回转机械动态扭矩非接触测量的研究

　　1　引　言

　　转动动力传输是大型回转机械系统动力传输的重要组成部分,例如:轧钢机的传动轴、船舶的螺旋桨、机车的驱动轮、飞机的发动机等。对其进行扭矩的动态监控是其可靠、高效运行的重要措施,是系统监控的基础。对大型回转机械设备扭矩需进行动态非接触测量,以实现工况实时监测和保护设备正常运转的目的。

　　二端面弹性转轴是回转机械中最常用的零件之一。弹性转轴一般是通过两个端面建立与其它零件的联接关系,其力学、位移条件也是通过二端面给定和需要测出的。建立二端面弹性转轴的动力学方程后,进一步建立整个回转传动系统的动力学方程。文献[1]基于相对性原理,建立了圆柱体任意两个横截面间的二端面弹性转轴转动动力学方程。文献[2]针对圆柱体任意两个横截面间的相对转动动力学方程,运用解耦方法获得方程的解析解,并利用Jordan标准形求得可逆矩阵,得到圆柱体相对转动动力学方程的积分形式的解。以上研究均是基于单根轴在扭矩作用下两个截面产生的相对转角,在此基础上,本文以轧机这种典型的复杂回转机械为研究对象,建立适于轧机主传动系统应用的动态测量模型,对测量参数进行数学解析,最终得到轧机轧制过程中接轴受得的扭矩加载。

　　2　轧机轴系动态扭矩测量模型

　　建立轧机接轴动态扭矩测量模型主要有两种:一种是将轴系质量离散化视为具有集中质量的集总参数模型;另一种是将轴系质量沿轴线连续分布的分布参数模型[3]。分布参数模型主要集中在单一对象分析中,较少在复杂系统动态测量中应用。集总参数模型中的轴盘模型是轴系振动计算中经常采用的力学模型,利用传递矩阵法得到力学模型的数学解,完成针对测量对象的振型分析,物理概念清晰,使用简单,计算方便,广泛地使用在轴系模型建立中[3~5]。

　　本文以集总参数模型为依据,利用传递矩阵法对某型轧机进行建模分析,得到一种适于轧机扭矩实时监测的模型结构。下面以图1所示的轧机结构作为分析对象。

图1　某型轧机结构图

　　图1是一个具有两分支结构的多质量系统。选择其中的一条主传动轴系进行力学分析,按照集总参数模型的分析方法,对图1的轧机主传动轴系进行集总建模,得到单轴系集总参数模型,如图2所示。图2中:Ii、hi、Ci、Ki分别为第i根接轴的转动惯量、内阻尼系数、外阻尼系数、扭转刚度;下标E表示电机;下标L表示负载;下标R表示轧辊。在力学分析中,两电机等效为一个电机,电机轴和轧辊分别作为轴系组成项进入轴系分析模型中,考虑内外阻尼做轴系动力学分析。