机械结构的功率与效率测试.doc

功率及效率的测定归结为扭矩与转速的测量。功率的计算式为
(3—1)
式中:P——功率(瓦)
Mn——扭矩(牛顿·米)
n——转速(1/60赫即转/分)
回转机械的效率为:
(3—2)
式中:η——效率
P出——输出功率(瓦)
P入——输入功率(瓦)
,即可计算出机械的功率和效率。
一、扭矩的测量
从材料力学知,一根圆轴在扭矩Mn作用下,其表面的剪应力
(3—3)
式中:Wn—圆轴的抗扭截面模量,对于实心轴;对于空心轴其值为。
其中:
d——实心圆轴直径; D0——空心圆轴的外径;
d0——空心圆轴的内径; =d0/D0
在弹性范围内,对应剪应变
(3—4)
式中:G—一剪切弹性模量。
同时,相距L的两个断面之间产生的相对扭转角,其值可由下式确定。
(3—5)
式中:——断面的极惯性矩,对于实心轴:对于空心轴
从式(3-4)、式(3-5)可见,只要轴的尺寸d或D0、d0及L确定。材料的剪切弹性模量G一定,。因此扭矩的测量都是将这两个参数通过机电变换器转换成电量测量,扭矩仪即根据这原理制成。
根据被转换的参数和变换器类型,扭矩仪有下列几类:
剪应力或剪应变式
相对转角式
我国目前应用最多的是电阻应变片式和相位差式两种。
(一)电阻应变式扭矩仪
电阻应变式扭矩仪是利用应变片将由扭矩产生的剪应变转换成电量而进行测量。应变片可直接贴在需要测量扭矩的传动轴上。也可以贴在一根特制的传动轴上制成应变式扭矩传感器,应用于各种需要测量扭矩和功率的传动试验台架上。
在测量扭矩过程中,不论应变片直接贴在传动轴上,还是贴在专用轴上,都需要解决两个问题。

剪应变是角应变,:

式中:——沿轴线45°方向贴片测得的应变值;
——沿轴线l35°方向贴片测得的应变值。
因此,只要我们沿轴线成45°和135°方向贴片,并将这两个应变片分别接在电桥相邻的两个桥臂中,从电桥的加减特性可知应变仪的读数就是剪应变值。再根据标定曲线就可换算成扭矩值。
为了提高测量的是灵敏度,并消除其它力学参数的影响,通常在传动轴上选取适当的截面。在截面圆周方向每隔90°布置一个应变片。其贴片方向沿与轴线成45°和l35°的方向(图3-1a),并将它们接成全桥的测量形式,如图3-1所示。
当传动轴直径很小,贴片位置受到限制且只承受扭矩,可沿轴线在不同截面上贴片。如图3—1中C。

目前常见的扭矩信号传输方式如下:

(1)电刷——滑环集流装置
它分为径向电刷——-滑环集流装置和端面电刷——-滑环装置两种。其结构形式虽不同,但信号传输原理是一样的。图3-2所示即为端面电刷——滑环集流装置结构。由套筒 1、绝缘环2、滑环3构成集流环。套筒有各种尺寸。套在被测轴上或专用弹性轴上。应变


图3-1 传动轴上贴片位置和贴片方向
片通过导线接到滑环上,滑环的端面有与之相接触的电刷4,电刷靠簧片5压紧在端面上,并与外壳6相连。为了防止电刷在振动的影响下离开滑环。电刷有一定的预紧力。应变产生的电信号就是通过电刷和端面接触传递出去的。套筒与外壳在测量过程中作相对运动。所以中间装有轴承7。
对于半桥测量,集流环和电刷有三对。对于全桥测量,集流环和电刷有四对。
这种集流装置结构简单,坚周耐用维修方便。但是它的接触电阻易受振动影响而波动,影响测量精度。
图3-2 端面电刷—滑环集流装置的结构 3-3 感应式集留装置
1一套筒;2一绝缘环 1一内套筒;2一外套筒;
3一滑环;4一电刷; 3、4、5、6一槽形环;
5一簧片;6一外壳;7一轴承。 7、8一屏蔽环
(2)水银集流装置
此装置内外接触环借助水银接触。优点是接触电阻稳定,噪声小;但其制造精度高,密封要好。水银在高温下工作时易蒸发逸出,对人体有毒害,因而使用受限制。
(3)感应式集流装置
它是利用电磁感应的原理将旋转部分的电信号耦合到固定部分上去的,除去了各种触点。因而称为无接触集流装置,也称变压器式集流装置。
图3—3a是电路图,b是结构原理图。贴在被测轴上的四个应变片接成全桥。四个接点分别接到两个变压器Tl和T2上,Tl为供桥变压器。它的初级线圈S1,接到测量仪表的振荡电路或其他电源上,次级线圈S2将交流载波电压供给电桥。T2为输出变压器,,次级线圈S4与应变仪或其他测量仪器相连。
在这种集流装置的内外套筒l和2上,分别装