УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА И МОЩНОСТИ НА ВАЛУ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF TORQUE, SHAFT SPEED AND POWER ON SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Устройство относится к силоизмерительной технике для измерения скорости вращения вала, крутящего момента и мощности на валу при стендовых испытаниях, а также в работе, и может применяться при испытании и эксплуатации роторных ветродвигателей с вертикальным вращающимся валом.
Уровень техники
Известно устройство для измерения крутящего момента, содержащее упругий вал в виде торсиона с нанесенными на нем метками и закрепленный концами к торцам ведущего и ведомого валов. На валах установлены фотоэлектрические датчики, фиксирующие смещение меток при закручивании торсиона. Обработка данных испытаний по смещению меток относительно друг друга выполняется специальными приборами. По полученным данным смещения меток определяется величина крутящего момента на ведущем валу (см. Патент на изобретение РФ №2091735, МПК G01L. Устройство для измерения крутящего момента. Публикация патента 27.09.1997).
Недостатком устройства является сложность его регистрирующей фотоэлектрической системы и системы обработки данных.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и принятое авторами за прототип является устройство для измерения крутящего момента, приложенного к валу, состоящее из приводного участка, содержащего ведущий вал, и ведомого участка, содержащего ведомый вал, в котором ведущий и ведомый валы жестко соединены соосным торсионом с неподвижными участками валов, то есть с торцами валов. На валах жестко установлены друг против друга многополюсные магниты, между которыми установлен чувствительный датчик. Устройство снабжено специальной электронной системой для обработки данных результатов измерений.
Работает устройство следующим образом. При вращении ведущего вала крутящий момент передается через торсион на ведомый вал. Под воздействием крутящего момента торсион закручивается на некоторый угол, в результате чего ведомый вал и установленные на нем многополюсные магниты смещаются на некоторый угол относительно многополюсных магнитов, установленных на ведущем валу. Это смещение в виде электрического сигнала фиксируется чувствительным датчиком, установленным между многополюсными магнитами, и поступает на специальную электронную систему для обработки результатов смещения, по которым определяется величина крутящего момента.
Недостатком данного устройства является сложность электромагнитной системы регистрации смещения валов относительно друг друга, а также сложность электронной системы обработки полученных данных.
6
В основу измерений крутящего момента на ведущем валу в данном устройстве принят способ измерения угла смещения ведущего вала относительно положения ведомого вала, соединенных через упругое звено. По этому признаку данное устройство принято за прототип (см. Патент МПК G01L 3/10, №2061947. Устройство для измерения крутящего момента, приложенного к валу. Публикация 10.06.1996).
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка устройства для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу.
Техническим результатом данного изобретения является простое и надежное устройство, позволяющее измерять крутящий момент на валу, скорость вращения вала, мощность на валу, возможность создавать заданную нагрузку на ведущий вал при испытаниях, выводить полученные показатели на приборы как во время испытаний, так и в процессе эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу, состоящее из приводного участка, содержащего ведущий вал, и ведомого участка, содержащего ведомый вал, приводной участок выполнен в виде ведущего фланца со ступицей, а ведомый участок выполнен в виде ведомого фланца со ступицей. На ступицы надета центрирующая втулка, а на нее надет подвижный фланец со ступицей, соединенный с ведущим фланцем установленными на нем штифтами с возможностью перемещения подвижного фланца по штифтам и по центрирующей втулке. Между ведомым фланцем и подвижным фланцем установлена динамометрическая пружина, надетая верхними витками на ступицу подвижного фланца, а нижними витками надета на центрирующую втулку с зазором между динамометрической пружиной и центрирующей втулкой. При этом один крайний виток динамометрической пружины неподвижно прикреплен к подвижному фланцу, а другой крайний виток неподвижно прикреплен к ведомому фланцу. На ведомом фланце неподвижно к нему прикреплен торцовой поверхностью стакан, выполненный из диэлектрического материала. На цилиндрической поверхности стакана установлены три токосъемных кольца, в одном из которых имеется токонепроводящий участок. К токосъемным кольцам прилегают токосъемные контакты, установленные через изоляцию в стойке, укрепленной на неподвижной опорной плите, к которой также прикреплен шестеренчатый насос, входящий своим валом в ступицу ведомого фланца и закрепленный в ней зажимом, имеющимся на ведомом фланце. Входное отверстие шестеренчатого насоса соединено трубопроводом с баком для масла, а выходное отверстие шестеренчатого насоса соединено трубопроводом с регулирующим вентилем и через него трубопроводом тоже соединено с баком для масла. В ступицу ведущего фланца входит ведущий вал испытуемого двигателя и зажимается в ней зажимом, имеющимся на ведущем фланце. На другом торце стакана установлен кольцевой реохорд, к которому прилегает электрический токосъемник, установленный на ведущем фланце и электрически изолированный от него. Кольцевой реохорд, электрический токосъемник, токосъемные кольца, токосъемные контакты объединены в одну электрическую схему, в которую входят стабилизированный источник питания, измеритель крутящего момента, тахометр и измеритель мощности с балластным сопротивлением, электрически согласованные между собой, а их показания на шкалах оттарированы в соответствующих единицах.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена в разрезе силовая часть устройства для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу, в котором тензометрическим звеном является цилиндрическая динамометрическая пружина, которая подвергается закручиванию при воздействии на нее крутящего момента, передаваемого от ведущего вала через ведущий фланец к подвижному фланцу и далее к ведомому фланцу, а также представлен в разрезе реохорд с токосъемником, скользящим по реохорду во время закручивания пружины под воздействием ведущего фланца.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства для измерения крутящего момента, скорости вращения и мощности на валу с элементами электрической схемы.
На фиг. 3 представлена электрическая схема устройства для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу с показом взаимного функционирования измерительных элементов и приборов, регистрирующих показания.
Осуществление изобретения
Устройство для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу состоит из ведущего фланца 1 со ступицей 2, ведомого фланца 3 со ступицей 4. На ступицы 2 и 4 надета центрирующая втулка 5, а на нее надет подвижный фланец 6 со ступицей 7, соединенный с ведущим фланцем 1 установленными на нем штифтами 8 с возможностью его перемещения по штифтам 8 и по центрирующей втулке 5. Между ведомым фланцем 3 и подвижным фланцем 6 установлена динамометрическая пружина 9, надетая верхними витками на ступицу 7 подвижного фланца 6, а нижними витками надета на центрирующую втулку 5 с зазором между динамометрической пружиной 9 и центрирующей втулкой 5. При этом один крайний виток динамометрической пружины 9 неподвижно прикреплен к подвижному фланцу 6, а другой крайний виток неподвижно прикреплен к ведомому фланцу 3. На ведомом фланце 3 неподвижно укреплен торцовой поверхностью стакан 10, выполненный из токонепроводящего материала. На цилиндрической поверхности стакана 10 установлены три токосъемных кольца 11, в одном из которых имеется токонепроводящий участок 12. К токосъемным кольцам 11 прилегают токосъемные контакты 13, установленные через изоляцию 14 в стойке 15, укрепленной на неподвижной опорной плите 16, к которой также прикреплен шестеренчатый насос 17, входящий своим валом 18 в ступицу 4 ведомого фланца 3 и закрепленный в ней зажимом 19, имеющимся на ведомом фланце 3. Входное отверстие 20 шестеренчатого насоса 17 соединено трубопроводом 21 с баком 22 для масла, а выходное отверстие 23 насоса 17 соединено трубопроводом 24 с регулирующим вентилем 25 и через него трубопроводом 26 с баком 22 для масла. В ступицу 2 ведущего фланца 1 входит ведущий вал 27 испытуемого механизма и зажимается в ней зажимом 28, имеющимся на верхнем фланце 1. На другом торце стакана 10 установлен кольцевой реохорд 29, к которому прилегает токосъемник 30, установленный на ведущем фланце 1 и электрически изолированный от него. Кольцевой реохорд 29, токосъемник 30, токосъемные кольца 11, токосъемные контакты 13 объединены в одну электрическую схему (см. фиг. 3), в которую входит стабилизированный источник питания 31, измеритель крутящего момента 32, балластное сопротивление 35, измеритель мощности 33, тахометр 34, электрически согласованные между собой, а их шкалы оттарированы в соответствующих единицах.
Устройство для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу работает следующим образом.
Рассмотрим работу устройства на примере испытания роторного ветродвигателя с вертикальным вращающимся валом (см. фиг. 1).
В начальном положении ротор ветродвигателя зафиксирован неподвижно, а конец его вала является ведущим валом 27, входит в ступицу 2 ведущего фланца 1 и зажимается в ней зажимом 28. При этом регулирующий вентиль 25 открыт. В начальном положении тензометрическая пружина 9 не испытывает крутящего момента. Закроем регулирующий вентиль 25 и освободим ротор ветродвигателя. Так как регулирующий вентиль 25 закрыт, вал 18 шестеренчатого насоса 17 не будет вращаться, поскольку между зубьями шестерен находится масло, а оно, как жидкость, несжимаемо. Вал 27 роторного ветродвигателя под воздействием ветрового потока повернется на некоторый угол и, воздействуя через ступицу 2, повернет ведущий фланец 1, который, в свою очередь, штифтами 8 повернет подвижный фланец 6, а через него, создавая крутящий момент, закрутит на некоторый угол тензометрическую пружину 9. При этом токосъемник 30 переместится по реохорду 29, изменяя его электрическое сопротивление. Соответственно сопротивлению изменится в электрической цепи ток, и измеритель крутящего момента покажет величину крутящего момента на ведущем валу 27, создаваемого ротором ветродвигателя в неподвижном положении в зависимости от скорости ветрового потока. При этом скорость вращения вала и мощность на валу будут равны нулю.
Открывая регулирующий вентиль 25 и предоставляя насосу 17 возможность перекачивать масло, можно создать необходимую нагрузку на ведущий вал 27, а следовательно, и на вал ротора ветродвигателя при различных скоростях ветрового потока и измерить энергетические возможности ветродвигателя.
Испытание энергетических характеристик электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания необходимо начинать с холостого хода, то есть при полном открытом регулирующем вентиле 25.
Установив вместо вала 18 шестеренчатого насоса 17 вал рабочего механизма, можно получать данные о работе энергетических характеристиках работающего агрегата двигатель - потребитель энергии, считывая их с показаний приборов, включенных в электрическую схему устройства.
Электрическая схема устройства работает следующим образом. При воздействии ведущего вала 27 на ведущий фланец 1 закручивается через промежуточный фланец 6 тензометрическая пружина 9. Одновременно по кольцевому реохорду 29 перемещается токосъемник 30. Величина тока, поступающего к прибору 32, измеряющему крутящий момент на валу, будет зависеть от измерения сопротивления кольцевого реохорда 29. Шкала прибора 32 тарируется предварительно в зависимости от угла закручивания тензометрической пружины в Ньютонометрах (Нм), балластное сопротивление предохраняет электрическую цепь от короткого замыкания. Скорость вращения вала регистрируется тахометром 34, работающим от импульсов электрического тока, образующихся путем прерывания электрической цепи нетокопроводящим участком 12 токосъемного кольца 11, установленного на стакане 10.
На ваттметр одновременно поступает электрическое напряжение с тахометра 34 и ток определенной величины от прибора 32, измеряющего крутящий момент. Поданное напряжение и сила тока на ваттметр определяет его показания, Вт.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
Простота устройства системы измерения величин, основанная на закручивании тензометрической пружины и измерении сопротивления реохорда.
Применение простых показывающих приборов вместо сложной электронной системы.
Простота монтажа и демонтажа на испытуемых механизмах.
Возможность постоянного использования и получения энергетических характеристик во время эксплуатации механизмов.
Возможность регистрирования всех необходимых энергетических параметров.
Возможность вывести показания энергетических параметров - скорость вращения, крутящий момент, приложенный к валу, мощность на валу - на самопишущие приборы или монитор компьютера с сохранением информации.