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剖分组装磁电式转矩测量仪的设计研究

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  1 引言

  船舶推进轴系等固定式(固定连接,轴系中间不允许断开串联传感器等其他机件)动力装置轴系传递的转矩,是动力装置的一个重要参数,它的实际值是用传递法测量得到的。

  目前,用传递法测量转矩的仪器(简称转矩仪)有电阻应变式、压磁式、磁电式、振弦式等。由于这几种转矩仪存在不足,因此在船舶推进轴系等固定式动力装置轴系转矩测量中不适用。

  振弦式转矩仪是现国内外实用的测量船舶推进轴系等固定式动力装置轴系转矩的仪器,由于其数据处理时只取信号的频率部分,因此信号传输过程中受干扰引起的幅值变化对测量精度没有影响;由于其传感装置采用剖分组装结构,因此不必将被测轴系断开即可将传感器安装在轴系上。但是,轴系的各种方式(纵、横、扭等)的振动均对测量有较大的影响,因此其测量精度不高。

  所研制的仪器,可使船舶推进轴系等固定式动力装置轴系转矩测量更加准确、方便,具有更多更实用的功能。

  2 工作原理

  转矩仪的基本工作原理是基于动力输出轴在承受转矩作用时,轴所产生的扭转变形与传递转矩的大小成比例,通过测量轴上相距L的两截面间的相对扭转角度Φ,来求得转矩M.如下式:

 

  当轴的几何形状、尺寸、材料及基长一定时,扭转变形角Φ与转矩M成正比。因此,只要测出扭转角Φ,即可计算出M值。相对扭转角Φ的测量方法又分两类:一是通过卡环-悬臂结构将扭角变化转化为悬臂间的相对线位移变化,测量此线位移变化来测得转矩,例如振弦式转矩仪;二是直接测量扭转角Φ的大小来测得转矩,称为相位差式转矩仪。所研制的仪器属于后者。

  磁电相位差式转矩仪(简称磁电式转矩仪)的工作原理如下:

  根据电磁感应原理,N匝线圈里感应电动势e的大小与贯穿这线圈的磁通Φ间的关系为

  

  即感应电动势与磁通变化率成正比。

  磁电式转矩仪传感器的结构是在被测扭轴上相距L的两截面间分别固定两个相同的齿轮,齿轮材料为导磁体,与齿顶相隔一定间隙处,分别安装一磁钢-线圈组,齿轮随轴旋转,磁钢-线圈组则不动(见图1)。如此,构成两对磁电式传感器,磁钢产生的磁力线穿过线圈经齿轮形成磁回路。回路的总磁阻为

  

  式中:为磁路中铁磁体的磁阻;为气隙磁阻;A为磁钢与齿轮间磁路的有效气隙面积;为真空(近似为空气)的磁导率;μ为磁路中铁磁体的磁导率;l为铁磁体的磁路平均长度;δ为磁路工作气隙长度。

  由于,所以磁路的总磁阻基本由气隙磁阻决定。当齿轮随轴旋转时,齿顶与齿槽轮番经过磁钢-线圈组,引起气隙大小周期性地变化,气隙磁阻随之变化,磁通Φ也相应变化,从而在线圈中产生周期性变化的感应电动势信号。两对磁电式传感器则输出两组周期电势信号。轴无负荷空转时,两电势信号间相位差为;轴传递转矩时,两传感齿轮随轴产生相应的相对角位移Φ,此时两电势信号间相位差为;则轴受转矩前、后两电势信号间相位差的变化为

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标签: 船舶
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