虚拟仪器技术在机械传动系统扭矩和功率测试中的应用

    1 　前言

    虚拟仪器技术是当今计算机技术和最新仪器技术相结合的产物,其核心思想是利用计算机所具有的高速计算吞吐能力和计算机环境下丰富的系统资 源,将原来需要使用硬件设备完成的测试功能转化为使用计算机软件计算的方法来解决,这就是所谓“软件就是仪器”的测试理念。作为一种新型的、富有生命力的 仪器种类,虚拟仪器和虚拟仪器技术已成为当今仪器仪表领域发展的一个重要研究和应用方向^[1]。扭矩和功率 的测量是机械传动系统中非常重要的内容,通过扭矩和功率的分析,可获得整个传动系统的性能参数。这样一方面可为系统设计和改进提供参考依据,另一方面对研 究工作部件的受载情况也是非常必要的。机械系统传动轴工作时,因工作载荷的变化,使其传递扭矩及功率不断变化,进而给准确测试其所传递的扭矩和功率带来不 便^[2]。本文利用虚拟仪器技术,实现扭矩和功率的自动化测量。

    2　机械传动系统扭矩功率的数学模型及测量方法

    因为机械系统的传动轴均在弹性变形范围内工作,传动轴可等效为等径轴,其转速n,输入扭矩M_n,输出扭矩为M^′_n,不计惯性,则M_n= M^′_n。传动轴在扭矩M_n的作用下,相距l的两个断面之间产生相对扭转角为 ,则

    Jn:断面的极惯性矩(m4);对于实心圆轴,Jn =π/32·d4对于空心圆轴Jn =π/32·(D40-d40);其中,d为实心圆轴的直径,D0为空心圆轴的外径,d0为空心圆轴的内径;G:材料的剪切弹性模量(Pa)。

    如Jn、G、l一定,K= G·Jn/l为常数,则相对扭矩只与扭转角有关,即

    功率P(kW)为

    n:动轴转速(1/s)。

    扭矩测量采用JC型扭矩传感器,其基本原理是在通过磁电换将被测扭矩转换为具有相位差的两路正弦信号,相位差变化的绝对值与外加扭矩大小成正比。 由于JC型扭矩传感器提供的两路交变信号周期相同,因此可采用相关法计算相位差。x(t),y(t)为扭矩传感器提供的两路同频信号,则

    式中R^x(0):x(t)的自相关函数在τ=0时的估计值;R^y(0):y(t)的自相关函数在τ=0时的估计值; R^xy(0):x(t)、y(t)的互相关函数在τ=0时的估计值。求出两信号各自的自相关函数以及它们的互相关函数在τ=0时的估计值后,则可由 (4)式计算出相位差。

    同时,这两路交变信号的频率与转速成正比,可用来测量转速。但当弹性轴的转速较低时,为了提高扭矩的测量精度,常通一小电机及齿轮带动内齿轮反向转动,提 高内、外齿轮的相对转速。此时输出信号的频率不能用来测量转速。为此,增加一个光电传感器用来测量转速。在传动轴上选择适当位置安装一个光电传感器,并在 旋转体上均匀粘贴上N个反光标记,旋转体转动一周,光电传感器接收到N个脉冲信号,记录两脉冲信号的间隔ti,则传动轴的转速n为