扭矩控制论文

扭矩控制论文（精选9篇）

扭矩控制论文 篇1

摘要：螺栓扭矩控制的好坏对于整机的性能有较大的影响。检定合格的扭矩扳子在装配现场使用时, 经常出现扭矩不准确或数值波动较大的现象。本文从分析影响扭矩值的主要因素着手, 明确扭矩扳子的使用方法。

关键词：扭矩控制,扭矩扳子

引言

我公司船用齿轮箱、工程机械变速箱等总成装配现场大量使用机械预置式扭矩扳子, 而指针式扭矩扳子主要用于检验。在实际装配过程中, 因操作工或管理者对标定工作的重要性不理解、对扭矩扳子的性能不熟悉, 经常发现一些不正确操作情况, 导致整机渗漏油或部件未拧紧问题屡次发生。为加强扭矩控制, 现从扭矩扳子的使用、扭矩的影响因素等几方面入手, 提出扭矩控制的要求。

1 使用前对扭矩扳子标定的重要性

装配现场扭矩扳子均纳入了测量设备管理范围, 已按计划进行周期检定, 确保不超期使用。为什么还要在现场配置标定器, 要求操作工使用前进行标定?那是因为装配现场中使用的扭矩扳子存在失准现象。失准的两个主要原因是:

(1) 扭矩扳子突变 (卡死或重复性差) 。由于扭矩扳子长时间、高频率的使用, 内部零件受到磨损, 变形, 致使扭矩发生突变。

(2) 扭矩扳手的漂移。由于扭矩扳子的量值是依靠弹簧传递, 在频繁使用中, 会产生一些漂移。漂移指扭矩扳子实际检测值与设定值之间的误差。

为避免漂移现象的发生, 公司里采用标定的方式进行控制。标定就是指每天在使用扭矩扳子前, 仅仅对扭矩扳子的设定值进行检测和了解扭矩扳手工作状况的工作。由于扭矩扳子在频繁的使用后, 容易产生漂移现象, 因此在工作开始前应对扭矩扳子进行校验即标定, 检查扭矩扳子的状态, 并及时调整漂移量, 确保扭矩扳子的准确性。

2 影响扭矩值的几大因素

经常有总成装配车间反映, 扭力扳子不准确。我们经过分析, 认为主要有以下几方面的原因:

2.1 扭矩扳子的量程

根据JJG707-2003《扭矩扳子》检定规程, 扭矩扳子的使用范围为其额定值的20%~100%。但我们经过现场装配过程中反复实验, 扭矩扳子的使用范围应进行缩小。一般情况下, 使用扭力扳子应使其量程满足工艺要求的1.3倍, 即对于工艺要求螺栓拧紧力矩为55Nm的, 应选择量程为80Nm的扭力扳手。在这种情况下使用时, 扭矩扳子弹簧有一个良好的预紧力, 同时又有足够的弹簧变形余量。弹簧的性能对扭矩扳子的使用准确度和使用寿命非常重要。

2.2 扭矩调整过程

预置式扭矩扳子的控制值是在一定范围内可调的。为满足工艺要求, 应在投入使用前进行正确的调整。对无小刻度的预置式扭矩扳子, 应将活动刻度调到主刻线的中心位置, 对有微调装置的扭矩扳子应先将主刻度调整到主刻线附近, 再将小刻度调整对齐小刻线, 扭矩值=主刻度值+小刻度值。如果调整不准确, 特别是对无小刻度的扭矩扳子, 后续操作再正确也不会得到准确的扭矩值。

2.3 零件之间的配合因素

零件之间的配合因素是指零件之间的配合尺寸是否与工艺相符, 螺纹联结件的螺纹尺寸是否合格等。比如我们在装配试车过程中发现, 不少整机上下箱体结合面之间存在漏油现象, 测定扭矩发现数值偏大。操作工认为结合面表面粗糙, 需要加大扭矩才会防止漏油。后在箱体加工工序控制粗糙度, 漏油情况得到很大的改善。

2.4 加力过程

加力过程有三个影响因素:一是加力点;二是加力方向;三是加力速度。

(1) 加力点

扭矩扳子有一个最佳有效的作用距离, 一般生产厂家均标识有手握刻度线, 这是扭矩扳子的最佳加力点位置。从加力点到扭矩扳子的方头, 是该扭矩扳子的最佳有效距离。在这点上用力, 扭矩值是比较准确的。而缩短或增加这段距离, 扭矩值都会随之增大或减少, 造成误差超差。

施加扭矩时, 手握在扭矩扳手手柄的中间刻度线位置。方头与套筒、螺母/螺栓稳固连接 (对开口/梅花系列扭矩扳手, 应将开口/梅花头完全插入/沉入螺母中) , 只能在扭矩扳手标注的方向上施力。

(2) 加力方向:应在±15度内加力 (水平方向和垂直方向) 。角度过大将会在扭紧螺栓上产生一个弯曲力, 同时将增大单边摩擦, 引起扭矩值不准。

(3) 加力速度

加力扭紧的过程中主测力弹簧不断的被压缩, 由于弹簧存在变形迟滞的现象, 在加力过程中应尽可能平稳, 使内部杠杆很好地配合, 才能保证扭矩值稳定。加力速度最好控制在 (0.5°~1.5°) /S, 这样施加的扭矩值准确度高、重复性好。

2.5 拧紧次数

扭矩扳子使用前应预加载2~3次, 因为每调整一个扭矩点, 扭矩扳子的内部弹簧、杠杆等都未处于最佳工作, 需要预扭一次才能配合良好, 第二、三次得到的扭矩值才是比较准确的。

3 规范扭矩控制要求

3.1 正确设定扭矩扳手设定值。

在设定扭矩扳手设定值时, 应充分考虑零件装配过程中各零件之间的配合, 零件悬挂时与落地后受力改变, 零件材质不同等造成最终扭矩变化等实际情况, 才能设定出合理的设定值。

3.2 规范装配工对扭矩扳子的使用

根据上述分析, 公司内部制定了《扭力扳手使用规定》, 并对装配工进行培训。调查现场不正确的使用方法, 并对结果进行检测, 发现存在以下情况:

3.3 规范螺栓的拧紧方法

拧紧方法是指需要按一定的先后顺序施加, 才能保证扭矩质量。如安装箱盖板的螺母共有4颗。在安装时, 如果按顺时针或逆时针 (1, 2, 4, 3或1, 3, 4, 2) 的顺序安装, 就会出现螺母1扭矩偏小的现象。如果采用交叉拧紧的方法 (1, 4, 2, 3) 的方法, 箱盖板受力均匀, 扭矩偏小的现象消除。

4 结语

扭矩质量控制对于整机渗漏油等质量故障起到非常重要的作用。要提高、监控扭矩质量, 还需要一些提高质量的工具, 如SPC (统计过程控制) , 通过反复实施, 扭矩质量才能达到目标。

参考文献

[1]GB/T15729-2008.手用扭力扳手通用技术条件

[2]JJG707-2033.扭矩扳子

[3]东日扭力工具产品指南

扭矩扳子新旧检定规程的比较 篇2

关键词：扭矩扳子；规程；对比

0 引言

扭矩扳子是用于拧紧螺栓、螺母，并能测量拧紧时扭矩值的计量器具。其广泛应用于汽车维修、建筑钢构、电厂、造船等多个产业领域。新的扭矩扳子检定规程JJG 707-2014已于2014年6月由国家质量监督检验检疫总局发布，并于2014年12月15日正式实施。笔者对新旧规程进行对照学习，就主要变化的内容作简要介绍，便于检定人员在工作中更好的执行新规程。

1 新规程在计量性能要求中删除了超载性能的试验

在旧规程中，对于首次检定的扭矩扳子，应按其使用方向施加额定扭矩值的120%进行超负荷试验。但是多数预置式扭矩扳子，无法设定超额定扭矩值120%的检定点；或者在达到额定扭矩值的120%前，扭力已大于内部弹簧压力，产生脱节效应，因此也无法完成超载性能试验。所以，新规程删除了这一计量性能要求是合理的。

2 环境条件不同

旧规程规定，扭矩板子应在10℃～30℃，相对湿度不大于85%的环境条件下检定。新规程将温度条件修改为（23±5）℃，且检定中温度变化不超过±1℃。现场环境不应有影响检定结果的振源、电磁干扰等现象。环境条件较旧规程更加严格。

3 标准设备要求

标准设备的扩展不确定度应不大于被检扭矩板子允许误差绝对值的1/3。新规程特别注明了扭矩螺丝刀检定时，应采用检定仪的专用附件或装置，能够稳定夹持及施加扭矩。像扭力螺丝刀这种小扭值的计量器具，加载方式不同，对检测结果影响很大。采用手握螺丝刀测量时，相同检定员检测的重复性很差，因为人为操作很难控制旋转扭矩螺丝刀的力度；所以采用专用夹具，可对扭力螺丝刀平稳加载扭矩，是十分必要的，可以很好解决扭矩螺丝刀检定中测试结果复现性差的问题。

4 新规程增加了传动方榫的选择

新规程规定，检定用传动方榫应符合GB/T 3390.2-2004《手动套筒扳手 传动方榫和方孔》的要求，并且在附录B中列出了传动方榫对边尺寸应对应的最大扭矩。对于扳子体和扳接头是一体结构、不可拆卸的扭矩扳子，一般不存在方榫对边尺寸达不到最大扭矩要求的情况。但是对于可换插头的扭矩扳子，检定过程中应特别注意新规程的这项规定。该扭矩扳子所配的棘轮头的方榫尺寸或开口头的开口尺寸应大等于附录B中最大扭矩对应的对边尺寸；否则传动方榫有被扭断、扭弯的可能。检定中还应注意，有些可换插头扭矩扳子，客户使用时仅设置到较小的扭矩值，因此送检时自带了一个棘轮头，其棘轮头的方榫尺寸小于最大扭矩对应的要求。但是检定或校准时又要求对扭矩板子的全量程进行测试，这种情况检定人员应及时通知客户更换满足尺寸要求的棘轮头。切勿把该扭矩板子看做一体结构的扳手进行校准，以免在较大扭矩值测试中出现拧断方榫头的危险。

5 新规程完善了不同扭矩扳子的检定方法

5.1 示值式扭矩扳子的相对分辨力，新规程给出了计算公式；其值等于扭矩显示装置的分辨力r除以扭矩扳子的测量下限M0。不同准确度级别的扳子，示值相对分辨力应符合相关要求。新规程的原始记录模板中，也要求记录示值相对分辨力的计算结果，作为判定示值式扭矩扳子合格与否的指标之一。而旧规程只需目测检查扭矩扳子的示值分辨力，不需要在原始记录中特别注明计算结果，仅是在其他项目栏中标注合格与否。

5.2 新规程对回零误差定义更加明确。旧规程中，示值回零误差的要求是，指针式扭矩扳子不大于0.2个分度，数字式的为±1个字。对不同准确度级别的扳子，要求竟是一样的，都必须在后续检定中进行上述检查。而新规程中，则是给出了回零误差的计算公式，并列出不同准确度级别的扭矩扳子回零误差的相应指标。回零误差的结果用满量程的百分比表示，其值等于测量装置的回零示值m0除以扭矩扳子的测量上限MS。其中测量装置的回零示值m0需结合预加扭矩进行检查，在示值检定前、第三次满量程预扭卸载后10s左右目测检查扭矩扳子的回零值。可以看出，新规程的这处修改定义是十分严密的，具体到了第三次预扭的回零值，不会产生歧义。

5.3 新规程删除了示值式扭矩扳子用力臂圆盘加挂力值砝码的检定方法。力臂砝码式的检定方法，标准扭矩的准确度取决于两个参数长度和力值的准确度。该方法工作量大，且测量误差大。新规程检定扭矩扳子的标准设备规定为标准扭矩仪或扭矩扳子检定仪，均为扭矩传感器式的检定方法。该方法的标准扭矩直接来源于标准装置定度的扭矩传感器。扭矩传感器式的检定方法早已在多数检测实验室普及，新规程删除力臂砝码式这一已被淘汰的方法也是十分必要的。

5.4 旧规程关于预置式扭矩扳子的检定，如何加载的描述为：标准装置选择峰值保持功能，平稳施加扭矩至扭矩扳子发出听觉或其他讯号。但是实际工作中我们发现，即使平稳的施加扭矩，对于不同的加载方式或不同的检测人员，测量的重复性很差。这和预置式扳手解除荷载时的瞬间加载速度有很大关系。新规程相对旧规程，做了一个定量的描述：平稳施加扭矩至检定扭矩的80%，并在0.5s～4s的时间内，继续缓慢施加扭矩至扳子发出声响或其他讯号。这就对扳手即将加载至预设扭矩值时的加载速度有了一个限制范围。如丝杆加载装置上，检定人员需很好的控制最后时刻丝杠推拉扳手手柄的速率；在驱动传感器的加载装置上，需设置好扭矩传感器的旋转速度，以满足新规程的要求。

6 检定周期

新旧规程均规定了，扭矩扳子的检定周期一般不超过1年。新规程增加了：首次检定或经调整后合格的给六个月检定周期。实际工作中，调整后合格的多为预置式扭矩扳子；调整后使用一段时间，其压力弹簧容易变形，造成扳手上下限线性不好，超差严重。因此，缩短调整后合格的扳手的检定周期是合理的。

以上简要介绍了JJG 707-2014《扭矩扳子检定规程》与旧规程的差异之处。检定人员应认真领会新规程主要技术变化的条款，在工作中执行新规程的检定步骤，保证新规程的贯彻和实施。

参考文献：

[1]JJG 707-2014《扭矩扳子检定规程》.

基于扭矩控制的最高车速限制系统 篇3

据国家统计局网站公布的《2014年国民经济和社会发展统计公报》显示, 2014年年末全国民用汽车保有量达到15447万辆, 机动车驾驶人突破3亿人, 其中汽车驾驶人超过2.46亿人。随着经济社会持续快速发展, 群众购车刚性需求旺盛, 我国汽车保有量继续呈快速增长趋势。2014年新注册汽车2188万辆, 保有量净增1707万辆, 两项指标均达历史最高水平。根据数据, 我国近5年机动车年均增量1500多万辆, 机动车驾驶人数量也呈现大幅增长趋势, 年均增量2057万人。中国已经全面步入汽车社会。[1]

同时车辆交通事故的发生概率却逐年急剧上升。造成交通事故的因素有很多, 其中车辆行驶速度是决定交通事故严重程度的重要因素。因此非常有必要对车辆行驶速度进行限制。

1、我国相关限速要求

国家标准《GB24407-2012专用校车安全技术条件》要求:专用校车出厂时调定的最高车速应不大于80km/h;[2]工信部联产业[2011]632号文件《关于进一步提高大中型客货车安全技术性能加强车辆<公告>管理和注册登记管理工作的通知》明确要求:公路客车、旅游客车最高车速不得超过100km/h。自2012年3月1日起 (即自235批《公告》开始) 新发布的产品 (含新产品及变更扩展产品) 均应符合632号文件的技术要求;2012年8月31日前企业应完成《公告》内产品的整改工作, 逾期仍不符合要求的产品将暂停或撤销《公告》[3,4]。

我国对营运类车辆和专用校车的安全法规要求十分明确, 要限制相关车辆的最高行驶速度, 因此研制相应的最高车速限制系统相当必要。

目前, 市场上有一种拉线型限速器用于车辆的最高车速限制。其原理是通过限制加速踏板的开度达到限制最高车速的目的。使用该种限速装置需要对限速车辆进行改装, 即需额外增加成本。而本文讨论的基于扭矩的最高车速限制控制器是集成在电控柴油发动机的电控单元ECU中, 无需增加硬件成本。优点为系统集成度高, 可靠性好且免于维护。

2、最高车速限制系统结构

传统柴油机电控系统采用基于油量的控制算法, 每循环喷油量由发动机转速和负荷 (油门踏板开度) 确定出基本喷油量, 然后根据烟度、大气压力、冷却液温度和发动机热负荷等因素进行修正, 得到最终的喷油量。基于油量的控制算法完全以发动机为控制对象, 而忽略了发动机附件 (如空调、发电机、高压油泵等) 和整车上其他部件的扭矩需求, 不便于整车控制系统的集成和扩展。现代柴油机管理系统以扭矩为媒介, 将大量不同形式的需求, 如驾驶员通过油门踏板开度提出的扭矩需求、巡航控制扭矩需求、低怠速控制需求、电气系统的需求和外部干涉需求等这些需求经过扭矩协调后再转换成相应的喷油量, 经发动机燃烧后产生扭矩输出。目前, 多数的柴油机均采用基于扭矩的电控系统。基于扭矩控制策略的简略结构如图1所示。驾驶员通过加速踏板提出扭矩需求, 系统考虑到附件的需求、发动机保护限制等因素, 然后经过驾驶性的扭矩滤波和补偿等, 最终控制输出为发动机喷油量。

最高车速限制系统内嵌在发动机电控系统扭矩结构中 (图1中虚线框部分所示) 。最高车速限制系统控制输出车速限制扭矩, 该扭矩参与电控系统扭矩计算最终得到发动机喷油量。如图2所示的闭环系统中, 车速传感器测量到的实际车速经过反馈与设定的最高车速值进行比较, 得到车速偏差值ΔV。该车速差值ΔV经过限速控制器的计算输出限制最高车速的扭矩值Trq_lim。此扭矩值与驾驶员通过加速踏板提出的驾驶员扭矩需求值Trq_drive进行比较运算, 输出最小值Trq用于计算发动机喷油量。这种方案的特点是, 当驾驶员通过加速踏板提出的扭矩需求小于最高车速限制扭矩时, 发动机输出不受限速的影响。即在最高车速限值以下行驶, 车辆的性能不受任何影响。同时, 空调等外部扭矩需求的补偿在最高车速控制器之后, 因此, 虽然最高车速受到了限制, 但是不会影响车辆的正常扭矩需求控制 (如空调等) 。即虽然车辆的最高车速受到了限制, 但是车辆的驾驶性和舒适性不会受到影响。

3、限速控制器

限速控制器的核心是一个PI控制器。考虑到PI控制器的参数适应性, 系统根据车辆的档位状态设置了不同的PI控制器参数。即限速系统根据车辆运行在不同档位选择相应的控制参数, 这样做的好处是避免了一套控制参数难以满足对限速控制精度的要求。车速信号首先经过预处理模块, 经过该模块处理后再传递到PI控制器。PI控制器的控制输出最终还受到幅值限制。图3所示为限速控制器的结构。

为了保证限速的平稳, 避免车速限制时出现较大的上、下超调。限速分为三个状态:自由驾驶、限速状态1、限速状态2。车速低于标定值V2时, 此时车速距离最高车速限值还有一定的差距, 车辆处于自由驾驶状态, 车辆不受限速控制器的影响。车速处于标定值V2和V3之间时, 最高车速限制控制器提前进行预控制, 此时控制量较小, 对发动机的影响平缓, 即限速状态1。当车速大于标定值V3, 车速已经接近最高车速限值, PI的闭环控制会保证车辆限速的效果。当车速降低到标定值V1以下, 车辆进入自由驾驶状态退出限速状态。限速的三个状态如图4所示。

4、标定及应用效果

限速车辆为一台匹配1.9L国四排放柴油机的轻型客车。限速车辆的技术参数如表1所示。

在限速车辆上首先标定最高车速限值, 如标定最高车速限值为80km/h或者100km/h等。然后标定好进入限速状态和退出限速状态的三个速度阈值V1、V2和V3。最后标定相应档位的PI控制参数, PI控制参数标定的指标是确保车辆进入限速状态时车速稳态误差较小, 上下超调较小。标定结束后将数据固化在ECU中, 最终在道路上对车辆限速进行验证。验证结果如图5和图6所示。

图5、图6为车辆最高限速80km/h和100km/h时的车速响应曲线。从车速曲线可以看到限速效果很理想。同时验证过程中车辆在平路, 上坡、下坡等路面行驶时且开关空调等负载变化时, 限速控制器可以自动的控制最高车速稳定在给定的设定值。且驾驶感受平顺性良好。

5、结论

本文讨论的采用基于扭矩控制的最高车速限制系统, 它内嵌在ECU中。通过标定可以适应不同的车速限值, 同时无需更改车辆原有的硬件设计, 具有很强的适应性和便利性。本系统完全可以满足相关法规对车辆限速的要求。

参考文献

[1]《2014年国民经济和社会发展统计公报》http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799.html.

[2]GB24407-2012专用校车安全技术条件.

[3]工信部联产业[2011]632号文件《关于进一步提高大中型客货车安全技术性能加强车辆&lt;公告&gt;管理和注册登记管理工作的通知》.

扭矩控制论文 篇4

关键词：扭矩 小半径曲线箱梁桥 偏心加载 均布扭矩加载

0 引言

曲线梁桥能较好地适应地形地物且线条平顺流畅，从而在公路市政桥梁中得到了广泛的应用。对于小半径曲线箱梁桥来说，梁截面均处于“弯-扭耦合作用”下，且曲率半径R愈小这种“耦合”作用愈显著。根据规范JTG D62-2004规定，对于同时受弯扭的构件，其纵向钢筋和箍筋应按受弯和受扭分别进行配置。设计过程中若对梁体抗扭考虑不足，则可能导致严重的病害。近年来小半径曲线梁桥出现的支座脱空、梁体向外侧移位、伸缩缝的剪切破坏、翻转落梁等事故，就是由于对扭矩考虑不足引起的。单就抗扭来说，箱形截面抗扭刚度大，具有无可替代的优势，所以在小半径曲线桥中，大都采用箱形截面。对于曲线梁桥的计算，目前借助于有限元程序，已能较为精确的得到受力结果，较为普遍的方法是梁格法。梁格法最大的优点是能直接得出每个分离出的梁格的弯矩，且精度满足工程要求，但梁格法单元和节点相对较多，处理起来相对麻烦，并且对于扭矩来说，箱形截面作为一个闭合的抗扭整体，不能简单把扭矩近似分配到每个梁格中去。因此，曲线桥扭矩的分析应以整体截面的独梁分析为宜。很多情况下，我们可以把曲线梁桥作为单根梁来分析，特别是在初步设计阶段，独梁分析已能在整体上反映桥梁的弯矩和扭矩。下面将结合有限元程序，简单介绍两种方法在小半径混凝土箱梁桥扭矩分析时的运用，并对两种方法计算结果进行了对比。

1 工程实例

滁马高速和县互通B匝道位于R=60m回头弯曲线上，路面全宽8.75m，由于填土较高，为了和主线桥顺接，设两联4x20m的钢筋混凝土连续梁，墩台采用径向布置。本文以位于该圆曲线内的4x20m一联梁桥为分析对象，为减小抗扭跨径，桥梁墩台均采用双支座，支座间距为3.45m。

2 扭矩分析

2.1 有限元几何模型

借助Midas计算程序，考虑将该桥梁简化为单根独梁来分析，建立本桥基本计算模型，用于荷载的添加。简化过程中，主梁几何位置与箱梁几何中心线一致，建立单曲梁；保证支座与箱梁相对位置不变，建立墩台双支撑。扣除设计中心线与箱梁几何中心线的偏差0.875m，主梁单元建立在R=59.125m的圆曲线上。全桥共60个单元，61个节点。

2.2 扭矩分析

除了活载，恒载是钢筋混凝土箱梁桥产生扭矩的主要荷载。为了对比，本文仅考虑两种主要恒载自重和二期恒载作用下箱梁扭矩的计算。下面将采用两种不同的计算方法来对比分析。一是采用常规的方法，将恒载转化为均布扭矩，然后加载于简化的基本模型上；二是采用偏心加载法，将荷载直接加载于基本模型上。

2.2.1 均布扭矩加载

曲线箱梁由于体积重心偏离中轴线，故会产生均布扭矩。其原因是，单位弧长与曲率重心构成的扇形平面面积，在中轴线内外侧是不相等的，外弧侧面积往往大于内弧侧面积；其次，横向超高坡度的设置，也会造成体积偏心距。本桥墩台均采用抗扭双支座，此处不计由超高引起的偏心扭矩。要计算箱梁恒载作用下的均布扭矩，相对精确的做法是采用积分将箱梁每一微小单元对截面均布扭矩的贡献累加起来，但这样做较为麻烦。故根据箱梁的几何特点，将箱梁划分为若干块，以此来计算箱梁的恒载作用下的均布扭矩，精度已满足工程要求。采用分块的简算方法将箱梁划分块，需要说明的是，二期恒载计算时按厚度折算为桥面板。将计算出的均布扭矩以及箱梁自重、二期恒载无偏心加载于基本模型上。截面均布扭矩计算结果如下：

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2.2.2 偏心加载

扭矩是由荷载的不对称引起的。曲线箱梁桥的这种不对称包含两方面：一是在曲线平面内整体不对称，二是截面体积中心偏离中轴线引起的不对称。前者计算时只要建立曲线梁模型便能较为准确的计算，后者需要人工作近似处理。前面2.2.1所计算的均布扭矩，正是这种近似处理的方法之一。下面将介绍另外一种处理方法：偏心加载法。该方法思路清晰、人工处理起来十分简单方便。

本文考虑通过对单根曲梁偏心加载来计算曲线箱梁桥恒载扭矩。和梁格法一样，对于箱形截面梁等梁格特性较为明显的桥梁，分析时可以依据梁格法原理将梁截面划分为若干个梁格，以一根虚拟曲梁来模拟该梁格位置，近似假定所划分的梁格自重完全集中于该虚拟曲梁上，从而将各个梁格质量对应加载于虚拟曲梁上，即偏心加载法。在实际建模计算时，模拟各个梁格位置的虚拟曲梁并不建立，加载时只需根据梁格位置与模型中的独梁单元的相对位置来确定偏心距离，加载荷载大小为作用在梁格上的含自重的所有荷载。

由于箱梁为单箱单室箱形截面，将截面划分为左右对称的两个梁格，半径内侧梁格编号为1，外侧梁格编号为2，以1、2号梁格各自腹板中心位置来虚拟对应梁格的位置，相当于箱梁中心线向内外侧分别偏置了2.075m，则1号梁半径R1=57.05m，2号梁半径R2=61.2m。偏心荷载的三要素如下：

荷载作用位置：同一坐标系下，圆心角θ范围内，1号梁格荷载加载于R=57.05m的圆曲线上，2号梁格荷载加载于R=61.2m圆曲线上。同理可得护栏荷载作用位置。

荷载大小：截面相等，同一种材料，圆心角取单位值，自重与弧长成正比，弧长与半径R成正比。由此得1、2号梁格自重、二期恒载线荷载。

荷载方向：以上所述恒载作用方向均竖直向下。

将上述荷载偏心加载于几何计算模型上，需要说明的是，与均布扭矩加载不同，此处自重、二期恒载不能再以其它的形式添加，否则会导致荷载重复添加。得到各对应位置的荷载如下：

偏心加载荷载统计表

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2.3 扭矩分析结果对比

为了对比，本文仅提取了自重+二期恒载作用下扭矩的分析结果：恒载作用下均布扭矩加载扭矩计算结果为727kN·m，偏心加载计算结果为723kN·m，误差率不足1%。说明小半径曲梁分析时，完全可以采用偏心加载来对独梁进行扭矩分析。

3 结论

3.1 单曲梁偏心加载能较为准确计算出曲线箱梁桥的扭矩。在小半径曲线箱梁桥的扭矩分析中，对独梁模型偏心加载简单、实用，处理起来十分便捷。独梁的偏心加载不仅能得出桥梁的扭矩，还能得出桥梁整体截面的弯矩。但是，桥梁的每个梁格所分配的弯矩大小不能直接得出，这也是单曲梁分析本身的局限。

3.2 墩台设置双支座对全桥扭矩分布起重要作用。由两种方法的计算结果可知，扭矩分布均匀，几乎完全均分到每一跨。本桥尽管半径为60m，但恒载产生的扭矩分布到每一跨很小。因此，小半径曲线梁桥设计时尽量采用抗扭双支座。

扭矩法与扭矩转角法比较与分析 篇5

1 扭矩控制分析

螺纹, 特别是对于需要承受动载荷作用力的重要螺纹而言, 进行螺纹连接的根本在于:通过利用螺纹紧固件的方式, 实现螺纹与连接体的可靠连接。装配拧紧的根本则在于:将螺栓的轴向预紧力控制在合理区间内。

在对轴向预紧力进行控制的过程当中, 其上限与下限都应当有一定的控制标准:以上限控制标准为例, 该取值会受到螺栓以及被连接件强度水平的影响, 避免在预紧中出现拉长、脱扣、疲劳断裂、以及压缩破坏等方面的问题;以下限控制标准为例, 该取值则会受到连接结构的影响, 确保在整个拧紧过程当中螺纹与连接件能够始终保持紧密贴合的关系。

结合以往的工作经验来看认为螺栓轴向预紧力取值越高越有利。主要依据是, 预紧力的提升会使螺栓的抗疲劳性能以及抗松动性能得到改善。因此, 实际工作中, 应当通过对扭矩法或扭矩转角法的应用, 在对材料强度进行充分利用的基础之上, 尽可能的将螺栓拧紧至屈服极限, 以保障连接可靠, 控制零件尺寸。

2 扭矩法与扭矩转角法精度对比

下图 (见图1) 即为扭矩法与扭矩转角法的控制示意图。结合图1来看, 以图中 (1) 、 (2) 分别表示2条规格一致的螺纹连接件所对应特性曲线。两条曲线存在差异的主要因素是:材料因素, 热处理因素, 表面粗糙度因素, 尺寸精度因素, 表面清洁度因素, 表面润滑程度因素, 以及垫圈连接因素。两条特性曲线在统一外加扭矩作用力的影响下产生与之相对应的预紧力, 分别对应为F (1) 、F (2) 。因此, 可以计算所对应的预紧力误差取值为△F (△F=F (1) -F (2) ) 。

在图1所示的扭矩转角控制法作用下, (1) 、 (2) 两条特性曲线的含义与扭矩法控制下的特性曲线完全一致。控制过程当中可以先用贴紧扭矩M0预拧紧处理, 期间所产生的预紧力误差取值为△F0, 然后以M0 (起始扭矩作用力) 基础之上转动α角度, 使其能够与特性曲线 (1) 、 (2) 分别相交, 交点分别为c、d, 此期间所形成的预紧力差值可表示为△Fγ。在本控制方案下, 应当满足:

△F0=△Fγ

该公式下认为:在使用扭矩转角法进行控制的过程当中, 所诱发的轴向力散差基本倾向于稳定状态下, 期间所生成的预紧力差值为△F0。而在使用扭矩法对内燃机进行控制的过程当中, 相对应于M1扭矩时产生的预紧力差值应当为△F1。认为两者满足“△F0<△F1”。根据以上分析认为:在一般运行工况下, 使用扭矩转角控制法的控制精度明显高于扭矩控制法控制精度。

3 结束语

从内燃机制造角度上来说, 螺纹连接件作为关键性的构成要素之一, 其连接件的质量水平备受各方重视, 有关螺纹连接件的质量控制要求也更加的严格与具体。研究显示:合理应用新型的拧紧工艺技术能够确保螺栓轴向预紧力分布的合理性, 从而达到优化螺纹连接件连接效果的目的。在本文对拧紧工艺技术进行分析的过程当中认为:在变形区间一定的条件下, 由于螺栓与被连接体的刚度基本稳定, 故而应用扭矩转角控制法的控制精度明显高于扭矩控制法控制精度。提示未来实际工作中, 可以将扭矩转角控制法作为拧紧工艺的重点发展方向。

参考文献

[1]陈亭志.螺栓选型和装配扭矩的计算方法研究[J].机械工程师, 2014 (06) :77-79.

[2]孙宝章, 戴文斌, 左运发等.螺栓拧紧方法分析与应用[J].沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) , 2002 (04) :319-320.

[3]Arlindo Marques.组合轴承转角扭矩法的参数确定[J].柴油机设计与制造, 2009 (02) :50-56.

谈静态扭矩开发 篇6

谈到扭矩,熟悉汽车技术的人应该很快就会联想到动态扭矩和静态扭矩,动态扭矩和静态扭矩有着紧密的联系。在扭矩控制过程中,动态扭矩是作为紧固工具的设定值标准,而静态扭矩则是作为判定工具检测的扭矩结果是否合格的标准。动态扭矩是在产品设计开发时,针对使用的紧固件强度、材料等,以及紧固件所使用的部位受力情况进行计算、分析得出,本文将对静态扭矩开发作介绍。

1 动态扭矩和静态扭矩的概念及特点

如图1所示,为了拧紧螺栓,必须施加力以便拧紧螺母/螺丝,施加力是旋转螺母或螺栓使螺杆受力伸长,螺杆伸长产生的夹紧力把连接件夹紧,拧紧过程中90%扭矩被摩擦力消耗,只有10%的扭矩转化为夹紧力,而我们需要的就是连接件中的夹紧力。

我们需要的是夹紧力,能够用工具监控测量的是扭矩,所以为了保证通过拧紧螺栓能获得我们所需要的夹紧力,大部分整车厂都是通过监控扭矩的方式来保证紧固件的拧紧质量。

扭矩可分为动态扭矩和静态扭矩。

(1)动态扭矩是指当紧固件在被固定的过程中测量得到的最大峰值。扭力扳手和动力工具都可以施加动态扭矩,动态扭矩不能在紧固件被紧固之后测量。

动态扭矩是零件设计者根据设计要求,并结合实验结果和路试结果,释放动态扭矩标准。设定动态扭矩时不仅要考虑紧固件,还要考虑被紧固件及紧固件工具。动态扭矩太小,容易引起紧固件松动和疲劳断裂,同时不利于充分发挥紧固件的作用;动态扭矩太大,容易引起紧固件屈服,甚至断裂、滑牙,以及被紧固件被压溃。被紧固件的材料硬度、表面粗糙度、表面摩擦系数及其结构,都会影响动态扭矩。同时,还要考虑被紧固件的强度,保证它不会被压溃,进而得到被紧固件所能承受的最大扭矩。动态扭矩标准需要由紧固件和被紧固件共同确定。最小动态扭矩应该保证紧固件在客户使用的过程中不会松动,最大扭矩应保证紧固件及被紧固件不失效(例如出现屈服、断裂、滑牙、压溃、变形等)。制造装配工艺将根据设计者释放的动态扭矩来设定拧紧工具的扭力值。

(2)静态扭矩是指拧紧完成后用手动拧紧工具使螺栓再次旋转或离开拧紧位置时输出的扭矩(克服静态摩擦力),检测扭矩即静态扭矩。通常静态扭矩的测量方法有以下3种:①往螺栓拧紧的方向施加力,在螺栓再次旋动的一瞬间测得的扭矩;②往螺栓反松的方向施加力,使螺栓反松的峰值扭矩;③在已拧紧的螺栓和被连接件上画线,反松螺栓,再次拧紧螺栓至画线位置时测得的扭矩。最常用的测量方法是第一种。

随着拧紧技术的发展,越来越多的先进拧紧工具应用到了汽车行业。例如电枪,它带有传感器,可以直接在打紧扭力的同时读取紧固的动态扭矩,但电枪设备有时也会出现故障,而且在使用一段时间后需要定期维护和标定,所以仅靠动态扭矩来保证拧紧质量是不够的。静态扭矩仍然是一种最主要的监控手段,如果能充分发挥静态扭矩的监控作用,还可以在购买紧固工具时节约一笔不小的支出,因为只要监控手段到位,就没有必要投入大笔资金购买先进的紧固工具,使用普通、便宜的click扳手就能保证拧紧质量。下面具体介绍静态扭矩的开发流程和计算方法。

2 静态扭矩开发的流程和计算

2.1 静态扭矩开发的流程

静态扭矩的释放过程需要整车厂各部门协同合作完成。

(1)步骤一:产品工程师(PE)释放动态扭矩和初始静态扭矩。

(2)步骤二:车间(plant)和质量工程师(QE)根据释放的动态扭矩范围,分别将紧固部位上紧到动态范围值的上极限和下极限(通过表盘式扳手进行操作,可以直接读数),上极限和下极限各验证30组数据,检查紧固件是否有滑牙、断裂或松动、紧固不到位的情况,如果出现此类情况则说明动态扭矩释放有问题,需要反馈给PE,要求其重新释放。如果没有问题则进行下一个步骤。

(3)步骤三:车间根据释放的动态扭矩名义值(一般指目标值)设定动力工具,并验证动力工具。①对于使用带扭矩显示控制器的动力工具,在采集30组静态扭矩测量值时,记录扭矩显示控制器显示的30组动态扭矩,如果采集的动态扭矩平均值小于或等于动态扭矩名义值的5%,动力工具的验证结果为合格;如果采集的动态扭矩平均值大于动态扭矩名义值的5%,则检查工具是否标定到位或者有故障等,待排除工具问题或者更换新的工具后重新验证,直至验证结果合格为止。②对于不带扭矩显示控制器的动力工具,在采集30组静态扭矩测量值前,采集并记录5组动态扭矩样本,如果采集的动态扭矩平均值小于或等于动态扭矩名义值的5%,则可以进行静态扭矩数据的采集。在采集30组静态扭矩测量值后,采集并记录5组动态扭矩样本,如果采集的动态扭矩平均值小于或等于动态扭矩名义值的5%,动力工具的验证结果为合格;如果采集的动态扭矩平均值大于动态扭矩名义值的5%,必须重新进行验证,方法同步骤三。

(4)步骤四:根据步骤三,得到验证结果合格的同时,汇总采集到的每一个紧固位置的30组静态数据。需要注意的是,这30组数据必须是连续生产的30台车的样本数量,如果是非连续的数据有可能会受到零件批次变化、人员等其他因素的影响,导致扭矩波动较大。

在采集静态扭矩时,从成本角度考虑,通常使用表盘式扳手作为检测工具,当然也可以使用数显式扳手,而且要在紧固件被紧固后5 min内进行测量,超过5 min,其测量值会有较大衰减,特别是对于软性连接。一般情况下,如果连接件的扭力衰减程度较大(软连接等),静态扭矩就会低于动态扭矩;如果连接件固定得很紧(硬连接等),静态扭矩就会高于动态扭矩;如果是一般的连接(中等连接),静态扭矩一般接近动态扭矩。在工具、人员、方法及零件质量等条件稳定的情况下,静态扭矩检测值应在一定范围内浮动。最后,将采集的静态扭矩数据反馈给制造工程师(ME)。

(5)步骤五:ME对汇总的静态扭矩数据进行分析后,计算出静态扭矩的上、下限及目标值。一般情况下,静态扭矩的目标值应不高于或低于动态扭矩的名义值的15%,静态扭矩的偏差范围应不超过名义值的35%。

经评估合格后,由各区域部门工程师在静态扭矩汇总表上会签并正式发布,随即生效,车间、QE的扭矩监控包括QCOS控制等都将根据此发布结果来执行。静态扭矩开发流程图如图2所示。

2.2 静态扭矩的分析计算

静态扭矩是根据静态扭矩统计数据运用SPC原理来确定的扭矩审核控制限,这里介绍的静态扭矩生成是在根据3Sigma原理进行统计分析计算得出。静态扭矩数据的取得是在保证所有连接件和被连接件符合要求的前提下,控制动态扭矩进行装配,装配完成后测量静态扭矩,收集静态扭矩值,样本容量最小为30组。

(1)下面列举一组动力转向泵与支架连接点的例子进行静态扭矩的计算过程分析。30组样本数据见表1。

求平均值:(其中Xi为采集的静态扭矩,n为扭矩的个数,n=30)

求标准差:

目标值;上极限偏差;下极限偏差。所以,动力转向泵与支架连接点的静态扭矩计算结果为:21+/-5.4 N·m。

(2)检查该静态扭矩是否合理。检查静态扭矩的计算结果是否合理及能否发布的方法是采用与设计释放的动态扭矩作比较后进行判定。根据长期的试验总结,静态扭矩的目标值应不高于或低于动态扭矩的名义值的15%,静态扭矩的偏差范围应不超过名义值的35%,则判断释放的静态扭矩为合格。下面举例比较。

该位置动力转向泵与支架连接点的动态扭矩释放值为:22+/-3N·m。动态名义值的15%=22×15%=3.3。静态扭矩的目标值的偏差=22-21=1<3.3,所以判断静态扭矩的目标值为合格。

动态名义值的35%=22×35%=7.7。静态扭矩的范围偏差=3σ=5.4<7.7,所以判断静态扭矩的范围偏差为合格。

得出结论:静态扭矩计算结果为21+/-5.4N·m是合理的,可以释放。

在实际操作的过程中也会出现判断静态计算结果为不合格的情况,在这种情况下,首先需要去做前“五钻”的分析,包括人员的操作、使用的工具、使用的零件、零件的质量及工艺操作,如果分析人员操作正确,下一步则分析使用的工具是否正确,依次进行分析检查,找出问题的根本原因并解决后,重新测量30组数据并进行分析计算。如果前面“五钻”都分析完了,没有发现问题,则将结果反馈设计者,让其研究是否存在设计上的缺陷或者动态扭矩的释放有问题需要进行重新修正等。

3 结语

通常,整车厂对控制扭矩的合格率非常严格,如果能有效利用和发挥静态扭矩这一监控手段的作用,就能够对整车的过程控制质量进行有效的监控。静态扭矩是生产控制过程中用于扭矩控制环节的一种重要手段,在实际生产过程中,静态扭矩的开发仍会受到不少复杂因素的影响,但是排除分析遇到的问题和困难,也是提升产品质量的过程。

参考文献

[1]张家全.用静态扭矩测试仪测试动力工具的方法[J].汽车工业与材料,2005(11).

扭矩传感器原理及应用 篇7

扭矩又叫转矩, 是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。

其中:P表示转动设备的输出功率, 单位千瓦 (k W) ;M表示转动设备的输出扭矩, 单位牛米 (N·m) ;N表示转动设备的转速, 单位转/分钟 (r/min) 。

从公式 (1) 可以看出, 扭矩是一个与功率和转速相关的物理量, 它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度, 就可以利用公式1计算出转动设备的扭矩。但实际生产中, 功率的测量是不容易的, 而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量, 对于力和磁这两个物理量的检测, 我们有许多成熟工具, 这样扭矩的测量就变得相对简单了。

2 电阻应变式扭矩传感器的原理

我们知道, 在通常情况下, 当金属受外力作用时它的电阻值会发生变化, 其变化大小可以依据虎克定律求得, 这就是金属应变原理。电阻应变式扭矩传感器, 就是利用应变原理制成的。它的结构原理图如图1所示。

扭矩传感器利用高档箔式应变片组成了电桥, 在力的作用下电阻值增加或减小, 当输入端加上直流电压后, 输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。再经过信号处理计算, 我们就能知道扭矩的大小了。

3 扭矩传感器应用和调试

扭矩大小是发动机台架实验的重要参数之一。“卡特皮勒1G2”发动机台架应用的就是上面介绍的电阻应变式传感器, 以此为例分析扭矩信号集散电路原理和扭矩传感器的调试。

3.1 扭矩信号集散电路原理

图2中T2、T4分别接±5V电源给扭矩传感器提供激励电压。T3接传感器的信号输出端, 以IC7650高稳定的自稳零放大器为核心组成信号放大电路, 再经过LM348进行放大处理, 输出信号给计算机。

3.2 扭矩传感器的调试

扭矩传感器的调试包括零点满度的标定和静校。

当进行零点标定时, 测功机装好校正臂和校正盘, 不放砝码, 调节扭矩信号集散板上的电位器RW2及RW5, 使端子输出电压为OV;再加满砝码, 调节电位器RW3和RW4, 使端子输出电压后9.8V。

当零点和满度标定好以后, 就可以进行静校。校验的方法很简单, 就是往校正盘中逐次放入适当砝码, 然后根据公式 (2) :

其中Me是标准力矩, G是砝码质量, g是当地重力加速度, L是校正臂的长度。

计算出的标准力矩与计算机显示力矩上比较, 就可以完成校验。

4 扭矩传感器的故障与维修

“卡特皮勒1G2”发动机台架所使用的扭矩传感器内部接线为电桥型, 可以通过万用表测量其桥臂间的电阻来辨别好坏。参考图1, 正常时R1和R3, R2和R4的电阻值应一样, 如果阻值不一样, 说明桥臂平衡已被破坏, 传感器不能使用。根据使用和维修经验看, 扭矩传感器自身发生故障的机率很小。通常, 在激励电压正常和正确安装传感器后, 故障多发生在外围电路中, 总结如表1所示:

5 磁电感应式扭矩传感器

除了电阻应变式扭矩传感器, 还有一种较特殊的扭矩传感器, 就是磁电感应式扭矩传感器, 它电定子、转子、传感器轴和辅助电路组成。转子包括线圈固定在传感器轴上, 定子永久磁铁固定在传感器外壳上, 定、转子上都有相等的齿和槽。

测量扭矩时, 用两个完全相同的传感器, 它们的转子分别固定在被测轴的两端, 而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相对, 另一个则定子槽和转子槽相对。当转轴以一定角速度旋转时, 则在两个传感器输出线组内感应出电势大小相等, 频率相同, 相位差180°的近似正弦波, 而当被测轴受扭矩时, 两个绕组内感应电热相位差将不再是180°, 而是扭转角与定 (转) 子齿数的积。在弹性限度内, 材料扭矩与扭转角成正比, 因此, 测出扭转角也就得到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵敏, 但抗干扰能力较弱, 对应用场所的电磁强度有较高要求。

6 结论

在发动机台架试验中, 大部分测功机的扭矩测量都像“卡特皮勒1G2”发动机台架一样, 利用固定在定子上的平衡臂将扭矩变为拉压力的测量。这时扭矩传感器严格地说应该叫拉压传感器。当然, 在发动机试验台架中也有进行纯扭矩测量的, 如CL-100齿轮油试验机使用的扭矩传感器。它的工作原理与电阻应变式扭矩传感器一样, 只是传感器外形不是传统的桥形, 而是圆柱形, 四个电阻应变片是贴在转轴上使用的, 输出信号是频率信号。

参考文献

新型无扭矩井下电动钻具设计 篇8

圆轴扭转时的变形标志是两个横截面间绕轴的相对转角, 这也就是扭转角。计算公式如下:

其中:φ-圆轴两个横截面间绕成的相对转角;T-两截面之间扭矩;l-两个截面之间的距离;IP-截面极惯性矩, 且对于圆轴有:

由公式 (1) 可以看出, 当T、G、IP一定时, 圆轴两个横截面间绕成的相对转角与圆轴的长度成正比。因此, 传统的转盘钻井过程中, 由于钻柱的长度很长, 井口和井底产生的扭矩给钻柱造成很大的扭转变形, 且钻杆和井壁间产生旋转摩擦, 这对钻杆的损害非常大, 制作钻杆的成本也非常高。。

2 电动钻具改进思路

综合现有钻具的现状, 电动钻具对井下信息化的实现这一独特的优点无疑是未来钻井技术应保留并加以完善的重点, 显钻电动钻具存在的缺点是必需要解决的问键问题。本设计采用井下电机提供破岩动力, 保留了传统电动钻具中自动化和遥控技术的实现等优点, 并利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质, 在钻头处把原本竖方向上的扭矩分解为两个水平方向上大小相等、方向相反的扭矩, 两个扭矩在井下相互抵消, 使钻杆不承受扭矩, 并减小了钻柱的振动, 改善了井下电机的工况。

3 双主动轮圆锥齿轮组合

图1是本设计的主要原理图, 如图1所示, 在双主动轮圆锥齿轮组合结构中, 1和3都为主动轮, 2为从动轮, 两个主动轮旋转的轴线方向在水平方向上且两者的旋转方向相反, 从动轮的轴线方向在竖直方向上。例如:从右往左看主动轮3是顺时针旋转, 从右往左看主动轮1逆时针旋转, 则从上往下看从动轮是顺时针旋转。由此, 两个主动轮所承受的扭矩在水平方向上大小相等, 方向相反, 可以相互抵消。

1、3-圆锥齿轮 (主动轮) 2-圆锥齿轮 (从动轮)

4 设计方案

将双主动轮圆锥齿轮组合的动转原理应用到井下电动钻具的设计中可实现对钻头所受反扭矩的抵消。本设计由固定动力短接和旋转破岩短接两个部件构成。图2是本设计的整体结构示意图。

如图2, 整个结构的动力传输原理就如同图1所示的双主动轮圆锥齿轮组合结构, 圆锥齿轮4就相当于图1结构中的圆锥齿轮1, 圆锥齿轮5就相当于图1结构中的圆锥齿轮3, 旋转破岩短接18就相当于图1结构中的圆锥齿轮2, 齿轮4和齿轮5同时和旋转破岩短接上端的轮齿6啮合, 固定动力短接和旋转破岩短接之间通过轴承联接, 其中:轴承11、12、13、14、15都是深沟球轴承, 这五个轴承的作用是保证固定动力短接和旋转破岩短接能够在竖直方向上同轴相对转动。轴承16是推力球轴承, 其作用是用于承受竖直方向上的钻压, 防止钻压对上面五个深沟球轴承的损坏以及防止钻压对齿轮4、齿轮5与轮齿6啮合处造成的损坏。整个结构通过母螺纹8与钻铤联接, 通过母螺纹10与钻头联接。钻进时, M1和M2中通入同向电流, 同时分别驱动齿轮4和齿轮5转动, 则在水平方向上, 齿轮4和齿轮5的旋转方向是相反的。例如:从右往左看, 若齿轮5是顺时针旋转, 则齿轮4必定是逆时针旋转, 由此产生的最终效果是:从上往下看, 旋转破岩短接18是顺时针旋转。由于在此过程中M1和M2各自所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反, 两个扭矩即在固定动力短接的金属筒壁上相互抵消。月牙形结构9用于遮挡轴承16, 防止钻井液对其造成的损害, 同时可以使钻井液从固定动力短接的中空顺利过渡流入旋转破岩短接中。

17-固定动力短接18-旋转破岩短接4、5-圆锥齿轮6-旋转破岩短接顶部轮齿7-伞形结构8-母螺纹 (联接钻铤) 9-月牙形结构10-母螺纹 (联接钻头) 11、12、13、14、15-深沟球轴承16-推力球轴承

5 设计优点及应用

本设计的结构能保证在钻井过程中, 钻头的旋转不依赖于钻柱的转动, 消除了钻井过程中钻柱所承受的轴向扭矩, 降低了对钻杆抗扭强度的要求。此外, 由于钻柱不旋转, 钻杆外壁不再与井壁产生旋转摩擦, 且钻柱的振动小, 改善了井下电机的工况, 避免了传统钻具组合中由此给钻杆带来的损坏, 以上两点的实现减少了制作钻杆所需材料上的成本。

参考文献

[1]易先忠, 钟守炎, 水运震, 井下动力钻具的现状与发展[J].石油机械, 1995.

[2]符达良.井下动力钻具的发展及其在推广应用中的问题[J].石油机械, 1999.

[3]刘春全, 徐茂林, 汤平汉, 井下动力钻具的现状及发展[J].钻采工艺, 2008.

无扭矩平衡装置的研究与应用 篇9

近年来, 国内地质灾害频发, 人道救援成为国家各级部门特别是应急救援部门和社会各界最关心的问题, 而提高救援装备的高机动性、可靠性显得十分必要, 特别是车厢内精密设备的缓冲保护。通过对陆地车辆上装设备的振动源进行分析, 其主要影响因素有两个:一是来自车辆行进时的发动机自身振动;二是来自车辆行进时底盘轮胎的跳动振动 (特别是坑洼路面) 。显而易见, 自身振动相对底盘车架对车厢的振动可以忽略不计。为解决该问题, 国内现有的普遍解决方法有二:一是通过提高车内上装设备自身的抗颠簸能力;二是通过采用诸如减震器、缓冲橡胶垫等作为中间缓冲后再加以固定来降低颠簸。经过对上述两种方法的分析不难看出, 不仅对设备本身提高了要求, 而且涉及设备较多。

基于以上分析, 提出了新的研究思路, 通过在汽车底盘和车厢之间安装具有抗颠簸能力的无扭矩平衡装置[1] (Multi-Free-Low) , 再借助上述两种现有普遍解决方案, 这样就大大提高了车辆的机动性和对设备的保护能力, 甚至部分对精度要求较低的设备不需再逐个对设备本身和固定采用抗颠簸措施。

1 国内外现有连接对上装的影响

1.1 连接形式

国内传统汽车载有上装部分 (货箱、车厢、方舱、油罐等) 的副车架与主车架 (底盘大梁) 采用止推连接板、连接支架、U型夹紧螺栓[2]等刚性连接方式。虽然连接面采用胶垫或垫木, 但缓冲减振能力有限, 底盘与上装形成刚性整体。而国外在20世纪80年代初就开始发展这一新技术———无扭矩平衡装置[3] (Torsion-free-body) 。

1.2 影响

国内车辆在行车时 (尤其是越野) , 底盘的较大扭力和颠簸可直接传递到上装, 上装也约束底盘大梁正常的自由扭曲, 降低了越野通过性, 增加了大梁的应力, 易造成底盘和上装的疲劳破坏, 减少车辆的寿命。同时在颠簸时上装重心偏移量和离心力较大, 影响行车稳定性和车速。而国外安装了该平衡装置的车辆在大梁和上装之间形成柔性连接。克服传统刚性连接结构的弊端, 增加汽车 (尤其在越野条件下) 使用寿命, 提高行驶速度和安全性。

2 无扭矩平衡装置研究

通过对国外该装置的研究发现, 装有该装置可以有效的提高整车机动性 (尤其在越野条件下) 和缓冲保护车厢及内部设备, 但该装置需要安装于国内车辆底盘上, 无论是从结构、材料、工艺还是其他相关 (诸如性能试验) 方面都需进一步研究。

2.1 原理

如图1, A, B, C三点决定一个平面, 为了将车厢的重心落在BC线附近, 我们采用二个三角形 (2x3Point) 来放置车厢底平面。图中L1和L2分别代表汽车底盘的二个纵梁, 当汽车在越野道路上行驶时, 纵梁L1和L2会严重扭曲, 但是由于底盘中心线AA和三角形BC边的微弱变化, 使得二个三角形几乎没有扭曲, 保持了车厢底平面的无扭曲, 这样就保证了车厢底平面的无扭矩。

2.2 结构

无扭矩平衡装置 (Multi-Free-Low) 通过特殊设计的模块化结构组合, 采用高强度材料和特殊缓冲减震装置、专用方舱锁具等制造而形成高强度抗颠簸无扭矩车架, 在大梁和上装之间形成柔性连接, 克服传统刚性连接结构的弊端, 增加汽车使用寿命, 更有效地保护医疗方舱和内部医疗设备, 提高行驶速度和安全性。在大梁左右±15°偏转扭曲时, 上装基本无扭曲, 使整车重心更低和重量更轻, 性能更优越。其设计结构效果图见图2。由于系统是由模块化的组件构成, 车辆底盘、副车架以及装载平台之间有明显的技术分隔点。

2.3 功能特点

(1) 当车辆在越野环境中行驶时, 车子的底盘可自由扭转。 (2) 所有车轮始终与地面接触, 保证车辆的驱动性能, 提高机动性。 (3) 上装部分可通过2个三角形的弹性轴承吸收扭矩力。 (4) 汽车上装部分得到缓冲保护, 减少颠簸。 (5) 正常路况及越野条件下通用, 并能给车辆带来无限机动性能。 (6) 适合多种车体 (车体可卸/更换) 、系统重量低、重心低等。

2.4 国外现有结构及效果对比

国外早期的无扭矩平衡装置 (Torsion-free-body) 采用中央放置的通轴结构和前后铰接支撑, 通过装载平台可绕中央通轴转动来保护上装设备。而后期的无扭矩平衡装置 (Multi-Free-Low) 通过优化结构, 取消圆管作为轴, 设计为副车架和装载平台通过2x3Point连接形式。由图3可以看出, 在同样路况扭曲条件下达到相同效果的同时, 既减轻了重量, 降低了成本, 又可将上装高度降低100mm高度。

3 无扭矩平衡装置的试验与应用

3.1 性能试验

做二个500mm高的跳板, 分别置于对角的前后轮下, 对汽车底盘的大梁严重扭曲变形观察, 当我们把目光聚焦到车子的厢体底平面 (即无扭矩平衡装载平台) 和底盘大梁时, 经检查, 通过装有无扭矩平衡装置的厢体, 即使大梁随颠簸路面任意扭曲, 而上装车厢变形程度很小, 基本无扭曲。

3.2 应用领域

由于采用模块化结构设计, 可根据不同车厢长度和载重量较快实现设计和制作, 适用于几乎所有越野和非越野卡车及长度, 适应整车最大载重量36吨。运送部队或军用物资车辆;燃料运输, 粮食运输车辆;医疗、通讯、抢险、维修车辆;向灾区运送各种救灾物资车辆等。

4 结束语

针对国内事故灾害频发, 地形复杂等特点, 为提高应急条件下车辆机动性及保障车厢和厢内精密设备性能更可靠, 该装置作为国家“十二五”科技支撑计划项目和重庆市科技攻关计划项目中关键技术的研究。通过系统性能试验和“4·20”芦山地震应用结果表明, 无扭矩平衡装置在运输移动医疗、通讯系统等车辆过程中对于缓冲保护精密仪器设备及厢体起着重要作用。

参考文献

[1]Crossmobil GmbH.Heavy Goods Vehicle[P].GermanyEP1231129A2, Aug 14, 2002.

[2]徐达, 蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1998.