Как измерить крутящий момент на валу

Методы измерения крутящего момента

Рассмотрим некоторые методы измерения крутящего момента.

Приборы, измеряемые крутящий момент на валу и мощность, называются торсиометры.

Торсиометры одразделяются на следующие виды:

• — фотоэлектрические;
• — электрические емкостные;
• — индукционные фазочувствительные;
• — индукционные магнитоупругие.

Крутящий момент на валу можно определить по углу скручивания вала между двумя сечениями по его длине. Для сплошного вала угол скручивания определяется зависимостью:

(р=32 МкрІ/л:(ҐС

I — расстояние между сечениями;

л — число = 3,14;

d — диаметр вала;

G — модуль упругости материала при сдвиге.

Из этой формулы видно, что для данного вала на участке длиной 1 угол скручивания пропорционален передаваемому крутящему моменту Мкр.

В промышленных роботах широко используются фотоэлектрические тор-симетры. Поэтому в данной лекции будет раамотрен фотоэлектрический тор-симетр.

Фотоэлектрические торсиометры. Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не нуждаются в токосъемном устройстве. Они обеспечивают бесконтактный съем сигнала с вращающегося вала.

Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на рисунке

9.7. На испытуемом валу 1 укреплены два диска 2, имеющие прорези (окна) в радиальном направлении. Эти диски вращаются вместе с валом.

Рисунок 9.7 — Фотоэлектрический датчик крутящего момента:

1 — вращающиеся диски; 2 — вал; 3 — источник света; 4 — фотоприёмники

Под действием момента нагрузки вал скручивается и диски смещаются друг относительно друга на угол, пропорциональный моменту и расстоянию между дисками.

На неподвижной части торзиометра расположены источник света 3 (лампа накаливания) и два фотоприемника 4. Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники расположены по обе стороны дисков.

При отсутствии крутящего момента прорези правого и левого дисков находятся на одной оси и световой поток одновременно попадает на оба фотоприемника. Следовательно, в этом случае фототоки обоих приемников будут совпадать по фазе.

При увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга, и освещение фотоприемников будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому фототоки приемников 4 окажутся сдвинутыми по фазе.

Количество прорезей на каждом диске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы при максимальном крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками составлял 180°.

Измерительная цепь прибора осуществляет измерение фазового сдвига между токами, или измерение времени между импульсами фототоков.

В последнее время в качестве источников света для фотоэлектрических датчиков все чаще применяются не лампы накаливания, а светодиоды, имеющие большую надежность и очень малое потребление электроэнергии для питания.

Вообще надо отметить, что сейчас очень быстро развивается оптоэлектронная техника, которая обеспечивает как преобразование энергии света в электроэнергию, так и обратное преобразование.

1.2. Измерение крутящих моментов

Момент M – физическая величина, выражаемая произведением силы F на плечо L (момент сил).

В случае вращающихся силовых или рабочих машин для других объектов, в которых сила вызывает вращение тела вокруг некоторой точки, говорят о крутящем моменте. Крутящий момент можно обозначать с индексом, например Md. В этом случае плечом является радиус, на котором действует сила F: M = F L; = F r.

Единицей момента силы в системе СИ является ньютон-метр (Н·м), под которым понимают момент силы, равной 1 Н, относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от линии действия силы.

1.2.1. Преобразователи (датчики) крутящего момента.

Преобразователи (датчики) крутящего момента, как показывает опыт, часто подвергаются разрушающей перегрузке. Это объясняется следующим.

В зависимости от типа устройства, создающего крутящий момент, среднее значение этого момента образовано последовательностью импульсных моментов, которые могут значительно превосходить среднее значение. В двигателях внутреннего сгорания вообще имеет место пульсирующий крутящий момент. В то же время нередко ошибочно при тарировке и испытаниях датчиков крутящего момента используют электродвигатели, создающие постоянный крутящий момент. Часто не учитывают того, что исследуемая установка представляет собой колебательную систему и что в ней могут возникать крутильные колебания. При переходе через положение резонанса мгновенные значения могут во много раз превысить среднее значение крутящего момента. Преобразователи (датчики), рассчитанные на среднее значение момента, могут не выдержать таких перегрузок, и поэтому их необходимо рассчитывать на максимумы момента.

При измерении динамической колебательной характеристики производственного оборудования необходимо проверить, в какой мере преобразователь (датчик) крутящего момента, действующий как торсионная пружина, меняет колебательную характеристику всей установки в целом.

Тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента. Такие преобразователи находят широкое использование для измерения крутящего момента. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных преобразователей крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н·м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более.

Конструктивное исполнение, основные типы. Важнейшей частью преобразователя (датчика) крутящего момента является, как правило, чувствительный цилиндричес-кий элемент, который под действием приложенного к нему моменту закручивается. Возникающие при этом напряжения сдвига или деформации служат мерой крутящего момента. Упомянутые напряжения или деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 450 к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона. Для передачи питающего напряжения и измерительного сигнала применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец. На рисунке приведена типичная конструкция преобразователя (датчика) крутящего момента с контактными кольцами. На суженном участке вала, представляющего собой чувствительный элемент, видны тензорезисторы, расположенные под углом 450. Известно соотношение . Поэтому, зная j и параметры торсионного вала получим Измеряя углы закручивания, можно определить соответствующее значение Мк . При малых крутящих моментах для получения достаточной деформации диаметр вала должен быть очень малым. (Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съемных щеток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом.

Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого преобразователя является преобразователь момента, представленный на рисунке. Этот преобразователь работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проеме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своем вращении в проеме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов.

На схеме обозначены: 1, 2 – полумуфты левая и правая; 3, 4 левый и правый диски с выступами, 5 – упругие элементы (пружины). Этот преобразователь крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закрепленные на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере – пружины сжатия), размещенные между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т.е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закрепленные на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проеме одного и того же фотодатчика. Здесь торсионный вал упразднен и заменен упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. Следовательно, рассматриваемый преобразователь фактически представляет собой упругую муфту, позволяющую помимо своей основной функции вести измерение передаваемого момента.

Работает преобразователь крутящего момента следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов.

Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы преобразователя, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов.

Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью: диапазон измерений находится в пределах от 0 – 0,1 Н·см до 0 – 100 кН·м.

Конструктивное исполнение, основные типы. Основным элементом индуктивных преобразователей (датчиков) крутящего момента является торсионный стержень, закручивание которого воспринимается индуктивным преобразователем. При этом либо втяжной якорь перемещается в катушках, что вызывает разбаланс мостовой схемы, либо катушки в трансформаторной схеме перемещаются одна относительно другой. В обоих случаях на выходе системы обмоток появляется напряжение, пропорциональное закручиванию стержня, а следовательно, и крутящему моменту.

Так как индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента должны работать на несущей частоте, то и в данном случае имеется возможность бесконтактного подвода и регистрации напряжения.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента. Метод измерения, положенный в основу струнного тензометра, может быть использован и для измерения крутящих моментов.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента выпускают серийно для установки на валах диаметром от 50 до 750 мм. В зависимости от производственных условий это примерно соответствует диапазонам измерения крутящих моментов от 0 – 100 Н·м до 0 – 5 МН·м. Максимальная частота вращения составляет 1500 об/мин для валов малого диаметра и снижается максимум до 150 об/мин для валов большого диаметра.

Класс точности самого измерительного устройства 0,5 – 1 %. Если статическая юстировка невозможна, то отклонения от положенных в основу расчетных данных могут привести к дополнительной погрешности.

Конструктивное исполнение. Струнные преобразователи крутящего момента состоят из двух колец, закрепляемых на валу на заданном расстоянии одно от другого, и двух натянутых между ними ферромагнитных проволок – струны. При нагружении вала кольца хотя и незначительно, но пропорционально приложенному крутящему моменту скручиваются одно относительного другого. В результате механическое напряжение, а следовательно, и частота одной из струн повышается, а другой – понижается. Изменение частоты колебания струны, вызванное нагружением вала, служит мерой приложенного к нему крутящего момента.

Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента. Пьезоэлектрический эффект используется для измерения крутящего момента только применительно к измерительной платформе. Реагирующие на сдвиг кварцевые пластинки, установлены по кольцу и их оси, направлены по касательным. Отдельные кварцевые пластинки электрически и механически соединены между собой параллельно; полный заряд соответствует воздействующему на них крутящему моменту. Применение его в основном такое же, как в пьезоэлектрических динамометрах.

Способы измерения крутящего момента

Существуют различные способы измерения крутящего момента, которые отличаются своей точностью, гибкостью, универсальностью, условиями использования и многими другими параметрами. Ниже представлены наиболее передовые решения, решающие 80% задач по измерению крутящего момента, возникающих у наших партнеров.

Если же у Вас существует более специализированная задача обратитесь к нашим специалистам за консультацией.

Высокая точность определения крутящего момента.

Мониторинг крутящего момента в круглосуточном режиме 365 дней в году с минимальным обслуживанием в полевых или производственных условиях эксплуатации.

Внедрение измерительного узла в минимальные установочные габариты.

Высокая точность датчиков крутящего момента является на данный момент стандартным требованием предприятий, занимающихся проектированием, испытанием и мониторингом современных приводов и установок, используемых в наукоемких производствах. А в последнее время повышается спрос на датчики, работающие при скоростях вращения до 60 000 об/мин и выше. Индуктивные датчики момента серии ТМ обладают уникальной в своем роде технологией измерений крутящего момента, что позволяет обеспечивать не только высокую точность измерений, но и позволяет производить специальные высокоскоростные версии с частотами до 60 000 об/мин. Также датчики обладают высокими эксплуатационными свойствами, ознакомиться с которыми Вы сможете в специальном разделе .

Не менее распространенной задачей является Использование реактивных датчиков измерения крутящего момента при мониторинге, где постоянный контроль крутящего момента является необходимостью. Данные задачи разделяются на два основных типа:

— Энергетические, нефтедобывающие и установки, к которым предъявляются аналогичные высокие требования по точности с минимальными остановками на обслуживание и использованием в суровых условиях. Для данных установок идеально подходят фланцевые датчики типа TF , так как они не имеют изнашиваемых частей и используют бесконтактный съем данных.

— Производственные линии, тяжелое машиностроение и установки, где контролируется стабильность работы при заданных границах, но применение классических датчиков момента невозможно по конструктивным причинам. Наиболее подходящим является применение телеметрических систем, монтируемых на вал , основным преимуществом является возможность превратить почти любой вращающийся узел в датчик крутящего момента.

Последней, но не менее распространенной группой задач является натурное испытание узлов и установок в автомобильной, железнодорожной и военно-промышленной отрасли, где по каким-либо причинам не может быть предусмотрено использование готовых датчиков момента. Данные задачи связаны с суровыми условиями использования, с внедрением в уже готовые узлы и механизмы без изменения конструкции. И на данный момент наиболее универсальным и гибким решением также является использование телеметрических систем различных модификаций .
См. также здесь

Если же у Вас существует более специализированная задача обратитесь к нашим специалистам за консультацией.

Как измерять крутящий момент?

Данная статья об измерении крутящего момента поможет вам:

Понять, что такое крутящий момент

Узнать, как измерять крутящий момент

Ознакомиться со спецификой измерения крутящего момента при сборе данных

Что такое крутящий момент?

Если вы не пропускали уроки физики в школе, то помните, что сила — это воздействие, приводящее тело в движение в течение времени. Например, простое линейное усилие может толкнуть (или притянуть) массу в состоянии покоя и изменить её скорость путём ускорения. Крутящий момент — сила, которая вызывает вращение тела по своей оси вращения. Так, крутящий момент — это крутящее усилие, которое называют вращающей силой.

Наиболее очевидный пример крутящего момента — приводной вал автомобиля. Вызываемый двигателем крутящий момент вала приводит автомобиль в движение. Крутящий момент — это вектор: это означает, что он имеет направление.

Крутящий момент — усилие, вращающее или поворачивающее приводной вал, винт или колесо.

Также крутящий момент называют моментом или моментом силы. Как правило, крутящий момент обозначают символом \(\tau \) (греческой буквой «т»). Единица измерения крутящего момента по системе СИ — \(N⋅m (Н·м)\).

В США для его выражения используют футо-фунты (\(ft/lbs\)). Для перевода \(N⋅m\) в \(ft/lbs\) достаточно разделить N⋅m на 1,356.

Для чего измеряют крутящий момент?

Измерение механического крутящего момента торсионных валов — важнейший этап проектирования и сбора различных машин, а также устранения их неисправностей. Истинное значение механического крутящего момента вала, пропеллера или другого вращающегося компонента — единственный способ понять, отвечает ли он требованиям.

В некоторых случаях крутящий момент необходимо отслеживать постоянно: например, чтобы предотвратить потенциально опасный чрезмерный крутящий момент, который может привести к выходу системы из строя. Также измерения крутящего момента играют важную роль при диагностическом техническом обслуживании.

Какие виды крутящего момента существуют?

Крутящий момент делится на два вида: вращающий и реактивный:

вращающий — то есть вращающий или динамический крутящий момент;

реактивный — то есть стационарный или статичный крутящий момент.

Вращающий момент

Тела, которые многократно (или постоянно) вращаются вокруг своей оси (например, валы, турбины, колёса), имеют вращающий момент.

Реактивный момент

Воздействующая на тело статичная сила называется реактивным крутящим моментом. Например, при попытке закрутить болт ключом на болт воздействует реактивная сила. Такая сила воздействует даже тогда, когда болт не крутится. В таких случаях крутящий момент измеряют не за полный оборот.

Как измеряется крутящий момент?

Крутящий момент можно измерить косвенно или напрямую. Если известны КПД двигателя и скорость вала, с помощью измерителя мощности можно вычислить крутящий момент. Такое измерение называют косвенным.

Более точным методом является прямое измерение крутящего момента с помощью датчиков крутящего момента или роторных моментомеров. Чем они отличаются?

Датчики реактивного (статичного) крутящего момента

Датчик реактивного крутящего момента измеряет статический крутящий момент.

Пример датчика крутящего момента — динамометрический ключ. С помощью таких ключей можно точно измерить крутящий момент, прилагаемый к болту, гайке или другому креплению. В основании ключа можно задать нужный крутящий момент, после чего при затягивании крепления оператором до нужного момента раздастся щелчок. Как правило, такие ключи называют щелчковыми. На них можно задать несколько значений момента.

Цифровые динамометрические ключи оснащены иглой или цифровым дисплеем, на котором отображается прилагаемое усилие. Ряд электронных моделей (в частотности промышленных) имеют память, в которой хранится каждое измерение значение (для ведения документации или контроля качества).

Принцип работы щелчкового динамометрического ключа продемонстрирован в следующем видео:

В основе датчика реактивного крутящего момента лежит кварцевый пьезоэлектрический датчик или тензодатчик. Сегодня на рынке представлены различные виды и конфигурации динамометрических ключей и отвёрток.

Датчики крутящего момента

Датчик крутящего момента — это преобразователь, который преобразовывает вращающий момент в сигнал, который можно измерить, проанализировать, отобразить и сохранить. Преобразователи крутящего момента применяются для испытаний крутящего момента двигателя, испытаний ДВС, испытаний электродвигателей, валов, турбин, генераторов и т.д.

Измерить крутящий момент можно как напрямую, так и косвенно.

Косвенное измерение крутящего момента — более экономичный и удобный метод измерения, точность которого уступает методу прямого измерения. Он подходит для случаев, когда известен КПД двигателя и имеется возможность измерить скорость вала и расход тока.

Прямое измерение — более точный способ. Для прямого измерения на вале закрепляют тензодатчик, который измеряет крутящее усилие на вале.

При повороте вала двигателем вращательное усилие будет незначительным. Из-за жёсткости стали увидеть вращение нельзя, однако его можно считать с помощью закреплённых на вале тензодатчиков. Четыре датчика образуют мост Уитстона, выход которого балансируется и нормируется системой измерения крутящего момента.

Выход тензодатчика можно передать по проводу (если возможно) или дистанционно на систему измерения крутящего момента или систему сбора данных.

Внутри датчика крутящего момента выходы закреплённых на вале тензодатчиков передаются на электронные компоненты по контактному кольцу (на тензодатчики должно подаваться питание). Также можно подключить бесщёточный или индуктивный датчик: он повышает скорость и меньше изнашивается, а значит требует меньшего технического обслуживания. Бесконтактным способом можно измерить угол и частоту вращения.

Системы сбора данных Dewesoft — идеальные решения для измерения любых физических параметров, в том числе крутящего момента. В них встроены изолированные блоки преобразования сигналов, которые сокращают количество шумов и гарантируют высокую точность данных. Также они имеют входы счётчика, частоты вращения и энкодера, а значит подходят для одновременного измерения скорости, угла и положения вала. В системах сбора данных данные с аналоговых и цифровых счётчиков полностью синхронизированы между собой, и этот фактор играет важную роль при решении любых задач, особенно при испытании вибрации кручения и вращения. Подробнее об этом — в следующем разделе.

Стационарные системы измерения крутящего момента

В представленной выше системе датчик крутящего момента закреплён между двигателем и тормозом с помощью соединений с каждой стороны. Проходящий через вал датчик оснащен тензодатчиком, который измеряет крутящее усилие вала. После преобразования выход сигнала отправляется на систему сбора данных, цифровой дисплей или аварийную систему (при мониторинге, а не записи данных).

При необходимости датчики крутящего момента можно оснастить энкодером, который точно выводит скорость и угол вала. Такие выводы применяют для анализа вибрации кручения и вращения. Выводы скорости и угла крайне важны при использовании динамометров для вычисления выходной мощности (выраженной в \(HP\) или \(Kw\)) и КПД двигателя.

Портативные системы измерения крутящего момента

Для временных измерений крутящего момента тензодатчики можно закрепить на приводном вале. Компактный интерфейс с питанием от аккумулятора питает датчики и дистанционно передаёт данные на ближайший блок преобразования, в котором с помощью системы сбора данных их можно записать, отобразить или проанализировать.

Беспроводные датчики Parker-Lord совместимы с ПО Dewesoft X: их можно объединить с системами сбора данных и использовать на неограниченном количестве каналов.

Области применения порядкового анализа

Вибрации кручения могут стать причиной выхода торсионных валов из строя. Анализ вибрации вращения и кручения — важный способ устранения неисправностей валов, коленчатых валов и зубчатых передач в автомобилестроении, промышленности и в производстве электроэнергии.

Что такое вибрация кручения?

Вибрации кручения — угловые вибрации тела (как правило, вала по оси вращения). Данные механических вибраций вызваны изменениями крутящего момента с течением времени, наложенными на постоянную скорость торсионного вала. В автомобилестроении основной причиной вибраций кручения становятся колебания полезной мощности двигателя.

Вибрации кручения оценивают как изменение скорости вращения в цикле вращения. Изменения частоты вращения обусловлены нестабильным крутящим моментом или переменной нагрузкой.

Что такое вибрация вращения?

Вибрация вращения — динамическая составляющая скорости вращения. При точном измерении вибрации вращения вала в некоторых участках разгона можно увидеть сильное отклонение скорости вращения. Отклонение возникает в результате угловой вибрации, пересекающей собственную угловую частоту вала. Угловая вибрация вычисляется путём отсечения постоянной составляющей скорости или угла вращения;

Вибрация кручения зависит от ряда параметров: свойств материала и условий эксплуатации (температуры, нагрузки, частоты вращения и т.д.).

Как измерять вибрацию вращения и кручения

В этом коротком видео показаны способы измерения вибрации и вращения, а также описана базовая теория и практические преимущества таких измерений.

Видео об измерении вибрации кручения и вращения

Модуль вибрации кручения Dewesoft X автоматически вычисляет следующие параметры:

угол поворота: фильтрованное значение угла вибрации;

скорость вращения: фильтрованное значение скорости вибрации;

угол кручения: динамический угол кручения, который представляет собой разность углов, полученных от датчика 1 и датчика 2;

скорость кручения: разница угловых скоростей, полученных от датчика 1 и датчика 2;

опорный угол по оси X: опорный угол, который всегда составляет от 0 до 360° и может быть использован в качестве опорного на графике XY;

Вычисления можно провести в ходе измерения, а также на этапе обработки (по необработанным данным).

Подробнее:

Датчики крутящего момента применяются для решения сотен задач во всех отраслях. Датчики реактивного крутящего момента применяются в динамометрических ключах и других инструментах.

В автомобилестроении датчики крутящего момента устанавливают в стойки испытания двигателей, динамометры, испытательные стенды, а также стенды испытаний на долговечность. Но это лишь базовые применения, помимо которых датчики применяют для испытания промышленных установок кондиционирования воздуха, крупномасштабных кормушек для животных и птиц, робототехники, монтажного и медицинского оборудования, электрооборудования и т.д.

Крутящий момент — важный параметр в множестве отраслей. К счастью, его можно измерить с помощью датчиков и преобразователей, и отобразить, записать и проанализировать с помощью систем сбора данных.