量装置，包括转动轴1后端与待测轴通过合适型号联轴器连接；前端穿过固定在沉孔10上的轴承2，以使转动轴1固定在盲板9上；再将风扇扇叶6安装在转动轴1的前端，方向向下；将适量的液体工质5装入保温室4内，确保接下来将盲板9和法兰盘上表面连接时，液体工质5能浸过风扇扇叶6表面和所有热电偶测量点；将盲板9与法兰盘用螺栓连接，中间用高温垫圈密封，此时风扇扇叶6应伸入到液体工质5内部，且不与保温室4底部有转动干涉，上表面应完全被液体工质5浸没；用保温材料紧紧包裹在保温室4的外侧全部表面，构成保温层3；6个热电偶7穿过盲板9上加工的通孔11伸入到液体工质5中，6个热电偶7从上而下穿出通孔11下表面的长度，按逆时针方向，依次为保温室高度的6个通孔所在圆周应大于风扇扇叶6的外接圆，确保不干扰风扇扇叶6的转动；用密封胶密封通孔11与热电偶7之间的缝隙，每个热电偶7的数据输出端与多点温度记录仪8的数据输入端连接。

转动轴1的横向通过轴承2固定，轴向通过联轴器与待测轴连接固定；转动轴1长度根据保温室4大小设置，确保连接风扇扇叶6时不与保温室4底面发生转动干涉，可通过提高保温室4整体高度的方式尽可能选择短轴；转动轴1直径根据与待测轴配合的联轴器标准尺寸确定。

盲板9上以沉孔10的圆心为圆心的圆周上等距离分布有6个通孔11，通孔11的圆周以大于沉孔10半径且小于盲板9半径的长度为半径；风扇扇叶6的直径低于通孔圆周直径，且确保液体工质5内部热电偶测量点不干涉风扇扇叶6转动。

沉孔10由沉头部分和过孔部分组成，其中沉头部分在上，内径较大，与轴承2过盈配合，过孔部分在下，内径较小，用于穿过转动轴1。

本实施方式的工作条件，保证保温室4内初始温度在液体工质凝固点以上，宜接近周围环境温度。

液体工质5可采用水，油等物质，宜选用黏度较高的液体，不宜采用易挥发性液体，如乙醇、汽油等，其加入量保证能浸没风扇扇叶6上表面和所有热电偶测量点。

保温材料3可选择聚氨脂泡沫塑料，超细玻璃棉，玻璃棉，岩棉等等。

保温室4宜选用圆柱筒形式，也可按照当地需要选择方形形式等，需确保保温室壁外形不干扰风扇扇叶6的转动。

本发明所述的基于能量转换的轴功率测量方法，步骤如下：

第一步、将转动轴1后端与待测轴通过相应规格型号的联轴器相连；

第二步、使待测轴转动，待测轴通过联轴器带动转动轴1转动，转动轴1带动前端风扇扇叶6转动，风扇扇叶6开始搅拌保温室4内的液体工质5，待测轴的旋转机械能通过转动轴1和风扇扇叶6转化成液体工质5的热力学能；

第三步、开始温度测量，将多点记录仪8显示的六个测量点的温度求和取平均值记录下来，用平均温度代表此时刻液体工质5的实际温度，液体工质5初始平均温度记为T₀，然后每相隔6秒为一个测量时间点记录一次液体工质5的平均温度，共计记录10分钟，每个时间测量点对应的温度平均值分别记为T₁，T₂…T₁₀₀，则T₀，T₁，T₂…T₁₀₀共有101组数据；

第四步、绘制曲线，按照T₀-T₁₀₀这101组温度平均值数据绘制平均温度—时间变化曲线，选取其中平均温度上升速率平稳的曲线段，即平均温度变化曲线呈一条斜直线段，记所选取曲线段始端的时间测量点对应的平均温度值记为T_a，末端的时间测量点对应的平均温度值记为T_b，a和b均为整数，且0≤a≤b≤100，则选取曲线段平均温度变化量△T＝T_b-T_a，所选取曲线段的时间段长度t＝6×(b-a)；

第五步、进行计算，计算待测轴的轴功率时满足如下关系：

$P=\frac{W}{t}=\frac{Q}{t}=\frac{cm\mathrm{\Δ}T}{t}$

其中，P为待测轴的轴功率，单位kW；c为保温室4内的液体工质5的比热容，单位kJ/(kg·K)；m为保温室4内的液体工质5的质量，单位kg；△T为所选时间段内的液体工质5平均温度变化量，单位K；t为所选曲线段的时间长度，单位s。

本发明采用将待测轴的轴功率功通过风扇扇叶6搅拌液体工质5这一机械方式转化为液体工质5内的热力学能，进而从对一段时间内热力学能增量的测量来计算出轴功率。

Claims (3)

1.基于能量转换的轴功率测量装置，其特征在于，包括一个保温室(4)，保温室(4)由白钢容器与顶部的法兰盘内圈焊接而成，保温室(4)内部盛装有液体工质(5)，保温室(4)上部通过螺栓装有一个可盖住法兰盘上表面的圆盘形的盲板(9)，盲板(9)圆心处开有沉孔(10)，沉孔(10)包括上部的沉头部分和下部的过孔部分，沉孔(10)的沉头部分固定有轴承(2)，转动轴(1)与轴承(2)配合并穿过沉孔(10)的过孔部分伸入到保温室(4)内的液体工质(5)中，转动轴(1)前端固定安装有风扇扇叶(6)，转动轴(1)后端通过联轴器与待测轴连接，盲板(9)上以沉孔(10)的圆心为圆心、大于沉孔(10)半径且小于盲板(9)半径的长度为半径的圆周上等距离分布有6个通孔(11)，6个热电偶(7)分别穿过6个通孔(11)伸入到保温室(4)内的液体工质(5)中，6个热电偶(7)从上而下穿出通孔(11)下表面的长度，按逆时针方向，依次为保温室(4)高度的并用密封胶密封通孔(11)与热电偶(7)之间的缝隙，每条热电偶(7)的数据输出端与多点温度记录仪(8)的数据输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于能量转换的轴功率测量装置，其特征在于，所述的保温室(4)的外表面包裹有保温材料制成的保温层(3)。

3.使用权利要求1所述的基于能量转换的轴功率测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、将转动轴(1)后端与待测轴通过相应规格型号的联轴器相连；

第二步、使待测轴转动，待测轴通过联轴器带动转动轴(1)转动，转动轴(1)带动前端风扇扇叶(6)转动，风扇扇叶(6)开始搅拌保温室(4)内的液体工质(5)，待测轴的旋转机械能通过转动轴(1)和风扇扇叶(6)转化成液体工质(5)的热力学能；

第三步、开始温度测量，将多点记录仪(8)显示的六个测量点的温度求和取平均值记录下来，用平均温度代表此时刻液体工质(5)的实际温度，液体工质(5)初始平均温度记为T₀，然后每相隔6秒为一个测量时间点记录一次液体工质(5)的平均温度，共计记录10分钟，每个时间测量点对应的温度平均值分别记为T₁，T₂…T₁₀₀，则T₀，T₁，T₂…T₁₀₀共有101组数据；

第四步、绘制曲线，按照T₀-T₁₀₀这101组温度平均值数据绘制平均温度—时间变化曲线，选取其中平均温度上升速率平稳的曲线段，即平均温度变化曲线呈一条斜直线段，记所选取曲线段始端的时间测量点对应的平均温度值记为T_a，末端的时间测量点对应的平均温度值记为T_b，a和b均为整数，且0≤a≤b≤100，则选取曲线段平均温度变化量△T＝T_b-T_a，所选取曲线段的时间段长度t＝6×(b-a)；

第五步、进行计算，计算待测轴的轴功率时满足如下关系：

$P=\frac{W}{t}=\frac{Q}{t}=\frac{cm\mathrm{\Δ}T}{t}$

其中，P为待测轴的轴功率，单位kW；c为保温室(4)内的液体工质(5)的比热容，单位kJ/(kg·K)；m为保温室(4)内的液体工质(5)的质量，单位kg；△T为所选时间段内的液体工质(5)平均温度变化量，单位K；t为所选曲线段的时间长度，单位s。