某型渦軸發動機電相位法測量扭矩分析及研究

鄧江++張旺

摘 要：某渦軸發動機的測扭系統采用電相位法進行扭矩測量，本文從電相位法優勢、特點及原理出發，對測扭系統的組成特點和工作原理進行了詳細分析。同時為校準發動機扭矩測量系統，分析研究了扭矩匹配及修正系數的關系，總結電相位法的優勢及缺點，為測量渦軸發動機扭矩提供了思路和理論依據。

關鍵詞：測扭系統；電相位法；扭矩匹配；渦軸發動機

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0065-02

Abstract：The method of the electric phase has been used for the torque measurement by a turbo-shaft engine. Based of the methods advantage、characteristic and principle，the composition characteristic and the working principle of the torque measurement system are analysed in detail. There is a problem of the torque conformation. To calibrate the torque measurement system， researching the connection of the torque measurement and the modified coefficient， summing up this methods advantage/characteristic and disadvantage， providing the notion and basis of the torque measurement by turbo-shaft engine.

Key words：torque measurement；electrical phase；torque conformation；turbo-shaft engine

1 引言

某型渦軸發動機的控制系統由原來的機械液壓控制改為數字式電子控制和機械液壓備份的數控系統，為適應數字式電子控制的需要，原有的機械式模擬電路測量扭矩的方法已不能滿足發動機全權限電子控制的要求，需要將模擬量轉化成數字信號的離散量，才能被電子控制器所識別和利用，因此，必須采用一種新型的結構簡單且測量精度高的扭矩測量方法。

2 電相位法優勢及特點

電相位法具有結構簡單、測量精度高、扭矩信號非接觸式傳遞、檢測信號為數字脈沖信號、不易磨損、壽命長等優點，為整個測量系統的自動化、智能化提供技術保證。為了達到所要求的精度，常要求被測軸相對長而細，以產生較大的變形，所以此類傳感器主要應用于長軸的扭矩測量。

3 某型渦軸發動機扭矩測量方法選擇

該型發動機是一種自由渦輪式、帶體內減速器、前向輸出軸功率的發動機，共5個單元體，分別為軸流壓氣機、燃氣發生器、自由渦輪、減速器和附件傳動機匣。功率軸是將減速齒輪輸出的功率傳遞到附件傳動裝置上，輸出到發動機前部。功率軸的長度與直徑之比大于19，為細長型軸，同時，由于發動機控制系統采用全權限數字式電子控制，對扭矩測量信號的精度要求很高，因此，發動機采用電相位法來測量扭矩。

4 電相位法測量扭矩原理

電相位法是一種非接觸式扭矩測量方法，利用扭矩和扭轉角的關系，將扭矩產生的角變形通過音輪切割磁力線得到如脈沖等感應信號，輸出給測量電路，計算出二者的相位差。對于一根給定的鑲嵌有參照軸的彈性軸，扭矩和扭轉角（即相位差）的關系如下：

式中：G——橫向彈性模量；D——彈性軸直徑；L——彈性軸的長度；△θ——扭轉角差，△θ=θ1一θ2。

由關系式（1）可知，對于給定的彈性軸，橫向彈性模量G、彈性軸直徑D以及彈性軸長度L均是恒定的值，這樣扭矩T只是扭轉角差△θ的單值函數，因此，測量扭矩就可以轉化為測量扭轉角差△θ（即相位差）的方法。

5 發動機測扭系統組成

發動機測扭系統由功率軸、參照軸、音輪、扭矩傳感器和扭矩匹配盒以及電子控制器組成（如圖1所示）。

參照軸和音輪是連接成一個整體，功率軸和音輪上各裝有4個等距齒，且每個齒相對軸向存在一定的偏向角，組合狀態下音輪和功率軸齒的相對偏角為46°57′±6′，這8個齒構成扭矩測量系統的音輪。參照軸和音輪套在功率軸上，并且二者有一定的間隙，即間隙配合，這樣功率軸扭轉運動，而參照軸和音輪保持相對靜止，白色凸臺為功率軸，黑色凸臺為音輪。（如圖2和圖3所示）。

扭矩傳感器為電磁式傳感器，輸出電信號為相位移脈沖信號，提供給電子控制器，電子控制器計算信號的相位移，以確定發動機實時的、真實的輸出扭矩。傳感器用螺釘安裝在連接管右前端的安裝座上，伸進的深度靠調整墊來調節，并且正對著音輪安裝。

6 發動機測扭系統工作原理

發動機不工作時，沒有輸出功率，此時扭矩為0，音輪的齒輪間距離是相等的，即a=b。

發動機工作時，由于功率軸上的齒承受扭矩發生變形，而參照軸和音輪不受扭，因而每個齒與兩邊相鄰齒之間的夾角a和b會發生變化，齒輪的旋轉切割傳感器附近的磁場，使傳感器向電子控制器輸出一個電信號，電子控制器計算信號的相位移。當扭矩增加時，功率軸相對于參照軸扭轉導致夾角發生變化（a增加，b減小）。該夾角與輸出的電信號的相位對應，電子控制器計算出差值（a-b）/2，然后確定發動機的扭矩（如圖4、5所示）。

7 扭矩匹配

電相位法測量的是發動機功率軸的總變形，因此，電相位法測得的扭矩與車臺系統水力測功器測得的扭矩值不一致，存在一定的差異，需要“校準”發動機的測扭系統，根據測量的一系列扭矩數據進行擬合，也就是匹配后，發動機扭矩就與車臺系統水力測功器讀到的扭矩值相同，反映了發動機的真實扭矩。

7.1 扭矩匹配法則

通常情況下，發動機100%扭矩是已知的，再根據發動機測扭系統的測量值，可以對數據進行擬合，得到以下構造函數：

TRQSD= （2）

式中：CM_VOL=發動機測扭系統的測量值，TRQSD=車臺扭矩，a=斜率修正系數，b=零位修正系數，100%CM_

VOL=1000 N·m。

根據錄取發動機性能數據，確定分別與TRQSD·1=850N·m和TRQSD·2=300N·m相對應的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，代入構造函數（2）中分別算出斜率修正系數a和零位修正系數b。

7.2 修正系數“a”和“b”的確定

已知TRQSD·1=850 N·m和TRQSD·2=300 N·m相對應的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，根據構造函數（2）可以確定斜率修正系數a和零位修正系數b的值：

a= （3）

b= （4）

檢查a、b值是否在所給定的限制值范圍之內，也就是：

amin-1%≤a≤amax+1%

bmin-1%≤b≤bmax+1%

則：

-5.1≤a≤5.1 （5）

-56.75≤b≤42.03 （6）

如果a和b的值都滿足上述條件（5）和（6），則可以選擇匹配電阻PCM_E和0CM_E，根據匹配電阻確定扭矩匹配盒網絡電阻的值，然后進行一次試車驗證。

8 結語

根據發動機測扭系統工作原理和扭矩匹配法則，通過功率軸的扭轉變形和音輪的切割磁力線，輸出感應的脈沖信號，通過測量脈沖信號的相位差，就能測得發動機的扭矩，雖然電相位法在測量扭矩方面有很多優點，但是電相位法測量扭矩也存在扭矩校準和匹配問題。本文詳細分析研究電相位法測量扭矩的結構原理及影響因素，可用于指導功率軸為細型長軸的渦軸發動機設計及維護。

參考文獻：

[1]文西芹，張永忠.扭矩傳感器的現狀和發展趨勢[J].儀表技術與傳感器，2001.12.

[2]鄧海勇，姚靈革，施大明.某型渦軸發動機維護手冊[M].株洲：中國南方航空工業（集團）有限公司，2015.

[3] Brian J，Hamilton，Glandale A Position sensor for magnede sttspension and poiming system U.S Patent.1986（16）.