旋轉機械扭矩在線監測系統淺析

張德智 葛燕飛 黃顯貴

(泰爾重工股份有限公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

1 前言

扭矩值是旋轉機械動力傳遞過程的重要核心參數，也是反映動力設備現場傳動工況的重要標志性參數，現場在線監測扭矩信號值對于驗證設備工況系數及旋轉機械的實際負荷具有非常重要的實際意義，也是對現場旋轉設備運行健康狀況監測的有效手段,通過長期監測還能提供故障預測及診斷的數據支撐。某些重要的動力傳動核心設備使用場合當傳動軸出現非正常壽命降低時往往會從兩個方面去分析：一是加載在傳動軸上載荷的歷史數據分析；二是對傳動軸本身質量進行分析。傳動軸的在線監測系統即應用于第一方面。針對旋轉機械并考慮惡劣工況和環境下長期監測的可靠性，市場需要一種成熟可靠的在線監測產品系統能夠長期的監測設備的重要物理參數(扭矩就是其中之一)。這種產品重點包括扭矩傳感器模塊，無線信號傳輸模塊，無線感應供電模塊等。

2 應變扭矩測量原理

應變式扭矩傳感器應用廣泛，其具有足夠的靈敏度和剛度、動特性好且結構簡單，測量精度高[1]。應變片的轉換原理基于應變效應，應變效應是指金屬絲的電阻值隨其變形而發生改變的一種物理現象。當金屬絲受力變形長度和橫截面積改變，其阻值也發生改變，從而引起電壓值變化[1]。

先從基礎原理上來分析應變扭矩測量原理，討論最簡單的受力情況：彈性軸受純扭矩作用。由材料力學知，如圖1，當受扭矩Mn作用時，圓軸表面有最大剪應力τmax，軸表面的單元體為純剪應力狀態，在與軸線成45度的方向上有最大正應力б1和б3，其值為|б1|=|б3|=τmax，相應的應變為ε1和ε3，有關系：ε1=ε3，但是方向相反。由此可知：當測得相對應的應變值后，便可計算出τmax。

圖1 彈性圓軸扭轉時的應力狀態圖

由上述關系，若測得沿45°方向的主應變ε1，則相應的剪應力推導如下：

(注意：ε1值由б1和б3共同貢獻)

(1)

式中：τmax—軸上最大剪應力，GPa；

E—材料的彈性模量，GPa；

μ—材料的泊松比；

ε1—軸上測得的主應變。

于是，軸的扭矩計算公式為:

(2)

式中：T—軸的扭矩，N·m；

Wn—材料的抗扭截面模量，mm3；

E—材料的彈性模量,GPa；

μ—材料的泊松比；

ε1—軸上測得的主應變。

對于實心圓軸，材料的抗扭截面模量為：

(3)

對于空心圓軸，材料的抗扭截面模量為：

(4)

式中：D—為圓軸的外徑，mm；

d—圓軸的內徑，mm。

測量應變時需注意：電阻應變計須沿主應變ε1及ε3的方向(與軸線成45°及135°夾角)。

應變計的布置及組橋方式，應考慮靈敏度、溫度補償及抵消拉、壓及彎曲等非測量因素干擾的要求。

綜合(2)(4)，可求得應變扭矩轉換系數Ф，公式應為：

(5)

于是，軸的最終扭矩計算公式為:

T=φ·ε

(6)

式中：T—軸的扭矩，N·m；

Ф—應變扭矩轉換系數，N·m/微應變(10-6)；

D—圓軸外徑，mm；

d—圓軸內徑，mm；

E—彈性模量，GPa；

μ—泊松比；

ε—測得的微應變。

以上是由應變片測得的應變值計算扭矩值的原理介紹；關于應變片還有幾點要說明：

1)正確粘貼應變片是保證扭矩測量的關鍵步驟，不合適的粘貼將引起零飄，蠕變等問題，為了減小電流消耗，推薦使用350歐姆或更大阻值應變片；可用數字萬用表電阻檔在粘貼前對同一批應變片進行測量，將350±2歐姆范圍內的選出待用。

2)推薦使用專用扭矩測量應變片(45°)組成全橋進行扭矩測量，可以使用單片半橋應變片，上下對稱沿軸向貼片，組成全橋[2]，該貼法具有消除彎曲影響的優點。單片全橋雖然粘貼方便但是不能消除彎曲影響。

3)軸上貼應變片并通過應變片測量扭矩是傳統的測量方式，也是目前最成熟最經濟的測量扭矩的方法，缺點是把應變片直接粘貼到軸上工藝要求比較高、停機安裝時間長，對安裝環境、貼片人員技能要求較高，某些現場安裝會無法標定校準。

3 測控系統與無線信號傳輸

測控系統包括硬件系統和軟件系統，其中硬件系統要有優良的穩定型、可靠性以及抗干擾性；軟件系統開發平臺可以是C++，也可以是專業的測控系統開發平臺(LabVIEW)，對工程人員來說建議選擇開發效率更高的美國NI公司的LabVIEW平臺。與傳統的測量儀器相比,美國NI公司的硬件可靠性較高，非常適合高干擾的測試場合，NI公司與硬件相匹配的LabVIEW軟件系統是虛擬儀器平臺,采用圖形化界面來構建開發環境,不僅解決了傳統系統開發成本高、測試效率低、開發時間長等問題,還具備運程操控、界面友好、移植性強等優點[3]。

對于旋轉機械，一般不能采用有線方式測量，需要采用無線方式：無線節點+無線網關。如圖2所示。

圖2 無線測量系統布置簡圖

關于信號無線采集幾種短距離無線數據傳輸協議有：ZigBee，Bluetooh，802.11系列(wifi)，紅外，RFID。表1是幾種短距離無線數據傳輸方式的技術參數對比。

表1 短距離無線傳輸的技術參數對比

考慮到數據傳輸的穩定性和傳輸距離，還要考慮對多個傳感器的信息進行采集的需要，一般采用ZigBee搭建無線傳感器網絡或通過wifi將數據直接傳送到網關或相應的接收機(計算機)。無線協議間的權衡往往取決于帶寬、覆蓋范圍及功率。Wi-Fi具有帶寬的優勢，ZigBee在長距離覆蓋及低功率等特性上具有優勢。ZigBee由于支持網狀網絡拓撲，所以具有更大的網絡靈活性，可以以最短的路徑將數據包從端節點路由至網關。

4 扭矩間接測量

考慮到應變片現場貼片無法標定校準以及安裝困難，使用壽命不長的這些缺點，為了能夠長期監測扭矩同時也保證測量的準確性和穩定性，結合動力設備能量輸出源的一些特點，可以通過對二次信息(電能信息)的監測，建立力能參數的數學關系模型。采用簡單易測的電能參數來計算輸出扭矩，以達到間接監測扭矩，并對力能參數進行在線監測的目的。這種方法適用于電機驅動類型，間接監測的具體方法如下：

(1)先利用扭矩測量系統(應變片)測量其扭矩。同時，測量其驅動電機(主電機)的電參數(電流、電壓、計算功率)。

(2)利用主傳動系統的動力傳遞特性，將同步測量到的扭矩與電參數之間建立數學模型。

(3)利用已建立的數學模型，將直接測量的電參數轉換為扭矩。

上述原理，應用數學理論中的回歸分析的方法，建立主電機的電參數與力能參數之間的數學模型。即以最小二乘法為理論基礎，通過一段時間監測所采集的扭矩、電壓、電流實測數據，建立扭矩和多個電參數之間的回歸方程。然后利用建立的數學模型來計算扭矩，從而實現扭矩長期在線監測的目的。

5 感應供電系統

旋轉機械上的傳感器及無線采集節點供電必須采用無線方式，目前主流無線供電方式有4種，主要技術對比優劣如表2所示。

表2 無線充電技術的對比分析

這幾種無線供電方式工作原理、傳輸功率大小、傳輸距離、充電效率和適用條件相差很大。科研人員在開發時，必須根據產品的具體工作條件和具體工作環境等進行分析，選擇適合的可靠、高效、低成本的無線傳輸產品。

目前適合旋轉機械扭矩應變測量的最成熟的為電磁感應供電方式，它是利用電磁感應原理通過非接觸的耦合方式進行電能傳遞的。

依據法拉第電磁感應定律：當發射線圈通過交變的電流產生交變電場，交變電場通過發射線圈將產生變化的磁場，變化的磁場對接收端線圈的磁耦合作用使得接收線圈將產生電場，因而在接收端線圈端閉合后將會產生電流。已有公司(如：德國Manner公司)的產品是將無線供電模塊和無線信號發送模塊集成在一起，如圖3所示。

無線電磁感應供電的關鍵性技術一般包括：接受圈與發射圈之間的耦合間隙設計；接受圈與發射圈之間的耦合電感系數調整；接受圈與發射圈的安裝位置及結構設計[4]；考慮到旋轉機械設備都是金屬導磁體，還要考慮隔磁材料及結構的應用。

圖3 無線信號發送及感應供電模塊(德國Manner公司)

目前關于無線感應供電方面仍面臨著許多問題，國內感應供電廠家大多是近幾年才興起，基本是針對辦公設備、智能家居、新能源汽車的無線供電，無線供電在工業領域成熟的產品很少，且國內關于感應供電的標準和技術也沒有歐盟和美國等一些國外公司的成熟。

6 結論

旋轉機械扭矩測量是一個長期課題，特別對動力傳遞設備行業有著重要的意義，本文所論述的系統技術構架主要針對于人難以觸及或現場難以布線或涉及重要旋轉機械設備資產安全的監測場合，這些也是市場需求最迫切的場合。在技術日新月異的當前，利用最新的軟硬件技術包括快速發展的各種無線技術，工程人員可利用各種成熟模塊設計出適合用于各種旋轉機械設備長期在線監測的產品，但市場上還缺乏成熟可靠的商業化產品。縱觀前人的各項研究，難以從經濟性，科學性，穩定可靠性、準確性，易實施性上統一兼顧，公司作為動力傳動行業領軍企業本著行業使命與責任投入大量資金自建扭矩試驗臺系統[5]對此課題進行了多年研究，目前，研究團隊積累了大量對傳動軸扭矩在線監測系統的研究經驗及現場實施經驗，本文希望能拋磚引玉，吸引更多的科研單位及工程技術研究人員關注此問題，并提出切實可行的工程技術解決方案，讓旋轉機械扭矩在線監測技術能夠得到持續有效的發展。