某型渦軸發(fā)動機電相位法測量扭矩分析及研究

鄧江++張旺

摘 要：某渦軸發(fā)動機的測扭系統(tǒng)采用電相位法進(jìn)行扭矩測量，本文從電相位法優(yōu)勢、特點及原理出發(fā)，對測扭系統(tǒng)的組成特點和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。同時為校準(zhǔn)發(fā)動機扭矩測量系統(tǒng)，分析研究了扭矩匹配及修正系數(shù)的關(guān)系，總結(jié)電相位法的優(yōu)勢及缺點，為測量渦軸發(fā)動機扭矩提供了思路和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：測扭系統(tǒng)；電相位法；扭矩匹配；渦軸發(fā)動機

中圖分類號：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0065-02

Abstract：The method of the electric phase has been used for the torque measurement by a turbo-shaft engine. Based of the methods advantage、characteristic and principle，the composition characteristic and the working principle of the torque measurement system are analysed in detail. There is a problem of the torque conformation. To calibrate the torque measurement system， researching the connection of the torque measurement and the modified coefficient， summing up this methods advantage/characteristic and disadvantage， providing the notion and basis of the torque measurement by turbo-shaft engine.

Key words：torque measurement；electrical phase；torque conformation；turbo-shaft engine

1 引言

某型渦軸發(fā)動機的控制系統(tǒng)由原來的機械液壓控制改為數(shù)字式電子控制和機械液壓備份的數(shù)控系統(tǒng)，為適應(yīng)數(shù)字式電子控制的需要，原有的機械式模擬電路測量扭矩的方法已不能滿足發(fā)動機全權(quán)限電子控制的要求，需要將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的離散量，才能被電子控制器所識別和利用，因此，必須采用一種新型的結(jié)構(gòu)簡單且測量精度高的扭矩測量方法。

2 電相位法優(yōu)勢及特點

電相位法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、扭矩信號非接觸式傳遞、檢測信號為數(shù)字脈沖信號、不易磨損、壽命長等優(yōu)點，為整個測量系統(tǒng)的自動化、智能化提供技術(shù)保證。為了達(dá)到所要求的精度，常要求被測軸相對長而細(xì)，以產(chǎn)生較大的變形，所以此類傳感器主要應(yīng)用于長軸的扭矩測量。

3 某型渦軸發(fā)動機扭矩測量方法選擇

該型發(fā)動機是一種自由渦輪式、帶體內(nèi)減速器、前向輸出軸功率的發(fā)動機，共5個單元體，分別為軸流壓氣機、燃?xì)獍l(fā)生器、自由渦輪、減速器和附件傳動機匣。功率軸是將減速齒輪輸出的功率傳遞到附件傳動裝置上，輸出到發(fā)動機前部。功率軸的長度與直徑之比大于19，為細(xì)長型軸，同時，由于發(fā)動機控制系統(tǒng)采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制，對扭矩測量信號的精度要求很高，因此，發(fā)動機采用電相位法來測量扭矩。

4 電相位法測量扭矩原理

電相位法是一種非接觸式扭矩測量方法，利用扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系，將扭矩產(chǎn)生的角變形通過音輪切割磁力線得到如脈沖等感應(yīng)信號，輸出給測量電路，計算出二者的相位差。對于一根給定的鑲嵌有參照軸的彈性軸，扭矩和扭轉(zhuǎn)角（即相位差）的關(guān)系如下：

式中：G——橫向彈性模量；D——彈性軸直徑；L——彈性軸的長度；△θ——扭轉(zhuǎn)角差，△θ=θ1一θ2。

由關(guān)系式（1）可知，對于給定的彈性軸，橫向彈性模量G、彈性軸直徑D以及彈性軸長度L均是恒定的值，這樣扭矩T只是扭轉(zhuǎn)角差△θ的單值函數(shù)，因此，測量扭矩就可以轉(zhuǎn)化為測量扭轉(zhuǎn)角差△θ（即相位差）的方法。

5 發(fā)動機測扭系統(tǒng)組成

發(fā)動機測扭系統(tǒng)由功率軸、參照軸、音輪、扭矩傳感器和扭矩匹配盒以及電子控制器組成（如圖1所示）。

參照軸和音輪是連接成一個整體，功率軸和音輪上各裝有4個等距齒，且每個齒相對軸向存在一定的偏向角，組合狀態(tài)下音輪和功率軸齒的相對偏角為46°57′±6′，這8個齒構(gòu)成扭矩測量系統(tǒng)的音輪。參照軸和音輪套在功率軸上，并且二者有一定的間隙，即間隙配合，這樣功率軸扭轉(zhuǎn)運動，而參照軸和音輪保持相對靜止，白色凸臺為功率軸，黑色凸臺為音輪。（如圖2和圖3所示）。

扭矩傳感器為電磁式傳感器，輸出電信號為相位移脈沖信號，提供給電子控制器，電子控制器計算信號的相位移，以確定發(fā)動機實時的、真實的輸出扭矩。傳感器用螺釘安裝在連接管右前端的安裝座上，伸進(jìn)的深度靠調(diào)整墊來調(diào)節(jié)，并且正對著音輪安裝。

6 發(fā)動機測扭系統(tǒng)工作原理

發(fā)動機不工作時，沒有輸出功率，此時扭矩為0，音輪的齒輪間距離是相等的，即a=b。

發(fā)動機工作時，由于功率軸上的齒承受扭矩發(fā)生變形，而參照軸和音輪不受扭，因而每個齒與兩邊相鄰齒之間的夾角a和b會發(fā)生變化，齒輪的旋轉(zhuǎn)切割傳感器附近的磁場，使傳感器向電子控制器輸出一個電信號，電子控制器計算信號的相位移。當(dāng)扭矩增加時，功率軸相對于參照軸扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致夾角發(fā)生變化（a增加，b減小）。該夾角與輸出的電信號的相位對應(yīng)，電子控制器計算出差值（a-b）/2，然后確定發(fā)動機的扭矩（如圖4、5所示）。

7 扭矩匹配

電相位法測量的是發(fā)動機功率軸的總變形，因此，電相位法測得的扭矩與車臺系統(tǒng)水力測功器測得的扭矩值不一致，存在一定的差異，需要“校準(zhǔn)”發(fā)動機的測扭系統(tǒng)，根據(jù)測量的一系列扭矩數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，也就是匹配后，發(fā)動機扭矩就與車臺系統(tǒng)水力測功器讀到的扭矩值相同，反映了發(fā)動機的真實扭矩。

7.1 扭矩匹配法則

通常情況下，發(fā)動機100%扭矩是已知的，再根據(jù)發(fā)動機測扭系統(tǒng)的測量值，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到以下構(gòu)造函數(shù)：

TRQSD= （2）

式中：CM_VOL=發(fā)動機測扭系統(tǒng)的測量值，TRQSD=車臺扭矩，a=斜率修正系數(shù)，b=零位修正系數(shù)，100%CM_

VOL=1000 N·m。

根據(jù)錄取發(fā)動機性能數(shù)據(jù)，確定分別與TRQSD·1=850N·m和TRQSD·2=300N·m相對應(yīng)的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，代入構(gòu)造函數(shù)（2）中分別算出斜率修正系數(shù)a和零位修正系數(shù)b。

7.2 修正系數(shù)“a”和“b”的確定

已知TRQSD·1=850 N·m和TRQSD·2=300 N·m相對應(yīng)的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，根據(jù)構(gòu)造函數(shù)（2）可以確定斜率修正系數(shù)a和零位修正系數(shù)b的值：

a= （3）

b= （4）

檢查a、b值是否在所給定的限制值范圍之內(nèi)，也就是：

amin-1%≤a≤amax+1%

bmin-1%≤b≤bmax+1%

則：

-5.1≤a≤5.1 （5）

-56.75≤b≤42.03 （6）

如果a和b的值都滿足上述條件（5）和（6），則可以選擇匹配電阻PCM_E和0CM_E，根據(jù)匹配電阻確定扭矩匹配盒網(wǎng)絡(luò)電阻的值，然后進(jìn)行一次試車驗證。

8 結(jié)語

根據(jù)發(fā)動機測扭系統(tǒng)工作原理和扭矩匹配法則，通過功率軸的扭轉(zhuǎn)變形和音輪的切割磁力線，輸出感應(yīng)的脈沖信號，通過測量脈沖信號的相位差，就能測得發(fā)動機的扭矩，雖然電相位法在測量扭矩方面有很多優(yōu)點，但是電相位法測量扭矩也存在扭矩校準(zhǔn)和匹配問題。本文詳細(xì)分析研究電相位法測量扭矩的結(jié)構(gòu)原理及影響因素，可用于指導(dǎo)功率軸為細(xì)型長軸的渦軸發(fā)動機設(shè)計及維護(hù)。

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