CN107101758B - 一种涡轮泵动态扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮泵动态扭矩测量装置，属于液体火箭发动机推进技术领域。所述测量装置包括用屏蔽线连接的扭矩采集模块和单片机检测控制模块，扭矩采集模块包括扭矩传感器、直流电机、蜗轮蜗杆减速器、编码器、放大器、单向轴承和联轴器；单片机检测控制模块包括电源、单片机控制面板、单片机、电压转换板、USB读写板、电机驱动板和数据存储介质。测量时，当涡轮泵进入匀速阶段后，扭矩传感器将扭矩信号转换为电信号，经过放大器和单片机处理后变为数字信号并显示；光电编码器将数据信号传递到单片机后传输到电机驱动板，以控制转速和扭矩。本发明保持扭矩传感器的输入轴精确匀速转动，无需外界提供动力，并且实现实时图表输出显示。

Description

一种涡轮泵动态扭矩测量装置

技术领域

本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，具体涉及一种涡轮泵动态扭矩测量装置。

背景技术

涡轮泵作为火箭发动机推进剂供应系统中主要部件，其内部结构复杂，同时是发动机系统中唯一高速运转的组件，也是故障率最高的部件之一。

对泵压式液体火箭发动机在研制中发生的故障进行统计分析后发现，涡轮泵系统的故障占较大的比例，其中涡轮泵摩擦力矩增大和轴承损坏是涡轮泵故障中的两大主要原因。对多次启动的发动机来说，在某一次启动结束后，涡轮泵是否可以安全可靠地完成下一次启动成为研究者关注的问题。

在发动机地面试车阶段，完成一次试车之后及时测量涡轮泵状态可以排除故障隐患，避免在下一次启动试车时发生事故，同时为发动机的设计和改进提供数据支持。具体做法为：在不对发动机进行较大拆卸的基础上，通过测量涡轮泵的转动扭矩大小，来检测涡轮泵的启动扭矩和摩擦扭矩是否在合理的范围内。与正常工作状态下的数值相比，若启动扭矩和摩擦扭矩实际值有较大的偏差，则表明涡轮泵可能存在故障隐患，需要拆卸检查；若数值在正常范围内，认为涡轮泵状态正常，无需拆卸检查。

因此涡轮泵转动扭矩的大小成为判断涡轮泵是否存在故障的关键性指标；这种通过测量转动扭矩来判断故障可能性的方法成为快速检测涡轮泵状态的一种重要手段。

目前多采用扭矩扳手来测量涡轮泵的转动扭矩，其中以表盘式扭矩扳手为主。但扭矩扳手对操作要求高，可能会对扭矩测量造成干扰。因此需要能够避免人为因素干扰、测量精度高的扭矩测量设备代替传统扭矩扳手。

发明内容

针对现有扭矩测量装置在测量涡轮泵转动扭矩大小时存在的一系列问题，本发明在充分考虑维修性能、工作环境、装置重量及测量性能等各项要求的基础上，提出了一种涡轮泵动态扭矩测量装置。

所述的涡轮泵动态扭矩测量装置包括扭矩采集模块和单片机检测控制模块，扭矩采集模块和单片机检测控制模块之间采用屏蔽线进行连接。

扭矩采集模块由扭矩传感器、直流电机、蜗轮蜗杆减速器、光电编码器、放大器、单向轴承和联轴器组成。

其中，直流电机与蜗轮蜗杆减速器组成具有自锁性的减速电机，蜗轮蜗杆减速器的一端输出轴通过联轴器与扭矩传感器的一端输入轴相连，并且使用单向轴承对扭矩传感器该端输入轴进行固定，通过闭环反馈控制直流电机，保证扭矩传感器的输入轴匀速稳定转动，同时抵抗反向扭矩作用；扭矩传感器的另一端输入轴与涡轮泵的连接杆相连；蜗轮蜗杆减速器的另一端输出轴与光电编码器相连，用以测量蜗轮蜗杆减速器该端输出轴的转速和转角信息。放大器用螺钉固定在扭矩传感器保护壳上，接收来自扭矩传感器的扭矩电信号，放大至适合传输的信号，并通过屏蔽线输入到单片机检测控制模块内，由单片机检测控制模块内的元器件完成数据的进一步处理；

单片机检测控制模块由电源、单片机控制面板、单片机、电压转换板、USB读写板、电机驱动板和数据存储介质组成；

单片机控制面板位于控制箱的表面，控制箱内集成安装电源、单片机、电压转换板、电机驱动板和USB读写板；各部分之间用导线相连，电源经多路电压转换板，为各元器件提供不同的供电电压；单片机通过自带的I/O接口连接单片机控制面板，一方面单片机控制面板上的扭矩采集模块连接端口连接放大器，当接收到放大器的传输信号后，单片机进行低通滤波和模数转换后变为数字信号，通过数码管显示测量结果；另一方面单片机直接接收光电编码器测量的蜗轮蜗杆减速器输出轴的转速和转角信息，并进行处理产生控制信号传输到电机驱动板，控制直流电机的电压，使扭矩传感器的输入轴保持匀速稳定转动；同时单片机处理后的测量数据通过USB读写板自动写入数据存储介质中。

测量的具体步骤如下：

步骤一、打开电源开关，设置单片机控制面板的参数，并进行扭矩零点标定：

通过按键键盘设定直流电机的电压和总圈数；其中，总圈数是指一次运行过程中，直流电机带动涡轮泵转动的圈数；

步骤二、通过单片机控制面板的按键键盘，启动扭矩测量过程；

具体为：直流电机缓慢加速，带动蜗轮蜗杆减速器的输出轴缓慢运动，扭矩传感器的输入轴与涡轮泵连接杆连接，进而涡轮泵以相同速度运动，当直流电机的电压达到设定参数时涡轮泵进入匀速阶段；

步骤三、测量过程中当涡轮泵进入匀速阶段时，扭矩传感器将测得的扭矩信号传输到单片机进行处理并显示；

具体处理过程如下：

步骤301、扭矩传感器将测得的扭矩信号转换为电信号；

步骤302、电信号经过放大器放大后，输入至控制箱；

步骤303、控制箱内的单片机对电信号进行低通滤波转换为模拟信号，模拟信号经过模数转换后转变为数字信号；

单片机内置低通滤波器和模数转换器；

步骤304、数字信号通过数码管a和数码管b显示测量结果；

步骤四、测量过程中当涡轮泵进入匀速阶段时，光电编码器将测得的转速和转角反馈信号传递到单片机并显示；

光电编码器将测得的蜗轮蜗杆减速器输出轴的转速和转角反馈信号经屏蔽线直接传递到单片机后，单片机产生控制信号并传输到电机驱动板，控制直流电机的电压，完成对直流电机转速和扭矩的控制；同时数码屏显实时显示测量扭矩和转角关系曲线动态；

步骤五、测得的扭矩、转速和转角数据会同步保存在通过USB端口连接的数据存储介质中。

步骤六、当涡轮泵满足旋转圈数设定值条件时，直流电机通过蜗轮蜗杆减速器进入减速并最终停止。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明一种涡轮泵动态扭矩测量装置，在涡轮泵扭矩测量过程中，保证扭矩传感器的输入轴保持精确的匀速转动；

(2)本发明一种涡轮泵动态扭矩测量装置，通过采集扭矩传感器的扭矩测量值，利用PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)原理控制直流电机转速，实现测量过程的柔性启动，捕捉启动峰值数据；

(3)本发明一种涡轮泵动态扭矩测量装置，扭矩测量结果可实时图表输出显示；

(4)本发明一种涡轮泵动态扭矩测量装置，自带电机产生扭矩，无需外界提供动力；

(5)本发明一种涡轮泵动态扭矩测量装置，体积小，便于携带。

附图说明

图1是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的组成图；

图2是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的结构示意图；

图3是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的扭矩采集模块结构示意图；

图4是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的扭矩采集模块结构分解图；

图5是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的单片机检测控制模块结构分解图。

图6是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的单片机控制面板示意图；

图7是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的信号传递流程图；

图8是本发明涡轮泵动态扭矩测量装置的标定装置的设计图。

图中：

1-扭矩采集模块 2-单片机检测控制模块 3-屏蔽线

4-扭矩传感器 5-放大器 6-蜗轮蜗杆减速器

7-直流电机 8-光电编码器 9-联轴器

10-单向轴承 11-电源 12-电压转换板

13-单片机 14-电机驱动板 15-USB读写板

16-单片机控制面板 17-数据存储介质 18-电源开关

19-按键键盘 20-数码屏显 21-数码管a

22-数码管b 23-扭矩采集模块连接端口 24-充电接口

25-USB端口 26-方形轴 27-刀口a

28-力杆 29-砝码盘 30-刀口b

31-定位台

具体实施方式

下面将结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种涡轮泵动态扭矩测量装置，组成如图1和图2所示，包括扭矩采集模块1、单片机检测控制模块2和屏蔽线3。

操作者手握扭矩采集模块1，也称手持端，用屏蔽线3与单片机检测控制模块2相连，通过操作单片机检测控制模块2的按键实现对扭矩测量模块1的控制。

扭矩采集模块1如图3和图4所示，包括扭矩传感器4、放大器5、蜗轮蜗杆减速器6、直流电机7、光电编码器8、联轴器9和单向轴承10；

直流电机7与蜗轮蜗杆减速器6组成具有自锁性的减速电机，蜗轮蜗杆减速器6的一端输出轴通过联轴器9和单向轴承10连接到扭矩传感器4的一端输入轴；扭矩传感器4的另一端输入轴与涡轮泵的连接杆相连；直流电机7采用闭环控制，使扭矩传感器4的输入轴保持匀速稳定转动，并且使用单向轴承10对扭矩传感器4的输入轴进行固定，实现对扭矩传感器4的过载保护，保证扭矩传感器4的输入轴不会受到反向扭矩作用。蜗轮蜗杆减速器6的另一端输出轴与光电编码器8相连，用以测量蜗轮蜗杆减速器6该端输出轴的转速和转角信息。放大器5用螺钉固定在扭矩传感器4保护壳上，接收来自扭矩传感器4的扭矩电信号，放大至适合传输的信号，并通过屏蔽线3输入到单片机检测控制模块2内，由单片机检测控制模块2内的元器件完成数据的进一步处理；放大器5通过扭矩采集模块连接端口23与单片机检测控制模块2连接。

单片机检测控制模块2也称控制箱，如图5所示，包括电源11、电压转换板12、单片机13、电机驱动板14、USB读写板15、单片机控制面板16和数据存储介质17；

单片机控制面板16和数据存储介质17安装在控制箱的表面；其中单片机控制面板16，如图6所示，包括电源开关18、按键键盘19、数码屏显20、数码管a21、数码管b22、扭矩采集模块连接端口23、充电接口24和USB端口25。

控制箱内部集成安装电源11、电压转换板12、单片机13、电机驱动板14和USB读写板15；各部分之间用导线相连，电源11为单片机检测控制模块2自带，经多路电压转换板12，为各元器件提供不同的供电电压；单片机13通过自带的I/O接口连接单片机控制面板16，一方面单片机控制面板16上的扭矩采集模块连接端口23连接放大器5，当接收到放大器5的传输信号后，单片机13进行低通滤波和模数转换后变为数字信号，通过数码管显示测量结果；另一方面单片机13直接接收光电编码器8测量的蜗轮蜗杆减速器6输出轴的转速和转角信息，并进行处理产生控制信号传输到电机驱动板14，为直流电机7提供反馈信号，控制扭矩传感器4的输入轴保持匀速稳定转动；同时单片机13处理后的测量数据通过USB端口25自动写入数据存储介质17中。

本装置在具体使用时，主要包括开机、参数设定、零点标定、扭矩测量和关机五个步骤，具体为：

第一步，开机。在确保单片机检测控制模块自带的电源电量充足且屏蔽线可靠连接的前提下，将FAT32格式的移动存储介质17插入USB端口25中，然后打开电源开关18。

第二步，参数设定。设定的参数主要包含两个参数，分别为“电机电压”和“总圈数”。“电机电压”表示直流电机从静止状态运行到稳定状态后直流电机的供电电压，默认值为10V。“总圈数”表示一次运行过程中，直流电机带动涡轮泵转动的圈数，默认值为5圈。

参数设定的具体过程为：首先，通过按键键盘19中的键上下移动箭头指向需要修改的参数；然后，通过数字键输入需要的参数值，其中“电机电压”取值范围为0～12V，“总圈数”取值范围为1～10圈；最后，按下键保留修改后的新参数值。

第三步，零点标定。按下按键键盘19中的键起动扭矩零点标定过程，数码屏显20将显示“正在进行零点标定”字样，约30s后即可完成标定，具体以数码屏显20的显示为准。

第四步，扭矩测量。将本扭矩测量装置中扭矩传感器4的输入轴与涡轮泵连接杆可靠连接，按下按键键盘19中的键启动扭矩测量过程。此时，直流电机7缓慢加速；当直流电机7电压达到设置的电极电压值时涡轮泵进入匀速阶段；当涡轮泵满足旋转圈数设定值条件时，直流电机7进入减速并最终停止。

在此测量过程中，信号传递流程如图7所示，具体说明如下：

4-1扭矩传感器4将测得的扭矩信号转换为电信号，电信号经过放大器5放大后经屏蔽线3输入到控制箱2内；

4-2控制箱2内的单片机13对放大后的信号进行处理，通过单片机13内置的低通滤波器去除由于传输过程中线路长度和布置安排等原因产生的信号干扰，滤去高频噪声；同时光电编码器8测得的转速和转角反馈信号及控制信号经屏蔽线3输入到单片机3，通过单片机13的处理经电机驱动板14完成对直流电机7的转速和扭矩控制；

4-3单片机13内置的低通滤波器处理后的模拟信号经模数转换器转换为数字信号输入到单片机13内进行处理；

4-4处理后的数字信号分为脉动最大值、平均值和启动扭矩峰值，这些测量结果通过单片机控制面板16上的数码管a21和数码管b22进行显示，同时数码屏显20显示测量扭矩和转角关系曲线动态。

4-5利用USB端口25将测得的扭矩、转角和转速数值输出到数据存储介质17中，以便于数据的后续处理。

第五步，关机。测量完成后，确保扭矩测量装置在非运行阶段，关闭装置的电源开关18，最后取下移动存储介质17。

当扭矩测量装置启动后，首先缓慢增加电机的供电电压，电机输出力矩逐渐增大，扭矩测量值也随之增大，当扭矩测量值突然下降时，涡轮泵开始转动，此时通过PID控制不再增加电机的供电电压，相反要适当减小供电电压，使涡轮泵保持匀速稳定的转动。

装配完成之后的涡轮泵动态扭矩测量装置可能会受到使用环境的影响，如温度变化、相对湿度变化等；同时可能会受到安装条件的影响，如支撑件、固定件的扭矩消耗或产生了附加的扭矩等；除此之外，负载的加载顺序也可能会带来影响。因此本发明设计了标定装置，从而对真实值与测量值之间的对应关系进行标定。

标定装置设计图如图8所示，包括方形轴26、刀口a27、力杆28、砝码盘29、刀口b30和定位台31，其中方形轴26连接动态扭矩测量装置。标定装置采用砝码提供标准力矩，且采用刀口结构实现线接触，所以测量时的摩擦力矩几乎为零，可认为测量力矩与砝码提供力矩相等。

标定装置需要提供一个准确的已知力矩，在本发明中采用砝码提供标准力矩。将提供给动态扭矩测量装置的标准力矩记为M_测量，根据力平衡原理，可以得到：

M_测量＝M_砝码-M_刀口a-M_刀口b

其中，M_砝码表示砝码对方形轴26产生的力矩；M_刀口a表示刀口a27对方形轴26产生的力矩；M_刀口b表示刀口b30对方形轴26产生的力矩。

刀口a27和刀口b30有两个作用，一是支撑力杆28，消除标定装置在扭矩仪上产生的附加弯矩和径向力；二是尽可能地减小摩擦力，使砝码盘29产生的力矩可以近似为标准力矩。定位台31的作用是在安装标定装置时，保证力杆处于水平状态，这样可以通过砝码重量和力杆长度计算出标准力矩。

Claims (5)

1.一种涡轮泵动态扭矩测量装置，其特征在于，包括屏蔽线连接的扭矩采集模块和单片机检测控制模块；

所述的扭矩采集模块由扭矩传感器、直流电机、蜗轮蜗杆减速器、光电编码器、放大器、单向轴承和联轴器组成；

直流电机与蜗轮蜗杆减速器组成具有自锁性的减速电机，蜗轮蜗杆减速器的一端输出轴通过联轴器与扭矩传感器的一端输入轴相连，并且使用单向轴承对扭矩传感器该端输入轴进行固定，通过闭环反馈控制直流电机，保证扭矩传感器的输入轴匀速稳定转动，同时抵抗反向扭矩作用；扭矩传感器的另一端输入轴与涡轮泵的连接杆相连；

蜗轮蜗杆减速器的另一端输出轴与光电编码器相连，用以测量蜗轮蜗杆减速器该端输出轴的转速和转角信息；

放大器用螺钉固定在扭矩传感器保护壳上，接收来自扭矩传感器的扭矩电信号，放大至适合传输的信号，并通过传输线输入到单片机检测控制模块内，由单片机检测控制模块内的元器件完成数据的进一步处理；

所述的单片机检测控制模块由电源、单片机控制面板、单片机、电压转换板、USB读写板、电机驱动板和数据存储介质组成；

电源、单片机、电压转换板、电机驱动板和USB读写板集成在控制箱内，各部分之间用导线相连，电源经多路电压转换板，为各元器件提供不同的供电电压；单片机通过自带的I/O接口连接单片机控制面板，一方面单片机控制面板上的扭矩采集模块连接端口连接放大器，当接收到放大器的传输信号后，单片机对传输信号进行低通滤波和模数转换后变为数字信号，并显示测量结果；另一方面单片机直接接收光电编码器测量的蜗轮蜗杆减速器输出轴的转速和转角信息，并进行处理产生控制信号传输到电机驱动板，控制直流电机的电压，使扭矩传感器的输入轴保持匀速稳定转动；同时单片机处理后的测量数据通过USB读写板自动写入数据存储介质中。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮泵动态扭矩测量装置，其特征在于，所述的单片机控制面板控制并显示相关输入输出参数，单片机控制面板包括电源开关、按键键盘、数码屏显、数码管a、数码管b、扭矩采集模块连接端口、充电接口和USB端口。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮泵动态扭矩测量装置，其特征在于，其工作原理如下：

步骤一、打开电源开关，设置单片机控制面板的参数，并进行扭矩零点标定；

通过按键键盘设定直流电机的电压和总圈数；总圈数是指一次运行过程中，直流电机带动涡轮泵转动的圈数；

步骤二、通过按键键盘上的启动按键启动扭矩测量过程；

步骤三、测量过程中当涡轮泵进入匀速阶段时，扭矩传感器将测得的扭矩信号传输到单片机进行处理并显示；

步骤四、测量过程中当涡轮泵进入匀速阶段时，光电编码器将测得的转速和转角反馈信号传递到单片机并显示；

光电编码器将测得的蜗轮蜗杆减速器输出轴的转速和转角反馈信号经屏蔽线直接传递到单片机后，单片机产生控制信号并传输到电机驱动板，控制直流电机的电压，完成对直流电机转速和扭矩的控制；同时数码屏显实时显示测量扭矩和转角关系曲线动态；

步骤五、测得的扭矩、转速和转角数据会同步保存在通过USB端口连接的数据存储介质中；

步骤六、当涡轮泵满足旋转圈数设定值条件时，直流电机通过蜗轮蜗杆减速器进入减速并最终停止。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮泵动态扭矩测量装置，其特征在于，所述的步骤二中，扭矩测量过程具体为：直流电机缓慢加速，带动蜗轮蜗杆减速器的输出轴缓慢运动，扭矩传感器的输入轴与涡轮泵连接杆连接，进而涡轮泵以相同速度运动，当直流电机的电压达到设定参数时涡轮泵进入匀速阶段；当涡轮泵满足旋转圈数设定值条件时，直流电机通过蜗轮蜗杆减速器进入减速并最终停止。

5.根据权利要求3所述的一种涡轮泵动态扭矩测量装置，其特征在于，所述的步骤三中，扭矩信号处理过程如下：

步骤301、扭矩传感器将测得的扭矩信号转换为电信号；

步骤302、电信号经过放大器放大后，输入至控制箱；

步骤303、控制箱内的单片机对电信号进行低通滤波转换为模拟信号，模拟信号经过模数转换后转变为数字信号；

步骤304、数字信号通过数码管a和数码管b显示测量结果。