風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩測(cè)量綜述

張爭(zhēng)爭(zhēng)

摘要： 在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是最能反映系統(tǒng)性能的機(jī)械參數(shù)之一。轉(zhuǎn)矩測(cè)量已成為現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)制造、功能檢測(cè)、性能優(yōu)化和故障排除時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。本文闡述了轉(zhuǎn)矩測(cè)量的背景及意義和轉(zhuǎn)矩測(cè)量常用的幾種方法，介紹了國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀，同時(shí)展望了轉(zhuǎn)矩測(cè)量傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于了解轉(zhuǎn)矩測(cè)量的發(fā)展歷程及未來(lái)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(cè)量意義；測(cè)量方法；發(fā)展趨勢(shì)

Key words： torque measurement；measurement method；developing trend

中圖分類(lèi)號(hào)：TG806 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)量的應(yīng)用越來(lái)越廣，已經(jīng)成為測(cè)試技術(shù)的重要組成部分[1]。轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)中要應(yīng)用微機(jī)、機(jī)械和自動(dòng)化等多方面知識(shí)[1]。隨著集成電路技術(shù)，虛擬儀器，機(jī)械電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x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(cè)量的背景及意義

機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱(chēng)為扭矩。轉(zhuǎn)矩是反映旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械性能的重要參數(shù)之一，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)扭矩進(jìn)行檢測(cè)和控制，轉(zhuǎn)矩測(cè)量已成為機(jī)械測(cè)量不可或缺的一部分。對(duì)很多旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，能否對(duì)其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確、方便、及時(shí)、可靠的測(cè)量，直接影響到動(dòng)力機(jī)械的實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析和研究。此外，轉(zhuǎn)矩的測(cè)量還關(guān)系到設(shè)計(jì)理論的發(fā)展以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能的研究和提高。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩測(cè)試裝置可以防止旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩過(guò)大，起到轉(zhuǎn)矩監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制的作用[2]。例如，當(dāng)一批發(fā)動(dòng)機(jī)制造出來(lái)后，通常通過(guò)測(cè)試其轉(zhuǎn)矩來(lái)進(jìn)行性能的檢測(cè)，其次，在各種電機(jī)上通常要設(shè)定一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩值，以防止負(fù)載過(guò)大使電機(jī)損壞。

測(cè)量轉(zhuǎn)矩的傳感器、裝置和儀器已經(jīng)成為工廠、研究所對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)不可或缺的測(cè)試工具，同時(shí)也是組成計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要部分。微型測(cè)控系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，充分利用數(shù)字技術(shù)，是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)試系統(tǒng)之一[3]。微型測(cè)控系統(tǒng)具有體積小、測(cè)量方便、高進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)。

2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的到來(lái)，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)有了長(zhǎng)足改進(jìn)。在世界范圍內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高的水平。電阻應(yīng)變式和磁電式是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的扭矩測(cè)量?jī)x。從電阻應(yīng)變式來(lái)看，洛陽(yáng)工學(xué)院等單位研發(fā)的非接觸式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x，精度高，可靠性高，并能在設(shè)備過(guò)載時(shí)起到保護(hù)作用[4]。北京冶金的李國(guó)林利用旋轉(zhuǎn)變壓器，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電壓，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量[5]。中國(guó)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(cè)得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，廣泛用于艦船、貨船主機(jī)扭矩測(cè)量[6]。磁電式轉(zhuǎn)速扭矩傳感器和測(cè)量?jī)x由上海電器科學(xué)研究所最早開(kāi)發(fā)出來(lái)，在此基礎(chǔ)上上海交通大學(xué)等單位研制了在國(guó)內(nèi)目前被廣泛應(yīng)用的磁電式扭矩測(cè)力儀[7]。

2.2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量國(guó)外現(xiàn)狀 近年來(lái)，隨著現(xiàn)代化機(jī)械的發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國(guó)家意識(shí)到扭矩測(cè)量技術(shù)的重要性，測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展，測(cè)量?jī)x器不斷更新。美國(guó)麻省理工學(xué)院研制了光纖傳感器，具有很強(qiáng)的抗干擾性器。日本小野公司制造了實(shí)驗(yàn)室普遍使用的磁電式相位差扭矩測(cè)量?jī)x，量程寬，精度高達(dá)0.5-1%.F.S.。歷史悠久的德國(guó)馬霍克公司，生產(chǎn)的振弦式扭矩測(cè)量?jī)x聞名于世界，該儀器在傳感器中加入鋼弦，當(dāng)被測(cè)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，鋼弦會(huì)拉緊或者放松以改變自身頻率，這種頻率變化通過(guò)滑環(huán)或者感應(yīng)裝置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)從而完成轉(zhuǎn)矩的測(cè)量[7]?；裟犴f爾提出了一種通過(guò)無(wú)線電傳輸轉(zhuǎn)矩測(cè)試信號(hào)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(cè)量汽車(chē)變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)所受轉(zhuǎn)矩。endprint

3 轉(zhuǎn)矩的定義

在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是最能反映系統(tǒng)性能的機(jī)械參數(shù)之一。扭矩測(cè)量已成為現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)制造，功能檢測(cè)，性能優(yōu)化和故障排除時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。利用合適的裝置系統(tǒng)及儀器監(jiān)測(cè)和控制轉(zhuǎn)矩，對(duì)于整個(gè)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩[9]。

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

3.2 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是指在不同時(shí)間有明顯變化的轉(zhuǎn)矩，包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩、隨機(jī)轉(zhuǎn)矩和過(guò)渡轉(zhuǎn)矩三種[11]。其中振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的值呈現(xiàn)周期性波動(dòng)；隨機(jī)轉(zhuǎn)矩是一種隨機(jī)產(chǎn)生，變化無(wú)法預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)矩；過(guò)渡轉(zhuǎn)矩則是機(jī)械轉(zhuǎn)換工況過(guò)程中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

從安裝的角度來(lái)看：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是設(shè)計(jì)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(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器，在擰緊螺栓的過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩傳感器所測(cè)轉(zhuǎn)矩最大值，即為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的測(cè)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(dòng)的力矩值，即為擰緊螺栓勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需克服的阻力矩。

4 轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法

轉(zhuǎn)矩的測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為測(cè)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(guò)測(cè)量物理參數(shù)變化量來(lái)得到轉(zhuǎn)矩值。通常采用旋轉(zhuǎn)件來(lái)作為傳遞轉(zhuǎn)矩的彈性元件，傳感器的信號(hào)處理機(jī)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(hào)，再把數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x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(yùn)行的旋轉(zhuǎn)體，除提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)力矩外，肯定存在著與驅(qū)動(dòng)力矩大小相等、方向相反的平衡力矩。這樣就可以通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的平衡力矩來(lái)得到其驅(qū)動(dòng)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(cè)量轉(zhuǎn)矩，不存在轉(zhuǎn)矩從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的問(wèn)題，可以通過(guò)類(lèi)似彈簧測(cè)力計(jì)的測(cè)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(lái)測(cè)量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，不能測(cè)量動(dòng)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(lái)間接測(cè)量轉(zhuǎn)矩的方法。例如，風(fēng)輪輸出功率計(jì)算公式為P0=Tω，這樣就可以通過(guò)測(cè)量風(fēng)輪的輸出功率、角速度來(lái)間接得到風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。不過(guò)這種方法誤差較大，一般為（5-10%），故很少采用，一般只有在無(wú)法直接測(cè)量轉(zhuǎn)矩時(shí)使用。

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