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.
