CN112377535A - 一种新型智能限矩安全联轴器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型智能限矩安全联轴器及其工作方法，控制系统通过分析传感器组件检测到的联轴器上的动态扭矩数据，当联轴器上的扭矩超过控制系统预先设定值时，控制系统发指令给执行机构，执行机构动作使左半联轴器和右半联轴器快速脱开，实现限制扭矩的功能；执行机构嵌入联轴器上，油缸活塞杆的一端套装有弹簧并伸入液压油缸内，油缸活塞杆另一端与钢珠相连，能带动钢珠伸出或缩回。本新型智能限矩安全联轴器通过检测实际扭矩来控制左半联轴器和右半联轴器动态离合来实现限扭矩功能，响应时间短、智能化程度高，既可以实现独立的自我控制，又能与外部电子设备或云端设备相联接，实现数据的传输和外部控制。

Description

一种新型智能限矩安全联轴器及其工作方法

技术领域

本发明涉及传动系统领域，尤其涉及一种新型智能限矩安全联轴器及其工作方法。

背景技术

实践过程中，传统的机械式限扭矩联轴器和安全联轴器本身也存在着以下问题：

1、误差大，一些限扭矩联轴器的误差有时达到并超过设定值的+/-30％；

2、很难实现联轴器的远程控制脱开和联接；

3、智能化程度不高，不能根据历史数据和实时扭矩曲线预测扭矩的变化趋势，提前发出指令控制执行机构动作；

4、响应时间长，这就会对传动系统实际受到的冲击载荷无法有效限制，造成安全隐患。

市场对限扭矩联轴器(安全联轴器)的要求是：联轴器脱开扭矩与联轴器上实际扭矩之间误差小、智能化、可远程控制、瞬间动态完全脱开、不停机动态恢复，新开发的设备需要对传动系统上实际发生的扭矩数据收集并进行分析，最好是能根据历史数据和实时扭矩曲线预测扭矩的变化趋势，从而提前作出处理，在这个背景下传统的机械安全联轴器越来越不能满足市场的需求。

发明内容

本发明旨在提供一种新型智能限矩安全联轴器，能通过检测实际扭矩来控制左半联轴器和右半联轴器动态离合来实现限扭矩功能，响应时间短、智能化程度高，既可以实现独立的自我控制，又能与外部电子设备或云端设备无线连接，实现数据的传输和外部控制。本新型智能限矩安全联轴器在文中简称为联轴器或智能联轴器。

为了实现上述目的，本发明提出了一种新型智能限矩安全联轴器，包括传感器组件、左半联轴器和右半联轴器、控制系统、执行机构和传输系统，所述控制系统通过分析传感器组件检测到的联轴器上的动态扭矩数据，当联轴器上的扭矩超过控制系统预先设定值时，控制系统自行发指令给执行机构，执行机构动作使左半联轴器和右半联轴器快速脱开，实现限制扭矩的功能；

所述执行机构嵌入在联轴器上，通过控制系统控制执行机构的开合操作，该执行机构包括驱动电机、液压泵、液压阀组、液压油缸、钢珠和油箱，所述液压油缸配设有用于测量缸内油压的油压传感器，所述驱动电机通过法兰与液压泵相连，液压泵的吸油口通过油管与油箱相连，出油口通过油管与液压油缸相连，液压泵上设置有液压阀组，所述液压阀组与油压传感器电连接，油缸活塞杆的一端套装有弹簧并伸入液压油缸内，油缸活塞杆另一端与钢珠相连，并能在液压阀组和弹簧的共同作用下带动钢珠伸出或缩回；

所述传输系统由电池、无线充电装置、发射和接收天线组成，无线充电装置包括发射圈和接收圈，所述发射和接收天线以及无线充电装置绕联轴器成圈设置，发射和接收天线数据采集端与控制系统数据输出端相连。

上述技术方案的有益效果为：集成或者嵌入传感器、控制系统、执行机构、传输系统等组件在联轴器上，无需外部指令就可以自行收集数据，自行分析处理，自行动作；设置新型执行机构由电信号控制、体积小、强度高、响应时间短；设置无线充电装置方便给联轴器供电，传输系统让联轴器与外部电子设备或云端设备实现“智联”。

在上述方案中：所述新型智能限矩安全联轴器通过传输系统的发射和接收天线与外部电子设备或云端设备无线连接，实现“预判功能”和“自学习功能”。“预判功能”是指外部电子设备或云端设备根据传输系统传出的信号绘制曲线，并根据曲线上点的位移速度和加速度参数预判下一时间间隔内峰值扭矩会达到设定值，从而命令控制系统控制执行机构提前动作，“自学习功能”是指外部电子设备上或云端设备会记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统据此可以对关键节点自动智能处理，有利于实现联轴器智能化、数字化的发展，让联轴器预判作出动作，缩短了响应时间，减少了安全隐患。

在上述方案中：所述传感器组件采用光栅式扭矩传感器、应变式扭矩传感器、速度传感器或压力传感器其中一种或多种，传感器组件中的传感器能直接或通过转算检测出联轴器上的动态扭矩数据。基于实时动态扭矩来控制左半联轴器和右半联轴器的脱开和联接，因此响应时间快，更精确，可以全面保护设备。

在上述方案中：所述左半联轴器和右半联轴器采用钢性机械式联轴器、摩擦或者空气离合器、液压式联轴器、永磁联轴器或钢珠联轴器。

在上述方案中：所述左半联轴器和右半联轴器沿同一轴线旋转，左半联轴器与驱动链的被驱动端相连，右半联轴器与驱动链的驱动端相连，左半联轴器与右半联轴器通过钢珠连接，左半联轴器带有凹槽，钢珠一侧卡在左半联轴器的凹槽内，另一端与执行机构的油缸活塞杆相连。

在上述方案中：所述控制系统由信号处理模块、芯片模块、电机控制模块组成，信号处理模块扭矩信号采集端连接传感器数据发送端，信号处理模块数据发送端连接芯片模块信号接收端，芯片模块执行信号端连接电机控制模块工作信号端，电机控制模块控制执行机构的驱动电机通电和断电以及通电时驱动电机正转或反转。联轴器通过该控制系统能实现自我管控。

在上述方案中：所述控制系统14含有信息存储卡，该信息存储卡能存储左半联轴器和右半联轴器松脱前的数据信息。设置信息存储卡有助于智能联轴器记录、分析数据，实现对峰值扭矩的预判，具有可追溯性。

本发明公开了一种新型智能限矩安全联轴器的工作方法，包括如下步骤：

S1：传感器组件采集联轴器的实时扭矩信号，信号处理模块将采集的扭矩信息转换后发送到芯片模块，当联轴器上的扭矩超过设定值时，芯片模块发指令给执行机构，执行机构的驱动电机反转控制液压阀打开，液压油缸泄压带动油缸活塞杆缩回，执行机构的油缸活塞杆也能通过自带的溢流阀打开后缩回，使左半联轴器和右半联轴器脱开，当联轴器的扭矩低于设定值后，芯片模块发出指令给执行机构，执行机构的驱动电机正转控制液压阀关闭，并带动液压泵将油箱内的油压入液压油缸内，实现油缸活塞杆伸出，左半联轴器和右半联轴器通过钢珠连接；

传输系统的电池通过电池电路为传感器组件、控制系统和执行机构供电，无线充电装置为电池充电；

S2：扭矩传感器采集的实时扭矩信号通过信号处理模块处理之后，通过发射和接收天线发送传输到外部电子设备或云端设备上，外部电子设备或云端设备同时获取联轴器的物理信息、执行机构的状态、脱开时的扭矩和脱开次数、联轴器的实时扭矩数据；

S3：外部电子设备上或云端设备根据信号进行绘制曲线，并根据曲线上点的位移速度和加速度参数预判下一时间间隔内峰值扭矩是否会达到设定值，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备发送信号，发射和接收天线接收发出的信号，将信号传输到控制系统，继而控制执行机构提前动作，使左半联轴器和右半联轴器脱开，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值不会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备将不会发指令给控制系统，执行机构不动作，左半联轴器和右半联轴器通过钢珠保持连接；

外部电子设备或云端设备还会记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统据此对关键节点自动智能处理；

安全联轴器安全系数和释放点参数的选择和设定是通过外部电子设备或云端设备来实现的，外部电子设备或云端设备能实现对联轴器的设定参数从0到最大值范围内任意调节。过去在选取传动系统的安全系数和释放点的数值时，一般是根据经验选定，这样很容易出现偏差，使用本联轴器会通过获取用户使用环境下的真实数据来修正根据经验选的安全系数，弥补了“经验值”的不足，满足了用户对设备的“个性化”和“定制化”和“智能化”的需求。

综上，本发明的有益效果为：

1、通过设置传感器组件能直接获取传动系统上的动态扭矩数据，使工程技术人员能轻松解决传动系统技术难题。

2、摒弃了工程技术人员在设计时使用所谓“经验值”来进行繁琐选型计算，而且这种选型往往带来的是不可靠和不确定，甚至是错误的。实际的和可视化的数据可以大大减少这种不可靠，不确定和错误的发生，大大降低了传动系统的设计难度。

3、本智能联轴器松脱时的扭矩是传感器检测到的实际扭矩，因此误差非常小；执行机构接收到控制系统的指令快速动作，左右半联轴器瞬间完全分离的响应时间非常短。

4、本智能联轴器是一个独立的自我控制管理系统，不受外界干扰，也可以与外部设备实现互联和数据交换。

5、本智能联轴器是一个颠覆性的“智能”化产品，联轴器有了自己的大脑，与外部电子设备或云端设备“智联”，能预测扭矩的变化趋势，提前作出动作；也具有“自学习”的功能，外部电子设备或云端设备会记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统据此对关键节点自动智能处理。

6、本智能联轴器的信息存储卡的记录功能使数据具有可追溯性。

7、本智能联轴器可以作为“工业互联网”的一个智能终端，可以通过对驱动系统“大数据”的收集和分析进而控制设备，是实现“工业智联”载体和途径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(局部剖视)。

图2是图1中执行机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1-2所示的一种新型智能限矩安全联轴器，包括传感器组件10、左半联轴器11和右半联轴器12、控制系统14、执行机构13和传输系统15，控制系统14通过分析传感器组件10检测到的联轴器上的动态扭矩数据，当联轴器上的扭矩超过控制系统14预先设定值时，控制系统14自行发指令给执行机构13，执行机构13动作使左半联轴器11和右半联轴器12快速脱开，实现限制扭矩的功能。利用动态扭矩检测，创新性的集成传感器组件10、控制系14统、执行机构13、传输系统15于联轴器中，使联轴器能实现快速动态离合。

执行机构13嵌入在智能联轴器上，通过控制系统14控制执行机构13的开合操作，该执行机构13包括驱动电机1、液压泵2、液压阀组3、液压油缸4、钢珠5和油箱6，液压油缸4配设有用于测量缸内油压的油压传感器7，驱动电机1通过法兰与液压泵2相连，液压泵2的吸油口通过油管与油箱6相连，出油口通过油管与液压油缸4相连，液压泵2上设置有液压阀组3，液压阀组3与油压传感器7电连接，油缸活塞杆9的一端套装有弹簧8并伸入液压油缸4内，油缸活塞杆9另一端与钢珠5相连，并能在液压阀组3和弹簧8的共同作用下带动钢珠5伸出或缩回。设置新型执行机构13由电信号控制、体积小、强度高、响应时间短。

传输系统15由电池16、无线充电装置17、发射和接收天线18组成，无线充电装置17包括发射圈17a和接收圈17b，发射和接收天线18以及无线充电装置17绕联轴器成圈设置，发射和接收天线18数据采集端与控制系统14数据输出端相连。设置无线充电装置方便给联轴器供电，传输系统15让联轴器与外部电子设备或云端设备实现“智联”。

最好是：新型智能限矩安全联轴器通过传输系统15的发射和接收天线18与外部电子设备或云端设备无线连接，实现数据的传输和外部控制，外部电子设备或云端设备根据传输系统15传出的(扭矩)信号绘制曲线，并根据曲线上点的位移速度和加速度参数预判下一时间间隔内峰值扭矩能否达到设定值，从而命令控制系统14控制执行机构13是否提前动作，外部电子设备上或云端设备还会记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统14据此可以对关键节点自动智能处理。有利于实现联轴器智能化、数字化的发展，让联轴器提前作出动作，减少了安全隐患。

最好是：传感器组件10采用光栅式扭矩传感器、应变式扭矩传感器、速度传感器或压力传感器其中一种或多种，传感器组件10中的传感器能直接或通过转算检测出联轴器上的动态扭矩数据。基于实时动态扭矩来控制左半联轴器和右半联轴器的脱开和联接，因此响应时间快，更精确，可以全面保护设备。

最好是：左半联轴器11和右半联轴器12采用钢性机械式联轴器、摩擦或者空气离合器、液压式联轴器、永磁联轴器或钢珠联轴器。

最好是：左半联轴器11和右半联轴器12沿同一轴线旋转，左半联轴器11与驱动链的被驱动端相连，右半联轴器12与驱动链的驱动端相连，左半联轴器11与右半联轴器12通过钢珠5连接，左半联轴器11带有凹槽，钢珠5一侧卡在左半联轴器11的凹槽内，另一端与执行机构13的油缸活塞杆9相连。

最好是：控制系统14由信号处理模块、芯片模块、电机控制模块组成，信号处理模块扭矩信号采集端连接传感器数据发送端，信号处理模块数据发送端连接芯片模块信号接收端，芯片模块执行信号端连接电机控制模块工作信号端，电机控制模块控制执行机构13的驱动电机1通电和断电以及通电时驱动电机1正转或反转；联轴器通过该控制系统14能实现自我管控。

最好是：控制系统14含有信息存储卡(黑匣子)，该信息存储卡能存储左半联轴器和右半联轴器松脱前的数据信息。设置信息存储卡有助于智能联轴器记录、分析数据，实现对峰值扭矩的预判，具有可追溯性。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，联轴器上的传感器组件10检测到联轴器上的扭变形电信号，这些信号被传输到控制系统14的信号处理模块，信号经过放大和转换，再传输到芯片模块，芯片模块通过自带的应用软件将其转换为实时扭矩数据并对其进行分析，如果实际扭矩超过设定设定值，控制系统14就会发出指令给执行机构13，执行机构13接收到指令后，油缸活塞杆9就会带动钢珠5动作，使左半联轴器11和右半联轴器12瞬间脱开或连接。

传输系统15接收控制系统14的数据，通过发射和接收天线18将这些数据传输到其他外部电子设备上或者发送到云端设备上。外部电子设备可以接收和读取实时数据，并将数据绘制成曲线和分析预测，也可以手动控制执行机构13，使油缸活塞杆9带动钢珠5动作，外部电子设备可以通过发射和接收天线18对控制系的设定值进行重新修改，降低了设计者选用安全系数时的设计难度。

本发明公开了一种新型智能限矩安全联轴器的工作方法，包括如下步骤：

S1：传感器组件10采集联轴器的实时扭矩信号，信号处理模块将采集的扭矩信息转换后发送到芯片模块，当联轴器上的扭矩超过设定值时，芯片模块发指令给执行机构13，执行机构13的驱动电机1反转控制液压阀打开，液压油缸4泄压带动油缸活塞杆9缩回，执行机构13的油缸活塞杆9也能通过自带的溢流阀打开后缩回，使左半联轴器11和右半联轴器12脱开，当联轴器的扭矩低于设定值后，芯片模块发出指令给执行机构13，执行机构13驱动电机1正转控制液压阀关闭，并带动液压泵2将油箱6内的油压入液压油缸4内，实现油缸活塞杆9伸出，左半联轴器11和右半联轴器12通过钢珠5连接；

传输系统15的电池16通过电池电路为传感器组件10、控制系统14和执行机构13供电，无线充电装置17为电池16充电；

S2：扭矩传感器采集的实时扭矩信号通过信号处理模块处理之后，通过发射和接收天线18发送传输到外部电子设备或云端设备上，外部电子设备或云端设备同时获取联轴器的物理信息、执行机构13的状态、脱开时的扭矩和脱开次数、联轴器的实时扭矩数据；

S3：外部电子设备上或云端设备根据扭矩信号进行绘制曲线，并根据曲线上点的位移速度和加速度参数预判下一时间间隔内峰值扭矩是否会达到设定值，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备发送信号给调制器，发射和接收天线18接收调制器发出的信号，将信号传输到控制系统14，继而控制执行机构13提前动作，使左半联轴器11和右半联轴器12脱开，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值不会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备将不会发指令给控制系统14，执行机构13不动作，左半联轴器11和右半联轴器12通过钢珠5连接；

外部电子设备或云端设备还会记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统14据此对关键节点自动处理；

外部电子设备或云端设备能实现对联轴器的设定参数从0到本身强度范围内任意调节；过去在选取传动系统的安全系数时，一般是根据经验选定，这样很容易出现偏差，使用本联轴器会通过获取用户使用环境下的真实数据来修正根据经验选的安全系数，弥补了“经验值”的不足，满足了用户对设备的“个性化”和“定制化”的需求。

本发明的技术特点：

1，创新性的集成扭矩检测分析、电源、信号和数据分析处理、执行机构13等单元于联轴器中，使联轴器能够动态脱开和连接，实现限制扭矩功能。

2，本联轴器是一个独立的自我控制管理系统，不受外界干扰，也可以与外部设备实现互联和数据交换，联轴器的控制系统14包括信号的处理，分析和控制等单元，是一个独立闭环式智能装置，可以通过传输系统15将数据传输到其他电子设备上，又可以实现与外部无线物联和云端数据存储。

3、本联轴器与外部电子设备或云端设备“智联”，能实现“预判功能”和“自学习功能”，控制系统14会根据历史数据和实时扭矩曲线预测扭矩的变化趋势，提前发指令给执行机构13，减少了反应时间。由于本智能联轴器脱开时的扭矩是传感器检测到的实际扭矩，因此误差非常小，执行机构13接收到智能控制系统14的指令快速动作，使左半联轴器11和右半联轴器12瞬间完全分离。

Claims (8)

1.一种新型智能限矩安全联轴器，包括传感器组件(10)、左半联轴器(11)和右半联轴器(12)、控制系统(14)、执行机构(13)和传输系统(15)，其特征在于：

所述执行机构(13)嵌入在联轴器上，通过控制系统(14)控制执行机构(13)的开合操作，该执行机构(13)包括驱动电机(1)、液压泵(2)、液压阀组(3)、液压油缸(4)、钢珠(5)和油箱(6)，所述液压油缸(4)配设有用于测量缸内油压的油压传感器(7)，所述驱动电机(1)通过法兰与液压泵(2)相连，液压泵(2)的吸油口通过油管与油箱(6)相连，出油口通过油管与液压油缸(4)相连，液压泵(2)上设置有液压阀组(3)，所述液压阀组(3)与油压传感器(7)电连接，油缸活塞杆(9)的一端套装有弹簧(8)并伸入液压油缸(4)内，油缸活塞杆(9)另一端与钢珠(5)相连，并能在液压阀组(3)和弹簧(8)的共同作用下带动钢珠(5)伸出或缩回；

所述传输系统(15)由电池(16)、无线充电装置(17)、发射和接收天线(18)组成，无线充电装置(17)包括发射圈(17a)和接收圈(17b)，所述发射和接收天线(18)以及无线充电装置(17)绕联轴器成圈设置，发射和接收天线(18)数据采集端与控制系统(14)数据输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述新型智能限矩安全联轴器通过传输系统(15)的发射和接收天线(18)与外部电子设备或云端设备无线连接，实现数据的传输和外部控制。

3.根据权利要求1所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述传感器组件(10)采用光栅式扭矩传感器、应变式扭矩传感器、表面波传感器、光纤传感器、速度传感器或压力传感器其中一种或多种，传感器组件(10)中的传感器能直接或通过转算检测出联轴器上的动态扭矩数据。

4.根据权利要求1所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述左半联轴器(11)和右半联轴器(12)采用钢性机械式联轴器、摩擦或者空气离合器、液压式联轴器、永磁联轴器或钢珠联轴器。

5.根据权利要求1所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述左半联轴器(11)和右半联轴器(12)沿同一轴线旋转，左半联轴器(11)与驱动链的被驱动端相连，右半联轴器(12)与驱动链的驱动端相连，左半联轴器(11)与右半联轴器(12)通过钢珠(5)连接，左半联轴器(11)带有凹槽，钢珠(5)一侧卡在左半联轴器(11)的凹槽内，另一端与执行机构(13)的油缸活塞杆(9)相连。

6.根据权利要求1所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述控制系统(14)由信号处理模块、芯片模块、电机控制模块组成，信号处理模块扭矩信号采集端连接传感器数据发送端，信号处理模块数据发送端连接芯片模块信号接收端，芯片模块执行信号端连接电机控制模块工作信号端，电机控制模块控制执行机构(13)的驱动电机(1)通电和断电以及通电时驱动电机(1)正转或反转。

7.根据权利要求6所述的一种新型智能限矩安全联轴器，其特征在于：所述控制系统(14)含有信息存储卡，该信息存储卡能存储左半联轴器和右半联轴器松脱前的数据信息。

8.一种新型智能限矩安全联轴器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：传感器组件(10)采集联轴器的实时扭矩信号，信号处理模块将采集的扭矩信息转换后发送到芯片模块，当联轴器上的扭矩超过设定值时，芯片模块发指令给执行机构(13)，执行机构(13)的驱动电机(1)反转控制液压阀打开，液压油缸(4)泄压带动油缸活塞杆(9)缩回，执行机构(13)的油缸活塞杆(9)也能通过自带的溢流阀打开后缩回，使左半联轴器(11)和右半联轴器(12)脱开，当联轴器的扭矩低于设定值后，芯片模块发出指令给执行机构(13)，执行机构(13)的驱动电机(1)正转控制液压阀关闭，并带动液压泵(2)将油箱(6)内的油压入液压油缸(4)内，实现油缸活塞杆(9)伸出，左半联轴器(11)和右半联轴器(12)通过钢珠(5)连接；

传输系统(15)的电池(16)通过电池电路为传感器组件(10)、控制系统(14)和执行机构(13)供电，无线充电装置(17)为电池(16)充电；

S2：扭矩传感器采集的实时扭矩信号通过信号处理模块处理之后，通过发射和接收天线(18)发送传输到外部电子设备或云端设备上，外部电子设备或云端设备同时获取联轴器的物理信息、执行机构(13)的状态、脱开时的扭矩和脱开次数、联轴器的实时扭矩数据；

S3：外部电子设备上或云端设备根据信号进行绘制曲线，并根据曲线上点的位移速度和加速度参数预判下一时间间隔内峰值扭矩是否会达到设定值，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备发送信号，发射和接收天线(18)接收发出的信号，将信号传输到控制系统(14)，继而控制执行机构(13)提前动作，使左半联轴器(11)和右半联轴器(12)脱开，当预判出下一时间间隔内扭矩峰值不会达到设定值时，外部电子设备上或云端设备将不会发指令给控制系统(14)，执行机构(13)不动作，左半联轴器(11)和右半联轴器(12)通过钢珠(5)保持连接；

外部电子设备或云端设备记录关键节点数据，并实时与历史的曲线参数进行对比，控制系统(14)据此对关键节点智能处理；

联轴器安全系数和释放点参数的选择和设定也是通过外部电子设备或云端设备来实现的，外部电子设备或云端设备能对联轴器的设定值参数从0到最大值之间范围内任意实时调节。

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