Измерение крутящего момента и мощности

Одним из основных параметров многих теплотехнических объек­тов, преобразующих энергию рабочего тела во вращательное движение (или с помощью вращения передающих энергию рабочему телу), является мощность, которая определяется лишь косвенным путем, по измерению крутящего момента и угловой скорости вращения ротора. Электродвигатели, турбинные двигатели, турбостартеры, газовые и гидравлические турбины являются источниками мощности, а такие объекты, как компрессоры, насосы, генераторы - поглощают мощность. В связи с этим и измерение крутящего момента на валу может быть осуществлено двумя методами: с поглощением и без поглощения мощности. При измерении крутящего момента с погло­щением мощности используются тормозные устройства со свободно подвешенным статором; реактивный момент на статоре тормоза равен приложенному к ротору крутящему моменту. Измерения без поглощения мощности осуществляются по балансирному моменту на статоре электродвигателя, редуктора или же с помощью торсиометров и других специальных измерителей.

При измерении крутящего момента М_крс помощью тормозных устройств измеряемая мощность подводится к ротору тормоза. За счет взаимодействия ротора со статором на последнем возникает реактивный момент, равный М_кр. Для осуществления измерения статору придается дополнительная степень свободы — он устанавли­вается на подшипниках относительно неподвижной части конструкции. Рычаг известной длины, жестко связанный со статором, нагру­жает динамометр; такие устройства называются балансирными. По типу осуществления отбора мощности тормоза могут быть механическими, электрическими или гидравлическими. Наибольшее рас­пространение получили последние, обладающие рядом преимуществ перед электрическими или механическими тормозами. Поглощение мощности Р_Т в гидротормозе (рис. 128) происходит частично вслед­ствие выполнения работы, затрачиваемой на перемещение жидкости, частично вследствие трения ротора о жидкость. В качестве рабочей жидкости обычно применяют воду из-за ее большой теплоемкости, постоянства вязкости и дешевизны. Для получения больших тормоз­ных мощностей иногда применяется масло с повышенной вязкостью.

Рис. 128. Гидротормоз: а — принципиальная схема; б — типичная нагрузочная характеристика

1 — статор; 2 — диск; 3— подача воды; 4 — кран слива воды; 5 — измеритель силы.

На рис. 128, б приведена типовая нагрузочная характеристика гидро­тормоза. Здесь характеризует степень заполнения водой внутрен­ней полости тормоза. При _mах поглощаемая мощность возрастает с увеличением оборотов вала по кубической параболе ОА. Точка А соответствует максимальному крутящему моменту, на который рас­считаны вал и муфта, дальнейшее увеличение поглощаемой мощности может осуществляться лишь при постоянном М_кр. Точка Б соответ­ствует максимальной мощности, которую способен поглотить гидро­тормоз при максимально возможной прокачке воды; эта мощность может быть отобрана на разных скоростях вращения при разных (прямая БВ). Точка В определяется максимальной скоростью вра­щения, при которой обеспечивается прочность диска. Минимальной загрузке водой соответствует кубическая парабола ОГ, определяю­щая минимум мощности, которую способен поглотить данный тормоз. Изменяя загрузку и прокачку воды, можно получить любой режим, выражаемый точкой внутри площади, ограниченной линиями ОАБВГО. Во время работы тормоза вода нагревается. Необходимое для работы гидротормоза количество воды определяется по уравнению энергетического баланса где мощность, поглощаемая тормозом; С — теплоёмкость воды; — допустимая температура воды на выходе из тормоза,

при­нимаемая 335К; — температура воды на входе в гидро­тормоз.

При снятии характеристик турбин и отдельных ступеней компрес­сора важно учитывать моменты сил трения, возникающие в подшип­никах исследуемой машины. Измерить момент трения можно различ­ными способами; часто для этого подшипники турбины или компрес­сора устанавливаются в стакане, имеющем возможность поворачи­ваться в неподвижном корпусе станины. В этом случае момент сил трения с наружных обойм подшипников передается стакану и с по­мощью рычага приводится к динамометру.

Измерение крутящего момента без поглощения мощности произ­водится по балансирному моменту или с помощью торсиометра. Для измерения балансирного момента используются либо приводные электродвигатели, либо редукторы (мультипликаторы). На рис.129 показана схема балансирного электродвигателя. Балансирный мо­мент М_Б, приложенный к статору двигателя, равняется крутящему моменту М_КР на валу с учетом небольшого момента трения в подшип­никах двигателя

М_Б ± М_ТР = М_КР = Fl

Так как момент трения всегда направлен против движения, то при качании статора его знак меняется, что затрудняет внесение по­правки. Если принимать М_Б =М_КР, то ошибка в измерении будет равна 2М_ТР.

Для того чтобы момент трения не сказывался на точ­ности измерения, статор подвешивают на опоре, как показано на рис. 130. При этом момент трения за счет уменьшения давления на опоры получается небольшим и им можно пренебречь.

Рисунок 129Схема балансирного электродвигателя

Рисунок 130 Схема балансирного электродвигателя с подвеской через вал ротора

Рисунок 131 Схема измерения М_КР с помощью балансирного редуктора

1-мультипликатор; 2- опора; 3 – измеритель силы

Балансирный редуктор представляет собой шестеренчатый ре­дуктор, к корпусу которого приложен момент М_Б равный разности между моментами на входном и выходном валах (рис. 131). При из­мерении М_КР с помощью балансирного редуктора (мультипликатора) следует учитывать энергию, расходуемую на преодоление сил трения в зубчатых зацеплениях; в этом случае М_Б зависит от механического к. п. д. передачи. Если выразить М_ВЫХ черезМ_КРи передаточное отношение зубчатой передачи i, то получим,, откуда величина измеряемого момента М_Б равна

Знак плюс берется в случае, когда входной и выходной валы редук­тора вращаются в разные стороны, а минус — при одностороннем вращении. Механический к.п.д. может быть учтен динамическим тарированием или вычислен по измерению количества тепла, отво­димого с маслом, которое поступает на смазку шестерен и подшип­ников редуктора.

В зависимости от измеряемой мощности и габаритов балансирных устройств усилие F на силовом рычаге может быть измерено любым динамометром из числа рассмотренных в этой главе. Для измерения относительно небольших сил (обычно не более 1 Н) широко исполь­зуются компенсационные схемы с электромагнитным уравновешива­нием. Примером может служить схема, в которой в качестве инди­катора отклонения подвижной части служат фотоэлементы (рис. 132).

Компенсационная схема измерения М_КР с электромагнитным уравновешиванием: 1 – рычаг; 2 – фотоэлемент; 3 –осветитель; 4 – подвижная катушка; 5 – постоянный магнит; 6 – демпфер

Рисунок 133. Схема измерения момента трения в подшипнике электромагнитным методом: 1 — нагрузочное кольцо; 2 — поворотная катушка; 3 — постоянный магнит; 4 - зер­кальце; 5 —осветитель; 6 — фотоэлемент

На одном конце рычага, прикрепленного к балансирному корпусу, имеется пластина с прорезью, помещенная между фотоэлементом и лампочкой. При отклонении рычага от равновесного состояния на фотодатчике возникает сигнал, который после усиления передается на подвижную катушку, укрепленную на противоположном плече рычага и движущуюся в поле постоянного магнита. Измеряемый момент непрерывно уравновешивается моментом электромагнитных сил катушки, ток в которой связан с моментом линейной зависи­мостью и служит измерительным сигналом. Приведенная погрешность такой системы может быть до ±0,2%.

Электромагнитный метод также находит применение при из­мерении очень малых моментов, например при измерении мо­мента трения в миниатюрных подшипниках. На рис.133 испытываемый вращающийся подшипник помещен в обойму, свя­занную с поворотной катушкой, находящейся в поле постоян­ного магнита. К обойме прикреплено зеркальце, поворот кото­рого изменяет освещенность фотоэлемента, управляющего напря­жением на сетке усилительной лампы. Катушка включена в анод­ный контур лампы; величина тока, создающего магнитное поле, препятствующее повороту катушки, линейно зависит от измеряемого момента.

Дата добавления: 2014-01-03