Вимірювання моментів, що крутять
Момент M - фізична величина, що виражається твором сілиF на плечоL (момент сил).
У разі обертових силових або робочих машин для інших об'єктів, в яких сила викликає обертання тіла навколо деякої точки, говорять про моменті. Крутний момент можна позначати з індексом, наприклад Md. В цьому випадку плечем є радіус, на якому діє сілаF:
Одиницею моменту сили в системі СІ є ньютон-метр (Н · м), під яким розуміють момент сили, яка дорівнює 1 Н, щодо точки, розташованої на відстані 1 м від лінії дії сили.
Перетворювачі (датчики) крутного моменту. Перетворювачі (датчики) крутного моменту, як показує досвід, часто піддаються руйнує перевантаження. Це пояснюється наступним.
Залежно від типу пристрою, що створює крутний момент, середнє значення цього моменту утворено послідовністю імпульсних моментів, які можуть значно перевершувати середнє значення. У двигунах внутрішнього згоряння взагалі має місце пульсуючий крутний момент. У той же час нерідко помилково при тарировке і випробуваннях датчиків крутного моменту використовують електродвигуни, що створюють постійний крутний момент. Часто не враховують того, що досліджувана установка являє собою коливальну систему і що в ній можуть виникати крутильні коливання. При переході через положення резонансу миттєві значення можуть у багато разів перевищити середнє значення крутного моменту. Перетворювачі (датчики), розраховані на середнє значення моменту, можуть не витримати таких перевантажень, і тому їх необхідно розраховувати на максимуми моменту.
При вимірюванні динамічної коливальної характеристики виробничого обладнання необхідно перевірити, якою мірою перетворювач (датчик) крутного моменту, що діє як торсіонна пружина, змінює колебательную характеристику всієї установки в цілому.
Тензорезисторні перетворювачі (датчики) крутного моменту. Такі перетворювачі знаходять широке використання для вимірювання крутного моменту. Діапазон вимірювань серійно випускаються тензорезисторних перетворювачів крутного моменту становить від 0 - 0,1 Н · м до 0 - 50 кН · м, а в разі потреби і більш.
Конструктивне виконання, основні типи. Найважливішою частиною перетворювача (датчика) крутного моменту є, як правило, чутливий циліндричний елемент, який під дією прикладеного до нього моменту закручується. Виникаючі при цьому напруги зсуву або деформації є мірою крутного моменту. Згадані напруги або деформації сприймаються тензорезисторами, які приклеюють до чутливого елемента під кутом 45 0 до його поздовжньої осі і включають в схему моста Уитстона. Для передачі напруги живлення і вимірювального сигналу застосовують контактні кільця або передачу сигналів без використання контактних кілець. На рис.1 приведена типова конструкція перетворювача (датчика) крутного моменту з контактними кільцями. На звуженому ділянці вала, що представляє собою чутливий елемент, видно тензорезистори, розташовані під кутом 45 0.
відомо співвідношення
Перетворювачі (датчики) крутного моменту з безконтактної передачею сигналів найбільш ефективні для безперервного контролю, так як вони працюють практично без зносу і без обслуговування. Прикладом такого перетворювача є перетворювач моменту, представлений на малюнку 2. Цей перетворювач працює спільно з фотодатчиком ДФ-1, в отворі якого розміщуються диски 3 і 4, що утворюють при збільшенні моменту збільшуються по ширині щілини і, як наслідок, формують при своєму обертанні в отворі нерухомого фотодатчика послідовності збільшуються за тривалістю імпульсів.
Н
Рис.2 - Конструкція перетворювача моменту у вигляді пружної муфти
Тут торсіонний вал скасований і замінений пружно деформуються елементами, що зв'язують напівмуфти в окружному напрямку. Отже, розглянутий перетворювач фактично являє собою пружну муфту, що дозволяє крім своєї основної функції вести вимір переданого моменту.
Працює перетворювач крутного моменту в такий спосіб. При обертанні вала, на якому вимірюється момент, обертаються диски 3 і 4, розміщені в отворі фотодатчика 8 або 9. Якщо момент на валу відсутня, то диски 3 і 4 перекривають світловий пучок фотодатчика, і на виході цього фотодатчика сигнал відсутній. З появою крутного моменту пружини 5 деформуються, напівмуфти 1 і 2 повертаються на деякий кут одна відносно іншої, отримують кутовий зсув диски 3 і 4, в результаті чого утворюються радіальні щілини, і при переміщенні дисків в отворі фотодатчика останній генерує імпульси, тривалість яких пропорційна ширині радіальних щілин, утворених дисками 3 і 4, а отже величиною моменту. При збільшенні моменту на валу ширина радіальних щілин, утворених дисками 3 і 4, збільшується, а тому збільшується тривалість генеруються фотодатчиком імпульсів.
Таким чином, кути відносного повороту напівмуфт 1 і 2, пропорційні крутним моментом, перетворюються в електричні сигнали перетворювача, які реєструються, і за їх значенням визначаються відповідні величини вимірюваних моментів.
Індуктивні перетворювачі (датчики) крутного моменту. Індуктивні перетворювачі (датчики) крутного моменту принципово можуть бути застосовані в тих же областях, що і тензорезисторні перетворювачі. Однак вони відрізняються підвищеною чутливістю: діапазон вимірювань знаходиться в межах від 0 - 0,1 Н · см до 0 - 100 кН · м.
Конструктивне виконання, основні типи. Основним елементом індуктивних перетворювачів (датчиків) крутного моменту є торсіонний стрижень, закручування якого сприймається індуктивним перетворювачем. При цьому або втяжной якір переміщається в котушках, що викликає розбаланс мостової схеми, або котушки в трансформаторній схемі переміщаються одна щодо іншої. В обох випадках на виході системи обмоток з'являється напруга, пропорційне закручування стержня, а отже, і моменту.
Так як індуктивні перетворювачі (датчики) крутного моменту повинні працювати на частоті, то і в даному випадку є можливість безконтактного підведення і реєстрації напруги.
Струнні перетворювачі (датчики) крутного моменту. Метод вимірювання, покладений в основу струнного тензометра, може бути використаний і для вимірювання крутних моментів.
Струнні перетворювачі (датчики) крутного моменту випускають серійно для установки на валах діаметром від 50 до 750 мм. Залежно від виробничих умов це приблизно відповідає діапазонам вимірювання крутних моментів від 0 - 100 Н · м до 0 - 5 МН · м. Максимальна частота обертання становить 1500 об / хв для валів малого діаметра і знижується максимум до 150 об / хв для валів великого діаметру.
Клас точності самого вимірювального пристрою 0,5 - 1%. Якщо статична юстирування неможлива, то відхилення від покладених в основу розрахункових даних можуть привести до додаткової похибки.
Конструктивне виконання. Струнні перетворювачі крутного моменту складаються з двох кілець, закріплених на валу на заданій відстані одне від іншого, і двох натягнутих між ними феромагнітних дротів - струни. При навантаженні вала кільця хоча і незначно, але пропорційно прикладеному моменту, що крутить скручуються одне відносного іншого. В результаті механічне напруження, а отже, і частота однієї з струн підвищується, а інший - знижується. Зміна частоти коливання струни, викликане навантаженням вала, служить мірою прикладеного до нього крутного моменту.
П'єзоелектричні перетворювачі (датчики) крутного моменту. П'єзоелектричний ефект використовується для вимірювання крутного моменту тільки стосовно вимірювальної платформі. Реагують на зрушення кварцові пластинки, встановлені по кільцю і їх осі, спрямовані по дотичним. Окремі кварцові пластинки електрично і механічно з'єднані між собою паралельно; повний заряд відповідає воздействующему на них крутним моментом. Застосування його в основному таке ж, як в п'єзоелектричних динамометр.
Випробувальні стенди. Випробувальні стенди, зазвичай звані балансирними машинами, служать для визначення потужності і характеристики потужності силових машин всіх типів і використовуються при експериментальних і конструктивних розробках, а також в серійному виробництві. До їх складу входять не тільки пристрої для вимірювання крутного моменту, але і пристрої для визначення частоти обертання та інших параметрів. Залежно від конструктивного виконання і оснащення вони забезпечені пристроями для регулювання і управління, що дозволяють отримати характеристики в функції різних критеріїв. Таким чином, забезпечується можливість швидкого судження про поведінку і процесі роботи силових машин, які долають на цих стендах.
Конструктивне виконання, основні типи. Для вимірювання моментів, що крутять на машинах необхідні дві функції:
1) поглинання (перетворення, гасіння) енергії, виробленої випробуваної машиною;
2) вимір отриманого при цьому крутного моменту.
Перетворення енергії може бути здійснено:
а) вихровими гідравлічними гальмами, в яких робота, витрачена на вихровий гідравлічне рух, перетворюється в тепло;
б) гальмами, що використовують вихрові струми (вихровими гальмами), в яких електрична енергія перетворюється в тепло;
в) електромагнітними гальмами, в яких магнітні сили в суміші масла з феромагнітним порошком створюють опір обертанню ротора і перетворюються в тепло;
г) електричними генераторами, в яких механічна енергія силовий машини перетворюється в електричну енергію.
Для вимірювання крутного моменту корпус гальмівного пристрою зазвичай вільно підвішують. Через важіль заданої довжини він впирається в динамометр. Вимірюваний крутний момент і протидіє момент дорівнюють один одному. При заданій довжині важеля можна, вимірюючи динамометром силу F. по формулеMd = Fr визначити крутний момент, градуіруя шкалу динамометра в одиницях моменту.
Вимірювати крутний момент можна механічними методами, наприклад маятниковими вагами, або електричними методами, наприклад, за допомогою тензорезисторів. Вимірювання моменту, що розвивається порошковими електромагнітними гальмами, ведеться за допомогою індикатора годинникового типу, одну поділку якого відповідає певній величині моменту, отриманого при тарировке.