电动机输出轴扭矩直接测量装置设计

电动机输出轴扭矩直接测量装置设计

该装置是驱动轮的动力来源。输出轴的扭转是分析挤出机动力性能和工作条件的重要参数之一。它的测量对确定电动机输出功率、检查功率利用情况、检查抽油机平衡状况以及指导抽油机平衡调节和节能装置设计有非常重要的意义。由于抽油机采用电动机以及减速箱曲柄轴特殊的安装和工作方式,使得传统扭矩测量装置难以安装。此外,在我国油田,判断游梁式抽油机的平衡依据为测量电动机电参数,但是判断抽油机平衡的最佳方式应是电动机输出轴扭矩或曲柄净扭矩,但曲柄净扭矩无法直接测量。因此,不管从何种角度出发,获知电动机输出轴扭矩在采油机械领域甚至其他领域具有重要的研究价值。当前,不管是何种类型的抽油机,分析其能耗的主要方法基本上是从扭矩的角度出发进行研究:一类是间接测量电动机输出扭矩;另一类为间接测量减速器曲柄扭矩。实际上,这2类方法从根本上都无法直接反应电动机输出轴的扭矩,有2方面的原因:一是从电参数计算电动机输出轴扭矩无法实时考虑电动机的工作效率;二是从光杆负载间接计算得到的减速器曲柄轴扭矩很难实际反映四连杆的传动效率,从根本上无法反映电动机的输出轴扭矩。本文基于上述原因,开展电动机输出轴扭矩实时测量研究。1电机输出轴转轴等组成正常情况下,抽油机用电动机通过螺栓连接固定在抽油机底座上。为了能够直接测量电动机输出轴扭矩,所设计的电动机扭矩测量装置如图1所示,主要由底座、压力传感器、支撑轴承座、转动支座等组成。其工作原理为:电动机输出轴上小皮带轮在V带紧边和松边拉力作用下,对电动机输出轴上产生的反作用扭矩即为电动机输出轴扭矩;由于电动机安装在可转动的支座上,即转动支座通过支撑轴承座与底座相连,电动机在其输出轴扭矩作用下导致电动机与底座发生相对转动;利用这种转动原理及测量装置的几何尺寸关系,通过安装在底座与电动机底座间的拉力传感器记录力信号,计算得到电动机输出轴扭矩。从电动机扭矩测量装置工作原理可以看出,其设计原理就是把原来的固定安装改变为使原动机安装在一个可转动的支座上,通过力传感器测得的力信号来计算其转矩。2测量计算方法2.1电机输出轴扭矩的测量为了能更加清晰地分析该测量装置的测量过程及相关计算方法,采用常规抽油机电动机驱动大、小带轮方案,利用图1中所说明的扭矩测量装置原理并进行简化,其简图如图2所示。图2中假设大、小带轮中心距为H,大带轮基准直径为d2,小带轮基准直径为d1,V带紧边拉力为F1,松边拉力为F2,小带轮包角为α,电机中心与转轴中心距为h,拉力传感器中心与电动机(转轴)中心水平距为a,拉力传感器所测量力的大小记为F。由带传动工作原理可知,小带轮基准直径、V带紧松边拉力直接决定了电动机输出轴扭矩的大小。因此,构建测量装置中力传感器所测力信号F、带紧边拉力F1、松边拉力F2及相关几何尺寸的关系,即达到该装置设计的目的。2.2保护作用下的力f与电机输出轴张力的关系首先分析带传动工作过程中大、小带轮的几何结构关系。在如图3所示的几何关系中,A、B、C、D四点为V带与大、小带轮的切点。从图3中V带与大、小带轮所构建的几何关系可以得到θ=arcsind2−d12aθ=arcsind2-d12a(1)α=π-2θ(2)式中,α为小带轮包角,rad;θ为V带切线与两轮中心线所夹锐角,rad。下文以V带紧边拉力F1为例,分析其在转轴中心E点所产生的力矩。所构建的紧边拉力F1与转轴中心几何关系如图4所示。由图4可以看出,紧边拉力F1对应转轴中心E点的力臂即为线段AE,记为长度l。根据图4中的几何结构关系,有l=h⋅cosθ+d12l=h⋅cosθ+d12(3)式中,h为电动机中心至铰链中心E的垂直高度,m。则紧边拉力F1在转轴中心E点所产生的力矩为M1=F1(h⋅cosθ+d12)Μ1=F1(h⋅cosθ+d12)(4)同理,与求紧边拉力F1对转轴中心E点的力矩类似,松边拉力F2对转轴中心E点的力矩为M2=F2(h⋅cosθ−d12)Μ2=F2(h⋅cosθ-d12)(5)由于紧边拉力F1与松边拉力F2在转轴中心E点所产生的力矩同向,则V带紧、松边拉力对转轴中心所产生的力矩为M=M1+M2=(F1+F2)⋅hcosθ+(F1−F2)d12Μ=Μ1+Μ2=(F1+F2)⋅hcosθ+(F1-F2)d12(6)由图2可知,该装置在拉力传感器力F的作用下平衡,当已知力F与转轴中心E点的力臂为a时,则传感器所采集的力F的信号值为F=MaF=Μa(7)又由带传动紧、松边拉力关系得F1F2=eμaF1F2=eμa(8)式中,μ为带与轮面间的摩擦因数。当为V带传动时,μ为带与轮面间的当量摩擦因数,此时它和带与轮的摩擦因数及带轮轮槽角有关,具体计算过程可参考相关机械工具书。在电动机带轮上,当已知V带紧、松边拉力及小带轮基准直径时,就可获得电动机的输出扭矩,即Md=(F1−F2)⋅d12Μd=(F1-F2)⋅d12(9)联立式(7)～(9)及测试装置结构几何关系,可以得到拉力传感器所测得的力F与电动机输出轴扭矩的关系为Md=F⋅a⋅(eμa−1)⋅d12(eμa+1)⋅h⋅cosθ+(eμa−1)⋅d12Μd=F⋅a⋅(eμa-1)⋅d12(eμa+1)⋅h⋅cosθ+(eμa-1)⋅d12(10)式(10)中θ、α均可由式(1)～(2)算得。由式(10)可以看出,当带传动机构确定后,在电动机测试装置中,电动机输出轴扭矩与拉力传感器所测力F信号为一函数关系,即由力F可直接计算得到电动机输出轴扭矩。3测量结果分析1)该测量装置直接利用带传动原理,利用力传感器所测得的力