一種同步軸健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

王小東，葉曉慧，魏 來，熊 波

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢　430000）

一種同步軸健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

王小東，葉曉慧，魏 來，熊 波

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢430000）

針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題，提出了一種靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量裝置，該裝置將靜動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)通過集流環(huán)裝置傳遞到振蕩器，運(yùn)用頻率調(diào)制的原理轉(zhuǎn)換成與應(yīng)變值成正比的頻率信號(hào)，從發(fā)送線圈送到接收線圈，經(jīng)過解調(diào)器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，后送到上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算得出扭矩信號(hào)，并記錄和顯示。以某裝備同步軸為例，結(jié)合故障產(chǎn)生因素，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

同步軸；旋轉(zhuǎn)軸；扭矩；靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量；集流環(huán)

旋轉(zhuǎn)軸系是機(jī)械設(shè)備中的一種關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛及發(fā)電機(jī)組等裝備的傳動(dòng)裝置。在承受足夠多次的載荷作用之后，由于疲勞、蠕變和應(yīng)力腐蝕等原因，此類裝置易從高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部開始形成裂紋現(xiàn)象，并在擾動(dòng)載荷作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至到達(dá)臨界尺寸而發(fā)生完全斷裂。疲勞斷裂是旋轉(zhuǎn)軸常見的失效形式之一，由此導(dǎo)致的斷軸事故危害極大，帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失以及造成重大人員傷亡的事件也時(shí)有發(fā)生。如1985年山西大同第二電廠200 MW的2號(hào)機(jī)組發(fā)生軸系運(yùn)行超速，進(jìn)而引發(fā)軸系斷裂，造成機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 400萬元；1988年秦嶺電廠5號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行超速試驗(yàn)過程中先后發(fā)生軸系斷裂災(zāi)難性事故，造成經(jīng)濟(jì)損失3 000萬元；2002年三峽帶機(jī)斷裂事故造成了3人死亡20多人受傷的嚴(yán)重后果。可見，旋轉(zhuǎn)軸系健康狀態(tài)直接影響到整臺(tái)設(shè)備的可靠性和安全性，因此加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸系健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)故障缺陷的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷，做到預(yù)防維修有重大的意義。

同步軸是旋轉(zhuǎn)軸系的一種形式，文中以某裝備同步軸為例開展基于旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的受力分析研究，采用一種靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量方法，通過測(cè)量其工作狀態(tài)下的扭矩?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同步軸扭轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)下應(yīng)變情況，從而實(shí)現(xiàn)同步軸的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障識(shí)別預(yù)報(bào)，指導(dǎo)維修保障人員能夠預(yù)先做出分析和判斷，做到預(yù)防維修。

1　同步軸故障產(chǎn)生因素分析

同步軸工作時(shí)不僅受到力傳遞的扭矩作用，自重引起的彎曲變形，而且還受到安裝、振動(dòng)等引起的附加應(yīng)力的周期作用，以及腐蝕、磨損等都會(huì)影響其壽命。

1.1結(jié)構(gòu)因素

同步軸安裝于滑動(dòng)軸承座內(nèi)，與左右同步曲柄、左右釋放曲柄均采用花鍵連接，其主要作用是將同步曲柄的動(dòng)作傳遞給釋放曲柄使其同步升起或釋放［1］。其斷裂模式一般是在長(zhǎng)期載荷作用下產(chǎn)生的疲勞破壞，大都發(fā)生在桿部與花鍵過渡處，由于應(yīng)力集中最大，疲勞源往往是在此處很小部位萌生繼而擴(kuò)展。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，同步軸斷裂主要有3種斷口類型，正斷型、徑向剪斷型、軸向剪斷型。其中軸向剪斷型破壞率最大。其主要特點(diǎn)是裂紋在過渡處形成后，直接沿軸向切應(yīng)力方向擴(kuò)展直至失穩(wěn)區(qū)［2］，如圖1所示。

圖1　軸向剪斷型斷口

1.2材料及加工工藝因素

同步軸所用的材料要求是：具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及一定的沖擊韌性。分析同步軸斷裂特點(diǎn)：由于晶界脆化導(dǎo)致裂紋萌生，后疲勞斷口正應(yīng)力擴(kuò)展區(qū)呈沿晶開裂。這是因?yàn)楹辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼回火時(shí)緩慢冷卻，銻、錫、磷等脆性雜質(zhì)向原奧氏體晶界偏聚，造成雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出鋼中平均濃度。導(dǎo)致晶界的斷裂韌度降低。為了消除由于這種脆性引發(fā)裂紋的不利因素，在其制造過程中應(yīng)加快回火時(shí)冷卻速度，提高同步軸使用壽命［3］。

此外由于疲勞裂紋通常從表面產(chǎn)生，軸的表面狀態(tài)，諸如刀痕、磨痕、脫碳及表面局部氧化等，都將使軸的表面質(zhì)量降低，這些位置往往就是疲勞源萌生地。由于表面缺陷而引起的早期失效，在軸系斷裂的幾率中占的比例是較大的。因此要加強(qiáng)軸系早期健康監(jiān)控，方法有［4］：1）采用噴丸處理使軸表面硬化；2）采用滾壓處理，滾壓花鍵槽、桿部以及扭桿與花鍵的過度部位。

1.3安裝因素

同步軸安裝不良將導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生不平衡力矩，當(dāng)載荷逐漸加大時(shí)激起周期振動(dòng)，振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的破壞力是巨大的。因此同步軸在安裝、使用和維修過程中，一定要避免產(chǎn)生不平衡、不對(duì)中等情況，還應(yīng)當(dāng)防止由于人為因素?fù)p傷表面，同時(shí)確保運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)花鍵完全嚙合，防止在嚙合處造成過大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致扭力軸早期失效的情況發(fā)生。

2　靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量裝置

此裝置的工作原理是：將靜動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)通過集流環(huán)裝置傳遞到振蕩器，運(yùn)用頻率調(diào)制的原理轉(zhuǎn)換成與應(yīng)變值成正比的頻率信號(hào)，從發(fā)送線圈送到接收線圈，經(jīng)過解調(diào)器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，后送到上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算得出扭矩信號(hào)，并記錄和顯示，如圖2所示。

圖2　靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量裝置原理框

2.1信號(hào)采集

靜動(dòng)態(tài)扭矩傳感器［5］（如圖3）的主要結(jié)構(gòu)原理是:同步軸的一端通過固定不動(dòng)的圓管形傳感器與變速箱輸出端及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連成一體，而圓管形傳感器的一端與變速箱、步進(jìn)電機(jī)的外殼（定子）連成一體，另一端由圓管形傳感器端部的法蘭固定。在固定不動(dòng)的圓管形傳感器上貼有應(yīng)變片，當(dāng)圓管形扭矩傳感器內(nèi)的同步軸加載扭矩載荷時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子必然產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的反作用力給變速箱或步進(jìn)電機(jī)的定子 （外殼）上，變速箱或步進(jìn)電機(jī)的定子再將這個(gè)力給扭矩傳感器，使圓管形扭矩傳感器的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變信號(hào)。

圖3　靜動(dòng)態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2信號(hào)傳遞

集流環(huán)［5-6］是旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量的一個(gè)很重要的傳遞信號(hào)裝置，它可以將傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)軸應(yīng)變信號(hào)以電壓信號(hào)的形式傳遞出去，按其工作原理劃分，常見的集流環(huán)有以下幾種：

1）電刷式集流環(huán)

電刷式集流環(huán)的轉(zhuǎn)子采用Ag-Ni合金的滑環(huán)，將其固定在在旋轉(zhuǎn)軸上并用絕緣材料隔開，定子是裝有壓緊彈簧的銀石墨電刷。測(cè)量時(shí)，應(yīng)變片和轉(zhuǎn)子連接，測(cè)試電路與定子連接，通過電刷與滑環(huán)的緊密貼合進(jìn)行信號(hào)的傳遞。電刷式集流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但其接觸電阻較大且不穩(wěn)定，并且定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移，從而出現(xiàn)測(cè)量誤差。通常通過增加電刷數(shù)目，調(diào)整電刷與滑環(huán)的接觸壓力，正確選取滑環(huán)材料等方法可以降低其接觸電阻。

2）感應(yīng)式集流環(huán)

感應(yīng)式集流環(huán)是利用電磁感應(yīng)的原理將電信號(hào)從旋轉(zhuǎn)部分傳遞出去。由于沒有接觸點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了無接觸信號(hào)傳遞，因此又稱為無觸點(diǎn)式集流環(huán)。最大的優(yōu)點(diǎn)是消除了接觸電阻，避免了摩擦升溫產(chǎn)生的熱電勢(shì)。但工作時(shí)其動(dòng)靜線圈之間的間隙變化會(huì)引起磁阻的變化，從而影響測(cè)量結(jié)果，且測(cè)量電橋靠變壓器供電，傳遞效率很低，容易引起信號(hào)失真。因此這種集流環(huán)不能用于直流供橋的測(cè)試系統(tǒng)，而且不能對(duì)高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行測(cè)量。

3）水銀式集流環(huán)

水銀式集流環(huán)是利用水銀的導(dǎo)電性能，作為傳輸介質(zhì)而起到引電作用。其優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻小且穩(wěn)定，能適應(yīng)一般測(cè)量要求。缺點(diǎn)是水銀有毒，密封存在技術(shù)上的難題。受熱后不斷蒸發(fā)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生較大危害，因此不適用于高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)扭矩測(cè)量。且水銀有較大的浸蝕作用，容易造成接觸不良等現(xiàn)象。

2.3信號(hào)處理

2.3.1同步軸受力分析

隨著載荷不斷增大，同步軸逐漸加載，根據(jù)材料力學(xué)原理，可計(jì)算出扭角隨加載扭矩成比例線性增長(zhǎng)［5］（如圖4所示）：

式中T為扭矩，L為同步軸的工作長(zhǎng)度，d為同步軸直徑，G為同步軸材料的切變彈性模量，τ為剪切應(yīng)力。

圖4　同步軸受力狀態(tài)

一般來講，與同步軸表面母線成45°和135°夾角的螺旋線是其主應(yīng)力線，在主應(yīng)力線上的拉伸主應(yīng)力σmax和壓縮主應(yīng)力σmix在數(shù)值上與扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τ相等，即σmax=τ，σmix=-τ。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系有

式中E為材料的彈性模量，μ為材料的泊松系數(shù)。

2.3.2扭矩計(jì)算

式中T為扭矩，L為同步軸的工作長(zhǎng)度，d為同步軸直徑，G為同步軸材料的切變彈性模量，ε45°為同步軸應(yīng)變量。

由式（4）可以計(jì)算出不同扭矩下的應(yīng)變量。

3　實(shí)例分析

文中介紹的同步軸（如圖5所示）是材料為40 Cr合金鋼（常溫下，切變彈性模量G=80 800 Mpa），長(zhǎng)度為6 310 mm的實(shí)心軸，重1.5 t，最大直徑處（花鍵部分）216 mm，其它部分直徑190 mm。其中部以花鍵形式與兩個(gè)同步曲柄相連接，兩端則以同樣的花鍵形式與左右側(cè)的釋放曲柄相連接。6個(gè)曲柄在以同步軸為中心的圓周上的安裝部位是一致的。該同步軸的主要功能是實(shí)現(xiàn)左右釋放曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械同步［1］。

圖5　同步軸結(jié)構(gòu)圖

同步軸應(yīng)變與所承受扭矩呈線性關(guān)系如圖6所示。

結(jié)合40 Cr合金鋼的S-N曲線（圖7）可知，該同步軸允許承受的最大扭矩為48 534.27 N/m2。

圖6　應(yīng)變與扭矩關(guān)系圖

圖7　合金鋼的S-N曲線

因此，采用靜動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量裝置對(duì)同步軸扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)便能達(dá)到監(jiān)控其應(yīng)變的目的，從而能夠?qū)ζ浣】禒顩r做出判斷，以便于維修人員及時(shí)采取相應(yīng)的維修措施。

4　結(jié)束語

扭矩信號(hào)是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全與優(yōu)化控制和故障識(shí)別預(yù)報(bào)的主要信息源，加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸系的扭矩測(cè)量是對(duì)其進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段。目前的測(cè)量方法有磁彈性式扭矩測(cè)量法、振弦式扭矩測(cè)量法、光電式扭矩測(cè)量法、電容式扭矩測(cè)量法等。文中提出的動(dòng)靜態(tài)扭矩測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠，尤其適用于復(fù)雜的工作環(huán)境。采用收發(fā)線圈這樣的無線傳輸方式，解決了有線傳輸存在的布線困難、擴(kuò)展性差等一系列問題。隨著被測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜化和自動(dòng)化程度不斷提高，扭矩測(cè)量方法也在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

［1］邱旭.飛機(jī)止動(dòng)裝置［M］.海潮出版社，2012.

［2］陳繼增，李惠英，郭秀文.履帶車輛扭力軸早期失效分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，1985（4）:51-57.

［3］欒復(fù)信.響扭力軸疲勞壽命的主要因素［J］.兵器材料科學(xué)與工程，1986（4）:57-60.

［4］李輝，王佰超，張大舜，等.扭力軸疲勞壽命影響因素分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010（1）:57-59.

［5］張家全.靜動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的設(shè)計(jì)方案 ［C］//中國(guó)電子學(xué)會(huì)力敏專業(yè)論文集，2000:69-73.

［6］曾國(guó)華.旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量方法研究［J］.械加工與自動(dòng)化，2002（7）:26-27.

Design of a monitoring device for synchronous axis health

WANG Xiao-dong，YE Xiao-hui，WEI Lai，XIONG Bo
（School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430000，China）

In allusion to the problem of monitoring the health state of the rotating shaft under the rotation state，proposed a health monitoring device named Static and Dynamic Torque Measurement.The device transmitted the strain signal collected by the static and dynamic torque sensor to the oscillator through collector ring.Based on the frequency modulation principle，the strain signal is converted into frequency signal which is proportional to the strain.Then the frequency signal is transferred from the sending coil to the receiving coil and converted into voltage signal through the demodulator.Finally the torque signal is calculated，recorded and displayed by PC.Took the synchronous axis of some equipment as an example，the experimental verification is carried out with the factor of the failure of synchronous shaft.，the device has the advantages of simple structure，high measuring accuracy，stable and reliable performance.

synchronous axis；rotating shaf；torque；static and dynamic torque measurement；collector ring

TN98

A

1674-6236（2016）14-0116-03

2015-07-24稿件編號(hào)：201507160

武器裝備預(yù)研基金（9140A27020314JB11001）

王小東（1985—），男，山西介休人，碩士。研究方向：綜合測(cè)試與故障診斷。