專利名稱：旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置及測試方法
技術領域：
本發明涉及旋葉式壓縮機轉子扭轉振動測試領域，特別涉及一種旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置及測試方法。
背景技術：
旋葉式小型壓縮機通常應用于汽車空調系統，該類壓縮機因其體積小、重量輕，一般外形尺寸為20cm×13cm×13cm左右，總重量一般在10kg以內。由于旋葉式壓縮機安裝在車輛發動機上運轉，車輛行駛時產生的劇烈振動給旋葉式壓縮機造成惡劣的工作環境，因此對旋葉式壓縮機產品設計指標和實車故障診斷上的要求越來越高，而壓縮機轉子的扭轉振動的測量是作為壓縮機評價中必須重點考慮的環節之一，但是針對旋葉式小型壓縮機扭轉振動的測量一直存在困難。
目前，涉及壓縮機扭轉振動測量有兩種測量方式，一種如公開號為CN1696630A的測量旋轉機械轉子扭轉振動的方法及其裝置所公開的技術，是將壓縮機轉軸延長，延長軸上連接一個扭轉振動測量裝置，通過將扭轉振動測試的慣性環外接于被測轉子，把轉子扭轉振動信號傳遞到慣性環上進行間接測試。采用這種測量裝置，因測量裝置的結構過大，安裝空間大，測試安裝極不方便，只適合測試大型的旋轉機械，不能用于小型旋轉機械的扭轉振動測試，尤其是應用到現場實車測試，就更無法安裝到車上進行實車測試；而且由于這種測試裝置需外接延長的軸，加長了轉軸，改變了轉軸的原有質量，使轉軸的扭轉振動特性也發生了變化，誤差較大，無法檢測到精確數據，會影響測試效果。另一種是將壓縮機扭轉振動信號通過磁場耦合來傳遞能源及信號，此種測量方式的缺點就是扭振信號的感受微弱，信噪比低，加上橫向振動的干擾，扭轉振動信號的提取和分析都很困難，測試的準確性受到嚴重影響，誤差較大，測試效果欠佳。
發明內容
本發明的一個目的是針對現有技術存在的不足，提供一種旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，它采用在壓縮機轉軸上貼裝電阻式應變片，并將電刷式導電環通過安裝盤連接在壓縮機銜鐵上，既能夠直接測量旋葉式壓縮機轉軸扭矩和扭轉振動特性，避免間接測量帶來的誤差，同時又減小了測試裝置的體積和質量，安裝簡單方便，可安裝在車上實現實車測試。
本發明的該目的是這樣實現的將一電刷式導電環的旋轉部通過螺釘連接在一安裝盤上，安裝盤的軸向設有中心過孔，中心過孔徑向設置通孔貫穿安裝盤，安裝盤偏心位置通過多個螺釘與壓縮機銜鐵連接，所述壓縮機銜鐵的圓心孔與壓縮機轉軸花鍵配合，一帶軸向通孔的壓裝螺栓與壓縮機轉軸的軸心孔螺紋配合，將壓縮機銜鐵軸向定位在壓縮機轉軸上，壓縮機轉軸上徑向設置引線孔連通軸心孔，所述電刷式導電環的旋轉部通過導線分別連接兩組電阻式應變片，每組電阻式應變片具有兩個呈90°交叉的電阻式應變片，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱粘貼在壓縮機轉軸上，使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，連接電阻式應變片的導線從壓縮機轉軸的引線孔、軸心孔、壓裝螺栓的軸向通孔、安裝盤的中心過孔及徑向通孔穿過與電刷式導電環旋轉部的接線腳分別連接，電刷式導電環靜止部的接線腳通過導線連接動態應變放大器，動態應變放大器經數據采集處理器連接計算機。
所述每個電阻式應變片的阻值為120歐姆。
所述壓縮機轉軸圓周設置環形槽，環形槽通過引線孔連通軸心孔，電阻式應變片粘貼在環形槽中。
所述每組的兩個電阻式應變片中均有一個為受拉應變片，另一個為受壓應變片，兩組的受拉應變片的電源端并聯于負電源，兩組的受壓應變片的電源端并聯于正電源，兩組電阻式應變片中，一組的兩個應變片的信號端并聯于正電壓，另一組的兩個應變片的信號端并聯于負電壓，構成四臂差動電橋。
所述數據采集處理器通過導線連接一數字轉速表，數字轉速表與安裝盤或壓縮機銜鐵接觸。
由于采用了上述方案，本發明具有以下優點 將電刷式導電環通過一安裝盤與壓縮機銜鐵連接，壓縮機銜鐵與壓縮機轉軸花鍵配合，且用一帶軸向通孔的壓裝螺栓軸向定位壓縮機轉軸上，這種利用壓縮機銜鐵連接安裝盤及電刷式導電環的方式，結構簡單，體積小，安裝方便，可安裝在體積較小的旋葉式小型壓縮機上進行檢測。
所述電刷式導電環的旋轉部通過導線分別連接兩組電阻式應變片，每組電阻式應變片具有兩個呈90°交叉的電阻式應變片，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱粘貼在壓縮機轉軸上，使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，構成四臂差動電橋，作為直接從壓縮機轉軸感應壓縮機轉軸扭轉振動的傳感器。在轉軸旋轉時，軸上力的傳遞是通過與軸線呈45°夾角的剪切力來實現的，即軸的扭轉振動的變化就是軸的剪切力的變化。轉軸旋轉時，每組電阻式應變片中的一個電阻式應變片受拉，另一個電阻式應變片受壓，兩組電阻式應變片貼在轉軸上隨轉軸旋轉直接感應到的應變變化量信息，即可計算分析得到轉軸扭轉振動剪切力的變化特性，由此能夠提供準確的轉軸扭轉振動剪切力的變化特性數據。
連接電阻式應變片的導線從壓縮機轉軸的引線孔、軸心孔、壓裝螺栓的軸向通孔、安裝盤的中心過孔及徑向通孔穿過與電刷式導電環旋轉部的接線腳分別連接，解決了直接將應變片粘貼在壓縮機轉軸上應變片的信號導線布置的難題，使轉軸旋轉時這些信號導線不會發生纏繞。
電刷式導電環靜止部的接線腳通過導線連接動態應變放大器，動態應變放大器經數據采集處理器連接計算機；同時所述數據采集處理器通過導線連接一數字轉速表，數字轉速表與安裝盤或壓縮機銜鐵接觸。這樣可以將四臂差動電橋輸出的旋轉運行的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，和壓縮機轉速信號一并被采集到數據采集處理器，然后經計算機分析出最大扭矩值下的共振轉速，和轉軸扭轉振動的頻率特性。
本發明的又一目的是針對現有技術存在的不足，提供一種用上述測試裝置測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法，它采用四個阻值相同的電阻式應變片分成兩組對稱粘貼在壓縮機轉軸上形成四臂差動電橋檢測壓縮機轉子扭轉振動剪切力的變化特性，并利用每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系，通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系，能夠直接準確的檢測到旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動變化量。
本發明的這一目的是這樣實現的采用四個阻值相同的電阻式應變片平均分成兩組對稱粘貼在壓縮機轉軸上，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱，并使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，形成四臂差動電橋作為感應壓縮機轉子扭轉振動的傳感器，通過測得電阻式應變片在轉子旋轉時的應變變化量，計算分析得到轉軸扭轉振動剪切力的變化特征，從轉軸扭矩與剪切力的關系得到轉軸應變量，利用每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系，通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系，輸出的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，經數據采集處理器采集監控分析電壓信號變化數據，即可通過計算機得出壓縮機轉軸扭矩振動數據。
所述轉軸扭矩與剪切力的關系為τ＝Mk/Wp 其中 τ為剪切力； Mk是作用于軸上的扭矩； Wp是軸截面的抗扭模數。
所述每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系為 ΔR/R＝K0ε 其中 ΔR為受到轉軸扭轉形變后應變片的電阻變化阻值； R為應變片原始電阻； K0為應變片靈敏度； ε為轉軸應變量。
所述通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系為
式1 式中 R2-r2和R3-r3為受壓應變片電阻值； R1-r1和R4-r4為受拉應變片電阻值； R1，R2，R3，R4為應變片原始阻值； r1，r2，r3，r4為應變片隨轉軸扭轉后產生的電阻變化量。
由于采用了上述方案，采用四個阻值相同的電阻式應變片平均分成兩組對稱粘貼在壓縮機轉軸上，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱，并使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，構成四臂差動電橋，可以測得與壓縮機轉軸的軸線方向呈45°夾角的電阻式應變片在轉子旋轉時的應變變化量，由于與壓縮機轉軸的軸線方向呈45°夾角的方向是轉軸的剪切力方向，這樣就可以從轉軸扭矩與剪切力的關系τ＝Mk/Wp，計算得到轉軸應變量；并利用每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系ΔR/R＝K0ε，通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系
輸出的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，經數據采集處理器采集監控分析電壓信號變化數據，即可通過計算機得出壓縮機轉軸扭矩振動數據。并且數據采集處理器還能將測得的壓縮機轉速信號采集，測出在最大扭矩值下的共振轉速，分析得到扭轉振動的頻率特性。
本方法采用四個阻值相同的電阻式應變片，平均分為兩組對稱貼裝在壓縮機轉軸上，構成四臂差動電橋直接從轉軸上測量扭矩振動，通過采集監控分析差動電橋輸出電壓的電壓變化情況即可得出轉軸扭矩振動情況，既消除了非線性誤差，而且電壓靈敏度比單片應變片提高4倍，測量的準確性得到極大的提高，同時還起到溫度補償作用。采用這種方法，可以直接從壓縮機轉子的轉軸上感應測量信號，解決了以前借助它物間接測試導致的信號采集誤差較大，無法檢測到精確數據，測試效果欠佳的問題；尤其是解決了旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試的難題，彌補現有技術存在的不足。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1為本發明測試裝置的結構示意圖； 圖2為轉軸的局部放大圖； 圖3為壓縮機銜鐵的示意圖； 圖4為安裝盤的示意圖； 圖5為兩組電阻式應變片的連接電路圖； 圖6為差動電橋的原理圖； 圖7為本發明的電路框圖。
附圖中，1為轉子，2為轉軸，2a為軸心孔，2b為環形槽，3為電阻式應變片，4為圓心孔，5為銜鐵，6為壓裝螺栓，6a為軸向通孔，7為中心過孔，8為安裝盤，9為通孔，10為電刷式導電環，10a為旋轉部，10b為靜止部，11為接線腳，12為引線孔，13為安裝螺紋孔，14為螺紋孔，15為過孔，16為導線，17為安裝孔，20為壓縮機，21為動態應變放大器，22為數據采集處理器，23為計算機，24為數字轉速表。
具體實施例方式 參見圖1至圖4和圖7，一種旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，一電刷式導電環10的旋轉部10a通過螺釘連接在一安裝盤8上，兩個螺釘分別從電刷式導電環10的旋轉部10a上設置的兩個安裝孔17穿過與安裝盤8上的兩個螺紋孔14緊固連接，將電刷式導電環10固定在安裝盤8上。安裝盤8的軸向設有中心過孔7，中心過孔7徑向設置通孔9貫穿安裝盤8，安裝盤8偏心位置設有三個過孔15，三個螺釘分別穿過安裝盤8上的三個過孔15與壓縮機銜鐵5上設置的三個安裝螺紋孔13緊固連接。所述壓縮機銜鐵5的圓心孔4通過內花鍵與壓縮機轉軸2花鍵配合，使壓縮機銜鐵5周向固定在壓縮機轉軸2上，一帶軸向通孔的壓裝螺栓6與壓縮機轉軸2的軸心孔2a螺紋配合，將壓縮機銜鐵5軸向定位在壓縮機轉軸2上，壓縮機轉軸2上徑向設置引線孔12連通軸心孔2a。所述壓縮機轉軸2圓周設置環形槽2b，環形槽2b通過引線孔12連通軸心孔，電阻式應變片3粘貼在環形槽2b中。所述電刷式導電環10的旋轉部10a通過導線16分別連接兩組電阻式應變片3，每組電阻式應變片3具有兩個呈90°交叉的電阻式應變片，兩組電阻式應變片3沿轉軸圓周間隔180°對稱粘貼在壓縮機轉軸2上，使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸2的軸線呈45°夾角。見圖5、圖6，所述每組的兩個電阻式應變片中均有一個為受拉應變片R1、R4，另一個為受壓應變片R2、R3，兩組的受拉應變片R1、R4的電源端并聯于負電源，兩組的受壓應變片R2、R3的電源端并聯于正電源，兩組電阻式應變片中，一組的兩個應變片的信號端并聯于正電壓，另一組的兩個應變片的信號端并聯于負電壓，由此構成一四臂差動電橋。連接電阻式應變片3的導線16從壓縮機轉軸2的引線孔12、軸心孔2a、壓裝螺栓6的軸向通孔6a、安裝盤8的中心過孔7及徑向通孔9穿過與電刷式導電環10旋轉部10a的接線腳11分別連接，電刷式導電環10靜止部10b的接線腳11通過導線連接動態應變放大器21，動態應變放大器21經數據采集處理器22連接計算機23。所述數據采集處理器22通過導線連接一數字轉速表24，數字轉速表24與安裝盤或壓縮機銜鐵接觸，用于測量壓縮機轉子的轉速。
采用上述測試裝置測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法是 采用四個阻值相同的電阻式應變片平均分成兩組對稱粘貼在壓縮機轉軸上，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱，并使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，構成四臂差動電橋，通過測得與壓縮機轉軸的軸線方向呈45°夾角的電阻式應變片在轉子旋轉時的應變變化量，計算分析得到轉軸扭轉振動剪切力的變化特征，從轉軸扭矩與剪切力的關系得到轉軸應變量。
所述轉軸扭矩與剪切力的關系為τ＝Mk/Wp 其中 τ為剪切力； Mk是作用于軸上的扭矩； Wp是軸截面的抗扭模數。
由此，根據虎克定律 ε＝σ1/E-σ3μ/E 得到轉軸主應力應變量與扭矩對應關系 ε＝(1+μ)Mk/E Wp 其中 Mk是作用于軸上的扭矩； Wp是軸截面的抗扭模數； E軸材料的彈性模量； ε轉軸與軸線方向成45°的主應力應變量； σ為轉軸主應力； μ泊松比。
由于采用電阻式應變片作為感應壓縮機轉軸扭轉振動傳感器，從測到應變片的應變變化量即可計算分析得到扭轉振動剪切力的變化特性，對于轉軸而言，剪切力方向是與壓縮機轉軸軸線方向成45°夾角方向，通過兩組應變片組成的測扭四臂差動電橋，如附圖5所示，在轉軸旋轉時，各組電阻式應變片內有一個應變片受拉，另一個應變片受壓。將每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸上的應變變化量形成的線性關系 ΔR/R＝K0ε 其中 ΔR為受到轉軸扭轉形變后應變片的電阻變化阻值； R為應變片原始電阻； K0為應變片靈敏度； ε為轉軸應變量。
通過加載激勵電壓U激勵，形成轉軸應變量ε以電壓信號輸出U輸出的線性關系，如圖6所示
式1 式中 R2-r2和R3-r3為受壓應變片電阻值； R1-r1和R4-r4為受拉應變片電阻值； R1，R2，R3，R4為應變片原始阻值； r1，r2，r3，r4為應變片隨轉軸扭轉后產生的電阻變化量。
輸出的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，經數據采集處理器采集監控分析電壓信號變化數據，即可通過計算機得出壓縮機轉軸扭矩振動數據。由于作為感應器的四臂差動電橋的四個電阻式應變片的阻值相同，電阻值設定為R，因此四個電阻式應變片R1，R2，R3，R4的電阻變化量也相等，故四個應變片的電阻變化量r1，r2，r3，r4設定為ΔR，由此將公式ΔR/R＝K0ε代入式1并簡化為 U輸出＝U激勵Kε 這樣使分析計算也極其簡單，從采集監控分析U輸出的電壓變化情況即可得出轉軸扭矩振動情況。
本發明裝置及方法可直接測試旋葉式小型壓縮機轉軸扭矩和扭轉振動特性，避免了間接測量帶來的誤差；同時減小外部連接裝置的體積和質量，具有操作性強，易實施的優點。
權利要求
1.一種旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，其特征在于一電刷式導電環的旋轉部通過螺釘連接在一安裝盤上，安裝盤的軸向設有中心過孔，中心過孔徑向設置通孔貫穿安裝盤，安裝盤偏心位置通過多個螺釘與壓縮機銜鐵連接，所述壓縮機銜鐵的圓心孔與壓縮機轉軸花鍵配合，一帶軸向通孔的壓裝螺栓與壓縮機轉軸的軸心孔螺紋配合，將壓縮機銜鐵軸向定位在壓縮機轉軸上，壓縮機轉軸上徑向設置引線孔連通軸心孔，所述電刷式導電環的旋轉部通過導線分別連接兩組電阻式應變片，每組電阻式應變片具有兩個呈90°交叉的電阻式應變片，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱粘貼在壓縮機轉軸上，使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，連接電阻式應變片的導線從壓縮機轉軸的引線孔、軸心孔、壓裝螺栓的軸向通孔、安裝盤的中心過孔及徑向通孔穿過與電刷式導電環旋轉部的接線腳分別連接，電刷式導電環靜止部的接線腳通過導線連接動態應變放大器，動態應變放大器經數據采集處理器連接計算機。
2.根據權利要求1所述的旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，其特征在于所述每個電阻式應變片的阻值為120歐姆。
3.根據權利要求1所述的旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，其特征在于所述壓縮機轉軸圓周設置環形槽，環形槽通過引線孔連通軸心孔，電阻式應變片粘貼在環形槽中。
4.根據權利要求1所述的旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，其特征在于所述每組的兩個電阻式應變片中均有一個為受拉應變片，另一個為受壓應變片，所述兩組的受拉應變片的電源端并聯于負電源，兩組的受壓應變片的電源端并聯于正電源，兩組電阻式應變片中，一組的兩個應變片的信號端并聯于正電壓，另一組的兩個應變片的信號端并聯于負電壓，構成四臂差動電橋。
5.根據權利要求1所述的旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置，其特征在于所述數據采集處理器通過導線連接一數字轉速表，數字轉速表與安裝盤或壓縮機銜鐵接觸。
6.一種用權利要求1所述的測試裝置測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法，其特征在于采用四個阻值相同的電阻式應變片平均分成兩組對稱粘貼在壓縮機轉軸上，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱，并使每個電阻式應變片縱向與壓縮機轉軸的軸線呈45°夾角，形成四臂差動電橋作為感應壓縮機轉子扭轉振動的傳感器，通過測得電阻式應變片在轉子旋轉時的應變變化量，計算分析得到轉軸扭轉振動剪切力的變化特征，從轉軸扭矩與剪切力的關系得到轉軸應變量，利用每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系，通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系，輸出的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，經數據采集處理器采集監控分析電壓信號變化數據，即可通過計算機得出壓縮機轉軸扭矩振動數據。
7.根據權利要求5所述的測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法，其特征在于所述轉軸扭矩與剪切力的關系為τ＝Mk/Wp
其中
τ為剪切力；
Mk是作用于軸上的扭矩；
Wp是軸截面的抗扭模數。
8.根據權利要求5所述的測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法，其特征在于所述每個電阻式應變片的電阻變化量與轉軸的應變變化量的線性關系為
ΔR/R＝K0ε
其中
ΔR為受到轉軸扭轉形變后應變片的電阻變化阻值；
R為應變片原始電阻；
K0為應變片靈敏度；
ε為轉軸應變量。
9.根據權利要求5所述的測試旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動的方法，其特征在于所述通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系為
式1
式中
R2-r2和R3-r3為受壓應變片電阻值；
R1-r1和R4-r4為受拉應變片電阻值；
R1，R2，R3，R4為應變片原始阻值；
r1，r2，r3，r4為應變片隨轉軸扭轉后產生的電阻變化量。
全文摘要
旋葉式小型壓縮機轉子扭轉振動測試裝置及測試方法，將電刷式導電環通過安裝盤連接在壓縮機銜鐵上，壓縮機銜鐵花鍵配合在壓縮機轉軸上，用一帶軸向通孔的壓裝螺栓軸向定位，電刷式導電環通過導線分別連接兩組電阻式應變片，兩組電阻式應變片沿轉軸圓周間隔180°對稱粘貼在壓縮機轉軸上，形成四臂差動電橋作為感應壓縮機轉子扭轉振動的傳感器，通過測得電阻式應變片在轉子旋轉時的應變變化量，計算分析得到轉軸扭轉振動剪切力的變化特征，通過加載激勵電壓，形成應變量以電壓信號輸出的線性關系，輸出的扭轉振動電壓信號經動態應變放大器調理放大后，經數據采集處理器采集監控分析電壓信號變化數據，即可通過計算機得出壓縮機轉軸扭矩振動數據。
文檔編號G01M7/02GK101762371SQ20101010283
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者胡立志, 李德江, 劉宜瓊, 李茂龍 申請人:重慶建設摩托車股份有限公司