一種應變型扭矩測量儀的設計與實現

摘 要：文章介紹了一種卡環式應變型超大量程扭矩測量儀的設計方法，該扭矩測量儀測量量程大、能夠進行靜態和非靜態測量，滿足了巨型遠洋油輪超大量程扭矩測試的需要。

關鍵詞：扭矩測量儀；超大量程；卡環式應變型

1 概述

扭矩和轉速是反映機械系統傳動性能的典型參數，高精度扭矩和轉速測量則是完成機械系統動態特性和響應分析的基礎[1]。

由我國自主建造的某型巨型遠洋油輪（VLCC）需要一套超大量程扭矩測試裝置對油輪主機軸的輸出扭矩、轉速進行精確測量。根據船廠要求，該扭矩測量儀的主要參數如下：（1）扭矩測量額定值：500kN·m，最大值：600kN·m；（2）扭矩測量最大允許誤差：±0.5%FS；（3）轉速測量誤差：小于0.5r/min；（4）能夠進行靜態和非靜態測量。

2 扭矩測量儀的現狀

在歐美發達國家，扭矩測量儀是大型船舶必裝設備。在我國，大型船舶均配備了扭矩測量儀。根據安裝方式的不同，扭矩測量儀分為介入式和非介入式兩種。介入式測量儀必須作為傳動軸的一部分才能夠測量扭矩。在被測試設備運行期間不允許斷開軸系，因此其應用受到限制；非介入式測量儀是采用兩組卡環緊固在被測傳動軸上，卡環之間安裝測力棒，感應扭轉變形，因此無需斷開軸系即可測得扭矩。根據信號傳輸方式的不同，扭矩測量儀分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式滑環傳輸方式，缺點是易磨損、需常清洗、安裝難，容易引入干擾信號，信號測量準確度不高。非接觸式傳輸方式，信號變換處理的方式為先檢測變換處理，后進行傳輸，故不易引入干擾信號，測量準確度高。

3 扭矩測量儀的設計

扭矩測量儀量程大，測量精度高，要求動態測量，選擇卡環式應變型扭矩儀，采用非接觸式傳輸。非介入式測試儀將傳感器卡在軸上，無須斷開軸系，給實際工況測量扭矩帶來很大的方便。

測量出扭矩和轉速后，根據公式即可計算出油輪主機軸的功率[2]。

P=■

上式中，P為功率，T為轉矩，n為轉速。

整套測量裝置由三部分組成：扭矩傳感器裝置、前端信號調制裝置和信號處理與顯示裝置。該裝置信號流圖如圖1所示。

3.1 扭矩傳感器裝置

扭矩傳感器裝置主要分為以下幾個部件：（1）法蘭連接軸。為了標定和實際檢測使用，設計加工一根法蘭連接軸，其接口與待測軸系的相關接口吻合。（2）供電部件。供電部件采用可充電12V鋰離子電池供電，可連續工作。（3）測速組件。轉速采用磁學轉速傳感器進行測定，磁學轉速傳感器如圖2所示。在轉子系統上有齒輪，定子上面有感應探頭。當金屬齒經過霍爾傳感器前端時，引起磁場變化，被霍爾元件檢測到并轉換成交變電信號。在轉子旋轉時，產生電壓脈沖，該電壓脈沖的頻率與轉速成正比例關系。

轉速測量原理公式為：

式中，n為轉速；Nx為方波脈沖頻率量；Z為測速齒輪的齒數。

（4）信號發射和接收部件。扭矩傳感器裝置的信號傳輸方式為非接觸遙測式。在轉子上的可充電池提供穩定的直流12V電壓，給應變片測量電橋供電。測量電橋的輸出電壓與扭矩成正比，通過電壓頻率轉換器輸出與扭矩成正比的脈沖頻率信號。脈沖頻率信號通過電磁感應傳輸到定子上的接收部件，經過前置放大器放大輸出。扭矩的大小與頻率大小成正比，與幅值的損失無關。使用的12V激勵應變片測量電橋，使得測量信號有高的信噪比；測量信號是調頻形式輸出，與被測設備的運動狀態無關；頻率信號有大的測量范圍，適于進行動態測量和靜態測量，轉速對傳輸沒有影響。（5）扭矩傳感器組。扭矩傳感器是整套扭矩傳感器裝置的關鍵部件。該型扭矩儀的傳感器使用密封型傳感器，傳感器與一對卡環形成一體，將卡環卡在被測量軸上即可進行測量。卡環是軸扭矩的傳遞部件，軸受到扭矩而發生扭轉時，引起兩個卡環發生相對位移。被測軸產生的扭轉角？準與施加的扭矩T成正比。由于扭轉角？準使兩卡環產生相對位移，其切向位移量δ的大小反映了扭矩值T的大小。使用惠斯通電橋可以測量并且獲得應變信號。應變信號是一個比例于施加扭矩的電壓。該電壓被調制以后，從轉動的測量軸上經發射機發出信號。

3.2 前端信號調制裝置

扭矩信號和轉速信號均采用專用放大器進行采集。該放大器精度為0.2級，根據計數傳感器設計，可以測量扭矩、轉速和轉角。測量輸出和參數調整采用Profibus通訊接口。

3.3 數據處理與顯示系統

數據處理與顯示系統采用西門子S7 300系列PLC模塊，使用彩色觸摸屏，具備圖形化顯示、數據分析及存儲功能，能夠實時顯示扭矩和轉速并自動計算傳動軸軸功率。

用戶可以定義可視化界面，進行數學評估（包括計算、信號分析及統計），可利用序列宏的方式實現自動控制。扭矩測量儀提供開放的Activex接口供用戶開發應用程序。該測量儀具備以太網接口，能方便地進行通訊。

3.4 扭矩測量儀軟件設計

扭矩測量儀軟件設計流程圖如圖3所示。儀器初始化后啟動扭矩傳感器裝置。PLC接受扭矩傳感器裝置反饋的扭矩、轉速信號，若扭矩、轉速信號超過量程，可能會引起扭矩傳感器裝置不可逆的超限損壞，PLC會立即給出聲光報警信號，提示儀器超量程，提示使用者進行相應處置。

4 應用

測量儀的傳感器兩側的機械連接采用法蘭連接式，為了保證測量準確，使用液壓裝置以相同的扭矩擰緊連接螺栓。測量儀安裝于油輪主機軸軸系后，測量主機軸的輸出扭矩、轉速，前期調試和后期出廠試驗對該型扭矩測量儀進行了試驗驗證，達到了交付條件。

5 結束語

通過超大量程扭矩測量儀的研制，解決了巨型油輪主機軸的扭矩和轉速測量難題，提升了我國船舶工業扭矩測量能力。

參考文獻

[1]劉海，等.基于光柵扭矩轉速傳感器動態測試系統設計[J].湖北工業大學學報，2010，25（4）：51-53.

[2]辜承林，等.電機學[M].武漢：華中科技大學出版社，2003.

作者簡介：周志霞（1980-），女，講師，碩士，主要研究方向為動力工程。