В технике часто встречается вращение тел: вращаются колеса экипажей, валы машин, пароходные винты и т. д. Во всех этих случаях на тела действуют моменты сил. При этом часто нельзя указать какую- либо одну определенную силу, создающую вращающий момент, и ее плечо, так как вращающий момент создается не одной силой, а многими силами, имеющими разные плечи. Например, в электромоторе к виткам обмотки якоря приложены на разных расстояниях от оси вращения электромагнитные силы; их совместное действие создает некоторый вращающий момент, который и вызывает вращение якоря и соединенного с ним вала мотора. В подобных случаях нет смысла говорить о силе и плече силы. Значение имеет единственно результирующий момент силы. Поэтому возникает необходимость непосредственного измерения момента силы.

Для измерения момента силы достаточно приложить к телу другой известный момент силы, который уравновешивал бы измеряемый момент. Если достигнуто равновесие, то, значит, оба момента сил равны по абсолютному значению и противоположны по знаку. Например, чтобы измерить вращающий момент, развиваемый электрическим мотором, на шкив мотора 1 надевают сжатые болтами колодки 2 так, чтобы шкив мог с трением вращаться под колодками. Колодки скреплены с длинным стержнем, к концу которого прикрепляют динамометр (рис. 120). Ось колодок совпадает с осью мотора. При вращении мотора момент сил трения, действующий со стороны шкива на колодки, поворачивает колодки со стержнем на некоторый угол в направлении вращения мотора. При этом динамометр несколько растягивается и на колодки начинает действовать со стороны динамометра противоположный момент, равный произведению силы натяжения динамометра на плечо . Сила натяжения динамометра равна по модулю и противоположна по направлению силе , действующей со стороны стержня на динамометр (рис. 120). Так как колодки покоятся, то вращающий момент, развиваемый мотором, должен быть равен по абсолютному значению и противоположен по знаку моменту силы натяжения динамометра. Итак, при данной скорости мотор развивает момент, равный .

Рис. 120. Измерение момента силы, создаваемого электромотором

При измерениях очень малых вращающих моментов (например, в чувствительных гальванометрах и других физических измерительных приборах) измеряемый вращающий момент сравнивают с вращающим моментом, действующим со стороны закрученной нити. Измерительную систему, находящуюся под действием вращающего момента, подвешивают на длинной тонкой нити, металлической или из плавленого кварца. Поворачиваясь, измерительная система закручивает нить. Такая деформация вызывает появление сил, стремящихся раскрутить нить и обладающих, следовательно, вращающим моментом. Когда измеряемый момент становится равным моменту закрученной нити, устанавливается равновесие. По углу закручивания при равновесии можно судить о вращающем моменте нити и, следовательно, об измеряемом моменте. Связь между вращающим моментом нити и углом закручивания определяется путем калибровки прибора.

Измерение крутящих моментов

Момент M – физическая величина, выражаемая произведением силыF на плечоL (момент сил).

В случае вращающихся силовых или рабочих машин для других объектов, в которых сила вызывает вращение тела вокруг некоторой точки, говорят о крутящем моменте. Крутящий момент можно обозначать с индексом, например M d . В этом случае плечом является радиус, на котором действует силаF :

M = F L; M d = F r.

Единицей момента силы в системе СИ является ньютон-метр (Н·м), под которым понимают момент силы, равной 1 Н, относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от линии действия силы.

Преобразователи (датчики) крутящего момента. Преобразователи (датчики) крутящего момента, как показывает опыт, часто подвергаются разрушающей перегрузке. Это объясняется следующим.

В зависимости от типа устройства, создающего крутящий момент, среднее значение этого момента образовано последовательностью импульсных моментов, которые могут значительно превосходить среднее значение. В двигателях внутреннего сгорания вообще имеет место пульсирующий крутящий момент. В то же время нередко ошибочно при тарировке и испытаниях датчиков крутящего момента используют электродвигатели, создающие постоянный крутящий момент. Часто не учитывают того, что исследуемая установка представляет собой колебательную систему и что в ней могут возникать крутильные колебания. При переходе через положение резонанса мгновенные значения могут во много раз превысить среднее значение крутящего момента. Преобразователи (датчики), рассчитанные на среднее значение момента, могут не выдержать таких перегрузок, и поэтому их необходимо рассчитывать на максимумы момента.

При измерении динамической колебательной характеристики производственного оборудования необходимо проверить, в какой мере преобразователь (датчик) крутящего момента, действующий как торсионная пружина, меняет колебательную характеристику всей установки в целом.

Тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента. Такие преобразователи находят широкое использование для измерения крутящего момента. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных преобразователей крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н·м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более.

Важнейшей частью преобразователя (датчика) крутящего момента является, как правило, чувствительный цилиндрический элемент, который под действием приложенного к нему моменту закручивается. Возникающие при этом напряжения сдвига или деформации служат мерой крутящего момента. Упомянутые напряжения или деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 45 0 к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона. Для передачи питающего напряжения и измерительного сигнала применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец. На рис.1 приведена типичная конструкция преобразователя (датчика) крутящего момента с контактными кольцами. На суженном участке вала, представляющего собой чувствительный элемент, видны тензорезисторы, расположенные под углом 45 0 .

Известно соотношение
. Поэтому, зная и параметры торсионного вала получим
Измеряя углы закручивания, можно определить соответствующее значениеМ к . При малых крутящих моментах для получения достаточной деформации диаметр вала должен быть очень малым. (Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съемных щеток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом.

Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого преобразователя является преобразователь момента, представленный на рисунке 2. Этот преобразователь работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проеме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своем вращении в проеме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов.

Н
а схеме обозначены: 1, 2 – полумуфты левая и правая; 3, 4 левый и правый диски с выступами, 5 – упругие элементы (пружины). Этот преобразователь крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закрепленные на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере – пружины сжатия), размещенные между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т.е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закрепленные на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проеме одного и того же фотодатчика (рис. 2).

Рис.2 – Конструкция преобразователя момента в виде упругой муфты

Здесь торсионный вал упразднен и заменен упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. Следовательно, рассматриваемый преобразователь фактически представляет собой упругую муфту, позволяющую помимо своей основной функции вести измерение передаваемого момента.

Работает преобразователь крутящего момента следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов.

Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы преобразователя, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов.

Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью: диапазон измерений находится в пределах от 0 – 0,1 Н·см до 0 – 100 кН·м.

Конструктивное исполнение, основные типы. Основным элементом индуктивных преобразователей (датчиков) крутящего момента является торсионный стержень, закручивание которого воспринимается индуктивным преобразователем. При этом либо втяжной якорь перемещается в катушках, что вызывает разбаланс мостовой схемы, либо катушки в трансформаторной схеме перемещаются одна относительно другой. В обоих случаях на выходе системы обмоток появляется напряжение, пропорциональное закручиванию стержня, а следовательно, и крутящему моменту.

Так как индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента должны работать на несущей частоте, то и в данном случае имеется возможность бесконтактного подвода и регистрации напряжения.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента. Метод измерения, положенный в основу струнного тензометра, может быть использован и для измерения крутящих моментов.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента выпускают серийно для установки на валах диаметром от 50 до 750 мм. В зависимости от производственных условий это примерно соответствует диапазонам измерения крутящих моментов от 0 – 100 Н·м до 0 – 5 МН·м. Максимальная частота вращения составляет 1500 об/мин для валов малого диаметра и снижается максимум до 150 об/мин для валов большого диаметра.

Класс точности самого измерительного устройства 0,5 – 1 %. Если статическая юстировка невозможна, то отклонения от положенных в основу расчетных данных могут привести к дополнительной погрешности.

Конструктивное исполнение. Струнные преобразователи крутящего момента состоят из двух колец, закрепляемых на валу на заданном расстоянии одно от другого, и двух натянутых между ними ферромагнитных проволок – струны. При нагружении вала кольца хотя и незначительно, но пропорционально приложенному крутящему моменту скручиваются одно относительного другого. В результате механическое напряжение, а следовательно, и частота одной из струн повышается, а другой – понижается. Изменение частоты колебания струны, вызванное нагружением вала, служит мерой приложенного к нему крутящего момента.

Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента. Пьезоэлектрический эффект используется для измерения крутящего момента только применительно к измерительной платформе. Реагирующие на сдвиг кварцевые пластинки, установлены по кольцу и их оси, направлены по касательным. Отдельные кварцевые пластинки электрически и механически соединены между собой параллельно; полный заряд соответствует воздействующему на них крутящему моменту. Применение его в основном такое же, как в пьезоэлектрических динамометрах.

Испытательные стенды. Испытательные стенды, обычно называемые балансирными машинами, служат для определения мощности и характеристики мощности силовых машин всех типов и используются при экспериментальных и конструктивных разработках, а также в серийном производстве. В их состав входят не только устройства для измерения крутящего момента, но и устройства для определения частоты вращения и других параметров. В зависимости от конструктивного исполнения и оснащения они снабжены устройствами для регулирования и управления, позволяющими получить характеристики в функции различных критериев. Таким образом, обеспечивается возможность быстрого суждения о поведении и процессе работы силовых машин, испытываемых на этих стендах.

Конструктивное исполнение, основные типы. Для измерения крутящих моментов на машинах необходимы две функции:

1) поглощение (преобразование, гашение) энергии, выработанной испытуемой машиной;

2) измерение получившегося при этом крутящего момента.

Преобразование энергии может быть осуществлено:

а) вихревыми гидравлическими тормозами, в которых работа, затраченная на вихревое гидравлическое движение, превращается в тепло;

б) тормозами, использующими вихревые токи (вихревыми тормозами), в которых электрическая энергия превращается в тепло;

в) электромагнитными тормозами, в которых магнитные силы в смеси масла с ферромагнитным порошком создают сопротивление вращению ротора и превращаются в тепло;

г) электрическими генераторами, в которых механическая энергия силовой машины превращается в электрическую энергию.

Для измерения крутящего момента корпус тормозного устройства обычно свободно подвешивают. Через рычаг заданной длины он упирается в динамометр. Измеряемый крутящий момент и противодействующий момент равны друг другу. При заданной длине рычага можно, измеряя динамометром силу F , по формулеM d = F r определить крутящий момент, градуируя шкалу динамометра в единицах момента.

Измерять крутящий момент можно механическими методами, например маятниковыми весами, или электрическими методами, например, с помощью тензорезисторов. Измерение момента, развиваемого порошковыми электромагнитными тормозами, ведется при помощи индикатора часового типа, одно деление которого соответствует определенной величине момента, полученному при тарировке.

Мощность и крутящий момент – два ключевых параметра, по которым выбирают скоростные двигатели. Кого-то интересует как можно большее количество лошадиных сил в сердце автомобиля. Кому-то более важен максимальный крутящий момент.

По какому из этих характеристик подбирают автомобили профессионалы? Зависит ли одно от другого? Что, если крутящий момент небольшой, а мощность довольно высокая? Не все опытные автомобилисты смогут исчерпывающе ответить на все эти вопросы. А мы – попытаемся.

От чего зависит мощность двигателя?

«Сколько у тебя лошадок?» – один из самых часто задаваемых вопросов в кругу автолюбителей. Традиционно сложилось так, что чем больше так называемых лошадиных сил в двигателе, тем быстрее и мощнее считается авто. Но мало кто знает, что величина, именуемая лошадиными силами, не является официальной и даже не входит в международную систему измерения (помните со школы систему СИ?).

Появилась эта единица измерения еще в эпоху промышленной революции. Одной лошадиной силе равнялась мощность, способная поднять 75 кг на 1 м за 1 с. Обусловлено это тем, что в то время гораздо более важной была не скорость автомобиля, а скорость добычи угля.

В наше же время всем известная «л. с.» считается «нелегальной». Международная метрологическая организация требует изъять ее как можно быстрее. А официальная законодательная директива с 2010 года позволяет использовать ее только как вспомогательную единицу измерения.

Тем не менее ее до сих пор не заменили на официальные киловатты. Причин этому несколько:

• 1.Банальное, но правдивое выражение «привычка – вторая натура»;
• 2.Маркетинг автомобильных компаний;
• 3.Избежание путаницы.

В чем состоит маркетинг автокомпаний? В том, что если хоть одна из них перейдет на официальную единицу измерения кВт, то лишится ощутимого процента покупателей из-за банальной путаницы. Ведь, если взять, к примеру, популярный кроссовер Kia Sportage, то его мощность в лошадиных силах равна 136 и 184 в двух вариантах. В киловаттах же – 100 и 135 соответственно. Понимаете? Как они могут перейти на международную единицу измерения, если у конкурентов будет цифра 184, а у них всего-то 135? Не зря в Америке говорят: «Мощность помогает продавать машины».

Как измеряется крутящий момент?

Возникает момент при торможении коленчатого вала одним из способов:

• гидротормозом;
• генератором;
• иным способом, который может заставить «тянуть» машину.

Да-да, именно так его и измеряют: тормозят двигатель или колеса. При этом в характеристике указывается максимальный момент, который только может развить мотор, при полном нажатии педали тормоза. В начале этот показатель невелик, затем он растет до пика и падает.

Что такое крутящий момент?

У большинства современных водителей, к сожалению, нет полного представления о том, что такое крутящий момент. Измеряется он в ньютон метрах (н∙м) и является величиной, которая напрямую взаимосвязана с мощностью. Все, что известно автолюбителям о крутящем моменте – это то, что он должен быть как можно выше. Но тогда чем он отличается от мощности?

Запомните: мощность, крутящий момент, обороты двигателя – взаимозависимые величины . Существует ряд формул, по которым, зная два из этих параметров можно рассчитать третий.

Говоря техническим языком, мощность – величина, представляющая, какое количество работы способен выполнить мотор за определенное количество времени. Крутящий момент показывает потенциал двигателя для совершения этой самой работы. Иными словами, чем больше крутящий момент, тем большее сопротивление способен преодолеть мотор.

Представим ситуацию: вы за рулем автомобиля с мощностью 100 л. с. Впереди едет грузовик и вам нужно как можно быстрее его обогнать и вернуться на нужную полосу движения. Для этого вашему автомобилю придется задействовать всю свою мощность. В этом случае крутящий момент как раз является так называемым предводителем лошадиных сил, которых собирает их все в единый табун.

Хотите объяснение еще проще? Проведем аналогию с человеком: его силу можно измерить в ньютон метрах, а выносливость – в лошадиных силах. Именно поэтому настоящими тяжелоатлетами считаются «тихоходные» дизельные двигатели, которые медленно, но решительно перевозят на своих «спинах» тяжелые грузы. Бензиновые, в свою очередь, быстрее, но большие нагрузки не для них.

Выбирая среди двух моторов с примерно одинаковым количеством лошадиных сил, всегда отдавайте предпочтение более «моментному» двигателю. Особенно если коробка передач – механика. Если же предпочитаете езду «на пределе», знайте, что в этом случае лучше взять двигатель не с большими оборотами, а с максимальным крутящим моментом.

Итог

Что ж, надеемся, вы получили ответы на свои вопросы. Теперь-то вы наверняка знаете, какой двигатель больше всего подошел бы для вас? И все последующие разы, садясь за руль, спрашивая характеристики авто или отвечая на вопросы коллеги-автолюбителя, будете более осведомлены в деталях технических параметров машины. Удачи на дорогах!

Методы измерения. Вращающий момент может быть определен непосредственным или косвенным методом. Непосредственное измерение момента осуществляется следующими способами: статическим, измерением суммарного момента и динамическим.
При использовании статического способа момент определяют с помощью моментемеров при установившейся частоте вращения ротора. Сняв семейство точек механического момента при различной частоте вращения, получают статическую механическую характеристику. К недостаткам этого способа следует отнести большой нагрев двигателей при определении момента вне рабочей зоны механической характеристики двигателя, что удлиняет время испытаний, ведет к нестабильности измерений из-за неустановившегося теплового процесса, а при длительных измерениях может привести к недопустимому для нормальной работы изоляции нагреву его обмоток.
Способ измерения суммарного момента основан на измерении момента, действующего на статор двигателя и численно равного моменту, действующему на его ротор. Способ позволяет определить вращающие моменты как при установившемся режиме работы, так и при переходных процессах. Основным недостатком этого способа является необходимость крепления двигателя к измерительному механизму. Технологический разброс размеров двигателя приводит к смещению его центра тяжести относительно оси поворота прибора, что может привести к погрешностям при измерении.
Динамический способ определения вращающего момента основан на измерении ускорения двигателя при пуске на холостом ходу.
Если известен момент инерции ротора, для определения электромагнитного момента достаточно измерить величину ускорения.
В ряде случаев этим способом можно получать и статическую механическую характеристику, когда электромагнитная постоянная времени существенно меньше электромеханической. Для этого устанавливается дополнительная маховая масса на роторе, момент инерции которой, как показывает практика, должен в 5...7 раз превышать момент инерции ротора двигателя. Данный способ предусматривает пуск двигателя в режиме холостого хода, поэтому получить значение начального пускового момента нельзя.
Для устранения этого недостатка перед включением испытуемого двигателя в сеть его необходимо разогнать до некоторой скорости (10... 20 % от номинальной) в противоположном направлении. После этого двигатель включают в сеть, он начинает тормозиться до нулевой скорости, а затем ускоряться. При этом точку нулевой скорости двигатель проходит с отличным от нуля ускорением, что позволяет рассчитать начальный пусковой момент по формуле.
При использовании статического способа применяют различные тормозные моментомеры - фрикционные, гидравлические, аэродинамические, электромагнитные и электромашинные, а также крутильные моментометры - в основном тензометрического типа. При исследовательских испытаниях основным требованием, предъявляемым к моментомерам, является точность. В то же время такие факторы, как трудоемкость испытаний и сложность установки, можно не принимать во внимание. В случае приемосдаточных испытаний в серийном производстве основным при выборе типа моментомеров является минимум трудозатрат. Что касается точности, то требования к ней менее жесткие, чем в первом случае, и, как правило, для измерений достаточен класс точности 1,0 ...2,5. Моментомеры, предназначенные для проведен™ приемочных, типовых и ресурсных испытаний, должны обладать большим сроком службы и работать при повышенных вибрациях, температурах, влажности и т.д. В ряде случаев моментомеры должны обладать такой механической характеристикой, которая полностью имитировала бы момент сопротивления нагрузки. Подбор типа моментомера зависит от вида механической характеристики испытуемого двигателя, чтобы область исследуемых моментов находилась в статически и динамически устойчивой зоне механической характеристики моментомера.

Тормозные устройства моментомеров, Анализ этих устройств проведем с учетом приведенной классификации моментомеров.
Фрикционные тормоза являются наиболее простыми по конструкции. Создаваемый ими момент нагрузки не зависит от частоты вращения. а только от давления. Конструктивно такие тормоза состоят из металлического шкива, насаженного на вал испытуемого двигателя, разрезной деревянной колодки или заменяющей ее ленты (металлической или текстильной) и измерительного устройства. Требуемый момент на валу создастся путем сжатия колол к и или натяжения ленты. В двигателях малой мощности вместо ленты может использоваться нить. Механические характеристики фрикционных тормозов нестабильны и зависят от температуры контактной поверхности, влажности, давления и химического состава окружающей среды и пр. К недостаткам фрикционных тормозов относится и то обстоятельство, что коэффициент трения покоя существенно отличается от коэффициента трения движения, причем переход от первого ко второму происходит скачкообразно.
Аэродинамические и гидравлические тормоза имеют механические характеристики,
М = кп2,

где к - коэффициент, учитывающий конструкцию тормоза; п - частота вращения.
В этих тормозах мощность расходуется на движение и подогрев жидкости или воздуха и они могут быть выполнены на значительные мощности. Простейшим примером гидравлического тормоза является гидронасос, а аэродинамического - вентилятор.
Аналитический расчет механической характеристики указанных тормозов, который по существу сводится к определению коэффициента к, весьма приблизителен, что требует предварительной тарировки этих тормозов.

Механические характеристики электромагнитных тормозов с медным (1), алюминиевым (2) и латунным (3) дисками

Электромагнитные тормоза просты в изготовлении и удобны в эксплуатации. Они состоят из поворотного статора, по окружности которого располагаются на равном расстоянии друг от друга электромагниты чередующейся полярности, и вращающегося внутри него диска (ротора), в котором наводятся вихревые токи, создающие тормозной момент. Диск соединен с валом испытуемого двигателя. По принципу действия электромагнитный тормоз аналогичен асинхронной машине, работающей в режиме динамического торможения. Поворотный статор соединен с грузом (противовесом), так что измеряется не момент, действующий на ротор испытуемого двигателя, а момент реакции, действующий на поворотный статор моментомера. В зависимости от материала, из которого изготовлен диск моментомера, изменяется критическая скорость, выше которой характеристика тормоза становится статически неустойчивой.
К недостаткам электромагнитных тормозов следует отнести значительную мощность, потребляемую обмотками электромагнитов, наличие момента трения в подшипниках моментомера, что следует учитывать при испытаниях двигателем малой мощности, и сравнительно большой момент инерции.
Электромашинные тормоза применяют в балансирных моментомерах (баланс-машинах) и в электромашинных моментомерах. Измерение момента в этом случае проводится методом суммарного момента. Электромашинный тормоз представляет собой электрическую машину, ротор которой соединен с ротором испытуемой машины, а статор является частью измерительного устройства моментомера.
Необходимыми характеристиками обладает машина постоянного тока, работающая в одном из тормозных режимов - рекуперативного торможения, динамического торможения, противовключения. Регулируя напряжение питающей сети, можно смещать механическую характеристику машины параллельно самой себе в зону больших или меньших скоростей, т.е. регулировать момент нагрузки.

Конструктивно баланс машина отличается от обычной тем что ее статор вместе с корпусом и другими крепящимися к нему деталями имеет собственные подшипники, так что он имеет возможность поворота на некоторый угол, определяемый ограничителями.

К достоинствам рекуперативного торможения следует отнести малое потребление энергии при испытаниях.
При динамическом торможении якорь машины постоянного тока замкнут на нагрузочное активное сопротивление, а обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока. Наклон характеристик при динамическом торможении зависит от нагрузочного сопротивления и тока возбуждения.
При противовключении машина постоянного тока с независимым возбуждением включается в сеть так. что развиваемый ею электромагнитный момент направлен в противоположную вращению ротора сторону. При этом с помощью резистора осуществляется ограничение тока якоря. Изменяя ток возбуждения, можно изменять наклон механических характеристик и величину момента при неподвижном роторе.
В качестве электромашинного тормоза могут применяться асинхронные машины в основном в режиме динамического торможения. В этом случае обмотка статора асинхронной машины включена в сеть постоянного тока, а фазная обмотка ротора - на внешнее активное сопротивление. Регулирование критической скорости осуществляется изменением этого активного сопротивления.
Асинхронная машина с короткозамкнутой обмоткой ротора практически не используется вследствие малой величины критической скорости и из-за того, что вся подводимая энергия выделяется внутри машины. Ограниченное применение имеет и режим противовключения асинхронной машины, так как для регулирования частоты вращения холостого хода (синхронной) требуется дорогостоящий преобразователь частоты.
Применение синхронной машины в качестве электромашинного тормоза возможно при работе в режиме генератора на отдельную активную нагрузку. В этом случае величина критической скорости пропорциональна величине активного сопротивления нагрузки, а максимальный момент - потоку возбуждения. Механические характеристики такого тормоза при постоянном возбуждении аналогичны характеристикам.

ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

При исследовании и контроле над работой различных устройств и агрегатов (двигателей, насосов, компрессоров, генераторов и т.д.) часто возникает необходимость измерения крутящего момента на валу устройства.

Крутящий момент на валу электродвигателя приближенно можно измерять обычным ваттметром при одновременном измерении частоты вращения. Крутящий момент однозначно определяется мощностью и частотой вращения из известных зависимостей. Однако здесь следует иметь ввиду, что, измеряя ток и напряжение, определяющие мощность, мы опроеделяем не фактическую мощность на валу двигателя, а его электрическую мощность, которую можно перевести в механическую только при условии, что достаточно точно известна электромеханическая характеристика электродвигателя. Это не всегда возможно, поэтому такой способ измерения используется только в том случае, когда передаваемый (или потребляемый приводимым двигателем объектом) крутящий момент не является предметом исследования.

В том случае, если крутящий момент необходимо измерять достаточно точно, применяются в основном два способа: измерение с помощью так называемых мотор-весов и измерение с помощью тензометрических датчиков крутящего момента.

Мотор-весы представляют собой укрепленную на оси платформу, на которой устанавливается испытываемый объект (рис. 17.1).

При использовании противовесов (рис. 17.1а ) практически невозможно измерять переменный крутящий момент и точно подобрать вес грузов 4, т.к. платформа в этом варианте является неустойчивой, и невыполнение условия F∙R = М КР может привести к ее колебаниям.

При использовании тензодатчиков 6 (рис. 17.1б ) проблемы неустойчивости нет, а при установке датчиков 6 с обеих сторон при Δ ~ 0 устройство может измерять крутящий момент, изменяющий не только величину, но и направление.

Промышленностью выпускаются также неподвижные тензодатчики крутящего момента, которые можно использовать в устройствах, напоминающих мотор-весы (рис. 17.2).

В этой конструкции тензодатчик 9 может измерять переменный по величине и направлению крутящий момент. Ось электродвигателя 7 с максимальной точностью совпадает с осью подшипника 6 и датчика 9.

Выпускаются также вращающиеся тензодатчики крутящего момента, которые при свеем применении требуют использования токосъемных устройств.

И в неподвижных, и во вращающихся тензодатчиках чаще всего измерение производится тензорезисторами, наклеенными на упругий вал в направлении его «скручивания» под действием крутящего момента. Как правило, современные промышленные датчики имеют вторичные приборы, проградуированные в единицах крутящего момента (Н∙м) и снабженные цифровым выходом на ЭВМ.

В лабораторных условиях, когда по каким-либо объективным причинам нет возможности использовать готовые тензодатчики крутящего момента, можно использовать простой датчик, схема которого приведена на рис. 17.3.

Крутящий момент создает на измерительной балке 3 усилие, которое приводит к изменению сопротивления основного измерительного тензорезистора, наклеенного на боковую поверхность балки. Компенсационный тензорезистор наклеен сверху и не претерпевает растяжения или сжатия при изгибе балки.

В качестве балки 4 с тензорезисторами 5 можно использовать также готовый тензодатчик балочного типа.

Сигнал с тензорезисторов (или с промышленного тензодатчика) подводится к кольцевым проводникам токосъемного устройства 7, а затем с помощью графитовых щеток передается на вторичный прибор (тензостанцию), после чего выводится на показывающий прибор, или через АЦП – в ЭВМ.

Использование готового тензодатчика балочного типа предпочтительнее, т.к. отпадает необходимость тарировки. Кроме того, во многих серийных тензодатчиках сразу имеется усилитель и АЦП, в связи с чем его сигнал может быть непосредственно послан в ЭВМ.

При измерении параметров вращающихся объектов очень часто имеется необходимость фиксации частоты вращения (частоты двойных ходов), а также определенных положений вала объекта, например – верхней или нижней мертвой точки поршневых машин, крайних положений гидро- или пневмоцилиндров и т.д. С этой целью чаще всего используют оптоэлектронные пары, магнитные управляемы герметичные контакты (герконы) и индукционные датчики.

В случаях применения оптоэлектронной пары для контроля частоты вращения или положений вала, на вращающийся вал устройства надевают диск с узкой прорезью и устанавливают на одной линии с одной стороны диска источник света, а на другой стороне – приемник (фоторезистор или фотодиод), которые включают в соответствующие измерительные схемы. При прохождении прорези между источником и приемником света электрические параметры последнего изменяются, появляется сигнал, который фиксируется измерительной аппаратурой. Для определения частоты вращения производят подсчет таких сигналов за единицу времени, или определяют временной интервал между соседними сигналами. Световой проход узкой щели выбирается в пределах нескольких десятых долей миллиметра и зависит от яркости источника света, чувствительности приемника, частоты вращения и расстояния оптоэлектронной пары от оси вращения. Чем больше это расстояние, тем шире может быть щель. Частота срабатываний такого устройства составляет сотни Гц.

Герконы очень просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Они представляют собой два упругих проводника с магнитными свойствами, помещенные в общую стеклянную (или любую другую диэлектрическую) капсулу (рис. 17.4)

При наложении на геркон магнитного поля его контакты притягиваются друг к другу и геркон начинает пропускать электрический ток. Герконы достаточно миниатюрные устройства, диаметр капсулы может быть менее 2 мм при длине 5-6 мм. Частота их срабатываний может составлять сотни Гц.

Чаще всего управляют работой геркона постоянным магнитом, который крепится на подвижную часть устройства, положение которого хотят зафиксировать. При приближении магнита к геркону его контакты замыкаются. На рис. 17.5. приведена простейшая схема управления работой геркона.

Недостатком герконов является невозможность работы с большими токами, но в данном случае, при использовании его в качестве датчика, можно ограничиться током всего лишь в десятки миллиампер. Еще один недостаток - ограниченное число срабатываний до разрушения контактов. Оно составляет около 10 8 – 10 10 раз и более.

Простейший индукционный датчик представляет собой катушку индуктивности, намотанную на стальном сердечнике из магнитомягкой (легко перемагничиваемой) стали. При попадании датчика в переменное (изменяющееся) магнитное поле в катушке возникает ЭДС индукции, которая и является выходным сигналом датчика. Схема включения такого датчика аналогична схеме включения геркона (рис. 17.6).

Как и оптоэлектронный датчик, данное устройство не имеет подвижных частей и не изнашивается во время работы. Основной недостаток таких датчиков – существенная зависимость уровня сигнала от скорости изменения магнитного поля, в связи с чем его невозможно использовать для контроля медленно перемещающихся (в т.ч. вращающихся) объектов.