[发明专利]一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于高速转子流阻扭矩测量领域，涉及一种提高高速转子流阻扭矩测量精度的测量方法和装置。

背景技术

在现代航空发动机或其他动力机械中，均包含高速转子部件，这些高速转子部件在工作状态下会与其附近的流体（如空气）产生粘性摩擦阻力，同时转子盘表面的螺栓、铆钉等突起物在高速运动中也会与流体作用产生压差阻力和摩擦阻力。这些阻力造成高速转子盘的扭矩损失，在研究过程中需要对该类扭矩进行精确测量，而由于转速较高，轴系传动功率较大，因此精确测量较为困难。

目前对高速转子扭矩测量主要方法是通过测量动力源与被测转子工件间传动轴的扭转应变大小来计算出工件所受扭矩大小。该方法有如下四个缺陷，一是其基本原理基于测量传动轴的应变量，因此传动轴不宜有过大的扭转刚度，因而在转子加减速时，传动轴会由于较大的启动扭矩或刹车扭矩而损坏；二是系统中存在高速环境下运行的轴承，其摩擦扭矩不可忽略，因此测量得到的扭矩为流阻扭矩与轴承摩擦扭矩之和。由于轴承的摩擦扭矩受环境温度和转速等参数影响较为复杂，因此在实验中难以通过差值法消去，测量误差较大；三是应用该方法测量，传动轴难以更换，故该方法量程和测量精度有限，通用性较差，且传动轴应变的电信号需要通过动静转换装置（通常为电刷与滑环）引出，抗干扰性较差；四是由于转子高速转动产生的高频振动一定程度上会影响扭转应变的测量结果，降低测量精度，同时会缩短传动轴上应变传感器使用寿命。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种高速转子流阻扭矩的高精度测量方法并设计出一种新型装置，其主要原理是将传动系统等转动件中的扭矩等量转化为静止部件中的扭矩，并使用静态扭矩测量仪器直接测量。所述的装置包括调速动力源（通常为变频调速电动机等）、浮动支架、浮动支架轴承、离合装置、柔性联轴器和静态扭矩测量仪。其中被测转子工件直接连接调速动力源的传动轴，该传动轴的支承轴承均处于调速动力源内部。调速动力源定子安装于浮动支架的浮动支架轴承中，浮动支架轴承与调速动力源传动轴同轴设置，使得调速动力源定子在浮动支架上可以沿调速动力源传动轴轴线自由灵活转动（该状态为文中所述浮动状态）。调速动力源定子与浮动支架间安装有离合装置，该离合装置锁紧时可以限制调速动力源外壳相对浮动支架的转动，松开时恢复外壳的浮动状态，即调速动力源外壳相对于浮动支架有转动。静态扭矩测量仪安装在固定支架上，与调速动力源定子通过柔性联轴器连接，该柔性联轴器具有滤除转子运行时产生的高频振动的作用。

结合该装置说明本测量方法的力学原理，当采用所述测量装置测量时，被测转子工件达到稳定转速后，测量系统内高速转动部件包括调速动力源转子、被测转子工件、传动轴和传动轴轴承内圈，四种部件相对静止，可认为属于同一整体；静止部件包括调速动力源定子、传动轴轴承外圈、静态扭矩测量仪和浮动支架轴承内圈，四种部件同样相对静止，可认为属于同一整体。因为转速稳定，由力矩平衡条件有：

T_转子=T_流阻+T_轴承内圈                       （1）

T_定子=T_扭矩仪+T_轴承外圈+T_浮动轴承             （2）

由于调速动力源转子和定子所受扭矩、传动轴轴承内外圈所受扭矩分别是两对作用力与反作用力，其大小相等方向相反。因此有：

T_转子=T_定子                               （3）

T_轴承内圈=T_轴承外圈                         （4）

T_浮动轴承=T_常数                            （5）

联立（1）～（5）式可得：

T_扭矩仪=T_流阻-T_常数                        （6）