一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法技术

本发明专利技术涉及动力传动装置转轴扭矩传感及测试领域，具体是一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，尤其是以非接触无源传感的方式获取转轴的扭矩动态信息，具体将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中。所述扭矩测试装置，包括粘贴于转轴被测部位的电阻元件，安装于转轴上轴承内部的电容元件；其中电阻元件是由第一电阻应变片和第二电阻应变片构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴转动各电阻应变片产生形变。本发明专利技术所述的薄片金属环结构与轴承内圈、轴承外圈结构融合，也即薄片金属环的传感结构集成在轴承内部，随旋转轴一起装配，可以实时测试或监测轴的扭矩动态信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及动力传动装置转轴扭矩传感及测试领域，具体是一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，尤其是以非接触无源传感的方式获取转轴的扭矩动态信息。
技术介绍
回转机械的动力传动主要依靠轴传动，也即轴系旋转运动是回转机械动力传输的重要传动方式，其中扭矩是表征动力传输系统动力性能、传动链路能量传递与利用效率的最典型动态参数之一。科学技术的进步促进了机械装备朝着电气化、信息化、智能化的方向快速发展，为了在设计阶段可靠的进行理论分析、仿真计算和优化设计，在使用阶段进行在线故障诊断、健康管理，准确、可靠的获取转轴扭矩动态参数具有重要理论意义和实用价值。目前，日益发展的信息处理技术、智能控制技术，以及先进的加工装配工艺为提升回转机械动力传递效率提供了重要机会，但是信息处理与智能控制需要准确可靠的信息源，也即提升回转机械动力传递效率在一定程度上需要从源头上解决传感器的信息获取问题。由于动力传动系统运动部件周围结构紧凑、转轴高速旋转运动、应用环境中存在腐蚀、油污、电磁干扰等，这些复杂测试环境使得现有的扭矩传感器在传感器有效安装、传感器供电、传感器输出信号传输等方面受到一定限制。目前，集流环、变压器耦合、无线传输、感应馈电等方法在一定程度上解决了传感器供电和传感器信号传输困难的问题，但是在高速旋转场合下，接触式集流环接触摩擦耦合一定噪声，在一定程度上干扰有效信号；无线遥测的发射模块在狭小空间及高速旋转场合安装受限，而且传统测试方法在转轴上径向不对称布置信号传输或供电等模块，在高速旋转情况下一定程度上影响转轴的动平衡。因此迫切希望能有一种适合于转轴高速旋转运动、狭小空间等环境的扭矩动态信息获取方法，具体是一种适合于狭小空间的非接触式转轴扭矩传感及测试方法，从而为动力传动系统的动力传递效率优化、功率分配优化、装备优化设计提供有效数据支撑，这对传动系统的设计、制造和使用有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术为了解决旋转轴高速旋转运动、狭小空间等环境因素造成现有扭矩测试存在问题，提供了一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中；所述扭矩测试装置包括粘贴于转轴被测部位的电阻元件，安装于转轴上轴承内部的电容元件；所述电阻元件是由第一电阻应变片和第二电阻应变片构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴转动各电阻应变片产生形变；所述电容元件包括环设于轴承内圈外径面上的第一绝缘垫片环和第三绝缘垫片环，环设于轴承外圈内径面上的第二绝缘垫片环和第四绝缘垫片环；所述第一绝缘垫片环和第三绝缘垫片环外圆上分别环设有第一薄片金属环和第三薄片金属环，第二绝缘垫片环和第四绝缘垫片环的内圆上分别环设有第二薄片金属环和第四薄片金属环，第一电阻应变片的另一端通过第一导线连接于第一薄片金属环上，第二电阻应变片的另一端通过第二导线连接于第三薄片金属环上；所有的绝缘垫片环之间均不接触，所有的薄片金属环之间均不接触；所述第一薄片金属环与第二薄片金属环在径向上相对，第三薄片金属环与第四薄片金属环在径向上相对，轴承内圈与轴承外圈之间的空间通过轴承两端的左、右端盖与外界环境相隔绝，且轴承内腔充满轴承润滑脂；所有的绝缘垫片环和薄片金属环与左、右端盖之间存在间隙且不接触，所有的绝缘垫片环和薄片金属环与所有轴承滚珠之间存在间隙且不接触；转轴转动时第一薄片金属环与第二薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴转动时第三薄片金属环与第四薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，第二薄片金属环通过第三导线输出信号，第四薄片金属环通过第四导线输出信号；轴承外圈通过连接件以及回转机械接地；所述扭矩测试装置是通过将第三导线和第四导线接入到电阻检测电路中的。使用时，轴承内圈随转轴旋转运动，则第一薄片金属环和第三薄片金属环随转轴旋转运动，也即在转轴旋转运动时候，第一薄片金属环与第二薄片金属环相对运动、第三薄片金属环与第四薄片金属环相对运动。理论上，轴承外圈和轴承内圈具有良好同轴度和很高的主轴回转精度，薄片金属环之间的轴承润滑脂性能稳定，则转轴转动时第一薄片金属环与第二薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴转动时第三薄片金属环与第四绝缘垫片环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，因此第一薄片金属环和第二薄片金属环形成的电容C1值固定、第三薄片金属环和第四薄片金属环形成的电容C2值固定。具体实施时，由于机械加工及装配工艺、薄片金属环平整度等因素的影响，轴承内圈上的第一薄片金属环和轴承外圈上的第二薄片金属环之间的间距在公差范围变化，轴承内圈上的第三薄片金属环和轴承外圈上的第四薄片金属环之间的间距在公差范围变化；而且轴承润滑脂有使用寿命，随着使用时间的推移，轴承润滑脂的密度、粘度有发生很小变化的可能，则轴承润滑脂的介电常数存在很小变化的可能；“测试误差不能避免，只能尽可能减小”是本领域公知常识，因此金属环之间的间距在公差范围变化、轴承润滑脂的介电常数随着使用时间的推移发生很小的变化，这些变化导致测试结果与理论值存在一定差异。使用时，第一薄片金属环、第二薄片金属环、第三薄片金属环、第四薄片金属环需具有良好导电性、良好延展性(铜、银、金、铝均可，可以制作成金属箔)，分别固定在绝缘垫片环上之后，具有良好的平整性；薄片金属环结构与转轴上的轴承结构融合，其中薄片金属环结构沿轴向对称不影响轴的动平衡，而且薄片状的金属环厚度很小、体积很小，与转轴上轴承结构融合后，适合于狭小紧凑空间的测试场合。理论上只要各电阻应变片随转轴转动可产生扭转形变，所有形式的第一电阻应变片和第二电阻应变片相对位置关系均可采用。根据材料力学，当电阻应变片与转轴的母线呈45°时，应变最大。具体实施时，可采用的电阻应变片的安装结构(参见图3)为：两电阻应变片位于转轴的同一径向面内，且第一电阻应变片与母线呈45°角，第二电阻应变片与母线呈-45°角。本专利技术所述薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法(扭矩测试装置的使用方法)为：将第三导线和第四导线接入电阻检测电路中。所述电阻检测电路为本领域公知测试电路，本领域技术人员常规使用的电阻检测电路为差动脉宽调制电路等。具体使用原理为：转轴受到扭转载荷作用下(扭矩为T)，第一电阻应变片的电阻Ra的阻值和第二电阻应变片的Rb的阻值发生变化，导致电容充电时间发生变化，引起电阻检测电路波形占空比变化，经过公知的低通滤波电路将波形占空比输出为电压信号，该输出电压信号可采用现有的测控仪表测量获得。电容的充电时间变化量与Ra电阻值变化量、Rb电阻值变化量相关，又由于根据材料力学知识，Ra和Rb的变化量与扭矩相关，则电容充电时间变化量反映了转轴的扭矩信息，连续测量即可实现转轴扭矩动态信息的传感及测试。本专利技术所述的轴承结构为一般的滚动轴承结构，为公知结构。轴承结构是支撑机械旋转体的必备重要部件之一，本专利技术所述的薄片金属环结构与轴承内圈、轴承外圈结构融合，也即薄片金属环的传感结构集成在轴承内部，随旋转轴一起装配，可以实时测试或监测轴的扭矩动态信息，解决了狭小空间后期本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，其特征在于，将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中；所述扭矩测试装置包括粘贴于转轴（1）被测部位的电阻元件，安装于转轴（1）上轴承内部的电容元件；所述电阻元件是由第一电阻应变片（3a）和第二电阻应变片（3b）构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴（1）上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴（1）转动各电阻应变片产生形变；所述电容元件包括环设于轴承内圈（5b）外径面上的第一绝缘垫片环（7a）和第三绝缘垫片环（7c），环设于轴承外圈（5a）内径面上的第二绝缘垫片环（7b）和第四绝缘垫片环（7d）；所述第一绝缘垫片环（7a）和第三绝缘垫片环（7c）外圆上分别环设有第一薄片金属环（8a）和第三薄片金属环（8c），第二绝缘垫片环（7b）和第四绝缘垫片环（7d）的内圆上分别环设有第二薄片金属环（8b）和第四薄片金属环（8d），第一电阻应变片（3a）的另一端通过第一导线（4a）连接于第一薄片金属环（8a）上，第二电阻应变片（3b）的另一端通过第二导线（4b）连接于第三薄片金属环（8c）上；所有的绝缘垫片环之间均不接触，所有的薄片金属环之间均不接触；所述第一薄片金属环（8a）与第二薄片金属环（8b）在径向上相对，第三薄片金属环（8c）与第四薄片金属环（8d）在径向上相对，轴承内圈（5b）与轴承外圈（5a）之间的空间通过轴承两端的左、右端盖（6a、6b）与外界环境相隔绝，且轴承内腔充满轴承润滑脂；所有的绝缘垫片环和薄片金属环与左、右端盖（6a、6b）之间存在间隙且不接触，所有的绝缘垫片环和薄片金属环与所有轴承滚珠（5c）之间存在间隙且不接触；转轴（1）转动时第一薄片金属环（8a）与第二薄片金属环（8b）相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴（1）转动时第三薄片金属环（8c）与第四薄片金属环（8d）相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，第二薄片金属环（8b）通过第三导线（4c）输出信号，第四薄片金属环（8d）通过第四导线（4d）输出信号；轴承外圈（5a）通过连接件（2）以及回转机械接地；所述扭矩测试装置是通过将第三导线（4c）和第四导线（4d）接入到电阻检测电路中的。...

【技术特征摘要】
1.一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，其特征在于，将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中；所述扭矩测试装置包括粘贴于转轴（1）被测部位的电阻元件，安装于转轴（1）上轴承内部的电容元件；所述电阻元件是由第一电阻应变片（3a）和第二电阻应变片（3b）构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴（1）上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴（1）转动各电阻应变片产生形变；所述电容元件包括环设于轴承内圈（5b）外径面上的第一绝缘垫片环（7a）和第三绝缘垫片环（7c），环设于轴承外圈（5a）内径面上的第二绝缘垫片环（7b）和第四绝缘垫片环（7d）；所述第一绝缘垫片环（7a）和第三绝缘垫片环（7c）外圆上分别环设有第一薄片金属环（8a）和第三薄片金属环（8c），第二绝缘垫片环（7b）和第四绝缘垫片环（7d）的内圆上分别环设有第二薄片金属环（8b）和第四薄片金属环（8d），第一电阻应变片（3a）的另一端通过第一导线（4a）连接于第一薄片金属环（8a）上，第二电阻应变片（3b）的另一端通过第二导线（4b）连接于第三薄片金属环（8c）上；所有的绝缘垫片环之间均不接触，所有的薄片金属环之间均不接触；所述第一薄片金属环（8a）与第二薄片金属环（8b）在径向上相对，第三薄片金属环（8c）与第四薄片金属环（8d）在径向上相对，轴承内圈（5b）...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌鑫，靳鸿，马铁华，祖静，裴东兴，武耀艳，王宇，李祖博，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14