CN107655605B - 一种小型水平轴风力机轴向推力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型水平轴风力机轴向推力测量装置，包括基座以及设置在基座顶部的小型水平轴风力机，小型水平轴风力机包括一水平输入轴、一水平输出轴以及设置在水平输入轴前端的叶轮，基座顶部还设置一光纤传感器，水平输入轴受到轴向推力时可在轴向上向后移动，水平输出轴前端的空心筒体内设置有弹性体，弹性体仅在水平输入轴受到轴向推力时被压缩，光纤传感器的感应表面正对环状凸肩的前侧或后侧端面，光纤传感器用以测量当水平输入轴受到轴向推力时环状凸肩的轴向位移量，根据胡克定律便可计算出弹性体的弹力即为小型风力机的轴向推力。本发明结构紧凑，操作简便，运行可靠，灵敏度高，测量精度高，抗干扰能力强，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种小型水平轴风力机轴向推力测量装置。
背景技术
目前轴向推力测量装置主要借助应变式传感器，现有的测量装置主要包括以下几种结构，例如可以在水平旋转轴上设置凸肩，通过水平旋转轴上的凸肩推动一垂直安装于测量柱上的轴承传递轴向力，应变片粘贴于测量柱上与水平旋转轴线垂直的一个侧面上，当承受轴向力时，应变片产生形变以测量轴向推力；这种结构比较简单，但凸肩与轴承之间的旋转摩擦，以及应变片的响应迟缓都会限制测量装置的灵敏度及测量精度。现有技术中还有这样的结构，通过安装在支承旋转轴的轴承外圈两边的端部和外壳支承的凸边之间的弹性环前后端面的应变片感受力而发生形变以测量轴向推力，这种结构也较简单，且可以在轴承前后各安装一个弹性环，分别测量两个方向的轴向力，因这种结构便于接成全桥测量电路，因此灵敏度和测量精度相对较高。现有技术还有一种常用的结构，通过均匀粘贴在测力环内壁轴向方向的应变片在轴向力作用下产生形变来测量轴向推力，此结构简单、紧凑，应变片之间的相互干扰较小，因此灵敏度和精度相对较高，且测量范围较宽。
但是上述现有技术由于其中采用的应变式传感器都是接触式的，所以总体来说，以上形式的测量装置的灵敏度和测量精度普遍较低。另外，现有技术中还有一种采用均匀分布在轴承外圈周边的3个或3个以上小测力计测量轴向推力的装置，轴承所受的轴向推力即为各小测力计力值之和，此结构因小测力计须加工得非常小巧，所以制造工艺复杂，成本较高。
发明内容
针对上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种新型的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，采用非接触式的光纤传感器，以弹簧为双轴连接中间过渡部件的结构，以克服现有接触式传感器非线性特性、以及输出信号弱、抗干扰能力差、受空间限制等不足，从而提高测量装置灵敏度和测量精度，增强抗干扰能力，延长使用寿命。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种小型水平轴风力机轴向推力测量装置，包括基座以及设置在所述基座顶部的小型水平轴风力机，所述小型水平轴风力机包括一水平输入轴、一水平输出轴以及设置在所述水平输入轴前端的叶轮，所述基座顶部还设置一光纤传感器，其特征在于，
--所述基座顶部沿所述水平输入轴的轴向方向前后间隔设置至少两个支座，所述水平输入轴可轴向移动地支撑于所述至少两个支座上，所述水平输入轴受到轴向推力时可在轴向上向后移动，
--所述水平输出轴与所述水平输入轴同轴布置，所述水平输出轴与所述水平输入轴整体均为实心轴，其前端呈空心筒体结构，所述空心筒体的前端沿周向均匀设置有若干方波状凹槽，所述水平输入轴的末端沿实心轴的外表面周向均匀设置若干方波状凸起，所述水平输入轴末端的方波状凸起与所述水平输出轴前端的方波状凹槽相适配，所述水平输出轴与所述水平输入轴处于连接状态时，所述水平输入轴末端的方波状凸起插设于所述水平输出轴前端的方波状凹槽中，且所述水平输出轴前端的空心筒体内设置有弹性体，所述弹性体仅在所述水平输入轴受到轴向推力时被压缩，
--所述水平输入轴的末端沿其外周面设置一环状凸肩，所述环状凸肩位于所述方波状凸起和靠近所述水平输入轴的末端设置的一所述支座之间，所述光纤传感器的感应表面正对所述环状凸肩的前侧或后侧端面，所述光纤传感器用以测量当所述水平输入轴受到轴向推力时所述环状凸肩的轴向位移量。
本发明的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其工作原理为：风力机叶片在大气中受到来流风速的绕流作用产生升阻力，从而产生扭矩，带动水平输入轴旋转，由于水平输入轴末端的方波状凸起插设于所述水平输出轴前端的方波状凹槽中，水平输入轴的旋转会带动水平输出轴旋转，继而对外输出机械能，再通过发电机等装置将机械能转换成电能，并产生轴向推力，使水平输入轴上的环状凸肩向左移动，且使安置于水平输出轴和水平输入轴端部的弹性体压缩变形，环状凸肩的轴向位移量即弹性体的压缩变形量可由光纤传感器测出，再根据胡克定律便可计算出弹性体的弹力即为小型风力机的轴向推力。
优选地，所述至少两个支座之间沿周向均布有至少三个水平轴承轴，各所述水平轴承轴的前后两端固定在所述至少两个支座上，并且每个所述水平轴承轴的前后两端均设置一相同尺寸的轴承，且各所述轴承的内圈均过盈套设在所述水平轴承轴上，各所述轴承的外圈之间夹持所述水平输入轴，所述水平输入轴受到轴向推力时可在轴向上向后移动。
优选地，所述弹性体为弹簧。
优选地，所述叶轮包括轮毂和设置在所述轮毂上的若干风力机叶片，所述轮毂固定设置在所述水平输入轴的前端。
优选地，所述轮毂通过紧固件紧固在所述水平输入轴的前端台阶面上。
优选地，各所述水平轴承轴的前后两端通过紧固件固定在所述至少两个支座上。
优选地，所述至少两个支座通过紧固件固定在所述基座顶部。
进一步地，所述紧固件包括螺母、弹垫和平垫。
优选地，各所述水平轴承轴的前后两端设置有台阶面，各所述轴承的内圈通过所述台阶面固定在各所述水平轴承轴上，并且各所述轴承均靠近所述支座的内侧布置。
同现有技术相比，本发明的小型水平轴风力机轴向推力测量装置具有显著的技术效果：本发明的小型水平轴风力机轴向推力测量装置中，风轮产生的扭矩通过水平输入轴耦合一水平输出轴对外输出，二者之间耦合设置一带有弹性体的方波状连接结构，该连接机构在保证输入轴和输出轴之间的动力传递的同时，可以较大程度地缓冲风轮产生的轴向推力，避免对后续其他动力装置的冲击，另一方面，通过设置在水平输入轴后端的环状凸肩和光纤传感器之间的配合，由光纤传感器测量的环状凸肩的轴向位移直接表征弹性体的轴向压缩量，继而借助弹性体的线性表达的胡克定律计算风力机轴向推力，克服了现有测量装置中因为使用接触式传感器(应变片等)非线性特性、输出信号弱、抗干扰能力差、受空间限制等不足，使得整个轴向推力测量装置结构紧凑，操作简便，运行可靠，灵敏度高，测量精度高，抗干扰能力强，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的小型水平轴风力机轴向推力测量装置示意图；
图2为水平输出轴1的局部剖视图；
图3为水平输出轴1的左视图；
图4为水平输入轴2的主视图；
图5为水平输入轴2的右视图；
图6为水平轴承轴9的主视图；
图7为支座7左边轴承8左边缘垂直轴线的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
如图1所示，本发明的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，包括基座16以及设置在基座16顶部的小型水平轴风力机，小型水平轴风力机包括水平输入轴2、水平输出轴1以及设置在水平输入轴2前端的叶轮，叶轮包括轮毂18和设置在轮毂18上的若干风力机叶片17，轮毂18固定设置在水平输入轴2的前端，轮毂18通过螺母19、弹垫20和平垫21等紧固件紧固在水平输入轴2的前端台阶面上。
如图1、6、7所示，基座16顶部沿水平输入轴的轴向方向前后间隔设置至少两个支座6、7，各支座6、7通过螺钉13、弹垫14和平垫15等紧固件固定在基座16顶部。至少两个支座6、7之间沿周向均布有4个水平轴承轴9，各水平轴承轴9的前后两端通过螺母10、弹垫11和平垫12等紧固件固定在至少两个支座6、7上，并且每个水平轴承轴9的前后两端均设置有台阶面，各台阶面上均设置一相同尺寸的轴承8，且各轴承8的内圈均过盈套设在水平轴承轴9上，各轴承8均靠近支座6、7的内侧布置，各轴承8的外圈之间夹持水平输入轴2，水平输入轴2受到轴向推力时可在轴向上向后移动。
如图1～5所示，水平输出轴1与水平输入轴2同轴布置，水平输出轴1与水平输入轴2整体均为实心轴，其前端呈空心筒体结构，空心筒体的前端沿周向均匀设置有若干方波状凹槽，水平输入轴2的末端沿实心轴的外表面周向均匀设置若干方波状凸起，水平输入轴2末端的方波状凸起与水平输出轴1前端的方波状凹槽相适配，水平输出轴1与水平输入轴2处于连接状态时，水平输入轴2末端的方波状凸起插设于水平输出轴1前端的方波状凹槽中，且水平输出轴1前端的空心筒体内设置有弹性体3(例如弹簧)，弹性体3仅在水平输入轴2受到轴向推力时被压缩。
如图1所示，基座16顶部还设置一光纤传感器5，水平输入轴2的末端沿其外周面设置一环状凸肩4，环状凸肩4位于方波状凸起和靠近水平输入轴2的末端设置的一支座6之间，光纤传感器5的感应表面正对环状凸肩4的后侧端面，光纤传感器5用以测量当水平输入轴2受到轴向推力时环状凸肩4的轴向位移量。
本发明是这样实现的：
风力机叶片17在大气中受到来流风速的绕流作用产生升阻力，从而产生扭矩，带动水平输入轴2和水平输出轴1旋转输出机械能，再通过发电机将机械能转换成电能，并产生轴向推力，使水平输入轴2上的环状凸肩4向左移动，且使安置于水平输出轴1和水平输入轴2端部的弹簧3压缩变形，环状凸肩4的位移量即弹簧3的压缩变形量由光纤传感器5测出，再根据胡克定律便可计算出弹簧3的弹力即为小型水平轴风力机的轴向推力。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种小型水平轴风力机轴向推力测量装置，包括基座以及设置在所述基座顶部的小型水平轴风力机，所述小型水平轴风力机包括一水平输入轴、一水平输出轴以及设置在所述水平输入轴前端的叶轮，所述基座顶部还设置一光纤传感器，其特征在于，
--所述基座顶部沿所述水平输入轴的轴向方向前后间隔设置至少两个支座，所述水平输入轴可轴向移动地支撑于所述至少两个支座上，所述水平输入轴受到轴向推力时可在轴向上向后移动，
--所述水平输出轴与所述水平输入轴同轴布置，所述水平输出轴与所述水平输入轴整体均为实心轴，其前端呈空心筒体结构，所述空心筒体的前端沿周向均匀设置有若干方波状凹槽，所述水平输入轴的末端沿实心轴的外表面周向均匀设置若干方波状凸起，所述水平输入轴末端的方波状凸起与所述水平输出轴前端的方波状凹槽相适配，所述水平输出轴与所述水平输入轴处于连接状态时，所述水平输入轴末端的方波状凸起插设于所述水平输出轴前端的方波状凹槽中，且所述水平输出轴前端的空心筒体内设置有弹性体，所述弹性体仅在所述水平输入轴受到轴向推力时被压缩，
--所述水平输入轴的末端沿其外周面设置一环状凸肩，所述环状凸肩位于所述方波状凸起和靠近所述水平输入轴的末端设置的一所述支座之间，所述光纤传感器的感应表面正对所述环状凸肩的前侧或后侧端面，所述光纤传感器用以测量当所述水平输入轴受到轴向推力时所述环状凸肩的轴向位移量。
2.根据权利要求1所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述至少两个支座之间沿周向均布有至少三个水平轴承轴，各所述水平轴承轴的前后两端固定在所述至少两个支座上，并且每个所述水平轴承轴的前后两端均设置一相同尺寸的轴承，且各所述轴承的内圈均过盈套设在所述水平轴承轴上，各所述轴承的外圈之间夹持所述水平输入轴，所述水平输入轴受到轴向推力时可在轴向上向后移动。
3.根据权利要求1所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述弹性体为弹簧。
4.根据权利要求1所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述叶轮包括轮毂和设置在所述轮毂上的若干风力机叶片，所述轮毂固定设置在所述水平输入轴的前端。
5.根据权利要求4所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述轮毂通过紧固件紧固在所述水平输入轴的前端台阶面上。
6.根据权利要求2所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，各所述水平轴承轴的前后两端通过紧固件固定在所述至少两个支座上。
7.根据权利要求6所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述至少两个支座通过紧固件固定在所述基座顶部。
8.根据权利要求7所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，所述紧固件包括螺母、弹垫和平垫。
9.根据权利要求2所述的小型水平轴风力机轴向推力测量装置，其特征在于，各所述水平轴承轴的前后两端设置有台阶面，各所述轴承的内圈通过所述台阶面固定在各所述水平轴承轴上，并且各所述轴承均靠近所述支座的内侧布置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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