一种大型泥泵轴头动应力测试装置的制作方法

1.本实用新型属于疏浚泥泵装置监测领域，涉及一种用于实时监测疏浚泥泵轴头动应力的装置。


背景技术：

2.泥泵是耙吸挖泥船和绞吸挖泥船等疏浚工程船舶的关键输送设备之一，它的运行稳定性对疏浚船舶有着重要影响。泥泵轴系作为泥泵机组主要构件，承担着泥泵全部的动力传输任务，泵轴失效会直接导致停工，影响疏浚工程效益。对于强度校核合格的泵轴，泥泵运行于设计工况时，泵轴上的载荷通常较小且较稳定，泵轴可以安全可靠运行。但疏浚工程中工况复杂多变，泥泵时常偏离设计工况运行，叶轮也可能遭遇石块冲击、汽蚀等问题，导致泵轴上的载荷增大且大幅波动，严重时可能造成泵轴屈服失效或疲劳失效。
3.泥泵安装在挖泥船上且通常长时间运行，目前缺乏故障监测相关的装置，通常出现故障时才进行检修，此时泵轴往往已形成不可修复的损伤，只能整根拆换，增加了装备成本且影响施工进度。在挖泥船施工中，实时监测泵轴上的载荷情况有助于预防断轴事故。径向力、轴向力、扭矩是泵轴上的主要载荷，与泥泵运行工况密切相关。径向力的主要来源为叶轮重力及叶轮所受水力径向力，轴向力的主要来源是叶轮所受轴向水推力，这两类载荷的主要承载位置为叶轮与轴承之间的轴段；扭矩来自电机并通过整根泵轴传递到叶轮端。扭矩可以通过功率仪或扭矩仪等成熟产品直接测得，而径向力与轴向力则尚未有成熟的测量装置。
4.通过测量应变可以间接得到结构的应力情况，进而反映结构上的载荷水平。实验室内针对泵轴径向力与轴向力的测量通常采用应变测量方法。鉴于在旋转的泵轴上布设测量设备有一定难度，某些实验室尝试采用在泵轴上加装特殊结构件或改造轴承座内部结构等手段，通过测量静止部件上的应变而间接计算泵轴载荷。这些技术方案通常不能同时开展径向力和轴向力的测量，也不适用于大型泥泵的实船监测。


技术实现要素：

5.本实用新型从泥泵轴系应力实船监测目的出发，基于泵轴应力应变关系，针对最易发生断轴问题的叶轮与轴承之间轴段，设计了一种同时监测轴向应力(由轴向力产生)、弯曲应力(由径向力产生)、扭转应力(由扭矩产生)的装置。本实用新型所提出的装置可直接用于现有挖泥船，且易于推广。
6.本实用新型的技术方案如下：
7.一种大型泥泵轴头动应力测试装置，其特征在于，包括：应变片单元和信号采集器；所述信号采集器包括信号采集模块；所述应变片单元包括多组应变片；
8.所述应变片单元和信号采集模块构成多组应力测量电路，安装于泥泵泵轴轴头叶轮与轴承之间的光轴段外围，用于采集轴头多组应变信号。
9.所述应变片单元和信号采集模块构成多组应力测量电路，包括：测量轴向应力的
应变片及测量电桥电路、测量弯曲应力的应变片及测量电桥电路和测量扭转应力的应变片及测量电桥电路。
10.所述信号采集模块包括基准应变片和电压测量设备，用于采集轴头应变信号，所述基准应变片与所述应变片单元共同构成惠斯通电桥，所述电压测量设备用于测量惠斯通电桥的电压，生成采集信号。
11.所述信号采集器包括电源模块、信号采集模块和无线发射模块；所述电源模块为信号采集器提供电源；所述信号采集模块的输出连接无线发射模块；所述无线发射模块用于将采集信号通过无线传输方式发送出去。
12.所述测量轴向应力的应变片及测量电桥电路，包括第一应变片
①
和第二应变片
②
、2片基准应变片；在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
轴对称地粘贴两片平行于轴线的第一应变片和第二应变片，所述第一应变片、第二应变片和2片基准应变片构成惠斯通电桥的四个臂；其中，第一应变片、第二应变片设置于惠斯通电桥的一组对臂，即第一臂和第三臂，2片基准应变片设置于惠斯通电桥的另一组对臂，即第二臂和第四臂。
13.所述测量弯曲应力的应变片及测量电桥电路，包括第三应变片
③
和第四应变片
④
、2片基准应变片，在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
对称粘贴两片平行于轴线的第三应变片和第四应变片，第三应变片、第四应变片和2片基准应变片构成惠斯通电桥的四个臂；其中，第三应变片设置于惠斯通电桥的第一臂，第四应变片设置于惠斯通电桥的第四臂，2片基准应变片分别设置于惠斯通电桥的第二臂和第三臂。
14.所述测量扭转应力的应变片及测量电桥电路，包括第五应变片
⑤
和第六应变片
⑥
、第七应变片
⑦
和第八应变片
⑧
；在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
对称粘贴两组双轴应变片，第五应变片和第六应变片一组，第七应变片和第八应变片一组；每个双轴应变片上有两片与轴线呈45
°
相交的单轴应变片，第五应变片、第六应变片、第七应变片和第八应变片构成惠斯通电桥的四个臂；其中，第五应变片设置于惠斯通电桥的第一臂，第八应变片设置于惠斯通电桥的第二臂，第七应变片设置于惠斯通电桥的第三臂，第六应变片设置于惠斯通电桥的第四臂。
15.所述一种大型泥泵轴头动应力测试装置，还包括信号处理器；
16.所述信号处理器包括信号接收模块、信号过滤模块和信号处理模块；所述信号接收模块接收信号采集器发送的信号，并通过所述信号过滤模块进行信号除噪，除噪后的信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于接收和处理应变信号。
17.所述一种大型泥泵轴头动应力测试装置，还包括显示器；所述显示器与信号处理器输出连接，用于显示轴向应力、弯曲应力、剪切应力及米塞斯等效应力结果。
18.本实用新型监测的三个应力分量及等效的米塞斯应力可以实时表征泵轴健康状态。
19.本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：
20.1)本实用新型提供了一种监测泥泵轴头动应力的装置，在不改变原泵轴结构的条件下分别测量不同来源的三向应力，所得数据可以辅助判断故障来源或判断工况的危险性，为检修或调节工况提供参考。
21.2)利用电桥技术，有效分离应变测量中的干涉因素，提高泵轴三向应力的测试精度。
附图说明
22.图1为本实施例中疏浚泥泵示意图
23.图2为本实用新型中监测泥泵轴头动应力测量装置系统构成示意图
24.图3为本实用新型所述信号采集器模块示意图
25.图4为本实用新型应变片粘贴位置布置方案示意图
26.图5为本实用新型轴向应力测试应变片布置及测量电桥的原理图
27.图6为本实用新型弯曲应力测试应变片布置及测量电桥的原理图
28.图7为本实用新型扭转应力测试应变片布置及测量电桥的原理图
29.附图标记如下：
30.1应变片单元
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2信号采集器
31.3信号处理器
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4显示器
32.5泵轴
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6泥泵
33.21电源模块
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22信号采集模块(含基准应变片)
34.23无线发射模块
具体实施方式
35.下面结合附图和实例对本实用新型的具体实施方式进一步说明：本实用新型以一台疏浚泥泵泵轴监测为例进行说明，但本实用新型的保护范围不限于此，亦可应用于其它类型转轴。
36.应用例
37.如图1，本文一台疏浚泥泵为研究对象，其主要设计参数为：流量1800m3/h，扬程45m，泵轴转速600rpm。
38.如图2所示，一种大型泥泵轴头动应力监测装置，包括应变片单元1、信号采集器2、信号处理器3和显示器4。所述应变片单元1安装于泥泵泵轴轴头危险截面，随着泵轴的旋转运行，应变片单元1发生形变产生电信号；信号采集器2布置位置有a、b两种方案，优选a方案，信号采集器2采集应变信号并无线传输至所述信号处理器3；信号处理器3用于接收和处理应变信号，并通过转化方法，转化为动应力；所述显示器4用于显示实时动应力大小。
39.所述应变片单元1采用所述转轴动应力测试方法中，应变片及测量测量电桥的布置方案，进行应变片单元1的布置。如图4，应变片
①
和
②
轴对称的布置于测试轴段，并与信号采集器2中内置的基准应变片(应变恒定，假定为0)基于图5搭建电桥。同理，在该轴段其他周向位置，轴对称地布置应变片
③
与
④
，与采集器2中内置基准应变片基于图6搭建电桥；与轴线呈45
°
布置应变片
⑤
和
⑥
，并轴对称地布置应变片
⑦
和
⑧
，四个应变片基于图7进行全桥连接。随着泵轴的旋转运行采集轴头应变信号并传输至信号采集器2。
40.如图3，所述信号采集器2包括电源模块21、信号采集模块22、无线发射模块23。进一步地，自带的电源模块21为信号采集器2提供电源，并可进行反复充电使用；所述信号采集模块22用来采集轴头应变信号，并通过所述无线发射模块23则将采集信号通过无线传输形式发射出去。举例而非限定，所述电源模块21、信号采集模块22、无线发射模块23采用北京必创科技有限公司无线应变传感器节点(芯片)，型号是型号sg403/sg404，该芯片集成了上述3个模块。
41.所述信号处理器3包括信号接收模块31、信号过滤模块32以及信号处理模块33。进一步地，信号接收模块31用于接收和处理应变信号，并通过信号过滤模块32进行信号除噪，除噪后的信号传输至所述信号处理模块33；所述信号处理模块33用于接收和处理应变信号，并采用所述应变应力换算方法进行编程换算，实现应变信号转化为动应力信号，实现三种动应力的信号转化。举例而非限定，所述信号接收模块31、信号过滤模块32以及信号处理模块33是上述无线应变传感器节点配套的信号接收器，内置软件是北京必创科技有限公司专门为其无线传感器网络开发的专业应用软件：必创beedata软件单机版，软件可安装于任意电脑上，信号接收器通过usb与安装软件的电脑连接即可实时显示测试数据，并可在软件上实时处理数据。
42.所述显示器4用于显示转化后的实时轴向应力、弯曲应力、扭转应力及米塞斯等效应力的大小。
43.应变片及测量电桥的布置方案以及应变应力换算方法。
44.(1)轴向应力测试与换算
45.在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
轴对称地粘贴两片平行于轴线的应变片(
①
&
②
，见图4)，利用信号采集器中的基准应变片(不受力、不变形)组成如图5所示的对臂电桥。泵轴承受轴向力时，应变片(
①
&
②
)产生同向的轴向变形εb；此外，若泵轴同时承受弯矩，应变片(
①
&
②
)会产生相反的轴向变形εw和-εw。惠斯通电桥电路中，“邻臂相减，对臂相加”，因此，图1电桥输出结果ε
b测
为2倍的应变εb。轴向应力σb的计算公式如式(1)-(2)，其中e为泵轴材料的弹性模量。
[0046][0047]
σb＝eε
b (2)
[0048]
(2)弯曲应力测试与换算
[0049]
在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
对称粘贴两片平行于轴线的应变片(
③
&
④
)，利用信号采集器中的基准应变片组成如图6所示的半桥。泵轴承受弯矩，应变片(
③
&
④
)会产生相反的轴向变形εw和-εw；此外，若泵轴同时承受轴向力时，应变片(
③
&
④
)产生同向的轴向变形εb。根据“邻臂相减，对臂相加”，图2电桥输出结果ε
w测
为2倍的应变εw。弯曲应力σw的计算公式如式(3)-(4)。
[0050][0051]
σw＝eε
w (4)
[0052]
(3)扭转应力测试与换算
[0053]
在叶轮与轴承之间的光轴段上180
°
对称粘贴两组双轴应变片(
⑤
&
⑥
，
⑦
&
⑧
)，每个双轴应变片上有两片与轴线呈45
°
相交的单轴应变片，组成如图7所示的全桥。泵轴承受扭矩，应变片(
⑤
&
⑥
)会产生相反的扭转变形ε
τ
和-ε
τ
，应变片(
⑦
&
⑧
)也产生相反的扭转变形ε
τ
和-ε
τ
；此外，若泵轴同时承受轴向力，应变片(
⑤
&
⑥
&
⑦
&
⑧
)产生相同轴向变形εb；若泵轴同时承受弯矩，应变片(
⑤
&
⑥
)产生相同变形εw，应变片(
⑦
&
⑧
)会产生反向的相同变形-εw。根据“邻臂相减，对臂相加”，图3电桥输出结果ε
τ测
为4倍的剪切应变ε
τ
。剪切应力τ的计算公式如式(5)-(7)，其中，μ为泵轴材料的泊松比。
[0054][0055]
τ＝gε
τ (6)
[0056][0057]
需要声明的是，上述计算公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)涉及应变应力换算，皆为电路分析和应力测试领域的通识，非本技术首次披露的创新内容。
[0058]
本实用新型易于操作，测试精度高，为疏浚泥泵泵轴的动应力测试提供一种有效的测试装置，对疏浚泥泵泵轴测试与长时监测具有很好的使用价值。本实用新型并不限于上述实施例，也包含本实用新型构思范围内的其他实施例或变形例。