流量可调节往复泵曲轴冲击载荷在线实时检测装置

摘要

一种机械检测技术领域的流量可调节往复泵曲轴冲击载荷在线实时检测装置，包括：金属保护片、电阻应变片、应变放大器、电桥、数据采集卡和控制模块，金属保护片设置于往复泵的壳体，电阻应变片粘接于待测连杆上且依次与电桥和应变放大器相连，将待测连杆的形变转换为电信号输出，应变放大器的输入端与电桥相连并采集模拟电流信号，应变放大器的输出端输出模拟电压信号至数据采集卡，数据采集卡的输出端输出数字信号至控制模块。本发明利用在连杆上设置电阻应变片，测试往复泵连杆在工作时所受的应力，间接测得曲轴应力的方法，对泵在改变流量后，极端工况下的瞬态载荷进行测试，为冲击载荷的实时在线检测提供了可靠的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械检测技术领域的装置，具体是一种功率大于400W的流量可调节往复泵曲轴冲击载荷在线实时检测装置。

背景技术

往复泵是一种利用活塞柱塞在液缸工作腔内的往复运动，来使工作腔的容积产生周期性变化的原理工作的流体输送泵。往复泵具有效率高而且高效区宽，流量大，压力高等特点，且压力变化几乎不影响流量，提供的流量几乎恒定，因而广泛应用于石油开采，化工高压输送等领域。随着深井采油注水的压力流量需求的不断提高，对往复泵流体输送能力要求也不断提高，使往复泵向大功率，高压，大流量的方向发展。曲轴是往复泵结构中结构最复杂，成本最高的部件，是在大功率往复泵的研发设计过程中难点所在。

此外，传统的往复泵都是固定流量的，为了满足工业应用中不同输送工况的需要，目前往复泵向流量可调节的方向发展。而在变流量工况下，往复泵曲轴将受到较大的瞬态冲击载荷，实验证明，液体撞击的水锤效应可以在瞬时使峰值载荷增大50％。现有的静态或者准静态曲轴载荷设计计算方法，无法考虑瞬态冲击载荷，无法满足大功率流量可调节往复泵曲轴设计的需求需要。为了精确地校核曲轴的疲劳强度，需要对泵在改变流量后，极端工况下的瞬态载荷进行考虑和评估，为此，对冲击载荷的大小进行实时在线检测是最可靠的方法。

由于曲轴是高速旋转部件，加上不同角度的多曲拐设计，形状十分复杂，其冲击载荷的测试十分困难。

通过对现有技术的检索发现，《基于LabVIEW曲轴疲劳试验机测控系统开发》(《微计算机信息》测控自动化2009年第25卷第6-1期)，该文献对一种新式的曲轴疲劳试验机测控系统的开发进行了阐述：“曲轴设置于主动摆和从动摆之间构成机械谐振系统，此系统用钢丝绳悬挂在支架上。计算机发出正弦数字信号经数据采集卡转换为模拟信号送入功率放大器，推动激振器工作，激振器通过推杆将载荷加在主动摆上。当谐振系统在某个共振频率下工作时，激振器载荷被其放大数倍加载在曲轴两端，曲轴因而受到周期性弯矩作用，模拟真实工作环境下的受载情况。从动摆下方刚性连接加速度传感器，将其振动信号经电荷放大器放大后输入采集卡再传给计算机做数据分析处理。”该实验机虽然能够对曲轴疲劳强度进行测试，但是因为无法对冲击载荷进行模拟，所得的结果仍然是一种处于实验室中的，理想条件下的结果，对于曲轴的在实际应用中所受到的冲击载荷考虑不足。因此亟需一种新式装置对曲轴的实际工况进行检测，以尽可能准备地校核曲轴疲劳强度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种流量可调节往复泵曲轴冲击载荷在线实时检测装置，利用在连杆上设置电阻应变片，测试往复泵连杆在工作时所受的应力，间接测得曲轴应力的方法，对泵在改变流量后，极端工况下的瞬态载荷进行测试，为冲击载荷的实时在线检测提供了可靠的途径。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：金属保护片、电阻应变片、应变放大器、电桥、数据采集卡和控制模块，其中：金属保护片设置于往复泵的壳体，电阻应变片粘接于待测连杆上且依次与电桥和应变放大器相连，将待测连杆的形变转换为电信号输出，应变放大器的输入端与电桥相连并采集模拟电流信号，应变放大器的输出端输出模拟电压信号至数据采集卡，数据采集卡的输出端输出数字信号至控制模块。

所述的金属保护片为一带有弧形缺口的长方形平面金属片，该金属保护片具体固定在往复泵的壳体开槽处。

所述的电阻应变片与电桥通过线缆相连接，该线缆上设有线缆固定装置。

所述的线缆固定装置为一两侧开孔，中间圆弧型的拱形金属薄片，用于固定线缆。

所述的电阻应变片的表面涂敷有保护胶，以防护隔热作用。

所述的电阻应变片的电阻值为：120Ω，电敏系数：2.20。

所述的数据采集卡为16路模拟输入，2路模拟输出，采样频率：16位，250kS/s。

所述的控制模块包括：信号处理单元与数据记录单元，其中：信号处理单元通过将采集到的数字信号进行滤波处理得到连杆受力时的应变曲线，数据记录单元与信号处理单元相连接并记录对应的应变曲线。

测量时，首先将待测往复泵固定于工作台上，往复泵壳体上应打孔方便将线缆引出，并且在孔洞两侧5cm处开槽以设置金属保护片，以避免往复泵在工作时其齿轮将线缆绞断。待测连杆上待粘接电阻应变片的位置应打磨，并且在待测连杆上加装线缆固定装置以固定线缆。将电阻应变片粘贴在待测连杆表面上，接入测量电路，并涂覆保护层。当被测构件受外力作用变形时，应变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也发生相应变化，其变化量的大小与待测连杆所受外力成一定的比例关系，此变化量经后接测量电桥转换为电信号输出，由数据采集卡MUSB-6211进行数据采集，将采集到的数据进行处理并记录，测量结果是应变值，通过应变与应力的力学关系，可计算出被测构件所受应力的大小。

在记录的采集结果中读取最大最小应变值，按公式计算所测应力。

σ_max＝Eε_max，σ_min＝Eε_min

本发明可以用于机动往复泵的曲轴应力的实时监测，并可记录数据并保存。通过对所得的数据进行处理与分析，可得到连杆在通常工况下连杆的工作应力曲线以及连杆上的受到的瞬时冲击载荷，并据此数据得到连杆在不同工况下的载荷谱。以往的解析计算依靠经验公式，以及对曲轴受力进行简化，所得的结果不够精确。并且，为了取得较高的安全系数，不得不加大曲轴的尺寸，这也使用产品的成本随之提高。通过本检测设备测量所得到的数据有利于在曲轴设计时进行更加精确的解析计算，并通过进行有限元仿真模拟计算，得到更加准确的模型。对比以往设计时所采用的设计方法，通过本检测设备等到的连杆力更加准确，更加符合往复泵的实际工况，有利于企业提高设计的可靠性和理论性，加快新产品的研发速度，提高产品的竞争力。

附图说明

图1本发明结构示意图。

图2电阻应变片及线缆等设置完毕后往复泵侧向示意图。

图3线缆固定装置示意图。

图4电阻应变片的布置示意图。

图5电阻应变片的连接方式示意图。

图6组桥接线示意图。

图7控制模块示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1及图2所示，本实施例包括：金属保护片1、电阻应变片2、电阻应变片2应变放大器3、电桥4、数据采集卡5和控制模块6，其中：金属保护片1设置于往复泵7的壳体，电阻应变片2粘接于待测连杆8上且依次与电桥4和应变放大器3相连，将待测连杆8的形变转换为电信号输出，应变放大器3的输入端与电桥4相连并采集模拟电流信号，应变放大器3的输出端输出模拟电压信号至数据采集卡5，数据采集卡5的输出端输出数字信号至控制模块6。

所述的金属保护片1为一带有弧形缺口的长方形平面金属片，该金属保护片1具体固定在往复泵7的壳体开槽处。

所述的电阻应变片2与电桥4通过线缆9相连接，该线缆9上设有线缆固定装置10。

所述的线缆固定装置10为一两侧开孔，中间圆弧型的拱形金属薄片，用于固定线缆9。

所述的电阻应变片2的表面涂敷有保护胶11，以防护隔热作用。

所述的电阻应变片2的电阻值为：120Ω，电敏系数：2.20。

所述的数据采集卡5为16路模拟输入，2路模拟输出，采样频率：16位，250kS/s。

所述的控制模块6包括：信号处理单元12与数据记录单元13，其中：信号处理单元12通过将采集到的数字信号进行滤波处理得到连杆受力时的应变曲线，数据记录单元13与信号处理单元12相连接并记录对应的应变曲线。

电阻应变片3按照一定方式粘贴在待测量处，并将其引脚按照一定方式连接，如图5及图6所示；涂覆保护胶后使用线缆固定装置固定线缆，然后将线缆接入电桥盒YE29003A4。电阻应变片3组成相对双臂工作的全桥接法，如图5所示，该电桥中有4个电阻应变片测应变，4个电阻应变片实现温度补偿。温度补偿电阻贴在和所测目标相同的材质上。组桥接线示意图如图6所示，图中“A”为工作片，“D”为补偿片，⑥接电缆屏蔽层。

电桥盒YE29003A4输出端连接至应变放大器YE3817C5。应变放大器YE3817C5为一种电测装置，用于检测电信号的微小变化，并将其放大至可检测的水平。应变放大器YE3817C5在使用前应预热三十分钟。将电阻应变片3接入输入端，选择桥压为2V，此时，放大器输出一个不平衡电压，将增益档旋到“1K”，按自动平衡按钮“AUTO”，微调“FINE”，直至放大器输出达到1mV以下。然后采用动态应变仪的标定装置对应变信号进行标定。该应变放大器每个通道有1000με标定开关，标定时，放大器桥压及增益都必须和实际测量状态一致。若标定幅值为H，测得某采集点A的实际值幅度为h，则A点应变值

$>ϵ=\frac{h}{H}\times 100\mathrm{\mu ϵ}.$>

将应变放大器YE3817C5的输出连接至数据采集卡M USB-62116。数据采集卡MUSB-62116连接至控制模块7中的PC机上。在PC机上打开Labview SignalExpress，建立一个新的Task，设置双通道采集，采用差分Differential方式，设置滤波器的截止频率为10Hz。设置View→Recording Options为Record While Running，并选择保存路径。

本实施例所进行的机动往复泵曲轴应力在线实时检测，检测精度高，并且可以根据需要使用Labview系列软件进行编程，扩大适用范围。