一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置及齿轮轴

摘要

本发明公开一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置及齿轮轴，包括扭矩传递管、应变测量管、测量光纤光栅、传输光纤、旋转连接器、解调仪和终端，相邻的两个扭矩传递管之间连接有应变测量管，测量光纤光栅贴合设置在应变测量管的外壁，应变测量管开设有连接孔，传输光纤的一端穿过连接孔与测量光纤光栅连接，其另一端穿过扭矩传递管并与旋转连接器连接，旋转连接器与解调仪数据连接，解调仪与终端数据连接；扭矩传递管的外径>应变测量管的外径。本方案可以实时准确的检测爬升齿轮轴的扭矩，从而能够有效的反映各传动装置间所受的载荷是否均衡，可以及时发现个别升降系统因为变形或其它原因造成的过载，避免事故发生。

说明书

技术领域

本发明涉及扭矩监测技术领域，尤其涉及一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置及齿轮轴。

背景技术

自升式平台由平台主体、桩腿和升降系统组成，平台主体依靠升降系统沿桩腿上下移动，具体工作过程为：自升式平台在工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷，风暴结束后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，使得整个平台浮于海面，由拖轮移动至新的位置，在海上作业领域使用的较为广泛。

自升式平台目前广泛采用齿轮齿条式升降系统，具有升降速度快、操作简单的特点，但由于海上升降平台的自重非常大，因此要求每个爬升齿轮轴的负载大致均等，否则负载较大的提升齿轮轴在长期受力作用下会相较其他提升齿轮轴疲劳程度较高，容易出现断裂；一旦某一侧的提升齿轮轴断裂，会导致该侧的其他提升齿轮轴受力增大，从而平台会发生倾斜甚至崩塌。因此需要对爬升齿轮轴扭矩进行实时监测，以防止自升式平台存在过载等状况的发生。

扭矩监测在目前国内设计的升降装置产品已有应用，但并不成熟。由于爬升齿轮轴需要插入到行星减速箱的内部，难以将扭矩传感器安装在减速箱和爬升齿轮轴之间直接测量齿轮轴扭矩，因此只能将扭矩传感器安装至电机与减速箱之间来测量减速箱的输入轴扭矩，再经过换算得到爬升齿轮轴的扭矩，但由于减速机内部存在阻力及损耗，且每一台减速箱的阻力和损耗均不相同，同一台减速箱随着使用时间的增长其阻力和损耗也会发生变化，因此采用上述方式测得的爬升齿轮轴的扭矩会存在延迟和偏差测量，难以实现直接对升降系统进行实时监测。目前还有另一种测量方式，具体是将应变片扭矩传感器设置在扭管上，通过测量扭管的变形量来间接测量爬升齿轮轴扭矩值，用电刷滑环完成动静部件的连接，然而在自升式平台升降系统长期处于强电磁干扰和高湿环境中，应变片扭矩传感器的阻值会发生变化，电刷滑环可靠性降低，从而影响测量精度和稳定性，不仅如此，由于爬升齿轮轴所受负载非常大，容易使扭管发生扭断，导致无法完成测量；同时由于爬升齿轮轴是旋转部件，用应变片测量扭矩时需要电刷滑环完成动静部件的连接，电刷滑环同样会受到强电磁的干扰从而影响测量的准确性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置及齿轮轴，旨在解决现有的齿轮轴扭矩监测装置监测扭矩时存在延迟且测量结果误差较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置，包括扭矩传递管、应变测量管、测量光纤光栅、传输光纤、用于进行信号传输转换的旋转连接器、用于将带有光栅波长信息的调制信号转换为光纤光栅波长漂移信号的解调仪和用于根据光纤光栅波长漂移信号得到扭矩并实时显示的终端，相邻的两个所述扭矩传递管之间连接有所述应变测量管，所述测量光纤光栅贴合设置在所述应变测量管的外壁，所述应变测量管开设有连接孔，所述传输光纤的一端穿过所述连接孔与所述测量光纤光栅连接，其另一端穿过所述扭矩传递管并与所述旋转连接器连接，所述旋转连接器与所述解调仪数据连接，所述解调仪与所述终端数据连接；

所述扭矩传递管的外径>所述应变测量管的外径，所述扭矩传递管和所述应变测量管的中轴线处于同一直线上。

优选地，所述测量光纤光栅弯折设置在所述应变测量管的外壁，使得所述测量光纤光栅的第一段在水平面上的投影与所述应变测量管中轴线的夹角ɑ为45°，所述测量光纤光栅的第二段在水平面上的投影与所述应变测量管中轴线的夹角β为135°。

优选地，所述扭矩传递管的刚度>所述应变测量管的刚度。

优选地，所述扭矩传递管的外径为42-46mm，所述应变测量管的外径为20-25mm。

优选地，所述测量光纤光栅粘贴在所述应变测量管外壁的中部。

优选地，所述扭矩传递管的外壁还套设有用于促进应力传递的胀紧套。

优选地，所述连接孔倾斜设置，使得所述连接孔的轴线与水平面的夹角θ为45-60°。

优选地，所述应变测量管的长度为60-65mm。

优选地，所述扭矩传递管与所述应变测量管通过接头连接。

除此之外，本发明还提出一种齿轮轴，包括如上述任一项所述的升降系统齿轮轴扭矩监测装置，所述齿轮轴开设有沿其长度方向贯穿的通孔，所述升降系统齿轮轴扭矩监测装置设置在所述通孔内；

所述扭矩传递管、所述应变测量管和所述齿轮轴的中轴线处于同一直线上。

本发明的升降系统齿轮轴扭矩监测装置具有如下有益效果：由于扭矩传递管的外径大于应变测量管的外径，因此变形主要集中在应变测量管上，当爬升齿轮轴转动时，应变测量管的应变远大于扭矩传递管，从而提高测量精度；测量光纤光栅采用独特的设置方式粘贴在应变测量管上，实现了增敏效果和测量精度高的特点，且测量光纤光栅本身也具有抗电磁干扰能力强，抗腐蚀能力强等特点。因此，本方案可以实时准确的检测爬升齿轮轴的扭矩，从而能够有效的反映各传动装置间所受的载荷是否均衡，这样一来，可以及时发现个别升降系统因为变形或其它原因造成的过载，避免事故发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的剖面结构示意图；

图2为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的扭矩传递管和应变测量管的结构示意图；

图3为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的应变测量管及传输光纤的结构示意图；

图4为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的应变测量管及测量光纤光栅的结构示意图；

图5为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的扭矩传递管和应变传递管的扭转应变与扭矩传递管外径的关系图；

图6为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的扭矩传递管和应变传递管的扭转应变与扭矩传递管长度的关系图；

图7为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的扭矩传递管和应变传递管的扭转应变与应变传递管外径的关系图；

图8为本发明升降系统齿轮轴扭矩监测装置的中心波长的差分值随温度变化的趋势图。

附图中：1-扭矩传递管、11-胀紧套、12-接头、2-应变测量管、21-连接孔、3-测量光纤光栅、31-第一段、32-第二段、4-传输光纤、5-旋转连接器、6-解调仪、7-终端、8-齿轮轴、81-通孔。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如1图至图8所示，一种升降系统齿轮轴扭矩监测装置，包括扭矩传递管1、应变测量管2、测量光纤光栅3、传输光纤4、用于进行信号传输转换的旋转连接器5、用于将带有光栅波长信息的调制信号转换为光纤光栅波长漂移信号的解调仪6和用于根据光纤光栅波长漂移信号得到扭矩并实时显示的终端7，相邻的两个扭矩传递管1之间连接有应变测量管2，测量光纤光栅3贴合设置在应变测量管2的外壁，应变测量管2开设有连接孔21，传输光纤4的一端穿过连接孔21与测量光纤光栅3连接，其另一端穿过扭矩传递管1并与旋转连接器5连接，旋转连接器5与解调仪6数据连接，解调仪6与终端7数据连接；

扭矩传递管1的外径>应变测量管2的外径，扭矩传递管1和应变测量管2的中轴线处于同一直线上。

具体的，当升降系统齿轮轴扭矩监测装置安装在齿轮轴8或其他装置内部时，扭矩传递管1的一端与齿轮轴8固定，另一端与应变测量管2固定，应变测量管2位于两个相邻的扭矩传递管1之间，使得两个应变测量管2和一个扭矩传递管1形成一组应力传递单元，在进行扭矩检测时可以应用到多个上述单元，但在实际安装时由于齿轮作业需要旋转，为了简化结构和便于齿轮的运行，通常设置两组扭矩传递管1和一组应变测量管2组成一个单元即可。

当齿轮运行时，扭矩传递管1和应变测量管2的扭转角与齿轮轴8的扭矩角相同，又由于扭矩传递管1的外径大于应变测量管2的外径，因此变形主要集中在应变测量管2上，当齿轮轴8转动时，应变测量管2的应变远大于扭矩传递管1，从而提高测量精度，所以本方案在应变测量管2上设置测量光纤光栅3，主要用于进行扭矩的实时检测，由于应变测量管2处的应力较为集中，因此扭矩的检测结果较为精准，之后扭矩检测数据通过传输光纤4输送至旋转连接器5处，传输光纤4穿过连接孔21分别与旋转连接器5和测量光纤光栅3连接，具体扭矩数据传递过程是测量光纤光栅3输出与齿轮轴扭矩信息相关的带有光栅波长信息的调制信号，旋转连接器5转换并传输由旋转运动到静止的信号，解调仪6将带有光栅波长信息的调制信号转换为光纤光栅波长漂移信号；最后由终端7根据光纤光栅波长漂移信号处理得到爬升齿轮轴8的扭矩，并实时显示结果。终端7在实际安装时可以采用计算机或者其余设备等，可实现上述功能即可。

由于测量光纤光栅3粘贴在应变测量管2上，实现了增敏效果，且测量精度较高，同时测量光纤光栅3本身也具有抗电磁干扰能力强，抗腐蚀能力强等特点。因此，本方案可以实时准确的检测齿轮轴8的扭矩，从而能够有效的反映各传动装置间所受的载荷是否均衡，这样一来，可以及时发现个别升降系统因为变形或其它原因造成的过载，避免事故发生。

进一步地，测量光纤光栅3弯折设置在应变测量管2的外壁，使得测量光纤光栅3的第一段31在水平面上的投影与应变测量管2中轴线的夹角ɑ为45°，测量光纤光栅3的第二段32在水平面上的投影与应变测量管2中轴线的夹角β为135°。

如此设置，当应变测量管2受到扭矩产生变形时，其应变测量管2的表面剪切应变为：

其中M为应变测量管2所受的扭矩，r为应变测量管2外表面的半径，G为应变测量管2所用材料的切变模量。

上述方案中，如图4所示，测量光纤光栅3弯折设置在应变测量管2的外壁上，使得测量光纤光栅3的第一段31和第二段32与应变测量管2的中轴线呈45°和135°设置，此时测量光纤光栅3中心波长变化量与应变测量管2的表面切应变的关系为：

上述方案中，测量光纤光栅3的第一段31与第二段32形成两组测量单元，分别为第一测量光纤光栅与第二测量光纤光栅，这两个测量光纤光栅组成温度自补偿光纤光栅应变传感器，可以同时实现温度补偿。第一测量光纤光栅与第二测量光纤光栅中心波长漂移量的差分结果Δλ为：

当第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅的中心波长参数相同时，温度对中心波长漂移量的影响被抵消，从而扭矩的检测精度进一步提高。如图8所示，光纤光栅中心波长的差分值(即45°和135°的第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅的中心波长之差)随温度产生变化，在同一扭矩的情况下，随着温度的不断升高，中心波长补偿差分值始终保持在0.005nm(5pm)以内，表明采用上述方式设置的测量光纤光栅3可以充分的消除温度对光纤光栅中心波长变化量的影响。

进一步地，扭矩传递管1的刚度>应变测量管2的刚度。具体的，本方案是在齿轮轴8的通孔81处进行的扭矩检测，采用的是两段扭矩传递管1和一段应变测量管2的组合，扭矩传递管1可以采用刚性较大的钢管，应变测量管2可以采用刚性相对较小的铝管，扭矩传递管1和应变测量管2均为空心结构，又由于扭矩传递管1的外径大于应变测量管2的外径，使得整个结构形成一个下凹的形状，再配合扭矩传递管1和应变测量管2的刚度设置，起到经一步放大变形的作用，提高扭矩测量的准确性。在其他实施例中，扭矩传递管1和应变测量管2的材质可以适应性的调整，满足扭矩传递管1的刚度>应变测量管2的刚度即可，较佳的方案是，扭矩传递管1的刚度远大于应变测量管2的刚度，应变放大效果更好，扭矩测量结果更为精准。

进一步地，扭矩传递管1的外径为42-46mm，应变测量管2的外径为20-25mm。当升降系统齿轮轴扭矩监测装置安装在齿轮轴8内部后，扭矩传递管1的外径改变时，扭矩传递管1的扭转应变随着其外径的增大而减小，所以尽可能增大扭矩传递管1的外径，将其设置为42-46mm最佳；而应变测量管2的扭转应变随着扭矩传递管1的外径增大而增大，对应变测量管2进行设计时应尽可能地使其外径在20-25mm之间，进一步提高扭矩检测结果的准确性。

进一步地，测量光纤光栅3粘贴在应变测量管2外壁的中部。可以理解，测量光纤光栅3需要尽量靠近应变测量管2的中部位置，保证测量结果的精准，本方案中的中部指的是靠近应变测量管2中心的大部分区域，不单指中心区域；在实际安装时，测量光纤光栅3采用环氧树脂胶直接粘贴在应变测量管2的外壁，固定效果较好，并且不会对扭矩的最终测量结果产生影响。

进一步地，扭矩传递管1的外壁还套设有用于促进应力传递的胀紧套11。可以理解，胀紧套11位于扭矩传递管1的外壁，其直接与需要测量扭矩的部件如齿轮轴8固定，通常采用法兰与螺栓配合固定，当胀紧套11的固定螺栓拧紧时，胀紧套11同时具有向外扩张和向内缩紧的趋势，胀紧套11的内表面与扭矩传递管1的外表面紧密贴合，胀紧套11的外表面与齿轮轴8的通孔内表面紧密贴合，当齿轮轴8转动时其两端会产生反向扭矩，此反向扭矩会通过胀紧套11传递到扭矩传递管1上，进而传递到应变测量管2上，最后由测量光纤光栅3检测得到，采用胀紧套11可以改善应力传递效果，进一步提高扭矩测量结果的精准性。

进一步地，连接孔21倾斜设置，使得连接孔21的轴线与水平面的夹角θ为45-60°。如此，如图3所示，传输光纤4与测量光纤光栅3串联，穿过应变测量管2的连接孔21进入应变测量管2内部，之后再与旋转连接器5连接，实现数据的传递。在本方案中连接孔21应保持有一定的倾斜度，并且是顺着传输光纤4的延伸方向倾斜，使其不会弯折，即保持在45-60°的范围内，使得传输光纤4可以顺利导出，尽量降低因传输光纤4弯折带来的光损耗，数据传输更为顺畅，保证测量结果的准确性。

进一步地，应变测量管2的长度为60-65mm。可以理解，当扭矩传递管1的长度改变时，扭矩传递管1的扭转应变随着其长度的增大而增大；应变测量管2的扭转应变随着扭矩传递管1的长度增大而增大，但扭矩传递管1的扭转应变趋势远小于应变测量管2的扭转应变变化趋势，所以本方案在对应变测量管2进行设计时，在满足测量光纤光栅3粘贴的基础上，将应变测量管2的长度缩减，具体设置为60-65mm，进一步改善扭矩测量结果的准确性。

进一步地，扭矩传递管1与应变测量管2通过接头12连接。扭矩传递管1和应变测量管2在实际安装时，采用接头12对两者进行固定，防止两者的连接脱离影响测量结果，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他方式固定，能实现扭矩传递管1和应变测量管2的稳固连接即可。

除此之外，本发明还提出一种齿轮轴8，包括如上述任一项的升降系统齿轮轴扭矩监测装置，齿轮轴8开设有沿其长度方向贯穿的通孔81，升降系统齿轮轴扭矩监测装置设置在通孔81内；扭矩传递管1、应变测量管2和齿轮轴8的中轴线处于同一直线上。

本实施例中的齿轮轴8采用了升降系统齿轮轴扭矩监测装置，参照上述实施例，由于齿轮轴8采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有效果，在此不再一一赘述。

本方案中的齿轮轴8设置有通孔81，升降系统齿轮轴扭矩监测装置设置在通孔81内，可以通过胀紧套11与齿轮轴8配合连接法兰实现固定，也可以直接采用法兰盘与扭矩传递管1的端部固定，此时扭转角将通过法兰盘直接传递到扭矩传递管1和应变测量管2上，采用上述两种连接方式时，需要保证扭矩传递管1、应变测量管2和齿轮轴8的中轴线处于同一直线上，以确保扭矩测量结果的准确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。