制粒機(jī)傳動系統(tǒng)扭矩試驗及分析

桑廣偉 賈賀鵬

(1.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇揚(yáng)州225002；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

環(huán)模制粒機(jī)作為飼料的主要加工機(jī)械設(shè)備，很大程度上決定了飼料產(chǎn)品質(zhì)量。制粒機(jī)傳動系統(tǒng)的傳動方式主要有皮帶傳動、同步帶傳動與齒輪傳動。皮帶傳動與同步帶傳動一般為雙驅(qū)動方式，即兩個電機(jī)同時對制粒機(jī)主軸進(jìn)行驅(qū)動。扭矩是反映機(jī)械傳動系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要參數(shù)[1]，扭矩測量可以直觀地反映出旋轉(zhuǎn)軸的工作情況，從大量測量數(shù)據(jù)中可以比較分析機(jī)械設(shè)備的運行狀態(tài)，保證機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定的工作[2]。針對機(jī)械設(shè)備的扭矩測量有很多方法，按測量原理可分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法[3]，其中傳遞法中的應(yīng)變式扭矩測量是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的測量方法之一。應(yīng)變式扭矩測量以其靈活的環(huán)境適應(yīng)性，且具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)較成熟的優(yōu)勢，成為特殊環(huán)境扭矩測試的首選[4]。武凱等[5]提出了環(huán)模制粒機(jī)旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試的試驗方法。沈江飛[6]對環(huán)模制粒機(jī)的主電機(jī)軸進(jìn)行了扭矩測試。林磊等[7]分析驗證了應(yīng)變式扭矩測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。張永祥等[8]針對應(yīng)變扭矩測量不確定度進(jìn)行研究，提出了扭矩測量不確定的主要影響因素。對于制粒機(jī)皮帶傳動與同步帶傳動的優(yōu)劣，用戶在使用過程中眾說紛紜，沒有具體的定論。本文通過應(yīng)變式扭矩測量法對環(huán)模制粒機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行扭矩測試，即在環(huán)模制粒機(jī)不同載荷（即不同喂料頻率）的情況下測試電機(jī)軸扭矩，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得出不同傳動方式時載荷對制粒機(jī)的影響情況，分析制粒機(jī)的皮帶傳動和同步帶傳動的優(yōu)缺點，為制粒機(jī)節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 應(yīng)變式扭矩測試原理

應(yīng)變式扭矩測試原理可簡述為：當(dāng)轉(zhuǎn)矩加載到彈性軸上時，彈性軸在扭矩的作用下產(chǎn)生微小的形變，由應(yīng)變片測量發(fā)生的形變，根據(jù)應(yīng)變片的阻值變化，并利用應(yīng)變扭矩轉(zhuǎn)換公式，計算得出扭矩值。

由材料力學(xué)可知，扭矩的計算公式為：

T=τW（1）

式中：T——旋轉(zhuǎn)軸承受的扭矩；

τ——旋轉(zhuǎn)軸承受的剪切力；

W——抗扭截面系數(shù)。

根據(jù)胡克定律，可推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)軸橫截面上產(chǎn)生的扭矩：

式中：G——材料的剪切模量；

ε——作用在與軸體軸線成45°、155°方向的旋轉(zhuǎn)軸表面上產(chǎn)生的應(yīng)變值；

IP——極慣性矩；

D——旋轉(zhuǎn)軸圓直徑。

應(yīng)變電橋測量電路原理，如圖1 所示。R1、R2、R3和R4為各橋臂電阻，A、C兩端稱為電源端，B、D兩端稱為輸出端。

電機(jī)軸扭矩試驗應(yīng)變片的橋接方案，如圖2 所示。兩個半橋應(yīng)變片上下對稱并沿軸向粘貼，上下半橋組成全橋以消除電機(jī)軸彎曲的影響[5-6]。在電機(jī)軸上與軸線呈45°、135°的方向上粘貼應(yīng)變片，由4個相同的電阻應(yīng)變片組成全橋電路。全橋還可抵消應(yīng)變片的非線性誤差，對溫度有一定的補(bǔ)償作用。應(yīng)變片粘貼過程必須注意接線，否則可能導(dǎo)致測量到的不是扭矩的應(yīng)力值，應(yīng)變片引線連接到扭矩測量節(jié)點相應(yīng)的接線柱。

圖1 應(yīng)變電橋測量電路原理

圖2 應(yīng)變片橋接方案

2 材料與方法

2.1 試驗材料

制粒機(jī)(江蘇豐尚智能科技有限公司生產(chǎn))，結(jié)構(gòu)參數(shù)：壓輥個數(shù)為2；壓輥半徑是80 mm；環(huán)模內(nèi)半徑是175 mm；環(huán)模寬度是150 mm；?？装霃绞?.75 mm；?？组L徑比為10；環(huán)模開孔率為0.3。

環(huán)模制粒機(jī)傳動系統(tǒng)，如圖3 所示。當(dāng)物料進(jìn)入制粒部分，在環(huán)模和壓輥之間的摩擦作用下，并從模孔中擠出，經(jīng)過切刀切斷形成顆粒。環(huán)模制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，內(nèi)部空間狹小，無法直接對電機(jī)軸進(jìn)行扭矩測試。試驗現(xiàn)場環(huán)境惡劣，扭矩具有強(qiáng)隨機(jī)性，為適應(yīng)制粒機(jī)測試環(huán)境，將測試系統(tǒng)嵌于測試部位。

2.2 試驗方法

本文選用北京必創(chuàng)有限公司的TQ101 無線扭矩遙測系統(tǒng)進(jìn)行制粒機(jī)電機(jī)軸扭矩測試，扭矩傳感器節(jié)點布置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上，如圖4 所示。無線扭矩遙測系統(tǒng)由無線扭矩傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、BeeNet 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Beedata 計算機(jī)采集控制軟件組成。試驗工具還有：應(yīng)變片、應(yīng)變膠、丙酮、棉球、銼刀、砂紙、纖維膠帶等。試驗通過在電機(jī)軸上粘貼電阻應(yīng)變片和無線扭矩傳感器節(jié)點來獲得扭矩信號，在計算機(jī)上實時測量扭矩。

扭矩測試系統(tǒng)框圖如圖5 所示。測量電橋和無線扭矩傳感器節(jié)點安裝在電機(jī)軸上，計算機(jī)安置在距離測試點規(guī)定距離范圍內(nèi)的工作臺。無線扭矩傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)扭矩信號的采集、存儲以及數(shù)據(jù)傳輸，通過無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)，計算機(jī)主要實現(xiàn)系統(tǒng)控制以及數(shù)據(jù)實時采集、顯示、存儲和數(shù)據(jù)處理。

圖3 環(huán)模制粒機(jī)傳動系統(tǒng)

圖4 測試系統(tǒng)現(xiàn)場安裝

圖5 扭矩測試系統(tǒng)框圖

測試過程：應(yīng)變片在電機(jī)軸上沿軸線的45°、135°方向粘貼組成測量電橋，測量電橋設(shè)置有自動調(diào)零功能。測量電橋?qū)⑴ぞ匦盘栟D(zhuǎn)換成電信號進(jìn)入無線扭矩傳感器節(jié)點進(jìn)行采集、存儲。數(shù)據(jù)可以實時通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸至計算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲，或當(dāng)試驗停止后，存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)由USB 接口直接導(dǎo)出至計算機(jī)。在生產(chǎn)穩(wěn)定后采集電機(jī)軸的扭矩數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后及時檢查數(shù)據(jù)以及儀器設(shè)備。

分別對皮帶傳動和同步帶傳動在喂料頻率為12、14 Hz 和16 Hz 下進(jìn)行試驗，在環(huán)模額定轉(zhuǎn)速為500 r/min 的條件下，以相同的扭矩測試方式，在兩個電機(jī)傳動平穩(wěn)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而得到相應(yīng)的電機(jī)軸扭矩值。

3 結(jié)果與討論

3.1 電機(jī)軸扭矩測試結(jié)果

在試驗中喂料頻率為12 Hz時，皮帶傳動過程中的電機(jī)軸1 和電機(jī)軸2 的實測扭矩信號圖，如圖6 和圖7所示。從圖中可以看出皮帶傳動時，兩個電機(jī)軸的扭矩波動差異很明顯；電機(jī)軸2 的扭矩波動較小，傳動過程相對比較平穩(wěn)一些，振動對設(shè)備的影響較小。電機(jī)軸1的平均扭矩是167.3 N·m，電機(jī)軸2的平均扭矩是182.8 N·m，平均誤差有8.468%。電機(jī)軸扭矩誤差較大，在兩個電機(jī)軸同步傳動時，對制粒機(jī)設(shè)備的運行狀態(tài)有一定的影響。

圖6 12 Hz喂料頻率皮帶傳動電機(jī)軸1的扭矩信號

圖7 12 Hz喂料頻率皮帶傳動電機(jī)軸2的扭矩信號

為了清晰地表示出電機(jī)軸的扭矩數(shù)據(jù)，選取不同喂料頻率下的部分扭矩數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在不同喂料頻率下皮帶傳動和同步帶傳動兩電機(jī)的部分扭矩數(shù)據(jù)圖，如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，電機(jī)軸扭矩隨時間是隨機(jī)變化的，在相同的條件下測試得到的扭矩的時間歷程曲線不完全相同。隨著喂料頻率的增加，電機(jī)軸的扭矩也越大。在不同喂料頻率下的同一時刻，兩個電機(jī)的扭矩數(shù)值重合度非常低，其中一端電機(jī)負(fù)載大，而另一端電機(jī)負(fù)載小。

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

皮帶傳動與同步帶傳動的兩電機(jī)扭矩數(shù)據(jù)對比，如表1 所示。對皮帶傳動，隨著喂料的增多（喂料頻率從12 增加到16），兩電機(jī)的平均扭矩差、瞬時扭矩差均呈現(xiàn)出減小的趨勢：平均扭矩差由8.5%減小至2.0%，瞬時扭矩差由12.9%減小至10.8%。對同步帶傳動，隨喂料的增多，兩電機(jī)的平均扭矩差、瞬時扭矩差變化趨勢不明顯。二者相比，同步帶傳動時兩電機(jī)軸負(fù)載的同步性受喂料的影響不大；相對而言，皮帶傳動對喂料的頻率比較敏感，隨喂料的增多，其同步性越來越好。

從平均扭矩數(shù)據(jù)分析，在載荷較小的情況下，同步帶傳動明顯好于皮帶傳動；在接近滿載的情況下，同步帶傳動略好于皮帶傳動。從兩電機(jī)瞬時扭矩差的數(shù)據(jù)分析，在載荷較小的情況下，同步帶傳動好于皮帶傳動；在接近滿載的情況下，皮帶傳動略好于同步帶傳動。

對于整體負(fù)載情況而言，同步帶傳動下兩電機(jī)的載荷更加均衡；但是從兩電機(jī)瞬態(tài)承載同步性角度而言，同步帶傳動并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，滿載時，兩電機(jī)瞬時負(fù)載差異甚至高于皮帶傳動。無論是皮帶傳動還是同步帶傳動，滿載時兩電機(jī)負(fù)載的平均值均可以達(dá)到很高的一致性；但由于這種雙驅(qū)動方式的特點，兩電機(jī)的瞬時負(fù)載差異并未隨負(fù)載的提高而消除負(fù)載不均衡差異在10%以上。

圖8 不同喂料頻率的皮帶傳動兩電機(jī)的扭矩數(shù)據(jù)

圖9 不同喂料頻率的同步帶傳動兩電機(jī)的扭矩數(shù)據(jù)

表1 皮帶傳動與同步帶傳動的電機(jī)軸扭矩對比

同步帶傳動的優(yōu)勢在于其同步性對負(fù)載的大小不敏感；皮帶傳動的優(yōu)勢在于其特性更“軟”，滿載時瞬態(tài)同步性更好。根據(jù)目前的測試結(jié)果分析，同步帶相對于皮帶傳動的優(yōu)勢不明顯。雖然一般而言同步帶的效率要高于皮帶傳動，但雙驅(qū)動時皮帶瞬態(tài)同步性更好，這使得同步帶的優(yōu)勢打了折扣。一般情況下，在制粒機(jī)工作滿載時，從瞬態(tài)同步性出發(fā)，選擇皮帶傳動，同時可以降低成本。

4 結(jié)論

本文研究了環(huán)模制粒機(jī)傳動系統(tǒng)中電機(jī)軸扭矩對制粒機(jī)的影響，根據(jù)應(yīng)變式扭矩測試原理，利用無線扭矩遙測系統(tǒng)測試兩種傳動方式下的電機(jī)軸扭矩。主要結(jié)論如下：

①隨著喂料頻率的增加，兩種傳動方式中兩個電機(jī)軸的平均扭矩差、瞬時扭矩差均呈現(xiàn)出減小的趨勢。喂料頻率對同步帶傳動的影響不大，而皮帶傳動對喂料的頻率比較敏感。

②皮帶傳動和同步帶傳動都是雙驅(qū)動方式，兩電機(jī)的瞬時負(fù)載差異并未隨負(fù)載的提高而消除，平均差異在10%左右。

③在載荷小的情況下，同步帶好于皮帶傳動，在接近滿載的情況下，同步帶略好于皮帶傳動。皮帶傳動在滿載時瞬態(tài)同步性更好，同步帶相對于皮帶傳動沒有明顯的優(yōu)勢。