ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована 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 поршневого двигателя внутреннего сгорания по причине импульсного характера силы, возникающей при сгорании топлива. Учитывая, что параметры углового (вращательного) и линейного движений для твердого тела связаны, имеются общие подходы к построению средств измерений.
Для измерений иногда применяют тест-объект (патент RU 2395792, опубл. 27.07.2010) или пьезопреобразователь (патент RU 2046301, опубл. 20.10.1995), но чаще всего используют инерционную массу, сопряженную с упругим звеном, перемещение которой служит первичным параметром.
Датчик абсолютных колебаний (патент RU 2063000, опубл. 27.06.1996) содержит установленную в корпусе на плоскопараллельных пружинах инерционную массу, светодиод и фотодиод, при этом он снабжен установленной в корпусе с возможностью перемещения платформой, механизмом ориентации платформы, причем на платформе жестко закреплен фотодиод, а на инерционной массе светодиод, при этом светодиод и фотодиод направлены навстречу друг другу, их продольные оси параллельны между собой.
В описании к изобретению датчика абсолютных колебаний не раскрыто устройство подвижной платформы. Конструктивная реализация приведет к использованию направляющих движения и приводов, например винтовых.
Дополнительную сложность создает конструктивное оформление электрических выводов фотодиода с подвижной платформы.
Датчик ускорения (патент RU 2247992, опубл. 10.03.2005) содержит корпус, подвижный чувствительный элемент, установленный коллинеарио измеряемому вектору ускорения, фиксирующий элемент, исполнительный механизм, при этом 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 подпружинена упругим 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, размещенных между соответствующей усеченной конической деталью чувствительного элемента и корпусом таким образом, что шариковые элементы фиксаторов взаимодействуют с боковой поверхностью усеченных конических деталей чувствительного элемента.
В рассматриваемом датчике ускорения применены требующие повышенной точности изготовления шариковые фиксаторы. Определенную технологическую трудность представляет изготовление упругого элемента в форме винтовой конической пружины.
Прототипом является преобразователь инерциальной информации (патент RU 2199755, опубл. 27.03.2003), например акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости, содержащий чувствительный элемент, преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель с n-каскадным усилителем постоянного тока, к выходу n-го каскада которого подключены последовательно соединенные компенсационная катушка магнитоэлектрического силового преобразователя и k (k=2, 3…) масштабных резисторов, причем один вывод компенсационной катушки подсоединен к выходу n-го каскада n-каскадного усилителя постоянного тока, второй вывод компенсационной катушки соединен с первым выводом первого из к масштабных резисторов, при этом введен дополнительно j-каскадный усилитель постоянного тока, к входу первого каскада которого подключены соединенный с (k-1)-м масштабным резистором первый вывод k-го масштабного резистора и второй вывод k-го масштабного резистора, к выходу j-го каскада j-каскадного усилителя постоянного тока подключена точка соединения первого масштабного резистора с вторым выводом компенсационной катушки.
В описании к изобретению преобразователя инерциальной информации не раскрыто устройство упругого шарнира подвижной части. Предполагается упругий шарнир линейного перемещения, что усложняет общую конструкцию изделия. К примеру, упругий шарнир вращательного движения существенно проще. Также как и у аналогов применены подвижные электрические выводы, в этой конструкции - от катушки и электрода емкостного преобразователя положения на подвижной части изделия.
Таким образом, общим недостатком известных изделий является конструктивная сложность, обусловленная реализацией упругих элементов и подвижных электрических выводов. Наличие электрических выводов с подвижных элементов снижает эксплуатационную надежность изделий.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции преобразователя крутильных колебаний.
Указанный результат достигается тем, что в преобразователе крутильных колебаний, содержащем установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, упругий элемент выполнен в виде растяжки, один конец которой закреплен на корпусе подвижно, другой соединен с корпусом через регулируемую 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, ни 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.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема преобразователя крутильных колебаний; на фиг. 2 приведены отдельные положения элементов преобразователя крутильных колебаний, поясняющие образование измерительного сигнала.
Перечень обозначений
1 - корпус;
2, 3, 4 - стойки корпуса;
5 - чувствительный элемент;
6, 7 - магнитопроводы чувствительного элемента;
8 - втулка;
9 - постоянные магниты чувствительного элемента;
10, 11 - электрические катушки магнитоэлектрического преобразователя;
12, 13 - накладки крепления катушек;
14 - кроссплата;
15 - растяжка;
16 - накладка неподвижного крепления растяжки;
17 - рессора;
18 - основание тискового крепления растяжки;
19 - накладка тискового крепления растяжки;
20 - вал шарнира заделки рессоры;
21 - фиксаторы;
22 - токосъемник;
23 - резьбовые отверстия крепления токосъемника;
24 - переходник;
25 - посадочные отверстия переходника;
26 - винты крепления переходника к корпусу.
Монтажной основой преобразователя крутильных колебаний служит корпус 1, имеющий стойки 2, 3 и 4. Чувствительный элемент 5 представляет собой осесимметричное тело, составленное из двух плоских прямоугольного сечения магнитопроводов 6, 7, закрепленных на торцах магнитопроводной втулки 8. На концах магнитопроводов чувствительного элемента установлены (приклеены) постоянные магниты 9 осевой намагниченности. Каждая пара постоянных магнитов образует магнитный зазор, при этом направление осевой намагниченности постоянных магнитов в паре одинаково. Крепление магнитопроводов на втулке обеспечивается развальцовкой ступенчатых торцов втулки. Постоянные магниты чувствительного элемента для малогабаритных преобразователей крутильных колебаний могут быть изготовлены из платинакса марки ПлК78 цилиндрической формы.
В магнитных зазорах чувствительного элемента свободно размещены плоские бескаркасные катушки 10, 11, закрепленные, соответственно, на стойках 2, 3 корпуса с помощью накладок 12, 13 и винтов. Катушки изготавливают путем намотки на оправках с пропиткой клеем (лаком). В качестве моточного провода применяют провода марок ПЭЛ и ПЭВ. Электрические выводы катушек образованы концами моточного провода. Эти концы моточного провода катушек закреплены по поверхностям стоек и корпуса компаундом и подключены пайкой к контактным площадкам кроссплаты 14.
Пространственное положение чувствительного элемента обеспечивает упругая ось 15, представляющая собой растяжку - плоскую натянутую пружинную ленту. Растяжка одним концом закреплена на корпусе с помощью накладки 16 и винтов. Натяжение растяжки реализуется за счет рессоры 17, на консольном конце которой закреплено основание 18 тискового крепления второго конца растяжки. Другим элементом этого тискового крепления служит накладка 19, которая присоединяется к основанию винтами. Рессора представляет собой упругую балку, например круглого сечения. Заделка рессоры выполнена в виде поворотного шарнира, который образован валом 20 и отверстием стойки 4 корпуса. Заделочный конец рессоры жестко соединен с валом (например, запрессовкой). Рабочее угловое положение вала шарнира заделки рессоры фиксируется винтом (фиксатором) 21. Крепление растяжки во втулке чувствительного элемента осуществляется с помощью четырех (по два с каждой стороны) полукруглых клиньев, при этом чувствительный элемент располагают в средней части растяжки. В качестве материала рессоры может быть применена любая пружинная сталь, например 65Г, 60С2А, а в качестве материала растяжки предпочтительно использовать сплавы с малыми потерями на механический гистерезис, например Н41ХТА, 40КНХМВ.
Для трансляции измерительной информации (ЭДС) с катушек магнитоэлектрического преобразователя на регистрирующую аппаратуру предусмотрен токосъемник 22. В промышленности конструкции токосъемников отработаны, поэтому на фиг. 1 он показан условно. Типовой токосъемник имеет корпусную втулку из электроизоляционного материала, которая в данном случае через дно винтами крепится к корпусу преобразователя крутильных колебаний с использованием резьбовых отверстий 23. Типовой токосъемник имеет на внешней поверхности корпусной втулки электропроводные кольца, которые контактируют с неподвижными подпружиненными щетками. Электрическое соединение выводов катушек магнитоэлектрического преобразователя с электропроводными кольцами токосъемника осуществляется монтажным проводом, например марки МГШВ-0,12. Концы монтажного провода подпаиваются к внутренней стороне электропроводных колец токосъемника и соответствующим контактным площадкам кроссплаты.
Преобразователь крутильных колебаний крепится к объекту исследования с помощью переходника 24 через посадочные отверстия 25. Переходник скрепляется с корпусом преобразователя крутильных колебаний винтами 26.
5
15
При сборке преобразователя крутильных колебаний расчетное натяжение растяжки 15 осуществляют за счет поворота вала 20 шарнира заделки рессоры с последующей фиксацией найденного положения винтом 21. Поскольку характеристика преобразования определяется моментом инерции J чувствительного элемента 5 и крутильной жесткостью C растяжки (а она является функцией материала, сечения, длины и натяжения), то результат натяжения удобно контролировать по собственной частоте колебаний
Рассматриваемый преобразователь крутильных колебаний относится к датчикам генераторного типа, т.е. он не требует внешнего электропитания, а измерительный сигнал вырабатывается (генерируется) за счет в данном случае магнитоэлектрического преобразователя. Поэтому при регулировании натяжения растяжки можно давать небольшое механическое возбуждение на чувствительный элемент, приводящее к свободным колебаниям, и наблюдать (измерять) собственную частоту f по индуцируемой электродвижущей силе на выводах любой катушки.
Необходимо заметить, что регулируемая рессора выполняет функцию компенсатора погрешностей, т.к. за счет изменения натяжения растяжки компенсируются производственные допуски на размеры деталей.
Работает датчик крутильных колебаний следующим образом. Перед началом крепят датчик к объекту исследования с помощью отверстий 25 переходника и к щеткам токосъемника присоединяют регистрирующую аппаратуру. Для определенности положим, что объектом исследования является поршневой двигатель внутреннего сгорания. В этом примере датчик крепят к выходному концу коленчатого вала. При производстве испытаний объекта исследований возможны значительные угловые ускорения на переходных режимах, т.е. на этапах разгона и торможения. По этой причине на эти этапах следует ограничить (исключить) угол закручивания растяжки. В катушки 10, 11 подают от внешнего источника через токосъемник постоянный ток. Направление тока должно быть таким, чтобы вектор магнитной индукции поля катушки был противоположен вектору поля магнитного зазора, образованного парой постоянных магнитов 9 осевой намагниченности.
Указанное направление векторов можно определить по реакции чувствительного элемента для каждой катушки. В силу наличия производственных допусков в исходном положении осевые линии постоянных магнитов и катушки несколько не совпадают. Поэтому разнонаправленные векторы приведут к появлению силы совмещающей эти осевые линии, что обеспечит поворот чувствительного элемента. Но подойдя к совмещенному положению векторов чувствительный элемент, наберет некоторую кинетическую энергию и по инерции пройдет совмещенное положение, при этом знак силы взаимодействия изменится. В результате можно наблюдать малые колебания чувствительного элемента относительно совмещенного положения.
Попутно отразим реакцию чувствительного элемента на обратное направление тока катушки. В этом случае сила взаимодействия будет расталкивать векторы, в результате чувствительный элемент повернется на угол, когда момент магнитного взаимодействия будет равен моменту вращения закрученной растяжки. Будем наблюдать отклоненное положение чувствительного элемента - постоянные магниты будут располагаться напротив края катушки.
0
Вернемся к процессу испытаний исследуемого объекта. На этапе выхода на стационарный режим (режим измерений) магнитное взаимодействие за счет тока катушек удерживало чувствительный элемент в исходном положении (растяжка не закручена). После выхода на режим измерений отключают удерживающий ток катушек, и соответствующие щетки токосъемника подключают к регистратору. В этот момент времени t чувствительный элемент, вращаясь вместе с валом объекта исследований, обладает большой кинетической энергией.
0
Если исследуемый вал будет иметь непостоянство исходной частоты вращения ω, то корпус преобразователя крутильных колебаний будут повторять это непостоянство, что приведет к смещению катушек относительно чувствительного элемента. Указанное смещение будет индуцировать в катушках электродвижущую силу (ЭДС).
Индуцируемая в каждой катушке ЭДС определяется векторным произведением
где  - вектор магнитной индукции поля зазора;
- вектор линейной скорости осевой линии катушки относительно поля зазора;
- направление витков катушки;
S- эффективная площадь перекрытия катушки магнитным зазором.
Поясним принцип образования информационной ЭДС - формула (3). Поскольку датчик симметричен, достаточно рассмотреть взаимодействие магнитного поля одной пары магнитов с одной катушкой. Полагая, что величина магнитного зазора мала по отношению к диаметрам постоянных магнитов можно пренебречь эффектом выпучивания поля зазора и принять поле зазора однородным по сечению и равным сечению магнитов.
9
10
0
На фиг. 2 сечение поля зазора показано кругом радиуса R, катушка внешним радиусом R (внутренний радиус от технологической оправки не обозначен). Если крутильные колебания исследуемого объекта отсутствуют, то рассматриваемые элементы преобразователя датчика крутильных колебаний вращаются с одинаковой угловой частотой ω -  рис. 2-а. При этом условии нет относительного смещения катушки и зазора, относительная линейная скорость V равна нулю, ЭДС так же равна нулю. Появление крутильных колебаний вызывает смещение катушки относительно чувствительного элемента. В текущий момент времени катушка смещена на угол φ (рис. 2-б) и ее линейная скорость равна
где К5 - межосевое расстояние растяжка-катушка.
На всех частях витков катушки, перекрытых полем зазора будет индуцироваться ЭДС, но ее полярность будет разная, в зависимости от направления витков катушки l. В результате выходная ЭДС датчика по этой катушке будет соответствовать алгебраической сумме ЭДС двух частей витков. Т.к. толщина катушки постоянна, то количество частей витков, участвующих в образовании суммарной ЭДС можно рассматривать как величину пропорциональную разности площади зазора части витков одного направления l и другого. Это и есть эффективная площадь перекрытия S. С увеличением угла φ эффективная площадь перекрытия будет соответствовать обозначению на рисунке 2-в. Если амплитуда крутильных колебаний превысит суммарный угловой размер
то ЭДС датчика будет представлять собой последовательность двуполярных импульсов.
При производстве измерений с помощью преобразователя крутильных колебаний необходимо учитывать соотношения его собственной частоты - формула (1) - и частотных свойств объекта исследований. Для примера вернемся к вращению коленчатого вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Крутильные колебания коленчатого вала отличаются от гармонического закона и выражаются некоторой функцией времени 8(1). Эта функция может быть разложена в гармонический ряд Фурье
a
0
т.е. в общем случае в разложении присутствует постоянная составляющая /2 и сумма гармоник
a
n
n
где , b - коэффициенты Фурье;
mn
A - амплитуда n-ой гармоники;
- начальная фаза n-ой гармоники.
Для механических объектов ряд Фурье - формула (6) - быстро убывает, соответственно набольшую амплитуду будет иметь 1-я гармоника. Если собственная частота преобразователя крутильных колебаний f совпадет с одной из гармоник (7), то возникнет резонанс. Потому собственную частоту f следует разнести по оси частот от диапазона частот объекта исследований, а главное от 1-ой гармоники диапазона частот.
Другой подход при производстве измерений заключается в демпфировании колебаний чувствительного элемента. В этом случае измерительный (информационный) сигнал ЭДС регистрируется с одной катушки, а вторая используется в составе демпфера. Для введения затухания достаточно во вторую катушку, в этом случае назовем ее демпферной, задать от внешнего источника постоянный ток такого направления, чтобы векторы магнитного поля зазора и катушки были разнонаправлены. Изменяя величину подаваемого в демпферную катушку постоянного тока можно приблизить колебательное звено чувствительный элемент - растяжка к апериодическому. Заметим, что при этом вводится затухание пропорциональное скорости, т.е. вязкое, а оно не вносит в характеристику преобразования так называемую зону застоя.
Таким образом, предлагаемый преобразователь крутильных колебаний имеет простую конструкцию и технологичен за счет компенсатора погрешностей. Преобразователь крутильных колебаний позволяет использовать движение чувствительного элемента в составе колебательного звена, при этом собственная частота колебаний выбирается вне спектра частот исследуемого объекта, а также в составе апериодического звена, если указанное соотношение частот обратное.