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隨著混凝土行業的發展，各種混凝土外加劑的出現，混凝土強度基本可以滿足現代工程的需要。但新拌混凝土的工作性依舊是人們關注的重點，目前工程上常用新拌混凝土的坍落度來評判混凝土的工作性，但坍落度測量過程復雜，測量結果偏差較大[1]。同時，對于某些混凝土如含有纖維增強劑、磨碎的粒狀高爐礦渣等，坍落度測試可能會提供不準確和誤導性的結果，因而需要一種新的方式來評價新拌混凝土的工作性。眾所周知，坍落度可以直接或間接地描述混凝土的流變行為，與混凝土屈服應力或塑性粘度存在一定函數關系[2-4]，然而混凝土流變儀可以通過測試新拌混凝土在變剪切率作用下的剪切力來獲得新拌混凝土的屈服應力和塑性粘度，混凝土的流變特性比坍落度能反映出關于流動度更全面、更準確的信息。隨著工程界對混凝土工作性的關注，混凝土流變儀的使用將越來越廣泛，但目前國內關于混凝土流變儀的研究較少。本文以混凝土流變儀結構為研究對象，針對提高流變儀的測量精度，從機械結構和安裝工藝方面進行了研究。

1流變儀的結構及工作原理

混凝土流變儀是一種檢測新拌混凝土流變特性的儀器，可以測量新拌混凝土的塑性粘度、屈服應力和最大屈服應力。儀器整體結構簡易、操作方便，測量時間不超過1min。適用于工程生產施工的各個環節，適用對象包括施工單位、設備生產廠家、攪拌站實驗室等。混凝土流變儀機械結構布局如圖1所示，伺服電機連接行星減速機實現減速，減速機固定在支撐框上，減速機通過聯軸器與扭矩傳感器入力端連接，扭矩傳感器底板與支撐框側板連接，扭矩傳感器出力端通過聯軸器與夾緊桿連接，夾緊桿通過軸承座與支撐框相連，夾緊桿上裝有攪拌裝置，整個傳動系統安裝在支撐框上，支撐圖1混凝土流變儀結構示意圖框安裝在支撐板并用快速夾緊器固定，支撐板與料筒通過卡槽連接。工作時，向料筒中裝入一定高度的新拌混凝土，攪拌葉片埋入混凝土并且保持在料筒中一固定高度，葉片初始以較高速度穩定轉動對混凝土進行預剪切，打破觸變，接著改變攪拌裝置的傳動速度，扭矩傳感器測量混凝土在不同剪切速率下攪拌軸所受的扭矩，攪拌轉速從高到低呈階梯形，這種方案可以避免扭矩值受新拌混凝土的觸變性的影響。由于一般認為新拌混凝土為賓漢姆體，根據賓漢姆模型可以得出新拌混凝土的流變特性[5-7]。

2應變式動態扭矩傳感器工作原理

電阻應變片（又叫電阻應變計，簡稱應變片或應變計）是扭矩傳感器的敏感元件，它將其應變轉化為電信號的工作元件，在應變片的工作范圍內，電阻變化率與應變成正比例關系，將其貼在被測物體表面后，應變片的數值隨著被測物體的變化而發生變化，其電阻也發生變化，根據測量電阻的變化就可以計算出物體的應變[8]。扭矩傳感器工作原理如圖2所示，電阻應變片扭矩傳感器在彈性軸上45°和135°方向粘貼應變片組成橋[9-10]，當彈性軸受扭矩時，扭轉變形引起電橋電阻變化，應變電橋電阻的變化轉變為電壓信號的變化，電壓信號通過放大器放大后被V/F轉換器轉換為高頻信號，用無線發射傳輸到固定殼體，最后進行信號解調。

3流變儀機械誤差來源

混凝土流變儀中扭矩傳感器固定方式為底座連接，底座與支撐框側板用螺栓連接。減速機安裝凸臺與支撐框孔間隙配合，夾緊桿安裝在的軸承上，軸承通過法蘭與支撐框連接。傳感器測力軸一端連接減速機，一端連接夾緊桿，之間使用聯軸器連接，具體安裝方式如圖3所示。在使用應變式扭矩傳感器進行測量時，由于測力軸受到彎矩作用會產生附加扭矩從而影響測量精度，測力軸產生彎矩產生的原因有兩個方面。第一個是支撐框的加工基準與安裝基準的不同，造成軸旋轉中心與自身幾何中心不一致，當有外力作用在這樣的軸的軸端時，則測力軸端接受到的從上一軸端傳遞來的扭矩中的一部分會產生彎矩，所以扭矩傳感器測出的扭矩值與加載到軸系上的真實扭矩是有差異的，測出的值實際上是合成力矩。而在安裝過程中扭矩傳感器軸端與減速機軸端，扭矩傳感器與夾緊桿軸端不可避免的會出現軸心偏差的問題，包括徑向偏差、軸向偏差和角度偏差，如圖4所示。另一方面，由于支撐框在扭矩傳感器和電機減速機的重力作用下發生變形，導致傳感器測力軸承受附加扭矩。為了減小測力軸的附加扭矩，本文從3個方面考慮，首先是支撐框加工誤差，其次是支撐框的變形，最后則是安裝的誤差。3.1支撐框加工誤差分析。如圖5所示，扭矩傳感器、減速機和夾緊桿的安裝基面為A與C，工藝上一般通過加工B面來作為基準面，通過加工孔來保證扭矩傳感器與孔軸線的距離54mm，但是由于尺寸a誤差大，很難保證安裝尺寸54mm，只能通過后期調整安裝來保證，因此需要留有調整余量0.1～0.2mm。為使得減速機、夾緊桿與扭矩傳感器的回轉中心在同一軸線上，要求保證支撐框的上下兩個孔的同軸度公差，一般上下兩個孔可以同時加工。3.2支撐框的變形。依次在在CATIA中建立支撐框三維模型、導入模型材料鋁合金、網格劃分；網格劃分時多以4邊形網格為主，用少量三角形網格進行過渡，以滿足網格質量需求，大部分網格尺寸為5mm，局部網格尺寸為0.5mm；定義約束如圖6所示。變形位移和應力分布如圖7所示。已知鋁合金的屈服強度[σs]=80MPa，對比發現其產生的最大應力小于材料的屈服強度。通過圖7中的變形位移數值得出最大位移為0.0256mm，說明變形量對傳感器的測量精度影響可以忽略。3.3合理安裝方式為了提高扭矩傳感器在使用過程中的測量精度，必須采取相關措施減小扭矩傳感器工作時承受的附加彎矩。安裝合適的聯軸器可以有效減小附加彎矩，常見的聯軸器有剛性聯軸器和撓性聯軸器，剛性聯軸器不具備補償同軸度誤差的能力，當其連接兩軸之后，如果同軸度不好，會使軸強迫彎曲變形，使測力軸承受額外的附加載荷。而撓性聯軸器具備補償同軸度誤差的能力，包括軸向誤差、徑向誤差、角度誤差，所以一般選擇撓性聯軸器。但撓性聯軸器又分為半耦合(單彈體)和全耦合(雙彈體)，半耦合只補償軸向和角度偏差，全耦合可以補償軸向誤差、徑向誤差、角度向差。由于本裝置上下兩端的安裝誤差較大，因此需要選擇全耦合聯軸器。調整安裝補償在安裝過程產生的軸向誤差、徑向誤差、角度向誤差也可以減小附加彎矩。調整軸向誤差，可以通過安裝直徑為6mm的螺栓和直徑為8mm的傳感器底座孔來調整螺栓與孔的間隙進而補償誤差。調整徑向誤差的措施有多種，例如在傳感器底座與支撐框之間添加墊片，使用墊片厚度的一般為0.1mm與0.01mm厚的不銹鋼墊片，并且傳感器底板的安裝孔為長條孔，也可進行微調來改善徑向誤差。而對于角度方向的誤差補償，由于傳感器底座與支撐框使用4個螺栓連接，因此可以在單個螺栓孔上增減墊片來調整傳感器的測力軸的角度。合理的安裝方法可以使流變儀傳動系統運轉平穩，傳感器在工作過程中測量準確，同時提高裝置的使用壽命。

4結束語

（1）對混凝土流變儀的結構及工作原理進行了論述，通過測量在不同轉速下攪拌軸所受的扭矩，并對其進行數據處理，可以計算出新拌混凝土的流變特性。（2）對動態扭矩傳感器的工作原理進行了介紹，傳感器信號結構為軸式帶底座，通過測量應變或者扭轉角獲得扭矩值，扭矩值通過無線信號傳出。（3）對產生扭矩測量機械誤差的進行分析，誤差來源主要包括支撐框加工誤差、支撐框受壓變形和安裝方式3個方面。（4）為減小支撐框加工誤差的影響，預留出0.1～0.2mm的安裝調整余量。（5）通過有限元分析計算支撐框變形，最大變形位移為0.0256mm，對傳感器的測量精度影響可以忽略。（6）合理的安裝方式減小誤差的措施主要是安裝合適的聯軸器和補償軸向誤差、徑向誤差、角度向誤差的安裝手段。

作者:楊巖巖 趙悟 孔鮮寧 岳超 陳陽 單位:長安大學