一种大扭矩压滤机扭矩测量方法与流程

1.本发明涉及扭矩测量技术领域，具体一种大扭矩压滤机扭矩测量方法。


背景技术：

2.转矩信号作为不同机械传动部件过程状态监测、故障早期预警和优化控制的重要信息参数，是一种映证机械动力传递工状的重要参数，测量扭矩信号对于复杂机电设备工作运行的状态在线检测，具有非常实际的重大意义。国内对于机械设备的扭矩测量十分重视，但对于大扭矩压滤机的扭矩测量，目前的研究仍然较少。
3.对压滤机的扭矩进行测量，通常的思路是利用扭矩传感器直接测量，再通过测试系统将结果输出。但由于本发明专利中涉及到的压滤机螺杆与压头之间采取扭转顶紧的方式，且扭矩过大，属于大量程扭矩，很难选择合适的大扭矩传感器实现压滤机实时扭矩的测量，因此传统的扭矩测量手段并不适用与本发明专利中的大扭矩压滤机。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在利用三维软件对压滤机进行模型构造，再通过虚拟样机技术对压滤机进行模型仿真，将扭矩作为输入量，压力作为输出量，通过输入多组不同的扭矩值得到相应的压力值，再通过曲线拟合得到压力与扭矩之间的关系，进而将测量扭矩转化为测量压力。再利用压滤机压力测试装置，通过测量压滤机的实时压力，间接转化为测量压滤机的实时扭矩。
5.具体而言，前述的大扭矩压滤机扭矩测量方法，包括如下步骤：获取所述的大扭矩压滤机模型信息；其中，所述的大扭矩压滤机为机械螺旋传动式压板式压滤机，包括前横梁、后横梁、拉杆、滤板、滤芯、螺母、螺杆和机架；利用三维实体造型软件构建所述大扭矩压滤机的三维实体模型，并将该三维实体模型导入多体动力学仿真软件；在多体动力学仿真软件中，根据多组数据进行曲线拟合，得到所述大扭矩压滤机的螺杆轴向压力与输出扭矩的关系；利用压力测试装置测量所述大扭矩压滤机工作状态下的螺杆轴向压力，根据曲线拟合得到的螺杆压力与扭矩的关系计算所述螺杆输出的扭矩值。
6.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述的滤板和滤芯简化为具有一定刚度系数的弹簧。
7.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述三维实体造型软件为solidworks软件，所述多体动力学仿真软为adams软件，在solidworks软件中构建三维实体模型后将该模型以x_t形式保存并导入至adams软件中。
8.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，在adams软件中通过输入几组不同的扭矩，得到相对应的压力数值，再将得到的结果导入到数据处理软件origin进行曲线拟合，进而得到压滤机压力与扭矩之间的关系。
9.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述的压力测试装置，包括同轴串接于传感器装夹机构的推力调心滚子轴承以及轮辐式压力传感器。
10.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述的传感器装夹机构包括与所述推力调心滚子轴承连接的第一测力机构轴、与所述轮辐式压力传感器连接的第二测力机构轴。
11.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述压力测试装置还包括辅助升降机构，所述传感器装夹机构连接于所述辅助升降机构。
12.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述辅助升降结构包括升降板、丝杠、底座、涡轮蜗杆机构以及摇杆，所述丝杠可转动地竖向设置在底座上，所述摇杆经由涡轮蜗杆机构与所述丝杠驱动连接，所述升降板具有螺孔并且经由螺孔与所述升降板连接；所述传感器装夹机构设置于所述升降板上，转动所述摇杆时，所述升降板带动所述传感器装夹机构以及所述轮辐式压力传感器作竖向升降移动。
13.所述的一种大扭矩压滤机扭矩测量方法，其进一步设计在于，所述轮辐式压力传感器于一数值显示器信号连接。
14.在本发明专利中：矩压滤机的扭矩是由压力传感器测得的螺杆压力值通过换算间接得到的，由于压滤机工作时的实际扭矩属于大扭矩量程，很难找到合适量程范围的扭矩传感器进行测试，因而采用测量压力值换算得到扭矩值的间接测量方法，避免了无法找到合适大扭矩量程的扭矩传感器的问题，为大扭矩机械的扭矩测量提供了另一种思路。
15.在本发明专利中：压滤机的螺杆是旋转进给的，在工作过程中要测量压滤机螺杆进给方向的轴向力就需要利用机械结构来消除掉旋转过程中所产生的扭矩，因而本发明专利中压力测试装置的核心在于消除压滤机螺杆所产生的扭矩的机械测力机构的设计，本发明专利选用具有调心性能的推力调心滚子轴承来消除螺杆所产生的扭矩，该轴承除了能够有效消除螺杆扭紧过程中的大扭矩，还能承受较大的单向轴向载荷，可承受以轴向载荷为主的径向、轴向联合载荷，同时具有自动调心的功能，在螺杆顶紧压力测量过程中，一旦出现对中偏差等问题，该轴承能实现自动对中调整，便于精确稳定测量。
16.在本发明专利中：由于工作环境属于易燃易爆炸场景，因此所有的数值显示器都搭建在符合国家要求的防爆控制柜中。同时压力测量装置中的辅助升降机构也采用手摇式的蜗轮蜗杆升降机构，消除了电机驱动引发爆炸的安全隐患，为特殊工况下的机械装置参数测量提供了参考。
17.在本发明专利中：因为待测的压滤机压力的预估值较大，因此选用100
‑
200t的大量程压力传感器。由于轮辐式压力传感器压力与传感器的装夹机构尺寸较大，导致整体机械部分仅依靠人力无法进行固定，因而额外设计了一套可移动式的辅助升降机构，利用该辅助升降机构可实现测力机构机械部分的搬运、抬升、定位，减轻了人工劳动。
18.总而，本发明专利的有益效果在于：本发明在测量大扭矩机械设备时不需要使用扭矩传感器，通过对虚拟样机仿真得到的压力与扭矩进行曲线拟合，得到压力与扭矩之间的关系，再通过设计合理的压力测量装置，就能够实现对大扭矩机械设备的压力与扭矩的实时测量与监测。
附图说明
19.图1为本发明的压滤机仿真模型图。
20.图2为本发明的压滤机推压板位移与受力效果图。
21.图3为本发明的压力扭矩关系拟合曲线图。
22.图4为本发明的压滤机压力测试装置。
23.图5为本发明的传感器装夹机构爆炸图。
24.图6为本发明的辅助抬升机构结构示意图。
25.图中：1—后横梁；2—拉杆；3—弹簧；4—推压板；5—螺母：6—前横梁；7—螺杆；8—传感器装夹机构；9—辅助抬升机构；10—数值显示器；11—测力机构轴1；12—推力调心滚子轴承滚子部分；13—推力调心滚子轴承端盖部分；14—测力机构板1；15—六角头螺栓；16—测力机构轴2；17—轮辐式压力传感器；18—圆柱头螺钉；19—压力传感器压头；20—测力机构轴3；21—搬运小车；22—蜗轮蜗杆升降机构；23—固定平台。
26.具体实施方式
27.下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。
28.如图1所示，本发明实施例的具体技术方案的步骤流程如下：获取大扭矩压滤机模型信息；对大扭矩压滤机进行结构分析，获取大扭矩压滤机的模型信息，并对其模型进行简化处理。本发明专利中所涉及到的大扭矩压滤机为机械螺旋传动式压板式压滤机，结合如图1所示，包括由前横梁6、后横梁1、拉杆2、滤板、滤芯、推压板4、螺母5、螺杆7和机架；前横梁、后横梁固定设置在机架上，拉杆2水平固定设置在前横梁与后横梁之间，推压板以及多块滤板滑动设置在拉杆上，螺母5连接于前横梁6，螺杆与螺母螺纹配合连接，并且螺杆驱动推压板在拉杆上滑动，由于滤板和滤芯的数量可以根据实际生产情况改变，在此将滤板和滤芯简化为具有一定刚度系数的弹簧3；利用三维实体造型软件构建所述大扭矩压滤机的三维实体模型，并将该三维实体模型导入多体动力学仿真软件；在solidworks软件中建立大扭矩压滤机的物理模型，将模型以x_t形式保存并导入至adams中进行联合仿真，在推压板和后横梁之间添加弹簧，代替实际压滤机中的滤板和滤芯。
29.仿真的过程中包括：添加材料、约束、接触力：修改螺杆、螺母的材料为钢，前横梁、推压板、后横梁以及拉杆的材料为铸铁；将整个机架与大地之间添加固定副，螺母与前横梁之间添加固定副，推压板与大地之间添加移动副，螺杆与地面之间添加螺旋副。螺母与螺杆之间添加接触力，螺杆与推压板之间添加接触力。
30.设置一组扭矩：在螺杆的一端设置一个扭矩，设定扭矩的值；设定仿真时间、步长；仿真结束，测量推压板所受压力。
31.仿真结束后，进入后处理界面，得到仿真时长内推压板的位移以及压力随着时间变化的曲线。一开始，螺杆推动推压板前进，推压板上受到的压力逐渐增大。随后，螺杆给推压板的压力与弹簧的弹力接近，推压板无法前进，进入平衡状态，此时推压板所受到的压力为需要测量的数据。
32.根据多组数据进行曲线拟合，[h1] 其关系式为f=12.51t
‑
1082.15，其中f为压滤机轴向压力，单位为n；t为压滤机扭矩，单位为n
·
m。
[0033]
具体而言，在adams软件中通过输入几组不同的扭矩，得到相对应的压力数值，再将得到的结果导入到origin软件进行曲线拟合，进而得到压滤机压力与扭矩之间的关系。
[0034]
利用压力测试装置测量所述大扭矩压滤机工作状态下的螺[h2] 根据实际测量得到三组压力值，分别为887395n、925648n、973440n，再根据上述关系式换算得到扭矩值分别为71021.35n
·
m、74079.15n
·
m、77899.45n
·
m。
[0035]
图2为推压板4在特定扭矩下测量得到的位移和压力随时间变化的曲线图，螺杆在扭矩的作用下推动推压板4前进，推压板4位移发生改变，作用在推压板4上的力逐渐增大，当推动力与弹簧的作用力相当时，推压板4无法继续前进，其位移大小不再发生改变，同时推压板4上所受压力也基本保持不变。
[0036]
图3为压力扭矩的曲线拟合图，该曲线由9组离散点拟合而成，每一个离散点代表不同扭矩下测得的压力值，由该数据拟合图可以得到压力和扭矩的关系式。因此可以通过设计一种压力测试装置实现压滤机扭矩的换算。
[0037]
图4为本发明的大扭矩压滤机压力测试装置。如图5所示，实施例采用的压力测试装置具有传感器装夹机构8、辅助升降机构9、数值显示器10，其中传感器装夹机构如图6所示包括第一测力机构轴11、第三测力机构轴16，推力调心滚子轴承设置在第一测力机构轴11、第三测力机构轴16之间，其中，推力调心滚子轴承包括推力调心滚子轴承滚子部分12、推力调心滚子轴承端盖部分13。测力机构板14连接于推力调心滚子轴承并且通过六角头螺栓15连接轮辐式压力传感器17，将螺杆的轴向压力传递至轮辐式压力传感器17。另外圆柱头螺钉18、压力传感器压头19用于将轮辐式压力传感器17连接至第二测力机构轴20，通过将螺杆固定在第一测力机构轴11的端头的盲孔中，通过推力调心滚子轴承抵消掉径向力，从而只保留下轴向力；使得该装置可通过其测量出压滤机螺杆所施加的轴向力。
[0038]
图6为本发明的辅助抬升机构结构示意图。由于整个传感器装夹机构的体积过大，质量较重，仅依靠人力难以实现搬运与固定，因此针对此装夹机构又另外设计了辅助抬升机构，用于固定、搬运和抬升传感器装夹机构。述辅助升降结构包括升降板23、丝杠、底座21、涡轮蜗杆机构22以及摇杆，所述丝杠可转动地竖向设置在底座上，所述摇杆经由涡轮蜗杆机构与所述丝杠驱动连接，所述升降板具有螺孔并且经由螺孔与所述升降板连接；将传感器装夹机构固定至位于升降板上的半圆形的套圈上，以此来保证装夹机构的固定，利用底部的搬运小车，可以实现节省人力，轻松搬运的效果，测量时首先将传感器装夹机构固定至辅助抬升机构的固定平台上，再利用搬运小车将整个机构运送至测试的地点，最后利用蜗轮蜗杆升降机构将传感器装夹机构抬升至合适的位置进行测量。最后数值显示器由传输线、24v开关电源、plc、模拟量模块、变送器和显示屏组成，接收来自压力传感器上的模拟量信号，并转换成数字信号，同时通过之前曲线拟合所得到的压力与扭矩的关系将力转换为压滤机的扭矩，最后同时输出在显示屏上。
[0039]
由于工作环境属于易燃易爆炸场景，因此所有的数值显示器都搭建在符合国家要求的防爆控制柜中。同时压力测试系统中的辅助升降机构也采用手摇式的蜗轮蜗杆升降机构，消除了电机驱动引发爆炸的安全隐患。本发明专利中所设计的压力测试装置结构简单、设计合理，针对大扭矩压滤机的压力和扭矩难以测量的问题而设计，测量精度高，对于大扭
矩机械机构的扭矩测量有很强的参考价值。