扭振測量基本原理

將磁電式傳感器對正齒輪安裝,當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),傳感器上感應(yīng)出與齒形有關(guān)的脈沖信號。將該信號進(jìn)行處理得到標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖波。再將矩形脈沖波輸入到單片機(jī)的高速輸入部件(HSI),采用測周法測量每個(gè)脈沖的時(shí)間寬度。具體方法是,利用單片機(jī)的高速計(jì)數(shù)功能,對單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)時(shí)間由該矩形脈沖控制,根據(jù)計(jì)數(shù)值可以計(jì)算得到每個(gè)脈沖的時(shí)寬值。機(jī)械式測量方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸系無扭振,如果齒輪齒形完全相同時(shí),則與每個(gè)齒對應(yīng)的矩形脈沖寬度都相同,即為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)周期除以齒數(shù);當(dāng)軸系存在扭振時(shí),每個(gè)齒對應(yīng)的矩形脈沖寬度發(fā)生變化,其與原寬度之差的大小反映扭振的大小。因此,只要測出每個(gè)齒對應(yīng)的矩形脈沖寬度的變化,就可以得到軸的扭振。

      測轉(zhuǎn)角測扭矩是一種特別適合細(xì)長旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測量方案。該方案多是在旋轉(zhuǎn)軸的同軸方向上加裝柔性扭桿,通過測量扭桿旋轉(zhuǎn)的相對角度測量扭矩。因此,只要測出每個(gè)齒對應(yīng)的矩形脈沖寬度的變化,就可以得到軸的扭振。已有的測轉(zhuǎn)角測扭矩的方案有:電磁式測轉(zhuǎn)角測扭矩、光電式測轉(zhuǎn)角測扭矩、激光式測轉(zhuǎn)角測扭矩、電容式測轉(zhuǎn)角測扭矩等。

      測反作用力測扭矩是通過測量制動(dòng)扭矩(為阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)而施加的反扭矩,該扭矩就叫做制動(dòng)扭矩)測扭矩的一種扭矩測量方案,這種方法有一定的局限性,只能測靜態(tài)力矩。采用這種方案的扭矩測量案例有:扭力扳手、靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)測量裝置等。

非接觸測量可以滿足對于扭矩測量的眾多需求:

1)長期不間斷、高可靠性扭矩測量。一般性扭矩傳感器一旦失效,不僅會(huì)造成扭矩傳感器自身的損壞,更嚴(yán)重的是會(huì)造成被測量設(shè)備的重大機(jī)械損壞。例如:應(yīng)變式扭矩測量裝置中應(yīng)變計(jì)的引線需要靠滑環(huán)(見圖1)引出,長時(shí)間工作后,滑環(huán)極易發(fā)熱老化,甚至斷裂脫落,所以出于可靠性的考慮,該方案多用于低速旋轉(zhuǎn)軸的短期扭矩測量。這是一種改良方案,通過技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)從有線接觸式扭矩測量到非接觸無線扭矩測量的升級。如果選擇非接觸式扭矩傳感器測量扭矩,它與旋轉(zhuǎn)軸沒有力的相互作用,工作過程中不受軸向負(fù)載和彎曲載荷,所以零件損耗小,工作壽命長,可以實(shí)現(xiàn)長期不間斷、可靠性測量扭矩。

2)高動(dòng)態(tài)性精磚扭矩測量。傳感器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響扭矩測量精度和動(dòng)態(tài)性的重要問題,因?yàn)閭鞲衅魇怯兄亓康?安裝在旋轉(zhuǎn)軸上后就相當(dāng)于增加了一個(gè)“額外質(zhì)量”,這一質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)軸較輕或者轉(zhuǎn)速較慢的情況下是不能忽略的,那便會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速明顯下降,測量得到的扭矩大小將受到嚴(yán)重影響。通常電廠發(fā)生軸段多處斷裂等重大事故的原因,多數(shù)是由于大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)電耦合振蕩致使軸系扭振所造成。如果采用非接觸式扭矩測量,傳感器對旋轉(zhuǎn)軸無附加外力,這可以從根本上提高測量的動(dòng)態(tài)性和精準(zhǔn)性,同時(shí)有助于提高系統(tǒng)的分辨率。

3)準(zhǔn)確控制被測裝置。因?yàn)橐话阈耘ぞ販y量裝置的體積大,并且要與旋轉(zhuǎn)軸直接接觸,所以存在著一個(gè)不可避免的問題,即由于安裝位置不當(dāng),或者接觸測量時(shí)產(chǎn)生的干擾力或扭矩而改變旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這類干擾是隨機(jī)的,很難評估和定量,而扭矩測量往往又是作為控制單元的反饋信號。這樣就會(huì)直接導(dǎo)致控制的準(zhǔn)確性難以保證。其測量原理是，傳動(dòng)軸上的機(jī)械應(yīng)變引起貼在該軸上的應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，使電橋失去平衡。采取非接觸式扭矩測量,從源頭上消除傳感器施加在旋轉(zhuǎn)軸上的附加力,末端控制的高準(zhǔn)確性才有可能實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)非接觸式扭矩測量的關(guān)鍵技術(shù)

扭矩的非接觸式測量是在接觸式測量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它綜合利用了已有的扭矩測量技術(shù)和方法,通過技術(shù)改進(jìn)和升級實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩測量目標(biāo)。工程中,實(shí)現(xiàn)非接觸測量的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩信號傳遞。扭振是關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)頻率對固有頻率影響程度的計(jì)算,反映了系統(tǒng)是否存在諧振(共振)的危險(xiǎn)程度,主要與系統(tǒng)各組成件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān),即與設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。現(xiàn)階段,可以實(shí)現(xiàn)非接觸扭矩信號傳遞的關(guān)鍵技術(shù)有如下兩種。

基于無線信號傳輸模塊的非接觸扭矩測量方案

基于一般性扭矩測量方案,即測應(yīng)變測扭矩、測轉(zhuǎn)矩測扭矩、測反作用力測扭矩,這一方案是指增添無線信號傳輸?shù)墓δ軉卧獙?shí)現(xiàn)非接觸扭矩信號傳遞。這是一種改良方案,通過技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)從有線接觸式扭矩測量到非接觸無線扭矩測量的升級。