（机械设计及理论专业论文）阀门动静态转矩测试机的研制.pdf

硕士学位论文 摘要 阀门是石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇 航以及海洋采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备。阀门的启闭或调 节动作受控于所施加的驱动转矩与实际负载转矩。对阀门的启闭转矩进行测试 是评价阀门性能的重要手段，也是为阀门正确配备电动装置的依据来源。 传统的阀门转矩测试方法存在着效率低，精度低，通用性差等不足，针对 这些不足，论文将传感器、虚拟仪器、计算机技术和机械工程技术有机结合， 研制出一台可以对阀门动态转矩进行高精度自动测试的阀门动静态转矩测试 机，为阀门选配电动装置提供合理依据，帮助设计人员优化阀门结构。 机械结构是测试机的核心机构。论文重点对阀门测试机的机械结构部分进 行了设计。首先针对被测阀门的规格多样性，设计了通用的机架与阀门装夹装 置。将磁粉离合器与变频调速相结合，设计了一套可以对阀门进行柔性驱动的 驱动装置，适应了不同类型、不同规格的阀门驱动力矩所需，并对驱动装置的 安装做了深入探讨设计结合液压控制理论知识，设计了一套可以对阀门进行 工况调节的柔性加载装置，对其控制策略进行了研究与仿真。 在测试机测控部分，论文首先对传感器、信号调理装置、数据采集卡等硬 件进行了选型设计，然后在对系统功能需求分析的基础上，利用l a b v i e w 对 测试系统进行了模块化设计，并针对系统中的干扰，分别从软硬件两个方面进 行了抗干扰设计，保证系统测试精度。 论文最后对测试系统的相关模块进行了验证性仿真试验，试验结果证明论 文所研制的阀门动静态转矩测试机具有操作方便，测试准确度，精度高等特点， 能较好地满足阀门动静态转矩测试的技术指标需求。 关键词：阀门转矩，柔性加载，柔性驱动，虚拟仪器 阀门动静态转矩测试机的研制 a b s t r a c t v a l v ei st h ei n d i s p e n s a b l ef l u i dc o n t r o le q u i p m e n ti nt h en a t i o n a le c o n o m i c s e c t o r ss u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i s t r yi n d u s t r y , p o w e rs t a t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e ，s h i p b u i l d i n g ，n u k ei n d u s t r y , c r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ，a s t r o n a v i g a t i o na n d o i le x t r a c t i o n ，e t c f u r t h e r m o r e ，t h ea d j u s t m e n t ，o p e n i n ga n dc l o s i n go fv a l v ea r e c o n t r o l l e db yt h ed r i v i n gt o r q u ea n da c t u a ll o a d i n gt o r q u e a d d i t i o n a l l y , t e s t i n g t h eo na n do f ft o r q u ec a nn o to n l ye v a l u a t et h ev a l v ep e r f o r m a n c eb u ta l s oh e l pt o d e t e r m i n eh o wt om a t c he l e c t r i c a le q u i p m e n t c o m b i n gt h es e n s o r ，v i r t u a le q u i p m e n t ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ，a na u t o m a t i c a l l yv e r s a t i l ev a l v et e s t i n ga p p a r a t u sw i t hh i g hd e g r e eo f a c c u r a c yw a sd e s i g n e dt oc o n q u e r t h ed i s a d v a n t a g eo fi n e f f i c i e n c y , s h o r tp r e c i s i o n ， a n dp o o ru n i v e r s a la p p l i c a t i o nf r o mt r a d i t i o n a lw a y so ft e s t i n gv a l v e st o r q u e ，t o p r o v i d ear e a s o n a b l eb a s i sf o rm a t c h i n gt h ee l e c t r i cd e v i c e sw i t ht h ev a l v e sa n d h e l pd e s i g n e r so p t i m i z ev a l v e ss t r u c t u r e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei st h ec e n t r a lb o d yo ft h et e s t m a c h i n e i tw a s e m p h a s i z e db yt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h et e s tm a c h i n ei nt h ep a p e r f i r s t ，a u n i v e r s a lf r a m ea n dc l a m p i n gd e v i c ef o rv a l v ew e r ed e s i g n e d ad r i v ed e v i c e w h i c hc a nd r i v ev a l v ef l e x i b l yw a sd e s i g n e dt oa d a p tt ot h ed i f f e r e n td e s i r eo f d r i v et o r q u eb yc o m b i n gt h em a g n e t i cc l u t c hw i t ht h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n a d e p td i s c u s s i o nw a sm a d eo nt h ef i xo ft h ed r i v ee q u i p m e n t c o m b i n gw i t ht h e t h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo nh y d r a u l i cc o n t r o l ，f l e x i b l el o a d i n ge q u i p m e n tw h i c hc a n r e g u l a t et h ew o r kc o n d i t i o no ft h ev a l v ew a sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h e c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ef l e x i b l el o a d i n ge q u i p m e n tw a ss t u d i e da n ds i m u l a t e d r e g a r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o na n dc e n t r e lp a r to ft h et e s tm a c h i n e ，s i g n a l c o n d i t i o n i n gd e v i c ea n dd a t ag a t h e r i n gc a r dw e r es e l e c t e d m e a n w h i l e ，o nt h e b a s i so ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h eb l o c kd e s i g nw a sa c c e s s e db yu s i n g l a b v i e w f o rt h ei n t e r f e r e n c ei nt h es y s t e m ，s o m ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g nw a s d o n ef r o mb o t hs i d eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et om a k et h ea c c u r a c ya s s u r e d f i n a l l y , as i m u l a t i o nt e s tw a sg i v e nt ot h er e l a t i v em o d u l e ，t h et e s tr e s u l t s p r o v et h a tt h et e s tm a c h i n e f o rv a l v e ss t a t i ca n dd y n a m i ct o r q u ed e v e l o p e di se a s y t ob eo p e r a t e da n di sw i t hh i g ha c c u r a c yw h i c hc a nm e e tt h es p e c i f i c a t i o n sd e m a n d f o rt e s t i n gt h ev a l v e sd y n a m i ca n ds t a t i ct o r q u e k e y w o r d s ：v a l v et o r q u e ，f l e x i b l el o a d i n g ，f l e x i b l ed r i v e ，v i r t u a le q u i p m e n t i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特 ； j ) j l l 以标注引刚的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做重要页 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标眇j 。本人完全意识到本声i p j 的 法律后果山本人承担。 作者签名： 碧珲首 同为】：矽年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学佼有关保留、使用学位沦文的规定，即： 学校有卡又保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：御胆f 乡月 日 日期：孙l o 年占月 1 1 日 春 坪1 理彳。川 刚卅 硕士学位论文 1 1 阀门简介 第1 章绪论 阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。它的发展 历史悠久。公元前2 0 0 0 年前，中国就在输水管道上使用了竹管和木塞阀，以后 又在灌溉渠道上使用水阀，在冶炼的风箱上使用板式止回阀，在井盐开采方面使 用竹管和板式止回阀提取盐水。随着冶炼技术和水力机械的发展，欧洲出现了铜、 铅制旋塞阀。1 6 8 1 年出现了杠杆重锤式安全阀。1 7 6 9 年出现了蝶阀。不久又出 现了滑阀。18 4 0 年前后，相继出现了带螺纹阀杆的截止阀和带梯形螺纹阀杆的 楔式闸阀。随后由于电力、石油、化工和造船工业的发展，各种新型材料的应用， 各种阀门相继问世并得到迅速发展，阀门制造业也逐渐成为机械工业的一个重要 部分。 阀门种类繁多，按使用功能可以分为： 截断阀：用于截断或接通介质流，包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、 球阀、蝶阀等： 调节阀：用于调节流体的流量和压力等： 止回阀：用于阻止流体倒流： 分流阀：用于分配、分离和混合流体，包括滑阀、多通阀、疏水阀等： 安全阀：用于超压安全保护，防止锅炉、压力容器或管道等的破坏。 另外，按公称压力可分为真空阀、低压阀、中压阀、高压阀、超高压阀；按 工作温度可分为高温阀、中温阀、常温阀、低温阀、超低温阀；按驱动方式可分 为手动阀、电动阀、气动阀、液动阀等；按阀体材料又可分为铸铁阀、铸钢阀、 锻钢阀等；按使用部门特点可分为船用阀、水暖用阀、电站用阀等【l 】 阀门主要有密封、强度、调节、流通、启闭等性能，其中阀门启闭性能是全 面衡量阀门性能的重要指标之一。而阀门启闭转矩是反映启闭性能的关键参数。 1 2 阀门转矩测试的研究现状 阀门因其在流体系统中的重要地位而受到人们的重视，纵观当前阀门的研究 现状，在阀门的密封、强度、调节、流通等性能的测试研究都日益成熟，但阀门 启闭转矩的测试还处于初级阶段。 1 2 1 转矩测试仪的国内外现状 转矩测试仪器主要包括两方面：一是传感器，二是测试系统。 1 传感器 目前，转矩传感器主要有两大类：第一类，通过磁电感应获取信号的磁( 齿) 栅式转矩传感器，例如：德国h b m 的t 3 2 f n ，t 3 4 f n ，日本小野测器和中国湖 阀门动静态转矩测试机的研制 南长沙湘仪动测仪器有限公司的j c 型等均有生产，这类传感器输出信号的本质 是两路相位差近似正弦信号，需要对信号进行组合处理才能得到转矩信息。它是 非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量。但体积大，不容易安装， 且当转速低于6 0 0 r m i n 时，为保证输出正确的信号，需要启动小电机补偿转速， 操作复杂：第二类是以电阻应变片为敏感元件，例如：德国的h b m 公司的t l 、 t 2 、t 4 系列转矩传感器，北京的三晶集团的j n 3 3 8 系列传感器等。它在转轴或 与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并把它们连接成惠斯顿电桥。 转矩使轴的微小变形引起应变片阻值发生变化。电桥输出信号与转矩成比例。电 桥的激励电压和测量信号的传递方式有两种：一种是接触式传递，通过滑环和电 刷传递激励电压和测量信号，电刷寿命可达6 亿转次：另一种是非接触式传递， 包括传感器感应方式传送如t 3 0 f n 、j n 3 3 8 ，以及微电池供电，无线传递测量信 号等。该类传感器可测量静态和动态转矩，高频冲击和振动信息，体积小、重量 轻、输出信号易于计算机处理等优点，正逐渐得到越来越多的应用。 2 测试系统 根据转矩测量的实现环境，目前的转矩测试仪可分为以下几种类型： 数字式：采用中小规模集成电路和组合逻辑电路设计硬件系统，这是早期 的测试系统，如j s 2 ，j s g s i a ，p ya ，p m n i i 等。其缺点是仪器可靠性差、功 能单一、操作复杂、体积大。 单片机型：采用单片机采集和分析处理数据，这是目前比较普遍的仪器形 式，如z j y w 二l ，j w - 1 a ( b ) ，t s 9 0 0 a 等。这种仪器体积小、性能高，但是分析 能力差或根本没有。 微机型：即软件式转矩仪，如c l s i i 型齿轮传动实验台，利用单片机采集 数据，通过串行口将这些数据传送给通用计算机进行离线的常规数据处理。这种 仪器系统的数据准确、分析能力有所增强、但实时性不强、不能满足瞬时转矩、 转速测试的要求，界面也不直观、没有充分利用通用计算机的资源，整体性能仍 不剐”。 虚拟仪器型：如重庆大学秦树人教授于0 4 年研制的虚拟式转矩，功率测试 仪，由于采用了虚拟仪器技术，它不仅简化了硬件设计，工作可靠性提高，方便 地实现了对多路信号的测量、分析和处理，而且配合丰富的软件功能，还可以完 成扭矩、转速、功率曲线和数值的显示，计算、分析和存储等多种功能p j 。 1 2 2 阀门转矩测试的研究现状 在国外，对于阀门转矩及电动装置的监测的概念首先由c h a r b o n n e a u 于1 9 8 5 年在他的一项专利中提出。在该项专利中，c h a r b o n n e a u 等人设计了一套新的重 要阀门操作监控系统，实现了对阀门扭矩的检测与记录，为阀门及电动装置问题 的研究提供了宝贵信息【4 1 ，但c h a r b o n n e a u 的专利中的测量系统它并不是在任何 使用环境，任何阀门与驱动装置上都可以得以应用，造成后果就是急需为各种阀 门及驱动装置设计专门的扭矩测试装置。针对这个问题，l9 8 7 年，a n d e r s o n ，p a u l 硕士学位论文 g 和m c m e n n a m y ，j o h na 设计了一套与阀门驱动装置蜗轮相连，可以在与阀门 操作装置相连并驱动阀杆或阀门时测量，并记录系统扭矩信号的阀门扭矩测试装 置，从而改善了阀门扭矩测试装置的适用性【5 】。1 9 8 9 年，针对传统使用装有应 变计的测重装置进行扭矩测量的方法只能适用于定期的测量的缺陷，s t o h r ，h a n s 和m e h r ，l o t h a r 利用在阀门外壳与电动装置外壳之间使用法兰轴衬连接，并将 应变计装在法兰轴衬凹进处的方法研制了一套可以永久安装并对扭矩进行连续 测量的电动阀门扭矩测试装置【6 l 。随着对阀门产品性能需求的提高，对阀门扭 矩进行动态测量成为必要，各国都对此作了一些努力，也取得了一些成果，最有 代表性的就是0 7 年日本电产新宝上市的扭矩仪。t n x 系列与具备数据管理功 能的测试台“d s p 10 ”相结合的电动扭矩测试仪。该扭矩仪具有开阀门模式、 关阀门模式及平均模式。开阀门模式可在3 点提取峰值，内存可保存开阀门及关 阀门的数据各1 0 0 0 份，还可用u 盘取出数据。而测试台“d s p 1 0 方面则强化 了数据管理功能。可在读取测量数据后，在电脑上以图表形式显示扭矩和角度的 关系【7 1 。 国内，目前对小口径的阀门，大部份采用扭矩扳手来测试，对口径稍大的阀 门则无法测试产品的扭矩大小，仅仅是根据设计计算的结果来确定其扭矩力；国 内的电动装置生产厂商对阀门电动装置进行了相应的测试，但主要是对电动装置 中电动机本身的输出特性进行了测试，并不属于在线带工况检测，即仅进行了电 动装置本身的转矩特性试验，并没考虑到电动装置与阀门配套后在实际工况中的 载荷变化特性，与实际的运行工况相差较远。 针对这一现状，国内也对阀门及电动装置的转矩测试做了一定的研究应用， 例如，北京理工大学左建华、杨彬军、卢继平等人设计了一种电动阀门性能测试 系统，能对阀门转矩及转动角度进行测量，该测试系统由测试台架，加载部分， 控制台，传感器，数据采集和数据处理组成，在测试过程中通过控制台发送控制 命令分别控制电机和加载系统。控制台与电机和加载系统之间采用电磁开关控 制，电机正反转用于控制阀门的开和关油泵用于对阀门进行加载，在阀门被驱动 与加载扭矩时，由电子耦合器与数据采集板组成的数据采集系统对其转矩信号进 行采集，并转换为数字信号然后送入工控机，利用工控机中基于v b 开发的数据 处理系统对信号进行处理，绘制出扭矩与时间之间的动态曲线，最后利用测试系 统的主界面实现对扭矩曲线的显示【8 】。解放军理工大学的邵志学等人研制的主从 式阀门电动装置计算机测试系统，具有自动控制电动装置的负载大小、正反转， 检测电动装置的转矩、行程和转速，通过键盘进行操作和液晶屏显示，以及打印 机打印测试的性能参数等功能【9 j 。哈尔滨工业大学的自绪涛等人提出了一种通过 异步电动机的电压和电流来辨识阀门电动装置的瞬时转矩的方法，从异步电动机 的数学模型入手，推导了静止两相直角坐标系下力矩与电压、电流关系表达式， 进而实现了只需要检测电动机的电压和电流即可辨识出阀门电动装置的瞬时力 矩【1 0 l 。四川省自贡阀门厂自行研制的阀门扭矩仪能对该厂的阀门进行非工况的 3 阀门动静态转矩测试机的研制 扭矩测量；合作单位浙江省永嘉振华机械厂生产阀门力矩寿命测试机可测量阀门 通径为5 0 3 0 0m m 、法兰直径为l6 0 5 8 5 m m 、扭矩范围为l5 0 5 0 0 0n m 阀门的 开启力矩。2 0 0 6 年黄山良业阀门有限公司研制了一套阀门启闭扭矩连续测试装 置，它不仅具有对阀门启闭过程中的扭矩进行采样，由计算机进行整理输出阀门 启闭过程的扭矩图谱，并记录打印输出分析结果的功能，而且在该系统中是利用 基于v b 开发的软件对阀门进行的柔性驱动控制，从而测量精度也较之前的测试 系统也有很大提高i l 。 纵观国内外资料，可以看出扭矩测试仪正由静态测试向动态检测在线发展， 正由数字化，智能化向虚拟化发展，而飞速发展的扭矩测试技术并没有在阀门扭 矩测试上得到很好的应用，尤其是阀门动态转矩的测试问题。目前的阀门动态转 矩测试系统存在的最明显的问题就是加载问题。现在的测试系统的加载装置一般 都是硬件加载与控制，这样精度不高，并不能很好的模拟工况。另外一个问题就 是现在的阀门转矩测试系统很多都是基于单片机，软件开发基本上都是基于v b 等文本是语言，这样存在一个开发周期长，功能拓展，修改麻烦等缺点而本文 基于虚拟仪器设计的一套阀门转矩测试系统，它不仅拥有了一套柔性加载系统， 可以实现对工况的高精度的在线模拟，提高测量精度，而且，符合扭矩测试仪的 发展潮流。 1 3 课题的来源与意义 1 3 1 课题来源 本课题是与永嘉振华机械有限公司合作的实际工程项目，根据公司现有的产 品及遇到的问题，提出了阀门动静态转矩测试机的研究项目。 1 3 2 课题意义 在机械传动系统中，扭矩是反映系统性能的最典型机械量之一。扭矩测试已 成为各种机械产品的开发研究、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必 不可少的内容，利用合适的扭矩传感器及其装置监测和控制扭矩，对于保障整个 系统稳定安全的运行具有十分重要的意义【1 2 】。阀门产品涉及门类多、品种复杂、 量大面广，是石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇 航以及海洋采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备。 为了使管网系统能保持最佳运行状态，阀门需根据工况要求进行启闭或调节 阀门开度，阀门的启闭或调节动作受控于所施加的驱动转矩与实际负载转矩，所 以，对阀门及其配套的电动装置的动、静态转矩的测定非常必要。测定阀门在工 况下所需的驱动转矩来配套转矩特性相适应的驱动装置，使两者有机的结合，这 样才能保证阀门在管网中可靠的运行 由于使用传统的扭矩扳手测试的方法来测试阀门扭矩，效率低测试过程复杂 而且测试结果的精度受操作人员影响较大，对口径稍大的阀门则无法测试产品的 硕士学位论文 转矩大小，仅仅是根据设计计算的结果来确定其转矩，而往往计算的转矩跟实际 的转矩相差甚远，影响了阀门驱动装置的选配。同时，因此，设计一台可以对阀 门动静态扭矩进行在线测试的阀门动静态转矩测试机势在必行，同时也将具有非 凡的意义，因为使用阀门动静态转矩测试机不仅可使阀门所需的驱动转矩和电动 装置的输出转矩在工况下合理匹配，提高阀门在工况下的运行可靠性：而且测试 机测试的转矩情况又能使设计人员更加合理的优化设计阀门结构，提高阀门结构 设计的合理性，保证零部件的机械性能的可靠性。这两方面的成就必将使阀门的 质量大大提高，从而，可以进一步增强使用阀门产品的企业的市场竞争力，获得 更多的市场份额，提高企业经济效益【1 3 1 。 1 4 课题主要研究工作 针对现有的阀门转矩测试方法与系统存在的不足，提出将虚拟仪器的先进测 试技术引入阀门转矩测试系统中，设计一台可以对阀门的动静态转矩进行高精度 地在线测试的阀门动静态转矩测试机。本文主要工作如下： 1 参阅大量的国内外文献，针对阀门转矩的特性，确定适合阀门动静态转 矩测试的较为先进的测试方案。 2 在对测试机的功能目的要求的分析基础上，完成测试机的整体设计。 3 对测试机的关键部分( 柔性加载部分与驱动部分) 进行机械结构设计， 并进行控制策略的研究。 4 完成对测控部分的硬件选型与软件的设计分析。 5 通过仿真试验，验证测试系统的模块的功能。 5 阀门动静态转矩测试机的研制 2 1 引言 第2 章阀门转矩测量技术研究 阀门动静态转矩测量技术属于一个比较新的研究方向，在研究转矩测试机之 前有必要对转矩测量技术进行深入研究，本章介绍了转矩测量的基本方法，针对 阀门转矩测试机采用较为先进可靠的转矩测量方法实现对阀门转矩的测量。 2 2 转矩测量方法 使机器元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩。任何元件在转矩的 作用下，必定产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上也常把转动力矩叫做扭转 力矩，简称扭矩。从严格的力学角度来讲，转矩概念与扭矩是不完全相同的，前 者指的是外力矩，而后者指的是内力矩。但是，当轴上只受到一个扭矩的作用时， 转矩和扭矩在数值上是相等的。 转矩测量方法按照基本原理划分为三类：传递法( 扭轴法) 、平衡力法( 反力法) 及能量转换法【1 4 】。 1 传递法 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩 的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用的 测量扭矩的弹性元件是扭轴。 2 平衡力法 对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时， 在其机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩( 或称为支座反力矩) ，测量机体 上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡法，亦称为反力 法。 3 能量转换法 这是根据其它能量参数( 如电能参数) 测量机械能参数及扭矩的方法。按照能 量转换的观点：动力机械，如电动机、内燃机等，分别是把电能、化学能转换为 机械能的机构；而制动机械，如发电机、水利制动器等，则分别上把机械能转换 为电能、热能的机构。 2 3 应变测量原理 旋转轴扭矩的电测方法中，最简单可靠的方法是在被测机械旋转轴上粘贴电 阻应变片，因转矩而产生应变，引起应变片电阻值的变化，从而达到测量转矩的 目的，目前国内测量转矩主要采用的仍是这种传统方法。 6 硕十学何论文 2 3 1 应变测量方法 电阻应变计俗称电阻应变片，简称应变计，是一种能将被测试件的应变量转 换成电阻变化量的敏感元件。电阻应变计主要是由敏感栅、基底、引出线及覆盖 层等部分组成的。敏感栅是把结构应变转换为电阻变化的敏感元件；基底材料是 支撑敏感栅，使它保持一定的几何形状并使敏感栅与被粘试件之间具有良好的电 绝缘；覆盖层是保护敏感栅避免受外界的机械损伤并防止环境温度、湿度的侵扰 的：引出线则是连接敏感栅与侧量仪器，把应变计的电信号送到仪器内。应变计 的各组成元件的性能将直接影响电阻应变计的各项特性。 用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力及与之相关的物理量，是一种 常见的实验应力分析方法，其测试框图可用图2 1 表示。电阻应变片将被测试件 所受的应变转换成电阻的相对变化规律；测量电路包括信号放大器和滤波器，其 作用是对信号进行必要的调整。应变测量原理如下：将电阻应变计粘贴在被测构 件表面上，并接入测量电路，当被测构件受外力作用变形时，应变片敏感栅随之 变形，敏感栅的电阻值也发生相应变化，其变化量的大小与构件表面所受外力成 一定的比例关系，经测量电路( 如测量电桥) 转换为电信号输出，测量结果是应变 值，通过应变与应力的力学关系，可计算出被测构件所受应力的大小。 石 u o j 显示与记录仪l l电阻应变片一 测量电路一 嚣或计算机 i 图2 1 应变测量框图 设被测物体原始长度为l ，变形后的长度为l + 址，物体受力后发生的轴向 相对变形( 应变) 为e ，则； 占：一a l ( 2 2 1 ) 占= 一 i ij l 如电阻应变片的电阻为r ，r 随被测物体的变形而改变，并有如下关系： 一d r ：一堕：k k k s ( 2 2 22 ) = = s 1 1 尺 三 其中，k 为应变计的灵敏系数 粘贴应变片是电测法的一个重要环节，它直接影响测量精度。粘贴时，必须 保证被测物体表面的清洁、平整、光滑、无油污、无锈迹；其次要保证粘贴位置 的准确，并选用专用的粘接剂；应变片引线的焊接和导线的固定要牢靠，以保证 测量时导线不会扯坏应变片。 2 3 2 测量电路设计 由于电阻的相对变化量难以测量，通常用惠斯登电桥将其变换成电信号当桥 7 阀门动静态转矩测试机的研制 压为u 时，则电桥的输出电压u 。为 = i 1 等肌孑1 棚 ( 2 3 ) 图2 2 桥式测量电路 通过测出电桥输出电压，便可以求出此时所测应变值。由于电桥输出为低频 缓变直流信号，信号非常微弱，需要专门的测量电路( 放大器) 将其放大，经过模 数转换( a d ) 和接口电路输入计算机、分析仪器进行分析处理。 电桥电路有着很高的灵敏度和精度，而且结构形式多样，适合于不同的应用。 但电桥电路也容易受到不同外界因素的影响，如温度、电源电压及频率以及导线 等，此外在不同的应用中需要调节电桥的灵敏度，以适应不同的测量精度。因此， 在电桥应用中应注意以下几点：连接导线的补偿、电桥灵敏度的调节和测量小电 阻阻值的电桥。 2 4 转速测量方法 测量阀门转矩的同时，往往需要测量电机的转速。直接测量转速的常用方法 有：测速发电机测量法、光电脉冲测量法及断电器测量法等。 1 测速发电机测量转速 测速发电机是应用比较广泛的转速测量装置之一。在现场测速中，一般采用 直流测速发电机测量转速，因为它能连续而又准确地将转速线性的转换成电压 量。因此，通过二次仪表可以描绘出转速与时间的变化规律。这种测速装置体积 小，使用方便、可靠，目前有许多机械设备都装有测速发电机。 2 断电器测量转速 当被测轴为稳定转速，且现场条件没有测速的专用装置( 测速发电机等) 时， 可采用断电器方法来测量转速。此方法简便、可靠。 硕十学位论文 3 用光电脉冲法测量转速 测量转速的另一种方法是通过光电转换将转速变成电脉冲，然后按每秒或每 分钟计数，就能得到每秒或每分钟的转速。也可以通过频率转换器，将脉冲量转 换成0 10 m a 的电流量，以便通入光线示波器作记录，随着传感器技术的发展， 光电脉冲法测量转速的传感器增多，近阶段使用最为广泛的是光电编码器，旋转 变压器等更为成熟的测速产品。 2 5 阀门扭矩测量方法 通过对以上转矩测试方法的研究，制定出阀门转矩测量的具体方法如下： ( 1 ) 采用应变式测量方法，选用应变式转矩传感器： ( 2 ) 测速选用光电式旋转编码器来实现。 2 6 小结 本章主要研究了转矩测试的基本方法，最后总结出了阀门转矩测试的具体方 法，为后文的设计奠定了基础。 9 阀fj 动静态转矩测试机的研制 第3 章转矩测试机总体设计 3 1 转矩测试机的设计要求 1 测试机的测试对象为阀门启闭转矩。阀门启闭转矩是指阀门在启闭过程 中，为了克服阀杆与填料问、阀杆螵纹、阀杆端部支捧处及其它摩擦部位的摩擦 力等所作用的转矩。 阀门在启闭过程中需要作用的转矩是变化的。如图3 1 与32 分别为利用 l a b v i e w 软件对厂家的经验数据进行仿真得出来的通径4 0 0 r a m ，公称压力为 1 m p a 的非密封型的蝶阀在某工况下的启闭过程中的转矩变化曲线。 l八i1罡l 。i 墨 硕十学何论文 着蝶板的开启或关闭，流体在蝶板两侧造成的旋流的影响越来越小，直到旋流消 失，这时蝶板受到的阻力也越来越小，因此形成中间高、两端低的特性曲线。至 于阀门开启过程中的操作力矩比关闭过程中的大，其原因则是由于流体对蝶板造 成的动水力矩始终是向着关阀方向的。同样的道理，其它各种类型的阀门在启闭 过程中的转矩也是变化的，只是变化趋势不同。 2 测试机设计的技术指标 最高试验压力：1 6 m p a 适用阀门通径： 5 0 - - - 4 0 0 m m 适用阀门法兰直径：1 6 0 - - 6 0 0 m m 转矩范围： 1 5 0 8 0 0 0 n m 转矩测量最高精度：0 5 3 2 测试机的整体设计 阀门转矩测试机的主要功能需求分析：根据对阀门动静态转矩测试机的测试 对象及测试机设计的技术指标分析可知，所设计的测试机需要满足以下几个要 求。 1 ) 根据实际需求为阀门施加特定的工况，以满足系统试验压力在对公称压 力不同的阀门测试时的不同需求； 2 ) 针对本课题中所涉及到的不同型号的阀门施加可调节的驱动力矩适应不 同阀门的启闭转矩的需求； 3 ) 对阀门的启闭转矩进行高精度的在线测试，全面反应阀门开度与转矩的 对应关系。 3 2 1 阀门动静态转矩测试机的整体方案设计 根据以上阀门转矩测试机的功能分析结合现代测试技术手段，将阀门动静态 转矩测试机的整体设计方案如图3 3 所示。 图3 3 阀门转矩测试机的系统方寨 基本原理为：阀门启闭时转矩通过转轴传递到转矩传感器，转矩传感器中的 阀门动静态转矩测试机的研制 测试构件根据所受力矩大小产生对应的电信号，电信号经由信号调理器进行去 噪、滤波及前级放大等预处理，经过预处理后的信号由数据采集卡采集进入计算 机，随后由计算机系统内置的虚拟仪器软件完成分析、显示、存储及打印等工作。 系统中的柔性驱动装置具有输出力矩可调及过载保护功能，可以适应测试不 同类型、不同规格的阀门驱动力矩的需求。防止输出力矩大于阀门所能承受的强 度载荷而造成阀门零部件的破坏。其中，柔性加载装置是给被测阀门施加模拟工 况的机构，可以根据阀门的口径、工作压力来调节通过阀门的流体流量和阀门两 端的压强以保证测得的阀门所需驱动力矩的真实性。 3 2 2 测试机整体机械结构设计 由阀门动静态转矩测试机的测试原理可以看出，整个阀门转矩测试机由机械 部分和测控部分组成。机械部分主要是为了给被测阀门、测试过程中所需的各种 动力元件及各种检测传感器等提供必要的机械支持、固定和精确的机械传动。本 课题所研制的阀门转矩测试机的机械结构是测试的核心机构，对其进行合理的设 计是成功进行测试的前提。 根据测试机的设计指标，总结出机械结构部分的整体设计思路如下： 由于本测试机需要对通径范围从5 0 - 4 0 0 m m 的阀门进行测试，根据设计手 册可知，不同通径的阀门其结构长度会有很大差异，为此本测试机的本体至少需 要个移动工作台来保证不同阀门在水平方向的安装。其次本测试机的最高试验 压力为16 m p a ，属于中高压测试工况。如果采用传统的三爪装夹，会使阀门表面 造成一定的破坏与变形，所以需要设计一种新的装夹装置来防止变形。另外，阀 门柔性驱动装置与阀门的严格对中是高精度测试的前提。 基于上述分析，将阀门动静态转矩测试机的整体结构设计如图3 4 所示：图 中的移动工作台实现了对不同阀门的水平方向的安装；水平驱动器与垂直驱动器 则保证了驱动装置与阀门的严格对中：机架则是一切部件的载体。考虑到整个测 试过程中的操作方便，将手动操作按钮集中安装在机架左侧立板位置。当对被测 阀门进行测试时，只需在电脑上进行在线观察分析，因此对面板的布局不进行过 多设计只需合理、整洁、美观即可。根据设计需求，将整机的主要尺寸确定如下： 依据被测阀门型号可知，最大尺寸的阀门通径为4 0 0 m m ，法兰盘直径 6 0 0 m m ，查阅相关设计手册可知：通径4 0 0 m m 的阀门的结构长度最长为 1 15 0 m m 【”】，而移动工作台距离固定工作台的最大距离必须大于l l5 0 m m 才能满 足阀门的需求，因此将工作台的长度定为3 0 0 0 m m 。而工作台上装夹阀门的密封 盘的中心距地面高度根据最大阀门的尺寸再结合人工操作的方便性考虑定为 8 5 0 m m 。 项十学化论文 1 0 1 ，4 柔性驱动装置5 移动夹蜒台6 移动台驱动电机7 同定夹紧台8 机架 9 阀门加数装置1 0 乖直驱动器1 1 水平驱动器 图34 阀门转矩刹试机整体布局三维示意图 33 机架设计 结台实际工作环境和美观等因素同时根据测试机构的安装方便，机架采用如 图35 所示的布局，总体外观尺寸为2 9 8 6 m m 1 2 0 0 m m 3 2 0 0 r a m 。机架主要由 方铜和铁板两部分组成机架的整体结构主要由方钢焊接而成外面由钣金封面， 保证整机的外观美观。 ii 闸门墁矩澍酶机机觏结梅固 图35 阔门转矩测试机机架结构图 考虑到机架与其他部件的功能不同，其加工精度要求也不阿同时为了节约 加工费用和工时，本阀门转矩测试机采用机架和其他部件两种钣会和精加工模块 阀门动静态转矩测试机的研制 化架构，使机架和其他部件采用不同的加工精度。如：阀门驱动装置安装机构的 精度采用i t 7 8 的加工精度。机架只需保证承载测试装置的面板的平面度和水平 度即可保证整个测试装置的测试精度。 3 4 总结 在前文对阀门转矩测试的基本理论的分析，以及对现研制的测试机的技术指 标的分析的基础上，对阀门动静态转矩测试机进行了整体设计。在系统方案方面， 将柔性驱动装置与柔性加载装置引入方案，保证了阀门动静态转矩测试机的通用 性以及结果真实性问题。在整机机械结构设计方面，充分考虑被测阀门的结构尺 寸等因素，对测试机的布局进行了分析设计，并完成了测试机的重要部件机架的 设计，给测试机的其它所有装置提供载体。 1 4 硕十学侍论文 41 引言 第4 章阀门装夹装置的设计 阀门装兴装霄是对阀门进行安装、固定，以便于进行阀门转矩测试的装青 是整个系统中不可缺少的重要部分，装失的结构是否合理对整个测试过程起着至 关重要的作用。本章主要是对阀门装央装置重要部件的设计和装央实现过程的研 究。 4 2 阀门装夹装置重要部件设计 阀门的装夹在整个系统中是不可缺少的重要部分装央的结构是否合理对整 个测试过程起着至关重要的作用。阀门装央装覆是对阀门进行安装、固定，以便 于进行阀门转矩测试的装置。而在该装簧的设计过程中，屠重要的是对其重要部 件夹紧机构，导轨的设计。 1 央紧机构的殴计 如前文所述，在阀门装央装置设计过程中，需重点考虑的一个问题是阀门的 峡紧力问题，需尽量减小夹紧机构对阀门表面的破坏。现有的测试机一般都采用 王爪夹紧机构来央紧阀门。实际证明，在试验压力较大的情况下阀门表面的破坏 会比较明星。为了改善这种状况，本论文提出通过增加夹爪个数的办法即将夹紧 机构设计为四爪机构来实现对阀门的u r 靠装央【l6 1 。 因此根据阀门装央需求，设计的本测试机的阀门兴紧装置示意图如图 41 42 所示。 流动介质进入l i2 夹爪3 夹爪连接杆4 夹爪移动捎5 法兰密封槽 图4 1 夹紧装置正面示意围 阀j 动静态转矩测试机的研制 l 夹紧安装板2 夹紧联动板3 步进电机4 液压导向柱 5 丝杆机构6 管道连接法兰7 渡压缸 图42 夹紧装置反面示意图 2 导轨的设计 如前文所述由于被测阀门的通径不一，其结构长度也不相同所以为了保 证装夹装置的通用性，设计了一个可移动的工作台。而导轨则是给移动工作台提 供动力传递的重要装置。因此，合理的设计与选用导轨是该测试机设计的一个重 要方面。 在测试装置中，导轨是使用频率较高的零部件之一，传感器的安装位置高度， 直线步进电机的安装位置高度都以导轨为测量基准。所以导轨的精度，承载能力 和使用寿命等都将影响机械的工作质量。 按照结构特点和摩擦系数特性划分导轨类型主要有普通滑动导轨、塑料导 轨、镶钢、镶金属导轨、滚动导轨、动压导轨、静压导轨。其各自特点与应用场 台如表4 1 所示。 根据本测试装置的使用特点和运动形式，选用直线运动自由度的普通滑动导 轨即可满足需求。选用的导轨截面图及相关尺寸如图43 所示。 导轨的压强是影响导轨耐磨性和接触变形的主要因素之。设计过大将会加 剧导轨的磨损，设计过小则会增大导轨的尺寸。因此应根据具体情况，适当选择 压强的许用值。 硕十学位论文 图4 3 直线导轨尺寸示意图 在本测试装置中，导轨的主要承重为移动工作台，总承重 g m 。= 2 0 0 ( k g ) ( 4 1 ) 导轨受力面积 s = 4 2 7 3 8 = 3 0 9 9 6 ( m m 2 )( 4 2 ) 故导轨所受最大压强 e m 。= 导= o 6 ( m p a ) ( 4 3 ) ) m = = 0 4 6( 4 4 ) b 式中b 一主导轨面的宽度，m m ： b 一运动平板与滑块的接触面宽度，m m ： s 一考虑压板弯曲的系数，大多数情况下取g = 1 5 。 根据m 值为0 4 6 ，取压强系数 k ”= 1 6 ( 4 5 ) 由最大设计压强选用计算公式 p 柚。= p m 。k ”5 【p 哪； ( 4 6 ) 式中 p 】一许用最大压力压强，根据规定，选用【p 】嗍= 1 2 ( m p a ) 。 即导轨的设计压强为 p 舳。= 吲詈= o 7 5 舰p 叫。= o 6 ( m p a ) ( 4 7 ) 可以看出导轨的设计压强为实际称重压强的1 2 5 倍，满足设计要求。考虑 行程要求和运动平稳性，选用两根长1 0 0 0 r a m 平行安装的导轨。 1 7 丑 阀门动静态转矩测试机的研制 表4 1 各种导轨的特点及应用范围 导轨类型主要特点 应用 1 结构简单、使用维修方便普通机床、压力 普通滑动导轨2 没有形成完全液体摩擦，动、静摩擦系数机、轧钢机等各种 ( 滑动导轨)差较大、低速易爬行机械 3 磨损大、寿命低 1 动导轨表面贴塑料软带( 板) 或喷涂层与铸主要应用于中、大 铁或钢导轨搭配、摩擦系数小、自润滑性能型机床、压强不大 塑料导轨好、低速不易爬行、抗磨损性能好的导轨、压力机滑 贴塑导