CN103403514B - 用于校准扭转扭矩测量仪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于校准扭矩测量仪的方法，该扭矩测量仪包括动力轴、参考轴、用于测量属于动力轴和参考轴的角度参考点之间第一和第二角度偏差的测量装置，用于从第一和第二角度偏差，确定动力轴的扭矩值输出的计算单元，其中所述方法包括：放置扭矩测量仪在第一状态中；进行第一，其中测定第一和第二角度偏差（α_m1,β_m1），并且使用参考扭矩测量仪测量动力轴的扭矩（TQ_m1）输出；放置扭矩测量仪在第二状态中；进行第二组测量，其中测定第一和第二角度偏差（α_m2,β_m2），测量动力轴的扭矩（TQm2）输出；放置扭矩测量仪在第三状态中；进行第三组测量，其中测定第一和第二角度偏差（α_m3,β_m3），测量动力轴的扭矩（TQm3）输出；放置扭矩测量仪在第四状态中；进行第四组测量，其中测定第一和第二角度偏差（α_m4,β_m4），测量动力轴的扭矩（TQm4）输出；根据第一、第二、第三和第四组测量校准计算单元。

Description

用于校准扭转扭矩测量仪的方法

背景技术

本发明涉及用于测量发动机轴，例如，航空器涡轮机组的轴所传递的扭矩的装置。

本发明更具体地涉及用于校准扭转扭矩测量仪的方法，该扭转扭矩测量仪优选地意欲安装在直升飞机涡轮机组中。

将要想到轴的旋转扭矩的测量在直升飞机发动机的领域中是特别重要的，因为它通常提供飞行员所考虑的必需驾驶数据项目之一。一旦直升飞机的转子已经达到恒定速度，后者所提供的动力专门地依赖于扭矩。

文献FR2931552描述了基于轴扭转变形测量的扭矩测量仪，该变形特别是所传递扭矩的作用。

该文献中所描述的扭转扭矩测量仪包括：

·动力轴，用于传递绕着轴线的旋转扭矩，所述动力轴提供有第一轮，该第一轮带有第一和第二系列的角度参考点；

·参考轴，其具有固定于动力轴一端的第一端，和提供有第二轮的第二端，该第二轮带有第三和第四系列角度参考点，第一和第三系列的角度参考点互相平行，而第二和第四系列的角度参考点互相平行和相对于第一和第三系列的参考点相倾斜；

·测量装置，用于测量分别地属于第一和第三系列角度参考点的两个角度参考点之间第一角度偏差，并且分别地属于第二和第四系列角度参考点的两个角度参考点之间第二角度偏差；

·计算单元，用于特别地基于测量装置所测量的第一和第二角度偏差，确定动力轴的扭矩输出值。

为了计算动力轴所提供的扭矩，计算单元必须使用测量装置所提供的数据，先确定轴的温度。一旦已经确定了温度，使用先前存储在计算单元的存储器中的数据库确定扭矩值，该数据库包含对应于针对不同温度的几个角度变形值的扭矩值。

因此，现有技术的扭转扭矩测量仪需要动力轴的温度知识，并且需要动力轴材料的行为模型的知识。

本发明的目的和概述

本发明的一个目的是提出校准前述类型的扭转扭矩测量仪的方法，这样校准的扭矩测量仪能够计算扭矩，而不必测定动力轴的温度。

根据本发明主题的方法：

·扭转扭矩测量仪放置在第一状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第一预确定扭矩范围内，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴然后是在第一温度；

·进行第一组测量，其中确定第一和第二角度偏差，并且使用参考扭矩测量仪测量动力轴的扭矩输出；

·扭转扭矩测量仪放置在第二状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第二预确定扭矩范围内，第二预确定扭矩范围不同于第一预确定扭矩范围，那么扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴基本上是在第一温度；

·进行第二组测量，其中确定第一和第二角度偏差，并且使用参考扭矩测量仪测定动力轴的扭矩输出；

·扭矩测量仪放置在第三状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第二预确定扭矩范围内，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴被带到不同于第一温度的第二温度；

·进行第三组测量，其中确定第一和第二角度偏差，并且使用参考扭矩测量仪测量动力轴的扭矩传递；

·扭矩测量仪放置在第四状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第一预确定扭矩范围内，而扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴基本上是在第二温度；

·进行第四组测量，其中确定第一和第二角度偏差，并且使用参考扭矩测量仪测量动力轴的扭矩输出；

·从第一、第二、第三和第四组测量校准计算单元。

第一、第二、第三和第四组测量允许校准数据的确定，这随后被计算单元使用以计算诸如，扭转扭矩测量仪所测量的扭矩值。

一旦被校准，扭转扭矩测量仪的计算单元就会从第一和第二角度偏差和从校准数据确定扭矩值。

校准方法特别快和容易地进行，因为它仅需要四组测量和两个温度稳定的扭矩值。所述校准可以通过有经验的操作人员在不到30分钟内进行。

此外，本发明的校准方法优选地在扭矩测量仪安装在涡轮机组中时实施。因此，校准容易在测试台上进行，而不需要拆卸涡轮机组。

还发现通过实施本发明方法校准的扭矩测量仪比现有技术的扭矩测量仪具有更好的精确度。实践中，所获得的精确度仅仅稍微在用于校准的参考扭矩测量仪的精确度以下。

一旦被校准，扭转扭矩测量仪就能够提供精确的扭矩值，而不必确定动力轴的温度。结果，不再必要具有根据温度的动力轴材料的行为模型，以能够计算动力轴所传递的扭矩的知识。

根据一个优选的实施方式，第二预确定的扭矩范围高于第一预确定的扭矩范围，而第二温度值高于第一温度值。

因此，优选地，第二组测量基本上是在与第一组测量相同的温度下进行的。第三组测量是在与第二组测量相同的范围内进行的。第四组测量基本上是在与第三组测量相同的温度下和在与第一组测量相同的扭矩范围内进行的。

通过“基本上”优选地意指加或减5%到20%的公差。

优选地，第一组测量后很快，例如第一组测量后不到1分钟内进行第二组测量，这样轴的温度，通过热惯性，没有时间进一步增加达到扭矩的增加。通过增加涡轮机组的速度，获得第一和第二预确定扭矩值之间的扭矩增加，增加涡轮机组的速度引起其加热和由此轴温度的升高。

相似地，第三组测量后很快，例如第三组测量后不到1分钟内进行第四组测量，这样轴的温度，通过热惯性，没有时间进一步降低达到扭矩的减少。

而且，第一预确定扭矩范围优选地，但不是专门地在装配有扭转扭矩测量仪的涡轮机组能够产生的最大扭矩的0%和20%之间的第一平均扭矩值的区域中。

第二预确定扭矩范围优选地，但不是专门地在第二平均扭矩值的区域中，该第二平均扭矩值高于所述最大扭矩的80%。

作为非限制性实施例，第一扭矩范围的延伸对应于第一平均值加或减10%。相似地，作为非限制实施例，第二扭矩范围的延伸对应于第二平均值加或减10%。

为了改进校准的精确度，在进行第三组测量之前，要等到扭矩测量仪轴的温度稳定在第二温度。

本发明人已经确定大约15分钟的时间可以证明足够轴的温度稳定在第二温度值。

有利地，第一、第二、第三和第四组测量用于确定校准数据，该校准数据存储在计算单元的存储器中。

这优选地是重写存储器，这样如果必要，可以在涡轮机组的整个使用期限中进行几次扭转扭矩测量仪的校准。

优选地，第一和第二轮是音轮，并且角度参考点是齿。

此外，优选地，通过单个磁性传感器形成测量装置。

本发明也涉及校准的扭转扭矩测量仪，包括

·动力轴，用于传递绕着轴线的旋转扭矩，所述动力轴提供有第一轮，该第一轮带有第一和第二系列的角度参考点；

·参考轴，其具有连接动力轴一端的第一端，和提供有第二轮的第二端，该第二轮带有第三和第四系列角度参考点，第一和第三系列的角度参考点互相平行，而第二和第四系列的角度参考点互相平行和相对于第一和第三系列的参考点相倾斜；

·测量装置，用于测量分别地属于第一和第三系列角度参考点的两个参考点之间第一角度偏差，并且分别地属于第二和第四系列角度参考点的两个参考点之间第二角度偏差；

·计算单元，用于基于测量装置所测量的第一和第二角度偏差，确定动力轴的扭矩值输出，计算单元包括存储器，以存储通过实施本发明方法所获得的校准数据，诸如通过计算单元所确定的扭矩值是第一和第二角度偏差和所述校准数据的函数。

最后，本发明涉及涡轮机组，其包括根据本发明方法校准的扭转扭矩测量仪。

附图的简要说明

通过阅读下面参考附图，作为非限制性实施例给出的本发明的一个实施方式的描述，将更好地理解本发明。其中：

图1是根据本发明校准的扭转扭矩测量仪的半轴向剖面图。

图2表示图1中扭矩测量仪的第一和第二音轮的齿的相对位置，并且示例了图1中扭矩测量仪的传感器所测量的第一和第二角度偏差。

图3示例了用于实施本发明校准方法的设备。

图4实施例了本发明校准方法的步骤；和

图5示例了装配有通过实施本发明方法所校准的扭转扭矩测量仪的涡轮机组。

本发明的详细描述

图1示例了扭转扭矩测量仪10的一个优选的实施方式，其将会通过实施本发明的方法而被校准。

扭转扭矩测量仪10包括中空动力轴12，其用于绕着其轴线A传输旋转扭矩。这个扭矩正是寻求测量的扭矩。

在图1的实施例中，动力轴12包括在其第一端12a的小齿轮14，以及设置在与第一端相对的第二端12b的驱动构件16。显然地，动力轴的端部进行不同的装配是可能的。

并且，动力轴12，接近其第一端12b，带有第一音轮，这里是音轮18，其是共轴的和包括多个角度参考点，在这里的情况是齿。

扭转扭矩测量仪10进一步包括参考轴20，其在动力轴12内部轴向地延伸，该参考轴12通过接近动力轴12的第一端12a的其第一端20a连接动力轴12，而其第二端20b是自由的。参考轴20的第二端20b，与其第一端20a相对，带有第二音轮，这里是音轮类型22，其与第一音轮18同中心的。第二音轮22带有大量角度参考点，在这种情况是齿，其通过动力轴20中所制成的开口径向延伸。在FR2931552中描述了可替代的构造。

面对第一和第二音轮18、22，设置有单个磁性传感器26，其能够当齿每次在它前面通过时产生电信号，所述信号然后被发送给计算单元28，后者用于确定动力轴12所传输的扭矩值。

第一音轮18包括第一和第二系列角度参考点，即互相相同的第一系列齿D1和互相相同的第二系列齿D2，而第二音轮22包括互相相同的第三系列齿D3和互相相同的第四系列齿D4。

设置第一和第二音轮，这样第一音轮18的齿D1、D2与第二音轮22的齿D3、D4成角度交替。

如从图2中可以看到的，第一和第三系列的齿D1、D3互相平行，而第二和第四系列的齿D2、D4互相平行和相对于第一和第三系列的齿倾斜。

在该图2中，在动力轴的正径向方向OR中示例了齿的分布。因此，将理解白齿D1和D2属于第一音轮，而黑齿属于第二音轮。

齿D1和D3相对于动力轴的轴向方向位于角度γ1，而齿D2和D4位于不同于γ1的角度γ2。

磁性传感器26是测量装置，其允许测定分别地属于第一系列齿和第二系列齿的两个齿D1、D3之间的第一角度偏差α_m。磁性传感器26也允许测量分别地属于第二系列齿和第四系列齿的两个齿D2、D4之间的第二角度偏差β_m。

编程序扭转扭矩测量仪10的计算单元28，以从磁性传感器26所测量的第一和第二角度偏差α_m和β_m以及从计算单元28的存储器29中所存储的校准数据来计算扭矩值TQ。

例如，但是不是专门地，使用下面的数学公式，获得扭矩值TQ：

$\left(1\right),\mathrm{TQ}({\mathrm{\α}}_m,{\mathrm{\β}}_m)=\frac{{\mathrm{\β}}_m-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{off}}+[({\mathrm{\β}}_m-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{off}})-({\mathrm{\α}}_m-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{off}})]*\frac{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}}{R_0+[({\mathrm{\β}}_m-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{off}})-({\mathrm{\α}}_m-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{off}})]*\frac{1}{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}}$

其中：

·α_m和β_m表示传感器所测量的第一和第二角度偏差；

·R₀,α_off,β_off,TQ0_α和TQ0_β是校准数据。

这个公式存储在计算单元的处理器中。

在完成现在参考图3和图4将要描述的本发明校准方法时获得校准数据R₀,α_off,β_off,TQ0_α和TQ0_β。

因此要充分意识到一旦校准数据R₀,α_off,β_off,TQ0_α和TQ0_β是已知的，就完全地表征了扭转扭矩测量仪。因此，校准的目的是计算数值R₀,α_off,β_off,TQ0_α和TQ0_β。

图3示例了实施本发明校准方法的设备，在这种情况下它是校准台50。

当校准时扭转扭矩测量仪10安装在涡轮机组52中，该发动机被放置在校准台50上。

动力轴12的端部连接涡轮机组52外部的参考扭矩测量仪54。

因此，当设定扭矩TQ_C是涡轮机组所要求的时，参考扭矩测量仪54提供了动力轴12的扭矩输出的参考测量TQ_m。将要理解如果扭矩测量仪没有被校准，数值TQ_m不会精确地对应于该设定数值TQ_C。

参考图4，将会给出本发明方法实施的详细说明。

第一扭转扭矩测量仪放置在第一状态E1，其中动力轴12的扭矩输出值位于第一预确定扭矩范围P1内，该第一预确定扭矩范围P1基本上居中绕着第一平均扭矩值C1。在该第一状态E1中，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴是在第一温度T1。在该非限制性实施例中，第一平均扭矩值C1等于涡轮机组能够产生的最大扭矩的10%，而第一温度是大约80℃。在该实施例中第一范围的限值是加或减第一平均扭矩值的约10%。

当扭矩测量仪是在第一状态E1中时，进行第一组测量，其中通过磁性传感器26测定第一和第二角度偏差α_m1和β_m1。，以及使用参考扭矩测量仪54测量动力轴的扭矩TQ_m1输出。

通过增加设定值TQ_C增加涡轮机组的速率，以放置扭矩测量仪在第二状态E2（箭头F），其中动力轴12的扭矩输出值位于第二预确定的扭矩范围P2内，该第二预确定的扭矩范围P2基本上居中绕着高于第一平均扭矩值C1的第二平均扭矩值C2。然后，快速地进行第二组测量，由此使用磁性传感器26测定第一和第二角度偏差α_m2和β_m2。，并且使用参考扭矩测量仪54测量动力轴的扭矩TQ_m2输出。很快地进行第二组测量，这样在第二状态中，扭转扭矩测量仪轴的温度基本上保持等于第一温度T1。

在该实施例中，第二平均值C2基本上等于涡轮机组能够产生的最大扭矩的80%。

该实施例中第二范围的限值位于第二平均扭矩值的约加或减10%内。

完成第二组测量后，等到发动机加热，这样扭转扭矩测量仪就被带到第三状态E3（箭头F2），其中扭转扭矩测量仪的轴是在高于第一温度T1的第二温度T2，而动力轴12的扭矩输出值保持在第二扭矩范围内。换而言之，扭矩值保持基本上等于第二平均扭矩值C2。

在等待扭转扭矩测量仪10的轴在第二温度T2稳定几分钟后，进行第三组测量，由此通过磁性传感器测定第一和第二角度偏差α_m3和β_m3，并且使用参考扭矩测量仪54测量动力轴的扭矩TQ_m3输出。

然后，降低涡轮机组的速度，以将扭矩测量仪带到第四状态E4（箭头F3），其中动力轴12的扭矩输出值位于第一扭矩范围P1内。扭矩值基本上等于第一平均扭矩值C1，而扭矩测量仪的轴仍旧基本上在第二温度T2。

当扭矩测量仪放在该第四状态中，进行第四组测量，由此通过磁性传感器测定第一和第二角度偏差α_m4和β_m4，并且使用参考扭矩测量仪54测量动力轴的扭矩TQ_m4输出。第一预确定扭矩范围P1已经达到后不久进行第四组测量，这样轴的温度基本上保持等于第二温度T2。

显然地，这里所提出的循环不是限制性的，并且它可以通过相反顺序进行或者通过不同顺序进行，只要进行了四组测量，允许计算校准数据就可以。

然后，使用第一、第二、第三和第四组测量校准扭转扭矩测量仪，更具体地计算单元。

换而言之，根据第一、第二、第三和第四组测量确定前述校准数据。

例如：

$R_0=\frac{{\mathrm{\β}}_{m2}-{\mathrm{\β}}_{m1}}{{\mathrm{TQ}}_{m2}-{\mathrm{TQ}}_{m1}}$

此后，计算角度偏差：

β_off＝β_m2-TQ_m2*R₀

α_off＝α_m2-TQ_m2*R₀

$\frac{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}=\frac{B*{\mathrm{TQ}}_{m4}-A*{\mathrm{TQ}}_{m3}}{{\mathrm{TQ}}_{m3}-{\mathrm{TQ}}_{m4}}$

$\frac{1}{{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{TQ}0}_{\mathrm{\β}}}=\frac{B-A}{{\mathrm{TQ}}_{m3}-{\mathrm{TQ}}_{m4}}$

其中：

$A=\frac{{\mathrm{\β}}_4-{\mathrm{TQ}}_{m4}*R_0}{{\mathrm{\β}}_4-{\mathrm{\α}}_4}$

$B=\frac{{\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{TQ}}_{m3}*R_0}{{\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\α}}_3}$

这些校准数据然后存储在校准单元28的存储器29中，这样计算单元可以使用它们，以使用上面给出的公式（1）计算扭矩值TQ。

在图5中，示例了涡轮机组100，其装配有使用本发明方法所校准的扭转扭矩测量仪10。

Claims (9)

1.一种用于校准扭转扭矩测量仪(10)的方法，该扭转扭矩测量仪包括：

·动力轴(12)，用于传递绕着轴线的旋转扭矩，所述动力轴提供有第一轮，该第一轮带有第一和第二系列的角度参考点；

·参考轴(20)，其具有连接动力轴一端的第一端，和提供有第二轮的第二端，该第二轮带有第三和第四系列角度参考点，第一和第三系列的角度参考点互相平行，而第二和第四系列的角度参考点互相平行和相对于第一和第三系列的参考点相倾斜；

·测量装置(26)，用于测量分别地属于第一和第三系列角度参考点的两个参考点之间第一角度偏差，并且分别地属于第二和第四系列角度参考点的两个参考点之间第二角度偏差；

·计算单元(28)，用于根据测量装置所测量的第一和第二角度偏差，确定动力轴的扭矩值输出；

一种用于校准扭转扭矩测量仪(10)的方法，其中：

·扭转扭矩测量仪放置在第一状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第一预确定扭矩范围(P1)内，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴是在第一温度(T1)；

·进行第一组测量，其中确定第一和第二角度偏差(α_m1,β_m1)，并且使用参考扭矩测量仪(54)测量动力轴的扭矩(TQ_m1)输出；

·扭转扭矩测量仪放置在第二状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第二预确定扭矩范围(P2)内，第二预确定扭矩范围不同于第一预确定扭矩范围，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴基本上是在第一温度(T1)；

·进行第二组测量，其中确定第一和第二角度偏差(α_m2,β_v2)，并且使用参考扭矩测量仪(54)测量动力轴的扭矩(TQ_m2)输出；

·扭矩测量仪放置在第三状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第二预确定扭矩范围(P2)内，扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴被带到不同于第一温度(T1)的第二温度(T2)；

·进行第三组测量，其中确定第一和第二角度偏差(α_m3,β_m3)，并且使用参考扭矩测量仪(54)测量动力轴的扭矩(TQ_m3)输出；

·扭矩测量仪放置在第四状态中，其中动力轴的扭矩输出值位于第一预确定扭矩范围(P1)内，而扭转扭矩测量仪的动力轴和参考轴基本上是在第二温度(T2)；

·进行第四组测量，其中确定第一和第二角度偏差(α_m4,β_m4)，并且使用参考扭矩测量仪(54)测量动力轴的扭矩(TQ_m4)输出；

·根据第一、第二、第三和第四组测量校准计算单元。

2.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中第二预确定扭矩范围(P2)高于第一预确定扭矩范围(P1)，而第二温度(T2)高于第一温度(T1)。

3.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中进行第三组测量之前，等到扭矩测量仪的动力轴和参考轴的温度已经稳定在第二温度(T2)。

4.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中第一、第二、第三和第四组测量用于确定计算单元(28)的存储器(29)中所存储的校准数据。

5.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中扭转扭矩测量仪(10)安装在涡轮机组(100)中，并且参考扭矩测量仪(54)设置在涡轮机组外。

6.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中第一和第二轮(18、22)是音轮和其中角度参考点(D1、D2、D3、D4)是齿。

7.根据权利要求1的用于校准扭转扭矩测量仪的方法，其中通过单个磁性传感器(26)形成测量装置。

8.一种校准的扭转扭矩测量仪(10)，包括：

·动力轴(12)，用于传递绕着轴线(A)的旋转扭矩，所述动力轴提供有第一轮(18)，该第一轮带有第一和第二系列的角度参考点(D1、D2)；

·参考轴(20)，其具有连接动力轴一端的第一端(20a)，和提供有第二轮(22)的第二端，该第二轮带有第三和第四系列角度参考点(D3、D4)，第一和第三系列的角度参考点(D1、D3)互相平行，而第二和第四系列的角度参考点(D2、D4)互相平行和相对于第一和第三系列的参考点相倾斜；

·测量装置(26)，用于测量分别地属于第一和第三系列角度参考点的两个参考点之间第一角度偏差(α_m)，并且分别地属于第二和第四系列角度参考点的两个参考点之间第二角度偏差(β_m)；

·计算单元(28)，用于根据测量装置所测量的第一和第二角度偏差，确定动力轴(12)的扭矩值(TQ)输出；所述扭转扭矩测量仪(10)的特征在于计算单元(28)包括存储器(29)以存储通过实施根据权利要求1至7中任一权利要求的方法所获得的校准数据，并且其特征还在于通过计算单元所确定的扭矩值(TQ)是第一和第二角度偏差以及校准数据的函数。

9.一种涡轮机组(100)，其包括根据权利要求8所校准的扭转扭矩测量仪(10)。