扭矩測(cè)量
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扭矩由力和力臂的乘積來定義，單位是Nm。扭矩的測(cè)量以測(cè)量轉(zhuǎn)軸應(yīng)變和
測(cè)量轉(zhuǎn)軸兩橫截面相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的方法最常用。
10.2.1應(yīng)變式扭矩測(cè)量
由材料力學(xué)知，當(dāng)受扭矩作用時(shí)，軸表面有最大剪應(yīng)力τmax。軸表面的單
元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45度的方向上有最大正應(yīng)力σ1和σ2，
其值為｜σ1｜=｜σ2｜=τmax。相應(yīng)的變形為ε1和ε2，當(dāng)測(cè)得應(yīng)變后，
便可算出τmax。測(cè)量時(shí)應(yīng)變片沿與軸線成45°的方向粘貼。
若測(cè)得沿45°方向的應(yīng)變ε1，則相應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?/FONT>
(10.19) |
式中：
E—材料的彈性模量；
μ—材料的泊松比；
于是，軸的扭矩為
(10.20) |
式中：
Wn—材料的抗扭模量。
對(duì)于實(shí)心圓軸
(10.21) |
測(cè)扭時(shí)，電阻應(yīng)變計(jì)須沿主應(yīng)變ε1及ε2的方向(與軸線成45°及135°夾角)。應(yīng)變計(jì)的布置及組橋方式應(yīng)考慮靈敏度、溫度補(bǔ)償及抵消拉、壓及彎曲等非測(cè)量因素干擾的要求
扭矩測(cè)量信號(hào)的傳輸
1. 扭矩測(cè)量的集電裝置
旋轉(zhuǎn)件如轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變測(cè)量，需要解決信號(hào)傳送的問題。粘貼在旋轉(zhuǎn)件上的應(yīng)變片和電橋?qū)Ь€隨旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)，而應(yīng)變儀等測(cè)量記錄儀器是固定的。除采用遙測(cè)方式以外，需要有集電裝置。
集電裝置由兩部份組成：與應(yīng)變片相連，隨旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)的集流環(huán)（滑環(huán)）和與外部測(cè)量?jī)x器相連，壓靠在滑環(huán)上的電刷（拉線）。集流裝置應(yīng)準(zhǔn)確可靠地傳遞應(yīng)變信號(hào)，防止干擾減少測(cè)量誤差。集流環(huán)與電刷之間接觸電阻的變化是產(chǎn)生干擾，影響正常測(cè)量的主要因素(對(duì)集電裝置的一般要求)。
集電裝置種類、形式很多，其原理、結(jié)構(gòu)與電機(jī)的集電裝置相同。常用的集電裝置有
拉線式和電刷式兩種形式
2. 無線傳輸方式
無線傳輸方式可以克服有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，得到越來越多的應(yīng)用。它分為電波收發(fā)方式和光電脈沖傳輸方式。這兩種方式從使用的角度來看都取消了中間接觸環(huán)節(jié)，導(dǎo)線和專門的集流裝置。電波收發(fā)方式測(cè)量系統(tǒng)要求可靠的發(fā)射、接收和遙測(cè)裝置，且其信號(hào)容易受到干擾；而光電脈沖測(cè)量抗干擾能力較強(qiáng)，它是把測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)字化后以光信號(hào)的形式從轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量盤傳送到固定的接收器上，然后經(jīng)解碼器后還原為所需的信號(hào)。
扭矩的測(cè)量 （二）
拉線式集電裝置
拉線式集電裝置的結(jié)構(gòu)如左圖（ 拉線式集電裝置）,將兩個(gè)半圓形尼龍滑環(huán)4用螺栓9固定在轉(zhuǎn)軸上?；h(huán)的外圓加工有4條溝槽，槽內(nèi)嵌有黃銅或鈹青銅帶5。兩個(gè)半圓形滑環(huán)上的4條銅帶端部對(duì)頭焊接，并將轉(zhuǎn)軸上粘貼的應(yīng)變片電橋端點(diǎn)引線焊接至該處。拉線6置于滑環(huán)之上，并經(jīng)絕緣子7用彈簧8拉緊固定，在拉線6上焊接引線連至測(cè)量?jī)x。拉線6多采用裸鋼絲編織扁線(從屏蔽電纜線上剝離下的屏蔽網(wǎng))。（安裝拉線式集電裝置的注意事項(xiàng) ）
安裝拉線式集電裝置的注意事項(xiàng)
(1) 固緊滑環(huán)，不得有任何松動(dòng)，滑環(huán)的四個(gè)滑道特別是端頭焊點(diǎn)應(yīng)光滑平整，滑環(huán)平面與轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格垂直。
(2) 若拉線在轉(zhuǎn)軸上的包角太小，轉(zhuǎn)軸會(huì)有徑向跳動(dòng)而脫離接觸，包角太大會(huì)加劇磨損，一般應(yīng)使包角在30°～90°之間。
(3) 拉線彈簧張力太小，則接觸電阻加大甚至接觸不好；張力太大，則磨損過快。要適當(dāng)調(diào)整彈簧張力。
(4) 為減少磨損，常在滑道上加入少量凡士林或與石墨碳刷粉末混合物。
(5) 拉線固定方式應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)條件而定。對(duì)于高速轉(zhuǎn)軸或正反換向轉(zhuǎn)軸應(yīng)雙端固定。
電刷式集電裝置
電刷式集電裝置的結(jié)構(gòu)如左圖(電刷式集電裝置)所示。為了保證電刷與滑環(huán)接觸良好，減少接觸電阻,在每條滑道上應(yīng)對(duì)稱配置多個(gè)并接在一起的電刷，且使各電刷用彈簧壓緊滑道。其壓緊力應(yīng)適當(dāng)，一般應(yīng)在0.2～0.6MPa。電刷材料多用含銀石墨，也可用鈹青銅片。
其它扭矩測(cè)量方法
1. 壓磁式扭矩傳感器(壓磁式扭矩測(cè)量的原理)
壓磁式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如下圖，它是利用軸受扭時(shí)材料導(dǎo)磁率的變化測(cè)量扭矩。其特點(diǎn)是可以非接觸測(cè)量，使用方便，但要求旋轉(zhuǎn)過程不出現(xiàn)徑向跳動(dòng)，否則鐵芯與轉(zhuǎn)軸間隙改變，會(huì)造成測(cè)量誤差甚至破壞測(cè)量設(shè)備。
2. 磁電感應(yīng)式扭矩傳感器(磁電感應(yīng)式扭矩傳感器的原理)
磁電感應(yīng)式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如下圖，它是在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪，通過其所在橫截面之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量扭矩。
3. 光電式扭矩傳感器(光電式扭矩測(cè)量的原理)
光電式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如下圖，它是在轉(zhuǎn)軸上固定兩只圓盤光柵，通過兩光柵之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量扭矩。
光電式扭矩傳感器
如左圖(光電式扭矩傳感器)所示，在轉(zhuǎn)軸4上固定兩只圓盤光柵3，在不承受扭矩時(shí)，兩光柵的明暗區(qū)正好互相遮擋，光源1的光線沒有透過光柵照射到光敏元件2，無輸出信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受扭矩后，轉(zhuǎn)軸變形將使兩光柵出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)角，部份光線透過光柵照射到光敏元件上產(chǎn)生輸出信號(hào)。扭矩愈大，扭轉(zhuǎn)角愈大，穿過光柵的光通量愈大，,輸出信號(hào)愈大，從而可實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。
磁電感應(yīng)式扭矩傳感器
如左圖( 磁電感應(yīng)式扭矩傳感器)所示，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪1和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測(cè)頭3和4對(duì)著齒頂安裝。當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。
鐵磁材料的轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時(shí)，導(dǎo)磁率發(fā)生變化。上圖( 壓磁式扭矩傳感器)中，分別繞有線圈A和B，其中A-A沿軸線，B-B沿垂直于軸線放置，彼此互相垂直。兩個(gè)鐵芯的開口端與轉(zhuǎn)軸表面保持1-2mm空隙，當(dāng)A-A線圈通入交流電，形成通過轉(zhuǎn)軸的交變磁場(chǎng)。
當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，磁力線和B-B線圈不交鏈；轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)軸材料導(dǎo)磁率變化，沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負(fù)應(yīng)力方向磁阻增大，從而使磁力線分布改變，使部分磁力線與B-B線圈交鏈，并在B-B線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)隨扭矩增大而增大，并在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。
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評(píng)論