CN114878054A - 应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置及方法，包括试验区域和测控区域，所述测控区域包括电控箱、采集仪，所述试验区域包括扭矩测量箱、安装在扭矩测量箱上的动力源，所述扭矩测量箱包括：轴组，贯穿扭矩测量箱，接收动力源输出的扭矩；扭矩传感器，设置在轴组上；初始状态承力组件，包括穿设在轴组上的轴承保护器、转盘轴承；运行状态承力组件，包括穿设在轴组上的静止电磁铁环和旋转电磁铁环；运行状态承力组件产生向上承托的磁力。本发明通过设置保护器、电磁铁等结构，能够明显降低扭矩传感器上所受的拉力，避免扭矩传感器承受过大拉力时精准度的下降，避免扭矩传感器承受过大拉力而损坏，延长扭矩传感器的使用寿命。

Description

应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明涉及减阻试验技术领域，尤其是一种应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置及方法。

背景技术

通过材料减阻性能试验可以得出试验材料的减阻性能，目前普遍采用的方法为：将试验材料加工成圆柱体，采用轴体，在确保轴体轴心与圆柱体轴心重合的基础上，轴体、圆柱体端面连接，将圆柱体垂直并完全浸入水中，通过轴体带动圆柱体匀速旋转，通过扭矩传感器测量转轴动态扭矩，在此基础上计算得出材料的减阻性能参数。

上述方法存在的问题是：若将扭矩传感器直接与转轴连接，可直接测量驱动圆柱体旋转的动态扭矩，但是扭矩传感器需要承受其下端转轴及试验圆柱体对其的拉力，过大的拉力影响扭矩传感器的性能且当其超出扭矩传感器的承受极限会导致扭矩传感器损坏；若通过传动箱等机构使得扭矩传感器不承受拉力的方式间接测量扭矩，则所测扭矩中既包含驱动圆柱体旋转的动态扭矩也包含驱动传动箱等机械环节的扭矩，增加了分析难度。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置及方法，能够使扭矩传感器不承受过大拉力，在此基础上实现对驱动试验圆柱体旋转的动态扭矩直接测量。

本发明所采用的技术方案如下：

一种应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，包括试验区域和测控区域，

所述测控区域包括电控箱、采集仪，

所述试验区域包括扭矩测量箱、安装在扭矩测量箱上的动力源，

所述扭矩测量箱包括：

轴组，贯穿扭矩测量箱，接收动力源输出的扭矩；

扭矩传感器，设置在轴组上；

初始状态承力组件，包括穿设在轴组上的轴承保护器、转盘轴承；

运行状态承力组件，包括穿设在轴组上的静止电磁铁环和旋转电磁铁环；运行状态承力组件产生向上承托的磁力。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述轴组包括相互配合的凹十字型轴体和凸十字型轴体，所述凹十字型轴体和凸十字型轴体之间预留调节间隙。

扭矩传感器安装在凸十字型轴体上。

所述凸十字型轴体背离凹十字型轴体的一端。

所述轴组还包括连接动力源的传动轴，传动轴连接有万向轴，扭矩传感器连接在万向轴和凸十字型轴体之间。

凸十字型轴体上还套设有高速滑环，高速滑环为旋转电磁铁供电。

扭矩测量箱内设有激光传感器本体，在凹十字型轴体上套设有激光位移传感器基准板，激光位移传感器基准板位于轴承保护器上方。

所述测控区域的具体结构包括连接采集仪和电控箱的接线盒，接线盒还与如下部件连接：激光位移传感器、高速滑环、静止电磁铁、扭矩传感器。

高速滑环通过插头座连接旋转电磁铁。

一种利用权利要求1所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置的测量方法，包括如下三个工作状态：

初始状态：电磁铁组件不通电，凹十字型轴体及套设在凹十字型轴体上的部件的重力总和作用于转盘轴承上，此时扭矩传感器承受凸十字型轴体及凸十字型轴体上所设部件的重力；

测量状态：对电磁铁组件通电，形成向上的磁力，该磁力与初始状态中竖直向下的重力相抵消，推动部件上抬，处于磁悬浮状态，此时进行减阻试验，测量驱动件旋转的动态扭矩；

电磁铁断电工况：磁力消失，回到初始状态，同时因测量状态为旋转运动，在惯性作用下轴组继续旋转，此时产生参数不记入参考。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置保护器、电磁铁等结构，能够明显降低扭矩传感器上所受的拉力，避免扭矩传感器承受过大拉力时精准度的下降，避免扭矩传感器承受过大拉力而损坏，延长扭矩传感器的使用寿命。

本发明在电磁铁未通电时，装置的大部分重力落在转盘轴承上，扭矩传感器承受部分轴组的拉力。

本发明在电磁铁通电时，利用电磁线圈产生的磁力，使部分部件处于悬浮状态，进而减小扭矩传感器上的拉力。在上述前提条件下，测量驱动圆柱体旋转的动态扭矩，能够降低由于扭矩传感器过载而造成的误差。

本发明中，电磁铁结构即使处于失电状态，磁力消失，回到未通电的初始状态，扭矩传感器所受拉力仍明显小于常规操作中的拉力。

本发明通过针对性的电气、机械设计，使得小拉力扭矩测量装置一方面可以确保其中的动态扭矩传感器不承受过大的拉力、扭矩，另一方面可实现对驱动试验圆柱体旋转的动态扭矩的直接测量。

附图说明

图1为本发明的总体布置示意图。

图2为测控系统结构示意图。

图3为本发明的扭矩测量装置布置图。

其中：1、齿轮箱；2、接线盒；3、水平安装平台；4、第一侧壁；5、第二侧壁；6、底部水平面；7、转轴；8、扭矩测量装置；9、电控箱；10、采集仪；11、传动轴；12、万向轴；13、扭矩传感器；14、高速滑环静止部分；15、高速滑环运动部分；16、高速滑环静止支架；17、弹性联轴器；18、凸十字型轴体；19、螺旋电线及插头座；20、凹十字型轴体；21、激光位移传感器基准板；22、激光位移传感器本体；23、激光位移传感器支架；24、轴承保护器；25、转盘轴承；26、旋转电磁铁；27、静止电磁铁；28、扭矩传感器安装支架。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图3所示，本实施例的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，包括试验区域和测控区域，

测控区域包括电控箱9、采集仪10，

试验区域包括扭矩测量箱、安装在扭矩测量箱上的动力源，

扭矩测量箱包括：

轴组，贯穿扭矩测量箱，接收动力源输出的扭矩；

扭矩传感器13，设置在轴组上；

初始状态承力组件，包括穿设在轴组上的轴承保护器24、转盘轴承25；

运行状态承力组件，包括穿设在轴组上的静止电磁铁27环和旋转电磁铁26环；运行状态承力组件产生向上承托的磁力。

轴组包括相互配合的凹十字型轴体20和凸十字型轴体18，凹十字型轴体20和凸十字型轴体18之间预留调节间隙。

扭矩传感器13安装在凸十字型轴体18上。

凸十字型轴体18背离凹十字型轴体20的一端。

轴组还包括连接动力源的传动轴11，传动轴11连接有万向轴12，扭矩传感器13连接在万向轴12和凸十字型轴体18之间。

凸十字型轴体18上还套设有高速滑环，高速滑环为旋转电磁铁26供电。

扭矩测量箱内设有激光传感器本体，在凹十字型轴体20上套设有激光位移传感器基准板21，激光位移传感器基准板21位于轴承保护器24上方。

测控区域的具体结构包括连接采集仪10和电控箱9的接线盒2，接线盒2还与如下部件连接：激光位移传感器、高速滑环、静止电磁铁27、扭矩传感器13。

高速滑环通过插头座连接旋转电磁铁26。

本实施例的利用权利要求1的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置8的测量方法，包括如下三个工作状态：

初始状态：电磁铁组件不通电，凹十字型轴体20及套设在凹十字型轴体20上的部件的重力总和作用于转盘轴承25上，此时扭矩传感器13承受凸十字型轴体18及凸十字型轴体18上所设部件的重力；

测量状态：对电磁铁组件通电，形成向上的磁力，该磁力与初始状态中竖直向下的重力相抵消，推动部件上抬，处于磁悬浮状态，此时进行减阻试验，测量驱动件旋转的动态扭矩；

电磁铁断电工况：磁力消失，回到初始状态，同时因测量状态为旋转运动，在惯性作用下轴组继续旋转，此时产生参数不记入参考。

本发明的具体结构如下：

本发明的动力源1是通过伺服电机系统驱动齿轮箱运动，通过齿轮箱将伺服电机系统水平方向的转轴运动按照1:1的传动比转换为垂直方向的转轴运动。

本装置的测控系统结构如图2所示，电控箱9配置有调压直流电源、24V直流稳压电源以及配电检测保护电路，电控箱9的电源输出线路引出至接线盒2中，再通过接线盒2引出，为激光位移传感器22、扭矩传感器13、两个电磁铁提供各自所需电源。

其中激光位移传感器22、扭矩传感器13的电源由24V直流稳压电源提供，静止电磁铁、旋转电磁铁26的电源由调压直流电源提供，由于旋转电磁铁26是单向、持续旋转的，其供电线路配置了高速滑环，为配合机械结构功能实现，配置了插头座。激光位移传感器22、扭矩传感器13的输出信号先引至接线盒2中，再通过接线盒2引出至采集仪10进行采集、显示。

本发明的一个实施例中，拉力扭矩测量装置8的内部布置图如图3所示，其中扭矩传感器13通过扭矩传感器安装支架28与第二侧板5连接，实现其主体固定，其输入轴通过万向轴12与齿轮箱1垂直方向的转轴7连接，在扭矩传感器13的输出轴上安装了高速滑环运动部分15，高速滑环静止部分14通过高速滑环静止部分支架16与第二侧板5连接，如图2所示，通过高速滑环为旋转电磁铁26供电。第一侧板4上没有部件与之相连。

扭矩传感器13的输出轴通过弹性联轴器17与凸十字型轴体18连接，高速滑环运动部分15的引出线经过弹性联轴器17轴心空间、凸十字型轴体18轴心的导线通道接至凸十字型轴体18上的二芯插座上，凸十字型轴体18与凹十字型轴体20相互扣合，如图3中扣合方向，这个结构可以使得凹十字型轴体20垂直方向能够移动，旋转状态下与凸十字型轴体18同步，通过凹十字型轴体20上插头与凸十字型轴体18的插座连接，再通过螺旋电线及凹十字型轴体20轴心的导线将电源引至旋转电磁铁26。

激光位移传感器22通过支架与侧板连接，保持其位置不变，通过测量激光位移传感器22与其激光位移传感器基准板21之间的距离，可以掌握凹十字型轴体20在垂直方向的位移变化。确保所选转盘轴承25的内径大于凹十字型轴体20的直径，两者同轴，则转盘轴承25与凹十字型轴体20无接触。

轴承保护器24为市售件，本发明的一个实施例中，所用的轴承保护器24为两个半圆环不锈钢体焊接于凹十字型轴体20上。该半圆环不锈钢体内径与凹十字型轴体20直径相同，其外径大于转盘轴承25的内径。

旋转电磁铁26、静止电磁铁27均为圆柱体管状，采用市售件。旋转电磁铁26套于凹十字型轴体20上，并焊接固定，自旋转电磁铁26以下的轴体直径改为40mm，这样因静止电磁铁的内径为50mm,确保静止电磁铁轴心与凹十字型轴体20轴心重合，则凹十字型轴体20与静止电磁铁之间无摩擦。

本发明的一个实施例中，所用参数如下：

齿轮箱1采用90度直角转向齿轮箱1，传动比为1:1，材质为304不锈钢。

接线盒2材质为304不锈钢，表面涂白色防锈漆，防护等级：IP65，内部接线端子数：20，接线端子额定电压：220V，单个端子额定电流：20A。

电控箱9材质为304不锈钢，表面涂白色防锈漆，防护等级：IP65，其为装置提供电源及电气保护，其中配置有直流调压电源1台，直流稳压电源1台。

直流调压电源的调压范围：0-100V，额定电流：20A；直流稳压电源的额定电压：24V，额定电流：5A。

水平安装平台3为材质为304不锈钢，其厚度为15mm。

扭矩测量箱的材质为304不锈钢，其厚度为10mm。

转轴7材质为304不锈钢，直径为50mm；

动态扭矩传感器13额定转速：3000RPM,精度：≤5‰，转动轴拉力承受能力：5kg；

高速滑环额定转速：3000RPM，滑环数量：2，额定电压：100V，额定电流：10A；

凸十字型轴体18材质为304不锈钢，直径为50mm；

凸十字型轴体18材质为304不锈钢，直径为50mm；

插头座为两芯，额定电压：100V，额定电流：10A；

螺旋电线为两芯，额定电压：100V，额定电流：10A；

旋转电磁铁26，额定电压：100V，额定电流：10A；

静止电磁铁27，额定电压：100V，额定电流：10A；

本实施例的工作原理如下：

当试验圆柱体安装完成后，电磁铁未通电时，由于本装置中针对性的电气、机械设计，凹十字型轴体20及其以下所连接物件，例如轴承保护器24、转盘轴承25、旋转电磁铁26和静止电磁铁27，这些部件的重量将通过轴承保护器24施加于本装置的转盘轴承25上，扭矩传感器13只承受其下所连弹性联轴器17、凸十字型轴体18等部件所形成的较小拉力。

此时，接通直流调压电源，从0开始逐步提高电磁铁输入电压，从而不断提高旋转电磁铁26和静止电磁铁27的电磁力，因旋转电磁铁26和静止电磁铁27线圈绕向相反，静止电磁铁27的上端与旋转电磁铁26的下端磁极相同，同性相斥，静止电磁铁27对旋转电磁铁26向上的推力不断变大，当该推力与装置的凹十字型轴体20及其以下所连接物件所形成的重力相同时，两者相抵消，轴承保护器24与转盘轴承25分离，使得凹十字型轴体20及其以下所连接物件处于磁悬浮状态。此时进行减阻试验，即能够直接测量驱动圆柱体旋转的动态扭矩。

若在转轴7旋转时电磁铁失电，则装置中凹十字型轴体20及其以下所连接物件的重量将通过保护结构施加于本装置的转盘轴承25上，因惯性转轴7将继续旋转，而由于转盘轴承25的旋转摩擦力极小，则扭矩传感器13所承受的扭矩增加的也极小，所以在转轴7旋转时失电，扭矩传感器13也不会承受过大的扭矩及拉力。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：包括试验区域和测控区域，

所述测控区域包括电控箱(9)、采集仪(10)，

所述试验区域包括扭矩测量箱、安装在扭矩测量箱上的动力源，

所述扭矩测量箱包括：

轴组，贯穿扭矩测量箱，接收动力源输出的扭矩；

扭矩传感器(13)，设置在轴组上；

初始状态承力组件，包括穿设在轴组上的轴承保护器(24)、转盘轴承(25)；

运行状态承力组件，包括穿设在轴组上的静止电磁铁(27)环和旋转电磁铁(26)环；运行状态承力组件产生向上承托的磁力。

2.如权利要求1所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置(8)，其特征在于：所述轴组包括相互配合的凹十字型轴体(20)和凸十字型轴体(18)，所述凹十字型轴体(20)和凸十字型轴体(18)之间预留调节间隙。

3.如权利要求2所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：扭矩传感器(13)安装在凸十字型轴体(18)上。

4.如权利要求3所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：所述凸十字型轴体(18)背离凹十字型轴体(20)的一端。

5.如权利要求3所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：所述轴组还包括连接动力源的传动轴(11)，传动轴(11)连接有万向轴(12)，扭矩传感器(13)连接在万向轴(12)和凸十字型轴体(18)之间。

6.如权利要求2所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：凸十字型轴体(18)上还套设有高速滑环，高速滑环为旋转电磁铁(26)供电。

7.如权利要求1所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：扭矩测量箱内设有激光传感器本体，在凹十字型轴体(20)上套设有激光位移传感器基准板(21)，激光位移传感器基准板(21)位于轴承保护器(24)上方。

8.如权利要求1所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：所述测控区域的具体结构包括连接采集仪(10)和电控箱(9)的接线盒(2)，接线盒(2)还与如下部件连接：激光位移传感器、高速滑环、静止电磁铁(27)、扭矩传感器(13)。

9.如权利要求8所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置，其特征在于：高速滑环通过插头座连接旋转电磁铁(26)。

10.一种利用权利要求1所述的应用于材料减阻性能试验的扭矩测量装置(8)的测量方法，其特征在于，包括如下三个工作状态：

初始状态：电磁铁组件不通电，凹十字型轴体(20)及套设在凹十字型轴体(20)上的部件的重力总和作用于转盘轴承(25)上，此时扭矩传感器(13)承受凸十字型轴体(18)及凸十字型轴体(18)上所设部件的重力；

测量状态：对电磁铁组件通电，形成向上的磁力，该磁力与初始状态中竖直向下的重力相抵消，推动部件上抬，处于磁悬浮状态，此时进行减阻试验，测量驱动件旋转的动态扭矩；

电磁铁断电工况：磁力消失，回到初始状态，同时因测量状态为旋转运动，在惯性作用下轴组继续旋转，此时产生参数不记入参考。

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