一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法及裝置。所述測量裝置包括調速動力源、浮動支架、浮動支架軸承、離合裝置、柔性聯軸器和靜態扭矩測量儀。其中靜態扭矩測量儀的扭矩輸入軸、柔性聯軸器、浮動支架軸承、調速動力源和被測轉子工件的軸線重合，離合裝置設置在調速動力源定子與浮動支架間；該離合裝置鎖緊時可以限制調速動力源外殼相對浮動支架的轉動，松開時恢復外殼的浮動狀態。本發明有效將高速轉動部件的動態扭矩轉化成靜止部件的靜態扭矩，可用靜態扭矩測量儀器直接進行測量，簡化了測量傳動軸應變換算扭矩的步驟，無須使用扭轉剛度較低的測量專用傳動軸，該測量方法在高轉速，大扭矩的工作環境下更加安全可靠。
【專利說明】一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于高速轉子流阻扭矩測量領域，涉及一種提高高速轉子流阻扭矩測量精度的測量方法和裝置。
【背景技術】
[0002]在現代航空發動機或其他動力機械中，均包含高速轉子部件，這些高速轉子部件在工作狀態下會與其附近的流體(如空氣)產生粘性摩擦阻力，同時轉子盤表面的螺栓、鉚釘等突起物在高速運動中也會與流體作用產生壓差阻力和摩擦阻力。這些阻力造成高速轉子盤的扭矩損失，在研究過程中需要對該類扭矩進行精確測量，而由于轉速較高，軸系傳動功率較大，因此精確測量較為困難。
[0003]目前對高速轉子扭矩測量主要方法是通過測量動力源與被測轉子工件間傳動軸的扭轉應變大小來計算出工件所受扭矩大小。該方法有如下四個缺陷，一是其基本原理基于測量傳動軸的應變量，因此傳動軸不宜有過大的扭轉剛度，因而在轉子加減速時，傳動軸會由于較大的啟動扭矩或剎車扭矩而損壞；二是系統中存在高速環境下運行的軸承，其摩擦扭矩不可忽略，因此測量得到的扭矩為流阻扭矩與軸承摩擦扭矩之和。由于軸承的摩擦扭矩受環境溫度和轉速等參數影響較為復雜，因此在實驗中難以通過差值法消去，測量誤差較大；三是應用該方法測量，傳動軸難以更換，故該方法量程和測量精度有限，通用性較差，且傳動軸應變的電信號需要通過動靜轉換裝置(通常為電刷與滑環)引出，抗干擾性較差；四是由于轉子高速轉動產生的高頻振動一定程度上會影響扭轉應變的測量結果，降低測量精度，同時會縮短傳動軸上應變傳感器使用壽命。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術中存在的問題，本發明提出一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法并設計出一種新型裝置，其主要原理是將傳動系統等轉動件中的扭矩等量轉化為靜止部件中的扭矩，并使用靜態扭矩測量儀器直接測量。所述的裝置包括調速動力源(通常為變頻調速電動機等)、浮動支架、浮動支架軸承、離合裝置、柔性聯軸器和靜態扭矩測量儀。其中被測轉子工件直接連接調速動力源的傳動軸，該傳動軸的支承軸承均處于調速動力源內部。調速動力源定子安裝于浮動支架的浮動支架軸承中，浮動支架軸承與調速動力源傳動軸同軸設置，使得調速動力源定子在浮動支架上可以沿調速動力源傳動軸軸線自由靈活轉動(該狀態為文中所述浮動狀態)。調速動力源定子與浮動支架間安裝有離合裝置，該離合裝置鎖緊時可以限制調速動力源外殼相對浮動支架的轉動，松開時恢復外殼的浮動狀態，即調速動力源外殼相對于浮動支架有轉動。靜態扭矩測量儀安裝在固定支架上，與調速動力源定子通過柔性聯軸器連接，該柔性聯軸器具有濾除轉子運行時產生的高頻振動的作用。
[0005]結合該裝置說明本測量方法的力學原理，當采用所述測量裝置測量時，被測轉子工件達到穩定轉速后，測量系統內高速轉動部件包括調速動力源轉子、被測轉子工件、傳動軸和傳動軸軸承內圈，四種部件相對靜止，可認為屬于同一整體；靜止部件包括調速動力源定子、傳動軸軸承外圈、靜態扭矩測量儀和浮動支架軸承內圈，四種部件同樣相對靜止，可認為屬于同一整體。因為轉速穩定，由力矩平衡條件有:
[0006]T轉子=T流阻+T軸承細(I)
[0007]T定子=T扭矩儀+T軸承外圈+T浮動軸*(2)
[0008]由于調速動力源轉子和定子所受扭矩、傳動軸軸承內外圈所受扭矩分別是兩對作用力與反作用力，其大小相等方向相反。因此有:
[0009]T轉子=T定子(3)
[0010]T軸承帽=T軸承外圈(4)
[0011]T浮動軸承=T常數(5)
[0012]聯立(I)~(5)式可得:
[0013]T扭矩儀=T流阻-T常數(6)
[0014]其中，為調速動力源轉子受定子電磁線圈驅動力產生的扭矩，為調速動力源定子受驅動轉子電磁力的反作用力產生的扭矩，為傳動軸軸承內圈受傳動軸軸承摩擦阻力產生的扭矩，為傳動軸軸承外圈受傳動軸軸承摩擦阻力產生的扭矩，Tffa
為浮動支架軸承內圈和調速動力源定子外殼受浮動支架軸承摩擦阻力產生的扭矩，
為一常數扭矩，靜態扭矩測量儀輸入軸施加給調速動力源定子的扭矩，Tim為作用在被測轉子工件上因流體阻力產生的扭矩。
[0015]由于浮動支架軸承在轉速穩定后相對浮動支架靜止，其摩擦扭矩不受轉速影響，可認為為一定值，可在實驗標定中通過差值法消去。因此有:
[0016]T扭矩儀=T流阻(6)
[0017]因此，通過固定的靜態扭矩測量儀可直接測得被測轉子工件所受的流阻扭矩，并且其扭矩測量值不受傳動軸軸承摩擦扭矩的影響。
[0018]本發明的優點在于:
[0019]1、本發明有效將高速轉動部件的動態扭矩轉化成靜止部件的靜態扭矩，可用靜態扭矩測量儀器直接進行測量，簡化了測量傳動軸應變換算扭矩的步驟，無須使用扭轉剛度較低的測量專用傳動軸，該測量方法在高轉速，大扭矩的工作環境下更加安全可靠；
[0020]2、本發明避免了高速轉子軸承在工作中產生的摩擦扭矩對扭矩測量的影響；
[0021]3、本發明可隨測量要求方便更換不同精度和量程的靜態扭矩測量儀器，適用范圍較廣；
[0022]4、本發明通過柔性聯軸裝置將扭矩測量裝置與調速動力源及其附屬傳動裝置分離，有效避免了高速轉動部件產生的高頻振動對測量儀器的精度和壽命影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明提供的高速轉子流阻扭矩高精度測量裝置的側視圖；
[0024]圖2為本發明提供的高速轉子流阻扭矩高精度測量裝置的三維立體圖(浮動支架部分剖視)。
[0025]圖中:
[0026]1.離合裝置； 2.靜態扭矩測量儀；3.柔性聯軸器；4.浮動支架軸承；[0027]5.調速動力源；6.被測轉子工件； 7.浮動支架。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0029]參見圖1和圖2，本發明提供了一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法和裝置，所述高速轉子流阻扭矩的高精度測量裝置包括離合裝置1、靜態扭矩測量儀器2、柔性聯軸器3、浮動支架軸承4、調速動力源5和浮動支架7。所述調速動力源5選用變頻調速電動機，在調速動力源5的動力輸出轉軸(稱為傳動軸)上安裝固定被測轉子工件6，在調速動力源5的外殼上安裝固定浮動支架軸承4的內圈，在浮動支架7上安裝浮動支架軸承4，二者之間安裝浮動支架軸承4的外圈。浮動支架7和調速動力源5間設置離合裝置1，靜態扭矩測量儀2設置于浮動支架7上，通過柔性聯軸器3聯接調速動力源5的定子。其中靜態扭矩測量儀2的扭矩輸入軸、柔性聯軸器3、浮動支架軸承4、調速動力源5和被測轉子工件6的軸線重合。
[0030]應用本發明所述測量裝置進行測量時，首先鎖緊離合裝置1，使得調速動力源5外殼與浮動支架7不發生相對轉動。然后啟動調速動力源5驅動被測轉子工件6加速到測量所需轉速。待轉速達到測量所需要求并穩定后，松開離合裝置1，使得調速動力源5外殼與浮動支架7可以發生相對轉動。即可從靜態扭矩測量儀2中得到測量扭矩數值。完成測量后，首先鎖緊離合裝置1，使得調速動力源5外殼與浮動支架7不發生相對轉動。然后關閉調速動力源5使得被測轉子工件6減速至停止后，松開離合裝置I即測量過程結束。
[0031]本發明實施例提供的一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法和裝置，利用力學原理將高速轉動部件中的動態扭矩轉化為可用靜態扭矩儀測量的扭矩，可以不受高速轉動的軸承造成的扭矩損失和高頻振動帶來的影響，大大降低了系統復雜程度和調試成本；調速動力源5的功率和調速范圍可根據測量需要更換不同規格，靜態扭矩測量儀2的量程和測量精度可根據測量需要更換不同型號，節省人力資源，便捷高效；本發明針對燃氣渦輪發動機渦輪盤簡化模型的流阻扭矩實驗測量，經調試合格后可精確測量出實驗環境下的流阻扭矩，調試方便，測量準確。
[0032]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量裝置，其特征在于:所述的裝置包括調速動力源、浮動支架、浮動支架軸承、離合裝置、柔性聯軸器和靜態扭矩測量儀，被測轉子工件直接連接調速動力源的傳動軸；調速動力源定子安裝于浮動支架的浮動支架軸承中，調速動力源的外殼上安裝固定浮動支架軸承的內圈，調速動力源定子與浮動支架間安裝有離合裝置，靜態扭矩測量儀安裝在固定支架上，與調速動力源定子通過柔性聯軸器連接，其中靜態扭矩測量儀的扭矩輸入軸、柔性聯軸器、浮動支架軸承、調速動力源的傳動軸和被測轉子工件的軸線重合。
2.根據權利要求1所述的一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量裝置，其特征在于:所述調速動力源為變頻調速電動機。
3.一種高速轉子流阻扭矩的高精度測量方法，其特征在于:根據權利要求1所述的測量裝置，首先鎖緊離合裝置，使得調速動力源外殼與浮動支架不發生相對轉動； 然后啟動調速動力源驅動被測轉子工件加速到測量所需轉速； 待轉速達到測量所需要求并穩定后，松開離合裝置，使得調速動力源外殼與浮動支架發生相對轉動； 從靜態扭矩測量儀中得到測量扭矩數值； 記錄數值后，首先鎖緊離合裝置，使得調速動力源外殼與浮動支架不發生相對轉動； 然后關閉調速動力源使得被測轉子工件減速至停止后，松開離合裝置，即測量過程結束。
【文檔編號】G01L3/00GK103487182SQ201310414984
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】陶智, 羅翔, 王謙舜, 張達, 徐國強 申請人:北京航空航天大學