旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)研究

旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)研究

楊晉溥，江鵬程，陳劍龍

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京100072)

摘要：旋轉(zhuǎn)軸是裝甲裝備傳動系統(tǒng)的重要部件，而扭矩和轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)軸工作中重要的狀態(tài)參數(shù)，對扭矩與轉(zhuǎn)速的測量對衡量發(fā)動機輸出功率和評估傳動系統(tǒng)工作狀況具有重要意義。旋轉(zhuǎn)軸運動狀態(tài)特殊、工作環(huán)境復雜，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸的在線監(jiān)測具有一定困難。在文獻調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，針對以上問題，綜述了幾種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測技術(shù)，分析對比了各種技術(shù)的優(yōu)缺點，對實現(xiàn)裝甲裝備傳動軸在線監(jiān)測具有較強的指導意義。

關(guān)鍵詞:傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測

中圖分類號：TP216+.1文獻標識碼：A

作者簡介：楊晉溥(1991-)，男，四川綿陽人，工學學士學位，裝甲兵工程學院碩士研究生，主要研究方向：機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

收稿日期：2015-06-02

Research on the technologies for online monitoring of the state parameter of rotating shaft

YANG Jinpu, JIANG Pengcheng,CHEN Jianlong

Abstract:Rotating shaft is an important part of armored vehicle drive system, the revolving speed and torque are the most important state parameters when the shaft is working. The monitoring of the speed and torque is of great significance for the measurement of the engine output and evaluating the working state of the drive system. Because of the special state of motion and complex working environment, it is difficult to achieve online monitoring of the rotating shaft. On the basis of literature investigation and analysis, this paper introduces several online monitoring technologies for shaft, analyzes and compares the advantages and disadvantages of different technologies, which has certain guiding significance for achieving online monitoring of armored vehicle’s shaft.

Keywords:drive system; rotating shaft; state parameter; online monitoring

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭節(jié)奏快、縱深大、強度高，對作戰(zhàn)車輛的機動性提出了更高的要求。作為裝甲車輛動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分——旋轉(zhuǎn)軸類部件，在動力傳輸過程中起著重要的作用，其性能好壞、自動化程度的高低，直接影響著車輛的操縱性和可靠性。因此，實現(xiàn)對裝甲車輛傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件運行狀態(tài)精確、動態(tài)、長期地監(jiān)測，對掌握車輛傳動系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)，降低事故發(fā)生率與維修費用，減少維修時間，提高車輛無故障運行時間，具有重要意義。

目前，旋轉(zhuǎn)軸類部件的監(jiān)測主要集中于扭矩與轉(zhuǎn)速等重要狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對其在線監(jiān)測對衡量發(fā)動機輸出功率、傳動系統(tǒng)工作狀況和載荷譜等關(guān)鍵信息有重大意義，一方面車輛研制單位迫切希望能夠獲取車輛傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件扭矩與轉(zhuǎn)速等參數(shù)的全壽命工作數(shù)據(jù)，來指導車輛的設(shè)計、制造以及材料特性研究工作；另一方面車輛使用單位也希望通過對傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件扭矩與轉(zhuǎn)速等參數(shù)的在線監(jiān)測，實現(xiàn)對裝甲車輛運行狀況的實時在線評估[1]。但是，裝甲車輛傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，旋轉(zhuǎn)軸上難以安裝測試部件，同時旋轉(zhuǎn)軸類部件一般處于高速旋轉(zhuǎn)的特殊運動狀態(tài)，工作環(huán)境復雜多變，使得測試設(shè)備的安裝及信號傳輸具有一定的困難。本文針對以上問題，介紹了幾種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測技術(shù)，并分析與比較各個方法的優(yōu)缺點，對后續(xù)實現(xiàn)裝甲裝備傳動軸在線監(jiān)測具有較強的指導意義。

1監(jiān)測技術(shù)研究

旋轉(zhuǎn)軸監(jiān)測主要分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)測試是指在實驗室環(huán)境中利用測功機或者其他的實驗設(shè)備對被測試軸進行加載進行的扭矩測試。動態(tài)監(jiān)測則是指將監(jiān)測設(shè)備安裝到實際運行的設(shè)備(比如車輛的傳動軸、水輪機主軸等等)中去,對設(shè)備運行過程中的狀態(tài)參數(shù)進行實時在線監(jiān)測。對于靜態(tài)測試，現(xiàn)在國內(nèi)外的測試技術(shù)已經(jīng)非常成熟。而對于動態(tài)監(jiān)測，由于旋轉(zhuǎn)軸特殊的運動狀態(tài)和復雜的工作環(huán)境，傳統(tǒng)的扭矩監(jiān)測手段并不能滿足要求，因此許多新型的監(jiān)測手段應(yīng)運而生。

1.1集流環(huán)法

集流環(huán)法是將導電滑環(huán)裝配在軸上一起轉(zhuǎn)動，在導電滑環(huán)上接上敏感元件(例如應(yīng)變片)，并利用圓形電極和炭刷的接觸將被測信號引出,從而完成旋轉(zhuǎn)軸工作過程中扭矩和其他狀態(tài)參數(shù)的測量和輸出。集流環(huán)原理簡單，可以完成多種狀態(tài)參數(shù)的測量。但是由于滑環(huán)與電刷的互相摩擦，會帶來很多缺點。主要表現(xiàn)為：

1)集流環(huán)的觸頭長時間與導電滑環(huán)摩擦非常容易產(chǎn)生磨損,并且會造成接觸電阻阻值的變化，從而影響測試精度。

2)集流環(huán)體積較大，安裝困難、負載效應(yīng)較大。

3)運動過程中會產(chǎn)生較大噪聲，在影響測試系統(tǒng)本身的同時會對被測軸和其他部件產(chǎn)生較大影響。

集流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　集流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2基于光柵扭矩傳感器的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動過程中會在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此可以利用光敏傳感器采集扭轉(zhuǎn)變形信號，從而完成扭矩的測量。在旋轉(zhuǎn)軸上固定兩塊開孔數(shù)完全相同的圓盤形光柵，并把光電元件和光源安置在兩片光柵兩側(cè)，軸在不受力狀態(tài)下兩片光柵的明暗條紋是錯開的[2]，光線不能穿過光柵，光電元件上沒有輸出信號；軸在受到扭矩作用時，兩個圓盤形光柵所在軸截面會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，明暗條紋部分重合，光線穿過光柵照到光電元件上，使其輸出信號[3-4]。輸出信號大小隨著扭轉(zhuǎn)變形的增大而增大，配合測試電路便可以完成扭矩的測量。2005年重慶大學的喻洪麟教授帶領(lǐng)團隊開發(fā)了一種新型光柵扭矩傳感器，并研制了一套水輪機主軸扭矩在線監(jiān)測系統(tǒng)。光柵扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　光柵扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光電式扭矩測量法的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，測量精度高。但是其結(jié)構(gòu)復雜、安裝困難和抗干擾性差的缺點使其并不能滿足復雜環(huán)境下車輛內(nèi)部傳動軸的監(jiān)測要求。

1.3基于電磁法的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)

利用電磁原理完成扭矩的監(jiān)測是現(xiàn)在工業(yè)上采用較多的一種方法。電磁法根據(jù)被測量的不同可分為基于扭矩和扭轉(zhuǎn)角關(guān)系的扭矩監(jiān)測方法和利用壓磁效應(yīng)原理的扭矩監(jiān)測方法。前者通常利用磁鼓原理完成旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角的測量，跟光電法類似，通過測量角位移完成扭矩的測量。早在1990年，日本日立研究室的研究人員就研制了利用磁鼓原理制作的扭矩測試系統(tǒng)。測量精度可以達到±0.7%[5]。在傳動軸上相距一定距離上安裝兩個碼盤，在碼盤周圍覆蓋著磁墨或者其他的磁性材料，并利用相同的磁頭將這些磁性材料磁化，形成許多等間隔的磁極，共同組成磁鼓編碼器。利用具有磁致伸縮效應(yīng)的材料制成磁傳感器采集兩個碼盤之間的相對扭轉(zhuǎn)角，完成扭矩的測量[6-7]。磁鼓扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　磁鼓扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

基于壓磁原理的扭矩測試系統(tǒng)主要利用非晶態(tài)軟磁的磁致伸縮效應(yīng)完成應(yīng)變信號到電信號的轉(zhuǎn)換。磁致伸縮效應(yīng)是指具有該效應(yīng)的合金長度將隨著外界磁場的改變而改變，反之，若存在外力使合金發(fā)生形變，則合金的磁導率會隨之改變。將具有該效應(yīng)的涂料均勻涂抹在軸上，在軸旋轉(zhuǎn)時涂層會在扭矩的作用下發(fā)生形變，磁導率會隨著應(yīng)變的的變化而發(fā)生改變，對其進行采集便可完成扭矩的測量。日本福岡九州大學在1982年成功利用磁致伸縮效應(yīng)，研制了具有新型磁頭型扭矩傳感器的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)[8]，基于磁致伸縮效應(yīng)的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　基于磁致伸縮效應(yīng)的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電磁法測量精度高，抗電磁干擾性強，信號穩(wěn)定。但是其傳感器成本高，而且傳感器安裝困難，使電磁法在旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測的應(yīng)用中具有一定的局限性。

1.4存儲式扭矩監(jiān)測技術(shù)

存儲式監(jiān)測技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種較為新穎的監(jiān)測手段。其基本流程是將嵌入存儲器件的監(jiān)測裝置與被測部件有機的結(jié)合到一起，部件工作過程中，完成部件各狀態(tài)參數(shù)的測試，并將數(shù)據(jù)存入存儲器件。測試完成后，從存儲器件中將數(shù)據(jù)導入計算機進行分析處理。華北工學院利用存儲式扭矩測量方法完成了汽車發(fā)動機輸出軸實車扭矩的測試工作，發(fā)動機輸出軸附近電磁干擾強，說明存儲法具有安裝使用簡便和抗干擾性強的優(yōu)點[9]。但是存儲法不能實時觀察數(shù)據(jù)情況，且只能離線分析數(shù)據(jù)，并不能稱之為真正意義上的在線監(jiān)測，在使用中具有一定局限性。存儲式監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

圖5　存儲式扭矩測試系統(tǒng)工作原理

1.5基于無線電遙測的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，隨著無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電遙測開始出現(xiàn)在機械行業(yè)的各個領(lǐng)域。無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎峭ㄟ^調(diào)制后將被測信號附加在某種載波信號上形成調(diào)制波，并通過天線將調(diào)制波發(fā)送出去。接收端接收到調(diào)制波后經(jīng)過解調(diào)后將被測信號還原。依據(jù)載波頻率的不同，可以分為紅外通信和射頻通信。前者的載波頻率位于紅外IR波段，而后者則位于射頻RF波段。1994年，來自蘇州大學工學院的科研團隊利用無線電遙測技術(shù)，研制了微型遙測扭矩監(jiān)測系統(tǒng)。國外的Bently Nevad公司正在進行一種叫做Torximitor的非接觸扭矩傳感器，并利用其構(gòu)建非接觸式扭矩監(jiān)測與采集系統(tǒng)，該傳感器便是利用紅外發(fā)光二極管與光電晶體管完成數(shù)據(jù)通信。扭矩無線電遙測原理圖如圖6所示。

圖6　無線電遙測系統(tǒng)原理圖

紅外傳輸和射頻傳輸具有以下特點：

1)紅外傳輸沒有復雜的通信協(xié)議，傳輸速率快。且發(fā)射器一般采用發(fā)光二極管，接收器一般采用硅光二極管，成本低廉，器件尺寸小，方便安裝[10]。

2)紅外光與可見光波長相似，在傳播過程中同樣能夠發(fā)生發(fā)射和漫反射，同時與可見光一樣，紅外光不可以穿透墻壁，在一定程度上增加了紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

3)紅外光譜的波長范圍很寬，在世界范圍都通用，使用不會受到帶寬限制，具有相當大的傳輸速率。

同時，紅外數(shù)據(jù)傳輸也具有一些無法克服的缺點。首先，紅外光(780～950)nm對人的眼睛有灼傷作用，具有一定的安全隱患；其次，紅外光很容易受到環(huán)境光線(如太陽光)的影響，抗干擾性較差；同時，紅外數(shù)據(jù)傳輸功耗較大，在一些要求低功耗場合(例如電池供電或采用非接觸供電方式時)使用具有一定的局限。

射頻傳輸器件價格較為昂貴，使用過程比紅外傳輸復雜。其具有復雜的通信協(xié)議，雖然使數(shù)據(jù)帶寬受到一定限制，但復雜的校驗算法可以保證數(shù)據(jù)的準確性。同時，射頻傳輸不會受到距離和環(huán)境的限制，使用靈活方便。

1.6基于非接觸供電和無線遙測技術(shù)扭矩在線監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，非接觸供電技術(shù)不斷應(yīng)用到工程實踐當中，裝甲兵工程學院的丁闖等人將非接觸供電技術(shù)引入到旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測系統(tǒng)中，該供電平臺采用電磁感應(yīng)原理研發(fā)而成，通過初級和次級線圈的相互耦合，實現(xiàn)了非接觸的電能傳輸，為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸扭矩長期實時在線監(jiān)測提供了可能[11]，電磁感應(yīng)式非接觸供電平臺原理如圖7所示。

圖7　電磁感應(yīng)式非接觸供電平臺工作原理圖

監(jiān)測系統(tǒng)利用在旋轉(zhuǎn)軸上粘貼應(yīng)變片的方法完成應(yīng)變到電壓信號的轉(zhuǎn)變，后經(jīng)信號調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換后被單片機獲取，利用霍爾開關(guān)傳感器完成旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，應(yīng)變和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過射頻傳輸?shù)缴衔粰C的綜合監(jiān)測平臺上。所有軸上的測試設(shè)備的供電均由基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電平臺提供，整個監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖8所示。

圖8　旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.7基于微帶天線的能量傳輸技術(shù)的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)

圖9　微波輻射式非 接觸供電原理圖

北京科技大學的張雪松等人對基于無線能量傳輸?shù)呐ぞ乇O(jiān)測系統(tǒng)進行了研究。該系統(tǒng)通過分散式的微帶天線完成能量與信號的傳輸。該系統(tǒng)的基本原理是利用微波進行能量傳輸，功率源通過發(fā)射天線向外輻射微波，接收天線接收后經(jīng)過整流濾波為系統(tǒng)供電。微波輻射式非接觸供電原理如圖9所示。

圖10　基于微帶天線的扭矩 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用分散式天線進行能量傳輸，將裝有多個接收天線的受電環(huán)安裝在軸上隨軸一起轉(zhuǎn)動，將軸穿過由多個發(fā)射天線和功率源組成的供電環(huán)，并與軸上的受電環(huán)對齊，實現(xiàn)監(jiān)測電路的電能供給[12]。監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

分散式傳輸可以避免功率分配器工作時產(chǎn)生的大量損耗，分散式的天線同時降低了制造和安裝的難度，該方案為解決旋轉(zhuǎn)軸長期在線監(jiān)測所需電能的問題提供了新的思路和方法，但利用微波輻射完成非接觸供電的傳遞功率和效率還較低。

2結(jié)論

綜上所述，旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測技術(shù)仍然處于不斷發(fā)展之中，各種監(jiān)測技術(shù)都已在工程中應(yīng)用，但每種方案都有其固有的缺點使其在應(yīng)用中具有一定局限。本文主要研究多種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)，為裝甲裝備傳動軸狀態(tài)參數(shù)長期在線監(jiān)測技術(shù)的研究提供了參考。考慮到電磁感應(yīng)式和微波輻射式非接觸供電技術(shù)的供電效率和功率還比較低，筆者正在對電磁諧振式非接觸供電技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在裝甲裝備傳動軸在線監(jiān)測中的應(yīng)用進行研究，以期實現(xiàn)對傳動軸多參數(shù)、長時間的在線監(jiān)測。

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