旋轉(zhuǎn)機械扭矩在線監(jiān)測系統(tǒng)淺析

張德智 葛燕飛 黃顯貴

(泰爾重工股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

1 前言

扭矩值是旋轉(zhuǎn)機械動力傳遞過程的重要核心參數(shù)，也是反映動力設(shè)備現(xiàn)場傳動工況的重要標(biāo)志性參數(shù)，現(xiàn)場在線監(jiān)測扭矩信號值對于驗證設(shè)備工況系數(shù)及旋轉(zhuǎn)機械的實際負荷具有非常重要的實際意義，也是對現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行健康狀況監(jiān)測的有效手段,通過長期監(jiān)測還能提供故障預(yù)測及診斷的數(shù)據(jù)支撐。某些重要的動力傳動核心設(shè)備使用場合當(dāng)傳動軸出現(xiàn)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(shù)據(jù)分析；二是對傳動軸本身質(zhì)量進行分析。傳動軸的在線監(jiān)測系統(tǒng)即應(yīng)用于第一方面。針對旋轉(zhuǎn)機械并考慮惡劣工況和環(huán)境下長期監(jiān)測的可靠性，市場需要一種成熟可靠的在線監(jiān)測產(chǎn)品系統(tǒng)能夠長期的監(jiān)測設(shè)備的重要物理參數(shù)(扭矩就是其中之一)。這種產(chǎn)品重點包括扭矩傳感器模塊，無線信號傳輸模塊，無線感應(yīng)供電模塊等。

2 應(yīng)變扭矩測量原理

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

先從基礎(chǔ)原理上來分析應(yīng)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(xué)知，如圖1，當(dāng)受扭矩Mn作用時，圓軸表面有最大剪應(yīng)力τmax，軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45度的方向上有最大正應(yīng)力б1和б3，其值為|б1|=|б3|=τmax，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?和ε3，有關(guān)系：ε1=ε3，但是方向相反。由此可知：當(dāng)測得相對應(yīng)的應(yīng)變值后，便可計算出τmax。

圖1 彈性圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力狀態(tài)圖

由上述關(guān)系，若測得沿45°方向的主應(yīng)變ε1，則相應(yīng)的剪應(yīng)力推導(dǎo)如下：

(注意：ε1值由б1和б3共同貢獻)

(1)

式中：τmax—軸上最大剪應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(nèi)徑，mm。

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

應(yīng)變計的布置及組橋方式，應(yīng)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(yīng)變扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)Ф，公式應(yīng)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(yīng)變扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)，N·m/微應(yīng)變(10-6)；

D—圓軸外徑，mm；

d—圓軸內(nèi)徑，mm；

E—彈性模量，GPa；

μ—泊松比；

ε—測得的微應(yīng)變。

以上是由應(yīng)變片測得的應(yīng)變值計算扭矩值的原理介紹；關(guān)于應(yīng)變片還有幾點要說明：

1)正確粘貼應(yīng)變片是保證扭矩測量的關(guān)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(yīng)變片；可用數(shù)字萬用表電阻檔在粘貼前對同一批應(yīng)變片進行測量，將350±2歐姆范圍內(nèi)的選出待用。

2)推薦使用專用扭矩測量應(yīng)變片(45°)組成全橋進行扭矩測量，可以使用單片半橋應(yīng)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(yōu)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(yīng)變片并通過應(yīng)變片測量扭矩是傳統(tǒng)的測量方式，也是目前最成熟最經(jīng)濟的測量扭矩的方法，缺點是把應(yīng)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(huán)境、貼片人員技能要求較高，某些現(xiàn)場安裝會無法標(biāo)定校準(zhǔn)。

3 測控系統(tǒng)與無線信號傳輸

測控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)要有優(yōu)良的穩(wěn)定型、可靠性以及抗干擾性；軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺可以是C++，也可以是專業(yè)的測控系統(tǒng)開發(fā)平臺(LabVIEW)，對工程人員來說建議選擇開發(fā)效率更高的美國NI公司的LabVIEW平臺。與傳統(tǒng)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(tǒng)是虛擬儀器平臺,采用圖形化界面來構(gòu)建開發(fā)環(huán)境,不僅解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)成本高、測試效率低、開發(fā)時間長等問題,還具備運程操控、界面友好、移植性強等優(yōu)點[3]。

對于旋轉(zhuǎn)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(jié)點+無線網(wǎng)關(guān)。如圖2所示。

圖2 無線測量系統(tǒng)布置簡圖

關(guān)于信號無線采集幾種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有：ZigBee，Bluetooh，802.11系列(wifi)，紅外，RFID。表1是幾種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸方式的技術(shù)參數(shù)對比。

表1 短距離無線傳輸?shù)募夹g(shù)參數(shù)對比

考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(wǎng)絡(luò)或通過wifi將數(shù)據(jù)直接傳送到網(wǎng)關(guān)或相應(yīng)的接收機(計算機)。無線協(xié)議間的權(quán)衡往往取決于帶寬、覆蓋范圍及功率。Wi-Fi具有帶寬的優(yōu)勢，ZigBee在長距離覆蓋及低功率等特性上具有優(yōu)勢。ZigBee由于支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲，所以具有更大的網(wǎng)絡(luò)靈活性，可以以最短的路徑將數(shù)據(jù)包從端節(jié)點路由至網(wǎng)關(guān)。

4 扭矩間接測量

考慮到應(yīng)變片現(xiàn)場貼片無法標(biāo)定校準(zhǔn)以及安裝困難，使用壽命不長的這些缺點，為了能夠長期監(jiān)測扭矩同時也保證測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，結(jié)合動力設(shè)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(jiān)測，建立力能參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。采用簡單易測的電能參數(shù)來計算輸出扭矩，以達到間接監(jiān)測扭矩，并對力能參數(shù)進行在線監(jiān)測的目的。這種方法適用于電機驅(qū)動類型，間接監(jiān)測的具體方法如下：

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

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

(3)利用已建立的數(shù)學(xué)模型，將直接測量的電參數(shù)轉(zhuǎn)換為扭矩。

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

5 感應(yīng)供電系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)機械上的傳感器及無線采集節(jié)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(shù)對比優(yōu)劣如表2所示。

表2 無線充電技術(shù)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?？蒲腥藛T在開發(fā)時，必須根據(jù)產(chǎn)品的具體工作條件和具體工作環(huán)境等進行分析，選擇適合的可靠、高效、低成本的無線傳輸產(chǎn)品。

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

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)發(fā)射線圈通過交變的電流產(chǎn)生交變電場，交變電場通過發(fā)射線圈將產(chǎn)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(chǎn)生電場，因而在接收端線圈端閉合后將會產(chǎn)生電流。已有公司(如：德國Manner公司)的產(chǎn)品是將無線供電模塊和無線信號發(fā)送模塊集成在一起，如圖3所示。

無線電磁感應(yīng)供電的關(guān)鍵性技術(shù)一般包括：接受圈與發(fā)射圈之間的耦合間隙設(shè)計；接受圈與發(fā)射圈之間的耦合電感系數(shù)調(diào)整；接受圈與發(fā)射圈的安裝位置及結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]；考慮到旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備都是金屬導(dǎo)磁體，還要考慮隔磁材料及結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

圖3 無線信號發(fā)送及感應(yīng)供電模塊(德國Manner公司)

目前關(guān)于無線感應(yīng)供電方面仍面臨著許多問題，國內(nèi)感應(yīng)供電廠家大多是近幾年才興起，基本是針對辦公設(shè)備、智能家居、新能源汽車的無線供電，無線供電在工業(yè)領(lǐng)域成熟的產(chǎn)品很少，且國內(nèi)關(guān)于感應(yīng)供電的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)也沒有歐盟和美國等一些國外公司的成熟。

6 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)機械扭矩測量是一個長期課題，特別對動力傳遞設(shè)備行業(yè)有著重要的意義，本文所論述的系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架主要針對于人難以觸及或現(xiàn)場難以布線或涉及重要旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備資產(chǎn)安全的監(jiān)測場合，這些也是市場需求最迫切的場合。在技術(shù)日新月異的當(dāng)前，利用最新的軟硬件技術(shù)包括快速發(fā)展的各種無線技術(shù)，工程人員可利用各種成熟模塊設(shè)計出適合用于各種旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備長期在線監(jiān)測的產(chǎn)品，但市場上還缺乏成熟可靠的商業(yè)化產(chǎn)品。縱觀前人的各項研究，難以從經(jīng)濟性，科學(xué)性，穩(wěn)定可靠性、準(zhǔn)確性，易實施性上統(tǒng)一兼顧，公司作為動力傳動行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)本著行業(yè)使命與責(zé)任投入大量資金自建扭矩試驗臺系統(tǒng)[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(jiān)測系統(tǒng)的研究經(jīng)驗及現(xiàn)場實施經(jīng)驗，本文希望能拋磚引玉，吸引更多的科研單位及工程技術(shù)研究人員關(guān)注此問題，并提出切實可行的工程技術(shù)解決方案，讓旋轉(zhuǎn)機械扭矩在線監(jiān)測技術(shù)能夠得到持續(xù)有效的發(fā)展。