風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩測量綜述

張爭爭

摘要： 在機械傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是最能反映系統(tǒng)性能的機械參數(shù)之一。轉(zhuǎn)矩測量已成為現(xiàn)代化機械設(shè)計制造、功能檢測、性能優(yōu)化和故障排除時的關(guān)鍵技術(shù)。本文闡述了轉(zhuǎn)矩測量的背景及意義和轉(zhuǎn)矩測量常用的幾種方法，介紹了國內(nèi)外轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)的現(xiàn)狀，同時展望了轉(zhuǎn)矩測量傳感器的未來發(fā)展趨勢。對于了解轉(zhuǎn)矩測量的發(fā)展歷程及未來方向具有一定的指導(dǎo)意義。

Abstract： In the mechanical transmission system， the torque is one of the most mechanical parameters which can reflect the performance of the system. Torque measurement has become the key technology in the design and manufacture of modern machines， function testing， performance optimization and troubleshooting. In this paper， the background and significance of the torque measurement and the methods of measuring torque are introduced. The present situation of the domestic and foreign torque measurement technology is introduced. The present situation of the domestic and foreign torque measurement technology is introduced， and the future development trend of the torque measurement sensor is also presented， which has a certain guiding significance for understanding the development process and future direction of torque measurement.

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)矩測量意義；測量方法；發(fā)展趨勢

Key words： torque measurement；measurement method；developing trend

中圖分類號：TG806 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0228-02

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩測量的應(yīng)用越來越廣，已經(jīng)成為測試技術(shù)的重要組成部分[1]。轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)中要應(yīng)用微機、機械和自動化等多方面知識[1]。隨著集成電路技術(shù)，虛擬儀器，機械電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩測量儀器向智能化、微小化、一體化發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、科研等眾多領(lǐng)域[2]。

1 轉(zhuǎn)矩測量的背景及意義

機械元件轉(zhuǎn)動的力矩稱為轉(zhuǎn)動力矩，機械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時又稱為扭矩。轉(zhuǎn)矩是反映旋轉(zhuǎn)動力機械性能的重要參數(shù)之一，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須對扭矩進行檢測和控制，轉(zhuǎn)矩測量已成為機械測量不可或缺的一部分。對很多旋轉(zhuǎn)機械來說，能否對其動態(tài)轉(zhuǎn)矩和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩進行準確、方便、及時、可靠的測量，直接影響到動力機械的實時狀態(tài)、運動規(guī)律的分析和研究。此外，轉(zhuǎn)矩的測量還關(guān)系到設(shè)計理論的發(fā)展以及旋轉(zhuǎn)機械性能的研究和提高。同時，轉(zhuǎn)矩測試裝置可以防止旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)矩過大，起到轉(zhuǎn)矩監(jiān)測和自動控制的作用[2]。例如，當一批發(fā)動機制造出來后，通常通過測試其轉(zhuǎn)矩來進行性能的檢測，其次，在各種電機上通常要設(shè)定一個最大轉(zhuǎn)矩值，以防止負載過大使電機損壞。

測量轉(zhuǎn)矩的傳感器、裝置和儀器已經(jīng)成為工廠、研究所對旋轉(zhuǎn)機械進行研究和開發(fā)不可或缺的測試工具，同時也是組成計算機轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要部分。微型測控系統(tǒng)以單片機為核心，充分利用數(shù)字技術(shù)，是目前應(yīng)用最廣泛的測試系統(tǒng)之一[3]。微型測控系統(tǒng)具有體積小、測量方便、高進度等優(yōu)點。

2 轉(zhuǎn)矩測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 轉(zhuǎn)矩測量的國內(nèi)現(xiàn)狀 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的到來，國外先進技術(shù)的引進，我國轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)有了長足改進。在世界范圍內(nèi)達到一個較高的水平。電阻應(yīng)變式和磁電式是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的扭矩測量儀。從電阻應(yīng)變式來看，洛陽工學(xué)院等單位研發(fā)的非接觸式實時動態(tài)扭矩測量儀，精度高，可靠性高，并能在設(shè)備過載時起到保護作用[4]。北京冶金的李國林利用旋轉(zhuǎn)變壓器，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電壓，實現(xiàn)了非接觸式測量[5]。中國船舶工業(yè)總公司研制的卡環(huán)型電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，只需將卡環(huán)卡在軸上就可以直接測得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，廣泛用于艦船、貨船主機扭矩測量[6]。磁電式轉(zhuǎn)速扭矩傳感器和測量儀由上海電器科學(xué)研究所最早開發(fā)出來，在此基礎(chǔ)上上海交通大學(xué)等單位研制了在國內(nèi)目前被廣泛應(yīng)用的磁電式扭矩測力儀[7]。

2.2 轉(zhuǎn)矩測量國外現(xiàn)狀 近年來，隨著現(xiàn)代化機械的發(fā)展，許多發(fā)達國家意識到扭矩測量技術(shù)的重要性，測量技術(shù)飛速發(fā)展，測量儀器不斷更新。美國麻省理工學(xué)院研制了光纖傳感器，具有很強的抗干擾性器。日本小野公司制造了實驗室普遍使用的磁電式相位差扭矩測量儀，量程寬，精度高達0.5-1%.F.S.。歷史悠久的德國馬霍克公司，生產(chǎn)的振弦式扭矩測量儀聞名于世界，該儀器在傳感器中加入鋼弦，當被測軸扭轉(zhuǎn)時，鋼弦會拉緊或者放松以改變自身頻率，這種頻率變化通過滑環(huán)或者感應(yīng)裝置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理機構(gòu)從而完成轉(zhuǎn)矩的測量[7]。霍尼韋爾提出了一種通過無線電傳輸轉(zhuǎn)矩測試信號的新型扭矩傳感器[8]。該傳感器由敏感單元和控制單元組成，可以非接觸地測量汽車變速箱和發(fā)動機所受轉(zhuǎn)矩。endprint

3 轉(zhuǎn)矩的定義

在機械傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是最能反映系統(tǒng)性能的機械參數(shù)之一。扭矩測量已成為現(xiàn)代化機械設(shè)計制造，功能檢測，性能優(yōu)化和故障排除時的關(guān)鍵技術(shù)。利用合適的裝置系統(tǒng)及儀器監(jiān)測和控制轉(zhuǎn)矩，對于整個系統(tǒng)的安全性，可靠性意義重大。轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩[9]。

3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是指隨時間變化不明顯、數(shù)值基本無波動的轉(zhuǎn)矩，包括恒定轉(zhuǎn)矩、靜止轉(zhuǎn)矩、微脈動轉(zhuǎn)矩和緩變轉(zhuǎn)矩。其中恒定轉(zhuǎn)矩是傳動軸勻速轉(zhuǎn)動，運行狀態(tài)不變時的轉(zhuǎn)矩，通常為定值；傳動軸不旋轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，稱為靜止轉(zhuǎn)矩；脈動轉(zhuǎn)矩是指瞬時值有幅度不大都脈動變化的轉(zhuǎn)矩；緩變轉(zhuǎn)矩是指整體變化很慢，短時間內(nèi)變化可忽略不計的轉(zhuǎn)矩[10]。

3.2 動態(tài)轉(zhuǎn)矩 動態(tài)轉(zhuǎn)矩是指在不同時間有明顯變化的轉(zhuǎn)矩，包括振動轉(zhuǎn)矩、隨機轉(zhuǎn)矩和過渡轉(zhuǎn)矩三種[11]。其中振動轉(zhuǎn)矩的值呈現(xiàn)周期性波動；隨機轉(zhuǎn)矩是一種隨機產(chǎn)生，變化無法預(yù)測的轉(zhuǎn)矩；過渡轉(zhuǎn)矩則是機械轉(zhuǎn)換工況過程中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

從安裝的角度來看：動態(tài)轉(zhuǎn)矩是設(shè)計人員從技術(shù)角度給定的轉(zhuǎn)矩值（范圍）。在裝配工具上安裝一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器，在擰緊螺栓的過程中，轉(zhuǎn)矩傳感器所測轉(zhuǎn)矩最大值，即為動態(tài)轉(zhuǎn)矩的測量值。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是使已處于擰緊狀態(tài)螺栓剛好發(fā)生轉(zhuǎn)動的力矩值，即為擰緊螺栓勻速轉(zhuǎn)動時所需克服的阻力矩。

4 轉(zhuǎn)矩測量方法

轉(zhuǎn)矩的測量，按其基本原理可分為三種：傳遞法（扭軸法）、反力法（平衡力法）和能量轉(zhuǎn)換法[12-13]。

4.1 傳遞法 傳遞法又叫做扭軸法，其基本原理是將測量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為測量傳遞轉(zhuǎn)矩的彈性元件的物理參數(shù)變化量，例如，彈性元件所產(chǎn)生的變形、應(yīng)變和應(yīng)力與其所傳遞的轉(zhuǎn)矩之間存在某種函數(shù)關(guān)系，這樣就可以通過測量物理參數(shù)變化量來得到轉(zhuǎn)矩值。通常采用旋轉(zhuǎn)件來作為傳遞轉(zhuǎn)矩的彈性元件，傳感器的信號處理機構(gòu)將彈性元件物理參數(shù)變化量轉(zhuǎn)化為與轉(zhuǎn)矩值成線性關(guān)系的信號，再把數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)矩測量儀中。圓柱形扭軸安裝方便，且能保證較高的精度，是目前使用最多的彈性元件。

4.2 反力法 處于穩(wěn)態(tài)運行的旋轉(zhuǎn)體，除提供動力的驅(qū)動力矩外，肯定存在著與驅(qū)動力矩大小相等、方向相反的平衡力矩。這樣就可以通過測量旋轉(zhuǎn)體的平衡力矩來得到其驅(qū)動力矩，這種方法成為反力法，又叫做平衡力法。采用平衡力法測量轉(zhuǎn)矩，不存在轉(zhuǎn)矩從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的問題，可以通過類似彈簧測力計的測力儀器直接得到作用在力臂上的力值。只是這種方法只能用來測量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，不能測量動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

4.3 能量轉(zhuǎn)換法 能量轉(zhuǎn)換法，顧名思義，就是根據(jù)能量守恒定律，用其他參數(shù)來間接測量轉(zhuǎn)矩的方法。例如，風(fēng)輪輸出功率計算公式為P0=Tω，這樣就可以通過測量風(fēng)輪的輸出功率、角速度來間接得到風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。不過這種方法誤差較大，一般為（5-10%），故很少采用，一般只有在無法直接測量轉(zhuǎn)矩時使用。

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