旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊晉溥，江鵬程，陳劍龍

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

摘要：旋轉(zhuǎn)軸是裝甲裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，而扭矩和轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)軸工作中重要的狀態(tài)參數(shù)，對(duì)扭矩與轉(zhuǎn)速的測(cè)量對(duì)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和評(píng)估傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀況具有重要意義。旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特殊、工作環(huán)境復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的在線監(jiān)測(cè)具有一定困難。在文獻(xiàn)調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上問題，綜述了幾種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析對(duì)比了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)裝甲裝備傳動(dòng)軸在線監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP216+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊晉溥(1991-)，男，四川綿陽人，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，裝甲兵工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

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

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)節(jié)奏快、縱深大、強(qiáng)度高，對(duì)作戰(zhàn)車輛的機(jī)動(dòng)性提出了更高的要求。作為裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分——旋轉(zhuǎn)軸類部件，在動(dòng)力傳輸過程中起著重要的作用，其性能好壞、自動(dòng)化程度的高低，直接影響著車輛的操縱性和可靠性。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲車輛傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件運(yùn)行狀態(tài)精確、動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)，對(duì)掌握車輛傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)，降低事故發(fā)生率與維修費(fèi)用，減少維修時(shí)間，提高車輛無故障運(yùn)行時(shí)間，具有重要意義。

目前，旋轉(zhuǎn)軸類部件的監(jiān)測(cè)主要集中于扭矩與轉(zhuǎn)速等重要狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其在線監(jiān)測(cè)對(duì)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀況和載荷譜等關(guān)鍵信息有重大意義，一方面車輛研制單位迫切希望能夠獲取車輛傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件扭矩與轉(zhuǎn)速等參數(shù)的全壽命工作數(shù)據(jù)，來指導(dǎo)車輛的設(shè)計(jì)、制造以及材料特性研究工作；另一方面車輛使用單位也希望通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸類部件扭矩與轉(zhuǎn)速等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲車輛運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)在線評(píng)估[1]。但是，裝甲車輛傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，旋轉(zhuǎn)軸上難以安裝測(cè)試部件，同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸類部件一般處于高速旋轉(zhuǎn)的特殊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作環(huán)境復(fù)雜多變，使得測(cè)試設(shè)備的安裝及信號(hào)傳輸具有一定的困難。本文針對(duì)以上問題，介紹了幾種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并分析與比較各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)裝甲裝備傳動(dòng)軸在線監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

旋轉(zhuǎn)軸監(jiān)測(cè)主要分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)測(cè)試是指在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用測(cè)功機(jī)或者其他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)被測(cè)試軸進(jìn)行加載進(jìn)行的扭矩測(cè)試。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)則是指將監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝到實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備(比如車輛的傳動(dòng)軸、水輪機(jī)主軸等等)中去,對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于靜態(tài)測(cè)試，現(xiàn)在國內(nèi)外的測(cè)試技術(shù)已經(jīng)非常成熟。而對(duì)于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，由于旋轉(zhuǎn)軸特殊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和復(fù)雜的工作環(huán)境，傳統(tǒng)的扭矩監(jiān)測(cè)手段并不能滿足要求，因此許多新型的監(jiān)測(cè)手段應(yīng)運(yùn)而生。

1.1集流環(huán)法

集流環(huán)法是將導(dǎo)電滑環(huán)裝配在軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)電滑環(huán)上接上敏感元件(例如應(yīng)變片)，并利用圓形電極和炭刷的接觸將被測(cè)信號(hào)引出,從而完成旋轉(zhuǎn)軸工作過程中扭矩和其他狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量和輸出。集流環(huán)原理簡(jiǎn)單，可以完成多種狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量。但是由于滑環(huán)與電刷的互相摩擦，會(huì)帶來很多缺點(diǎn)。主要表現(xiàn)為：

1)集流環(huán)的觸頭長(zhǎng)時(shí)間與導(dǎo)電滑環(huán)摩擦非常容易產(chǎn)生磨損,并且會(huì)造成接觸電阻阻值的變化，從而影響測(cè)試精度。

2)集流環(huán)體積較大，安裝困難、負(fù)載效應(yīng)較大。

3)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，在影響測(cè)試系統(tǒng)本身的同時(shí)會(huì)對(duì)被測(cè)軸和其他部件產(chǎn)生較大影響。

集流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　集流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2基于光柵扭矩傳感器的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此可以利用光敏傳感器采集扭轉(zhuǎn)變形信號(hào)，從而完成扭矩的測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)軸上固定兩塊開孔數(shù)完全相同的圓盤形光柵，并把光電元件和光源安置在兩片光柵兩側(cè)，軸在不受力狀態(tài)下兩片光柵的明暗條紋是錯(cuò)開的[2]，光線不能穿過光柵，光電元件上沒有輸出信號(hào)；軸在受到扭矩作用時(shí)，兩個(gè)圓盤形光柵所在軸截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，明暗條紋部分重合，光線穿過光柵照到光電元件上，使其輸出信號(hào)[3-4]。輸出信號(hào)大小隨著扭轉(zhuǎn)變形的增大而增大，配合測(cè)試電路便可以完成扭矩的測(cè)量。2005年重慶大學(xué)的喻洪麟教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型光柵扭矩傳感器，并研制了一套水輪機(jī)主軸扭矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光柵扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　光柵扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光電式扭矩測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝困難和抗干擾性差的缺點(diǎn)使其并不能滿足復(fù)雜環(huán)境下車輛內(nèi)部傳動(dòng)軸的監(jiān)測(cè)要求。

1.3基于電磁法的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用電磁原理完成扭矩的監(jiān)測(cè)是現(xiàn)在工業(yè)上采用較多的一種方法。電磁法根據(jù)被測(cè)量的不同可分為基于扭矩和扭轉(zhuǎn)角關(guān)系的扭矩監(jiān)測(cè)方法和利用壓磁效應(yīng)原理的扭矩監(jiān)測(cè)方法。前者通常利用磁鼓原理完成旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量，跟光電法類似，通過測(cè)量角位移完成扭矩的測(cè)量。早在1990年，日本日立研究室的研究人員就研制了利用磁鼓原理制作的扭矩測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)量精度可以達(dá)到±0.7%[5]。在傳動(dòng)軸上相距一定距離上安裝兩個(gè)碼盤，在碼盤周圍覆蓋著磁墨或者其他的磁性材料，并利用相同的磁頭將這些磁性材料磁化，形成許多等間隔的磁極，共同組成磁鼓編碼器。利用具有磁致伸縮效應(yīng)的材料制成磁傳感器采集兩個(gè)碼盤之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，完成扭矩的測(cè)量[6-7]。磁鼓扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　磁鼓扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

基于壓磁原理的扭矩測(cè)試系統(tǒng)主要利用非晶態(tài)軟磁的磁致伸縮效應(yīng)完成應(yīng)變信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。磁致伸縮效應(yīng)是指具有該效應(yīng)的合金長(zhǎng)度將隨著外界磁場(chǎng)的改變而改變，反之，若存在外力使合金發(fā)生形變，則合金的磁導(dǎo)率會(huì)隨之改變。將具有該效應(yīng)的涂料均勻涂抹在軸上，在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)涂層會(huì)在扭矩的作用下發(fā)生形變，磁導(dǎo)率會(huì)隨著應(yīng)變的的變化而發(fā)生改變，對(duì)其進(jìn)行采集便可完成扭矩的測(cè)量。日本福岡九州大學(xué)在1982年成功利用磁致伸縮效應(yīng)，研制了具有新型磁頭型扭矩傳感器的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，基于磁致伸縮效應(yīng)的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　基于磁致伸縮效應(yīng)的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電磁法測(cè)量精度高，抗電磁干擾性強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定。但是其傳感器成本高，而且傳感器安裝困難，使電磁法在旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中具有一定的局限性。

1.4存儲(chǔ)式扭矩監(jiān)測(cè)技術(shù)

存儲(chǔ)式監(jiān)測(cè)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種較為新穎的監(jiān)測(cè)手段。其基本流程是將嵌入存儲(chǔ)器件的監(jiān)測(cè)裝置與被測(cè)部件有機(jī)的結(jié)合到一起，部件工作過程中，完成部件各狀態(tài)參數(shù)的測(cè)試，并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器件。測(cè)試完成后，從存儲(chǔ)器件中將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。華北工學(xué)院利用存儲(chǔ)式扭矩測(cè)量方法完成了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸實(shí)車扭矩的測(cè)試工作，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸附近電磁干擾強(qiáng)，說明存儲(chǔ)法具有安裝使用簡(jiǎn)便和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[9]。但是存儲(chǔ)法不能實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)情況，且只能離線分析數(shù)據(jù)，并不能稱之為真正意義上的在線監(jiān)測(cè)，在使用中具有一定局限性。存儲(chǔ)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

圖5　存儲(chǔ)式扭矩測(cè)試系統(tǒng)工作原理

1.5基于無線電遙測(cè)的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來，隨著無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電遙測(cè)開始出現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎峭ㄟ^調(diào)制后將被測(cè)信號(hào)附加在某種載波信號(hào)上形成調(diào)制波，并通過天線將調(diào)制波發(fā)送出去。接收端接收到調(diào)制波后經(jīng)過解調(diào)后將被測(cè)信號(hào)還原。依據(jù)載波頻率的不同，可以分為紅外通信和射頻通信。前者的載波頻率位于紅外IR波段，而后者則位于射頻RF波段。1994年，來自蘇州大學(xué)工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)利用無線電遙測(cè)技術(shù)，研制了微型遙測(cè)扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國外的Bently Nevad公司正在進(jìn)行一種叫做Torximitor的非接觸扭矩傳感器，并利用其構(gòu)建非接觸式扭矩監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)，該傳感器便是利用紅外發(fā)光二極管與光電晶體管完成數(shù)據(jù)通信。扭矩?zé)o線電遙測(cè)原理圖如圖6所示。

圖6　無線電遙測(cè)系統(tǒng)原理圖

紅外傳輸和射頻傳輸具有以下特點(diǎn)：

1)紅外傳輸沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，傳輸速率快。且發(fā)射器一般采用發(fā)光二極管，接收器一般采用硅光二極管，成本低廉，器件尺寸小，方便安裝[10]。

2)紅外光與可見光波長(zhǎng)相似，在傳播過程中同樣能夠發(fā)生發(fā)射和漫反射，同時(shí)與可見光一樣，紅外光不可以穿透墻壁，在一定程度上增加了紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

3)紅外光譜的波長(zhǎng)范圍很寬，在世界范圍都通用，使用不會(huì)受到帶寬限制，具有相當(dāng)大的傳輸速率。

同時(shí)，紅外數(shù)據(jù)傳輸也具有一些無法克服的缺點(diǎn)。首先，紅外光(780～950)nm對(duì)人的眼睛有灼傷作用，具有一定的安全隱患；其次，紅外光很容易受到環(huán)境光線(如太陽光)的影響，抗干擾性較差；同時(shí)，紅外數(shù)據(jù)傳輸功耗較大，在一些要求低功耗場(chǎng)合(例如電池供電或采用非接觸供電方式時(shí))使用具有一定的局限。

射頻傳輸器件價(jià)格較為昂貴，使用過程比紅外傳輸復(fù)雜。其具有復(fù)雜的通信協(xié)議，雖然使數(shù)據(jù)帶寬受到一定限制，但復(fù)雜的校驗(yàn)算法可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，射頻傳輸不會(huì)受到距離和環(huán)境的限制，使用靈活方便。

1.6基于非接觸供電和無線遙測(cè)技術(shù)扭矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來，非接觸供電技術(shù)不斷應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中，裝甲兵工程學(xué)院的丁闖等人將非接觸供電技術(shù)引入到旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，該供電平臺(tái)采用電磁感應(yīng)原理研發(fā)而成，通過初級(jí)和次級(jí)線圈的相互耦合，實(shí)現(xiàn)了非接觸的電能傳輸，為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸扭矩長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供了可能[11]，電磁感應(yīng)式非接觸供電平臺(tái)原理如圖7所示。

圖7　電磁感應(yīng)式非接觸供電平臺(tái)工作原理圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用在旋轉(zhuǎn)軸上粘貼應(yīng)變片的方法完成應(yīng)變到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變，后經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換后被單片機(jī)獲取，利用霍爾開關(guān)傳感器完成旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，應(yīng)變和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過射頻傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)上。所有軸上的測(cè)試設(shè)備的供電均由基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電平臺(tái)提供，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成如圖8所示。

圖8　旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.7基于微帶天線的能量傳輸技術(shù)的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖9　微波輻射式非 接觸供電原理圖

北京科技大學(xué)的張雪松等人對(duì)基于無線能量傳輸?shù)呐ぞ乇O(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)通過分散式的微帶天線完成能量與信號(hào)的傳輸。該系統(tǒng)的基本原理是利用微波進(jìn)行能量傳輸，功率源通過發(fā)射天線向外輻射微波，接收天線接收后經(jīng)過整流濾波為系統(tǒng)供電。微波輻射式非接觸供電原理如圖9所示。

圖10　基于微帶天線的扭矩 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用分散式天線進(jìn)行能量傳輸，將裝有多個(gè)接收天線的受電環(huán)安裝在軸上隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將軸穿過由多個(gè)發(fā)射天線和功率源組成的供電環(huán)，并與軸上的受電環(huán)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電路的電能供給[12]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

分散式傳輸可以避免功率分配器工作時(shí)產(chǎn)生的大量損耗，分散式的天線同時(shí)降低了制造和安裝的難度，該方案為解決旋轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)所需電能的問題提供了新的思路和方法，但利用微波輻射完成非接觸供電的傳遞功率和效率還較低。

2結(jié)論

綜上所述，旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)仍然處于不斷發(fā)展之中，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)都已在工程中應(yīng)用，但每種方案都有其固有的缺點(diǎn)使其在應(yīng)用中具有一定局限。本文主要研究多種旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，為裝甲裝備傳動(dòng)軸狀態(tài)參數(shù)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究提供了參考?？紤]到電磁感應(yīng)式和微波輻射式非接觸供電技術(shù)的供電效率和功率還比較低，筆者正在對(duì)電磁諧振式非接觸供電技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在裝甲裝備傳動(dòng)軸在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸多參數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間的在線監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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