旋转机械扭矩在线监测系统浅析

张德智 葛燕飞 黄显贵

(泰尔重工股份有限公司技术中心 安徽马鞍山 243000)

1 前言

扭矩值是旋转机械动力传递过程的重要核心参数，也是反映动力设备现场传动工况的重要标志性参数，现场在线监测扭矩信号值对于验证设备工况系数及旋转机械的实际负荷具有非常重要的实际意义，也是对现场旋转设备运行健康状况监测的有效手段,通过长期监测还能提供故障预测及诊断的数据支撑。某些重要的动力传动核心设备使用场合当传动轴出现非正常寿命降低时往往会从两个方面去分析：一是加载在传动轴上载荷的历史数据分析；二是对传动轴本身质量进行分析。传动轴的在线监测系统即应用于第一方面。针对旋转机械并考虑恶劣工况和环境下长期监测的可靠性，市场需要一种成熟可靠的在线监测产品系统能够长期的监测设备的重要物理参数(扭矩就是其中之一)。这种产品重点包括扭矩传感器模块，无线信号传输模块，无线感应供电模块等。

2 应变扭矩测量原理

应变式扭矩传感器应用广泛，其具有足够的灵敏度和刚度、动特性好且结构简单，测量精度高[1]。应变片的转换原理基于应变效应，应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。当金属丝受力变形长度和横截面积改变，其阻值也发生改变，从而引起电压值变化[1]。

先从基础原理上来分析应变扭矩测量原理，讨论最简单的受力情况：弹性轴受纯扭矩作用。由材料力学知，如图1，当受扭矩Mn作用时，圆轴表面有最大剪应力τmax，轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力б1和б3，其值为|б1|=|б3|=τmax，相应的应变为ε1和ε3，有关系：ε1=ε3，但是方向相反。由此可知：当测得相对应的应变值后，便可计算出τmax。

图1 弹性圆轴扭转时的应力状态图

由上述关系，若测得沿45°方向的主应变ε1，则相应的剪应力推导如下：

(注意：ε1值由б1和б3共同贡献)

(1)

式中：τmax—轴上最大剪应力，GPa；

E—材料的弹性模量，GPa；

μ—材料的泊松比；

ε1—轴上测得的主应变。

于是，轴的扭矩计算公式为:

(2)

式中：T—轴的扭矩，N·m；

Wn—材料的抗扭截面模量，mm3；

E—材料的弹性模量,GPa；

μ—材料的泊松比；

ε1—轴上测得的主应变。

对于实心圆轴，材料的抗扭截面模量为：

(3)

对于空心圆轴，材料的抗扭截面模量为：

(4)

式中：D—为圆轴的外径，mm；

d—圆轴的内径，mm。

测量应变时需注意：电阻应变计须沿主应变ε1及ε3的方向(与轴线成45°及135°夹角)。

应变计的布置及组桥方式，应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。

综合(2)(4)，可求得应变扭矩转换系数Ф，公式应为：

(5)

于是，轴的最终扭矩计算公式为:

T=φ·ε

(6)

式中：T—轴的扭矩，N·m；

Ф—应变扭矩转换系数，N·m/微应变(10-6)；

D—圆轴外径，mm；

d—圆轴内径，mm；

E—弹性模量，GPa；

μ—泊松比；

ε—测得的微应变。

以上是由应变片测得的应变值计算扭矩值的原理介绍；关于应变片还有几点要说明：

1)正确粘贴应变片是保证扭矩测量的关键步骤，不合适的粘贴将引起零飘，蠕变等问题，为了减小电流消耗，推荐使用350欧姆或更大阻值应变片；可用数字万用表电阻档在粘贴前对同一批应变片进行测量，将350±2欧姆范围内的选出待用。

2)推荐使用专用扭矩测量应变片(45°)组成全桥进行扭矩测量，可以使用单片半桥应变片，上下对称沿轴向贴片，组成全桥[2]，该贴法具有消除弯曲影响的优点。单片全桥虽然粘贴方便但是不能消除弯曲影响。

3)轴上贴应变片并通过应变片测量扭矩是传统的测量方式，也是目前最成熟最经济的测量扭矩的方法，缺点是把应变片直接粘贴到轴上工艺要求比较高、停机安装时间长，对安装环境、贴片人员技能要求较高，某些现场安装会无法标定校准。

3 测控系统与无线信号传输

测控系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统要有优良的稳定型、可靠性以及抗干扰性；软件系统开发平台可以是C++，也可以是专业的测控系统开发平台(LabVIEW)，对工程人员来说建议选择开发效率更高的美国NI公司的LabVIEW平台。与传统的测量仪器相比,美国NI公司的硬件可靠性较高，非常适合高干扰的测试场合，NI公司与硬件相匹配的LabVIEW软件系统是虚拟仪器平台,采用图形化界面来构建开发环境,不仅解决了传统系统开发成本高、测试效率低、开发时间长等问题,还具备运程操控、界面友好、移植性强等优点[3]。

对于旋转机械，一般不能采用有线方式测量，需要采用无线方式：无线节点+无线网关。如图2所示。

图2 无线测量系统布置简图

关于信号无线采集几种短距离无线数据传输协议有：ZigBee，Bluetooh，802.11系列(wifi)，红外，RFID。表1是几种短距离无线数据传输方式的技术参数对比。

表1 短距离无线传输的技术参数对比

考虑到数据传输的稳定性和传输距离，还要考虑对多个传感器的信息进行采集的需要，一般采用ZigBee搭建无线传感器网络或通过wifi将数据直接传送到网关或相应的接收机(计算机)。无线协议间的权衡往往取决于带宽、覆盖范围及功率。Wi-Fi具有带宽的优势，ZigBee在长距离覆盖及低功率等特性上具有优势。ZigBee由于支持网状网络拓扑，所以具有更大的网络灵活性，可以以最短的路径将数据包从端节点路由至网关。

4 扭矩间接测量

考虑到应变片现场贴片无法标定校准以及安装困难，使用寿命不长的这些缺点，为了能够长期监测扭矩同时也保证测量的准确性和稳定性，结合动力设备能量输出源的一些特点，可以通过对二次信息(电能信息)的监测，建立力能参数的数学关系模型。采用简单易测的电能参数来计算输出扭矩，以达到间接监测扭矩，并对力能参数进行在线监测的目的。这种方法适用于电机驱动类型，间接监测的具体方法如下：

(1)先利用扭矩测量系统(应变片)测量其扭矩。同时，测量其驱动电机(主电机)的电参数(电流、电压、计算功率)。

(2)利用主传动系统的动力传递特性，将同步测量到的扭矩与电参数之间建立数学模型。

(3)利用已建立的数学模型，将直接测量的电参数转换为扭矩。

上述原理，应用数学理论中的回归分析的方法，建立主电机的电参数与力能参数之间的数学模型。即以最小二乘法为理论基础，通过一段时间监测所采集的扭矩、电压、电流实测数据，建立扭矩和多个电参数之间的回归方程。然后利用建立的数学模型来计算扭矩，从而实现扭矩长期在线监测的目的。

5 感应供电系统

旋转机械上的传感器及无线采集节点供电必须采用无线方式，目前主流无线供电方式有4种，主要技术对比优劣如表2所示。

表2 无线充电技术的对比分析

这几种无线供电方式工作原理、传输功率大小、传输距离、充电效率和适用条件相差很大。科研人员在开发时，必须根据产品的具体工作条件和具体工作环境等进行分析，选择适合的可靠、高效、低成本的无线传输产品。

目前适合旋转机械扭矩应变测量的最成熟的为电磁感应供电方式，它是利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行电能传递的。

依据法拉第电磁感应定律：当发射线圈通过交变的电流产生交变电场，交变电场通过发射线圈将产生变化的磁场，变化的磁场对接收端线圈的磁耦合作用使得接收线圈将产生电场，因而在接收端线圈端闭合后将会产生电流。已有公司(如：德国Manner公司)的产品是将无线供电模块和无线信号发送模块集成在一起，如图3所示。

无线电磁感应供电的关键性技术一般包括：接受圈与发射圈之间的耦合间隙设计；接受圈与发射圈之间的耦合电感系数调整；接受圈与发射圈的安装位置及结构设计[4]；考虑到旋转机械设备都是金属导磁体，还要考虑隔磁材料及结构的应用。

图3 无线信号发送及感应供电模块(德国Manner公司)

目前关于无线感应供电方面仍面临着许多问题，国内感应供电厂家大多是近几年才兴起，基本是针对办公设备、智能家居、新能源汽车的无线供电，无线供电在工业领域成熟的产品很少，且国内关于感应供电的标准和技术也没有欧盟和美国等一些国外公司的成熟。

6 结论

旋转机械扭矩测量是一个长期课题，特别对动力传递设备行业有着重要的意义，本文所论述的系统技术构架主要针对于人难以触及或现场难以布线或涉及重要旋转机械设备资产安全的监测场合，这些也是市场需求最迫切的场合。在技术日新月异的当前，利用最新的软硬件技术包括快速发展的各种无线技术，工程人员可利用各种成熟模块设计出适合用于各种旋转机械设备长期在线监测的产品，但市场上还缺乏成熟可靠的商业化产品。纵观前人的各项研究，难以从经济性，科学性，稳定可靠性、准确性，易实施性上统一兼顾，公司作为动力传动行业领军企业本着行业使命与责任投入大量资金自建扭矩试验台系统[5]对此课题进行了多年研究，目前，研究团队积累了大量对传动轴扭矩在线监测系统的研究经验及现场实施经验，本文希望能抛砖引玉，吸引更多的科研单位及工程技术研究人员关注此问题，并提出切实可行的工程技术解决方案，让旋转机械扭矩在线监测技术能够得到持续有效的发展。