基于扭矩無線遙測和虛擬儀器平臺的軸功率在線測量系統

高 峰 宋 榮

(溫州職業技術學院機械工程系)

基于扭矩無線遙測和虛擬儀器平臺的軸功率在線測量系統

高 峰 宋 榮

(溫州職業技術學院機械工程系)

介紹軸功率、轉速與扭矩的測量原理，運用扭矩無線遙測技術和數字信號分析處理方法，在虛擬儀器平臺上構建了一個軸功率在線測量系統，給出系統的總體結構、軟件功能和扭振應力計算與預警。實測結果表明：與水力測功器相比，兩者的軸功率相對誤差小于10%，驗證了該系統的準確性和可靠性。

軸功率在線測量系統 動態扭矩無線遙測 LabVIEW 扭振應力

旋轉軸的轉速、扭矩和功率是發動機與動力設備的重要參數，因此軸功率測量是石化、船舶、汽車等領域中一項不可缺少的工作。但是在工程實際中設備工作環境惡劣、空間有限、干擾因素多，要想準確測量旋轉軸功率是十分困難的[1]。近年來，扭矩無線遙測技術在軸功率測量中的應用越來越多，與傳統的集流環式測功儀和頻率式鋼弦測功儀相比，其占用空間小、安裝簡便、測量精度高，能夠滿足各種環境下的測量需求[2]。基于此，筆者利用虛擬儀器平臺(LabVIEW)的特點(面向對象易開發、第三方控件成熟及模塊化設計等)，設計了一個軸功率在線測量系統，通過對軸系轉速和扭矩進行實時采集和分析處理，實現軸功率與扭振應力的實時顯示、數據回放、應力預警及報表輸出等功能。

1 軸功率測量原理

對于以軸為輸出裝置的動力設備來說，軸功率Pe一般由轉速和扭矩計算得到，即：

Pe=Me·n/9550

(1)

式中Me——軸的輸出扭矩，N·m；

n——軸的轉速，r/min。

1.1 轉速測量

軸功率在線測量系統采用磁電式轉速傳感器將被測軸的轉速信號轉換為電脈沖信號，從而實現轉速測量。若在軸上均勻布置z個磁鋼，采集卡采樣頻率為fs，設在一段時間內檢測到m個峰值信號，中間共有k個采樣點，則該段時間內軸的平均轉速n為：

n=60fs(m-1)/(kz)

(2)

1.2 扭矩測量

軸在受到扭矩作用時，其截面上最大剪切應力發生在截面周邊各點，且與軸所傳遞的扭矩有如下關系[3]：

(3)

式中D——軸外徑，cm；

τmax——最大剪切應力，MPa。

對于一個幾何尺寸固定的轉軸來說，只要測得了剪切應力，就可以求得扭矩Me。

當被測軸系在運行過程中表面產生扭轉變形時，用粘結劑貼于軸系表面的電阻應變片也會產生變形，進而引起電阻應變片阻值變化(電阻變化率與平均應變呈正比關系)[4]。電阻式應變測量儀將應變片電阻值的變化轉換為電壓或電流信號，經放大后利用電子儀器進行測量。在此，筆者采用的是全橋應變花式應變片，其粘貼方式如圖1所示。

圖1 應變片電橋電路

其中，A、C為激勵輸入端，激勵電壓為VEXC；B、D端為輸出電壓Vout。當軸受到外力作用而發生扭轉變形時，電橋失去平衡，此時測量輸出端有電壓輸出：

Vout=VEXCKε

(4)

式中K——應變片靈敏系數；

ε——材料的平均應變。

2 動態扭矩無線遙測

目前，應用最多的扭矩測量方法為滑環式電阻應變儀和振弦式扭矩測量儀，然而這兩種儀表都對安裝空間要求較高，而且結構復雜，不適合高速軸的測量[5]。特別是滑環信號傳輸方式，信號極易受到干擾。因此，筆者采用KMT-Kraus Messtechnik GmbH無線遙測系統測量動態扭矩信號，其扭矩測量原理如圖2所示。

圖2 KMT系統扭矩測量原理

應變式編碼器固定在軸上，與全橋應變花通過導線相連，并為它提供24V直流激勵電壓，為纏繞在軸上的感應線圈提供脈沖編碼的調制信號。通過磁場將感應區域內的信號從線圈傳輸至感應探頭上，再通過線纜將扭矩信號送至解碼模塊，經調制解調處理后以±10V的形式輸出至采集設備。輸出電壓Vout與被測軸的扭矩Me成線性關系[6]：

(5)

式中d——軸內徑，mm；

E——軸材料的彈性模量；

Gain——遙測裝置的增益系數；

N——電橋橋臂數目；

μ——軸材料的泊松比。

由于扭矩信號調制后以數字信號形式傳輸，因此信號的抗干擾能力得到了提高，傳輸距離得以增長，使系統能夠進一步被優化。與此同時，由于采用非接觸式傳輸方式，安裝過程中無需對軸進行拆卸或改造，感應探頭與軸之間的最大感應距離可以達到30mm，降低了對安裝空間的要求。

3 軸功率在線測量系統

3.1 總體結構

筆者基于LabVIEW設計了一個軸功率在線測量系統，其結構如圖3所示。被測軸上分別安裝帶有齒輪的齒盤和應變無線遙測模塊(包括應變片、編碼模塊和感應線圈)，相應的磁電式轉速傳感器和應變接收探頭與之對齊并安裝在軸旁感應區域內。轉速和扭矩原始電壓信號經NI USB數據采集卡傳輸給PC機，完成數據處理分析、換算顯示、數據存儲及報表輸出等功能。

圖3 軸功率在線測量系統結構示意圖

3.2 軟件功能

系統主界面(圖4)主要由系統設置、數據采集、信號處理及泄漏診斷等功能模塊組成。用戶登錄系統后，需選擇測量模式(單軸測試、雙軸測試和多軸模式)并配置相關測試參數，如通道配置、齒盤齒數、軸外形參數、應變片參數及遙測裝置增益等，數據采集模塊完成對轉速和扭矩信號的采集，數據進入隊列并同步完成分析與處理，處理結果以圖表和數值形式實時顯示在界面右側。用戶也可以通過數據回放功能對保存在本地數據庫的歷史數據進行查看分析，報表輸出模塊則將測試結果以一定格式保存至文檔中供用戶打印輸出，扭振應力模塊完成軸所受剪切應力的實時計算和曲線顯示，并對超出許用剪切應力范圍的情況進行預警提示。

圖4 軸功率在線測量系統主界面

3.3 扭振應力計算與預警

扭振應力即軸在動態扭矩作用下，其表面微體中的最大剪切應力。根據材料力學原理，剪切應力τ的計算式為：

τ=Me/Wp

(6)

其中，Wp為僅與軸截面尺寸相關的抗扭截面系數[7]，其計算式為：

Wp=π(D4-d4)/16D

(7)

將式(7)代入式(6)，即可由扭矩計算得到扭振應力τ：

τ=16DMe/π(D4-d4)

(8)

根據材料力學原理，軸在扭轉變形時所受的剪切應力應小于材料的極限剪切應力，即：

τ≤τmax/n′

(9)

其中，n′為安全系數，一般取1.3～1.5。

測量旋轉軸的動態扭矩和扭振應力有助于實時了解軸系的受力狀態，對超過許用應力范圍的數據進行及時預警，防止可能出現的軸系故障。

4 應用實例

應用筆者設計的軸功率在線測量系統對濰柴4105型柴油機進行軸功率測試，并與水力測功器的測試結果進行對比。4105型柴油機的額定功率82kW，額定轉速2 200r/min，分別在0%、25%、50%、75%、90%負荷工況下進行測試，結果見表1。可以看出，系統測試精度較高、工作穩定，滿足高速軸的在線測試需求。由于無需在軸上加工滑環或應力間接測量裝置，使系統在狹小空間和復雜環境下也具有較好的適用性。

表1 軸功率測試結果

5 結束語

筆者基于扭矩無線遙測和LabVIEW開發的軸功率在線測量系統，能夠實時顯示測試軸的轉速、扭矩、功率和扭振應力，實現數據采集、處理分析、歷史數據回放及報表輸出等功能，增加了功率測試的實時性，人機交互友好。系統使用的扭矩無線遙測技術克服了傳統扭矩測量的難點，既屬于應變直接測量，測試精度高，又能將扭矩信號簡便而準確地傳輸出來，抗干擾能力強。而且，遙測裝置結構簡單、使用方便，能夠滿足各種軸徑和復雜環境的測試需求。

[1] 惲秋琴,胡瓊,陳文煒.SK-01型船用柴油機軸功率遙測系統[J].中國造船,2010,51(2):126～131.

[2] 王巖,儲江偉.扭矩測量方法現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備,2010,38(11):14～18.

[3] 李舜杰,劉東風.艦船軸功率測量與應用研究[J].中國修船,2010,23(5):14～16.

[4] 朱英敏,藍軍,張殿昌,等.應力應變電測技術在內燃機測量中的應用[J].儀表技術與傳感器,1997,(5):29～31.

[5] 馬龍龍.應變式傳動軸功率測試系統設計與研究[D].太原:中北大學,2011.

[6] 甘少煒,范世東,周剛.船舶柴油機軸功率測量系統的設計與實現[J].船海工程,2006,35(1):25～27.

[7] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2004.

On-lineShaftPowerMeasuringSystemBasedonTorqueWirelessTelemetryandVirtualInstrumentPlatform

GAO Feng, SONG Rong

(DepartmentofMechanicalEngineering,WenzhouVocationalandTechnicalCollege)

The principle of measurement of the shaft power, rotational speed and the torque were introduced; having the torque wireless telemetry and the digital signal processing approach applied to construct a online shaft power measuring system at the virtual instrument platform was implemented, including presenting of the system’s structure, software functions and torsional vibration’s stress calculation and early warning. The measurement results show that, as compared to the hydraulic power meter, their shaft power’s relative error is less than 10% and thus, this system’s accuracy and reliability is verified.

online shaft power measuring system, dynamic torque wireless telemetry, LabVIEW, torsional vibration stress

TH865

B

1000-3932(2017)01-0059-04

高峰(1989-)，助教，從事機電一體化方面的研究工作，gaofeng_wvtc@126.com。

2016-07-31)