一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构的制作方法

本实用新型涉及焦化行业煤性能评价技术领域，尤其涉及一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构。

背景技术：

由于起步晚和制造水平所限等综合因素的影响，国内用于测定基氏流动度的仪器设备研究一直没有实质性进展，基本依赖进口机型。随着技术进步和国内对该类设备应用的重视，相继有类似产品推出，但从使用性能以及原理、结构上都很难满足精度要求，导致到目前为止该类国产设备无法满足使用要求。

以美国进口的同类设备为例，其精度的稳定性也存在着可靠性不佳的问题，主要表现在输出扭矩在高转速条件下不稳定，而更大弊端是，扭矩发生变化是随机性的，在使用过程中根本无法监测。导致对同一试样的测定结果存在差异，使商品检验及数据指标在进行横向对比时容易产生歧义。

国内推出的同类设备存在的缺点主要有：一、传动原理不科学，例如对精密扭矩输出采用间接传递的方式传动(类似橡胶皮带等传动方式)，这种传动方式从根本上就不可能获得精确的输出扭矩。二、传动过程存在不稳定因素，例如传动过程中存在震动、噪音等，最终都会作用到试样检测结果上。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构，采用机械直联式设计实现精密的微小扭矩输出；通过调节电磁离合器的电流来改变扭矩大小；用激光位移传感器检测转动轴的跳动量实现对轻微震动和失效的监测，保证精密微小扭矩的实时输出具有更高的可靠性。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构，包括自上至下依次设置的动力源单元、电磁离合器单元及扭矩输出单元；所述动力源单元包括旋转驱动装置，所述电磁离合器单元包括电磁离合器、输入轴、输出轴及恒流源，电磁离合器的电源接口连接恒流源；所述扭矩输出单元包括传动轴、编码器及滑动联轴器；电磁离合器的一端设输入轴，另一端设输出轴，输入轴与旋转驱动装置的旋转轴连接，输出轴与传动轴相连；电磁离合器、输入轴、输出轴、传动轴均与旋转驱动装置的旋转轴同轴设置；传动轴的底端设滑动联轴器用于与搅拌桨活动连接；输入轴的一侧设激光位移传感器一，传动轴的一侧设激光位移传感器二；所述编码器为分体式编码器，编码器的码盘安装在传动轴上；旋转驱动装置、恒流源、激光位移传感器一、激光位移传感器二及编码器分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。

一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构，还包括机架，机架内设有上层隔板和下层隔板，将机架分隔为3个空间；旋转驱动装置固定在上层隔板上，编码器本体安装在机架的底板上；激光位移传感器一、激光位移传感器二均安装在机架上。

所述旋转驱动装置为交流电机或直流电机。

所述旋转驱动装置为交流伺服电机或直流伺服电机，转速调节范围为0～3000r/min。

所述输入轴通过联轴器一与旋转驱动装置的旋转轴相连，所述输出轴通过联轴器二与传动轴相连；联轴器一、联轴器二为刚性联轴器或柔性联轴器。

所述电磁离合器由永磁离合器替代。

所述恒流源为高精密数字型恒流源，并且具备温度补偿功能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

采用机械直联式设计实现精密的微小扭矩输出；通过调节电磁离合器的电流来改变扭矩大小；用激光位移传感器检测转动轴的跳动量实现对轻微震动和失效的监测，保证精密微小扭矩的实时输出具有更高的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构的结构示意图一(不含机架)。

图2是本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构的结构示意图(含机架)。

图中：1.机架2.旋转驱动装置3.上层隔板4.联轴器一5.输入轴6.下层隔板7.电磁离合器8.输出轴9.联轴器二10.传动轴11.编码器本体12.编码器的码盘13.底板14.滑动联轴器15.搅拌桨16.支架17.激光位移传感器一18.恒流源19.激光位移传感器二20.结合与分离器21.散热翅片22.散热孔23.轴承

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构，包括自上至下依次设置的动力源单元、电磁离合器单元及扭矩输出单元；所述动力源单元包括旋转驱动装置2，所述电磁离合器单元包括电磁离合器7、输入轴5、输出轴8及恒流源18，电磁离合器7的电源接口连接恒流源18；所述扭矩输出单元包括传动轴10、编码器及滑动联轴器14；电磁离合器7的一端设输入轴5，另一端设输出轴8，输入轴5与旋转驱动装置2的旋转轴连接，输出轴8与传动轴10相连；电磁离合器7、输入轴5、输出轴8、传动轴10均与旋转驱动装置2的旋转轴同轴设置；传动轴10的底端设滑动联轴器14用于与搅拌桨15活动连接；输入轴5的一侧设激光位移传感器一17，传动轴10的一侧设激光位移传感器二19；所述编码器为分体式编码器，编码器的码盘12安装在传动轴10上；旋转驱动装置2、恒流源18、激光位移传感器一17、激光位移传感器二19及编码器分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。

如图2所示，本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构，还包括机架1，机架1内设有上层隔板3和下层隔板6，将机架1分隔为3个空间；旋转驱动装置2固定在上层隔板3上，编码器本体11安装在机架1的底板上；激光位移传感器一17、激光位移传感器二19均安装在机架1上。

所述旋转驱动装置2为交流电机或直流电机。

所述旋转驱动装置2为交流伺服电机或直流伺服电机，转速调节范围为0～3000r/min。

所述输入轴5通过联轴器一4与旋转驱动装置2的旋转轴相连，所述输出轴8通过联轴器二9与传动轴10相连；联轴器一4、联轴器二9为刚性联轴器或柔性联轴器。

所述电磁离合器7由永磁离合器替代。

所述恒流源18为高精密数字型恒流源，并且具备温度补偿功能。

机架1经高精度cnc加工制成，旋转驱动装置2固定在上层隔板3上，旋转驱动装置2的旋转轴穿过上层隔板3后与联轴器一4的一端连接，联轴器一4的另一端与电磁离合器7的输入轴5配合连接，电磁离合器7固定在下层隔板6上。

扭矩调节是通过与电磁离合器7配套设置的恒流源实现的，电磁离合器7的输出轴8与联轴器二9的一端连接，联轴器二9的另一端与传动轴10的上端连接，传动轴10上安装有编码器的码盘12，编码器本体11固定在底板13上。

用于检测圆跳动的激光位移传感器一、激光位移传感器二分别固定在机架1上，其中激光位移传感器一安装在下层隔板6上，激光位移传感器二通过支架16安装在机架1的侧壁上。传动轴10的下端安装滑动联轴器18，通过滑动联轴器18实现与搅拌桨20的结合或分离。

如图2所示，为了保证传动精度，还可以在机架1的底部安装结合与分离器20，采用卡接方式实现与搅拌桨15外侧煤甑的快速结合与分离，结合与分离器20的主体为套筒式结构，其中心轴线与电磁离合器7的中心轴线，以及旋转驱动装置2上旋转轴的中心轴线同线。为了保证传动轴10的旋转具有稳定性和物理支撑，传动轴10通过2个轴承23同结合与分离器20连接，2个轴承23分别嵌装在结合与分离器20内对应开设的沟槽中。设置结合与分离器20后，为了尽量减少高温热量的影响，结合与分离器20的外部设散热翅片21进行散热，同时在其上部沿圆周方向开设散热孔22，进一步利用空气对流进行散热。

本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用机械直联式微小扭矩传动机构的功能特点如下：

1、采用机械直联的设计实现精密的微小扭矩输出；

如图1所示，动力源单元、电磁离合器单元、扭矩输出单元这三部分中相连接的各旋转部件的中心轴线均同轴设置，这是本实用新型所述机械直联的典型特征之一。

旋转驱动装置2具备在0～3000r/min转速范围内调节的能力，平稳且其动平衡力要非常好。

电磁离合器7的作用是给其提供一定电流的情况下，在其输出轴8一端获得一个要求的标准扭矩，该扭矩为：101.6±5.0g·cm,等效为0.00996±0.0005n·m。同时，为了满足广泛性的实验需要，该扭矩也应具备一定的可调范围，其可调范围为0～200g·cm以上，但应该注意的是，电磁离合器7的最大扭矩越大，对输出扭矩的精度影响也越大。

传动轴10对应设置一个编码器11，并且采用分体式编码器，编码器11只有码盘安装在传动轴10上，当码盘在带动下旋转时不会产生任何阻尼，同时要求该编码器11的转动惯量要尽量小，否则会影响输出扭矩的灵敏度。

传动轴10的末端设置一个滑动连轴器18，用于与搅拌桨20的上部轴端相连，从而使搅拌桨20获得一个所需要的精密扭矩。

2、通过调节电磁离合器电流来改变扭矩大小；

本实用新型中，影响输出扭矩大小和精确度的关键部件是电磁离合器7，电磁离合器7是通过电流而产生磁场，磁场的大小直接改变在其输出轴端的扭矩。为保证其能输出高精度的微小扭矩，需要高精密数字型的恒流源进行驱动，恒流源除了保证电流输出稳定精确外，还需具备温度补偿功能，补偿由于环境温度变化导致扭矩输出可能产生的微小误差。通过调节合适的电流值就可以在电磁离合器7的输出轴8上获得一个对应的扭矩，也即电流值的大小与扭矩具有一一对应的线性关系。而恒流源接受来自控制系统的脉冲量，通过改变脉冲数量即可改变电流值的大小。这是一种较为通用的常规技术，这里不再赘述。由于实现了数字化调节，通过实际验证，该电流调节分辨率可达0.001ma,这意味着可获得更高精密级的扭矩输出。而恒流源的温度补偿功能保证了在动态使用过程中扭矩具有优异的稳定性。

在基氏流动度测定仪的实际使用中，搅拌桨是放在煤的试样中，而煤的试样因外部条件改变而发生状态变化时，会在搅拌桨上将产生一个反作用力，也即负载扭矩，这个负载扭矩与电磁离合器7的输出扭矩相互作用。

当负载扭矩≥电磁离合器7所设定的输出扭矩时，电磁离合器7输出轴的转速变成零，扭矩输出单元的转动部件停止转动。这时旋转驱动装置2仍然保持原有的设定转速旋转。当负载转矩＝0时，搅拌桨的转速与旋转驱动装置2相同。当负载转矩＜电磁离合器7所设定的输出扭矩时，在搅拌桨上将获得一个变化的转速，转速大小取决于煤试样的即时负载扭矩。由上述可知，基氏流动度测定仪使用过程中，旋转驱动装置2的额定输出扭矩要大于负载扭矩。

扭矩输出单元中转动部件转速的变化通过编码器11测定，编码器11测定转速的原理属于通用技术，故在此不再赘述。煤样状态的转矩变化最终体现在编码器11测定的转速上，将单位时间内转速测定后，就能测定在一定时间过程内的总转数，该步骤可通过控制系统自动处理。

编码器11的最大测量能力是由旋转驱动装置的最高转速和编码器11的分辨精度所决定的，在电磁离合器7特性范围内运行时，旋转驱动装置2的最高转速可达3000r/min，而编码器11若采用1000线规格的，那么最高测量能力就是3000r/min×1000线,控制系统可以获得3000,000个脉冲/min，可以满足所有煤样品的工况要求，同时与国外进口机型相比，所测定的最大能力高出了一个数量级。

本实用新型中，电磁离合器7也可以由永磁离合器代替，永磁离合器是采用永久磁铁形成的磁场产生力矩，通过调节永磁体的相对位置(距离)来改变输出端的扭矩大小。永磁离合器的输出扭矩只能通过人工手动进行调节，无法数字化，更无法进行必要的温度补偿。特别是nd2fe14b类磁材料容易受温度的影响，且随温度的升高，久而久之其磁性将消失。鉴于其具有不稳定的特性，一般不建议采用永磁离合器。但永磁离合器的结构简单、制造容易、价格低廉，因此也可视需要应用。

另外，永磁离合器因其物理结构上的特性，存在圆周脉振式的转矩，其脉振值高就会影响输出扭矩，过大的脉振会导致扭矩输出无法达到精度要求。同时，永磁离合器在高速旋转时会产生较大的震动，这种震动也会导致噪音，对煤试样的影响非常严重，会直接导致试样结果的平行性重复性变差。

3、用激光位移传感器检测转动轴的跳动量，实现对轻微自身震动和失效的监测，同时作为精密微小扭矩实时输出可靠性的保证；

现有基氏流动度测定仪器在使用过程中存在下列问题：

3.1环境温度对微小扭矩的影响：

目前，进口或其他同类设备仪器在其工作过程性区间内，没有任何方法能够证明扭矩是稳定和可靠的，都是只能在其非工作状态下进行校准，但这并不能证明其工作过程中是否会发生变化。由于该类实验是处于一定的高温下，所有轴承和轴类旋转运动零件均会产生热膨胀的形变，这个形变量将导致机械上的配合度发生改变，这个影响若大于容许度，将会对输出扭矩产生严重影响，特别是采用永磁离合器时更是存在此类问题。当温度恢复到常温后，扭矩又会恢复到正常值，最终导致动态过程中所产生的误差对试样结果的影响无法知晓。

3.2失效性影响：

由于所有的旋转运动部件无论何种设计结构均涉及到其与轴承的配合，而轴承在温度较高的环境下工作寿命是有限的，即轴承在最终失效前可能已经不符合使用要求，已经无法保证正确的输出扭矩。但是在实际使用过程中，只有轴承彻底损坏(卡死或产生较大的震动)才能知道其已失效，显然，在轴承彻底损坏前判断其对扭矩产生的影响非常重要。

3.3解决方案：

监测扭矩变化最好的方式就是能够直接测量，但采用常规方法测量扭矩时必须与电磁离合器7的输出轴8或其关联部件有物理性接触，而只要存在这种物理性接触就必然会对输出扭矩产生影响，很显然直接接触进行测量的方案是不可行的。本实用新型的另一个重要创新点就是采用了间接的非接触测量法。

测量原理：通过激光位移传感器一、激光位移传感器二测量输入轴5、传动轴8的圆周跳动量来进行监测。

进一步的说明：当轴承受热或失效时，其共同表现是机械配合处的配合间隙会变化，这势必引起轴在旋转过程中圆跳动量的变化。因此，可通过检测相关轴旋转过程中的跳动量在一定的容许误差范围内，来获得对输出扭矩正确性的判断。本实用新型中，在传动轴11和电磁离合器7的输入轴5上分别设置了激光位移传感器，进行高精度的位移测量(分辨精度为0.01mm)。这就要求电磁离合器7的输入轴5和传动轴10自身必须具备非常小的圆跳动量和表面光洁度，在上述轴的旋转过程中，通过激光位移传感器一、激光位移传感器二，实时的或分阶段的获得所测得的位移量，经过控制系统对数据进行处理后，若超过偏差的预设值则给出提示。同时也可以根据数据情况绘制轴承寿命图，用以判断失效的渐进趋势，给操作或维护人员提供有效的判断参考。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。