CN107389181B - 一种扭振检测方法及其应用的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭振检测方法及其应用的传感器。永磁式旋转加速度传感器必须与待测转轴同轴同心安装。本发明一种扭振检测方法采用的传感器,包括桥臂和检测单元。检测单元包括输出绕组、滚轮、永磁磁钢和定子铁芯。步骤一、若待测转轴直径在传感器的检测范围内,则将传感器放置到待测转轴上并吸合。若待测转轴直径在传感器的检测范围外,则根据待测转轴露出部分的宽度,选择制造杯形扩径盘或柱形扩径盘。步骤二、根据输出绕组上输出的电压值,判断是否存在扭振及扭振情况。本发明通过在直径过小的转轴上固定扩径盘的方式,能够检测直径小于传感器检测下限的转轴的旋转加速度。
Description
技术领域
本发明属于扭振检测技术领域,具体涉及一种扭振检测方法及其应用的传感器。
背景技术
扭振是旋转机械***中存在的最常见的物理量之一,当原动机与负载之间存在转矩差则旋转机械***就会产生扭振,这一扭振使旋转***转轴产生旋转加速度的变化,并通过转轴传递给负载使旋转驱动***产生振动与噪声,因此,很有必要对旋转机械***的扭振信息进行有效测量分析,提出相应的抑制措施。目前公知的扭振测量传感器包括圆形光栅传感器和激光光栅传感器,这两种传感器所测到的信号是离散的,精度不高,安装也不方便。永磁式旋转加速度传感器测得的旋转加速度信号是连续的变化量,但永磁式旋转加速度传感器必须与转轴同轴同心直接连接,或者对于不同转轴直径制造与其相对应的便携式传感器。因此,对于已经定型并正在使用的且不能直接同轴同心安装永磁式旋转加速度传感器的场合,特别是只露出轴中间部位的场合,就无法用上述传感器方便的对转轴的旋转加速度进行测量,也就无法观察***产生扭振的情况。
发明内容
本发明的目的在于针对已经投入运行且被测转轴只露出局部的旋转机械***内转轴扭振信息测量的实际需求,提供一种扭振检测方法及其应用的通用型传感器。
本发明一种扭振检测方法采用的传感器,包括桥臂和检测单元。所述的检测单元包括输出绕组、滚轮、永磁磁钢和定子铁芯。所述定子铁芯内侧面的两端均支承有两个滚轮。支承在定子铁芯内侧面同一端的两个滚轮轴线重合。定子铁芯的正中位置开设有磁钢槽。磁钢槽内嵌有永磁磁钢。定子铁芯上缠绕有输出绕组。
所述的检测单元共有n个,n≥2。n个检测单元依次排列。任意两个相邻的检测单元内定子铁芯均通过桥臂连接。桥臂与定子铁芯的连接方式为铰接。相邻两个检测单元内永磁磁钢相对端的极性相同。n个检测单元内输出绕组的绕向一致,且串联设置。
该扭振检测方法具体如下:
步骤一、测量待测转轴露出部分的直径D2及宽度s。如果待测转轴的材质为金属,D2≥D1,且s>a,其中,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,D1为传感器可测最小直径,即任意两个相邻的定子铁芯均互相接触状态下,所对应的转轴轴径。则将n个定子铁芯的内侧面朝向并靠近待测转轴,n个检测单元上的滚轮均与待测转轴外圆周接触。
如果D2<D1或待测转轴的材质为非金属,则选择制造柱形扩径盘或杯形扩径盘。若s≥(b+c)×a,其中,b≥1.1,c≥0.5,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,则制造柱形扩径盘。柱形扩径盘呈阶梯轴状。柱形扩径盘端面上开设有孔径为D2的中心通孔。柱形扩径盘上直径较大轴段的直径为D3,长度为b×a,D3≥D1。柱形扩径盘上直径较小的轴段的长度为c×a。柱形扩径盘由两个第一拼接块拼接而成。两个第一拼接块可拆卸固定。将柱形扩径盘内的两个第一拼接块拆开后套上待测转轴并固定。将n个检测单元内定子铁芯的内侧面朝向并靠近柱形扩径盘上直径较大的轴段,使n个检测单元上的滚轮均与柱形扩径盘上直径较大的轴段外圆周接触。
若(c+0.2)×a≤s≤(b+c)×a,则制造杯形扩径盘。杯形扩径盘呈阶梯轴状。杯形扩径盘上直径较大的轴段外径为D4,长度为b×a,D4>D5,其中,D5为待测转轴露出部分两侧的障碍物中回转直径较小的那个障碍物的回转直径。杯形扩径盘上直径较小轴段的长度为c×a。杯形扩径盘端面中心位置上开设有阶梯通孔。阶梯通孔内孔径较小孔段的孔径等于D2。阶梯通孔内孔径较大的孔段位于杯形扩径盘轴径较大轴段内,且孔径为D6,深度为e,e>(b+c)×a-s,D5<D6<D4。杯形扩径盘由两个第二拼接块拼接而成。两个第二拼接块可拆卸固定。将杯形扩径盘内的两个第二拼接块拆开后套上待测转轴固定,并使得杯形扩径盘内阶梯通孔孔径较大孔段套在待测转轴露出部分两侧的障碍物中回转直径较小的那个障碍物外。将n个检测单元内定子铁芯的内侧面朝向并靠近杯形扩径盘上直径较大的轴段,使n个检测单元上的滚轮均与杯形扩径盘上直径较大的轴段外圆周接触。
步骤二、以与滚轮接触的待测转轴、柱形扩径盘或杯形扩径盘作为转子,转子表面的金属层作为转子导体。永磁磁钢N极—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路,其产生的磁通为Φ1。待测转轴转动,转子导体切割永磁磁钢产生的气隙磁场,产生感应电动势和感应电流。转子导体在感应电流的作用下产生磁通为Φ2的磁场,该磁通Φ2经过转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—桥臂—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子构成闭合磁路,磁通Φ2与输出绕组相交链。
若转子旋转速度稳定,则转子导体上产生的感应电动势恒定,产生的电流恒定,产生的磁场恒定,各输出绕组中不产生感应电动势。若转子转速不稳定,则转子导体切割磁通为Φ1的磁场时,切割速度存在变化分量,从而使转子导体上产生的感应电动势存在变化分量,产生的感应电流存在变化分量,因而磁通Φ2也存在变化分量,磁通Φ2的变化分量与各个输出绕组相交链,在各个输出绕组中产生感应电动势。输出绕组中的感应电动势叠加后从两个电压输出端输出。待测转轴的旋转加速度越大,则两个电压输出端输出的电压值越大,即扭振越严重。
进一步地,所述定子铁芯的横截面呈扇环形。四个滚轮的轴线与定子铁芯的中心轴线平行且距离相等。
进一步地,所述定子铁芯的两端端面上均开设有方槽。输出绕组缠绕在两个方槽上。
进一步地,所述定子铁芯由工字形的硅钢片冲片叠加而成。定子铁芯用于绕输出绕组的方槽部位外表面经过绝缘处理。
进一步地,所述的输出绕组由漆包线绕制而成。
进一步地,两个第一拼接块通过设置在柱形扩径盘直径较小轴段上的螺栓固定。两个第二拼接块通过设置在杯形扩径盘直径较小轴段上的螺栓固定。
进一步地,所述的第一拼接块一端设有三角形凸起,另一端设有三角形凹陷。第一拼接块上的三角形凹陷与三角形凸起的位置对应。
进一步地,所述的第二拼接块一端设有三角形凸起,另一端设有三角形凹陷。第二拼接块上的三角形凹陷与三角形凸起的位置对应。
本发明具有的有益效果是:
1、本发明针对已经定型并正在使用且不能安装对接型或轴套型永磁式旋转加速度传感器的转轴,利用转轴露出的局部通过通用型永磁式旋转加速度传感器检测出转轴的扭振情况。
2、本发明能够检测不同轴径的转轴的扭振情况。
3、本发明通过在直径过小的转轴上固定扩径盘的方式,能够检测直径小于传感器检测下限的转轴的旋转加速度。
4、本发明通过在直径过小且测量空间过窄的转轴上固定杯式扩径盘的方式,能够检测直径小于传感器检测下限,露出部分小于传感器宽度的转轴的旋转加速度。
附图说明
图1为本发明采用的传感器安装在转轴上的示意图;
图2为本发明采用传感器的俯视示意图;
图3为本发明采用的传感器配合柱形扩径盘安装在转轴上的示意图;
图4为本发明采用的传感器配合杯形扩径盘安装在转轴上的示意图;
图5为本发明中柱形扩径盘的端面示意图;
图6为本发明中杯形扩径盘的端面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示,一种扭振检测方法采用的通用型传感器,包括桥臂5和检测单元。检测单元包括输出绕组1、滚轮2、永磁磁钢3和定子铁芯4。定子铁芯4的横截面呈扇环形状。定子铁芯4内弧面的两端均支承有两个滚轮。支承在定子铁芯4内弧面同一端的两个滚轮轴线重合。四个滚轮的轴线与定子铁芯4内弧面的中心轴线平行且距离相等。定子铁芯4的正中位置开设有磁钢槽。磁钢槽内嵌有永磁磁钢3。永磁磁钢的磁极朝向沿定子铁芯4内弧面中心轴线的周向设置。定子铁芯4的两端面上均开设有方槽。输出绕组缠绕在两个方槽上。定子铁芯由工字形状的硅钢片冲片叠加而成。定子铁芯的外表面经过绝缘处理。
检测单元共有三个。三个检测单元依次排列。任意两个相邻的检测单元内定子铁芯4均通过桥臂5连接。桥臂5与定子铁芯4的连接方式为铰接。相邻两个检测单元内永磁磁钢3相对端的极性相同。三个检测单元内输出绕组的绕向一致,且串联设置构成一个串联回路,以使串联回路输出端的感应电势值为各输出绕组中的感应电势叠加输出,即把各检测单元的绕组按相邻检测单元内输出绕组感应电势“+”“-”端相连。两个位于最外端的输出绕组上未与相邻输出绕组连接的那个接线端分别为两个电压输出端。
该扭振检测方法具体如下:
步骤一、测量待测转轴9露出部分的直径D2及宽度s。如果待测转轴的材质为金属,D2≥D1,且s>a,其中,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,D1为传感器能够检测最小直径转轴的直径,即所有滚轮均与直径为D1的转轴接触的情况下,任意两个相邻的定子铁芯均互相接触。则将三个检测单元内定子铁芯的内弧面朝向并靠近待测转轴9。永磁磁钢与待测转轴9产生吸力,三个检测单元均被吸附在待测转轴9上,三个检测单元上的滚轮均与待测转轴9外圆周接触。三个定子铁芯的内圆弧均与待测转轴9具有气隙。在待测转轴9转动的情况下,滚轮在待测转轴9上滚动,三个检测单元在空间上均保持静止,故待测转轴9与三个检测单元产生相对运动。由于检测单元与桥臂5能够相对转动,故三个检测单元对于不同轴径的待测转轴9均能够实现良好吸附。
如果D2<D1或待测转轴的材质为非金属,则选择制造柱形扩径盘或杯形扩径盘。若s≥(b+c)×a,b的值取1.3,c的值取0.7,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,则制造金属材料制成的柱形扩径盘6。如图3和5所示,柱形扩径盘6呈阶梯轴状。柱形扩径盘6端面上开设有孔径为D2的中心通孔。柱形扩径盘上直径较大轴段的直径为D3,长度为b×a,D3≥D1。柱形扩径盘上直径较小的轴段的长度为c×a。柱形扩径盘6由两个完全相同的第一拼接块11拼接而成。第一拼接块11一端设有三角形凸起12,另一端设有三角形凹陷。第一拼接块11上的三角形凹陷与三角形凸起12的位置对应。第一拼接块11上的三角形凹陷与三角形凸起12用于两个第一拼接块的快速定位。两个第一拼接块11通过设置在柱形扩径盘6直径较小轴段上的螺栓10固定。得到柱形扩径盘6后,将两个柱形扩径盘6内的第一拼接块11拆开后套上待测转轴9并固定。将三个检测单元内定子铁芯的内弧面朝向并靠近柱形扩径盘6上直径较大的轴段。永磁磁钢与柱形扩径盘6上直径较大的轴段产生吸力,三个检测单元被吸附在柱形扩径盘6直径较大的轴段上,三个检测单元上的滚轮均与柱形扩径盘6上直径较大的轴段外圆周接触。
若(c+0.2)×a≤s≤(b+c)×a,则制造金属材料制成的杯形扩径盘8。如图4和6所示,杯形扩径盘8呈阶梯轴状。杯形扩径盘上直径较大的轴段外径为D4,长度为b×a,D4>D5,其中,D5为待测转轴露出部分两侧的障碍物中回转直径较小的那个障碍物的回转直径。杯形扩径盘上直径较小轴段的长度为c×a。杯形扩径盘端面中心位置上开设有阶梯通孔。阶梯通孔内孔径较小孔段的孔径等于D2。阶梯通孔内孔径较大的孔段位于杯形扩径盘轴径较大轴段内,且孔径为D6,深度为e,e>(b+c)×a-s,D6>D5。进而确保各检测单元在转轴转动中不与障碍物发生碰撞。杯形扩径盘8由两个完全相同的第二拼接块13拼接而成。第二拼接块13一端设有三角形凸起12,另一端设有三角形凹陷。第二拼接块13上的三角形凹陷与三角形凸起12的位置对应。第二拼接块13上的三角形凹陷与三角形凸起12用于两个第二拼接块的快速定位。两个第二拼接块13通过设置在杯形扩径盘8直径较小轴段上的螺栓10固定。得到杯形扩径盘8后,将两个杯形扩径盘8内的第二拼接块13拆开后套上待测转轴9固定,并使得杯形扩径盘8内阶梯通孔孔径较大孔段套住待测转轴9露出部分两侧的障碍物7中回转直径较小的那个障碍物7。将三个检测单元内定子铁芯的内弧面朝向并靠近杯形扩径盘8上直径较大的轴段。永磁磁钢与杯形扩径盘8上直径较大的轴段产生吸力,三个检测单元被吸附在杯形扩径盘8直径较大的轴段上,三个检测单元上的滚轮均与杯形扩径盘8上直径较大的轴段外圆周接触。三个定子铁芯的内圆弧均与杯形扩径盘8上直径较大的轴段具有气隙,在待测转轴9转动的情况下,滚轮在杯形扩径盘8直径较大的轴段上滚动,三个检测单元保持静止,故杯形扩径盘8上直径较大的轴段与三个检测单元产生相对运动。由于检测单元与桥臂5能够相对转动,故三个检测单元对于不同外径的杯形扩径盘8上直径较大的轴段均能够实现良好吸附。
步骤二、以与滚轮接触的待测转轴、柱形扩径盘或杯形扩径盘作为转子,转子表面的金属层作为转子导体。永磁磁钢N极—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路,其产生的磁通为Φ1。待测转轴转动,使得转子导体转动切割永磁磁钢产生的气隙磁场,产生感应电动势和感应电流。转子导体在感应电流的作用下产生磁通为Φ2的磁场,该磁通Φ2经过转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—桥臂—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子构成闭合磁路,磁通Φ2与输出绕组相交链。
若转子旋转速度稳定,则转子导体上产生的感应电动势恒定,产生的电流恒定,产生的磁场恒定,输出绕组中不产生感应电动势。若转子转速不稳定,则转子导体切割磁通为Φ1的磁场时,切割速度存在变化分量,从而使转子导体上产生的感应电动势存在变化分量,产生的感应电流存在变化分量,因而磁通Φ2也存在变化分量,磁通Φ2的变化分量与各个输出绕组相交链,在各个输出绕组中产生感应电动势。由于各输出绕组串联,故输出绕组中的感应电动势叠加后从两个电压输出端输出。待测转轴的旋转加速度越大,则两个电压输出端输出的电压值越大,即扭振越严重。可见,电压输出端输出的电动势的变化情况反映了待测转轴旋转加速度的变化情况。由于旋转加速度与原动机、负载之间的扭矩差成正比。扭振由原动机、负载之间的扭矩差产生。因此,待测转轴旋转加速度能够直接反映出扭振情况。
Claims (9)
1.一种扭振检测方法,其特征在于:采用的传感器,包括桥臂和检测单元;所述的检测单元包括输出绕组、滚轮、永磁磁钢和定子铁芯;所述定子铁芯内侧面的两端均支承有两个滚轮;支承在定子铁芯内侧面同一端的两个滚轮轴线重合;定子铁芯的正中位置开设有磁钢槽;磁钢槽内嵌有永磁磁钢;定子铁芯上缠绕有输出绕组;
所述的检测单元共有n个,n≥2;n个检测单元依次排列;任意两个相邻的检测单元内定子铁芯均通过桥臂连接;桥臂与定子铁芯的连接方式为铰接;相邻两个检测单元内永磁磁钢相对端的极性相同;n个检测单元内输出绕组的绕向一致,且串联设置;
该扭振检测方法具体如下:
步骤一、测量待测转轴露出部分的直径D2及宽度s;如果待测转轴的材质为金属,D2≥D1,且s>a,其中,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,D1为传感器可测最小直径,即任意两个相邻的定子铁芯均互相接触状态下,所对应的转轴轴径;则将n个定子铁芯的内侧面朝向并靠近待测转轴,n个检测单元上的滚轮均与待测转轴外圆周接触;
如果D2<D1或待测转轴的材质为非金属,则选择制造柱形扩径盘或杯形扩径盘;若s≥(b+c)×a,其中,b≥1.1,c≥0.5,a为检测单元沿定子铁芯中心轴线方向的宽度,则制造柱形扩径盘;柱形扩径盘呈阶梯轴状;柱形扩径盘端面上开设有孔径为D2的中心通孔;柱形扩径盘上直径较大轴段的直径为D3,长度为b×a,D3≥D1;柱形扩径盘上直径较小的轴段的长度为c×a;柱形扩径盘由两个第一拼接块拼接而成;两个第一拼接块可拆卸固定;将柱形扩径盘内的两个第一拼接块拆开后套上待测转轴并固定;将n个检测单元内定子铁芯的内侧面朝向并靠近柱形扩径盘上直径较大的轴段,使n个检测单元上的滚轮均与柱形扩径盘上直径较大的轴段外圆周接触;
若(c+0.2)×a≤s≤(b+c)×a,则制造杯形扩径盘;杯形扩径盘呈阶梯轴状;杯形扩径盘上直径较大的轴段外径为D4,长度为b×a,D4>D5,其中,D5为待测转轴露出部分两侧的障碍物中回转直径较小的那个障碍物的回转直径;杯形扩径盘上直径较小轴段的长度为c×a;杯形扩径盘端面中心位置上开设有阶梯通孔;阶梯通孔内孔径较小孔段的孔径等于D2;阶梯通孔内孔径较大的孔段位于杯形扩径盘轴径较大轴段内,且孔径为D6,深度为e,e>(b+c)×a-s,D5<D6<D4;杯形扩径盘由两个第二拼接块拼接而成;两个第二拼接块可拆卸固定;将杯形扩径盘内的两个第二拼接块拆开后套上待测转轴固定,并使得杯形扩径盘内阶梯通孔孔径较大孔段套在待测转轴露出部分两侧的障碍物中回转直径较小的那个障碍物外;将n个检测单元内定子铁芯的内侧面朝向并靠近杯形扩径盘上直径较大的轴段,使n个检测单元上的滚轮均与杯形扩径盘上直径较大的轴段外圆周接触;
步骤二、以与滚轮接触的待测转轴、柱形扩径盘或杯形扩径盘作为转子,转子表面的金属层作为转子导体;永磁磁钢N极—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路,其产生的磁通为Φ1;待测转轴转动,使得转子导体切割永磁磁钢产生的气隙磁场,产生感应电动势和感应电流;转子导体在感应电流的作用下产生磁通为Φ2的磁场,该磁通Φ2经过转子—转子与定子铁芯间气隙—定子铁芯—桥臂—定子铁芯—转子与定子铁芯间气隙—转子构成闭合磁路,磁通Φ2与输出绕组相交链;
若转子旋转速度稳定,则转子导体上产生的感应电动势恒定,产生的电流恒定,产生的磁场恒定,各输出绕组中不产生感应电动势;若转子转速不稳定,则转子导体切割磁通为Φ1的磁场时,切割速度存在变化分量,从而使转子导体上产生的感应电动势存在变化分量,产生的感应电流存在变化分量,因而磁通Φ2也存在变化分量,磁通Φ2的变化分量与各个输出绕组相交链,在各个输出绕组中产生感应电动势;输出绕组中的感应电动势叠加后从两个电压输出端输出;待测转轴的旋转加速度越大,则两个电压输出端输出的电压值越大,即扭振越严重。
2.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述定子铁芯的横截面呈扇环形;四个滚轮的轴线与定子铁芯的中心轴线平行且距离相等。
3.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述定子铁芯的两端端面上均开设有方槽;输出绕组缠绕在两个方槽上。
4.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述定子铁芯由工字形的硅钢片冲片叠加而成;定子铁芯用于绕输出绕组的方槽部位外表面经过绝缘处理。
5.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述的输出绕组由漆包线绕制而成。
6.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:两个第一拼接块通过设置在柱形扩径盘直径较小轴段上的螺栓固定;两个第二拼接块通过设置在杯形扩径盘直径较小轴段上的螺栓固定。
7.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述的第一拼接块一端设有三角形凸起,另一端设有三角形凹陷;第一拼接块上的三角形凹陷与三角形凸起的位置对应。
8.根据权利要求1所述的一种扭振检测方法,其特征在于:所述的第二拼接块一端设有三角形凸起,另一端设有三角形凹陷;第二拼接块上的三角形凹陷与三角形凸起的位置对应。
9.如权利要求1所述的一种扭振检测方法所应用的传感器,其特征在于:包括桥臂和检测单元;所述的检测单元包括输出绕组、滚轮、永磁磁钢和定子铁芯;所述定子铁芯内侧面的两端均支承有两个滚轮;支承在定子铁芯内侧面同一端的两个滚轮轴线重合;所述定子铁芯的横截面呈扇环形;四个滚轮的轴线与定子铁芯的中心轴线平行且距离相等;定子铁芯的正中位置开设有磁钢槽;磁钢槽内嵌有永磁磁钢;定子铁芯上缠绕有输出绕组;所述的输出绕组由漆包线绕制而成;
所述的检测单元共有n个,n≥2;n个检测单元依次排列;任意两个相邻的检测单元内定子铁芯均通过桥臂连接;桥臂与定子铁芯的连接方式为铰接;相邻两个检测单元内永磁磁钢相对端的极性相同;n个检测单元内输出绕组的绕向一致,且串联设置。
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