Датчик крутильных колебаний
TORSIONAL VIBRATION SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутильных колебаний валов, например коленчатых валов поршневых двигателей внутреннего сгорания.
При исследовании и отработке механических изделий возникает задача измерения параметров движения (перемещения, скорости, ускорения) различных звеньев механизмов, в частности вибропараметров. Характерным примером колебательного движения является вращение коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания по причине импульсного характера силы, возникающей при сгорании топлива.
Первичным преобразователем (чувствительным элементом) значительного количества средств измерений служит инерционное тело, сопряженное с другим звеном. Варианты исполнения преследуют различные цели - повышение технологичности, точности измерений, упрощение конструкции и т.п.
В датчике ускорения (патент RU 2247992, опубл. 10.03.2005) в качестве чувствительного элемента датчика установлены инерционные массы, выполненные в виде жестко фиксированных последовательно вдоль оси чувствительного элемента усеченных конических деталей, вершины которых ориентированы в направлении, обратном перемещению чувствительного элемента, каждая из которых подгружена другим элементом относительно торца корпуса с возможностью осевого перемещения в направлении упругого элемента, а в качестве исполнительного механизма датчик содержит катушку индуктивности, которая взаимодействует с перемещающимся в ее полости подвижным сердечником, который жестко соединен с усеченными коническими деталями чувствительного элемента, сердечник с чувствительным элементом установлены с возможностью ограничения обратного перемещения последних относительно направления вектора измеряемого ускорения посредством последовательно установленных шариковых фиксаторов. Недостатком этого датчика является ограниченная точность преобразования, обусловленная наличием постоянного (Кулонова) трения в сопряжениях, которое создает так называемую зону застоя.
Преобразователь инерциальной информации (патент RU 2199755, опубл. 27.02.2003) содержит корпус, в котором установлен чувствительный элемент с подвижной частью и неподвижной частью, которые соединены между собой посредством упругого шарнира. На подвижной части чувствительного элемента установлен груз. Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит установленный в корпусе постоянный магнит с диаметральным направлением намагниченности и компенсационную катушку на подвижной части чувствительного элемента. Неподвижные электроды емкостного преобразователя положения расположены на постоянном магните, а подвижный электрод выполнен в виде электропроводной поверхности подвижной части чувствительного элемента. Наличие электрических выводов от подвижного электрода и катушки создает нелинейное сопротивление движению чувствительного элемента, что снижает точность преобразования.
В ряде конструкций ФГУП «ЦЕНКИ» (например, RU 2485524, опубл. 20.06.2013) также применены подвижные катушки.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является преобразователь крутильных колебаний по патенту на полезную модель RU 142033U1, МПК G01L 3/04. Опубл. 20.06.2014, Бюл. №17. В преобразователе крутильных колебаний, содержащем установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, упругий шарнир выполнен в виде растяжки, один конец которой закреплен на корпусе неподвижно, другой соединен с корпусом через рессору, чувствительный элемент выполнен в виде закрепленного на средней части растяжки осесимметричного тела, составленного из центральной магнитопроводной втулки, по торцам которой закреплены средней частью плоские параллельно расположенные магнитопроводы прямоугольного сечения, на их концах встречно закреплены постоянные магниты осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров, при этом магнитоэлектрический преобразователь образован постоянными магнитами чувствительного элемента и двумя плоскими катушками, размещенными неподвижно в магнитных зазорах чувствительного элемента. В преобразователе крутильных колебаний растяжка выполнена из плоской упругой ленты, а регулируемая рессора выполнена в виде упругой балки с тисковым креплением для растяжки на консольном конце и с поворотным шарниром в заделке, при этом поворотный шарнир снабжен средством фиксации.
В рассматриваемом преобразователе точность измерения ограничена нелинейностью характеристики преобразования из-за переменной величины эффективной площади перекрытия катушки магнитным зазором. Кроме того, на указанную площадь перекрытия влияет биение исследуемого вала в своих подшипниках, поскольку поперечная жесткость растяжки мала.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения.
При этом решаются задачи:
1. Разработка принципа работы датчика крутильных колебаний, реализующего линейную характеристику функции преобразования.
2. Разработка основных технических решений при достаточно простой и технологичной конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике крутильных колебаний, содержащем установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, чувствительный элемент выполнен в виде установленного на валу, имеющем квадратные хвостовики, инерционного тела, в составе магнитопроводной пластины, на одном конце которой закреплен Г-образный магнитопровод, а на другом - противовес, при этом на одних концах магнитопроводной пластины и Г-образного магнитопровода встречно установлены две пары постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров с разнонаправленными векторами магнитной индукции, преобразователь образован постоянными магнитами инерционного тела и плоской О-образной бифилярной электрической катушкой, два участка которой прямолинейны и радиально расположены по отношению к валу инерционного тела. В предлагаемом датчике крутильных колебаний прямолинейные участки плоской О-образной бифилярной электрической катушки расположены симметрично в магнитных зазорах инерционного тела, а упругий шарнир выполнен в виде двух пар плоских пружин, образующих угол 90°, при этом одни концы плоских пружин закреплены на корпусе датчика крутильных колебаний, а другие - на квадратных хвостовиках вала инерционного тела.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами: фиг. 1 - вид сверху со снятым переходником; фиг. 2 - разрез Α-A по фиг. 1; фиг. 3 - конструкция крепления плоских пружин; фиг. 4 - расчетная схема.
Принятые обозначения
1 - корпус
2 - верхний сектор (выступ) крепления пружин
3 - нижний сектор крепления пружин
4 - верхний сектор преобразователя
5 - нижний сектор преобразователя (вспомогательный)
6 - вал чувствительного элемента
7 - магнитопроводная пластина (крыло)
8 - противовес
9 - Г-образный магнитопровод
10 - постоянный магниты
11 - плоские пружины
12 - винты крепления плоских пружин на квадратных хвостовиках вала 6
13 - винты крепления плоских пружин на секторах 2, 3 корпуса 1
14 - плоская О-образная бифилярная электрическая катушка
15 - планка крепления катушки 14
16 - винты крепления планки 15
17 - переходник
18 - крышка токосъемника
19 - винты крепления переходника
20 - винты крепления крышки токосъемника
21 - токосъемник
22 - контактные стойки
Монтажной основой датчика служит корпус 1. Корпус образован из трубчатой заготовки с удалением части материала по торцам с образованием выступов в виде секторов:
- верхний 2 и нижний 3 (здесь и далее ориентация чертежа) - секторы упругого элемента;
- верхний сектор 4 - сектор (вторичного) преобразователя;
- нижний сектор 5 выполняет вспомогательную функцию, в частности за счет него обеспечиваются подход к крепежу упругого элемента и его безопасность в служебном обращении.
Инерционная масса, назовем ее баланс по аналогии с колебательными системами, образована валом 6 и крылом 7 в виде магнитопроводной пластины. В средней части вала выполнены цилиндрический базирующий поясок и расточка для крепления крыла методом развальцовки. На концах вал имеет квадратное сечение с резьбовыми отверстиями для крепления упругого элемента. Крыло баланса представляет собой полосу листового магнитопроводного материала. На одном конце крыла образована магнитная система, а на другом закреплен противовес 8. В магнитную систему входит Г-образный магнитопровод 9 и четыре постоянных магнита 10 осевой намагниченности, при этом два магнита закреплены (приклеены) на крыле 7, а два других - на магнитопроводе 9 с образованием двух магнитных зазоров. Магниты ориентированы так, что векторы магнитной индукции в магнитных зазорах разнонаправлены. Заметим, что требования по относительной магнитной проницаемости к материалам крыла 7 и магнитопровода 9 минимальны, поскольку направления магнитных потоков в зазорах неизменны при работе датчика. В качестве материала постоянных магнитов целесообразно использовать платинакс (ПлК76 или ПлК78). Противовес 8 и магнитопровод 9 соединены с крылом 7 заклепками.
Упругое звено представлено четырьмя одинаковыми плоскими пружинами 11, имеющими на концах крепежные отверстия. Каждая пара пружин расположена в одной плоскости и одним концом с помощью винтов 12 закреплена на квадратном хвостовике вала 6, а другим - винтами 13 на соответствующей грани секторов 2, 3. Плоскости расположения пар пружин образуют угол 90°. В целом пружины образуют ленточный упругий шарнир.
К вторичному преобразователю, кроме отмеченной выше магнитной системы, относится плоская бескаркасная бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 14. Катушка имеет О-образную форму, в которой два участка, расположенные в зоне магнитных зазоров, радиальны по отношению к оси вращения баланса, а остальные участки выполняются из технологических соображений. Один из вариантов изготовления следующий. Наматывают катушку на цилиндрической оправке, при этом провод смачивается клеем (лаком). Далее катушку снимают с технологической оправки и в «мокром» виде придают требуемую форму. После просушки с катушкой можно обращаться как с жесткой деталью. В качестве моточного провода применяют медный провод в лаковой изоляции, например, ПЭЛ или ПЭВ. Электрическая катушка закреплена на ступеньке сектора 4 посредством планки 15 и винтов 16.
Рабочий объем датчика закрыт двумя чашеобразными деталями 17, 18, которые крепятся к корпусу 1 винтами 19, 20. Верхняя деталь 17 - переходник - служит для соединения датчика с объектом исследования. Нижняя деталь 18 - крышка токосъемника - предназначена для крепления типового кольцевого токосъемника 20. Токосъемник представляет собой электроизоляционную втулку с наружными электропроводными кольцами, которые контактируют с неподвижными щетками.
u
Электрическая связь секций W и  электрической катушки 14 с внутренней поверхностью колец токосъемника осуществляется монтажным проводом, например, МГШВ - 0,12, который приклеен к внутренней поверхности корпуса 1. Паяное соединение монтажного провода и моточного провода катушки реализуется с применением контактных стоек 22 на планке 15.
Найдем передаточную функцию датчика. В реальной конструкции масса плоских пружин существенно меньше массы баланса, поэтому инерционностью пружин пренебрегаем.
Для первичного преобразователя, составленного из инерционного тела и упругого подвеса, характерны моменты
в
где М - восстанавливающий момент пружин;
m
M - момент трения (сопротивление воздуха);
D - жесткость пружин;
h - коэффициент вязкого трения;
ϕ, - соответственно угловое отклонение и угловая скорость баланса.
На первичный преобразователь действует возмущающий момент от измеряемого ускорения
где I - момент инерции баланса;
ε(t) - измеряемое ускорение.
Уравнение движения баланса под действием момента (2) будет иметь вид
Перепишем уравнение (3) в виде
где  - циклическая (круговая) частота системы баланс - упругое звено;
- коэффициент затухания.
Характер движения баланса под действием момента M(t) определяется коэффициентом затухания β.
0
1
Если при малом коэффициенте затухания (β<ω) на систему воздействовать скачком ускорения ε, то получим затухающий колебательный процесс с частотой
Отклонение баланса
В общем случае функция ε(ι) имеет произвольный вид. Она может быть разложена в гармонический ряд Фурье
0
Ряд показывает, что в разложении кроме постоянной составляющей а присутствуют гармоники с кратными частотами
где ;
При совпадении одной из гармоник nΩ с собственной частотой датчика возникнет резонанс, что приведет к деформации передаточной функции. Для исключения этого явления увеличим коэффициент затухания β за счет постоянного тока в демпфирующей секции  катушки 14. При
0
колебательная система датчика становится апериодической. Пусть ε(t)=εt, тогда
Угловая скорость баланса составит
max
max
u
В пределах рабочего диапазона угла поворота баланса от -ϕ до +ϕ сечения магнитных зазоров не выходят за пределы ширины катушки. При угловой скорости (10) в секции W будет индуцироваться ЭДС
где В - индукция в магнитных зазорах;
m
d - диаметр магнитов;
Н - толщина катушки;
d - диаметр моточного провода катушки;
3
К - коэффициент заполнения катушки.
u
В формуле (11) учтено, что обе секции W и  намотаны проводом одинакового диаметра и ЭДС возникает на двух участках проводников в пределах двух магнитных зазоров.
С учетом формул (10), (11) для произвольного ε системы по условию (8) получим передаточную функцию датчика
или для конкретного исполнения датчика
,
u
u
u
т.е. измеряемое ускорение ε пропорционально ЭДС e в секции W катушки 14. Линейность характеристики преобразования датчика обеспечивает необходимую точность измерения искомого параметра. Дополнительно заметим, что изменение знака ускорения вызывает изменение знака (полярности) ЭДС e.
max
max
max
max
Граничные значения диапазона измерения определяются геометрическими размерами - см. фиг. 4 - значению + ε (ускорение) соответствует угол поворота баланса ϕ, а значению -ε (замедление) соответствует -ϕ. Допустимый угол поворота баланса
Эксплуатационные допуски на параметры датчика учитываются при метрологической аттестации. При этом экспериментально находят условие (8), а значение тока в секции  катушки 14, соответствующее этому условию, записывают в паспорт датчика.
u
u
u
Работает датчик крутильных колебаний следующим образом. С помощью переходника 17 крепят датчик на объекте исследования, подводят щетки токосъемника к его кольцам и подключают их к вторичному прибору. Далее проводят эксперимент. При появлении углового ускорения баланс датчика будет поворачиваться, в результате в секции W катушки 14 возникнет ЭДС e. Вторичный прибор обрабатывает значения e в соответствии с формулой (12).
Если испытательная установка для исследования колебаний валов предусматривает большие ускорения на нерабочих участках разгона и торможения, то целесообразно задать для этих участков движения в секцию  повышенный ток, блокирующий поворот баланса датчика.
Таким образом, предложенный датчик крутильных колебаний имеет высокую точность измерения скорости крутильных колебаний исследуемого объекта за счет линейности характеристики преобразования. Конструкция датчика проста, не содержит деталей сложной формы. Секция демпфирования электрической катушки, кроме основной функции демпфера, является компенсатором погрешностей.