УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Изобретение относится к испытанию, исследованию и диагностике машин с вращающимися валами и может быть использовано для регистрации величины крутящего момента в силовых установках, например в турбопоршневых двигателях.
Известные устройства для измерения крутящего момента представляют собой систему, состоящую из датчика и регистратора. Первичным преобразователем в датчиках является вал цилиндрической формы (торсионный вал). Преобразование угла закручивания торсионного вала осуществляется обычно с применением зубчатых дисков [1, 2, 3, 6, 8]. Дальнейшее преобразование обеспечивают оптическим каналом [6, 8], в том числе с применением дифференциальных редукторов [6], а также различными датчиками [2, 3]. Применяют другие варианты преобразования угла закручивания торсионного вала - через упругую балку и пневмосоплом [4], через кулачки с плунжером от золотников гидросистемы [5]. В специализированных устройствах преобразуют радиальную нагрузку подшипника в осевую [7].
Общим недостатком известных устройств для измерения крутящего момента является узкий диапазон измерения по его нижней границе. Это обусловлено, в основном, применением цилиндрического торсионного вала. При малых крутящих моментах диаметр торсионного вала требуется настолько малым, что конструктивно реализовать датчик становится невозможным, либо конструкция становится неприемлемо сложной.
Другой важнейший недостаток связан с видом функции измеряемого момента M=f(t). В реальных устройствах момент не является постоянной величиной. Существуют два основных режима измерений - стационарный, когда параметры исследуемого устройства со сторон двигателя и нагрузки постоянны, и переходный (нестационарный), когда один или несколько из этих параметров изменяют по заданному закону (например, циклические испытания).
В переходных режимах функция момента представляет собой широкий спектр составляющих частот. Аналогична ситуация и для стационарного режима, поскольку существуют пульсации момента из-за особенностей кинематики исследуемого устройства, нестабильности трения, и пульсации момента двигателя (например, поршневого). Таким образом, всегда функция крутящего момента может быть представлена разложением в гармонический ряд Фурье с широким спектром гармоник (частот).
Поместив датчик в разрыв кинематической цепи исследуемого устройства получим систему, состоящую из трех элементов:
дв
p
нагр
I-C-I,
дв
где I - приведенный момент инерции вращающихся частей со стороны двигателя;
в
С - жесткость торсионного вала;
нагр
I - приведенный момент инерции вращающихся частей со стороны нагрузки.
Эта система является колебательным звеном с собственной (резонансной) частотой
где
Учитывая широкий спектр частот функции момента эта частота ω окажется в спектре частот момента. Поэтому около частоты ω функция преобразования датчика будет нелинейной, что приведет к снижению точности измерений.
Анализируя известные устройства для измерения крутящего момента можно отметить также высокую сложность [1, 6] или наличие механического гистерезиса из-за постоянного (Кулонова) трения [4, 5, 7] в кинематических парах датчиков.
Прототипом является устройство для измерения крутящего момента [8]. В датчике этого устройства чувствительным элементом, как и в аналогах, является торсионный вал, имеющий цилиндрическую форму. На концах вала в подшипниках установлены втулки с зубчатыми дисками. На параллельной валу оси расположен модулятор в виде зубчатых дисков с приводом, а в зубчатой зоне дисков втулок и модулятора имеется источник света и два фотоприемника. Фотоприемники подключены к регистратору, на внутренних концах втулок выполнены диаметрально расположенные соответственно выступы и впадины в форме кольцевых секторов. Устройство снабжено каналом, регистрирующим предельное значение крутящего момента. В этот канал входят электрические контакты на выступах втулок и для обеспечения электрической цепи с регистратором - электроизолированные токосъемные кольца на втулках и неподвижные щетки.
Недостатками устройства для измерения крутящего момента [8] являются:
- конструктивная сложность, обусловленная двумя обстоятельствами.
Первое: Канал регистрации предельного значения крутящего момента является избыточным. В метрологические характеристики прибора будет внесено значение верхней границы диапазона измерения меньшее этого предельного. Канал регистрирует лишь факт выборки углового зазора в выступах-впадинах втулок. Пользователю эта информация в метрологическом смысле не нужна. Второе: Необходимо обеспечить неподвижное соединение втулок с валом. Это можно реализовать либо большим натягом, тогда возникает проблема обеспечения недеформированного состояния торсионной (малого диаметра) части вала при большом усилии прессования, либо введением дополнительных средств фиксации, например шпоночного соединения, тогда возникает проблема точности, связанная с сопряжением по нескольким поверхностям;
- узкий диапазон измерения. С учетом изложенных выше особенностей конструкции известного устройства можно сделать вывод, что оно не может быть реализовано для измерения малых значений крутящего момента. Попытка расширить диапазон измерения за счет сменности чувствительного элемента повлечет за собой изготовление всего комплекта деталей находящихся на валу, т.е. практически всего датчика;
- низкая точность измерения вблизи резонансной частоты системы. На частоте резонанса может оказаться невозможным проводить измерения. Это накладывает ограничения и на применимость устройства к тем или иным объектам исследования.
Предлагаемое устройство в значительной степени устраняет указанные выше недостатки. Устройство для измерения крутящего момента состоит из двух блоков - датчика и регистратора. Регистратор функционально представляет собой фазоизмеритель, который реализуется обычным образом.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображен осевой разрез датчика крутящего момента; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - развернутый разрез В-В фиг.2.
В корпусе 1 с помощью подшипников 2 установлен составной торсионный вал. Этот вал представлен тремя основными частями: средней упругой частью 3 (торсионом) в виде винтовой цилиндрической пружины и двух втулок 4, 5 имеющих хвостовики 6, 7 для установки подшипников 8, 9. Концы торсионна (пружины) закреплены на внутренних торцовых поверхностях втулок с помощью муфты в виде упругого кольца 10. Это кольцо двумя бобышками 11, 12 и закреплено на втулке (крепление одинаковое для обоих концов) с помощью винтов 13, 14, а пружина закреплена на кольце с помощью двух других бобышек 15, 16 и винтов 17, 18. Все бобышки закреплены на упругом кольце посредствам развальцовки (фиг.3).
Втулки имеют зубчатые диски 19, 20. В зубчатой зоне этих дисков неподвижно на корпусе закреплены источник света 21 и два фотоприемника 22, 23. Для метрологической аттестации и периодической поверки производственная партия датчиков крутящего момента комплектуется модулятором, который на фиг.1, 2 представлен зубчатым вращающимся ротором 24.
Встречные торцы втулок имеют диаметрально расположенные в форме кольцевых секторов выступы 25, 26 на втулке 4 и 27, 28 на втулке 5. При этом выступы одной втулки входят во впадины другой, образуя угловой зазор δ.
На цилиндрической части выступов втулок установлены демпферы крутильных колебаний. На выступе одной втулки винтами 29 закреплен корпус 30 с поводком 31. На конце этого поводка имеется постоянный магнит 32, который с малым зазором входит в кольцевой паз корпуса 33, закрепленного винтами 34 на выступе другой втулки. Корпус с кольцевым пазом изготовлен из материала с высокой электропроводностью (алюминий, медь). Конструктивно корпуса демпфера могут изготавливаться составными и их части соединяться винтами 35, 36.
Для удобства монтажа элементов датчика втулки 4, 5 имеют окна 37, 38 на цилиндрических и торцовых поверхностях.
Метрологическая аттестация и периодическая поверка датчика крутящего момента осуществляются с применением модулятора 24. Эту процедуру проводят в статических условиях. Последовательно прикладывают к хвостовикам 6, 7 вала датчика разные значения крутящего момента во всем диапазоне измерения. При этом пропорционально приложенному моменту произойдет закручивание пружины 3 и равный этому углу закручивания относительный разворот зубчатых дисков 19, 20. Вращающийся ротор модулятора 24 обеспечивает переменный оптический поток источника света 21. Воспринимающие этот поток фотоприемника 22, 23 вырабатывают последовательности электрических импульсов. Импульсы в последовательности одного фотоприемника сдвинуты относительно импульсов последовательности другого. Их относительный сдвиг - отношение времени сдвига импульсов в последовательностях к периоду последовательностей - пропорционален приложенному крутящему моменту. Таким образом, выходным параметром датчика является фазовый сдвиг последовательностей импульсов фотоприемников 22, 23.
При работе датчика на вращающихся валах модуляция светового потока источника 21 обеспечивается вращающимися зубчатыми дисками 19, 20. При этом в модуляторе нет необходимости. Датчик устанавливают в разрыв кинематической цепи исследуемого устройства между источником крутящего момента (двигателем) и нагрузкой (тормозом). Под действием крутящего момента торсионная часть вала (винтовая пружина) испытывает угловую деформацию пропорциональную передаваемому моменту. Поскольку этот момент переменный с широким спектром, то собственная частота системы двигатель-датчик-тормоз оказывается в спектре частот момента. Возникают резонансные крутильные колебания. При возникновении крутильных колебаний появляется относительное перемещение постоянного магнита 32 и кольцевого паза корпуса 33. Возникает сопротивление пропорциональное относительной скорости этого перемещения (вязкое трение). Оно обусловлено двумя факторами: первый - за счет перетекания воздуха через кольцевой зазор между магнитом и каналом, второй - за счет наведения вихревых токов на стенках каналов. Параметры демпфера выбраны таким образом, чтобы приблизить колебательную систему к апериодическому звену. По этой причине функция преобразования датчика остается линейной.
В процессе вращения вала датчика диски 19, 20 модулируют световой поток источника 21, в результате фотоприемника 22, 23 формируют последовательности электрических импульсов. Если крутящий момент не равен нулю, то эти последовательности сдвинуты одна относительно другой. Подключенный к выходам фотоприемников регистратор фиксирует фазовый сдвиг импульсов двух последовательностей, который пропорционален измеряемому крутящему моменту.
Предлагаемая конструкция устройства для измерения крутящего момента достаточно проста, реализует линейную характеристику преобразования датчика, что обеспечивает точность измерения. Форма чувствительного элемента в виде винтовой цилиндрической пружины позволяет расширить диапазон измерения в нижнюю область. Крепление чувствительного элемента через беззазорную муфты дает возможность комплектовать устройство сменными чувствительными элементами (торсионами) любой формы (в том числе цилиндрической), тем самым перекрывать потребный диапазон измерения.
1. А.С. СССР №546798, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента, Бюл. №6 от 15.02.77.
2. А.С. СССР №647561, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения вращающего момента, Бюл. №6 от 15.02.79.
3. А.С. СССР №773463, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента, Бюл. №39 от 23.10.80.
4. А.С. СССР №798517, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента, Бюл. №3 от 23.01.81.
5. А.С. СССР №1229610, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента на валу, Бюл. №17 от 07.05.86.
6. А.С. СССР №1265498, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента вращающегося вала, Бюл. №39 от 23.10. 86.
7. А.С. СССР №1774196, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента, Бюл. №41 от 07.11.92.
8. А.С. СССР №1357731, кл. G01L 3/04. Устройство для измерения крутящего момента, Бюл №45 от 07.12.87. - прототип.