CN113776829B - 一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置和方法，装置包括机械结构部分和无线扭矩测量装置部分。机械结构部分包括电机、驱动主轴、支撑滚动轴承、被测主轴、被测滑动轴承和砝码支架；无线扭矩测量装置部分包括安装于被测主轴的扭矩无线遥测模块和无线信号接收装置，扭矩无线遥测模块包括安装于被测主轴的扭矩传感器、模拟电路板、数字电路板、无线传输模块、可充电电池。通过固定在被测滑动轴承两端的扭矩无线遥测模块，测得被测主轴在这两个截面上的扭矩，并将该扭矩结果作差，得到被测滑动轴承摩擦扭矩。与现有技术相比，本发明大大简化了测量装置的结构、提高了测量结果的准确性、消除了有线信号传输方式的耐久性不足问题。

Description

一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置和方法

技术领域

本发明涉及滑动轴承摩擦扭矩测量技术领域，尤其是涉及滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置和方法。

背景技术

在机械设备中，滑动轴承往往作为一种关键支撑部件，承担径向载荷，其摩擦扭矩是滑动轴承性能评价的关键参数，因此对其进行精确和高效的测量对于滑动轴承的优化设计至关重要。常见的测量方法大多是采用力矩平衡的原理，将轴承的摩擦力传递到特定的装置，如杠杆、吊丝式机构、悬臂梁式应变传感器等，从而测得轴承摩擦力矩的大小，如授权公告号为CN105258835B的发明公开的一种用于滑动轴承液膜摩擦扭矩测量的方法及装置。但应用这种方式的测量装置往往结构复杂而且准确性较低。另外也有方法直接通过扭矩传感器来测得轴承的摩擦力矩，但这种方式往往需要使用联轴器将扭矩传感器与被测试轴承相连，如公开号为CN108692845A的发明公开的一种轴承径向加载扭矩测量仪。这种测量方式的结构也比较复杂，而且引入了额外的摩擦扭矩，会造成测量结果的不准确。

考虑到轴承摩擦扭矩对旋转轴的作用，可以通过测量旋转轴在支撑轴承前后位置截面处扭矩的变化，来得到该支撑轴承的摩擦扭矩。但考虑到轴的转动，如何将测得的转轴扭矩信号有效准确地传输出去则是测量的重点和难点。常见的传输方式为以集电环为代表的有线传输，但是集电环的使用限制了轴的转速，存在旋转接触、疲劳磨损等可靠性问题。

授权公告号为CN104504877B的发明提供了一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其采用无线传输的方式进行机床主轴扭矩的测量和实时传输，但该专利测量的是主轴上的工作扭矩，难以实现针对滑动轴承摩擦扭矩的测量和传输。此外，该专利的信号采集和发射部分的集成度较低，通用性不足。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术存在机构复杂、测量精度低的缺陷，提供一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置和方法，即通过测量滑动轴承两侧旋转轴截面上的扭矩之差间接得到被测轴承的摩擦扭矩，采用这种间接的测量方式大大简化了测量装置的结构，同时提高了测量结果的准确性；该测量装置采用了无线传输技术，消除了有线信号传输方式的耐久性不足问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置，用于测量被测滑动轴承和被测主轴之间的摩擦扭矩，所述滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置包括电机、弹性联轴器、驱动主轴和砝码支架和支撑整个装置的架体，所述电机的输出端通过弹性联轴器连接所述驱动主轴，所述驱动主轴整体可旋转带动所述架体；

所述砝码支架连接在所述被测滑动轴承的轴承座，用于为被测滑动轴承提供径向加载力，所述驱动主轴为分段式结构，所述被测主轴安装在所述驱动主轴的分段之间，在所述驱动主轴的带动下旋转；

所述被测滑动轴承位于所述被测主轴的中部，所述被测主轴的两端还分别安装有第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块，所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块均用于测量被测主轴某一位置的扭矩大小，并将测量数据无线传输至信号接收设备；

在被测主轴转动过程中，所述信号接收设备接收所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块测得的被测主轴在被测滑动轴承两侧的扭矩，根据两个扭矩的差值，获取被测滑动轴承的摩擦扭矩测量结果。

进一步地，所述驱动主轴通过刚性联轴器与所述被测主轴对中连接。

进一步地，所述驱动主轴为两段式结构，包括第一驱动主轴分段和第二驱动主轴分段，所述第一驱动主轴分段的一端连接所述弹性联轴器，并由第一支撑滚动轴承支撑，另一端由第二支撑滚动轴承支撑，所述第二驱动主轴分段由第三支撑滚动轴承支撑，所述第一支撑滚动轴承、第二支撑滚动轴承和第三支撑滚动轴承均受所述架体支撑。

进一步地，所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块对称安装在所述被测滑动轴承两侧的被测主轴上。

进一步地，所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块均包括扭矩传感器、模拟电路板、数字电路板、无线传输模块和可充电电池，所述扭矩传感器用于测量被测主轴某一截面的扭矩大小，所述模拟电路板用于对扭矩传感器的测量结果进行降噪和放大，所述数字电路板用于对模拟电路板的输出数据进行模数转换，所述无线传输模块用于发送数字电路板的输出数据。

进一步地，所述扭矩传感器为采用电阻应变片式。

进一步地，所述无线传输模块采用Zigbee传输协议进行通讯。

进一步地，所述数字电路板包括模拟数字转换芯片、主控芯片和数据暂存存储器，所述主控芯片控制所述模拟数字转换芯片对模拟电路板的输出数据进行采样转换，所述数据暂存存储器用于暂存模拟数字转换芯片的采样转换数据，然后通过无线传输模块发送。

进一步地，所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块均通过胶水固定在被测主轴上。

本发明还提供一种如上所述的一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

将被测主轴安装在驱动主轴的分段之间，在被测主轴的中部套设被测滑动轴承；在被测主轴的两端分别固定所述第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块；在所述被测滑动轴承的轴承座固定砝码支架；

通过所述砝码支架调整所述被测滑动轴承的径向加载力；

开启所述电机，带动驱动主轴和被测主轴转动，由第一扭矩无线遥测模块和第二扭矩无线遥测模块实时测量被测主轴在被测滑动轴承两侧的扭矩，信号接收设备根据两个扭矩的差值，生成被测滑动轴承的摩擦扭矩测量结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过测量滑动轴承两侧旋转轴截面上的扭矩之差间接得到被测轴承的摩擦扭矩，采用这种间接的测量方式优化了测量过程，大大简化了测量装置的结构，同时提高了测量结果的准确性；该测量装置采用了无线传输技术，消除了有线信号传输方式的耐久性不足问题。

(2)扭矩无线遥测模块集成了电阻应变片式扭矩传感器、模拟电路板、数字电路板、无线传输模块、可充电电池，集成度高，移植性强，并且该模块体积小、重量轻。

(3)本发明为真实模拟被测滑动轴承的运行环境，由电机通过弹性联轴器连接并带动驱动主轴转动，驱动主轴通过刚性联轴器与被测主轴对中连接并带动被测主轴旋转，被测主轴带动被测滑动轴承中的润滑油运动，进而在被测主轴和被测滑动轴承之间形成流体动压润滑，并产生相应的摩擦扭矩；

该方案整体上模拟了被测滑动轴承的真实运行环境，还进一步通过设置弹性联轴器使得电机的输出端与驱动主轴能更好地对中，避免由于对中问题增加的摩擦扭矩测量误差；通过设置砝码支架模拟真实的被测滑动轴承承受的载荷。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种无线扭矩测量装置部分的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种扭矩无线遥测模块的安装状态示意图；

图中，1、电机，2、弹性联轴器，3、第一支撑滚动轴承，4、驱动主轴，5、第二支撑滚动轴承，6、被测滑动轴承，7、第三支撑滚动轴承，8、砝码托架，9、被测主轴，10、刚性联轴器，11、第一扭矩无线遥测模块，12、第二扭矩无线遥测模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置，用于测量被测滑动轴承6和被测主轴9之间的摩擦扭矩，其特征在于，滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置包括电机1、驱动主轴4和砝码支架8和支撑整个装置的架体，电机1的输出端通过弹性联轴器2连接驱动主轴4，驱动主轴4整体可转动连接架体；

砝码支架8连接在被测滑动轴承6的轴承座，用于为被测滑动轴承6提供径向加载力，驱动主轴4为分段式结构，被测主轴9安装在驱动主轴4的分段中，在驱动主轴4的带动下旋转；

被测滑动轴承6位于被测主轴9的中部，被测主轴9的两端还分别安装第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12，第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12均用于测量被测主轴9某一位置的扭矩大小，并将测量数据无线传输至信号接收设备；

在被测主轴9转动过程中，信号接收设备接收第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12测得的被测主轴9在被测滑动轴承6两侧的扭矩，根据两个扭矩的差值，获取被测滑动轴承6的摩擦扭矩测量结果。

工作原理：

使用过程中，电机1通过弹性联轴器2连接并带动驱动主轴4转动，驱动主轴4通过刚性联轴器10与被测主轴9对中连接并带动被测主轴9旋转，被测主轴9带动被测滑动轴承6中的润滑油运动，进而在被测主轴9和被测滑动轴承6之间形成流体动压润滑，并产生相应的摩擦扭矩，该摩擦扭矩会作用于被测主轴9上。通过测得被测主轴9在被测滑动轴承6前后位置上的扭矩变化，可以得到被测滑动轴承6的摩擦扭矩。

另外，弹性联轴器2的设置使得电机1的输出端与驱动主轴4能更好地对中，避免由于对中问题增加的摩擦扭矩测量误差；砝码支架8的设置用于模拟真实被测滑动轴承6承受的载荷。

测量方法：

上述的滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

将被测主轴9安装在驱动主轴4的分段中，在被测主轴9的中部套设被测滑动轴承6；在被测主轴9的两端分别安装第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12；在被测滑动轴承6的轴承座固定砝码支架8；

通过砝码支架8调整被测滑动轴承6的径向加载力；

开启电机1，带动驱动主轴4和被测主轴9转动，由第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12实时测量被测主轴9在被测滑动轴承6两侧的扭矩，信号接收设备根据两个扭矩的差值，生成被测滑动轴承6的摩擦扭矩测量结果。

实施例中的滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置可分为机械结构部分以及无线扭矩测量装置两个部分，下面分别进行具体描述。

一、机械结构部分

本实施例中滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置的机械结构部分具体包括电机1、弹性联轴器2、第一支撑滚动轴承3、第二支撑滚动轴承5、第三支撑滚动轴承7、驱动主轴4、被测滑动轴承6、砝码支架8、被测主轴9、刚性联轴器10。其中，电机1通过弹性联轴器2连接并带动驱动主轴4转动，驱动主轴4通过刚性联轴器10与被测主轴9对中连接并带动被测主轴9旋转。

驱动主轴4为两段式结构，包括第一驱动主轴分段和第二驱动主轴分段，第一驱动主轴分段的一端连接弹性联轴器2，并由第一支撑滚动轴承支撑3，另一端由第二支撑滚动轴承5支撑，第二驱动主轴分段由第三支撑滚动轴承7，第一支撑滚动轴承3、第二支撑滚动轴承5和第三支撑滚动轴承7均受架体支撑。

即驱动主轴4为两段式结构，并且在径向由三个滚动轴承：第一支撑滚动轴承3、第二支撑滚动轴承5和第三支撑滚动轴承7支撑，它们分别位于与弹性联轴器2相连接的一端、和被测主轴9相连接的两端。

被测主轴9通过刚性联轴器10与驱动主轴4对中连接，可以方便拆卸来测试不同型号的滑动轴承。

二、无线扭矩测量装置部分

如图2所示，无线扭矩测量装置部分包括扭矩无线遥测模块以及连接在计算机的无线信号接收装置。其中扭矩传感器、模拟电路板、数字电路板、无线传输模块、可充电电池组成了扭矩无线遥测模块。扭矩传感器测得被测主轴9的扭矩信号，通过模拟电路板放大滤波后经过数字电路板把模拟信号转换为数字信号，并由无线传输模块发射出去，再由无线信号接收装置接收并通过相应串口传递到计算机中，进而可以进行数据处理和显示；无线信号接收装置和计算机即为上述的信号接收设备。

在本实例中，扭矩传感器采用电阻应变片式，并采用全臂测量电桥方式，粘贴在被测滑动轴承6两侧的被测主轴9上。

在本实例中，无线传输模块采用Zigbee传输协议实现扭矩信号的无线传输，这里采用Zigbee无线传输方式主要是基于其较低的功耗可明显延长每次的测量时长。

在本实例中，模拟电路板用于应变片桥压信号的降噪和放大，采用了一阶有源RC滤波电路来降低电路本底噪声。

在本实例中，数字电路板用于模数转换以及将数字化的数据存储，以FPGA作为主控芯片控制一颗16位的外置模拟数字转换芯片进行采样，采样分辨率小于1N。在高速采样模式下，由于Zigbee无线传输的速度有限，本实施例使用一片2Mb的铁电存储器(FRAM)进行高速采样模式下的数据暂存，然后由Zigbee无线传输模块发射出去。

如图3所示，第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12用胶水对称地固定在被测滑动轴承6两侧的被测主轴9上。

在本实施例中，第一扭矩无线遥测模块11和第二扭矩无线遥测模块12采用电阻应变片式传感器，并采用全臂测量电桥方式。应用材料力学分析方法，被测主轴的扭矩大小正比于主轴的应变值，即T＝k₁ε，而当被测主轴9受到摩擦扭矩的作用时，粘贴在轴上的应变片发生形变从而导致其电阻值发生变化，即ΔR＝k₂ε。全臂测量电桥的输出电压正比于电阻应变片的阻值变化，即U＝k₃ΔR。因此，

即被测主轴9的扭矩大小正比于测试电路输出电压信号。

在本实施例中，第一扭矩无线遥测模块11测得的被测主轴截面上的扭矩为T₁，第二扭矩无线遥测模块12测得的被测主轴截面上的扭矩为T₂，二者相减的绝对值即为被测滑动轴承6的摩擦扭矩，即T_f＝|T₂-T₁|。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置，用于测量被测滑动轴承(6)和被测主轴(9)之间的摩擦扭矩，其特征在于，所述滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置包括电机(1)、弹性联轴器(2)、驱动主轴(4)和砝码支架(8)和支撑整个装置的架体，所述电机(1)的输出端通过弹性联轴器(2)连接所述驱动主轴(4)，所述驱动主轴(4)整体可旋转带动所述架体；

所述砝码支架(8)连接在所述被测滑动轴承(6)的轴承座，用于为被测滑动轴承(6)提供径向加载力，所述驱动主轴(4)为分段式结构，所述被测主轴(9)安装在所述驱动主轴(4)的分段之间，在所述驱动主轴(4)的带动下旋转；

所述被测滑动轴承(6)位于所述被测主轴(9)的中部，所述被测主轴(9)的两端还分别安装有第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)，所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)均用于测量被测主轴(9)某一位置的扭矩大小，并将测量数据无线传输至信号接收设备；

在被测主轴(9)转动过程中，所述信号接收设备接收所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)测得的被测主轴(9)在被测滑动轴承(6)两侧的扭矩，根据两个扭矩的差值，获取被测滑动轴承(6)的摩擦扭矩测量结果；

所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)均包括扭矩传感器、模拟电路板、数字电路板、无线传输模块和可充电电池，所述扭矩传感器用于测量被测主轴(9)某一截面的扭矩大小，所述模拟电路板用于对扭矩传感器的测量结果进行降噪和放大，所述数字电路板用于对模拟电路板的输出数据进行模数转换，所述无线传输模块用于发送数字电路板的输出数据；

所述扭矩传感器为采用电阻应变片式；

所述无线传输模块采用Zigbee传输协议进行通讯；

所述数字电路板包括模拟数字转换芯片、主控芯片和数据暂存存储器，所述主控芯片控制所述模拟数字转换芯片对模拟电路板的输出数据进行采样转换，所述数据暂存存储器用于暂存模拟数字转换芯片的采样转换数据，然后通过无线传输模块发送；

所述驱动主轴(4)通过刚性联轴器(10)与所述被测主轴(9)对中连接；

所述驱动主轴(4)为两段式结构，包括第一驱动主轴分段和第二驱动主轴分段，所述第一驱动主轴分段的一端连接所述弹性联轴器(2)，并由第一支撑滚动轴承(3)支撑，另一端由第二支撑滚动轴承(5)支撑，所述第二驱动主轴分段由第三支撑滚动轴承(7)支撑，所述第一支撑滚动轴承(3)、第二支撑滚动轴承(5)和第三支撑滚动轴承(7)均受所述架体支撑；

所述滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置的测量方法包括以下步骤：

将被测主轴(9)安装在驱动主轴(4)的分段之间，在被测主轴(9)的中部套设被测滑动轴承(6)；在被测主轴(9)的两端分别固定所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)；在所述被测滑动轴承(6)的轴承座固定砝码支架(8)；

通过所述砝码支架(8)调整所述被测滑动轴承(6)的径向加载力；

开启所述电机(1)，带动驱动主轴(4)和被测主轴(9)转动，由第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)实时测量被测主轴(9)在被测滑动轴承(6)两侧的扭矩，信号接收设备根据两个扭矩的差值，生成被测滑动轴承(6)的摩擦扭矩测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置，其特征在于，所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)对称安装在所述被测滑动轴承(6)两侧的被测主轴(9)上。

3.根据权利要求1所述的一种滑动轴承摩擦扭矩无线测量装置，其特征在于，所述第一扭矩无线遥测模块(11)和第二扭矩无线遥测模块(12)均通过胶水固定在被测主轴(9)上。

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