行时，被测转轴承担的负载转矩为零，被测转轴的剪切 力与剪应变接近于零，也即单位长度相对扭转角0接近于零；当负载增加，则轴的剪切力 与剪应变增加，因而单位长度相对扭转角0增大，通过测量被测轴两端的相对扭转角的差 A0，在转轴的弹性范围内，其A0与外加扭矩My成线性关系，也即A0的大小反映了负 载转矩勺大小，系统中被测转轴通过刚性联接轴器、转矩传感器接机械负载；该转矩传感 器的转矩输出值与负载转矩My相对应；如果对于某一负载My,设与被测转轴的A0对应的 输出物理量为A，转矩传感器的输出值为B，对于另一负载心，与被测转轴的A0对应的输 出物理量为A'，转矩传感器的输出值为B'，如被测转轴在转轴的弹性范围内，则可知：
[0034]
[0035] 如被测转轴某部位出现裂缝，则出现裂缝的部位其轴剖面有效面积变小，因此，轴 的扭转刚度变小，在同一负载转矩的作用下，转矩传感器的输出仍对应于该负载转矩B'，即 输出值不变，而被测轴产生的A0变大，而对应的输出变成A''，此时，两者的比：
[0036]
[0037] 所从可W通过比较被测转轴的A 0输出A与转矩传感器的输出值B的目前运行 值的比及历史正常运行值的比，就能判断是否出现转轴裂缝故障，如运行值的比与历史正 常运行值的比相同，则可判断运行正常，如运行值的比与历史正常运行值的比变化，则可判 断出现故障，甚至可W通过变化值的大小来判别故障的严重程度。
[003引如图1所示，一种旋转机械断轴故障在线预测装置，该装置包括左刚性联轴器2、 左检测单元、右检测单元、右刚性联轴器8和转轴传感器9 ;
[0039] 动力源1通过左刚性联轴器2与被测转轴5的一端连接，被测转轴5的另一端通 过右刚性联接轴器8、转矩传感器9接机械负载10 ;被测转轴5的左端设有左检测单元、被 测转轴5的右端设有右检测单元。
[0040] 所述的左检测单元为由左激光反射式传感器4和设置在被测转轴上的左分刻度 反光膜3组成，右检测单元由右激光反射式传感器5和设置在被测转轴上的右分刻度反光 膜6组成。
[0041] 如图2所示，所述的左检测单元为由左光电传感器12和设置在被测转轴上的左圆 光栅11组成，右检测单元为由右光电传感器13和设置在被测转轴上的右圆光栅14组成。
[0042] 如图3、图4A所示，所述的左检测单元为由左祸流传感器16和设置在被测转轴上 的左侧齿轮15组成，右检测单元为由右祸流传感器17和设置在被测转轴上的右侧齿轮18 组成。
[0043] 如图3、图4B所示，所述的左检测单元为由左电磁感应传感器16和设置在被测转 轴上的左侧齿轮15组成，右检测单元为由右电磁感应传感器17和设置在被测转轴上的右 侧齿轮18组成。
【主权项】
1. 一种旋转机械断轴故障在线预测方法，其特征在于：该方法基于机械旋转轴是一弹 性体，在转矩的传递过程中所产生的剪应变与轴扭转刚度的关系，通过测量被测转轴的传 递转矩与应变量的关系来分析判断扭转刚度变化的情况，也即分析转轴裂缝产生的情况， 从而发现断轴故障的预兆。2. 根据权利要求1所述的一种旋转机械断轴故障在线预测方法，其特征在于：所述的 在转矩的传递过程中所产生的剪应变与轴扭转刚度的关系，通过测量被测转轴的传递转矩 与应变量的关系来分析判断扭转刚度变化的情况的过程为： 当被测转轴承受绕轴线转动的外扭转力作用时，其横截面纵截面都会出现剪应力，导 致被测转轴发生形变，绕被测转轴的轴线转过一角度，根据剪切胡克定律，在被测转轴的弹 性范围内，剪切力与剪应变之间存在线性关系，由联立力学方程可知：式中Ip= J AP2dA为被测转轴横截面对其中心的极惯性矩，其中A为被测转轴的横截 面面积；0为单位长度相对扭转角；Mx为外加扭矩；P被测转轴的密度；定义被测转轴的扭 转刚度为K=GIP，其中G为转轴的剪切弹性模量； 根据式（1)，当系统空载运行时，被测转轴承担的负载转矩为零，被测转轴的剪切力 与剪应变接近于零，也即单位长度相对扭转角0接近于零；当负载增加，则轴的剪切力与 剪应变增加，因而单位长度相对扭转角0增大，通过测量被测轴两端的相对扭转角的差 A0，在转轴的弹性范围内，其A0与外加扭矩Mx成线性关系，也即A0的大小反映了负 载转矩Mx的大小，系统中被测转轴通过刚性联接轴器、转矩传感器接机械负载；该转矩传感 器的转矩输出值与负载转矩凡相对应；如果对于某一负载Mx，设与被测转轴的△ 0对应的 输出物理量为A，转矩传感器的输出值为B，对于另一负载Mx'，与被测转轴的△ 0对应的输 出物理量为A'，转矩传感器的输出值为B'，如被测转轴在转轴的弹性范围内，则可知：如被测转轴某部位出现裂缝，则出现裂缝的部位其轴剖面有效面积变小，因此，轴的扭 转刚度变小，在同一负载转矩的作用下，转矩传感器的输出仍对应于该负载转矩B'，即输出 值不变，而被测轴产生的△ 9变大，而对应的输出变成A"，此时，两者的比：所以，可以通过比较被测转轴的A0输出A与转矩传感器的输出值B的目前运行值的 比及历史正常运行值的比，就能判断是否出现转轴裂缝故障，如运行值的比与历史正常运 行值的比相同，则可判断运行正常，如运行值的比与历史正常运行值的比变化，则可判断出 现故障。3. -种旋转机械断轴故障在线预测装置，其特征在于：该装置包括左刚性联轴器、左 检测单元、右检测单元、右刚性联轴器和转轴传感器； 动力源通过左刚性联轴器与被测转轴的一端连接，被测转轴的另一端通过右刚性联接 轴器、转矩传感器接机械负载；被测转轴的左端设有左检测单元、被测转轴的右端设有右检 测单元。4. 根据权利要求3所述的一种旋转机械断轴故障在线预测装置，其特征在于：所述的 左检测单元为由左激光反射式传感器和设置在被测转轴上的左分刻度反光膜组成，右检测 单元由右激光反射式传感器和设置在被测转轴上的右分刻度反光膜组成。5. 根据权利要求3所述的一种旋转机械断轴故障在线预测装置，其特征在于：所述的 左检测单元为由左光电传感器和设置在被测转轴上的左圆光栅组成，右检测单元为由右光 电传感器和设置在被测转轴上的右圆光栅组成。6. 根据权利要求3所述的一种旋转机械断轴故障在线预测装置，其特征在于：所述的 左检测单元为由左涡流传感器和设置在被测转轴上的左侧齿轮组成，右检测单元为由右涡 流传感器和设置在被测转轴上的右侧齿轮组成。7. 根据权利要求3所述的一种旋转机械断轴故障在线预测装置，其特征在于：所述的 左检测单元为由左电磁感应传感器和设置在被测转轴上的左侧齿轮组成，右检测单元为由 右电磁感应传感器和设置在被测转轴上的右侧齿轮组成。
【专利摘要】本发明针对现有技术的不足，提出了一种旋转机械断轴故障在线预测方法及装置，该方法基于机械旋转轴是一弹性体，在转矩的传递过程中所产生的剪应变与轴扭转刚度的关系，通过测量被测转轴的传递转矩与应变量的关系来分析判断扭转刚度变化的情况，也即分析转轴裂缝产生的情况，从而发现断轴故障的预兆。本发明与现有方法相比较，断轴故障的显示度明显提高，故障信息的信噪比明显提高，为断轴故障的预测提供了有效的保障。
【IPC分类】G01M13/02
【公开号】CN104964820
【申请号】CN201510267611
【发明人】冯浩, 赵浩, 丁立军, 王贺
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月22日