旋转轴状态参数在线监测技术研究

旋转轴状态参数在线监测技术研究

杨晋溥，江鹏程，陈剑龙

(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)

摘要：旋转轴是装甲装备传动系统的重要部件，而扭矩和转速是旋转轴工作中重要的状态参数，对扭矩与转速的测量对衡量发动机输出功率和评估传动系统工作状况具有重要意义。旋转轴运动状态特殊、工作环境复杂，实现对旋转轴的在线监测具有一定困难。在文献调研分析的基础上，针对以上问题，综述了几种旋转轴状态参数的监测技术，分析对比了各种技术的优缺点，对实现装甲装备传动轴在线监测具有较强的指导意义。

关键词:传动系统旋转轴状态参数在线监测

中图分类号：TP216+.1文献标识码：A

作者简介：杨晋溥(1991-)，男，四川绵阳人，工学学士学位，装甲兵工程学院硕士研究生，主要研究方向：机械设备的状态监测与故障诊断。

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

现代战争节奏快、纵深大、强度高，对作战车辆的机动性提出了更高的要求。作为装甲车辆动力传动系统的关键组成部分——旋转轴类部件，在动力传输过程中起着重要的作用，其性能好坏、自动化程度的高低，直接影响着车辆的操纵性和可靠性。因此，实现对装甲车辆传动系统旋转轴类部件运行状态精确、动态、长期地监测，对掌握车辆传动系统技术状态，降低事故发生率与维修费用，减少维修时间，提高车辆无故障运行时间，具有重要意义。

目前，旋转轴类部件的监测主要集中于扭矩与转速等重要状态参数，实现对其在线监测对衡量发动机输出功率、传动系统工作状况和载荷谱等关键信息有重大意义，一方面车辆研制单位迫切希望能够获取车辆传动系统旋转轴类部件扭矩与转速等参数的全寿命工作数据，来指导车辆的设计、制造以及材料特性研究工作；另一方面车辆使用单位也希望通过对传动系统旋转轴类部件扭矩与转速等参数的在线监测，实现对装甲车辆运行状况的实时在线评估[1]。但是，装甲车辆传动系统结构紧凑，旋转轴上难以安装测试部件，同时旋转轴类部件一般处于高速旋转的特殊运动状态，工作环境复杂多变，使得测试设备的安装及信号传输具有一定的困难。本文针对以上问题，介绍了几种旋转轴状态参数监测技术，并分析与比较各个方法的优缺点，对后续实现装甲装备传动轴在线监测具有较强的指导意义。

1监测技术研究

旋转轴监测主要分为静态和动态两种，静态测试是指在实验室环境中利用测功机或者其他的实验设备对被测试轴进行加载进行的扭矩测试。动态监测则是指将监测设备安装到实际运行的设备(比如车辆的传动轴、水轮机主轴等等)中去,对设备运行过程中的状态参数进行实时在线监测。对于静态测试，现在国内外的测试技术已经非常成熟。而对于动态监测，由于旋转轴特殊的运动状态和复杂的工作环境，传统的扭矩监测手段并不能满足要求，因此许多新型的监测手段应运而生。

1.1集流环法

集流环法是将导电滑环装配在轴上一起转动，在导电滑环上接上敏感元件(例如应变片)，并利用圆形电极和炭刷的接触将被测信号引出,从而完成旋转轴工作过程中扭矩和其他状态参数的测量和输出。集流环原理简单，可以完成多种状态参数的测量。但是由于滑环与电刷的互相摩擦，会带来很多缺点。主要表现为：

1)集流环的触头长时间与导电滑环摩擦非常容易产生磨损,并且会造成接触电阻阻值的变化，从而影响测试精度。

2)集流环体积较大，安装困难、负载效应较大。

3)运动过程中会产生较大噪声，在影响测试系统本身的同时会对被测轴和其他部件产生较大影响。

集流环结构示意图如图1所示。

图1　集流环结构示意图

1.2基于光栅扭矩传感器的扭矩监测系统

旋转轴在转动过程中会在扭矩的作用下发生扭转变形，因此可以利用光敏传感器采集扭转变形信号，从而完成扭矩的测量。在旋转轴上固定两块开孔数完全相同的圆盘形光栅，并把光电元件和光源安置在两片光栅两侧，轴在不受力状态下两片光栅的明暗条纹是错开的[2]，光线不能穿过光栅，光电元件上没有输出信号；轴在受到扭矩作用时，两个圆盘形光栅所在轴截面会产生扭转变形，明暗条纹部分重合，光线穿过光栅照到光电元件上，使其输出信号[3-4]。输出信号大小随着扭转变形的增大而增大，配合测试电路便可以完成扭矩的测量。2005年重庆大学的喻洪麟教授带领团队开发了一种新型光栅扭矩传感器，并研制了一套水轮机主轴扭矩在线监测系统。光栅扭矩传感器结构如图2所示。

图2　光栅扭矩传感器结构示意图

光电式扭矩测量法的优点是响应速度快，测量精度高。但是其结构复杂、安装困难和抗干扰性差的缺点使其并不能满足复杂环境下车辆内部传动轴的监测要求。

1.3基于电磁法的扭矩监测系统

利用电磁原理完成扭矩的监测是现在工业上采用较多的一种方法。电磁法根据被测量的不同可分为基于扭矩和扭转角关系的扭矩监测方法和利用压磁效应原理的扭矩监测方法。前者通常利用磁鼓原理完成旋转轴扭转角的测量，跟光电法类似，通过测量角位移完成扭矩的测量。早在1990年，日本日立研究室的研究人员就研制了利用磁鼓原理制作的扭矩测试系统。测量精度可以达到±0.7%[5]。在传动轴上相距一定距离上安装两个码盘，在码盘周围覆盖着磁墨或者其他的磁性材料，并利用相同的磁头将这些磁性材料磁化，形成许多等间隔的磁极，共同组成磁鼓编码器。利用具有磁致伸缩效应的材料制成磁传感器采集两个码盘之间的相对扭转角，完成扭矩的测量[6-7]。磁鼓扭矩传感器结构如图3所示。

图3　磁鼓扭矩传感器结构示意图

基于压磁原理的扭矩测试系统主要利用非晶态软磁的磁致伸缩效应完成应变信号到电信号的转换。磁致伸缩效应是指具有该效应的合金长度将随着外界磁场的改变而改变，反之，若存在外力使合金发生形变，则合金的磁导率会随之改变。将具有该效应的涂料均匀涂抹在轴上，在轴旋转时涂层会在扭矩的作用下发生形变，磁导率会随着应变的的变化而发生改变，对其进行采集便可完成扭矩的测量。日本福冈九州大学在1982年成功利用磁致伸缩效应，研制了具有新型磁头型扭矩传感器的扭矩监测系统[8]，基于磁致伸缩效应的扭矩传感器结构如图4所示。

图4　基于磁致伸缩效应的扭矩传感器结构示意图

电磁法测量精度高，抗电磁干扰性强，信号稳定。但是其传感器成本高，而且传感器安装困难，使电磁法在旋转轴在线监测的应用中具有一定的局限性。

1.4存储式扭矩监测技术

存储式监测技术是随着计算机技术的发展而产生的一种较为新颖的监测手段。其基本流程是将嵌入存储器件的监测装置与被测部件有机的结合到一起，部件工作过程中，完成部件各状态参数的测试，并将数据存入存储器件。测试完成后，从存储器件中将数据导入计算机进行分析处理。华北工学院利用存储式扭矩测量方法完成了汽车发动机输出轴实车扭矩的测试工作，发动机输出轴附近电磁干扰强，说明存储法具有安装使用简便和抗干扰性强的优点[9]。但是存储法不能实时观察数据情况，且只能离线分析数据，并不能称之为真正意义上的在线监测，在使用中具有一定局限性。存储式监测系统工作原理如图5所示。

图5　存储式扭矩测试系统工作原理

1.5基于无线电遥测的扭矩监测系统

近年来，随着无线电技术的不断发展，无线电遥测开始出现在机械行业的各个领域。无线电数据传输的基本原理是通过调制后将被测信号附加在某种载波信号上形成调制波，并通过天线将调制波发送出去。接收端接收到调制波后经过解调后将被测信号还原。依据载波频率的不同，可以分为红外通信和射频通信。前者的载波频率位于红外IR波段，而后者则位于射频RF波段。1994年，来自苏州大学工学院的科研团队利用无线电遥测技术，研制了微型遥测扭矩监测系统。国外的Bently Nevad公司正在进行一种叫做Torximitor的非接触扭矩传感器，并利用其构建非接触式扭矩监测与采集系统，该传感器便是利用红外发光二极管与光电晶体管完成数据通信。扭矩无线电遥测原理图如图6所示。

图6　无线电遥测系统原理图

红外传输和射频传输具有以下特点：

1)红外传输没有复杂的通信协议，传输速率快。且发射器一般采用发光二极管，接收器一般采用硅光二极管，成本低廉，器件尺寸小，方便安装[10]。

2)红外光与可见光波长相似，在传播过程中同样能够发生发射和漫反射，同时与可见光一样，红外光不可以穿透墙壁，在一定程度上增加了红外数据传输的保密性。

3)红外光谱的波长范围很宽，在世界范围都通用，使用不会受到带宽限制，具有相当大的传输速率。

同时，红外数据传输也具有一些无法克服的缺点。首先，红外光(780～950)nm对人的眼睛有灼伤作用，具有一定的安全隐患；其次，红外光很容易受到环境光线(如太阳光)的影响，抗干扰性较差；同时，红外数据传输功耗较大，在一些要求低功耗场合(例如电池供电或采用非接触供电方式时)使用具有一定的局限。

射频传输器件价格较为昂贵，使用过程比红外传输复杂。其具有复杂的通信协议，虽然使数据带宽受到一定限制，但复杂的校验算法可以保证数据的准确性。同时，射频传输不会受到距离和环境的限制，使用灵活方便。

1.6基于非接触供电和无线遥测技术扭矩在线监测系统

近年来，非接触供电技术不断应用到工程实践当中，装甲兵工程学院的丁闯等人将非接触供电技术引入到旋转轴在线监测系统中，该供电平台采用电磁感应原理研发而成，通过初级和次级线圈的相互耦合，实现了非接触的电能传输，为实现旋转轴扭矩长期实时在线监测提供了可能[11]，电磁感应式非接触供电平台原理如图7所示。

图7　电磁感应式非接触供电平台工作原理图

监测系统利用在旋转轴上粘贴应变片的方法完成应变到电压信号的转变，后经信号调理电路以及A/D转换后被单片机获取，利用霍尔开关传感器完成旋转轴转速的测量，应变和转速数据通过射频传输到上位机的综合监测平台上。所有轴上的测试设备的供电均由基于电磁感应原理的非接触供电平台提供，整个监测系统的组成如图8所示。

图8　旋转轴在线监测系统结构图

1.7基于微带天线的能量传输技术的扭矩监测系统

图9　微波辐射式非 接触供电原理图

北京科技大学的张雪松等人对基于无线能量传输的扭矩监测系统进行了研究。该系统通过分散式的微带天线完成能量与信号的传输。该系统的基本原理是利用微波进行能量传输，功率源通过发射天线向外辐射微波，接收天线接收后经过整流滤波为系统供电。微波辐射式非接触供电原理如图9所示。

图10　基于微带天线的扭矩 监测系统结构图

系统采用分散式天线进行能量传输，将装有多个接收天线的受电环安装在轴上随轴一起转动，将轴穿过由多个发射天线和功率源组成的供电环，并与轴上的受电环对齐，实现监测电路的电能供给[12]。监测系统的结构如图10所示。

分散式传输可以避免功率分配器工作时产生的大量损耗，分散式的天线同时降低了制造和安装的难度，该方案为解决旋转轴长期在线监测所需电能的问题提供了新的思路和方法，但利用微波辐射完成非接触供电的传递功率和效率还较低。

2结论

综上所述，旋转轴在线监测技术仍然处于不断发展之中，各种监测技术都已在工程中应用，但每种方案都有其固有的缺点使其在应用中具有一定局限。本文主要研究多种旋转轴状态参数在线监测技术，为装甲装备传动轴状态参数长期在线监测技术的研究提供了参考。考虑到电磁感应式和微波辐射式非接触供电技术的供电效率和功率还比较低，笔者正在对电磁谐振式非接触供电技术和无线数据传输技术在装甲装备传动轴在线监测中的应用进行研究，以期实现对传动轴多参数、长时间的在线监测。

参考文献

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