Измерение усилий и крутящих моментов

В зависимости от способа уравновешивания измеряемого усилия силоизмерительные устройства подразделяются на ряд групп.

В механических силоизмерительных устройствах с рычажным редуктором измеряемое усилие уравновешивается с помощью механических весов (весовая головка, рейтерные весы).

Распространены силоизмерительные устройства с упругим чувствительным элементом, деформация которого преобразуется в электрический сигнал с помощью тензорезисторных емкостных, индуктивных, струнных и других первичных преобразователей. Упругие чувствительные элементы могут выполняться в виде сплошных стержней (усилия свыше 10 кН), полых тонкостенных стержней и колец (1...10 кН) различного типа пружин.

Например, в практике испытаний находят применение вибрационно-частотные преобразователи силы, предназначенные для измерения статических и медленно изменяющихся усилий сжатия. Преобразователи выпускаются нескольких типоразмеров, отличающихся верхними пределами измеряемых усилий Р (от 1 до 1000 кН).

Упругие элементы преобразователей' на нагрузки свыше 10 кН выполнены в виде бруска 5 (рис. 2.17), внутри которого образована виброперемычка 3. При приложении нагрузки брусок деформируется, в виброперемычке возникают растягивающие напряжения и частота ее собственных колебаний увеличивается. Для возбуждения колебаний и измерения их частоты служат два электромагнитных преобразователя 4. Один из них является возбудителем колебаний, другой - адаптером, преобразующим механические колебания виброперемычки в электрические. Упругий элемент помещен в корпус 2. Мембрана 1 предназначена для устранения влияния внеосевых сил на упругий элемент преобразователя.

Рис. 2.17. Схема вибрационно-частотного преобразователя силы:

1 - мембрана: 2 - корпус; 3 - виброперемычка; 4 - электромагнитные преобразователи; 5 - упругий элемент (брусок)

Градуировочная характеристика выходного сигнала у каждого преобразователя индивидуальная. Предел допускаемой основной погрешности в любой точке характеристики в процентах от измеряемого усилия Р_i не более значения, определяемого по формуле . Начальная частота выходного сигнала (при Р_i=0) примерно равна 6000 Гц, диапазон изменения частоты при изменении усилия от нуля до верхнего предела составляет 20...25 %. Напряжение питания 12 В постоянного тока.

В гидравлических или пневматических силоизмерительных устройствах измеряемое усилие Р_i уравновешивается давлением на диафрагму 2 рабочей среды, прокачиваемой насосом 1 через цилиндр 3 (рис. 2.18). Для изменения давления в цилиндре предусмотрено дросселирование сливной магистрали с помощью подвижного штока 4, связанного с диафрагмой. Значение усилия рассчитывается по значению давления в цилиндре 3.

Необходимость измерения крутящих моментов возникает при испытаниях турбовинтовых двигателей, а также при автономных испытаниях компрессоров и турбин.

Измерения осуществляются или с помощью балансирных моментоизмерительных систем, или с помощью торсионных моментомеров.

В первом случае измеряется сила, приложенная на известном плече для уравновешивания измеряемого крутящего момента, который действует на один из элементов системы (турбину, мультипликатор, редуктор, гидротормоз, электродвигатель). Указанный элемент при этом должен быть установлен таким образом (подвешен на подшипниках), чтобы обеспечивалась возможность его свободного поворота на некоторый угол в плоскости крутящего момента (балансирный подвес).

Во втором случае измеряются угловая деформация или механические напряжения, возникающие на некотором участке вала, передающего крутящий момент.

Рис- 2.18. Схема гидравлического силоизмерительного устройства:

1 - насос; 2 - диафрагма;
3 - рабочий цилиндр;
4 - дросселирующая игла

На рис. 2.19 представлена схема торсионного тензорезисторного бесконтактного моментомера. Его ротор 1 представляет собой торсионный вал с двумя фланцами. Суженный трубчатый участок вала - упругий элемент, на котором наклеены тензорезисторы 6, соединенные в мост. Статор 3 моментомера установлен на подшипниках 2. Электрическое питание на мост подается через пару индуктивно связанных катушек 5 и через выпрямитель-стабилизатор, размещенный внутри вала. Напряжение разбаланса моста, возникающее при нагружении вала крутящим моментом, преобразуется в частотно-модулированный сигнал, который через двухполюсный кольцевой конденсатор 4 с воздушным зазором поступает на статор, а затем - в измерительную систему.

Торсионные моментомеры позволяют в ряде случаев обеспечить более высокую точность измерения (0.2...0,3 %) по сравнению с балансирными системами (0,5...1,5 %).