lunes, 13 de febrero de 2023 · 0 min read
¿Cómo medir torque?
En este artículo, aprenderá sobre el procesamiento de señales con suficiente detalle para:
Comprender qué par está en el nivel superior
Aprender cómo se mide el torque
Ver cómo funciona la medición de par en aplicaciones DAQ
¿Qué es Torque?
Si recuerda las clases de física, la fuerza es una entrada que cambia el movimiento de un objeto con el tiempo. Por ejemplo, una fuerza lineal simple puede empujar (o jalar) una masa en estado de reposo, cambiando su velocidad acelerándola con el tiempo. El torque es una fuerza que hace que un objeto gire alrededor de un eje de rotación. Por lo tanto, el par es una "fuerza de torsión", también conocida como fuerza de rotación.
El ejemplo más obvio de torque es el eje de transmisión de su automóvil. La cantidad de torque que el motor puede generar en ese eje determina la capacidad del automóvil para realizar trabajo. El torque/par es un vector, lo que significa que actúa en una determinada dirección.
El torque es una "fuerza de torsión" que tiene la intención de girar o girar un eje de transmisión, un tornillo, un perno o una rueda.
El par también se puede denominar momento o momento de fuerza. El torque en general se da con el símbolo \(\tau \) (la letra minúscula griega “t”). La unidad derivada del SI para el par (momento de fuerza) es \(N⋅m\) (Newton-metros).
En los EE. UU., el torque a menudo se expresa en libras-pie \(ft/lbs\). Para convertir \(N⋅m\) \(ft/lbs\), simplemente divida el valor de \(N⋅m\) entre 1,356.
¿Por qué necesitamos medir el torque?
La medición del par mecánico de los ejes giratorios es esencial al diseñar, poner en marcha y solucionar problemas de todo tipo de máquinas. Conocer el verdadero par mecánico de un eje, hélice u otro miembro giratorio es la única forma de saber que cumple con sus especificaciones.
En algunas aplicaciones, es fundamental saber cuál es el torque en todo momento, para protegerse contra un exceso de torque potencialmente peligroso que podría provocar daños o fallas en el sistema. Las mediciones de torque son una parte importante del mantenimiento predictivo.
¿Cuáles son los principales tipos de torque?
Hay dos tipos de torque: torque rotatorio y torque de reacción:
Par rotatorio, también conocido como par rotacional o dinámico
Par de reacción, también conocido como par estacionario o estático
Par rotatorio (también conocido como rotacional o dinámico)
Objetos como ejes, turbinas y ruedas que giran muchas veces (o sin fin) alrededor de un eje, tienen un par rotatorio o "rotacional".
Par de reacción (también conocido como estacionario o estático)
La fuerza estática aplicada a un objeto se llama reacción o par estacionario. Por ejemplo, cuando coloca una llave de tuercas en un perno y luego intenta apretarlo, le está aplicando un par de reacción. Incluso si el perno no gira mucho o nada, el par de reacción todavía está presente. En este caso, el par se mide en menos de una revolución.
¿Cómo se mide el torque?
El par se puede medir directa e indirectamente. Si conoce la eficiencia del motor y la velocidad del eje, puede usar un medidor de potencia para hacer una estimación del par. Esta es una forma indirecta de medir el torque.
Una forma mejor y más precisa de medir el torque es usar un método directo, usando sensores de torque de reacción o sensores de torque rotativos. ¿Cuál es la diferencia?
Sensores de par de reacción (estáticos)
Un sensor de par de reacción mide el par estático o no rotacional.
Un buen ejemplo de un sensor de par de reacción es una llave dinamométrica. Esta herramienta se utiliza para garantizar que se aplique la cantidad correcta de torsión a un perno, tuerca u otro sujetador. La base de la llave tiene un ajuste a la cantidad de torsión deseada y, a medida que el operador aplica fuerza, se emite un clic audible cuando se alcanza la torsión correcta. A menudo se les conoce como llaves dinamométricas de "clic" y ofrecen varios puntos de ajuste ajustables.
Las llaves dinamométricas digitales tienen un indicador de aguja o una pantalla digital que muestra el par aplicado. Algunos modelos electrónicos, en particular los destinados al trabajo de fábrica, tienen una memoria que almacena cada operación con fines de documentación y control de calidad.
Para ver una demostración simple de cómo usar una llave dinamométrica de "clic", vea este video:
Los sensores de par de reacción utilizan un sensor piezoeléctrico basado en cuarzo o un sensor de galgas extensométricas para medir el par. Hay muchos tipos y variaciones de llaves dinamométricas y destornilladores dinamométricos disponibles.
Sensores de torsión rotacionales (dinámicos)
Un sensor de par rotacional es un transductor que convierte el par rotacional en una salida que podemos medir, mostrar, analizar y almacenar. Los transductores de torsión rotacional se utilizan para bancos de pruebas de torsión de motores, pruebas de motores de combustión interna, pruebas de motores eléctricos, ejes de transmisión, turbinas, generadores y más.
Existen métodos directos e indirectos para medir el par.
Los métodos de medición indirecta del par pueden ser más económicos y fáciles de implementar en un eje existente, pero no son tan precisos como la medición directa del par. Si conoce la eficiencia de un motor y puede medir la velocidad de su eje y el consumo de corriente, puede estimar el par de esta manera.
Los métodos de medición de torque directos son más precisos que los métodos indirectos. La mayoría de ellos implican el uso de un medidor de tensión montado en el eje de transmisión. Este sensor mide directamente la fuerza de torsión en el propio eje.
Cuando el eje es girado por el motor, girará muy levemente. Debido a la rigidez del acero, la torsión es imposible de ver a simple vista, pero puede detectarse mediante galgas extensiométricas que están adheridas al eje. Un arreglo de cuatro medidores comprende un puente Wheatstone, cuya salida es balanceada y condicionada por el sistema de medición de torque rotativo.
La salida de este medidor de tensión se puede conectar directamente (si es posible) o medir de forma inalámbrica a la medición de par o DAQ (adquisición de datos)
Dentro del propio sensor de par rotatorio, las salidas de los sensores de galgas extensométricas montados en el eje se envían a la electrónica mediante un anillo deslizante (los sensores de galgas extensométricas deben estar alimentados). Alternativamente, se puede usar una conexión de sensor inductivo o sin escobillas, lo que permite velocidades más altas y menos desgaste físico, lo que resulta en menos mantenimiento a largo plazo. El ángulo y las RPM también se pueden medir sin contacto.
Los sistemas DAQ de Dewesoft son ideales para medir todos los parámetros físicos, incluido el par. Proporcionan un acondicionamiento de señal aislado que garantiza una adquisición de datos de alta precisión y bajo ruido. También proporcionan entradas de contador/RPM/codificador de alta velocidad que son ideales para medir simultáneamente la velocidad, el ángulo y la posición del eje. En los sistemas DAQ de Dewesoft, los datos de contadores analógicos y digitales se sincronizan con precisión, lo cual es importante para cada aplicación, pero especialmente cuando se realizan pruebas de vibración rotacional y torsional. Más sobre eso en la siguiente sección.
Sistemas de medición de par rotativos de instalación permanente
En el sistema que se muestra arriba, se monta un sensor de torque giratorio entre el motor y un freno, usando acoplamientos en cada lado. El eje que atraviesa el sensor está equipado con un sensor de galgas extensométricas que mide la fuerza de torsión en el eje. La salida de esta señal se acondiciona y se envía a un sistema de medición DAQ (adquisición de datos), o simplemente a una pantalla digital o sistema de alarma si se requiere monitorear pero no registrar los datos.
Los sensores de par giratorio están opcionalmente equipados con un codificador que genera la velocidad y el ángulo del eje con mucha precisión. Estas salidas se utilizan para estudios de vibración torsional y rotacional. La medición de velocidad y las salidas de ángulo son esenciales en las aplicaciones de dinamómetro, donde se utilizan para calcular la potencia de salida (expresada en \(HP\) o \(Kw)\) y la eficiencia del motor.
Sistemas de medición de par giratorio instalados temporalmente
Para mediciones de par rotativo no permanentes, se pueden montar galgas extensométricas directamente en el eje de transmisión. Una pequeña interfaz alimentada por batería alimenta los sensores y transmite de forma inalámbrica los datos a una unidad de procesamiento cercana, desde la cual se pueden registrar, mostrar y analizar mediante un sistema DAQ.
Los sensores inalámbricos de Parker-Lord son compatibles con el Software de los DAQs DewesoftX y, por lo tanto, pueden integrarse en sistemas DAQ de cualquier escala, desde un solo canal hasta cientos de canales distribuidos.
Aplicaciones de análisis de orden
La vibración torsional es una fuente de fallas en los ejes giratorios. El análisis de vibraciones rotacionales y torsionales es una herramienta importante para solucionar problemas de ejes, cigüeñales y engranajes en aplicaciones automotrices, industriales y de generación de energía.
¿Qué es la vibración torsional?
Las vibraciones torsionales son vibraciones angulares de un objeto, típicamente un eje a lo largo de su eje de rotación. Son vibraciones mecánicas causadas por pares alternantes en el tiempo que se superponen a la velocidad de funcionamiento constante de un eje giratorio. En la ingeniería automotriz, la vibración torsional es causada principalmente por fluctuaciones en la potencia del motor.
Las vibraciones torsionales se evalúan como la variación de la velocidad de rotación dentro de un ciclo de rotación. Las variaciones de RPM generalmente son inducidas por un par de accionamiento brusco o una carga variable.
¿Qué es la vibración rotacional?
La vibración de rotación es simplemente el componente dinámico de la velocidad de rotación. Si medimos la velocidad de rotación del eje con alta precisión, notaremos que obtenemos una gran desviación de la velocidad de rotación en algunas regiones de la carrera. Esto es causado por la vibración angular que cruza la frecuencia natural angular del eje. Se calcula cortando el componente DC de la velocidad de rotación o el ángulo de rotación.
El nivel de vibración torsional está influenciado por una serie de parámetros, como las propiedades del material y las condiciones de funcionamiento, como la temperatura, la carga, las RPM, etc.
Cómo medir la vibración rotacional y torsional
Este breve video proporciona una introducción básica sobre cómo realizar estas importantes mediciones, incluida la teoría básica subyacente y los beneficios prácticos.
Mire este breve video sobre cómo medir la vibración torsional y rotacional
La solución de vibración torsional de DewesoftX calcula automáticamente varios parámetros diferentes:
Ángulo de rotación: valor de ángulo filtrado de la vibración
Velocidad de rotación: valor de vibración de velocidad filtrado
Ángulo de torsión: el ángulo de torsión dinámico que es la diferencia de ángulo entre el sensor 1 y el sensor 2
Velocidad de torsión: diferencia en la velocidad angular del sensor 1 al sensor 2
Ángulo de referencia del eje X: el ángulo de referencia, que siempre es de 0 a 360 y se puede utilizar como referencia en diagramas X-Y basados en ángulos
Frecuencia: en unidades RPM
Los cálculos se pueden realizar en línea en tiempo real o fuera de línea en los datos RAW guardados.
Más información:
Resumen
Los sensores de par se utilizan en cientos de aplicaciones en básicamente todas las industrias. Los sensores de par reactivo se encuentran en llaves dinamométricas y otras herramientas en miles de aplicaciones en todas las industrias.
En aplicaciones automotrices, los sensores de par rotativo se encuentran en bancos de pruebas de motores, dinamómetros, bancos de pruebas y bancos de pruebas de resistencia. Pero eso es solo el comienzo de su uso. También se utilizan para probar unidades de aire acondicionado industriales, comederos de ganado y aves de corral a gran escala, equipos médicos, de ensamblaje y deportivos robóticos, pruebas de energía eléctrica y más.
El par es una medida importante en muchos campos y aplicaciones. Afortunadamente, existen sensores y transductores para medirlo, y sistemas DAQ para mostrarlo, grabarlo y analizarlo.