[发明专利]一种转轴动静态扭矩测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种转轴动静态扭矩测量系统及方法，装置包括磁栅a、磁栅b、磁读头a、磁读头b、信号采集单元、扭矩计算单元。磁栅a、b分别环绕安装于转轴两端，形成与转轴同轴的圆环，产生接缝a、b。磁读头a、b分别安装在磁栅条a、b上方，调整安装气隙距离，消除接缝a、b对测量结果的影响。磁栅a、b随转轴转动，磁读头a、b感应磁场变化产生两组四路类正弦电压信号sina、sinb、cosa、cosb。信号采集单元对四路信号同时进行高频电压采样，并通过扭矩计算单元采用反正弦法计算转轴扭矩。本发明可以对任意转轴进行全扭矩范围的动静态扭矩测量，无需考虑磁栅接缝影响，安装便捷，且扭矩测量精度高。

技术领域

本发明涉及转轴扭矩测量，具体涉及一种转轴动静态扭矩测量系统及方法。

背景技术

转轴是机械传动系统中的重要部件，而对转轴扭矩进行实时、稳定、准确的监测可为机械传动系统的故障报警、诊断维护及运行可靠性提供有力保障。

根据测量原理的不同，当前的扭矩测量技术可以分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类。其中，平衡力法由于自身测量机制的局限性只适合测量静止或匀速运动下的扭矩，而能量转换法因测量的间接因素过多导致测量精度较差。传递法不仅测量精度高，还可以实时监测扭矩数值变化，因此得到了最为广泛的关注和深入的研究。传递法是一种通过测量扭矩传递过程中弹性元件的形变导致的物理参数的变化来计算扭矩大小的方法，可以根据测量原理的不同主要可分为应力应变式、扭角式和软测量式三类。

应力应变式扭矩传感器可以通过敏感元件测量转轴的应力来计算转轴的扭矩，其代表性传感器是电阻应变式传感器和磁致伸缩式传感器。电阻应变式传感器利用电阻应变片在受到扭矩作用时电阻率会发生改变的特性来测量扭矩数值。该类传感器抗干扰能力较差，温度及应变片粘贴位置都会对测量结果产生较大影响。磁致伸缩式传感器是一种基于铁磁材料磁致伸缩效应的新型传感器，通过测量磁致伸缩涂层在转轴扭转应力作用下磁导率的变化来测量扭矩大小。由于其敏感材料涂层与弹性轴本身的磁致弹效应程度不一致，所以通过该型传感器测得的扭矩并非转轴真实扭矩。

扭角式测量法又称为相位差式测量法，是一种通过测量转轴两端由于扭矩的加载而产生的相对扭转角来计算转轴扭矩的方法。传统扭角式测量法包括光电式、磁电式、电容式和激光多普勒式等。其中，前三种测量方式都是通过在转轴上安装细分鉴相装置来直接测量转轴两端截面间的相对扭角。由于其用于产生相位信息的光电编码器或齿轮等通常体积较大、结构较为复杂，需要根据转轴直径进行定制，并且安装时需要进行断轴操作，步骤繁琐。而激光多普勒式扭矩测量方法则是通过激光照射在旋转转轴上时产生的多普勒效应得到转轴两端各自的转速，再通过积分得到两端的相位差。该方法由于激光装置的存在，导致成本较高，且易受到灰尘等因素的干扰。

软测量法可以通过对整个传动链进行软件建模，由一系列已知的运行参数去计算转轴当前扭矩，但是该方法对于所建立模型的精确度要求很高，而对于诸如风电机组等复杂机械难以建立准确模型，导致该方法的准确度差强人意。

此外，专利申请公布号CN109282927A提出了一种轴扭矩测量系统及测量方法。该系统及方法本质上属于扭角式测量法，由于采用磁栅作为转轴的鉴相装置从而克服了传统扭角式测量法需要断轴安装鉴相器的缺点。但是对于磁栅安装后所产生的接缝，该方法选择在每条磁栅上方布置两个磁读头，当转轴旋转使得接缝扫过磁读头产生不连续信号时切换磁读头，从而减弱接缝对于扭矩测量结果的影响。该种对接缝的处理方法存在两处弊端：一是测量系统采用两组四个磁读头导致整套装置结构复杂，成本高昂；二是在系统监测到信号发生畸变后才执行切换磁读头的动作，此时畸变信号已经产生，造成测量误差，尤其是当转轴转速较高时，因此该方法中未能完全消除接缝对于测量结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转轴动静态扭矩测量系统及方法，以解决传统扭矩测量方法中测量准确度及精确度较低、环境适应性较差、尺寸定制及安装繁琐的缺点。