一種應變型扭矩測量儀的設計與實現(xiàn)

摘 要：文章介紹了一種卡環(huán)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(tài)和非靜態(tài)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(huán)式應變型

1 概述

扭矩和轉速是反映機械系統(tǒng)傳動性能的典型參數(shù)，高精度扭矩和轉速測量則是完成機械系統(tǒng)動態(tài)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(jù)船廠要求，該扭矩測量儀的主要參數(shù)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(tài)和非靜態(tài)測量。

2 扭矩測量儀的現(xiàn)狀

在歐美發(fā)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(jù)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(huán)緊固在被測傳動軸上，卡環(huán)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(jù)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(huán)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(tài)測量，選擇卡環(huán)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(jù)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(xù)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(tǒng)上有齒輪，定子上面有感應探頭。當金屬齒經(jīng)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(shù)。

（4）信號發(fā)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(wěn)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?shù)蕉ㄗ由系慕邮詹考?，?jīng)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(tài)無關；頻率信號有大的測量范圍，適于進行動態(tài)測量和靜態(tài)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(huán)形成一體，將卡環(huán)卡在被測量軸上即可進行測量。卡環(huán)是軸扭矩的傳遞部件，軸受到扭矩而發(fā)生扭轉時，引起兩個卡環(huán)發(fā)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(huán)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(jīng)發(fā)射機發(fā)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(jù)計數(shù)傳感器設計，可以測量扭矩、轉速和轉角。測量輸出和參數(shù)調整采用Profibus通訊接口。

3.3 數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)學評估（包括計算、信號分析及統(tǒng)計），可利用序列宏的方式實現(xiàn)自動控制。扭矩測量儀提供開放的Activex接口供用戶開發(fā)應用程序。該測量儀具備以太網(wǎng)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(yè)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(tài)測試系統(tǒng)設計[J].湖北工業(yè)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。