【正文】 軸所受的軸向力的方法主要分為油壓測(cè)定法和壓力傳感器法兩種。它的基本結(jié)構(gòu)是由2個(gè)相互平行、彼此嚙合、轉(zhuǎn)向相同的特殊螺桿和與其配合的機(jī)殼組成的機(jī)構(gòu)，特殊螺桿上的螺紋正反向交替，反向螺旋上開有數(shù)個(gè)斜槽,如圖31和圖32所示。1％。另外，這種傳感器還具有價(jià)格低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適用于對(duì)土壓力的測(cè)量,在土建施工中應(yīng)用很廣。當(dāng)激發(fā)脈沖使繼電器斷開時(shí)，振弦在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U,其頻率與振弦的振動(dòng)頻率相等。如圖25所示，當(dāng)激發(fā)脈沖加給繼電器時(shí)繼電器吸合。它的測(cè)量上限值為數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)牛頓。這種傳感器具有輕巧、頻率響應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)，適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)力、沖擊力和短時(shí)間作用的靜態(tài)力等。如圖24所示，兩片電荷極性相反的壓電片安裝在鋼殼中壓電片之間的導(dǎo)電片為一電極,鋼殼為另一電極。測(cè)量上限值為160牛頓～5000萬(wàn)牛頓，～1％。當(dāng)磁彈性體受力作用時(shí)，材料的磁導(dǎo)率在壓應(yīng)力方向降低，使磁力線分布發(fā)生變化，一部分磁力線與測(cè)量繞組交連而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小隨被測(cè)力大小而變。如圖23所示，磁彈性體由若干硅鋼片粘結(jié)而成,在4個(gè)對(duì)稱的、間距相等的孔中繞有兩個(gè)垂直相交的繞組，分別作為勵(lì)磁繞阻和測(cè)量繞組。測(cè)量上限值一般為10牛頓～100萬(wàn)牛頓，～％。這一電壓經(jīng)放大器放大后，由顯示儀表指示被測(cè)力值。電阻應(yīng)變式力傳感器 利用粘貼在彈性體上并組成電橋電路的應(yīng)變片將被測(cè)力變換成電信號(hào)輸出的傳感器。它的工作原理基本上有兩種。測(cè)力儀表一般由力傳感器、測(cè)量電路和指示器等部分組成，并按力傳感器的工作原理分類。于是由（29）式得： (211)即： (212)通過電壓的比值可以得出應(yīng)變量的變化，進(jìn)而可以通過計(jì)算機(jī)繪圖軟件得出軸向力的變化，解決了我們動(dòng)態(tài)軸向力難以測(cè)量的問題，并且完成了本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容。則有： (24)將上式作冪級(jí)數(shù)展開,并取其前四項(xiàng)得 (25)(c)關(guān)系對(duì)照?qǐng)D21,并令四個(gè)應(yīng)變片的初始電阻均為,則可得到全橋式應(yīng)變片傳感器關(guān)系: (26)式中，為傳感器的輸出電壓，為電橋電源。若應(yīng)變片由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，對(duì)半導(dǎo)體材料一般在。若應(yīng)變片由金屬材料構(gòu)成則：。(a)關(guān)系稱為應(yīng)變量，具體定義為： (21)式中，為應(yīng)變片電阻絲的長(zhǎng)度對(duì)上式積分得： (22)(b)關(guān)系當(dāng)應(yīng)變片受到拉伸或壓縮后 ,將產(chǎn)生由機(jī)械應(yīng)變到電阻R的轉(zhuǎn)換。圖21是采用全橋方式的轉(zhuǎn)換電路。由于應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)變電阻變化很小（一般在），因此在實(shí)際應(yīng)用中采用橋式測(cè)量電路。因此，研究準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的材料力學(xué)性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)工業(yè)、國(guó)防等方面的需要研究材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)力。雙螺桿磨漿機(jī)是一種新型磨漿設(shè)備，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨漿質(zhì)量好、能耗低、用水量少和減少排污等特性，具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于物料在整個(gè)磨漿過程中的形態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，目前，雙螺桿磨漿機(jī)的、軸向推力(軸向力方向指向傳動(dòng)箱方向，與物料流動(dòng)方向相反)無(wú)有效的計(jì)算方法，主電動(dòng)機(jī)的選擇只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)方法，軸承壽命無(wú)法計(jì)算，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的可靠性難以保證．在雙螺桿磨漿機(jī)工作過程中，原材料進(jìn)入機(jī)筒后將受到雙螺桿的擠壓、剪切、揉搓和分絲作用，同時(shí)物料會(huì)給機(jī)筒和螺桿施加反作用力，一方面使機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力，雙螺桿磨漿機(jī)螺桿扭矩、軸向推力和機(jī)筒壓力的測(cè)量和研究，對(duì)于了解螺桿幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律、對(duì)于電機(jī)功率和螺桿軸承的合理選擇、對(duì)于雙螺桿磨漿機(jī)擠壓模型的研究等都是很有意義的。該測(cè)量裝置用于雙螺桿磨漿機(jī)軸向推力的測(cè)量,取得了良好的效果。并應(yīng)用彈性力學(xué)方法對(duì)測(cè)力環(huán)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,分析表明減小測(cè)力環(huán)支撐板橫截面 積或選用彈性模量較小的鋼材有利于增加靈敏度。螺桿的軸向力是該設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù),目前尚無(wú)有效計(jì)算方法。本課題動(dòng)態(tài)測(cè)量要求達(dá)到以下目的:(1)被測(cè)物是正在運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備中的某一零部件；(2)在力不斷變化時(shí)，要隨時(shí)測(cè)量出具體值；(3)測(cè)量值要保證一定的精確度。根據(jù)實(shí)際情況，可加工設(shè)計(jì)的應(yīng)變環(huán)，然后粘貼應(yīng)變片，進(jìn)行轉(zhuǎn)軸軸力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸向力是軸的剛度校核、推力軸承選擇的重要依據(jù)，由于工況復(fù)雜有些機(jī)械軸向力往往無(wú)法計(jì)算，只能通過測(cè)量方法獲得。但若精確并實(shí)時(shí)地測(cè)量機(jī)械設(shè)備中的某零件運(yùn)行時(shí)所受的軸向力，問題就復(fù)雜了。此外，從測(cè)力角度上分析信號(hào)、判別故障還有它的許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。這些脈動(dòng)的力作用在轉(zhuǎn)子上，通過轉(zhuǎn)子的止推盤傳遞到瓦塊和瓦座上，在瓦座上安裝測(cè)力元件，就能測(cè)量到靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的變化。因此僅僅通過計(jì)算得出的軸向力反映不出這些因素對(duì)軸向力的影響。這對(duì)于維護(hù)機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行、減小功率損耗、提高瓦塊使用壽命、防止災(zāi)難性事故發(fā)生，使企業(yè)避免蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。而且平衡盤不能平衡掉由各種故障(諸如氣流沖擊、蒸汽節(jié)流和喘振等)引起的脈動(dòng)軸向力。由于各種軸向力計(jì)算方法都要作許多假設(shè)，與實(shí)際工況相差較大，設(shè)計(jì)值、計(jì)算值與實(shí)際偏離較多，尤其在高速壓縮機(jī)中，常常發(fā)生剩余軸向力超過止推軸承的承載能力。1 緒 論大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行中由于軸向力過大引起的止推軸承燒毀和斷軸等故障頻繁發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外解決這一問題的唯一辦法是在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)采用增大平衡盤，將大部分軸向力平衡掉，剩余部分由止推軸承承擔(dān)。導(dǎo)致燒瓦以及密封、隔板的破壞，造成嚴(yán)重的損傷事故。解決這一問題更為有效的辦法就是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)軸向力，作為超限報(bào)警和聯(lián)鎖停機(jī)的重要指標(biāo)，并通過主動(dòng)控制的辦法將其控制在合適的范圍之內(nèi)。作用在止推軸承上的軸向力并不是固定不變的，隨著機(jī)器操作工況的變動(dòng)、級(jí)間或段間密封間隙的變化以及各級(jí)葉輪與隔板之間的間隙制造誤差或裝配誤差等因素，均會(huì)引起軸向力的變化。動(dòng)態(tài)軸向力是由于流體的壓力脈動(dòng)、氣流沖擊以及機(jī)械力的周期性作用引起的。 對(duì)動(dòng)態(tài)力進(jìn)行信號(hào)分析比取振動(dòng)信號(hào)分析更為直接，不需要考慮與系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼和頻率有關(guān)的傳遞特性。 通常在測(cè)量或計(jì)算某被測(cè)物所受的軸向力，非常簡(jiǎn)單。提出了簡(jiǎn)便精確的動(dòng)態(tài)方法，對(duì)相關(guān)的工程設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。該題目要求了解轉(zhuǎn)軸軸向力測(cè)量方法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行軸向力測(cè)量裝置，設(shè)計(jì)中要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。工程設(shè)計(jì)中，常需隨時(shí)精確地測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備中正在運(yùn)行的某零部件所承受的軸向力。雙螺桿磨漿機(jī)是造紙工業(yè)中一種新型的磨漿設(shè)備。設(shè)計(jì)了采用推力軸承和測(cè)力環(huán)的雙螺桿磨漿機(jī)軸向推力測(cè)量裝置,其特點(diǎn)是相間干擾小,結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單。測(cè)量裝置的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明, 測(cè)力環(huán)靈敏度較高,重復(fù)性較好。轉(zhuǎn)軸的軸向力的測(cè)量有兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是傳感器的選擇，傳感器應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，并且靈敏度高；二是測(cè)量信號(hào)的引出，由于是旋轉(zhuǎn)的軸，需要把旋轉(zhuǎn)的測(cè)量信號(hào)傳遞到非轉(zhuǎn)動(dòng)的引線，以便于連接信號(hào)放大處理儀器。2軸向力的測(cè)量原理在一系列工程實(shí)際問題中,人們經(jīng)常會(huì)遭到各種類型的沖擊載荷材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能與準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的力學(xué)性能有明顯區(qū)別。目前已有如下測(cè)量方法：（1）電容器法，由于受到安裝位置的限制,僅適用于測(cè)桿端的位移，目前已很少采用；（2）速度計(jì)法，主要是根據(jù)電磁感應(yīng)原理測(cè)量壓桿表面的質(zhì)點(diǎn)速度,由于技術(shù)上的問題較多 ,該方法尚未普及；（3）衍射光柵法，它要在試件上刻蝕條以上的光柵，并需配備等待式高速攝影機(jī),難度較高；（4）電阻應(yīng)變片法，這是目前最主要的測(cè)量方法。常用有全橋式（電橋四臂均由應(yīng)變片電阻構(gòu)成）；半橋式（電橋的兩個(gè)橋臂由應(yīng)變片電阻構(gòu)成）；及四分之一橋（電橋的一個(gè)臂由應(yīng)變片電阻構(gòu)成）。圖21應(yīng)變片式傳感器的測(cè)量電路由圖21不難看出，應(yīng)變片式傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式為。定義如下: (23)式中：稱為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。對(duì)金屬材料一般在之間。對(duì)()式積分,并考慮到。傳感器的輸入—輸出關(guān)系：由（24）式有： (27)將上式帶入（26）式得： (28)將上式兩端乘2并作等量代換可得： (29)根據(jù)雙曲函數(shù)定義有： (210)在實(shí)用中不難令：以及，令絕對(duì)值均為。 測(cè)力傳感器測(cè)量機(jī)械設(shè)備中的作用力的機(jī)械量測(cè)量?jī)x表，又稱測(cè)力儀表。力傳感器是一種將被測(cè)力變換為電信號(hào)輸出的測(cè)量元件。一種是測(cè)量某些物質(zhì)受力作用時(shí)其固有物理性質(zhì)發(fā)生的變化，從而測(cè)得作用力的大小，如壓電式、磁彈性式和振弦式等力傳感器；另一種是利用被測(cè)力使彈性體變形，通過測(cè)量變形的程度來測(cè)出被測(cè)力的大小，如電阻應(yīng)變式、電容式等力傳感器。如圖22所示，當(dāng)彈性體受到力F作用變形時(shí)，應(yīng)變片R1～R4隨同伸縮,其電阻值也因之改變，從而使電橋電路的輸出電壓發(fā)生變化。這種傳感器具有測(cè)量精確度高、響應(yīng)快和測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，故廣泛用于稱重儀表。 圖22 電阻應(yīng)變式力傳感器結(jié)構(gòu)圖磁彈性式力傳感器(壓磁式力傳感器) 它利用磁彈性體受力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，使材料的磁性質(zhì)發(fā)生變化的磁彈性效應(yīng)，將被測(cè)力變換成電信號(hào)輸出。勵(lì)磁繞組由交流電源供電，當(dāng)磁彈性體不受力時(shí)因材料磁性的各向同性,由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁力線不與測(cè)量繞組交連,因而不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種力傳感器的特點(diǎn)是輸出信號(hào)大，因內(nèi)阻低而抗干擾性能好，能在惡劣的環(huán)境中工作，因而被廣泛用于軋制力和張力測(cè)量?jī)x表。 圖23 磁彈性式力傳感器壓電式力傳感器 利用壓電介質(zhì)（如石英、鈦酸鋇等晶體）在力作用下發(fā)生極化而在兩端表面間出現(xiàn)電勢(shì)差的壓電效應(yīng)，將被測(cè)力變換成電信號(hào)輸出的測(cè)量元件。作用力F通過上蓋均勻地傳遞到壓電片時(shí),兩電極即產(chǎn)生電勢(shì)差。它的輸出信號(hào)小和輸出阻抗高，所以一般利用前置放大器把傳感器輸出信號(hào)放大，并將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。圖24 壓電式力傳感器振弦式力傳感器 利用振弦的固有振動(dòng)頻率隨張力的大小而變化的特性，將被測(cè)力轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出的測(cè)量元件，振弦為一張緊的弦絲，置于永久磁鋼的磁場(chǎng)中，其一端固定，另一端與傳感器運(yùn)動(dòng)部分相聯(lián)為了測(cè)量振弦的固有振動(dòng)頻率,必須激發(fā)振弦振動(dòng)。繞在永久磁鋼上的線圈與電源E接通一脈沖電流使振弦一吸一放而產(chǎn)生振動(dòng)。傳感器輸出的是頻率信號(hào)，所以抗干擾性能好，而且信號(hào)能遠(yuǎn)距離傳輸?！?00萬(wàn)牛頓，測(cè)量誤差為177。圖25 振弦式力傳感器3軸向力測(cè)量在機(jī)械設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用 雙螺桿磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理雙螺桿磨漿機(jī)用于制漿造紙工業(yè)的機(jī)械漿磨漿工藝。在磨漿過程中，制漿材料由進(jìn)料口送入，被正向螺旋推向反向螺旋，在正、反向螺旋擠壓作用下物料被壓縮揉碎，由于正向螺旋擠壓作用較大，物料被迫從反向螺旋的斜槽通過而被剪切撕裂、進(jìn)入下一個(gè)擠壓區(qū)，如此反復(fù),在出料口物料被磨制成紙漿。如圖33所示是一種油壓測(cè)定法的工作原理，當(dāng)設(shè)備正常工作時(shí)，可以從壓力表上直接讀出油缸的油壓值，從而可根據(jù)式(31)計(jì)算出軸向力值，如果將壓力表的表面讀數(shù)換算成軸向力值，這時(shí)便可以從表上直接讀出軸向力值，該值的大小可以由式(31)表示： (31)式中：F：螺桿軸所受軸向力(N)d：測(cè)壓油缸內(nèi)直徑(m)p：油壓表的讀數(shù)值(測(cè)壓油缸中的油壓值)(Pa)圖33油壓法測(cè)軸向力示意圖1. 螺桿 這種軸向力測(cè)力方法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高、油液的泄漏影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)記錄；此外，由于這種裝置一般都安置于減速箱的后部，導(dǎo)致了減速箱承受較大的軸向力而被損壞的可能。我國(guó)一些塑料擠出機(jī)上便采用這種結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)軸向力過大時(shí)，有傳感器發(fā)出信號(hào)直接切斷電機(jī)的電源，以保護(hù)電機(jī)和其它機(jī)械的設(shè)備的安全。本實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備為雙螺桿磨漿機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)圖如圖35所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)量裝置有軸向力測(cè)量裝置、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、光電轉(zhuǎn)速表等。為了便于測(cè)量螺桿軸所受的軸向力，本文對(duì)螺桿軸進(jìn)行了改造，在兩根螺桿與減速箱連接的一端分別安裝一個(gè)應(yīng)變測(cè)量環(huán)，如圖36所示。圖36 軸向力測(cè)量裝置圖1測(cè)力環(huán) 2應(yīng)變片 3螺桿芯軸 4推力軸承 5后擋板6螺栓 7支架 8機(jī)筒定位環(huán) 9機(jī)筒下座 10螺紋元件圖37 惠斯登電橋靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的作用就是將應(yīng)變測(cè)量環(huán)因軸向力作用而引起的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻的變化率，然后將測(cè)得的電阻變化值換算得到應(yīng)變值，在磨漿機(jī)進(jìn)行工作的情況下，在計(jì)算機(jī)上便可以實(shí)時(shí)的顯示出應(yīng)變測(cè)量值，最后還要對(duì)應(yīng)變測(cè)量環(huán)進(jìn)行標(biāo)定，得出實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的載荷的大小。由于兩螺桿相互嚙合，所以中心矩很小,這就要求軸向推力測(cè)量裝置非常緊湊。軸力測(cè)量裝置只是增加了測(cè)力環(huán)推力軸承后擋板5和螺栓6,對(duì)原支架進(jìn)行了擴(kuò)孔、原螺桿芯軸軸肩進(jìn)行了車削。推力軸承4緊圈固定在螺桿芯軸10上,松圈壓在應(yīng)變環(huán)上 ,松圈外緣與支架孔壁有一定間隙 ,避免產(chǎn)生摩擦阻力。在雙螺桿磨漿機(jī)軸向推力測(cè)量裝置