[0001] 本发明涉及试验台扭矩测试校准领域，尤其涉及一种大型压气机试验台测扭器现场校准系统与方法。

[0002] 压气机作为航空发动机和燃气轮机的关键部件，在研制和改进、改型过程中都必须在试验台上进行大量试验，许多基础科学问题的解决也依赖于大量的试验数据。传动轴的扭矩是试验获取的关键参数之一，其测量原理主要有基于剪切应变和基于扭转相位等，在大型压气机试验台上通常采用带基座的相位式测扭器获得扭矩参数。为了获得高精度的测量结果，需要定期和按需对测扭器进行校准。对于相位式的测扭器，静态校准主要通过校准轴刚度（扭转轴产生一个信号齿距所需要的扭矩）来完成。若将测扭器拆卸返厂校准，会遇到拆装操作不便、周期长、校准费用高昂等问题。除静态校准外，为了更准确的测量负载扭矩，还需要在现场传动轴系条件下进行动态零点校准，以消除测扭器与负载试验件之间的功率损耗等因素造成的零点漂移影响。对于可双向旋转的压气机试验台，在换向进行试验前也需要完成测扭器的静态和动态校准。因此，研究在试验台现场对测扭器进行静态校准和动态校准的技术对解决以上问题具有重要意义。

[0017] 为对本发明技术方案进行更为清楚地说明，下面结合附图和具体实施例介绍本发明技术方案的具体实施过程。需要说明的是，以下实施例仅为了便于理解本发明的技术方案，不作为对本发明的可实施范围限制。

[0018] 需要理解的是，在本发明所使用的描述中，方位术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“水平”、“竖直”、“中心”、“顶部”、“底部”等是基于附图所示的方位关系，不能理解为所必须具备的方位。本发明附图所示的结构、尺寸关系仅为了配合本发明说明书进行示意性的描述，并非限制本发明的实施范围。术语“第一”、“第二”、“第三”仅为了描述上的区分，如无另外说明，并不指示或暗示其他特殊含义。术语“安装”、“相连”、“连接”等是广义上的描述，对于本领域的技术人员，应当通过具体情况理解以上术语在本发明中的含义。此外，附图中相同的标号在附图中表示相同项。

[0019] 本发明的一种大型压气机试验台测扭器现场校准系统包括测扭器现场静态校准系统和测扭器现场动态校准系统，实现压气机试验台测扭器在现场条件下的静态校准和动态校准。

[0020] 如图1所示，本实施例提供了一种测扭器现场静态校准系统，主要包括轴端固定支座10、力臂11、力传感器12、液压加载组件14、支撑座18。所述液压加载组件14包括液压油缸15、液压软管16、泵17等；优选的，所述力臂11为三角形。待校准测扭器6的扭矩轴的一端通过轴端固定支座10固定，另一端与力臂11的三角形的底端相连；所述力臂11水平安装；所述力传感器12的上方通过顶部连接块与力臂11的三角形的尖端相连，所述力传感器12的下方与液压油缸15相连，力传感器显示仪器13与力传感器12相连，同时通过力传感器显示仪器
13读数；所述液压油缸15安装在支撑座18上；力传感器12、液压油缸15、支撑座18以及相关连接件在同一中心线上竖直安装。

[0021] 在测扭器静态校准系统布置完成后，按照以下步骤对待校准测扭器6进行静态校准：步骤1：进行扭矩预加载，即加载扭矩至待校准测扭器6的额定扭矩以上，然后卸
载，往复五次；
步骤2：从零开始施加扭矩至待校准测扭器6的额定扭矩，等间隔逐步加载，读取每
个加载力下待校准测扭器6的相位（Phase Displacement，PD）；
在上述步骤2中，通过向液压油缸15泵入高压液压油，推动液压油缸内活塞运动产
生竖直向下的拉力，再经过水平安装的力臂11实现对待校准测扭器6的扭矩施加。泵17的类型可以选手动泵、电动泵、气动泵等，并通过在泵出口安装压力表实时观察油压的变化。观察力传感器12的显示值并从零开始等间隔逐步加载力，所需要加载的最大力可以根据待校准测扭器6的额定扭矩和力臂11的长度计算得出。每个加载步待读数稳定后读取数据，一般可以取8‑10个等间隔点的加载力和PD值的数据。

[0022] 步骤3：进行等间隔逐步卸载，即在与步骤2相同的力下读取待校准测扭器6的PD值；步骤4：建立关于加载力‑相位的线性回归模型，使用最小二乘法求解，根据求解的
斜率值计算待校准测扭器6的扭矩轴的扭转刚度值（单位：Nm/100%PD）；同时计算偏差的最大值、均方根值。

[0023] 在上述步骤4中，斜率值K和刚度值S的计算公式如下：；
；
式中，n为数据点数，W为加载力的读数；R为PD值的读数；L为力臂的长度；C为单位
换算系数。

[0024] 进一步地，考虑待校准测扭器6的扭矩轴温度对刚度值的影响，可以根据待校准测扭器6的扭矩轴温度对计算的刚度值进行修正，修正后刚度值 的计算公式如下：；
式中，为待校准测扭器试验时的轴温度，若待校准测扭器6具备温度补偿功能，
则 为需要输入至待校准测扭器的轴温度； 为待校准测扭器标定时的轴温度， 为温度修正系数，一般可取2.45%。

[0025] 步骤5：若步骤4中计算的偏差的最大值、均方根值在允许误差范围内，且连续两次校准的刚度值相对误差在允许误差范围内，则静态校准完成，否则重新进行静态校准。

[0026] 在上述步骤5中，偏差的最大值的限值取0.05%PD，偏差的均方根值的限值取0.02%PD，连续两次校准的刚度值相对误差的限值取0.04%。

[0027] 当需要反旋向进行测扭器现场静态校准时，可将图1中待校准测扭器6的扭矩轴两端连接的装置对换，再按照以上校准步骤进行静态校准，在完成测扭器现场静态校准之后，进行测扭器现场动态校准。

[0028] 如图2所示，测扭器现场动态校准系统包括变频调速子系统1、电机2、低速联轴器3、齿轮箱4、高速联轴器5、电气控制子系统7、振动监测子系统8、液压润滑子系统9。所述变频调速子系统1为所述电机2提供动力源，并调节所述电机2的转速；所述电机2的驱动端通过低速联轴器3与所述齿轮箱4连接；所述齿轮箱4的输出端通过高速联轴器5与待校准测扭器6连接；所述待校准测扭器6通过配套信号处理器读取相位、扭矩、转速、扭矩轴温等数值；
所述电气控制子系统7实现对整个测扭器现场动态校准系统的操作控制、状态监测、安全保护、运行数据的存储与管理；所述振动监测子系统8用于实时监测电机2、齿轮箱4、待校准测扭器6的振动数据；所述液压润滑子系统9为电机2、齿轮箱4、待校准测扭器6提供轴承润滑，还为电机2、齿轮箱4提供轴承顶升油源。

[0029] 依据本发明的测扭器现场动态校准系统，相应的动态校准方法包括以下步骤：步骤1：布置现场动态校准系统。连接电机2、低速联轴器3、齿轮箱4、高速联轴器5、待校准测扭器6，启动相关的配套设备；
在上述步骤1中，由电机2、低速联轴器3、齿轮箱4、高速联轴器5、待校准测扭器6组
成的轴系的同轴度控制在0.05mm以内。

[0030] 在上述步骤1中，相关的辅助配套包括变频调速、电气控制、振动监测、液压润滑、冷却水、辅助空气等配套设备。

[0031] 步骤2：启动电机2并调节转速，在待校准测扭器6的第1转速下，通过信号处理器读取相位、转速值。然后升高转速至第2转速、第3转速……第n转速，同样读取相位、转速值；在上述步骤2中，转速的点数和转速值可以根据试验时需要停留运行并录取数据
的转速确定，一般可以取8‑10个转速点读取相位、转速值。

[0032] 在上述步骤2中，在升速过程中，通过电气控制子系统7和振动监测子系统8实时监测系统设备的温度、振动等状态参数，如发生异常情况及时采取相应的安全保护措施，待故障排除后重新进行步骤2。

[0033] 步骤3：将读取的每个转速下的相位值作为试验台现场条件下零扭矩基准（Zero Torque Datum，ZTD）输入到测扭器信号处理器中；在上述步骤3中，ZTD值是测扭器的扭矩轴在旋转但不传递扭矩时，扭矩轴两端所
产生的电信号的初始相位差。因为是在空载下进行动态校准，所以每个转速下的相位值就是试验台现场条件下该转速对应的ZTD值。对于需要双向旋转的压气机试验台，ZTD值一般被设置在45%至55%之间。

[0034] 步骤4：再次读取待校准测扭器6在各转速下的扭矩、转速值，若扭矩值在允许误差范围内，则动态校准完成。否则重新进行动态校准。

[0035] 在上述步骤4中，扭矩的允许误差限值取0.05%PD。

[0036] 对于需要双向旋转的压气机试验台，正向旋转和反向旋转时的ZTD值存在差异，因此在换向时需要重新通过动态校准确定ZTD值并输入至待校准测扭器6的测扭器信号处理器中。

[0037] 需要说明的是，本发明不限于以上实施例的示范性技术细节，在不偏离本发明的技术方案的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征进行等效替换或修饰，这些替换、修饰之后的实施例仍属于本发明的保护范围。