旋转机械的扭矩、功率在线测试技术 扭矩传感器的应用

Rotating Machinery Power Output On－line Testing Techniques

Xu　Jun，Li　Chunlan，Lu　Wenfa
Harbin　703　Research　Institute

　　The difficult problem of power output on－line measurement under unfavorable conditions can be solved by utilizing state－of－the－art science and technology．Described in this paper are the basic principles，the structure and composition of a measuring and testing system and calibration techniques with key issues and system features also pinpointed．The recommended measuring and testing system has broad application prospects．
　　Key words：power output，remote measurement，on－line measurement

1　引言

　　旋转机械物理参数的测量和应用，无疑地将为新产品的设计提供可靠的动态设计参数，也可为故障分析提供实质性依据。早期的测量系统常用水银引电器或刷环引电器，由于汞中毒的危害和较大噪声，已逐渐被淘汰。70年代末，由于电子设备小型化，美国、日本等发达国家相继推出无线电遥测技术在旋转体上应用。
　　某大型化工厂为扩大生产能力，对原汽轮机机组进行扩容改造，要求测出改造后机组在运行状态下的实发功率值，并要求长期监测，以保障机组有序生产的安全运行。除此之外，研制的测试系统必须适应恶劣的大、小环境(大环境：易燃、易爆化工企业；小环境：油气和油浸，高速旋转体和封闭壳体)，当然，绝不允许改变原机组结构和运行状态，其实质也就成为在运行机组上实施功率在线测量。
　　从目前国内外技术水平来看，传输精度高、抗干扰能力强的遥测系统并不少见，但旋转遥测系统的电源及发射组件必须装在转子上，需视测试对象不同而专门作结构设计，因此国内外均是专题专做，而无成套设备可供直接采用。
　　按照要求和现实条件，研制了感应供电无线电功率遥测系统，实施了在线测量，投入运行已10个多月，所有测试数据准确可靠，操作极为简便，工程误差小于1.5%。投入运行的初始阶段，就为机组发生意外故障提供了判据，缩短了检修周期，增加了经济效益。
　　
2　基本原理的应用

2.1　功率与扭矩的关系
　　　N＝M^.n／97403．2

（1）

　　式中：N—功率　kW
　　M—旋转轴扭矩　kg^.cm
　　n—旋转轴转速　r／min
　　式(1)又可改写为：
　　N＝0.1047Mn

（2）

　　由式(1)、(2)可知，功率的测量实质上就是在一定转速下的扭矩测量。
2.2　扭矩与应变的关系
　　汽轮机通过套齿联轴器与负载连接，在不改变套齿联轴器功能的前提下，将联轴器作为应变式扭矩传感器的弹性元件，在其适当部位粘贴电阻应变计并组成全桥，经标定后即成应变式扭矩传感器，其应变与扭矩的关系为： 相关产品：扭矩传感器  动态扭矩传感器
　　　ε＝（1＋υ）M／ω^.E

(3)

　　式中：ε—轴的扭转应变
　　　　　υ—轴材料泊桑系数
　　　　　E—轴材料弹性模量
　　　　　ω—轴抗扭断面系数
　　　　　M—扭矩
　　由式(3)可知，测得旋转轴扭转应变即得该轴扭矩值。其它数据皆为常数，它取决于轴材料和其结构尺寸。
2.3　输出电压与应变的关系
　　根据应变计全桥线路的理论，其输出电压与应变的关系为：
　　　ΔU＝UKε1

（4）

式中：ΔU—输出电压
　　　　U—供桥电压
　　　　K—应变计灵敏系数
　　　　ε₁—应变值
　　由此亦可得出电桥输出灵敏度：
　　　　ΔU／U＝K^.ε₁

(5)

3　遥测系统的构成

　　遥测系统的构成为图1框图所示，它包括感应供电设备、微型发射机、应变式扭矩传感器、耦合线圈、发射和接收天线以及接收机等。安装示意图见图2。现对各主要设备作一简要叙述。

图1　遥测系统框图

1.应变式扭矩传感器　2.遥测发射机　3.发射天线4.转动耦合线圈及电源线路　5.接收天线　
6.静止耦合线圈7.接收机　8.感应供电电源振荡器　9.汽轮机　10.压缩机11.联轴器
图2　遥测系统安装图

图3　感应供电原理框图

图4 整流、稳压电路

图5　接收机原理框图

图6　扭矩校验台

5　基本误差分析 　　遥测系统总的标定常数应为各环节标定常数之积，如下式所示 　　　K＝nKi 　　式中　K—总标定常数； 　　　　　Ki—环节标定常数； 　　　　　n—环节总系数。 　　采用系统绝对标定法，将直接获得显示数据与标准扭矩的关系，即： 　　　A＝KM0 　　式中A—遥测系统显示数值； 　　　　M0—标准扭矩值； 　　　　K—标定系数。 　　根据表4的标定结果，简要分析如下： 5.1　基准误差 　　扭矩M0为施加的力和力臂杆长度之乘积，即 　　M0＝PL 　　则标准扭矩之误差为 　　 　　测力计经标准计量局检定和传递，精度为0.3级，力臂杆长度计量误差以±2mm计，误差为0.2%，则标准扭矩的误差代入上式计算得： 　　δM0＝0.36％ 5.2　其他误差 　　由表4的标定结果按全量程分析计算得，非线性误差δ1为1.0%(含滞后误差)，重复性误差δ2为±1个数，即0.23%。 5.3　总误差 　　遥测系统总的测量误差可按下式计算： 　　 　　由此可见，该遥测系统总的测试误差小于1.5%。 6　关键技术及特点 6.1　自行研制的高精度应变式扭矩传感器，采用了严密的防护措施和保护技术，致使传感器在恶劣条件下运行也无任何漂移现象，保证传感器长期可靠地工作。 6.2　电源系统和发射机组件在高速旋转的构件中处于全密封状态，隔绝可能泄漏的可燃气体，保证安全可靠。 6.3　二半环组合的静止耦合线圈，得以使感应供电技术实现，解决了传感器和发射机的供电问题，从而实现长期在线测量的要求。 6.4　结构设计新颖，不改变机组原结构，不改变机组运行状态，且能实现系统绝对标定，提高了测试精度。 7　工程应用 　　该系统1997年4月进入现场安装并投入使用。至今已10个多月，不仅准确测出了改造后机组实发功率值，且对机组运行实施监控，保障有序生产和安全运行。测试误差小于1.5%。 　　该系统投入运行的初始阶段，曾显示了异常扭矩值，机组发生了意外故障，为迅速查找故障，该系统提供了有力判据，最后迅速排故，缩短了检修周期，赢得了时间和经济效益。 8　结束语 　　研究的功率在线遥测系统还可应用于汽车主轴扭矩测试，轧钢机轧辊的扭矩测试，船舶功率测定，装载机随机功率分配和扭矩分配的测试等，配以不同传感器，对旋转机械实施故障诊断的新技术更具有重大的发展前景。 　　在从事该项研究工作过程中，曾得到马良理教授、周富大教授，关德新教授的指导和热忱帮助，在此表示谢意。 作者单位：徐　军　李春兰　卢文发　哈尔滨七○三研究所 　　　　　顾喜春　大庆石油化工工程公司 参考文献: 　[1]　袁希光主编.传感器技术手册.国防工业出版社，1986年12月 　[2]　刘瑞复主编.工程遥测技术.机械工业出版社，1985年12月 作者简介　徐军，男，1966年生，工程师，1989年毕业于哈尔滨工业大学工程力学系。现在哈尔滨七○三研究所从事结构强度和测试技术研究工作。参与研究的“数显扭力扳手”获1993年中船总公司科技进步三等奖。通讯处：150030　哈尔滨77－5信箱。

本文章来自于：北京中瑞能仪表技术有限公司

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