軸系應變測試系統實驗研究

幸文婷，戴勇峰，朱赤，蘭秋華，葉曉明，成曉北

（華中科技大學 能源與動力工程實驗教學中心，湖北武漢，430074）

0 引言

外界對構件的作用力稱為外力（荷載）[1,2]．實際桿件受力是多種多樣的，但都可以歸納為以下四種基本受力和變形形式：軸向拉伸（或壓縮）、剪切、扭轉和彎曲，以及由其中兩種或兩種以上基本受力和變形形式疊加而成的組合受力與變形形式。對于旋轉軸，軸系在拉力F以及力偶M作用下會產生拉伸扭轉組合變形，應力值最大的點在軸的表面[3,4,5]，因此需要測量軸系的最大應力。

目前軸系應力的測量方案主要有兩種：一是在傳動軸中間增加一個荷載傳感器，通過荷載傳感器獲得軸向力數據。這種方式的缺點是需要改變原有的軸系結構，對原有的軸系結構造成破壞。

二是采用電阻應變測量技術[6,7]，是利用電阻應變片測定構件表面的應變，再根據應力、應變關系式確定構件表面的應力狀態。此方案采用電阻應變法測量應力和應變，需掌握粘貼應變片、連線、電橋平衡、數據處理等方面的知識和技能[8,9,10,11]。這種方案早期的方法是通過滑環將軸上應變信號傳出來，由放置在固定位置的應變儀進行分析和處理。其優點是不改變原有的軸系結構，缺點是滑環本身會產生很大的噪聲，同時滑環的安裝也非常不方便。

最新的軸系應變測試系統采用無線傳輸方式，將應變數據采集系統集成到只有火柴盒大小，并固定在軸上。微型應變采集器通過無線方式與外部控制單元通訊，并可由外部主機進行控制。微型應變采集器的供電方式可以采用電池、滑環和無線供電等方式．一節9伏的電池可以保證無線采集器連續工作8小時。

1 軸系應變測試系統

本系統采用先進的無線傳感器網絡方式通訊體系結構，改變了傳統的有限測控模式，實現了無線發射節點與接收終端之間多站點、全數字化及雙向通訊．該系統除了能測量軸向力外，還能測量軸的扭矩以及軸功率。系統整體框架見圖1。

圖1 旋轉軸軸向力和軸扭矩、軸功率無線檢測系統圖

該系統主要由以下三級結構組成，易維護且運行穩定可靠。

第一級：終端機（計算機或手持式接收終端），為安裝有檢測軟件的檢測終端。

第二級：網關。無線接收網關實現了一個接收裝置對應多個無限發射裝置的功能，可實時傳送測試指令到前端無線發射機，同時將各個無線發射機的測試數據接收傳送到發射機內部。

第三級：傳感器網絡。傳感器網絡由各個無線節點等根據需要布置測點。無線節點與無線網關之間通過無線傳感器網絡雙工通訊，同時測出應變和轉速。

2 軸系應變測試系統原理

2.1 軸向力測量原理

軸向力測量的應變片貼片方法見圖2，采用全橋布置方式。軸正面和背面各貼橫豎布置的應變花，軸向應變片用來測量軸向力，周向應變片用來做溫度補償。

圖2 軸向力應變片粘貼圖

根據胡克定律，應力與應變成正比：

其中σ為軸的應力，E為彈性模量，ε為軸的應變。通過應變片測量軸向的應變，進而算出軸向應力。

2.2 扭矩測量原理

測量扭矩采用應變式電測法，將應變片直接粘貼在傳動軸的表面上，組成測量電橋，見圖3。測量時應變片沿與軸線成45°的方向粘貼，也可以使用扭矩測量角45°專用應變片。

圖3 扭矩應變片粘貼圖

根據扭矩計算公式：

其中T為傳動軸的扭矩，τmax為軸截面上最大切應力值，Wp為扭轉截面系數（抗扭模量）。

當軸受到扭矩作用時，在橫截面周邊各點處，有最大切應力τmax，軸表面的單元體為純剪切應力狀態，在與軸線成45°的方向上有最大正應力：

測出相應的應變ε1和ε2，即可算出最大切應力τmax和扭矩T。

本系統采用采集控制軟件BeeData自帶的應變扭矩計算工具，直接計算出扭矩值。

2.3 軸功率測量原理

軸功率的測量按下述公式計算：

其中P為軸所傳遞的功率，n為轉速，M0為作用在軸上的扭力矩。根據力矩平衡，有：

因此測出來傳動軸的扭矩T，也就測出了作用在軸上的扭力矩M0，也就測出了軸功率P。

3 測試設備

本系統的測試設備有：無線扭矩傳感器，應變片及磁條。

3.1 無線扭矩-轉速傳感器

本系統采用無線扭矩節點TQ201H，該扭矩-轉速傳感器主要有應變測量電路、數據處理單元、轉速測量單元、無線通訊單元和電源單元組成，見圖4。其中，實線框內是本傳感器組成部分，虛線框內應變片是敏感元件，通過引線與無線扭矩-轉速傳感器的應變測量電路連接。虛線框內的磁條放置在相對無線扭矩-轉速傳感器不動的位置，且靠近轉速測量單元．

圖4 無線扭矩-轉速傳感器組成圖

3.1.1 應變測量電路

應變片和無線扭矩-轉速傳感器一起固定在旋轉軸上，在傳動軸上粘貼專用的測扭應片并組成應變橋路，即為基礎扭矩傳感器。向應變橋路提供穩壓電源作為激勵源，當軸發生轉動時，應變橋路電阻值發生變化，阻值變化導致測試端電壓變化，數據采集電路采集測試端的電壓信號。

3.1.2 轉速測量單元

由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至數據處理單元的計數器進行計數，測出電動機的實際轉速。將一塊永久磁鋼固定在傳動軸旁，在傳動軸上固定本扭矩-轉速傳感器，將帶霍爾元件的一端靠近永久磁鐵端，軸旋轉時，磁鐵通過霍爾傳感器位置時，霍爾元件受到磁鋼所產生的磁場影響，傳感器輸出一個峰值為20mV的脈沖電壓，該電壓經運算放大器放大后驅動半導體三級管，使之完成導通、截止過程。將數據處理單元接于半導體三極管輸出端進行計數。

3.1.3 無線通信單元

本無線通信單元采用BS903無線接收網關，該無線網關采用802.15.4協議進行數據的無線傳輸，將測得的應變及轉速值發送到上位機數據測試系統，同時還可根據主機下方的指令和參數對模塊進行配置。

3.2 應變片

正確粘貼應變片是保證扭矩準備測量的關鍵步驟，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．

3.2.1 組橋方式

推薦使用專用扭矩測量應變片（45°角）組成全橋進行扭矩測量．可以采用單片半橋應變片，上下對稱沿軸向貼片，組成全橋，該貼法具有消除彎曲影響的優點；也可以采用單片全橋應變片，該貼法具有粘貼方便的優點，但是應變片成本較高，而且不能消除彎曲影響。

3.2.2 電阻應變片的選擇

傳統應變片靈敏度數K一般在2.0左右，經過調研，本測試系統采用一種高靈敏度的半導體應變片，型號為：KSP-2-120-E3。

3.2.3 連接扭矩節點

將應變片引線連接到扭矩連接到測量節點TQ201H的相應接線柱，使用3M專用膠帶（轉速低時，可以使用結實的透明膠帶替代），將9V電池及扭矩節點對稱捆綁在軸上，務必保證軸旋轉時，膠帶足夠結實，電池及節點不會因為離心力甩出。

3.3 測試系統的整體連接

（1）在WINDOWS系統下，安裝采集控制軟件BeeData。

（2）將無線接收網關BS903直接或通過配套電纜插入計算機USB接口.為了提高通訊質量和距離，建議使用配套電纜連接到計算機，并將網關置于沒有遮擋的地方。

（3）對于無線扭矩節點TQ201H，需參照該節點型號說明書，選擇需要的橋路正確連接，粘貼應變片，焊死接線端子；信號電纜接頭與對應的扭矩節點通道相連，擰緊或卡死。

（4）依次打開所有節點電源，等待數秒，扭矩節點將自動尋找中心網關或路由節點并加入網絡。

（5）采集記錄：測試過程中的按鍵順序見圖5。

圖5 測試過程中的按鍵順序

正確連接完成之后，開始進行采集，檢查應變片粘貼及接線。在正常情況下，采集1-5分鐘之后進行清零。在不加載的情況下，應變值應恒定為零（或非常小范圍內波動，波動范圍不大于2微應變）。如果在清零前，應變初始測量值大于650微應變（全橋），則超過了標準的測量范圍，很有可能是接線、短路

或軟件設置問題。如果清零后，應變值波動較大，或者持續增加（減小），需檢查連線或重新貼片。

4 無線應變采集系統測試

為了檢測該測試系統的質量，我們在測試軸上貼好了應變片，見圖6。然后拿到學校力學試驗室的壓力機上檢查傳感器質量，測試結果顯示該系統穩定可靠。

圖6 在軸上貼好的應變片

為了定量的確定系統精度，我們又將該系統送至第三方機構進行了扭矩和壓力標定。扭矩標定臺采用的是純機械方法，單邊吊重物給定扭矩. 壓力標定臺通過手動轉動上部的轉輪調整壓力，在軸的

下部墊一個標準壓力傳感器來計量壓力值。試驗結果如下，見表1所示。

表1 試驗結果

49.65 1 8.2 0 0.9 2.9扭矩載荷（NM）0 0.1 0 50 128.6 1.5 100 277 3.2 150 415.3 4.3 205 567.4 5.6 155 429.1 4.3 105 290.4 2.7 55 152.2 1.1 50 139.3 1.1 0 1.5 -1.8

通過以上測試，我們認為該無線測試系統可用于旋轉軸軸向力、力矩和軸功率的測量。

5 測試系統標定方案

本系統方案采用的是現場貼應變片，測量精度取決于貼片效果，現場標定是一個重要的環節。見圖7。通過千斤頂外加荷載，經過標定好的荷載傳感器傳遞到測試軸，通過對比荷載傳感器數據來標定無線節點數據。

圖7 現場標定裝置

6 結束語

本文設計的這套軸系應變測試系統為一套相對獨立的系統，系統運行穩定可靠，精度準確，可用于測量旋轉軸的軸向力、力矩以及軸功率。在硬件結構上，不改變原有的軸系結構；在軟件上，可安裝到控制系統主機上，由試驗人員控制數據的采集、存儲工作。