基于扭矩无线遥测和虚拟仪器平台的轴功率在线测量系统

高 峰 宋 荣

(温州职业技术学院机械工程系)

基于扭矩无线遥测和虚拟仪器平台的轴功率在线测量系统

高 峰 宋 荣

(温州职业技术学院机械工程系)

介绍轴功率、转速与扭矩的测量原理，运用扭矩无线遥测技术和数字信号分析处理方法，在虚拟仪器平台上构建了一个轴功率在线测量系统，给出系统的总体结构、软件功能和扭振应力计算与预警。实测结果表明：与水力测功器相比，两者的轴功率相对误差小于10%，验证了该系统的准确性和可靠性。

轴功率在线测量系统 动态扭矩无线遥测 LabVIEW 扭振应力

旋转轴的转速、扭矩和功率是发动机与动力设备的重要参数，因此轴功率测量是石化、船舶、汽车等领域中一项不可缺少的工作。但是在工程实际中设备工作环境恶劣、空间有限、干扰因素多，要想准确测量旋转轴功率是十分困难的[1]。近年来，扭矩无线遥测技术在轴功率测量中的应用越来越多，与传统的集流环式测功仪和频率式钢弦测功仪相比，其占用空间小、安装简便、测量精度高，能够满足各种环境下的测量需求[2]。基于此，笔者利用虚拟仪器平台(LabVIEW)的特点(面向对象易开发、第三方控件成熟及模块化设计等)，设计了一个轴功率在线测量系统，通过对轴系转速和扭矩进行实时采集和分析处理，实现轴功率与扭振应力的实时显示、数据回放、应力预警及报表输出等功能。

1 轴功率测量原理

对于以轴为输出装置的动力设备来说，轴功率Pe一般由转速和扭矩计算得到，即：

Pe=Me·n/9550

(1)

式中Me——轴的输出扭矩，N·m；

n——轴的转速，r/min。

1.1 转速测量

轴功率在线测量系统采用磁电式转速传感器将被测轴的转速信号转换为电脉冲信号，从而实现转速测量。若在轴上均匀布置z个磁钢，采集卡采样频率为fs，设在一段时间内检测到m个峰值信号，中间共有k个采样点，则该段时间内轴的平均转速n为：

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

(2)

1.2 扭矩测量

轴在受到扭矩作用时，其截面上最大剪切应力发生在截面周边各点，且与轴所传递的扭矩有如下关系[3]：

(3)

式中D——轴外径，cm；

τmax——最大剪切应力，MPa。

对于一个几何尺寸固定的转轴来说，只要测得了剪切应力，就可以求得扭矩Me。

当被测轴系在运行过程中表面产生扭转变形时，用粘结剂贴于轴系表面的电阻应变片也会产生变形，进而引起电阻应变片阻值变化(电阻变化率与平均应变呈正比关系)[4]。电阻式应变测量仪将应变片电阻值的变化转换为电压或电流信号，经放大后利用电子仪器进行测量。在此，笔者采用的是全桥应变花式应变片，其粘贴方式如图1所示。

图1 应变片电桥电路

其中，A、C为激励输入端，激励电压为VEXC；B、D端为输出电压Vout。当轴受到外力作用而发生扭转变形时，电桥失去平衡，此时测量输出端有电压输出：

Vout=VEXCKε

(4)

式中K——应变片灵敏系数；

ε——材料的平均应变。

2 动态扭矩无线遥测

目前，应用最多的扭矩测量方法为滑环式电阻应变仪和振弦式扭矩测量仪，然而这两种仪表都对安装空间要求较高，而且结构复杂，不适合高速轴的测量[5]。特别是滑环信号传输方式，信号极易受到干扰。因此，笔者采用KMT-Kraus Messtechnik GmbH无线遥测系统测量动态扭矩信号，其扭矩测量原理如图2所示。

图2 KMT系统扭矩测量原理

应变式编码器固定在轴上，与全桥应变花通过导线相连，并为它提供24V直流激励电压，为缠绕在轴上的感应线圈提供脉冲编码的调制信号。通过磁场将感应区域内的信号从线圈传输至感应探头上，再通过线缆将扭矩信号送至解码模块，经调制解调处理后以±10V的形式输出至采集设备。输出电压Vout与被测轴的扭矩Me成线性关系[6]：

(5)

式中d——轴内径，mm；

E——轴材料的弹性模量；

Gain——遥测装置的增益系数；

N——电桥桥臂数目；

μ——轴材料的泊松比。

由于扭矩信号调制后以数字信号形式传输，因此信号的抗干扰能力得到了提高，传输距离得以增长，使系统能够进一步被优化。与此同时，由于采用非接触式传输方式，安装过程中无需对轴进行拆卸或改造，感应探头与轴之间的最大感应距离可以达到30mm，降低了对安装空间的要求。

3 轴功率在线测量系统

3.1 总体结构

笔者基于LabVIEW设计了一个轴功率在线测量系统，其结构如图3所示。被测轴上分别安装带有齿轮的齿盘和应变无线遥测模块(包括应变片、编码模块和感应线圈)，相应的磁电式转速传感器和应变接收探头与之对齐并安装在轴旁感应区域内。转速和扭矩原始电压信号经NI USB数据采集卡传输给PC机，完成数据处理分析、换算显示、数据存储及报表输出等功能。

图3 轴功率在线测量系统结构示意图

3.2 软件功能

系统主界面(图4)主要由系统设置、数据采集、信号处理及泄漏诊断等功能模块组成。用户登录系统后，需选择测量模式(单轴测试、双轴测试和多轴模式)并配置相关测试参数，如通道配置、齿盘齿数、轴外形参数、应变片参数及遥测装置增益等，数据采集模块完成对转速和扭矩信号的采集，数据进入队列并同步完成分析与处理，处理结果以图表和数值形式实时显示在界面右侧。用户也可以通过数据回放功能对保存在本地数据库的历史数据进行查看分析，报表输出模块则将测试结果以一定格式保存至文档中供用户打印输出，扭振应力模块完成轴所受剪切应力的实时计算和曲线显示，并对超出许用剪切应力范围的情况进行预警提示。

图4 轴功率在线测量系统主界面

3.3 扭振应力计算与预警

扭振应力即轴在动态扭矩作用下，其表面微体中的最大剪切应力。根据材料力学原理，剪切应力τ的计算式为：

τ=Me/Wp

(6)

其中，Wp为仅与轴截面尺寸相关的抗扭截面系数[7]，其计算式为：

Wp=π(D4-d4)/16D

(7)

将式(7)代入式(6)，即可由扭矩计算得到扭振应力τ：

τ=16DMe/π(D4-d4)

(8)

根据材料力学原理，轴在扭转变形时所受的剪切应力应小于材料的极限剪切应力，即：

τ≤τmax/n′

(9)

其中，n′为安全系数，一般取1.3～1.5。

测量旋转轴的动态扭矩和扭振应力有助于实时了解轴系的受力状态，对超过许用应力范围的数据进行及时预警，防止可能出现的轴系故障。

4 应用实例

应用笔者设计的轴功率在线测量系统对潍柴4105型柴油机进行轴功率测试，并与水力测功器的测试结果进行对比。4105型柴油机的额定功率82kW，额定转速2 200r/min，分别在0%、25%、50%、75%、90%负荷工况下进行测试，结果见表1。可以看出，系统测试精度较高、工作稳定，满足高速轴的在线测试需求。由于无需在轴上加工滑环或应力间接测量装置，使系统在狭小空间和复杂环境下也具有较好的适用性。

表1 轴功率测试结果

5 结束语

笔者基于扭矩无线遥测和LabVIEW开发的轴功率在线测量系统，能够实时显示测试轴的转速、扭矩、功率和扭振应力，实现数据采集、处理分析、历史数据回放及报表输出等功能，增加了功率测试的实时性，人机交互友好。系统使用的扭矩无线遥测技术克服了传统扭矩测量的难点，既属于应变直接测量，测试精度高，又能将扭矩信号简便而准确地传输出来，抗干扰能力强。而且，遥测装置结构简单、使用方便，能够满足各种轴径和复杂环境的测试需求。

[1] 恽秋琴,胡琼,陈文炜.SK-01型船用柴油机轴功率遥测系统[J].中国造船,2010,51(2):126～131.

[2] 王岩,储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备,2010,38(11):14～18.

[3] 李舜杰,刘东风.舰船轴功率测量与应用研究[J].中国修船,2010,23(5):14～16.

[4] 朱英敏,蓝军,张殿昌,等.应力应变电测技术在内燃机测量中的应用[J].仪表技术与传感器,1997,(5):29～31.

[5] 马龙龙.应变式传动轴功率测试系统设计与研究[D].太原:中北大学,2011.

[6] 甘少炜,范世东,周刚.船舶柴油机轴功率测量系统的设计与实现[J].船海工程,2006,35(1):25～27.

[7] 刘鸿文.材料力学[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，从事机电一体化方面的研究工作，gaofeng_wvtc@126.com。

2016-07-31)