任何机械,在其机械运行中都会有功率的损耗,这与机械的工作环境和传动距离等因素有关.为了减少能量在传递过程中的损耗,最大限度地使能量完全转换为有用功减少无用功,在设计和运算中就必须充分提高机械的有功功率,从而提高机器的机械效率.
测量的理论基础为了便于设计,通常都要对机械进行机械效率的测量.但由于机械效率通常在运行状态下测量,测量不易进行.这里介绍一种光电式机械效率自动测量仪器.现以齿轮减速器为例,设齿轮减速器的输入功率为Pi,其输出功率为Po,则齿轮减速器的机械效率η=Po/Pi.
从机械原理可知: T =9550P/n式中 P---功率(kW) T---转矩(N·m)n---转速(r/min)机械传动轴的输入功率为: Pi= Tini/9550输出功率为: Po= Tono/9550机械效率: η=popi=Tono/9550Tini/9550=TonoTini当一个机械传动在设计完成后,其传动比K=no/ni是恒定的,故齿轮减速器的机械效率为:η= KTo/Ti(K = no/ni)在测量机械效率时,只要测出输入、输出轴的转矩,就可测出齿轮减速器的机械效率η.
齿轮轴在传递力矩时,产生扭矩,并产生变形.其输入(输出)轴两端横截面的相对扭转角与扭矩成正比.因此,只要测出输入轴(或输出轴)两横截面的相对扭转角,就可测出该轴的扭矩T.
光电-弹性轴复合扭矩传感器测量动态机械效率的工作原理及方法图:在长为L的弹性轴上安装两光栅盘,当无扭矩传输时,两光栅无相对角度位移光线不能由光源通过光栅盘到达光电池.当由于弹性轴在受到扭矩T后,在L长度内转角为α弧度(转角的大小与扭矩成正比),则两光栅盘之间有相对角度位移,故有光线通过光栅盘到达光电池.设弹性轴的单位转角为δ0,则:δo= Kα/T(°/m).
由于扭转角度因材料的不同,其单位转矩的扭转角度不同.测量时可选用单位长度扭转角度合适的材料作为弹性扭转测量的轴的材料.这样,由一定长度L的弹性轴和光电传感器组成复合扭矩传感器.将弹性轴与光电传感器组成的复合传感器两端用联轴器分别与待测扭矩轴和扭矩输入轴分别联接.经过测量弹性轴的扭转角大小,就可以测量出待测扭矩轴输入扭矩的大小.测量时,先测量弹性轴的扭转角,环型光源来的光经过两片光栅后到达接收光电池上.
光电池根据光电池上的电流大小来测量两片光栅的相对扭转角.将光电流转换成电动势经过对电压的标定,就可将弹性轴的扭转角的大小转换为电压的大小.通过对电压的测量就可测量出扭转角的大小,也就测量出扭矩的大小.
无论在任何测量位置测量都不会因光电池和光源而影响测量.用测量弹性轴两端伸出两元盘作为挡光光栅,虽然测量时弹性轴与测量光栅在不停地转动,但采用环型结构不论两光栅片转动到那里,都不会影响测量结果和精度.因此,不论输入转速、扭矩怎样变化,只要两光栅片的相当位置不发生变化,其透光面积不变;转动时,虽光栅片处于不同的位置,但只要输入转矩不变,光电池接收到的光通量不变.
光栅盘的结构及测量中的应用:光栅盘在光栅窗口和窗框位置上,左右光栅盘的窗口与窗框正好相反.当左边的光栅盘为窗框时,右为窗口.这样,在无扭矩时,没有光线通过两光栅盘到达光电池,而当有扭矩传输时,两光栅盘有相应的扭转角α产生,则有光线通过光栅窗口的重叠部分到达光电池,从而产生相应的光电流.在如图的光栅盘中,光栅盘分为6个窗口.因此,弹性轴产生α角,则光电池有6倍的α的面积变化,使测量的光电流变化更明显.在实际测量中,由于扭转角一般小于5度.因此,可将光栅盘的窗口分得更小、更密,从而使测量时的光电流变化更大.
传感器的信号输出及测量的电原理图光电池接收到的光通量后,根据光通量的大小不同转换为大小不同的光电流.根据测量光电流的大小从而测量出两光栅片的相对扭转角,从而测量出输入轴的输入扭矩.若将光电流转换为电压,则可通过测量光电池的输出电压来测量弹性轴的输入扭矩.若在齿轮减速器的输出轴端也采用同样的复合传感器,用联轴器与其连接,就可测量出齿轮减速器的输出扭矩.
设输出轴的扭矩为To,其输出轴的扭转角为αo,则:To=αo/δo(N·m)减速器的机械效率为:η=PoPi=TonoTini= iToTi= iαoαi(其中i为传动比)将传感器扭转角通过光电池转换为电动势:Ei、Eo.经放大、标定和模数转换后,就可显示在显示器上.或将Ei、Eo输入到单片机内,经过η=i·To/Ti的除法运算后,由键盘输入传动比i的值(其中i=no/ni).单片机经运算后,就可直接在显示器上显示出齿轮减速器的动态机械效率.测量时应注意传感器的初始调节.先调节左、右两光栅盘固定架上的调节螺钉,使光栅盘在无扭矩时,光栅盘正好完全关闭,使光电传感器的光栅对应准确,从而使光电-弹性轴复合传感器处于测量工作状态,将光电传感器用外壳罩住,以减少外界光对传感器的影响.
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