一种应变型扭矩测量仪的设计与实现

摘 要：文章介绍了一种卡环式应变型超大量程扭矩测量仪的设计方法，该扭矩测量仪测量量程大、能够进行静态和非静态测量，满足了巨型远洋油轮超大量程扭矩测试的需要。

关键词：扭矩测量仪；超大量程；卡环式应变型

1 概述

扭矩和转速是反映机械系统传动性能的典型参数，高精度扭矩和转速测量则是完成机械系统动态特性和响应分析的基础[1]。

由我国自主建造的某型巨型远洋油轮（VLCC）需要一套超大量程扭矩测试装置对油轮主机轴的输出扭矩、转速进行精确测量。根据船厂要求，该扭矩测量仪的主要参数如下：（1）扭矩测量额定值：500kN·m，最大值：600kN·m；（2）扭矩测量最大允许误差：±0.5%FS；（3）转速测量误差：小于0.5r/min；（4）能够进行静态和非静态测量。

2 扭矩测量仪的现状

在欧美发达国家，扭矩测量仪是大型船舶必装设备。在我国，大型船舶均配备了扭矩测量仪。根据安装方式的不同，扭矩测量仪分为介入式和非介入式两种。介入式测量仪必须作为传动轴的一部分才能够测量扭矩。在被测试设备运行期间不允许断开轴系，因此其应用受到限制；非介入式测量仪是采用两组卡环紧固在被测传动轴上，卡环之间安装测力棒，感应扭转变形，因此无需断开轴系即可测得扭矩。根据信号传输方式的不同，扭矩测量仪分为接触式和非接触式两类。接触式滑环传输方式，缺点是易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号，信号测量准确度不高。非接触式传输方式，信号变换处理的方式为先检测变换处理，后进行传输，故不易引入干扰信号，测量准确度高。

3 扭矩测量仪的设计

扭矩测量仪量程大，测量精度高，要求动态测量，选择卡环式应变型扭矩仪，采用非接触式传输。非介入式测试仪将传感器卡在轴上，无须断开轴系，给实际工况测量扭矩带来很大的方便。

测量出扭矩和转速后，根据公式即可计算出油轮主机轴的功率[2]。

P=■

上式中，P为功率，T为转矩，n为转速。

整套测量装置由三部分组成：扭矩传感器装置、前端信号调制装置和信号处理与显示装置。该装置信號流图如图1所示。

3.1 扭矩传感器装置

扭矩传感器装置主要分为以下几个部件：（1）法兰连接轴。为了标定和实际检测使用，设计加工一根法兰连接轴，其接口与待测轴系的相关接口吻合。（2）供电部件。供电部件采用可充电12V锂离子电池供电，可连续工作。（3）测速组件。转速采用磁学转速传感器进行测定，磁学转速传感器如图2所示。在转子系统上有齿轮，定子上面有感应探头。当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，被霍尔元件检测到并转换成交变电信号。在转子旋转时，产生电压脉冲，该电压脉冲的频率与转速成正比例关系。

转速测量原理公式为：

式中，n为转速；Nx为方波脉冲频率量；Z为测速齿轮的齿数。

（4）信号发射和接收部件。扭矩传感器装置的信号传输方式为非接触遥测式。在转子上的可充电池提供稳定的直流12V电压，给应变片测量电桥供电。测量电桥的输出电压与扭矩成正比，通过电压频率转换器输出与扭矩成正比的脉冲频率信号。脉冲频率信号通过电磁感应传输到定子上的接收部件，经过前置放大器放大输出。扭矩的大小与频率大小成正比，与幅值的损失无关。使用的12V激励应变片测量电桥，使得测量信号有高的信噪比；测量信号是调频形式输出，与被测设备的运动状态无关；频率信号有大的测量范围，适于进行动态测量和静态测量，转速对传输没有影响。（5）扭矩传感器组。扭矩传感器是整套扭矩传感器装置的关键部件。该型扭矩仪的传感器使用密封型传感器，传感器与一对卡环形成一体，将卡环卡在被测量轴上即可进行测量。卡环是轴扭矩的传递部件，轴受到扭矩而发生扭转时，引起两个卡环发生相对位移。被测轴产生的扭转角？准与施加的扭矩T成正比。由于扭转角？准使两卡环产生相对位移，其切向位移量δ的大小反映了扭矩值T的大小。使用惠斯通电桥可以测量并且获得应变信号。应变信号是一个比例于施加扭矩的电压。该电压被调制以后，从转动的测量轴上经发射机发出信号。

3.2 前端信号调制装置

扭矩信号和转速信号均采用专用放大器进行采集。该放大器精度为0.2级，根据计数传感器设计，可以测量扭矩、转速和转角。测量输出和参数调整采用Profibus通讯接口。

3.3 数据处理与显示系统

数据处理与显示系统采用西门子S7 300系列PLC模块，使用彩色触摸屏，具备图形化显示、数据分析及存储功能，能够实时显示扭矩和转速并自动计算传动轴轴功率。

用户可以定义可视化界面，进行数学评估（包括计算、信号分析及统计），可利用序列宏的方式实现自动控制。扭矩测量仪提供开放的Activex接口供用户开发应用程序。该测量仪具备以太网接口，能方便地进行通讯。

3.4 扭矩测量仪软件设计

扭矩测量仪软件设计流程图如图3所示。仪器初始化后启动扭矩传感器装置。PLC接受扭矩传感器装置反馈的扭矩、转速信号，若扭矩、转速信号超过量程，可能会引起扭矩传感器装置不可逆的超限损坏，PLC会立即给出声光报警信号，提示仪器超量程，提示使用者进行相应处置。

4 应用

测量仪的传感器两侧的机械连接采用法兰连接式，为了保证测量准确，使用液压装置以相同的扭矩拧紧连接螺栓。测量仪安装于油轮主机轴轴系后，测量主机轴的输出扭矩、转速，前期调试和后期出厂试验对该型扭矩测量仪进行了试验验证，达到了交付条件。

5 结束语

通过超大量程扭矩测量仪的研制，解决了巨型油轮主机轴的扭矩和转速测量难题，提升了我国船舶工业扭矩测量能力。

参考文献

[1]刘海，等.基于光栅扭矩转速传感器动态测试系统设计[J].湖北工业大学学报，2010，25（4）：51-53.

[2]辜承林，等.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2003.

作者简介：周志霞（1980-），女，讲师，硕士，主要研究方向为动力工程。