Торсиометр
TORSIOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения крутящего момента при передаче мощности через вал.
Известен торсиометр, содержащий два ротора, выполненных в виде двух растров, закрепленных на исследуемом валу на известном расстоянии друг от друга, статор, включающий в себя источник света, оптически согласованный через оптические волокна с фотоприемником, подключенным выходом к усилителю фототока, и регистратор (см. патент Великобритании №2162309, МПК G01L 3/00, G01D 11/26, 1986). При изменении относительного положения одного растра относительно другого, происходящего при скручивании исследуемого вала, на выходе растров появляется картина муаровых полос, передаваемая через оптические волокна на фотоприемник. При этом освещенность фотоприемника, а, следовательно, и его выходной сигнал будут зависеть от крутящего момента на исследуемом валу.
Недостатком известного торсиометра является амплитудный характер съема информации о крутящем моменте.
Известен также торсиометр, содержащий измерительную шкалу с измерительными делениями и средство снятия отсчета (см. A.M. Афанасьев, В.А. Марьин. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов // Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1975, стр. 164).
При отсутствии крутящего момента стрелка устанавливается на нуль шкалы. При приложении крутящего момента М происходит закручивание вала и стрелка покажет изменение отсчета по шкале.
Крутящий момент определяется по зависимости
где ϕ - угол скручивания;
l - расстояние на валу в пределах скручивания;
d - диаметр вала;
Е - модуль упругости материала.
Угол скручивания ϕ определяется по величине перемещения стрелки на шкале b и радиусу r:
Недостаток этого устройства - позволяет измерять крутящий момент на неподвижном валу или при небольшой скорости вращения.
Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения крутящего момента при вращении вала с относительно большой скоростью.
Технический результат - возможность измерения крутящего момента при вращении вала с относительно большой скоростью.
Для решения поставленной задачи торсиометр, содержащий измерительную шкалу с измерительными делениями и средство снятия отсчета, отличается тем, что вал снабжен фланцами, выполненными с возможностью соосного скрепления с измеряемым валом, при этом, торсиометр содержит корпус соосный с валом, выполненный с возможностью вращения вала соосно с ним, причем средство снятия отсчета включает два зеркала закрепленные на валу у торцовых стенок корпуса и полупроводниковый лазер, установленный в боковой стенке корпуса, с возможностью формирования луча в плоскости перпендикулярной оси вращения вала и возможностью попадания луча на первое зеркало, установленное под углом 45° к оси вращения вала в точке закрепления второго зеркала на валу, при этом второе зеркало установлено с возможностью падения на него луча отраженного от первого зеркала и возможностью его отражения в плоскости под углом к оси вращения вала, для чего второе зеркало ориентировано под углом 15-45° к оси вращения вала и под углом 45° относительно радиуса вала, кроме того, вдоль образующей корпуса выполнена прорезь, вдоль которой закреплена линейная измерительная шкала, на ноль которой ориентирован отраженный от второго зеркала луч лазера при отсутствии вращения вала. Кроме того, вал установлен в подшипниках качения, установленных в отверстиях, соосных с осью вращения вала, выполненных в торцовых стенках корпуса, при этом подшипники зафиксированы от перемещения вдоль вала.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «… вал снабжен фланцами, выполненными с возможностью соосного скрепления с измеряемым валом …» обеспечивает возможность использования устройства в сборе, с установкой его на измеряемом валопроводе.
Признак «… торсиометр содержит корпус соосный с валом, выполненный с возможностью вращения вала соосно с ним …» обеспечивает возможность свободного вращения вала, при неподвижном корпусе.
Признак «… средство снятия отсчета включает два зеркала, закрепленные на валу у торцовых стенок корпуса, и полупроводниковый лазер, установленный в боковой стенке корпуса, с возможностью формирования луча в плоскости перпендикулярной оси вращения вала и возможностью попадания луча на первое зеркало, установленное под углом 45° к оси вращения вала …» обеспечивает передачу световой метки на второе зеркало в виде точки (штриха).
Признак, указывающий, что «второе зеркало установлено с возможностью падения на него луча отраженного от первого зеркала и возможностью его отражения в плоскости под углом к оси вращения вала, для чего второе зеркало ориентировано под углом 15-45° к оси вращения вала и под углом 45° относительно радиуса вала в точке закрепления второго зеркала на валу» обеспечивает передачу световой метки на измерительную шкалу.
Признак, указывающий, что «вдоль образующей корпуса выполнена прорезь, вдоль которой закреплена линейная измерительная шкала, на ноль которой ориентирован отраженный от второго зеркала луч лазера при отсутствии вращения вала» обеспечивает измерение крутящего момента при вращении, т.к. в момент скручивания вала луч отклоняется на величину, пропорциональную углу скручивания.
Признаки указывающие, что «вал установлен в подшипниках качения, установленных в отверстиях, соосных с осью вращения вала, выполненных в торцевых стенках корпуса, при этом подшипники зафиксированы от перемещения вдоль вала» обеспечивают возможность свободного вращения вала, при неподвижном корпусе.
На фиг. 1 показан разрез лазерного торсиометра; на фиг. 2 показан вид А; на фиг. 3 - показан вид Б; на фиг. 4 изображена схема работы предлагаемого торсиометра и расчета угла скручивания. На чертежах показаны вал 1, фланцы 2, корпус 3, подшипники качения 4, отверстия 5, ось вращения 6, торцевые стенки 7, зеркала 8 и 9, крепления зеркал 10 и 11, полупроводниковый лазер 12, лазерные лучи 13,14, 15, радиус 16 вала 1, прорезь 17, шкала 18, деления измерительной шкалы 19.
Предлагаемый торсиометр содержит вал 1 с фланцами 2, который закреплен в корпусе 3. Корпус 3 выполнен соосным с валом 1, с возможностью вращения вала 1 соосно с ним, для чего вал 1 установлен в подшипниках качения 4, установленных в отверстиях 5, соосных с осью вращения 6 вала 1, выполненных в торцевых стенках 7 корпуса 3, при этом подшипники качения 4 зафиксированы от перемещения вдоль вала 1.
1
2
Средство снятия отсчета включает два зеркала 8 и 9, закрепленных на валу 1 с помощью креплений 10 и 11 у торцевых стенок 7 корпуса 3 и полупроводниковый лазер 12, установленный на стенке корпуса 3, с возможностью формирования луча 13 в плоскости перпендикулярной оси 6 вращения вала 1 и возможностью попадания луча 13 на первое зеркало 8, установленное под углом α=45ºк оси 6 вращения вала 1. Второе зеркало 9 установлено с возможностью падения на него луча 14 отраженного от первого зеркала 8 и возможностью его отражения в плоскости под углом к оси 6 вращения вала 1, для чего второе зеркало 9 ориентировано под углом α=15-45º к оси 6 вращения вала 1 (чем меньше этот угол, тем точнее измерения) и под углом β=45ºк радиусу 16 вала 1 в точке закрепления этого зеркала.
Вдоль образующей корпуса 3 выполнена прорезь 17, вдоль которой закреплена линейная измерительная шкала 18 с делениями 19, на ноль которой ориентирован отраженный от второго зеркала 9 луч 15 лазера при отсутствии вращения вала 1.
Устройство работает следующим образом.
2
2
При вращении вала 1 и подведении к нему крутящего момента Мот полупроводникового лазера 12 луч 13 направляется на первое зеркало 8, и перемещается по поверхности зеркала 8. Отраженный от него лазерный луч 14 движется вдоль оси вращения 6 вала 1 и попадает на второе зеркало 9 и, при закручивании вала 1, перемещается по нему в направлении вращения вала 1 на величину b. Благодаря наклону зеркала 9 в двух плоскостях отраженный лазерный луч 15 перемещается по наклонной траектории относительно шкалы 18 под углом δ, его наклон определяется углом α. Но при вращении вала 1 это перемещение фиксируется только как движение метки лазерного луча 15 на угол γ вдоль делений 19 измерительной шкалы 18, т.е. вдоль оси вращения 6 вала 1 на величину b.
2
Величина этого отклонения пропорциональна величине закручивания вала 1, удалению измерительной шкалы 18 от второго зеркала 9, расстоянию между зеркалами 8 и 9, а также при уменьшении угла α.
Для расчета угла закручивания ц измеряется величина перемещения лазерного луча 15 на шкале 18 – b и рассчитывается величина его перемещения в зеркале 9 в плоскости вращения по горизонтальной координате
(3)
где δ - угол наклона траектории лазерного луча относительно линии шкалы;
l - расстояние между зеркалами 8 и 9 по линии лазерного луча, м;
2
l - расстояние между зеркалом 9 и шкалой 18 по линии лазерного луча, м.
Угол закручивания ц рассчитывается по формуле (2), здесь радиус r - расстояние от центра вращения вала 1 до линии лазерного луча 14 на зеркале 9.
Расчет крутящего момента производится по формуле (1), мощность (Вт) рассчитывается по зависимости
(4)
где  – угловая скорость вала.
Достоинство предлагаемого торсиометра заключается в том, что применение лазерного луча и видеокамеры для фиксации показаний позволяет измерять крутящий момент в период вращения вала.