扭矩测量中的离心加速度 - 常常被低估

过山车,离心机和扭矩测量技术有什么共同之处?答案是令人惊讶的,离心加速度。质量和加速度的乘积往往导致更大的离心力,需要更安全的结构。

过山车的加速度,不能太高,以避免潜在的风险。另一方面,需要足够高的离心加速度才能产生失重的感觉。很多人都知道干燥机,其实就是离心机,用于将不同的材料分离。

相对于日常生活中的比较低的离心加速度相比,扭矩测量的离心加速度非常高。.

  • 干燥机的离心加速度为 400 g ≈ 4,000 m/s² - 同时还取决于转鼓直径和转速,
  • 过山车的离心加速度为 5 g ≈ 50 m/s²,
  • 而在扭矩测量中的 扭矩传感 ,其加速度高达数千 g 或 m/s².

重力加速度影响标定精度

由地球引力场产生的重力加速度,其在地球不同点有稍许差别,平均值为 ≈ 9.81 m/s²。为保证人的身体不被伤害,德国 DIN 4112 规定最大的垂直加速度不能超过 6 g [1].

重力加速度对于扭矩测量 是非常关键的,因为最精确的标定机也有自身的质量和杠杆臂,由德国标定服务机构认可的 HBM 标定实验室,其在 9.810285 m/s² 重力加速度情况下,标定的不确定性为 0.000005 m/s².

离心加速度和转速

在动力总成测试台的 扭矩传感器 以系统角速度旋转,其离心加速度取决于尺寸转速

质量和加速度的乘积将产生离心力。采用不同的设计,离心力可能会限制最大转速。重要的是要考虑其他影响因素,例如,临界转速。

离心加速度角速度的平方和半径 r 的乘积.





结果是:

(加速度单位为 m/s2 , r 单位 m  n 单位为 rpm)

下表显示了不同量程扭矩传感器和尺寸的离心加速度.

表 1: 不同设计和转速传感器的离心加速度

很显然,转速更加重要,因为其在等式中是以平方形式出现的,而直径仅代表线性关系。.

不同应用的对于扭矩传感器的转速有不同的要求,下表是不同应用的转速 [3]:

  • 通用 大约 0.000694
  • 船舶螺旋桨 (大型商业海船) 70 到 150
  • 直升机主旋翼 最大到 400
  • 小型飞机螺旋桨 2,500
  • 50 Hz 两项异步电动机 主电压约 3,000
  • 50 Hz二级发动机 主电压约 (例如 欧洲) 3,000
  • 60 Hz 二级发动机 (例如 美国) 3,000
  • 最高转速的柴油发动机 大约 5,500
  • 最高转速汽油发动机 大约 9,000 到 18,000
  • 燃气涡轮机 3,000 到 100,000
  • 涡轮增压发动机 100,000 到 300,000

离心加速度取决于转速和设计

一般来说,扭矩传感器不能在其额定量程下使用 T10FS 扭矩传感器显示了不同转速和设计对其的影响。.


图1: 离心加速度依赖转速和设计

采用双对数图,曲线  [4] 显示出所选半径的离心加速度

例如 10,000 rpm 转速, 250 mm 半径的离心加速度为 273,878 m/s2 ≈ 27,918 g, 大约 30,000 g.

图 2: 半径 r 的阵列参数

很多人认为,加速度不会影响质量,但实际上不是这样,离心力是非常重要的,对于旋转结构来说,首先要考虑的是离心力而不是加速度。

众所周知的原因: '力等于质量和加速度的乘积'

适用于旋转结构

离心力 Fz 通过


(等式中 Fz 为 N, m 为 kg, r 为 m 并且 n 为 rpm)

一枚7.5•10-3 kg 欧元硬币在转速 24,000 rpm ,半径 59.5 mm 情况下将产生.

在重力场下,其产生的力大约 ≈ 287 kg - 大约是6包 50 kg水泥的重量

结论

在扭矩测量中,其产生的离心加速度是我们日常生活中的很多被。在设计中,应该考虑由不同旋转结构产生的离心力,以保证人员安全,防止系统遭受破坏。

参考书

[1] Gunter Gebauer: Kalkuliertes Risiko: Technik, Spiel und Sport an der Grenze, Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek

[2] Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4, Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt, www.hbm.com

[3] de.wikipedia.org/wiki/Drehzahl

[4] www.siart.de/lehre/zentrifuge.pdf

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