background image

Ćwiczenie nr 5 

POMIAR MOMENTU OBROTOWEGO

 

 

1.  Cel ćwiczenia 

 

Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z wybranymi sposobami 
pomiaru momentu obrotowego wraz z wykorzystaniem uzyskanych 
wyników. 

 

2.  Wprowadzenie 

 

2.1. Definicja momentu obrotowego 

 

Moment obrotowy jest to moment sił zewnętrznych powodujący ruch 
obrotowy wału. Jeśli moment obrotowy działa bezpośrednio na wał, to jest 
równy momentowi skręcającemu.

 

Wały obracające się z prędkością kątową ω [rad/s] i przenoszące moc 
mechaniczną N [W] są obciążone momentem obrotowym 

M

O

 

równym: 

 

ω

N

M

o

=

[Nm]  

 

 

 

 

(1) 

 

Jeśli moc zostanie wyrażona w [kW], a prędkość kątowa w [obr/min] to wzór 
(1) przyjmie postać: 

 

     

n

N

M

o

9550

=

 

[Nm]                                               (2) 

 

2.2. Cel pomiaru momentu obrotowego 

 

W badaniach maszyn pomiaru momentu obrotowego dokonuje się celem:

 

a) uzyskania informacji o zmianach M

o

 podczas eksploatacji maszyny - 

rozruch, bieg jałowy, praca pod obciążeniem; dane te wykorzystuje się  
m. in. przy doborze sprzęgieł bezpieczeństwa i wałków odbioru mocy,

 

b) wyznaczenia mocy pobieranej przez maszynę i jej zespoły (wymaga to 

jednoczesnego pomiaru prędkości obrotowej), co umożliwia dobór mocy 
silnika napędowego, wyznaczenie mocy biegu jałowego, itd.

 

c) sprawdzenia poprawności obliczeń wytrzymałościowych wału; znając 

maksymalną wartość M

o

 przenoszonego przez wał i jego średnicę, można 

wyznaczyć wartość rzeczywistych, maksymalnych naprężeń i porównać je 
z naprężeniami dopuszczalnymi,

 

d) uzyskania danych wyjściowych (wartość średnia, amplituda i częstotliwość 

zmiany naprężeń) do obliczeń sprawdzających trwałość zmęczeniową 
wału.

 

background image

2.3. Sposoby pomiaru momentu obrotowego

 

 

Pomiar momentu obrotowego można przeprowadzić na dwa istotnie różniące 
się sposoby. Pierwszy z nich to bezpośredni pomiar momentu obracającego 
się elementu (wału). Drugi sposób polega na pomiarze reakcji utwierdzenia. 
 

2.3.1. Pomiar bezpośredni momentu obrotowego 

 

Można wyróżnić następujące sposoby bezpośredniego pomiaru M

o

:

 

a) pomiar za pomocą przetwornika momentu obrotowego wbudowanego w 

układ napędowy; jest to najprostszy sposób, jednak nie zawsze możliwy do 
zastosowania ze względu na wprowadzane zakłócenia,

 

b) bezpośredni pomiar odkształceń sprężystych wału, wywołanych 

przenoszonym M

0

 , za pomocą tensometrów. 

 

Z teorii wytrzymałości materiałów wiadomo, że w walcowym elemencie 
skręcanym maksymalne odkształcenia występują pod kątem 45° do głównej 
osi skręcania - rys. 1. 

 

                                                              Tensometr

 

 

 
Rys.  1.  Sposób  naklejania  tensometru  na  wale  przenoszącym  moment 
obrotowy celem uzyskania maksymalnego sygnału 

 

Zasada ta jest przestrzegana przy naklejaniu tensometrów na wały celem 
wyznaczenia przenoszonego M

0

. Znając z pomiaru wartość odkształcenia 

oblicza się moment skręcający wału z następującego wzoru: 

 

3

45

8

1

d

G

M

M

o

s

ε

π

=

=

 

gdzie:  
M

s

 – moment skręcający wału, 

G – moduł sprężystości poprzecznej, 
ε

45

 – zmierzone odkształcenie sprężyste wału, 

d – średnica wału 
 

c) pomiar mocy i obrotów silnika napędzającego maszynę lub wybrany jej 

zespół; w tym przypadku M

0

 wyznacza się ze wzoru (2). Jest to 

stosunkowo

 

prosty sposób określania M

0

 w odniesieniu do maszyn i ich 

zespołów napędzanych silnikami elektrycznymi; wystarczy bowiem 

background image

zmierzyć moc prądu elektrycznego, który one pobierają.

 

Ten sposób wyznaczania M

O

 

obarczony jest znacznym błędem, bowiem 

zmierzona moc uwzględnia także straty w silniku. 

 

Przetworniki pomiarowe momentu obrotowego 

 

Przetwornik pomiarowy jest to narzędzie pomiarowe do przetwarzania z 
określoną dokładnością i wg określonego prawa wielkości mierzonej w 
wartość innej wielkości i stanowiące jedną całość, która może być użyte 
oddzielnie. 
Zasadniczym elementem każdego przetwornika momentu obrotowego jest 
"odcinek" sprężystego materiału, który ulega odkształceniu sprężystemu 
proporcjonalnie do przenoszonego momentu obrotowego. Przetworniki te 
dzieli się zależnie od sposobu pomiaru odkształcenia. 
 

Przetwornik indukcyjny

 

 
Przetwornik ten działa na zasadzie pomiaru odkształcenia sprężystego wałka 
metodą zmiany indukcji własnej. Jedno z rozwiązań konstrukcyjnych tego 
typu przetwornika przedstawia rys. 2. 
 

 

Rys.  2.  Indukcyjny  przetwornik  momentu  obrotowego;  1  –  wałek,  
2  -  transformatorowy  układ  zasilania,  3  -  obudowa  cewek  mierniczych,  
4  -  indukcyjny  układ  mierniczy,  5  -  tarcza  zabierakowa,  6  -  transformatorowy 
układ wyjściowy 

 

Wałek (1) wykonany ze stali sprężynowej posiada w środkowej części 
przewężenie długości l i średnicy d. Po obu stronach tego przewężenia są 
osadzone elementy indukcyjnego układu mierniczego (3,4,5). Przenoszony 
moment obrotowy powoduje skręcenie przewężonego odcinka wałka o kąt φ 
proporcjonalny do wartości przenoszonego momentu obrotowego M

0

 
 

background image

                                              

o

o

GI

l

M

=

ϕ

                                                           (4)

 

gdzie:  
M

0

 - moment obrotowy,  

G - moduł sprężystości poprzecznej stali,  

l,I

0

 - odpowiednio długość i moment bezwładności przekroju przewężonego odcinka 

wałka. 

 
Skręcenie o kąt φ implikuje zmianę położenia rdzeni w cewkach, a to z kolei 
wywołuje zmianę indukcyjności cewek, która w postaci sygnału 
napięciowego zostaje przekazana na wskaźnik wychyłowy. 

 

Przetwornik tensometryczny 

 

Najczęściej spotyka się dwa rozwiązania tego typu przetwornika. Jedno z 
nich polega na naklejeniu czterech tensometrów w sposób pokazany na rys. l 
na odcinek wałka lub częściej - tulei - rys. 3, który ma własne ułożyskowanie 
i może być obustronnie łączony z układem napędowym za pomocą sprzęgła 
lub kołnierza.

 

 

 

Rys. 3. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne tensometrycznego przetwornika 
momentu obrotowego: 1 – wałek przenoszący moment obrotowy, 2 – tensometry, 
3  –  pierścienie  ślizgowe,  4  –  pierścienie  izolacyjne,  5  –  korpus,  6,  7  –  osłona,  
8 – szczotkotrzymacz, 9 – szczotki, 10 – sprzęgło 

 

Tensometry są włączone w układ pełnego mostka, a sygnał wyprowadza się 
przez układ pierścieni i szczotek.

 

To rozwiązanie ma ograniczenie dolnego zakresu pomiarowego 
wynikającego z minimalnej grubości ścianki tulei. Gdy mierzony M

o

 jest 

mały, wtedy odkształcenie tulei jest trudno mierzalne. Wówczas stosuje się 
przetwornik tensometryczny, którego schemat przedstawia rys.4.

 

 
 
 

background image

 

 

Rys. 4. Schemat przetwornika tensometrycznego do pomiaru momentu 
obrotowego o małych wartościach; 1, 2 – wałek przenoszący moment obrotowy, 
3 – płaskie sprężyny, 4 – tensometry 

 

Odcinki wałka l i 2 przenoszącego M

o

 połączone są płaskimi sprężynami, na 

które naklejono tensometry. Przenoszony moment obrotowy powoduje 
ugięcie płaskich sprężyn, których odkształcenie jest rejestrowane. 
 

Przetwornik magnetosprężysty 

 

Działanie tego przetwornika opiera się na zjawisku magnetosprężystości. 
Polega ono na tym, że przy odkształceniu materiałów ferromagnetycznych  
(w granicach sprężystości) zmienia się ich przenikalność magnetyczna. 
Schemat jednego z rozwiązań tego typu przetwornika (tzw. krzyżowego) 
przedstawiono na rys. 5. 
 

                         

 

 

Rys. 5. Schemat wyjaśniający zasadę działania magnetosprężystego krzyżowego 
przetwornika momentu obrotowego; a) naprężenia na wale, b) zasada pracy

 

 

Wskutek działania momentu obrotowego następuje skręcenie wału, co 
wywołuje w nim naprężenia rozciągające i ściskające - rys. 5a.

 

W związku ze 

zjawiskiem magnetosprężystości kierunek łatwego magnesowania powstaje 
wzdłuż naprężeń rozciągających +σ, natomiast trudnego magnesowania 

background image

wzdłuż naprężeń ściskających -σ. Przetwornik do pomiaru momentu składa 
się z dwóch rdzeni typu C z uzwojeniami, przy czym jeden rdzeń jest 
ustawiony zgodnie z osią wału, drugi zaś prostopadle - rys. 5b.

  

Uzwojenie jednego z rdzeni jest zasilane prądem przemiennym o stałej 
wartości skutecznej. W związku z tym przez wał przepływa przemienny 
strumień magnetyczny, który przy momencie skręcającym równym zeru 
rozpływa się symetrycznie, nie indukując w uzwojeniu drugiego 
elektromagnesu siły elektromotorycznej. Jeżeli natomiast wał jest poddany 
momentowi skręcającemu, to wówczas strumień magnetyczny w wale 
odchyla się w kierunku lekkiego magnesowania, tj. w kierunku naprężeń 
rozciągających +σ, wywołując w uzwojeniu drugiego elektromagnesu siłę 
elektromotoryczną. Rdzenie powinny być między sobą ekranowane. 

 

2.3.2. Pomiar pośredni momentu obrotowego 

 

W pewnych sytuacjach znacznie łatwiej jest dokonać pośredniego niż 
bezpośredniego pomiaru momentu obrotowego. Sprowadza się to do pomiaru 
reakcji utwierdzenia. Dobrze to ilustruje poniższy przykład. 

 

 

 

Rys. 6. Schemat pomiaru momentu obrotowego podczas wiercenia 

 

Na rysunku 6 przedstawiono schemat układu do pomiaru momentu 
obrotowego, występującego podczas wiercenia. Zamiast kłopotliwego 
pomiaru momentu obrotowego na wrzecionie wiertarki możliwy jest pomiar 
momentu oporowego jej stołu, na którym mocowany jest przedmiot 
obrabiany. Odpowiednio przygotowana płyta ma możliwość pewnego obrotu, 
przed którym zabezpiecza ją element sprężysty. Siła zginająca, działająca na 
element

 

sprężysty, jest proporcjonalna do wartości momentu obrotowego. 

Sygnał wyjściowy tensometrów naklejonych na elemencie sprężystym jest 
więc wprost proporcjonalny do mierzonego momentu.