Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

Крутящий момент силы как физическая величина характеризует многие процессы и определяет режимы работы машин и агрегатов, применяемых в различных отраслях хозяйства [1].

Измерениякрутящегомоментасилынанеподвижном

ивращающемся валах используются с целью:

–контроля эксплуатационных показателей качества изделий и материалов, например:

–при оценке мощности, коэффициента полезного действия, удельногорасходатопливатакихизделий, какдвигателивнутреннегосгорания, дизели, электромашины, компрессоры, гидромашины, пневмомашины, редукторыит. д.;

–приоценкепрочностиматериаловпристатическом

идинамическом нагружении;

–при оценке жесткости элементов конструкции машин и сооружений, таких элементов, как спиральные

ивинтовые пружины, торсионные валы и т. д.;

–приоценкединамическойвязкостииреологических

[2]свойств материалов;

–при оценке усилия затяжки резьбовых соединений вавтостроении, авиастроении, присборкеметаллоконструкций и т. д.;

–контроля режимов работы технологического оборудования и транспортных средств, например, при

эксплуатации прокатных станов, буровых установок, вертолетов и т. д.;

– учетаработыэнергетическихустановок, например, главного двигателя судов, автотранспортных и сельскохозяйственных машин.

Измерения крутящего момента силы в основном осуществляютсявдиапазонезначений(10-4–106) Н·мпри частотах вращения от нуля до 2000 с-1 с относительной погрешностью (0,05–20)%. Существуют единичные уникальныесредстваизмеренийсдиапазономизмерений до 107 Н·м.

Средстваизмеренийкрутящегомоментасилы

Широкоеразнообразиесферпримененияопределилои большоеразличиеметодовисредствизмеренийкрутящего момента силы. На рис. 1 приведена классификация [1, 3] наиболее распространенных типов средств измерений крутящего момента силы.

В принятой классификации все измерители крутящего момента силы разбиты на две большие группы: стационарные и переносные моментомеры. При этом под стационарными моментомерами понимается измерительная установка, содержащая источник энергии, поглотитель энергии и измеритель крутящего момента силы. Под переносным моментомером понимается измерительный прибор, который устанавливается в цепь передачи крутящего момента силы между источником и поглотителемэнергии. Другойосновнойотличительной особенностью моментомеров является возможность измерений с их помощью крутящего момента силы на неподвижном и вращающемся валу.

Стационарные моментомеры для измерений на вращающемся валу подразделяются на балансирные, моментомеры, основанные на косвенных методах измерений, и механо-фрикционные.

Балансирные моментомеры [4] основаны на преобразовании крутящего момента силы на вращающемся

валу в реактивный момент не вращающегося статора моментомера, установленного на балансирную (поворачивающуюся) платформу. Набалансирнуюплатформу может быть установлен либо источник энергии (двигатель), либо поглотитель энергии, либо промежуточное звено (редуктор).

Реактивныймоментизмеряетсяпопринятойклассификациистационарнымиилипереноснымимоментомерами для измерений на неподвижном валу.

Вкачествепоглотителейэнергиииспользуютгидравлические, аэродинамические, механические и электрические тормоза. К последним относятся порошковые тормоза, тормоза на базе электромашин постоянного и переменного тока, индукторные тормоза.

Основная область применения измерения крутящего момента силы при оценке механической мощности двигателей внутреннего сгорания, турбин, генераторов, электродвигателей, насосов, вентиляторов и т. д.

Стационарные моментомеры, основанные на косвенных измерениях, построены на следующих методах:

–методизмеренийускоренияприизвестноммоменте инерции вращающихся элементов, используемый при определении крутящего момента силы в переходных и неустановившихся режимах;

–метод измерений частоты вращения вала и электрических параметров электромашин, используемый при контроле крутящего момента силы и механической мощности в технологических процессах и аварийной сигнализации;

–метод измерений угла закручивания или напряженияметаллаштатныхупругихэлементовстационарных энергетических установок с передачей информации с вращающегося вала.

Основнаяобластьприменения– контрольэнергетических параметров процессов бурения, работы прокатных станов, судовыхустановок, сигнализацияпривозникновении аварийной ситуации и т. д.

Механофрикционные моментомеры используются для измерений параметров источников энергии.

Моментторможенияопределяетсякакпроизведение радиуса, накоторомпроизводитсяторможениедвигателя, на показания силоизмерителя, установленного в тракте формирования момента трения.

Основная область применения – испытания маломощных тихоходных двигателей.

Стационарные моментомеры для измерений на неподвижномвалупредназначеныдлянагруженияизделий статическим крутящим моментом силы и применяются при градуировке, калибровке иповерке переносных моментомеров, исследованиях, испытаниях материалов и изделий на кручение, испытаниях пружин и т. д.

Стационарныемоментомерыдляизмеренийнанеподвижном валу по своему конструктивному исполнению подразделяютсянаустройства, содержащиеплечоимеры массы; устройства, содержащиеплечоисилоизмеритель; устройства, содержащие моменгомер и нагружающее устройство.

Моментомеры выполняются с горизонтальным и вертикальнымнаправлениямидействиямомента. Вертикальное расположение оси стационарного моментомера в основном встречается при малых моментах.

Переносные моментомеры для измерений на вращающемся валу [1, 5] подразделяются на два наиболее распространенных вида, основанные:

Погрешность переносных моментомеров определяется несовершенством упругих свойств материала упругого элемента первичного преобразователя, зависимостьюегохарактеристикоттемпературы, влиянием напервичныйпреобразовательсиловыхвозмущающих воздействий, таких как изгиб, перерезывающая сила и осевоеусилие, погрешностямивторичнойаппаратурыи системыпередачиинформациисвращающегосявалана неподвижную часть прибора. Основная относительная погрешность переносных моментомеров колеблется от

0,03% до 2%.

Значительнаячастьпереносныхмоментомеровможет измерять крутящий момент силы и на неподвижном валу. Исключение составляют некоторые конструкции нониусных, разностных, временныхифазометрических моментомеров.

Эталоны единицы крутящего момента силы

Присозданиинациональныхэталоновиэталонных средств измерений фирм-производителей средств измерений крутящего момента силы наиболее широко используют стационарные установки так называемого

тела.

Наибольшее распространение получили моментомеры, основанные на преобразовании угла закручивания и напряжения в материале упругого тела в электрический сигнал. В зависимости от конструкции моментомеры могут иметь специальные устройства для передачи информации с вращающегося вала на неподвижную часть моментомера.

Различают четыре вида связи: гальваническую, с помощью контактных колец; индуктивную, с помощью вращающихсятрансформаторов; емкостную, спомощью вращающихсяконденсаторов; телеметрическую, посредством передатчиков и приемников.

Моментомеры, основанные на измерении угла закручивания упругого тела в зависимости от типа первичногопреобразователямоментомера, подразделяются на индуктивные, емкостные, фотоэлектрические, резонаторные, нониусные, разностные, временные и фазометрические.

Моментомеры, основанныенаизмерениинапряжения вматериалеупругоготелавзависимостиоттипапервичного преобразователя моментомера, подразделяются на тензометрические, фотоупругиеимагнитоупругие. Следуетотметить, чтовнастоящеевремя, всвязисбыстрым развитием электронной и компьютерной техники и программирования наибольшее распространение получили датчики крутящего момента силы на основе различных типов тензорезисторов.

Земли) иравноплечийрычагсцентральнойигрузоприемными призмами. Впоследнее время вместо опорной призмы используют воздушные подшипники, а вместо грузоприемных призм – гибкие, ленточные подвесы. Для нагружения в двух направлениях установки обычно снабжены двумя колонками, обеспечивающими наложение мер силы на грузоприемные штанги, механизмом нагружения испытуемых изделий крутящим моментом силы, приводящим рычаг в горизонтальное положение, рейтерным механизмом для уравновешивания рычага, механизмом арретирования рычага при наложении мер силы. Некоторые национальные эталоны используют в основе своей конструкции высокоточные датчики крутящего момента, метрологические характеристики которых прослеживаются к эталонным установкам deadweight-типа, например к эталону Германии.

Вкачестве мер силы в эталонных установках используютспецгрузы, соответствующиеподопускаемому

отклонениюмассыгирямклассовточностиF2, M1. Номинальные значения масс спецгрузов выбирают с учетом ускорения силы тяжести в месте эксплуатации эталона.

Внастоящее время в базе данных МБМВ отражены калибровочные и измерительные возможности национальных эталонов тринадцати стран.

Отраженные в базе данных относительные расширенные неопределенности воспроизведения единицы эталонами находятся в пределах от 0,002 до 0,05%.

В Российской Федерации с 1985 г. функционирует Государственный первичный эталон единицы крутящего момента силы. В период с 1985 по 2009 гг. эталон ГЭТ 149-85 состоял из одной установки с диапазоном воспроизведения от 20 до 2500 Н·м. В 2010 г., после совершенствования, былутвержденэталонГЭТ149-2010, имеющий в своем составе три эталонных установки с общим диапазоном воспроизведения от 1 до 20000 Н·м.

Внешнийвидэталоннойустановкипоказаннарис. 1, кинематическая схема одной из установок – на рис. 2.

Метрологическое обеспечение средств измерений крутящего момента силы определено [6] и основано на централизованнойпередачеразмераединицыотгосударственного первичного эталона и на воспроизведении и передаче размера единицы с использованием эталонов, заимствованных из других поверочных схем, в частности эталонов силы, массы и длины, в случаях, когда необходимо воспроизводить единицу за пределами возможностей государственного эталона.

Определениеметрологическиххарактеристикстационарныхмоментомеровдляизмеренийнавращающемся валупроизводитсяприотсутствиивращениячащевсего

спомощью заимствованных эталонов. При этом, например, при калибровке балансирных моментомеров на элемент моментомера, воспринимающий реактивный моментсилы, укрепляютдополнительныерычагисгрузоприемными призмами длянагружения мерами массы. Действительноеплечоприложениясилыопределяюткак сумму длин присоединенного рычага и части элемента моментомера отместаприсоединения доосивращения.

Для повышения точности определения действительного значения длины плеча приложения силы используют дополнительные рычаги, устанавливаемые

собеих сторон элемента. Путем последовательного

нагруженияиразгружениямоментомеракалибруют(поверяют) систему измерений реактивного момента силы стационарного моментомера. Различие измеряемого реактивногомоментананеподвижномвалуикрутящего моментанавращающемсявалуотражаютвпогрешности моментомера. Наиболеесущественнымисоставляющими этой погрешности [1] являются: вентиляционные потери, потери от момента сопротивления токоподводящих (водоподводящих) частей, моментытрениябалансирных опор и потери в муфте.

Определение метрологических характеристик стационарных моментомеров для измерений на вращающемся валу может также осуществляться переносными моментомераминавращающемсявалуметодомпрямых измерений.

Определение метрологических характеристик стационарных моментомеров для измерений на неподвижном валу может производиться централизованно с помощью переносных моментомеров методом прямых измерений или с помощью средств измерений,

Рис. 1. Внешний вид эталонной установки, с диапазоном воспроизведения до 20000 Н.м из состава эталона ГЭТ 149–2010

заимствованных из других поверочных схем методом косвенных измерений.

В этом случае в качестве основных источников погрешности воспроизведения крутящего момента силы оценивают:

–погрешность определения длины плеча рычага;

–погрешностьнеравноплечностиприиспользовании двухплечих рычагов;

–погрешность длины плеча, связанную с прогибом рычага под нагрузкой;

–погрешностьдлиныплеча, связаннуюснегоризонтальностью рычага;

–погрешность определения массы грузов;

–погрешность определения ускорения свободного падения;

–погрешность, связанную с потерями на трение в опорах рычага.

Кроме того, при создании высокоточных стационарных моментомеров оценивают:

–погрешность, связаннуюсизменениемтемпературы окружающей среды;

–погрешность, связаннуюснесоосностьюпассивного и активного захватов и оси качания рычага;

–погрешность, связанную с непрямолинейностью оси испытуемого средства измерений;

–погрешность, связанную с изменением аэростатической силы; погрешность, связанную с конечным значением скорости деформирования;

–погрешность, связанную с несовпадением положения рычага при воспроизведении единицы и арретировании.

Известныеметодыкалибровкииповеркипереносных моментомеров для измерений на вращающемся валу основаны на определении индивидуальной функции преобразования моментомера на неподвижном валу и оценке функции влияния скорости вращения.

Определение индивидуальной функции преобразованиямоментомерананеподвижномвалупроизводится методом прямых измерений с помощью стационарных моментомеров для измерений на неподвижном валу и методом косвенных измерений.

При использовании метода косвенных измерений определение индивидуальной функции преобразования выполняется в три этапа:

–определениеэкспериментальноилитеоретическис использованием стандартных справочных данных зависимостиуглазакручиванияилинапряжениявматериале упругого участка вала первичного преобразователя от крутящего момента силы;

–определение зависимости показаний вторичной аппаратуры моментомера от угла закручивания или напряжения в материале упругого участка вала;

–построение на основе полученных зависимостей индивидуальнойфункциипреобразованиямоментомера.

Определение функции влияния частоты вращения производятметодомоценкиотклоненияпоказаниймоментомераотнуляпривращениивалапервичногопреобразователянахолостомходуиметодомконсервациимомента, при котором упругий элемент в неподвижном состоянии нагружают и жестко фиксируют при заданном крутящем моменте с последующей оценкой отклонения показаний от нормируемых при различных скоростях вращения.

Литература

1.УспенскийВ.В., ВандышевБ.А., ЖбырьС.И. Совре-

менноесостояниеиперспективыразвитиясредствизмерений крутящего момента. (Госстандарт СССР, ВНИИКИ. Серия – Метрологияиизмерительнаятехника) – М., 1974. – С. 63.

2.Жбырь С.И., Палей Л.Г. и др. Анализ состояния ме-

трологическогообеспеченияизмеренийкрутящегомомента силы. (ГосстандартСССР, ВНИИКИ. Серия– Метрологическое обеспечение измерений) – М., 1991. – С. 32.

3.Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерений крутящего момента. Библиотека приборостроителя. – М.: Машиностроение, 1977.

4.Кац С.М. Балансирные динамометры для измерений вращающего момента. – М.: Госэнергонздат. 1962.

5.Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. Библиотека по автоматике. – М.: Энергия, 1967.

6.ГОСТР8.752-2011 ГСИ. Государственнаяповерочная схема для средств измерений крутящего момента силы.

Б.А.Черепанов

Приведено описание Государственного первичного специальногоэталонаединицыскоростивоздушногопо- токаГЭТ150-2012. Рассмотреныегопринципдействияи метрологическиехарактеристики. Представленырезультатымеждународныхключевыхсличенийнациональных эталонов скорости воздушного потока и подтверждено, чтометрологическиехарактеристикиэталонанаходятся на мировом уровне.

Ключевые слова: государственный эталон, скорость воздушного потока, метрологические характеристики, ключевые сличения.

История вопроса

Средстваизмерений(СИ) скоростивоздушногопотока широкоприменяютвметеорологии, авиастроениииавиации, добывающейпромышленности(шахтах, угольных разрезах), встроительстведляобеспечениябезопасности высотныхсооружений, вэкологиидляконтролявыбросов вредных веществ в атмосферу, тонких химических технологиях, медицине и ряде других отраслей.

В настоящее время в России парк рабочих СИ скорости воздушного потока, находящихся в применении,