Моментомер для статических измерений
TORQUE METER FOR STATIC MEASUREMENTS

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения статических или медленно меняющихся крутящих моментов.
Общие подходы к созданию средств измерений крутящего момента (моментомеров) изложены в монографии Л.Б. Фролова (Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. - М.: изд-во Энергия, 1967 г. - 120 с.). Известные устройства для измерения крутящего момента чаще всего выполняют из двух конструктивных блоков - датчика и вторичного прибора. Первичным преобразователем крутящего момента в угол поворота обычно является вал (часть вала), работающий на кручении - торшонный вал. Преобразование угла поворота торшонного вала осуществляется с применением зубчатых дисков (авт. свид. SU 546798, Бюл. №6 от 15.02.1977; авт. свид. SU 647561, Бюл. №6 от 15.02.1979; авт. свид. SU 773463, Бюл. №39 от 23.10.1980). Дальнейшее преобразование обеспечивают оптическим каналом (авт. свид. SU 1265498, Бюл. №39 от 23.10.1986; авт. свид. SU 1357731, Бюл. №45 от 07.12.1987), индуктивными датчиками (патент RU 2029273, опубл. 20.02.1995). Информативный сигнал формируют в форме частоты биений (патент RU 2196309, опубл. 10.01.2003).
З
тр
Все известные конструкции первичных преобразователей предполагают применение подшипников качения или скольжения, которые характеризуются некоторым моментом постоянного (Кулонова) трения. Наличие этого трения создает зону застоя (зону нечувствительности) ϕ, определяемую коэффициентом трения ƒ
Указанное обстоятельство ограничивает точность измерения крутящего момента, особенно в области малых значений.
В качестве прототипа принято устройство для измерения момента по патенту на полезную модель RU 84550 U1, МПК G01L 3/04, опубл. 10.07.2009. Бюл. №19. Рассматриваемое устройство содержит вал, составленный из двух полувалов, смонтированных в корпусе с помощью подшипников качения. Преобразователем крутящего момента в угол поворота служит винтовая пружина, работающая на кручение, которая соединена с полувалами. На концах вала установлены втулки с зубчатыми дисками, на внутренних торцах этих втулок выполнены диаметрально расположенные выступы и впадины, с помощью которых ограничивается угол поворота винтовой пружины. Устройство снабжено демпфером крутильных колебаний. Преобразование угла поворота (фазового сдвига зубцовых зон дисков) обеспечивается преобразователем угла поворота в электрический сигнал, содержащим источник света, размещенный между зубцовыми зонами дисков, и два фотоприемника, установленные с внешней стороны. Для реализации статических измерений предусмотрен модулятор светового потока источника света. Модулятор построен на основе зубчатого ротора, приводимого во вращение внешним приводом.
Анализируя рассматриваемое устройство, заметим следующее:
1. Как и в случае аналогов, применение традиционных подшипников создает зону застоя, ограничивающую точность измерения искомого параметра.
u
2. Необходимость ограничения угла поворота преобразователя крутящего момента в угол поворота возникает при динамических измерениях, когда появляются большие инерционные моменты М
где J - приведенный момент инерции вращающихся частей;
- угловое ускорение.
3. В подавляющем числе случаев применения диссипативные потери энергии в двигателе и тормозе испытательного стенда значительны, поэтому стенд оказывается апериодическим звеном, следовательно, потребность в демпфировании отпадает.
4. Смещенное от осевой линии положение модулятора с его приводом увеличивает габарит устройства. Привод модулятора предполагает отдельную цепь электропитания и управления.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения крутящего момента.
Решаются задачи:
1. Разработка конструкции моментомера для статических измерений повышенной точности за счет исключения зоны застоя преобразователя крутящего момента в угол поворота.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный результат достигается тем, что в мометомере для статических измерений, содержащем корпус, в котором с помощью подшипников размещен вал с преобразователем крутящего момента в угол поворота и функционально связанный с ним содержащий модулятор оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал, каждый подшипник вала выполнен в виде двух плоских пружин, расположенных под углом 90° друг к другу, образуя преобразователь крутящего момента в угол поворота, при этом первые концы плоских пружин закреплены на валу, а вторые - на корпусе. В моментомере для статических измерений оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал составлен из оптического канала и непрозрачной шторки, оптический канал содержит соосные источник света и фотоприемник преобразователя, оптическое окно которого выполнено в форме круга, шторка выполнена в виде пластины, одним концом закрепленной на валу моментомера, а второй ее конец размещен между источником света и фотоприемником преобразователя и имеет радиальный паз, ширина которого равна диаметру оптического окна фотоприемника, а модулятор оптического преобразователя угла поворота в электрический сигнал выполнен на основе автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом, составленной из баланса с упругим элементом и фотоприемника модулятора, который имеет одинаковое оптическое окно с фотоприемником преобразователя и установлен по другую сторону источника света, баланс выполнен в форме крыла в виде плоской ленты, на одном конце которой смонтирована магнитная система магнитоэлектрического привода, в ее зазоре размещена неподвижная бифилярная электрическая катушка, подключенная к схеме формирования импульсов привода, а на втором конце крыла баланса выполнена вилочная часть с параллельными пазами, равными пазу непрозрачной шторки, при этом плоскости вилочной части размещены по разные стороны источника света.
Устройство моментомера для статических измерений поясняется чертежами:
фиг. 1 - кинематическая схема подшипника преобразователя крутящего момента в угол поворота;
фиг. 2 - конструктивная схема моментомера;
фиг. 3 - осевой разрез оптического преобразователя угла поворота в электрический сигнал;
фиг. 4 - разрез А-А по фиг. 3;
фиг. 5 - разрез Б-Б по фиг. 3;
фиг. 6 - разрез В-В по фиг. 4;
фиг. 7 - расчетная схема;
фиг. 8 - эпюры напряжений.
Принятые обозначения
1. Корпус
2. Вал
3, 4. Подшипники вала
5. Обойма подшипника 3
6, 7. Плоские пружины подшипника 3
8, 9. Накладки крепления пружин на валу 2
10, 11. Винты накладок 8, 9
12, 13. Накладки крепления пружин на обойме
14, 15. Винты накладок 12, 13
16, 17. Винты крепления подшипников на корпусе
18. Плата
19. Хвостовик платы
20. Выступы платы
21. Оптический кронштейн
22. Винты кронштейна 21
23. Источник света
24. Фотоприемник преобразователя
25. Фотоприемник модулятора
26. Пазы кронштейна 21
27. Отверстия (оптические окна)
28. Шторки
29. Винты
30. Втулка шторки
31. Стопорные винты
32'. Баланс
32. Пружина баланса
33. Крыло баланса
34. Вал баланса
35. Подшипник вала 34
36. Постоянные магниты
37. Магнитопровод
38. Заклепки
39. Скоба вилки
40. Накладка пружины баланса
41. Винт накладки 40
42-45. Подшипники качения пружины 32
46. Электрическая катушка
47. Накладка катушки 46
48. Винты накладки 47
49. Кронштейн катушки
50. Контактные шторы катушки
51. Винты кронштейна 49
52. Электрический разъем датчика
53. Винты крепления высольев 20 платы 18
54. Кожух
55. Винты кожуха
Конструктивно моментомер для статических измерений (в дальнейшем моментомер) состоит из двух сборочных единиц - датчика и электронного блока.
Датчик, фиг. 2, функционально представляет собой связанные между собой преобразователь крутящего момента в угол поворота и оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал, которые смонтированы на одном корпусе 1, представляющем собой калиброванную по внутреннему диаметру трубу. Преобразователь крутящего момента в угол поворота представлен валом 2, который установлен в корпусе с помощью двух одинаковых подшипников 3, 4. Каждый подшипник (фиг. 1) содержит обойму 5 и две плоские пружины 6, 7. Первые концы плоских пружин закреплены на валу в поперечном пазу с помощью накладок 8, 9 и винтов 10, 11. Вторые концы плоских пружин закреплены с применением накладок 12, 13 и винтов 14, 15 на обойме в ее торцевых углублениях. Пружины каждого подшипника расположены под углом 90° друг к другу. При монтаже преобразователя крутящего момента в угол поворота подшипники 3, 4 устанавливают так, чтобы их одноименные плоские пружины были в одной осевой плоскости. Подшипники 3, 4 взаимозаменяемы. Обоймы подшипников закреплены винтами 16, 17 на корпусе 1.
Как показывают исследования (Желудков В.Н. О расчете некоторых упругих элементов приборов. Изв. Вузов СССР - «Приборостроение», 1964, т. 7, №5, С. 171-178), для малых углов поворота с допустимой погрешностью такую конструкцию можно считать линейной, а смещением осевой линии можно пренебречь, тогда
где ϕ - угол поворота вала;
D - суммарная жесткость на кручение плоских пружин;
М - крутящий момент.
Оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал и модулятор расположены в правой части датчика (ориентация по фиг. 2). Монтажной основой этой сборочной единицы служит плата 18 в форме круга, имеющая соосный хвостик 19 и выступы 20 для присоединения к корпусу. Имеется оптический канал на основе оптического кронштейна 21, который винтами 22 закреплен на плате 18. На общей осевой линии, параллельной осевой линии датчика, на оптическом кронштейне установлен источник света 23, по разные стороны от него - фотоприемник 24 преобразователя и фотоприемник 25 модулятора. Для укладки электрических выводов фотоприемников в оптическом кронштейне предусмотрены пазы 26. На фиг. 3 в качестве источника света изображена бескорпусная лампочка (например, НСМ-9), которая своими выводами подпаяна к контактным стойкам. С целью снижения требований к фотоприемникам на размер их оптических окон в кронштейне 21 предусмотрены одинаковые калиброванные отверстия 27. Подвижным элементом оптического преобразователя является шторка 28, которая выполнена в виде плоской непрозрачной пластины, соединенной винтами 29 со втулкой 30. Посредством стопорных винтов 31 втулка крепится на валу 2. Второй конец шторки находится в зоне оптического луча источника света и имеет симметричный паз шириной, равной диаметру оптического окна фотоприемника 24 преобразователя. Таким образом, при повороте вала 2 под действием измеряемого момента вращения шторка будет изменять величину светового потока источника света 23.
Поскольку в процессе поворота шторки относительное изменение светового потока мало, то погрешность этого преобразователя окажется неприемлемо большой. Поэтому в предлагаемом устройстве предусмотрен модулятор светового потока, с помощью которого результат преобразования переводится в дискретную форму. Модулятор построен на основе автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом. Колебательное звено составлено из баланса 32' (инерционное тело) и упругого элемента 33 в виде плоской пружины. Баланс составлен из крыла 33 в форме ленты, закрепленной методом развальцовки на валу 34, который установлен в подшипнике 35 платы 18. На одном конце крыла смонтирована магнитная система с двумя постоянными магнитами 36, которые образуют магнитный зазор с однородным магнитным полем. С целью упрощения конструкции крыло баланса следует выполнять из магнитопроводного материала, как и магнитопровод 37 магнитной системы. Магнитопровод 37 закреплен на крыле 33 заклепками 38. Постоянные магниты закреплены клеем.
На втором конце крыла баланса выполнена вилочная часть в виде параллельных поверхностей, составленных из крыла 33 и скобы 39. На элементах вилочной части выполнены симметричные относительно ее ширины радиальные пазы, равные по ширине пазу шторки 28 (соответственно равные диаметру оптических окон кронштейна 21). Элементы вилочной части размещены по разные стороны источника света 23. Баланс статически уравновешен. Крепление упругого элемента колебательного звена выполнено следующим образом. Плоская пружина 32 средней частью закреплена с помощью накладки 40 и винта 41 в пазу вала 34. Концы пружины размещены в зазорах внешних колец пар подшипников качения - одна пара 42, 43, другая - 44, 45.
Магнитоэлектрический привод, кроме отмененной выше магнитной системы баланса, составляет бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 46 и схема формирования импульсов привода СФИП. Применена типовая СФИП на одном транзисторе (см. рис. 21: Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля. Издательство «Атлас», 2016. ISBN978-5-903087-53-2). Катушка 46 привода закреплена накладкой 47 и винтами 48 на кронштейне 49 катушки. При сборке элементов СФИП обмоточные провода катушки (марки ПЭЛ или ПЭВ) подпаиваются к контактным штифтам 50, закрепленным на накладке 47. Элементы СФИП - транзистор и конденсатор - смонтированы методом навесного монтажа на кронштейне 49. Кронштейн 49 закреплен на плате 18 винтами 51. Монтажные провода (МГШВ - 0,12) уложены по поверхностям рассматриваемой сборочной единицы, закреплены компаундом и соединены с электрическим разъемом 52, который установлен на одном из выступов 20 платы 18. Заметим, что выходные параметры автоколебательной системы - амплитуда и частота - не влияют на результат измерения искомого параметра, не требуют котировочных операций. Из соображений стабильности частоты амплитуду у автоколебаний баланса следует выбирать в номинальном выражении 45°. С целью уменьшения количества проводов в кабеле связи датчика с электронным блоком напряжение питания СФИП и источника света 23 следует выбирать равными. Сборочная единица «Оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал» присоединяется к корпусу 1 по его внутреннему диаметру выступами 20 платы 18 с помощью винтов 53. Безопасность в служебном обращении обеспечивается кожухом 54 из тонколистового материала в форме цилиндра. Стык кожуха на выступе электрического разъема фиксируется винтами 55. При сборке датчика юстировочная операция заключается в симметрировании положения пазов вилочной части модулятора относительно оптического окна фотоприемника 25 модулятора за счет крепежа оптического кронштейна 21, затем аналогичного положения оптического окна фотоприемника 24 с последующей фиксацией найденного положения стопорными винтами 31.
Электронный блок моментомера предназначен для обработки электрических сигналов фотоприемников преобразователя и модулятора датчика. Будем полагать, это фотоприемники 24 преобразователя и 25 модулятора входят в состав электронных формирователей импульсов, которые доводят форму импульсов до прямоугольной. Рассмотрим случай фиг. 7, когда под действием измеряемого момента шторка повернута на угол ϕ. Пусть баланс 32 движется с угловой скоростью . Обозначим на траектории R межосевого расстояния «вал датчика - оптический канал» характерные точки на кромках вилочной части: А, А', В, В', характерные точки на оптических окнах фотоприемников - С, Е, а на кромке паза шторки - F.
AC
A'F
A'E
Когда точка А вилочной части доходит до точки С оптических окон - момент времени t - начинается перекрытие оптического луча источника света и появляются импульсы U24 и U25 от обоих фотоприемников. Импульс на фотоприемнике преобразователя заканчивается в момент времени t при совмещении точек А' и F, а на фотоприемнике модулятора в момент времени t. Аналогичная ситуация будет по второму участку ВВ' вилочной части. В результате срез одного импульса сдвинут по времени на величину Δt по отношению к срезу другого импульса.
При движении баланса в обратном направлении () окажутся сдвинуты на Δt фронты импульсов. Фазовый сдвиг в радианной мере будет пропорционален относительному временному сдвигу. Искомый результат будет получен по формуле
25
где t - длительность импульса фотоприемника модулятора;
Δ
t - временной сдвиг импульсов фотоприемников преобразователя и модулятора.
Если измеряется крутящий момент другого направления, то принцип выявления результата электронным блоком не изменяется за счет симметричности преобразователей. В этом случае шторка будет отклонена в другую сторону по отношению к фиг. 7. Электронный блок может быть снабжен цепью выделения и индикации знака измеряемого крутящего момента. Для упрощения логической схемы этой цепи удобно воспользоваться импульсом СФИП.
Работает моментомер для статических измерений следующим образом. Измеряемый крутящий момент прикладывается к валу 2 относительно хвостовика 19 (или корпуса 1). Под действием измеряемого момента происходит деформация подшипников 3, 4, что приводит к повороту вала 2 и шторки 28. Вилочной частью модулятор переводит оптический луч источника света 23 в дискретную форму. Электронный блок преобразует импульсы фотоприемников 24 преобразователя и 25 модулятора по формуле (4).
Таким образом, предлагаемый моментомер для статических измерений позволяет получить высокую точность результата, поскольку кинематическая цепь не содержит элементов с постоянным (Кулоновым) трением, соответственно отсутствует зона застоя. В конструкции реализован принцип агрегатности, что обеспечивает ее технологичность.