皮帶傳動裝置扭矩的準確測量方法研究

楊力超，周 兵，崔步安，沙洪偉，朱洪睿

(1.徐州重型機械有限公司，江蘇 徐州 221004；2. 徐州徐工筑路機械有限公司，江蘇 徐州 221004；3. 江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004； 4. 徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004；5. 徐州徐工養(yǎng)護機械有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

目前關(guān)于皮帶類裝置的研究集中在預(yù)緊方式及壽命等方面，沒有關(guān)于傳遞力及扭矩測量方案的公開資料[1]。原有皮帶載荷能力的設(shè)計多著重于理論計算，皮帶裝置傳遞主要用于結(jié)構(gòu)緊湊、空間布局錯綜復(fù)雜的位置中，使整機的空間利用更加合理、高效，但空間布局緊湊往往給布置扭矩類測試傳感器帶來諸多不便，難以獲得關(guān)鍵性動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)和開展有效的控制策略，使得發(fā)動機的調(diào)節(jié)、控制處于相對模糊的膠著狀態(tài)[2-3]。通過在皮帶傳遞系統(tǒng)中增加測量裝置，直接獲取關(guān)鍵載荷力參數(shù)指標，從而實現(xiàn)對整機動力輸出系統(tǒng)的測量、分析及調(diào)控。該方法主要針對皮帶輪的傳遞結(jié)構(gòu)特征，在合適的節(jié)點位置上安裝小帶輪測力傳感器裝置，獲取皮帶傳動系統(tǒng)的動態(tài)載荷變化規(guī)律，并轉(zhuǎn)化成動力輸出系統(tǒng)載荷力及扭矩計算的關(guān)聯(lián)方程[4]，建立完善的皮帶類動力系統(tǒng)研究流程。

1 負載特征及變化規(guī)律分析

由于利用皮帶傳動實現(xiàn)過載保護的工作裝置對應(yīng)的切削介質(zhì)載荷力存在非連續(xù)、非線性等特征，通用的試驗研究方法雖然可以獲取部分相關(guān)數(shù)據(jù)，但是難以獲取規(guī)律性及重復(fù)性測量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其分析結(jié)果直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域存在局限性；皮帶類型的傳動效率雖高，但是不容易實現(xiàn)精準控制，加上存在很多測試逆向?qū)Ρ闰炞C和載荷曲線重復(fù)性再現(xiàn)困難等諸多不利因素，使準確測量皮帶傳動載荷力及扭矩不受重視。需要設(shè)計一種小帶輪測載裝置，動態(tài)獲取3個不同方向的信號源，保證一次作業(yè)過程中能對裝置多個方向的載荷力進行辨別和獲取。小帶輪設(shè)計完成后，采用空間結(jié)構(gòu)多向貼片標定，使試驗測試時能快速識別出對應(yīng)轉(zhuǎn)子裝置在銑削過程的縱向、橫向及軸向載荷力，并通過轉(zhuǎn)換，實時獲得對應(yīng)帶輪的扭矩及動力參數(shù)等信號值[5]。

2 皮帶裝置受載測試試驗設(shè)計

在皮帶傳動系統(tǒng)中，通過在合適位置的某個夾角方向上增加標定后的小帶輪測力傳感器裝置，建立一套可以測量、計算、分析載荷力及扭矩的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，解決空間結(jié)構(gòu)緊湊、無伸出軸可布置扭矩傳感器的皮帶傳動系統(tǒng)力學(xué)測試及分析計算等相關(guān)問題。通過直接測量法獲得皮帶傳動裝置受力大小及對應(yīng)的扭矩動態(tài)變化曲線規(guī)律，實現(xiàn)對輸出系統(tǒng)發(fā)動機的精準調(diào)控及輸出動力的策略調(diào)整。

在發(fā)動機輸出軸與工作裝置輸入軸之間的皮帶傳力路徑上布置測力傳感器及發(fā)動機油門開度測量傳感器(同步采集，實時調(diào)控)，皮帶傳動系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，可按照以下測試方式及步驟獲取載荷力大小及方向。

圖1 皮帶傳動系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)示意

(1)方案一：使用多組貼片并標定精確測量3個方向的載荷力，即沿圓周90°方向的敏感區(qū)域每隔5°貼片，獲得皮帶輪含楔形槽軸向力(可以分解成沿軸線和與軸線垂直的X、Y兩個方向，沿軸線方向為皮帶軸向載荷力)，還能通過計算獲得垂直方向的載荷力，從而有效地控制扭振或擺振(該部分力表現(xiàn)為軸向串動、扭振或擺振的主動力)。該測試裝置從原理上可以獲得縱向、橫向及軸向的載荷力，還能通過周向貼片測量數(shù)值進一步推導(dǎo)另一個影響因子載荷力及對應(yīng)的角度關(guān)系，從而將原有模糊載荷力測量方法轉(zhuǎn)化為幾個方向的載荷力測量及合成、分解等測試系統(tǒng)單元，并獲得垂直方向松緊邊的動態(tài)載荷力F3、F5及水平方向松緊邊的載荷力F4、F6，并測量對應(yīng)的F1、F2與測力小帶輪裝置組成的三角形度數(shù)關(guān)系，利用勾股定理推導(dǎo)出對應(yīng)的皮帶輪松緊邊張緊力F1、F2。

(2)方案二：垂直方向貼片測試系統(tǒng)換成剛度合適的彈簧，實現(xiàn)皮帶的張緊與力傳遞。通過測量彈簧剛度及伸縮量，獲得垂直方向松緊邊的動態(tài)載荷力F3、F5；測量對應(yīng)安裝位置的三角形度數(shù)關(guān)系，利用勾股定理推導(dǎo)出對應(yīng)的皮帶輪松緊邊張緊力F1、F2。

(3)方案三：如圖2所示，將垂直方向貼片測試系統(tǒng)換成液壓缸，外加帶彈簧的小帶輪串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)方式，實現(xiàn)皮帶的張緊與力傳遞，通過測量進口與出口壓力及活塞的有效面積，獲得垂直方向松緊邊的動態(tài)載荷力F3、F5，并測量對應(yīng)安裝位置的三角形度數(shù)關(guān)系，利用勾股定理推導(dǎo)出對應(yīng)的皮帶輪松緊邊張緊力F1、F2。

圖2 液壓缸及彈簧結(jié)構(gòu)示意

(4)方案四：采用貼片標定的二力桿、彈簧與液壓缸之中的2個或2個以上組合，外加帶彈簧的小帶輪串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)方式，實現(xiàn)皮帶張緊與力傳遞，同時測量貼片標定二力桿各向載荷，彈簧的剛度及伸縮量，液壓缸進口與出口壓力及活塞的有效面積。通過兩兩組合或3個結(jié)構(gòu)裝置的串聯(lián)組合，獲得各裝置垂直方向松緊邊的作用力F3及F5，通過串聯(lián)相互驗算的方式獲得垂直方向動態(tài)載荷力的有效均值，并測量對應(yīng)的三角形度數(shù)關(guān)系，利用勾股定理推導(dǎo)出對應(yīng)的皮帶輪松緊邊張緊力F1、F2。

其中方案一可以同時測出皮帶輪在運轉(zhuǎn)過程中對應(yīng)的松邊、緊邊在垂直及水平2個方向的載荷力，并通對沿圓周90°方向敏感區(qū)域貼片的方式獲得皮帶輪含楔形槽軸向力，還能通過計算獲得前后或左右方向的載荷力，有效地控制扭振或擺振。該測試裝置從原理上可以獲得3個方向的載荷力，還能通過周向貼片測量數(shù)值，進一步推導(dǎo)另一個影響因子載荷力及對應(yīng)的角度關(guān)系，從而將原有模糊載荷力測量方法轉(zhuǎn)化為幾個方向的載荷力測量及合成、分解等測試系統(tǒng)單元；并應(yīng)用帶輪的參數(shù)值獲得對應(yīng)皮帶輪的扭矩值。該方法準確測量的前提條件是對小帶輪進行標定。將小帶輪帶有一定剛度的彈簧預(yù)緊，能比其他2種方案更準確地獲得垂直、水平方向的載荷數(shù)值。和其他2種測試方法相比，該測試方法的優(yōu)點是：垂直方向的載荷力測試較準確；在水平方向上，其他2種測試方法都不能獲得該方向的載荷值，但該方向的載荷也是皮帶輪的扭矩值的組成部分之一。在帶輪驅(qū)動螺旋銑削裝置或鉆削裝置的系統(tǒng)中，當安裝帶輪的軸向出現(xiàn)載荷力時，帶輪需要承載軸向載荷，載荷大小及方向時刻發(fā)生變化，設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠獲得該方向的載荷力，并通過空間力的合成解決縱向、橫向及軸向載荷力測試的相關(guān)問題，進而造成皮帶類傳力裝置扭矩測試的準確性較差[6]?？梢酝ㄟ^加裝的小帶輪準確獲取3個方向的載荷力及對應(yīng)的扭矩，該設(shè)計分別從3個互不干擾的方向獲得作業(yè)過程的全部載荷信號，通過測試載荷信號合成及分析，獲得對應(yīng)方向的扭矩，實現(xiàn)對輸出系統(tǒng)的準確反饋及動態(tài)調(diào)控。該設(shè)計方案能從源頭上獲知載荷力信號的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計及數(shù)值合成獲得3個方向及總體的載荷力，并進一步計算對應(yīng)的扭矩值，能夠較為精準地調(diào)控皮帶傳遞系統(tǒng)所需輸出動力。

采用3個全橋貼片標定后的二力桿串聯(lián)帶彈簧的小帶輪裝置(其帶輪可旋轉(zhuǎn))，實現(xiàn)皮帶的張緊與動力傳遞，獲得垂直方向松緊邊的動態(tài)載荷力F3、F5及水平方向松緊邊的載荷力F4、F6，并測量對應(yīng)皮帶松緊邊F1、F2與測力小帶輪裝置組成的三角形度數(shù)關(guān)系，利用勾股定理推導(dǎo)對應(yīng)皮帶輪松緊邊的張緊力F1、F2。

3 力學(xué)模型及計算分析

3.1 對應(yīng)工程應(yīng)用的力學(xué)模型

通過分析輪式測力傳感器力學(xué)模型及與對應(yīng)的工程領(lǐng)域應(yīng)用條件獲知：力學(xué)模型的準確性并不能代表工程領(lǐng)域應(yīng)用的合理性，還需要通過貼片標定驗證的方式獲得匹配方程及系數(shù)關(guān)系式，保證數(shù)學(xué)模型能夠精確地應(yīng)用于工程領(lǐng)域中；數(shù)學(xué)模型計算值往往與實際測量值之間存在一定差異，并非理想的線性關(guān)系，R值甚至?xí)霈F(xiàn)偏小的情形。涉及不確定的載荷測試時，通常將其載荷按照對應(yīng)的X、Y(甚至包含Z)方向分解，分別測出各自對應(yīng)方向的載荷值，然后通過力學(xué)求解方法獲得合力，并計算對應(yīng)扭矩、效率等關(guān)鍵數(shù)值[7]。帶傳動載荷的測試及計算方法可按以下方式開展。

圖3 小帶輪測力傳感器

(1)

圖4 小帶輪測力傳感器原理

式中：K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；εx1、εx2、εx3、εx4分別為應(yīng)變片Rx1、Rx2、Rx3、Rx4所在位置的正應(yīng)變。

由材料力學(xué)可知

式中：E為材料彈性模量；Wp為抗彎截面系數(shù)；a為帶輪中心到測力傳感器的x軸向應(yīng)力應(yīng)變片粘貼距離；b為帶輪中心到測力傳感器的y軸向應(yīng)力應(yīng)變片粘貼距離。

將式(2)～(5)代入(1)，整理得

(6)

可以看出，電橋輸出Uxo與單獨的a無關(guān)(因為b-a的結(jié)果是常量)，也就是說，無論水平方向F4對應(yīng)的帶輪支承點的分布特性怎樣變化，這種組橋都能從理論上準確地獲得F4的數(shù)值。

3.2 對應(yīng)力學(xué)關(guān)系的計算分析

從圖2可以獲知，皮帶垂直方向分力F3作用在小帶輪頂端。為了準確地獲得小帶輪測力傳感器在該部分的感應(yīng)信號源，可采用中空的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)裝置，F(xiàn)3會在對應(yīng)的斷面上產(chǎn)生壓應(yīng)力。如圖3所示，在F-F斷面上貼應(yīng)變片Rz1、Rz2、Rz3、Rz4，其中Rz1、Rz3貼在上下相對的2條母線上，與母線的方向一致；Rz2、Rz4在前后相對的2條母線上，與母線的方向垂直[8]。組橋方式如圖5所示。

圖5 Fx測量電橋

在供橋電壓為Uzi的條件下，圖6所示的電橋輸出Uzo為

(7)

圖6 側(cè)向力測量電橋

由材料力學(xué)可知

(8)

式中：Ssen為Rz1～Rz4所在位置的傳感器斷面面積。

εz2=εz4=-μεz1

(9)

式中：μ為泊松比，“-”表示與εz1的方向相反。

將式(8)、(9)代入(7)，得

(10)

根據(jù)式(6)、(10)，可以得到外載荷F為

合成力Ft為

(14)

通過上述計算可知，根據(jù)皮帶傳動系統(tǒng)中安裝小帶輪的測力傳感器位置及皮帶楔形槽角度，可以測出對應(yīng)的F3、F4及F′4值，就可以分析計算對應(yīng)的空間載荷力及扭矩，并根據(jù)皮帶緊邊、松邊載荷力數(shù)值差獲得對應(yīng)的總摩擦力、傳遞功率等數(shù)據(jù)。

4 載荷與發(fā)動機的同步調(diào)控

使用皮帶傳動裝置調(diào)節(jié)及控制載荷、扭矩的機器，通過在皮帶驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)置一定精度等級的小帶輪測力傳感器，接入整機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)皮帶載荷力、扭矩測試分析及防過載提示等功能。通過裝置采集皮帶輪的橫向、縱向及軸向數(shù)據(jù)，可以獲得工作裝置作業(yè)過程中的載荷、扭矩及功耗等參數(shù)，為發(fā)動機輸出單元的調(diào)控提供實時的反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)發(fā)動機的動態(tài)調(diào)控。

采用模糊算法、混沌理論及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等關(guān)鍵技術(shù)手段，搭建一種機械式直接獲取扭矩與載荷的方法及理論。由于銑拌過程不具備周期性、連續(xù)變化形態(tài)，導(dǎo)致程序控制及模糊算法、混沌理論等不能精確地運用于調(diào)節(jié)控制整機作業(yè)過程的變化狀態(tài)中，加之銑拌過程中的介質(zhì)特性復(fù)雜多變，使得扭矩及載荷信號規(guī)律隨之變化，需要專門的裝置采集不同變化狀態(tài)下的載荷及扭矩測試數(shù)據(jù)。為了捕獲各個時間形態(tài)下的載荷力及扭矩數(shù)值，通過捕獲皮帶傳動系統(tǒng)中的松緊邊數(shù)據(jù)，分析對應(yīng)的摩擦力、速比差，對銑削類裝置進行優(yōu)化分析和改進，并使銑拌過程的動態(tài)載荷數(shù)據(jù)能直接通過改裝皮帶輪進行測試獲得，解決當前絕大多數(shù)皮帶傳動系統(tǒng)中沒有位置安裝扭矩測試傳感器等問題。通過在縱向、橫向及軸向測試對應(yīng)的載荷數(shù)值，可以實時監(jiān)控與分析銑削過程的扭振及擺振，從而達到控制3個方向的轉(zhuǎn)子串動、擺動、復(fù)合運動形態(tài)及其破壞作用，并實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的實時保護與過載信號預(yù)警，提供裝置的載荷、扭矩及功耗記錄及防過載輔助報警功能，提升整機的作業(yè)效率，降低噪聲，減少縱向、橫向扭振及擺振和軸向串動等問題，延長轉(zhuǎn)子及刀頭的使用壽命，提升整機的安全性與可靠性。

5 結(jié) 語

通過在皮帶傳動系統(tǒng)中的合適位置處、某個夾角方向上增加標定后的小帶輪測力傳感器裝置，建立一套可以測量、計算及分析載荷力的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，解決空間結(jié)構(gòu)緊湊、無伸出軸可布置扭矩傳感器的皮帶傳動系統(tǒng)的力學(xué)測試及分析計算等難題。通過間接測量法獲得皮帶傳動裝置受力數(shù)值及對應(yīng)的扭矩動態(tài)變化曲線規(guī)律，固化該種類型的皮帶載荷力測試及分析方法，從而實現(xiàn)對輸出動力系統(tǒng)(如發(fā)動機)的精準調(diào)控及輸出動力策略調(diào)整。按照圖1的方式，在發(fā)動機輸出軸與工作裝置輸入軸之間的皮帶動力傳輸路徑上布置測力傳感器及發(fā)動機油門開度測量傳感器，同步采集動力系統(tǒng)的輸入與輸出數(shù)據(jù)，實時反饋、調(diào)控?？砂凑杖缦虏襟E及測試方式獲取載荷力的大小及對應(yīng)的方向。

(1)通過貼片標定精確測量3個方向的載荷力，沿圓周90°方向的敏感區(qū)域貼片，獲得皮帶輪含楔形槽軸向力，還能通過計算獲得前后或左右方向的載荷力，實現(xiàn)扭振或擺振的有效控制。該測試裝置從原理上可以獲得3個方向的載荷力，還能通過周向貼片測量數(shù)值推導(dǎo)另一個影響因子載荷力及對應(yīng)的角度關(guān)系，從而將原有模糊載荷力測量提升為多方向的載荷力精細化測量及合成、分解。

(2)通過三向貼片測試載荷力的技術(shù)方案及計算原理方法，設(shè)計X、Y方向90°交叉、互不干擾的應(yīng)力應(yīng)變信號采集，在材料力學(xué)原理上已經(jīng)驗證可行。

(3)二力桿裝置測試載荷力，能將其有效地轉(zhuǎn)化、分離出對應(yīng)的X、Y方向的分解載荷力，并應(yīng)用使用到皮帶類裝置的機器中。這種方式適用于皮帶輪載荷力的總體測試。