CN103487182B - 一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法及装置。所述测量装置包括调速动力源、浮动支架、浮动支架轴承、离合装置、柔性联轴器和静态扭矩测量仪。其中静态扭矩测量仪的扭矩输入轴、柔性联轴器、浮动支架轴承、调速动力源和被测转子工件的轴线重合，离合装置设置在调速动力源定子与浮动支架间；该离合装置锁紧时可以限制调速动力源外壳相对浮动支架的转动，松开时恢复外壳的浮动状态。本发明有效将高速转动部件的动态扭矩转化成静止部件的静态扭矩，可用静态扭矩测量仪器直接进行测量，简化了测量传动轴应变换算扭矩的步骤，无须使用扭转刚度较低的测量专用传动轴，该测量方法在高转速，大扭矩的工作环境下更加安全可靠。

Description

一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法及装置

技术领域

本发明属于高速转子流阻扭矩测量领域，涉及一种提高高速转子流阻扭矩测量精度的测量方法和装置。

背景技术

在现代航空发动机或其他动力机械中，均包含高速转子部件，这些高速转子部件在工作状态下会与其附近的流体（如空气）产生粘性摩擦阻力，同时转子盘表面的螺栓、铆钉等突起物在高速运动中也会与流体作用产生压差阻力和摩擦阻力。这些阻力造成高速转子盘的扭矩损失，在研究过程中需要对该类扭矩进行精确测量，而由于转速较高，轴系传动功率较大，因此精确测量较为困难。

目前对高速转子扭矩测量主要方法是通过测量动力源与被测转子工件间传动轴的扭转应变大小来计算出工件所受扭矩大小。该方法有如下四个缺陷，一是其基本原理基于测量传动轴的应变量，因此传动轴不宜有过大的扭转刚度，因而在转子加减速时，传动轴会由于较大的启动扭矩或刹车扭矩而损坏；二是系统中存在高速环境下运行的轴承，其摩擦扭矩不可忽略，因此测量得到的扭矩为流阻扭矩与轴承摩擦扭矩之和。由于轴承的摩擦扭矩受环境温度和转速等参数影响较为复杂，因此在实验中难以通过差值法消去，测量误差较大；三是应用该方法测量，传动轴难以更换，故该方法量程和测量精度有限，通用性较差，且传动轴应变的电信号需要通过动静转换装置（通常为电刷与滑环）引出，抗干扰性较差；四是由于转子高速转动产生的高频振动一定程度上会影响扭转应变的测量结果，降低测量精度，同时会缩短传动轴上应变传感器使用寿命。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法并设计出一种新型装置，其主要原理是将传动系统等转动件中的扭矩等量转化为静止部件中的扭矩，并使用静态扭矩测量仪器直接测量。所述的装置包括调速动力源（通常为变频调速电动机等）、浮动支架、浮动支架轴承、离合装置、柔性联轴器和静态扭矩测量仪。其中被测转子工件直接连接调速动力源的传动轴，该传动轴的支承轴承均处于调速动力源内部。调速动力源定子安装于浮动支架的浮动支架轴承中，浮动支架轴承与调速动力源传动轴同轴设置，使得调速动力源定子在浮动支架上可以沿调速动力源传动轴轴线自由灵活转动（该状态为文中所述浮动状态）。调速动力源定子与浮动支架间安装有离合装置，该离合装置锁紧时可以限制调速动力源外壳相对浮动支架的转动，松开时恢复外壳的浮动状态，即调速动力源外壳相对于浮动支架有转动。静态扭矩测量仪安装在固定支架上，与调速动力源定子通过柔性联轴器连接，该柔性联轴器具有滤除转子运行时产生的高频振动的作用。

结合该装置说明本测量方法的力学原理，当采用所述测量装置测量时，被测转子工件达到稳定转速后，测量系统内高速转动部件包括调速动力源转子、被测转子工件、传动轴和传动轴轴承内圈，四种部件相对静止，可认为属于同一整体；静止部件包括调速动力源定子、传动轴轴承外圈、静态扭矩测量仪和浮动支架轴承内圈，四种部件同样相对静止，可认为属于同一整体。因为转速稳定，由力矩平衡条件有：

T_转子=T_流阻+T_轴承内圈                       （1）

T_定子=T_扭矩仪+T_轴承外圈+T_浮动轴承             （2）

由于调速动力源转子和定子所受扭矩、传动轴轴承内外圈所受扭矩分别是两对作用力与反作用力，其大小相等方向相反。因此有：

T_转子=T_定子                               （3）

T_轴承内圈=T_轴承外圈                         （4）

T_浮动轴承=T_常数                            （5）

联立（1）～（5）式可得：

T_扭矩仪=T_流阻-T_常数                        （6）

其中，T_转子为调速动力源转子受定子电磁线圈驱动力产生的扭矩，T_定子为调速动力源定子受驱动转子电磁力的反作用力产生的扭矩，T_轴承内圈为传动轴轴承内圈受传动轴轴承摩擦阻力产生的扭矩，T_轴承外圈为传动轴轴承外圈受传动轴轴承摩擦阻力产生的扭矩，T_浮动轴承为浮动支架轴承内圈和调速动力源定子外壳受浮动支架轴承摩擦阻力产生的扭矩，T_常数为一常数扭矩，T_扭矩仪为静态扭矩测量仪输入轴施加给调速动力源定子的扭矩，T_流阻为作用在被测转子工件上因流体阻力产生的扭矩。

由于浮动支架轴承在转速稳定后相对浮动支架静止，其摩擦扭矩不受转速影响，可认为为一定值，可在实验标定中通过差值法消去。因此有：

T_扭矩仪=T_流阻                              （6）

因此，通过固定的静态扭矩测量仪可直接测得被测转子工件所受的流阻扭矩，并且其扭矩测量值不受传动轴轴承摩擦扭矩的影响。

本发明的优点在于：

1、本发明有效将高速转动部件的动态扭矩转化成静止部件的静态扭矩，可用静态扭矩测量仪器直接进行测量，简化了测量传动轴应变换算扭矩的步骤，无须使用扭转刚度较低的测量专用传动轴，该测量方法在高转速，大扭矩的工作环境下更加安全可靠；

2、本发明避免了高速转子轴承在工作中产生的摩擦扭矩对扭矩测量的影响；

3、本发明可随测量要求方便更换不同精度和量程的静态扭矩测量仪器，适用范围较广；

4、本发明通过柔性联轴装置将扭矩测量装置与调速动力源及其附属传动装置分离，有效避免了高速转动部件产生的高频振动对测量仪器的精度和寿命影响。

附图说明

图1为本发明提供的高速转子流阻扭矩高精度测量装置的侧视图；

图2为本发明提供的高速转子流阻扭矩高精度测量装置的三维立体图（浮动支架部分剖视）。

图中：

1.离合装置；    2.静态扭矩测量仪；   3.柔性联轴器；   4.浮动支架轴承；

5.调速动力源；  6.被测转子工件；     7.浮动支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，本发明提供了一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法和装置，所述高速转子流阻扭矩的高精度测量装置包括离合装置1、静态扭矩测量仪器2、柔性联轴器3、浮动支架轴承4、调速动力源5和浮动支架7。所述调速动力源5选用变频调速电动机，在调速动力源5的动力输出转轴（称为传动轴）上安装固定被测转子工件6，在调速动力源5的外壳上安装固定浮动支架轴承4的内圈，在浮动支架7上安装浮动支架轴承4，二者之间安装浮动支架轴承4的外圈。浮动支架7和调速动力源5间设置离合装置1，静态扭矩测量仪2设置于浮动支架7上，通过柔性联轴器3联接调速动力源5的定子。其中静态扭矩测量仪2的扭矩输入轴、柔性联轴器3、浮动支架轴承4、调速动力源5和被测转子工件6的轴线重合。

应用本发明所述测量装置进行测量时，首先锁紧离合装置1，使得调速动力源5外壳与浮动支架7不发生相对转动。然后启动调速动力源5驱动被测转子工件6加速到测量所需转速。待转速达到测量所需要求并稳定后，松开离合装置1，使得调速动力源5外壳与浮动支架7可以发生相对转动。即可从静态扭矩测量仪2中得到测量扭矩数值。完成测量后，首先锁紧离合装置1，使得调速动力源5外壳与浮动支架7不发生相对转动。然后关闭调速动力源5使得被测转子工件6减速至停止后，松开离合装置1即测量过程结束。

本发明实施例提供的一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法和装置，利用力学原理将高速转动部件中的动态扭矩转化为可用静态扭矩仪测量的扭矩，可以不受高速转动的轴承造成的扭矩损失和高频振动带来的影响，大大降低了系统复杂程度和调试成本；调速动力源5的功率和调速范围可根据测量需要更换不同规格，静态扭矩测量仪2的量程和测量精度可根据测量需要更换不同型号，节省人力资源，便捷高效；本发明针对燃气涡轮发动机涡轮盘简化模型的流阻扭矩实验测量，经调试合格后可精确测量出实验环境下的流阻扭矩，调试方便，测量准确。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高速转子流阻扭矩的高精度测量装置，其特征在于：所述的装置包括调速动力源、浮动支架、浮动支架轴承、离合装置、柔性联轴器和静态扭矩测量仪，被测转子工件直接连接调速动力源的传动轴；调速动力源定子安装于浮动支架的浮动支架轴承中，调速动力源的外壳上安装固定浮动支架轴承的内圈，调速动力源定子与浮动支架间安装有离合装置，静态扭矩测量仪安装在固定支架上，与调速动力源定子通过柔性联轴器连接，其中静态扭矩测量仪的扭矩输入轴、柔性联轴器、浮动支架轴承、调速动力源的传动轴和被测转子工件的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种高速转子流阻扭矩的高精度测量装置，其特征在于：所述调速动力源为变频调速电动机。

3.一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法，其特征在于：根据权利要求1所述的高速转子流阻扭矩的高精度测量装置，首先锁紧离合装置，使得调速动力源外壳与浮动支架不发生相对转动；

然后启动调速动力源驱动被测转子工件加速到测量所需转速；

待转速达到测量所需要求并稳定后，松开离合装置，使得调速动力源外壳与浮动支架发生相对转动；

从静态扭矩测量仪中得到测量扭矩数值；

记录数值后，首先锁紧离合装置，使得调速动力源外壳与浮动支架不发生相对转动；

然后关闭调速动力源使得被测转子工件减速至停止后，松开离合装置，即测量过程结束。