转轴动态载荷及形变在线多点同步监测系统研究

发布时间：2020-04-29 18:21

【摘要】：转轴在日常工业生产及生活中必不可少,从汽车推进转轴到船舶转轴,不同类型的转轴得到广泛的应用。转轴的扭矩载荷、转速、功率、应力应变等动态载荷参数是反映机械设备运行情况的关键信息。对这些参数准确的测量,可以为旋转机械设备的设计提供有价值的参考数据,可以帮助验证机械设备功率输出是否达到设计要求,同时对设备工作状况进行必要的监测和故障报警。转轴关键动态工作参数测试已经成为各种旋转机械设计、质量检验、工况监测和故障诊断等不可或缺的内容。因此,研制开发一套准确可靠的转轴多动态参数测试系统对机械设计及工业控制等领域具有重要的实用价值。本文在比较现有测试技术的基础上,结合工程应用的测试需求,提出了基于相位差原理的转轴扭矩载荷测量方案,该方案采用模拟输出和数字输出相结合的方式可以方便的对测试系统的零位进行识别处理,克服了以往基于脉冲信号测量中无法在静态条件下进行零位校正的困难;在获得动态扭矩载荷的基础上,基于脉冲计数法本文实现对转轴转速的测量,从而间接实现了对转轴动态功率的测量;为了实现对转轴因功率调整、负载突变、机械冲击等动态载荷的检测,设计实现了基于多点应变同步检测和负延时测试存储的技术方案,可以获得动态载荷作用前后的完整过程。基于ARM与FPGA的协同工作的方式,设计了包含信息获取与调理模块、主控模块、数据采集模块、存储模块、通讯模块和上位机处理软件的通用测试系统。以ARM为核心的主控模块运用了UCOSII操作系统实现了参数设置、状态监控、数据传输等多任务的调度和管理。以FPGA为核心的数据采集存储子系统,通过AD模块与高速模拟开关的配合可以进行多通道应变信号的伪同步采集,解决了多点分布测试的同步性问题。通过合理管理触发信号、测试时间以及NandFlash存储单元的循环模式,实现了动态测试所需要的负延时存储功能。在采用WIFI模块实现数据高速传输的同时,针对实际应用数据传输安全性和低功耗的要求,对超宽带UWB和Zigbee通讯的应用进行了理论性研究。同时开发了上位机软件负责完成对测试系统的控制以及测试数据的处理和显示。为了验证测试系统性能,于实验室环境选择传感器并搭建了模拟实验平台,设计了多种测试实验:完成了通道切换实验和数据存储的功能性实验、相位差及其零位的模拟输入实验、对应力应变测量的标定实验以及转速测量实验,最后在国防大扭矩载荷计量站对测试系统进行了转轴扭转变形测量的验证实验。实验结果表明系统可以实现预期的转轴动态载荷及多点应变的在线测试,可以达到预期的测试精度。
【图文】：

零位,信号,激光测头,扭转角

上海交通大学硕士学位论文得到的两个相位值作差分处理，得到两路信号之间的a=b 差值反映了转轴上扭转角的大小，因而可以根据式(3上述测量实现方案不同于传统方法的主要区别在于传而是连续的模拟正弦信号，信号幅度与激光测头和色相位差值主要与转轴两侧所形成的扭转角大小有关，的位置有关。实际应用中，无法保证两侧的激光测头，因此两路信号初始阶段将输出不同的电压值，即两即相位差的零位，如图 3-2 所示。

原理图,脉冲计数法,原理

上海交通大学硕士学位论文率测量原理中的转速测量方法可分为直接法和间接法[13]。本文将一路正弦信号整形成脉冲信号，然后采用脉冲计数法，由此求出转速值[15]。这种方法比较适合应用于转速由对时间间隔的测量决定。中为了提高转速测量的分辨率，，一般先将生成的脉冲高频率的基准脉冲对倍频脉冲进行测量[16-17]。基准脉，因而可以对信号脉冲高低电平的长度进行计数，根度，如下图 3-3 所示：
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.2

【参考文献】