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.
Описание Детализация Документация
Существует несколько основных задач, которые могут стоять перед лабораториями и производствами в сфере испытания крутящего момента:
- Высокая точность определения крутящего момента.
- Испытание крутящего момента в скоростных и высокоскоростных приводах.
- Мониторинг крутящего момента в круглосуточном режиме 365 дней в году с минимальным обслуживанием в полевых или производственных условиях эксплуатации.
- Внедрение измерительного узла в уже существующие установки и приводы.
- 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.
Цель: Измерение крутящего /вращающего момента на валу Реализация: Приборы и датчики измерения величины крутящего момента
Измерение крутящего момента на вращающихся валах Текст научной статьи по специальности «Математика»
Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Гапонов Владимир Лаврентьевич, Гуринов Андрей Сергеевич, Дудник Виталий Владимирович
Представлено устройство измерения крутящего момента на вращающихся валах различных технических систем. Устройство выполнено на основе цифрового радиоканала . Описана методика калибровки устройства и даны примеры измерений на валах различных механизмов.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Гапонов Владимир Лаврентьевич, Гуринов Андрей Сергеевич, Дудник Виталий Владимирович
Измерение крутящего момента двигателя транспортных машин для построения математической модели загрязнения приземного слоя атмосферы
Система on-line мониторинга эффективности использования мощности гребного электродвигателя при эксплуатации судов в ледовых условиях
Бесконтактный датчик крутящего момента
Методика расчетно-экспериментального исследования трансмиссии автомобиля
Микропроцессорная система бесконтактного контроля и измерения крутящего момента
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Rotary shaft torque reading
The device reading rotary shaft torque of various engineering systems is presented. The device is based on the digital radio channel. The calibration methods of the device are described. The case study on the shafts of various mechanisms is given.
Текст научной работы на тему «Измерение крутящего момента на вращающихся валах»
Измерение крутящего момента на вращающихся валах
В. Л. Гапонов, А. С. Гуринов, В. В. Дудник
(Донской государственный технический университет)
Представлено устройство измерения крутящего момента на вращающихся валах различных технических систем. Устройство выполнено на основе цифрового радиоканала. Описана методика калибровки устройства и даны примеры измерений на валах различных механизмов.
Ключевые слова: тензометрия, крутящий момент, цифровой радиоканал.
Введение. Крутящий момент на валах технических устройств является важной характеристикой, которая определяет границы применимости и эффективность использования механизмов. Измерение его, особенно на вращающихся валах подвижных устройств — сложная техническая задача, для решения которой в мире разработано значительное количество моделей с разными принципами действия. В некоторых случаях определение крутящего момента, а соответственно и мощности объекта, осуществляется по опосредованным показателям. Например, в автомобилях его могут определять по подаче топлива, температуре выхлопных газов и другим показаниям. Такой подход не позволяет с высокой степенью достоверности определить потребную мощность. Точное измерение момента осуществляют с помощью систем, определяющих крутящую деформацию вала, однако такие системы бывают весьма сложны.
Измерение крутящего момента на валу. Одним из распространённых методов измерения деформации вала является использование тензометрического моста [1]. В этом случае на вал наклеиваются тензометры сопротивления под углом 45° к оси вращения, электрически соединённые по мостовой схеме. Применение этой схемы увеличивает чувствительность, улучшает линейность получаемой характеристики, значительно уменьшает влияние температуры на величину выходного сигнала. Кроме того, преимуществом моста является то, что с его помощью измеряется только изменение, а не общее сопротивление.
Основную сложность в устройстве, использующем тензометры, представляет собой передача данных о сопротивлении чувствительных элементов с вращающегося вала потребителю. Долгое время для этого использовались контактные, индукционные, светотехнические и другие устройства. Современное развитие электроники позволяет с помощью цифрового радиоканала сделать передачу данных максимально простой. Малогабаритный радиопередатчик может быть установлен непосредственно на вращающемся валу и передавать параметры на невращающийся приёмник. Использование миниатюрных передатчиков позволяет определять крутящие моменты сразу на нескольких валах, передавая информацию на один приёмник.
Модель, использующая тензометрические устройства и цифровой радиоканал, была реализована авторами и испытана на ряде механизмов. В качестве передатчика использовался готовый приёмопередающий радиомодуль ОР1201А. Он представляет собой функционально завершённое устройство, устанавливаемое на плату микроконтроллера. Имея малые характеристики энергопотребления (типичное значение тока потребления в режиме ожидания составляет
0,2 мкА), передатчик оптимизирован для приложений, предъявляющих к компонентам такие требования, как небольшие размеры, низкая стоимость и цифровой интерфейс. В составе радиомо-
дуля применяется интегрированный полудуплексный трансивер, работающий в частотном диапазоне 433 МГц. Встроенный синхронизатор данных позволяет подключать простые микроконтроллеры с минимальными схемотехническими затратами. Управление передатчиком осуществлялось по последовательному периферийному интерфейсу БРГ БР1 является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым процессором. В качестве управляющего процессора использовали А011С7061. Это связано с тем, что он имеет встроенное 24-битный АЦП, что позволяет избежать установки дополнительного преобразователя. Также к положительным сторонам данного микроконтроллера можно отнести малое напряжение питания — 2,5 В, что понизит общее напряжение питания и размеры батареи на вращающемся валу.
В состав радиоприёмника, так же как и радиопередатчика, входит настроенный на приём данных радиомодуль ОР1201А (рис. 1). Так как для радиоприёмника АЦП не требуется, в качестве управляющего процессора использовался Р1С16Р876А. Он, так же как и А011С7061, имеет малые габариты и последовательный периферийный интерфейс БРЬ Принятые и обработанные процессором данные передаются на систему измерений.
Рис. 1. Внешний вид плат передатчика и приёмника измерителя крутящего момента
Общая схема работы измерителя крутящего момента представлена на рис. 2. Дальность действия цифрового радиоканала составляет около 100 м, что вполне достаточно для снятия характеристик при установке приёмника на неподвижное основание или невращающуюся часть транспортного средства.
Блок контроля параметров
Вал Противовес \ Мостовая тснзомстричсская схема
Рис. 2. Общая схема работы измерителя крутящего момента 26
Как видно из рис. 2, сверху вала установлен передатчик, а снизу батарея питания, которая компенсирует массу передатчика. Рядом на валу приклеен тензомост, состоящий из 4 тензо-резисторов, соединённых с передатчиком. При наклейке тензометров необходимо учитывать, что для качественного измерения на расстоянии 20 мм слева и справа от площадки наклейки тензо-резисторов не должно быть изменений формы или толщины вала. В целом измеритель крутящего момента имеет незначительные размеры и вес, позволяющие устанавливать его на валы промышленного оборудования, транспортные средства и другие устройства.
Для калибровки датчиков создана программа, которая по нескольким точкам с известным нагружением выстраивает зависимость для всего моментного диапазона. Крутящий момент, в свою очередь, можно задавать или тарированными весами, устанавливаемыми на замеренном плече, или растягивающим устройством (например, лебёдкой) с использованием динамометра. При наличии на валу растягивающих усилий целесообразно калибровать отдельный тензометр, который рассчитан на учёт только растягивающих усилий. В таком случае калибровка происходит в два этапа.
1. На валу создаются только растягивающие усилия. Величина усилий с линейного тензодат-чика и тензомоста крутящего момента заносится в контроллер передатчика. По полученным значениям непосредственно в цифровых кодах строится зависимость показаний тензомоста от растягивающего тензометра.
2. На валу создаётся крутящий момент. Считывается и фиксируется величина кодов АЦП, приходящая с тензомоста.
Программа калибровки готовит данные для определения крутящего момента. Само программное обеспечение предусматривает два алгоритма дальнейшего пересчёта данных. В соответствие с первым строится линейная зависимость коэффициента калибровки:
где М — значение задаваемых моментов, т — коды АЦП, приходящие с тензомоста, Ля?(/) —
поправочная величина момента, определяемая по калибровочным данным тензомоста, зависящего от линейной деформации.
В соответствии со вторым методом строится нелинейная зависимость. В этом случае целесообразно аппроксимировать экспериментальные значения методом наименьших квадратов невязок. Зависимость момента от калибровочных коэффициентов Д, А1 определяется полиномом первой степени:
Задача заключается в том, чтобы определить такие значения коэффициентов Л0, Аь при которых кривая как можно ближе проходила бы от всех п точек, определённых при калибровке (Мь (М2, пъ); (/%, т„), найденных экспериментально [2].
В данном случае нельзя найти такую кривую, которая проходила бы через все заданные точки. Более того, ни одна из рассматриваемых точек не удовлетворяет точно уравнению, и если подставить в него координаты этих точек, то получается следующая система:
где бі, б2, . б„ — невязки.
Согласно принципу наименьших квадратов, наилучшими значениями коэффициентов Л0, А
будут те, для которых сумма квадратов невязок наименьшая, т. е. значение имеет минимум.
Таким образом, величина
которая рассматривается как функция коэффициентов Л0, Ах должна иметь минимум. Необходимое условие минимума функции многих переменных заключается в том, что все её частные производные должны равняться нулю. Дифференцирование обеих частей уравнения приводит к системе уравнений
Следовательно, вместо исходной системы, которая есть система несовместная, так как имеет п уравнений с двумя неизвестными (п > 1), получается система линейных уравнений с коэффициентами Д), А±. Так как система (5) найдена дифференцированием выражения (4) по неизвестным коэффициентам Л0, А1г то в ней при любом п > 1 число уравнений точно равно числу неизвестных.
Преобразуя систему (5) к виду, более удобному для её решения, воспользовавшись вместо
обозначений Xя7*’Xя7* обозначениями, введёнными Гауссом, получаем:
[.т~\ = т1 + т2 + т3+ тл +. + тп,
[/т?2] = ті + ті + ті + /т?2 +. + т2п.
Тогда система (5) после сокращения всех уравнений на 2 и перегруппирования членов принимает вид:
Поскольку А0, А\ относительно рассматриваемых сумм есть величины постоянные, то, согласно свойству сумм, из первого уравнения системы (5) получается следующее выражение:
Е(Л+^*-М*) = ЕЛ+41>*-1Х =пА0+[т]А1-[М] = 0, (8)
т. е. первое уравнение системы (7). Все остальные уравнения системы (5) преобразуются аналогично. Коэффициенты этих уравнений вычисляются по известным координатам заданных точек (ть Л#0; (/772, Мг)) (пъ, М3У,
Для решения данной системы уравнений использовался метод Гаусса — как наиболее удобный для машинного вычисления. При выполнении расчётов посредством последовательных исключений неизвестных данная система превращается в ступенчатую. Исходя из (7) составляется расширенная матрица системы следующего вида:
[/7?] [/772 ] [гпМ~\ 1 І 1 1 1—1 о 1
Точное решение для невырожденной матрицы находится за вполне определённое количество операций. При этом сначала выполняется прямой ход — расширенная матрица приводится к треугольному виду:
Необходимое условие — отсутствие на диагонали матрицы нулевых элементов. После выполняется обратный ход — когда находятся все неизвестные вектора М, начиная с последнего.
При прямом ходе первая строка расширенной матрицы делится на гг.
Последующее вычитание из второй строки расширенной матрицы произведения [я?] на изменённую первую строку матрицы:
приводит к следующему виду матрицы:
Делением второй строки на [Я72] матрица приводится к верхнетреугольному виду:
Как измерить крутящий момент на валу
Автор: к.т.н. Вильфрид Криммель. Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010.
Вильфрид Криммель работает в области измерительной техники крутящего момента более 20 лет. На фирме Lorenz Messtechnik GmbH он руководит калибровочной лабораторией.
1. Тензометрическая технология измерений
Историческое развитие технологии измерения крутящего момента начинается в 1678 году. В этом году английский учёный Роберт Гук описал пропорциональную зависимость между деформацией материала и напряжением материала в известном законе Гука.
Дальнейшим витком развития послужил 1833 год. Тогда английский учёный Хантер Кристи описал мостовую схему, при помощи которой можно измерять малейшие изменения напряжения. Не смотря на то, что схема в последующем получила название в честь второго изобретателя, Чарльза Витстоуна, настоящая слава принадлежит все же Хантеру Кристи.
Мостовая схема Wheatstone
Уильям Томсон, который позже стал лордом Кельвином (его именем названа температурная шкала), открыл в 1856 году зависимость между растяжением проводника и его электрическим сопротивлением.
После этого не раз проводились эксперименты с проводниками. Например, в 1937 году с ними экспериментировал Нернст, чтобы измерить давление в двигателе внутреннего сгорания. Однако, первой модели свободно наклеиваемого тензорезистора пришлось ждать до 1938 года. Тогда профессором Руге был разработан первый тензорезистор. Уже три года позже появились первые индустриально изготовленные проволочные тензорезисторы, которые очень быстро нашли практическое применение. Настоящим прорывом для промышленно производимых тензодатчиков стали появившиеся в 1952 году на рынке плёночные тензорезисторы. Они вытравливались на покрытой проводящим материалом плёнке. Таким способом тензорезисторы изготавливаются и сегодня. Ещё в том же году, плёночные тензорезисторы были предложены для измерений крутящего момента. Таким образом были изготовлены первые невращающиеся тензодатчики крутящего момента. Эти датчики помогли решить многие задачи в разработках и испытаниях посредством измерения крутящего момента реакции. Но более важным и частым применением датчиков крутящего момента являются измерения на вращающемся валу. Здесь разработки длились ещё несколько лет, чтобы предложить на рынке готовые к применению тензометрические датчики крутящего момента.
2. Первые вращающиеся датчики крутящего момента
При нагружении вала аксиальным крутящим моментом происходит его скручивание на угол пропорциональный крутящему моменту. Этот угол может быть измерен при помощи углоизмерительной системы. Работающие по этому принципу вращающиеся датчики крутящего момента с индуктивной измерительной системой были предложены на рынке уже после 1945 года. Для питания датчика использовались несущие частоты в несколько сотен кГц. Таким образом, удалось уменьшить габариты катушек индуктивности системы. Амплитуда переменного измерительного сигнала была пропорциональна углу скручивания измерительного вала датчика крутящего момента и имела ту же частоту, что и напряжение питания.
Для питания расположенной на вращающемся валу измерительной системы и для передачи модулированного по амплитуде измерительного сигнала применялись трансляторы, построенные по принципу вращающегося трансформатора. Одна обмотка трансформатора закреплена на статоре, вторая расположена концентрично первой на роторе. При передаче амплитудно-модулированного измерительного сигнала через построенный по такой схеме транслятор коэффициент передачи включается напрямую в измерительный сигнал. Из-за аксиальных и радиальных смещений, эксцентричного вращения, изменения магнитных характеристик материала и магнитных утечек могут возникать поргешности в измерениях.
Первая передача измерительного сигнала тензорезисторного моста, наклеенного на вращающийся вал производилась посредством контактных колец в 1952 году.
Передача питающего и выходного напряжения через контактные кольца требует определённой осторожности. Контактные кольца должны быть изолированы от вала и друг от друга. Уже малейшие ошибки в изоляции могут привести к значительным измерительным ошибкам. Сила нажатия скользящего контакта должна быть выбрана так, чтобы с одной стороны сопротивление контакта было возможно малым, надёжность контакта относительно отрывания вследствие сотрясений и эксцентричности контактных колец длжна была быть достаточно высокой и с другой стороны не должно было быть допущено возникновение чрезмерного нагрева и износа контактных пар. Решающую роль помимо выбора материала играет тщательная обработка поверхностей.
Особенные сложности возникают при высоких скоростях вращения. Некоторые датчики снабжены подъёмными устройствами для щёток, которые опускаются только для измерений. Недостатком данной технологии является то, что контактные кольца и угольные щётки со временем изнашиваются и требуют замены.
Для создания датчика со стабильной и не требующей технического обслуживания передачей сигнала, была разработана технология, обеспечивающая бесконтактную передачу измерительного сигнала с тензорезисторного моста. Благодаря запитыванию моста переменным напряжением, на его выходе получается пропорциональное крутящему моменту амплитудно-модулированное переменное напряжение. Как необходимое для питания тензометрического моста переменное напряжение, так и измерительный сигнал могут передаваться благодаря трансформаторной передаче.
После этого, победное шествие вращающихся датчиков крутящего момента на основе тензорезисторов уже невозможно было остановить.
Благодаря постоянно уменьшающимся размерам электроники в 1972 стало возможным разместить на вращающемся валу измерительный усилитель, который служил для питания тензорезисторного моста и подготовки измерительного сигнала. Один трансформаторный транслятор служил для питания датчика, другой — для частотно-модулированной передачи измерительного сигнала.
Тензометрическая техника тем временем развивалась дальше. Сегодня выпускаются датчики крутящего момента как с температурной компенсацией, так и с компенсацией дрейфа сигнала. Большое преимущество тензометрической техники состоит в том, что компенсация помех возможна непосредственно в месте измерения. Температурная зависимость модуля упругости применяемых материалов составляет, например, у стали около 3 % на 100 К изменения температуры. Так как эта величина помехи входит напрямую в коэффициент чувствительности датчика, его необходимо соответствующим образом компенсировать.
У датчиков с углоизмеряющей системой, если и делается компенсация, то она проводится в усилителе. Таким образом здесь обязательно нужно считаться с влиянием температуры. Углоизмеряющие датчики имеют ещё одну проблему в том, что для измерения крутящего момента требуется относительно большой угол скручивания. Это ведёт к мягким торсионным конструкциям, которые позволяют осуществлять только медленные измерительные процессы.
Постоянно уменьшающиеся размеры электроники и соответственно улучшающиеся возможности передачи измерительного сигнала привели к изменению рынка датчиков крутящего момента в том направлении, что теперь они поставляются с интегрированными усилителями.
Первые датчики крутящего момента имели, как правило, аналоговый выходной сигнал. При таких интерфейсах невозможно исключить помехи исходящие от соседствующих силовых узлов и приводов, особенно при протяженной подводке и высокой динамике. Из-за этого в прошлом увеличивали уровень сигнала датчика. Общепринятые уровни сигнала в ± 5 В и ± 10 В. И всё же, для многих применений помехоустойчивость не достаточна высока. Решение данной проблемы лежит в цифровой сенсорной электронике. Схема её принципиальной механической конструкции представлена на следующей картинке.
На валу находится суженное по диаметру место, где наклеен тензометрический мост. На валу так же находятся вращающаяся часть трансформаторного транслятора и вращающаяся электроника. В корпусе находится стационарная часть транслятора и остальная электроника. Для подключения датчика, на корпусе находится штекер.
Интегрированная электроника как в статоре, так и в роторе содержит микропроцессор с сопутствующей памятью. Измерительный сигнал генерирутся на роторе посредством тензорезисторов, тут же усиливается и оцифровывается. Цифровой сигнал попадает в процессор, который готовит его к передаче на статор в форме последовательного сигнала с контрольной суммой. В статоре сигнал данных подготавливается и в заключение формируется в процессоре для последовательного интерфейса RS 485.
Благодаря применению процессоров такие данные как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дата калибровки и прочие могут быть сохранены как на роторе, так и на статоре и при необходимости могут быть считаны.
Питание датчика происходит через контролируемый процессором источник, который может подключить калибровочный контроль для проверки датчика. Благодаря оцифровыванию измерительного сигнала непосредственно на месте его снятия и сохранению, а так же считыванию данных датчика обеспечивается очень высокая эксплуатационная надёжность измерительного устройства.
Блок-схема цифровой передачи измерительного сигнала с интегрированными микропроцессорами:
4. Области применения датчиков крутящего момента сегодня
Некоторые отрасли науки и техники сегодня уже невозможно представить без датчиков крутящего момента. Ниже представлены только некоторые сферы их применения:
Электродвигатели
Характеристические кривые
Мощность
Крутящий момент
Двигатели внутреннего сгорания
Мощность
Крутящий момент
Измерение механического момента на валу электрической машины
Методы измерения. Вращающий момент может быть определен непосредственным или косвенным методом. Непосредственное измерение момента осуществляется следующими способами: статическим, измерением суммарного момента и динамическим.
При использовании статического способа момент определяют с помощью моментемеров при установившейся частоте вращения ротора. Сняв семейство точек механического момента при различной частоте вращения, получают статическую механическую характеристику. К недостаткам этого способа следует отнести большой нагрев двигателей при определении момента вне рабочей зоны механической характеристики двигателя, что удлиняет время испытаний, ведет к нестабильности измерений из-за неустановившегося теплового процесса, а при длительных измерениях может привести к недопустимому для нормальной работы изоляции нагреву его обмоток.
Способ измерения суммарного момента основан на измерении момента, действующего на статор двигателя и численно равного моменту, действующему на его ротор. Способ позволяет определить вращающие моменты как при установившемся режиме работы, так и при переходных процессах. Основным недостатком этого способа является необходимость крепления двигателя к измерительному механизму. Технологический разброс размеров двигателя приводит к смещению его центра тяжести относительно оси поворота прибора, что может привести к погрешностям при измерении.
Динамический способ определения вращающего момента основан на измерении ускорения двигателя при пуске на холостом ходу.
Если известен момент инерции ротора, для определения электромагнитного момента достаточно измерить величину ускорения.
В ряде случаев этим способом можно получать и статическую механическую характеристику, когда электромагнитная постоянная времени существенно меньше электромеханической. Для этого устанавливается дополнительная маховая масса на роторе, момент инерции которой, как показывает практика, должен в 5. 7 раз превышать момент инерции ротора двигателя. Данный способ предусматривает пуск двигателя в режиме холостого хода, поэтому получить значение начального пускового момента нельзя.
Для устранения этого недостатка перед включением испытуемого двигателя в сеть его необходимо разогнать до некоторой скорости (10. 20 % от номинальной) в противоположном направлении. После этого двигатель включают в сеть, он начинает тормозиться до нулевой скорости, а затем ускоряться. При этом точку нулевой скорости двигатель проходит с отличным от нуля ускорением, что позволяет рассчитать начальный пусковой момент по формуле.
При использовании статического способа применяют различные тормозные моментомеры — фрикционные, гидравлические, аэродинамические, электромагнитные и электромашинные, а также крутильные моментометры — в основном тензометрического типа. При исследовательских испытаниях основным требованием, предъявляемым к моментомерам, является точность. В то же время такие факторы, как трудоемкость испытаний и сложность установки, можно не принимать во внимание. В случае приемосдаточных испытаний в серийном производстве основным при выборе типа моментомеров является минимум трудозатрат. Что касается точности, то требования к ней менее жесткие, чем в первом случае, и, как правило, для измерений достаточен класс точности 1,0 . 2,5. Моментомеры, предназначенные для проведен™ приемочных, типовых и ресурсных испытаний, должны обладать большим сроком службы и работать при повышенных вибрациях, температурах, влажности и т.д. В ряде случаев моментомеры должны обладать такой механической характеристикой, которая полностью имитировала бы момент сопротивления нагрузки. Подбор типа моментомера зависит от вида механической характеристики испытуемого двигателя, чтобы область исследуемых моментов находилась в статически и динамически устойчивой зоне механической характеристики моментомера.
Тормозные устройства моментомеров, Анализ этих устройств проведем с учетом приведенной классификации моментомеров.
Фрикционные тормоза являются наиболее простыми по конструкции. Создаваемый ими момент нагрузки не зависит от частоты вращения. а только от давления. Конструктивно такие тормоза состоят из металлического шкива, насаженного на вал испытуемого двигателя, разрезной деревянной колодки или заменяющей ее ленты (металлической или текстильной) и измерительного устройства. Требуемый момент на валу создастся путем сжатия колол к и или натяжения ленты. В двигателях малой мощности вместо ленты может использоваться нить. Механические характеристики фрикционных тормозов нестабильны и зависят от температуры контактной поверхности, влажности, давления и химического состава окружающей среды и пр. К недостаткам фрикционных тормозов относится и то обстоятельство, что коэффициент трения покоя существенно отличается от коэффициента трения движения, причем переход от первого ко второму происходит скачкообразно.
Аэродинамические и гидравлические тормоза имеют механические характеристики,
М = кп2,
где к — коэффициент, учитывающий конструкцию тормоза; п — частота вращения.
В этих тормозах мощность расходуется на движение и подогрев жидкости или воздуха и они могут быть выполнены на значительные мощности. Простейшим примером гидравлического тормоза является гидронасос, а аэродинамического — вентилятор.
Аналитический расчет механической характеристики указанных тормозов, который по существу сводится к определению коэффициента к, весьма приблизителен, что требует предварительной тарировки этих тормозов.
Механические характеристики электромагнитных тормозов с медным (1), алюминиевым (2) и латунным (3) дисками
Электромагнитные тормоза просты в изготовлении и удобны в эксплуатации. Они состоят из поворотного статора, по окружности которого располагаются на равном расстоянии друг от друга электромагниты чередующейся полярности, и вращающегося внутри него диска (ротора), в котором наводятся вихревые токи, создающие тормозной момент. Диск соединен с валом испытуемого двигателя. По принципу действия электромагнитный тормоз аналогичен асинхронной машине, работающей в режиме динамического торможения. Поворотный статор соединен с грузом (противовесом), так что измеряется не момент, действующий на ротор испытуемого двигателя, а момент реакции, действующий на поворотный статор моментомера. В зависимости от материала, из которого изготовлен диск моментомера, изменяется критическая скорость, выше которой характеристика тормоза становится статически неустойчивой.
К недостаткам электромагнитных тормозов следует отнести значительную мощность, потребляемую обмотками электромагнитов, наличие момента трения в подшипниках моментомера, что следует учитывать при испытаниях двигателем малой мощности, и сравнительно большой момент инерции.
Электромашинные тормоза применяют в балансирных моментомерах (баланс-машинах) и в электромашинных моментомерах. Измерение момента в этом случае проводится методом суммарного момента. Электромашинный тормоз представляет собой электрическую машину, ротор которой соединен с ротором испытуемой машины, а статор является частью измерительного устройства моментомера.
Необходимыми характеристиками обладает машина постоянного тока, работающая в одном из тормозных режимов — рекуперативного торможения, динамического торможения, противовключения. Регулируя напряжение питающей сети, можно смещать механическую характеристику машины параллельно самой себе в зону больших или меньших скоростей, т.е. регулировать момент нагрузки.
Конструктивно баланс машина отличается от обычной тем что ее статор вместе с корпусом и другими крепящимися к нему деталями имеет собственные подшипники, так что он имеет возможность поворота на некоторый угол, определяемый ограничителями.
К достоинствам рекуперативного торможения следует отнести малое потребление энергии при испытаниях.
При динамическом торможении якорь машины постоянного тока замкнут на нагрузочное активное сопротивление, а обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока. Наклон характеристик при динамическом торможении зависит от нагрузочного сопротивления и тока возбуждения.
При противовключении машина постоянного тока с независимым возбуждением включается в сеть так. что развиваемый ею электромагнитный момент направлен в противоположную вращению ротора сторону. При этом с помощью резистора осуществляется ограничение тока якоря. Изменяя ток возбуждения, можно изменять наклон механических характеристик и величину момента при неподвижном роторе.
В качестве электромашинного тормоза могут применяться асинхронные машины в основном в режиме динамического торможения. В этом случае обмотка статора асинхронной машины включена в сеть постоянного тока, а фазная обмотка ротора — на внешнее активное сопротивление. Регулирование критической скорости осуществляется изменением этого активного сопротивления.
Асинхронная машина с короткозамкнутой обмоткой ротора практически не используется вследствие малой величины критической скорости и из-за того, что вся подводимая энергия выделяется внутри машины. Ограниченное применение имеет и режим противовключения асинхронной машины, так как для регулирования частоты вращения холостого хода (синхронной) требуется дорогостоящий преобразователь частоты.
Применение синхронной машины в качестве электромашинного тормоза возможно при работе в режиме генератора на отдельную активную нагрузку. В этом случае величина критической скорости пропорциональна величине активного сопротивления нагрузки, а максимальный момент — потоку возбуждения. Механические характеристики такого тормоза при постоянном возбуждении аналогичны характеристикам.