CN115824483A - 一种扭力轴扭矩测试系统 - Google Patents

Abstract

一种扭力轴扭矩测试系统，属于扭矩监测技术领域。解决了齿轮监测系统测量齿轮扭力轴所受扭矩准确性差的问题。本发明的数据采集仪和电池均通过夹具固定在齿轮扭力轴的前端，所述应变片贴设在齿轮扭力轴外表面进行扭矩测量；所述应变片通过第一导线与采集仪的信号输入端连接，所述电池用于为采集仪供电；所述齿轮扭力轴前端的侧壁开有通孔，第一导线与应变片连接端贴设在齿轮扭力轴的外表面，第一导线穿过所述通孔位于齿轮扭力轴内腔的部分贴设在所述齿轮扭力轴的内壁上。本发明适用于扭力轴扭矩测试。

Description

一种扭力轴扭矩测试系统

技术领域

本发明属于扭矩监测技术领域。

背景技术

船舶工业迅速发展，对传动系统的效率、强度、可靠性等的要求越来越高。齿轮装置是传动系统的重要组成部分，齿轮扭力轴作为齿轮箱重要传动组成部分，其提供的扭矩大小直接影响着整个传动系统能量传输效率，同时也影响着整体的振动噪声、摩擦产热、使用寿命等。长期在扭矩不均衡的情况下运转甚至会导致齿轮疲劳断裂，影响船舶运行，甚至造成严重事故，带来巨大经济损失。因此，监测齿轮扭力轴工作时产生的扭矩对提高船舶传动系统整体可靠性、确保作业安全是十分重要的。

齿轮监测系统主要有两大类，一类是间接监测法，但该方法无法准确测量齿轮齿根所受应力不满足要求。另一类是直接监测法，即直接监测齿轮扭力轴所受扭矩的方法。但传统的直接监测法基本采用有线方式传输能量和数据，不仅体积庞大，而且高速转动的齿轮轴会立刻使导线打乱，无法适用于齿轮这样的旋转件的动态监测和数据采集。

发明内容

本发明目的是为了解决齿轮监测系统测量齿轮扭力轴所受扭矩准确性差的问题，提出了一种扭力轴扭矩测试系统。

本发明所述一种扭力轴扭矩测试系统，包括：扭矩测试单元、无线传输系统和PC终端；

扭矩测试单元包括数据采集仪、电池、夹具和至少一个应变片；

数据采集仪和电池均通过夹具固定在齿轮扭力轴的前端，所述应变片贴设在齿轮扭力轴外表面进行扭矩测量；

所述应变片通过第一导线与数据采集仪的信号输入端连接，所述电池用于为数据采集仪供电；

所述齿轮扭力轴前端的侧壁开有通孔，第一导线与应变片连接端贴设在齿轮扭力轴的外表面，第一导线穿过所述通孔位于齿轮扭力轴内腔的部分贴设在所述齿轮扭力轴的内壁上；

数据采集仪用于将应变片输出的应变信号转换为电信号，并将电信号放大再转换为数字信号，再将所述数字信号经无线传输系统传输至PC终端；

所述PC终端用于对接收的信号进行存储。

进一步地，本发明中，应变片)为矩形片。

进一步地，本发明中，应变片的长边均与齿轮扭力轴的中轴线呈45度夹角。

进一步地，本发明中，应变片为2或4个。

进一步地，本发明中，应变片为2个时，构成半桥测试模式，2个应变片相对贴设在齿轮扭力轴的表面，2个应变片的长边与齿轮扭力轴的中轴线分别呈45度角和-45度角。

进一步地，本发明中，应变片为4个时，构成全桥测试模式，4个应变片分成两组对称贴设在齿轮扭力轴的表面，每组的两个应变片的长边相互垂直。

进一步地，本发明中，夹具包括两个加持部、电池固定结构和采集仪固定结构；

夹具包括两个加持部、电池固定结构和采集仪固定结构；

两个加持部夹设在齿轮扭力轴上；且临近齿轮扭力轴的前端；

两个加持部的外侧分别设置有电池固定结构和采集仪固定结构；

所述电池固定结构用于将电池固定在一个加持部的外侧，采集仪固定结构用于将数据采集仪固定在另一个加持部的外侧。

进一步地，本发明中，电池固定结构包括矩形箱体，所述矩形箱体的相邻的两个侧面均为开口结构，一个开口扣设在夹具的外表面，另一个开口设置在侧面，所述另一个开口上设置有电池挡板；矩形箱体内设置有电池安装槽，所述电池安装槽用于安装电池。

进一步地，本发明中，还包括开关，所述开关用于控制电池是否为数据采集仪供电，所述电池固定结构的侧面固定有开关固定器，所述开关固定器用于安装开关。

本发明实现了齿轮箱扭力轴扭矩的实时监测，为齿轮箱扭力轴强度评估提供依据；通过无线远程操作，采用相关夹具将电池和采集仪固定在扭力轴上，伴随扭力轴旋转，该测量方法结构可靠、拆装方便、操作简单、适合多种工程中使用；通过不同模式下的测量，有效的除弯曲影响，进而提高了测试的准确性。

附图说明

图1是本发明所述扭力轴扭矩测试系统安装位置示意图；

图2是本发明所述一种扭力轴扭矩测试系统的原理框图；

图3是扭矩测试单元的电气原理框图；

图4是电池固定结构的安装结构示意图；

图5是应变片的安装结构放大图；

图6是应变片的安装结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种扭力轴扭矩测试系统，包括：扭矩测试单元1、无线传输系统2和PC终端3；

扭矩测试单元1包括数据采集仪102、电池101、夹具和至少一个应变片103；

数据采集仪102和电池101均通过夹具固定在齿轮扭力轴的前端，所述应变片103贴设在齿轮扭力轴外表面进行扭矩测量；

所述应变片103通过第一导线301与数据采集仪102的信号输入端连接，所述电池101用于为数据采集仪102供电；

所述齿轮扭力轴前端的侧壁开有通孔，第一导线301与应变片103连接端贴设在齿轮扭力轴的外表面，第一导线301穿过所述通孔位于齿轮扭力轴内腔的部分贴设在所述齿轮扭力轴的内壁上；

数据采集仪用于将应变片103输出的应变信号转换为电信号，并将电信号放大再转换为数字信号，将所述数字信号经无线传输系统2传输至PC终端3；

所述PC终端3用于对接收的信号进行存储。

结合图2，此图为图1中数据采集及电源模块1的局部拆分放大示意图。整体分为两部分，图2中扭力轴上侧为数据采集模块。夹具的一侧外端固定数据采集仪，另一侧外端固定电池，夹具的两个部分通过左右两侧螺孔相连并固定在齿轮箱扭力轴前端，一侧使用三孔固定，一侧使用两孔固定，两孔固定的一侧预留的一孔留给上下两侧数据采集仪与电源之间的线路连接。数据采集仪102放置在一侧夹具的凹槽内，通过两个固定片将数据采集仪固定在采夹具上。数据采集仪的一侧延伸出的电源导线穿过夹具外沿的预留孔道与下侧电源连接导线相连。齿轮箱扭力轴内延伸出的第一导线也通过孔道与数据采集仪相连。

结合图2，图2中扭力轴下侧为电池。夹具的两个固定结构的外沿对应开设螺纹孔，通过螺丝固定在齿轮扭力轴上，且临近前端，电池固定在固定结构内，所述夹具的两个固定结构的外表面均开有矩形凹槽，使数据采集仪和电池通过固定结构相对设置在齿轮扭力轴相对的两侧。电池固定结构内设有插槽，所述插槽沿电池固定结构的另一个开口侧插入矩形箱体内，电池挡板负责将电池固定在矩形箱体内，电池电量耗尽时可以直接拆卸电池挡板并更换电池。矩形箱体还与开关相连，开关通过螺纹固定于开关固定装置内，开关固定器则通过螺丝固定于夹具上。连接电池和数据采集仪的导线通过开关固定器内留预留的凹槽连接电池与数据采集仪连接。

结合图4和图5，应变片使用专用扭矩测量应变片组成全桥进行扭矩测量，应变片沿与轴线成45°的方向粘贴，上下对称沿轴向贴片，共4片。应变片的导线通过齿轮箱扭力轴待测区外部开孔引入，齿轮箱扭力轴中心提前贯通至开孔处，导线自此延伸出与箱外数据采集仪相连。

系统安装后，结合图图2和图3，将系统各部分连接，系统各部分功能是：应变片用于监测齿轮扭力轴产生的结构应变信号，具体使用时采用专用扭矩测量应变片(45度角)组成全桥进行扭矩测量，使用单片半桥应变片，上下对称沿轴向贴片，组成全桥，该贴法具有消除弯曲影响的优点，具体工作时也可调整为全桥、半桥、1/4桥；数据采集模块实现应变信号到电信号的转换，并将电信号放大再转换为数字信号，最终实现数据的传输、存储与上传；电池主要实现为单个系统供电，并可手动控制此系统的电源开关，电池为端子外接9V叠层电池，工作时间约为6小时；数据接收处理部分主要由路由器及PC主机组成，工作时采用WIFI无线传输技术，通讯距离为20米，无需现场布线，通过路由器接收信号并通过局域网传输至电脑采集软件，达到实时采集、实时计算、实时显示的目的，每台计算机可以同时控制3个采集模块工作。

进一步地，本实施方式中，应变片103为矩形片。

进一步地，本实施方式中，应变片103的长边与齿轮扭力轴的中轴线的夹角为45度。

进一步地，本实施方式中，应变片103为2或4个。

进一步地，本实施方式中，应变片103为2个时，构成半桥测试模式，2个应变片103相对贴设在齿轮扭力轴的表面，2个应变片103的长边与齿轮扭力轴的中轴线分别呈45度角和-45度角。

本实施方式中，2片应变片贴设在所述齿轮扭力轴的表面，且相对设置，其中一片应变片投射至另一应变片所在面时，两片应变片垂直。

进一步地，本实施方式中，应变片103为4个时，构成全桥测试模式，4个应变片103分成两组对称贴设在齿轮扭力轴的表面，每组的两个应变片103相互垂直，且两片应变片之间留有空隙。

进一步地，本实施方式中，夹具包括两个加持部4、电池固定结构7和采集仪固定结构6；

两个加持部4夹设在齿轮扭力轴上；且临近齿轮扭力轴的前端；

两个加持部4的外侧分别设置有电池固定结构7和采集仪固定结构6；

所述电池固定结构7用于将电池101固定在一个加持部4的外侧，采集仪固定结构6用于将数据采集仪102固定在另一个加持部4的外侧。

本实施方式中的两个加持部4均为矩形件，所述两个矩形件一侧表面均为向内凹的弧形面；所述两个矩形件的长边均设有向外延伸的固定沿，所述固定沿上对应开有圆孔；用于通过螺丝将两个矩形件固定夹持在齿轮扭力轴上；所述两个矩形件临近齿轮扭力轴的前端，此时两个矩形件的弧形面相对设置。

进一步地，本实施方式中，电池固定结构7包括矩形箱体，所述矩形箱体的相邻的两个侧面均为开口结构，一个开口扣设在夹具的外表面，另一个开口设置在侧面，所述另一个开口上设置有电池挡板(703)；矩形箱体内设置有电池安装槽，所述电池安装槽用于安装电池101。

进一步地，本实施方式中，还包括开关702，所述开关702用于控制电池101是否为数据采集仪102供电，所述电池固定结构7的侧面固定有开关固定器701，所述开关固定器701用于安装开关702。

本发明将传统意义上扭力轴扭矩的有线测试变为方便的无线测试，采用将应变片贴设在扭力轴上，实现实时进行扭矩采集，在齿轮扭力轴侧壁开设通孔，导线经过扭力轴轴心，且贴设在轴的侧壁上，在转动过程中并不会产生绕线的问题，且本发明所述应变片均贴设在扭力轴的外壁上，可通过调整贴设应变片的个数，单个、2个或4个应变片，实现1/4桥、半桥、全桥测试模式获取应变信号，有效的提高了测试的准确性。

由图1可知，本发明所述系统设置在齿轮箱盖板的外侧，通过夹具将数据采集仪和电池固定在扭力轴的一端，夹具包括电池固定结构，电池固定结构包括电池挡板、矩形箱体、开关、开关固定器和导线；所述电池固定结构用于固定电池，电池用于为数据采集仪系统供电，电池插口与电池固定上盖内侧接口对接；所述矩形箱体用于将电池固定于齿轮轴外侧电池夹具一侧，与数据采集仪对称安装；矩形箱体使电池固定在夹具的外侧，并在开口侧设置导线嵌设槽，同时设置有设置电池插口，确保运行时电池插口与数据采集仪的供电导线连接，所述开关用于整个系统的开启关闭，开关固定器一侧与矩形箱体延伸接口相连，所述开关固定器用于将开关固定在电池夹具上，确保导线从内部槽口延伸出；所述导线用于连接开关与上侧数据采集仪，导线与上侧数据采集仪延伸导线自夹具一侧孔道相连。

本发明中，齿轮轴受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力τ_max，轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力σ₁和σ₂，其值为|σ₁|＝|σ₂|＝τ_max，相应的变形为ε₁和ε₂，当测得应变后，便可算出τ_max及扭矩；安装时，将应变片用胶固定到结构表面上，再将齿轮轴一侧用胶受监测区域整体用胶封住；所述应变片使用专用扭矩测量应变片(45度角)组成全桥进行扭矩测量，使用单片半桥应变片，上下对称沿轴向贴片，组成全桥，该贴法具有消除弯曲影响的优点。

本实例的齿轮箱扭力轴扭矩测试系统按照以下流程进行使用和测量：

如图6所示4枚应变片103被分别固定安装于不受齿轮运转干涉的选定测试位置，应变片103与轴线呈45°角、相邻两片垂直、上下对称式布置。应变片103连接的第一导线收束于待测齿轮箱扭力轴的一侧开孔处，沿贯通小孔延伸而出，连接至齿轮箱外数据采集仪102。应变片103连接的第一导线布置好后使用胶把导线及应变片103区域封住；数据采集仪102及电池101通过夹具固定在扭力轴外侧，使用时将数据采集仪102固定于夹具上，打开电池挡板将电池插入电池固定结构中，通过导线从夹具一侧孔道中连接上下两侧的数据采集仪102和电池101，并打开开关702。为防止测试中导线晃动对测试产生不必要的影响，安装后用胶将导线紧封于夹具上。以此步骤安装每个待测扭力轴，打开开关和路由器，通过局域网进行配对，并在电脑软件上提前标定每个待测扭力轴的信号。进入测试阶段前，打开每个待测扭力轴上夹具的开关，每台电脑的软件；测试时点击电脑软件的数据采集，随着齿轮箱扭力轴转动产生的应变信号，信号通过导线传输至数据采集仪102，采集仪通过内部电路将应变信号转换为电信号，并将电信号放大再转换为数字信号，通过无线WIFI传输至路由器，再传输至电脑监测系统控制显示端，进行相关计算、分析、显示。当不再测量时，按下结束测量键，装置关闭测量。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，包括：扭矩测试单元(1)、无线传输系统(2)和PC终端(3)；

扭矩测试单元(1)包括数据采集仪(102)、电池(101)、夹具和至少一个应变片(103)；

数据采集仪(102)和电池(101)均通过夹具固定在齿轮扭力轴的前端，所述应变片(103)贴设在齿轮扭力轴外表面进行扭矩测量；

所述应变片(103)通过第一导线(301)与数据采集仪(102)的信号输入端连接，所述电池(101)用于为数据采集仪(102)供电；

所述齿轮扭力轴前端的侧壁开有通孔，第一导线(301)与应变片(103)连接端贴设在齿轮扭力轴的外表面，第一导线(301)穿过所述通孔位于齿轮扭力轴内腔的部分贴设在所述齿轮扭力轴的内壁上；

数据采集仪用于将应变片(103)输出的应变信号转换为电信号，并将电信号放大再转换为数字信号，再将所述数字信号经无线传输系统(2)传输至PC终端(3)；

所述PC终端(3)用于对接收的信号进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，应变片(103)为矩形片。

3.根据权利要求2所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，应变片(103)的长边均与齿轮扭力轴的中轴线呈45度夹角。

4.根据权利要求2所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，应变片(103)为2或4个。

5.根据权利要求4所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，应变片(103)为2个时，构成半桥测试模式，2个应变片(103)相对贴设在齿轮扭力轴的表面，2个应变片(103)的长边与齿轮扭力轴的中轴线分别呈45度角和-45度角。

6.根据权利要求4所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，应变片(103)为4个时，构成全桥测试模式，4个应变片(103)分成两组对称贴设在齿轮扭力轴的表面，每组的两个应变片(103)的长边相互垂直。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，夹具包括两个加持部(4)、电池固定结构(7)和采集仪固定结构(6)；

夹具包括两个加持部(4)、电池固定结构(7)和采集仪固定结构(6)；

两个加持部(4)夹设在齿轮扭力轴上；且临近齿轮扭力轴的前端；

两个加持部(4)的外侧分别设置有电池固定结构(7)和采集仪固定结构(6)；

所述电池固定结构(7)用于将电池(101)固定在一个加持部(4)的外侧，采集仪固定结构(6)用于将数据采集仪(102)固定在另一个加持部(4)的外侧。

8.根据权利要求7所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，电池固定结构(7)包括矩形箱体，所述矩形箱体的相邻的两个侧面均为开口结构，一个开口扣设在夹具的外表面，另一个开口设置在侧面，所述另一个开口上设置有电池挡板(703)，矩形箱体内设置有电池安装槽，所述电池安装槽用于安装电池(101)。

9.根据权利要求8所述的一种扭力轴扭矩测试系统，其特征在于，还包括开关(702)，所述开关(702)用于控制电池(101)是否为数据采集仪(102)供电，所述电池固定结构(7)的侧面固定有开关固定器(701)，所述开关固定器(701)用于安装开关(702)。

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