ТОРСИОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ
DEFORMATION MEASUREMENT TORSIONOMETER

1. Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к торсиометру. В частности, изобретение относится кторсиометру для измерения момента вращения элемента трансмиссии турбинного двигателя летательного аппарата.
2. Существующий уровень техники
Торсиометры представляют собой устройства для измерения момента вращения, которые в зависимости от области применения, оборудования, момент вращения которого должен быть измерен, и требуемой степени точности существуют в нескольких видах. В области авиационной промышленности часто используются гидравлические торсиометры. Эти торсиометры работают, например, с использованием промежуточной шестерни с винтообразными зубьями, относительно которых приложенный вращающий момент создает осевое усилие, пропорциональное моменту, который и следует измерить. Это осевое усилие передается на связанный с промежуточным колесом поршень. Другой вариант использования, который часто встречается, представляет собой измерение осевой нагрузки планетарного зубчатого венца, - она также пропорциональна предназначенному к измерению моменту. Вообще говоря, можно производить измерение по всей винтовой шестерне.
1)
Движение поршня в зависимости от измеренного момента вращения вызывает давление на масло в измерительной камере, запитываемой от гидравлической системы до достижения баланса между давлением, оказываемым поршнем на масло, и давлением масла на поршень. Измерение давления в момент этого баланса посредством датчика давления позволяет получить измеренный момент вращения.
Эти гидравлические торсиометры имеют недостатки, заключающиеся в том, что они чувствительны к трению, обусловленному наличием уплотнительных элементов и подшипников, а также утечек из-за старения уплотнительных элементов, к изменению вязкости масла, к температуре и т. д. Таким образом, точность гидравлических торсиометров не является достоверной, и им необходимо регулярное техническое обслуживание. Кроме того, посредством таких торсиометров невозможно измерять отрицательный момент вращения.
Другие используемые торсиометры являются поворотными торсиометрами, сравнивающими рассогласование по фазе вала под воздействием момента вращения с вращающимся валом, свободным от момента вращения. Однако точность измерения момента вращения поворотными торсиометрами зависит от длины вала, что приводит к значительному увеличению габаритных размеров поворотных торсиометров для выполнения точных измерений. Кроме того, вращающийся вал, не подверженный воздействию момента вращения, который является опорным, наделяет систему дополнительной стоимостью и весом.
3. Цели изобретения
Целью изобретения является устранение по меньшей мере некоторых недостатков известных торсиометров.
В частности, изобретение призвано также обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления изобретения менее габаритный торсиометр.
Изобретение предназначено также для того, чтобы обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления торсиометр, не использующий гидравлических элементов, требующих контроля уплотнения.
Изобретение предназначено также для того, чтобы обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления изобретения точный торсиометр.
Изобретение призвано также обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления изобретения надежный торсиометр, требующий минимального технического обслуживания.
Изобретение призвано также обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления торсиометр, выполненный с возможностью измерения отрицательного момента вращения.
Изобретение призвано также обеспечить, по крайней мере в одном варианте осуществления торсиометр малочувствительный к изменениям температуры.
4. Сущность изобретения
С этой целью изобретение обеспечивает торсиометр, содержащий корпус и элемент, установленный в корпусе подвижно для перемещения в продольном направлении с созданием осевого толкательного воздействия, представляющего предназначенный для измерения момент вращения, отличающийся тем, что содержит
- опорную поверхность, соединенную с корпусом посредством по меньшей мере одного из его концов, продолжающуюся, по крайней мере, частично в плоскости, по существу перпендикулярной продольному направлению, при этом продольный конец упомянутого подвижного элемента, так называемый контактный конец выполнен с возможностью нахождения в контакте с упомянутой опорной поверхностью таким образом, что при этом продольное перемещение подвижного элемента приводит к деформации опорной поверхности,
- средства измерения деформации опорной поверхности.
Таким образом, торсиометр по настоящему изобретению позволяет измерять момент вращения подвижного элемента цепи передачи вращения, например, трансмиссионного вала, не используя вал отбора мощности или не обращаясь к гидравлическим элементам. Подвижный элемент перемещается прямолинейно в зависимости от предназначенного для измерения момента вращения, и этот подвижный элемент вызывает деформацию опорной поверхности. Таким образом, деформация опорной поверхности представляет момент вращения, и измерение этой деформации позволяет определить этот момент вращения. Кроме того, этот торсиометр по сравнению с торсиометром торсионного типа занимает меньший объем и по существу равный или меньший объем по сравнению с гидравлическим торсиометром, при этом без необходимости использования гидравлической цепи и, как следствие, связанных с ней уплотнений. К тому же, отсутствие гидравлической цепи облегчает техническое обслуживание.
Опорная поверхность напрямую или опосредованно связана с корпусом - посредством одного из ее концов. Конец опорной поверхности представляет собой, например, одну из кромок опорной поверхности. Контактный конец, предпочтительно, контактирует с опорной поверхностью таким образом, чтобы вызванная перемещением подвижного элемента деформация с целью повышения точности измерения этой деформации была максимально возможной.
Деформация опорной поверхности благоприятно является упругой деформацией. Удержание деформации опорной поверхности в упругой области позволяет для одной и той же измеренной деформации получать один и тот же измеренный момент вращения.
В соответствии с изобретением средства измерения деформации опорной поверхности, предпочтительно, включают в себя соединенный с корпусом датчик приближения, направленный в сторону этой опорной поверхности, и выполненный с возможностью измерения перемещения опорной поверхности в продольном направлении.
Понятно, что перемещение опорной поверхности означает изменение положения по меньшей мере части опорной поверхности.
В соответствии с этим объектом изобретения перемещение опорной поверхности в продольном направлении обусловлено изгибанием опорной поверхности в продольном направлении из-за перемещения подвижного элемента. Следовательно, это перемещение представляет предназначенный для измерения момент вращения. Датчик приближения, измеряя расстояние между самим собой и опорной поверхностью, таким образом, позволяет измерить это перемещение, соответствующее изменению этого расстояния.
В соответствии с этим последним объектом изобретения датчик приближения, предпочтительно, является индуктивным датчиком приближения.
В соответствии с этим объектом изобретения индуктивный датчик приближения позволяет измерять перемещение в хороших условиях, уменьшая риски влияния на измерение помех, обусловленных природой среды между датчиком приближения и опорной поверхностью. В частности, измерение не подвержено помехам в случае наличия между датчиком приближения и опорной поверхностью газа, различных частиц, масла и т. п., каковое приближение возможно при использовании торсиометра в турбинном двигателе. Индуктивный датчик приближения определяет расстояние до металлического объекта, - таким образом, в этом варианте осуществления опорная поверхность либо должна быть образована из металла, либо должна содержать по крайней мере одну металлическую часть, на которую ориентирован датчик.
Датчик приближения, предпочтительно, является индуктивным датчиком приближения, работающий с токами Фуко.
Индуктивные датчики приближения, а именно, - датчик, работающий с токами Фуко, имеет хорошую точность и высокую надежность, позволяя получать точную и надежную величину измеряемого момента вращения.
Контактный конец и опорная поверхность, предпочтительно и в соответствии с изобретением жестко соединены между собой посредством крепления.
В соответствии с этим объектом изобретения данное крепление позволяет жестко соединить между собой опорную поверхность и подвижный элемент, тем самым позволяя производить измерение отрицательного момента вращения, независимо от используемых средств измерений.
Поскольку датчик приближения является индуктивным датчиком приближения, это крепление, предпочтительно, является металлическим и ориентировано в направлении датчика приближения. Датчик приближения измеряет также расстояние между самим собой и металлическим креплением, с тем, чтобы из этого можно было получать деформацию опорной поверхности.
Предпочтительно и в соответствии с изобретением средства измерения деформации опорной поверхности содержат по меньшей мере один датчик деформации, расположенный на опорной поверхности и выполненный с возможностью измерения величины, представляющей деформацию опорной поверхности
В соответствии с этим объектом изобретения, поскольку деформация опорной поверхности, представляет собой предназначенный для измерения момент вращения, то измеренная величина этой деформации позволяет определить момент вращения. Для повышения точности и стабильности (в том числе, при изменении температуры) измерения, датчик или датчики деформации могут быть соединены в мостик Уитстона.
Деформация, измеренная датчиком или датчиками деформации, предпочтительно, представляет собой деформацию из-за расширения или сжатия опорной поверхности, обусловленного приложением к опорной поверхности силы контактным концом подвижного элемента.
Предпочтительно и в соответствии с изобретением опорная поверхность соединена с корпусом посредством опоры, образованной из материала, не деформирующегося в зависимости от изменений температуры.
В соответствии с этим объектом изобретения опора позволяет минимизировать влияние температуры на измерение деформации опорной поверхности, в частности, когда это измерение осуществляется посредством датчик приближения. Кроме того, использование отдельной опоры корпуса позволяет производить более простое техническое обслуживание, при этом опору можно заменять, что позволяет избегать замены всего корпуса в целом. Такой материал, не деформирующийся с изменениями температуры, является, например, инваром.
Предпочтительно и в соответствии с изобретением опорная поверхность образована из материала, модуль Юнга которого малочувствителен к изменениям температуры.
В соответствии с этим объектом изобретения деформация опорной поверхности, измеренная средствами измерения деформации, не зависит от температуры опорной поверхности. Такой материал, имеющий модуль Юнга, малочувствительный к изменениям температуры, является, например, элинваром. При этом в зависимости от состава материала модуль Юнга в интервале температур, которые воздействуют на торсиометр, изменяется в максимальном диапазоне ±1%.
Опорная поверхность, предпочтительно, образована из материала, модуль Юнга которого не изменяется в зависимости от температуры, в интервале температур, которые воздействуют на торсиометр.
В рамках использования торсиометра в турбинном двигателе колебания температуры в торсиометре могут быть значительными. Таким образом, при измерении момента вращения следует учитывать эти изменения температуры, в данном случае - уменьшая влияния этих изменений.
Торсиометр по настоящему изобретению, предпочтительно, содержит средство измерения температуры.
В соответствии с этим объектом изобретения измеренная средствами измерения температуры величина температуры позволяет обнаружить возможные изменения температур, которые могут привести к изменениям измерения момента вращения. Величина момента вращения, таким образом, корректируется с учетом измеренного значения температуры.
При использовании торсиометра в турбинном двигателе колебания температуры в торсиометре могут быть значительными. Таким образом, при измерении момента вращения следует учитывать эти изменения температуры, в данном случае - компенсируя влияния этих изменений.
Изобретение относится также к турбинному двигателю, содержащему элемент трансмиссии, отличающемуся тем, что он содержит торсиометр в соответствии с изобретением, механически связанный с элементом трансмиссии соответствующим образом с возможностью измерения приложенного к элементу трансмиссии момента вращения.
Элементом трансмиссии может быть, например, вал, шестерня с внутренними или внешними винтовыми зубьями и т.д. Измеренный момент вращения, таким образом, является переходным моментом вращения в трансмиссионной цепи, частью которой является элемент трансмиссии.
Изобретение относится также к торсиометру и к турбинному двигателю, отличающимися комбинацией всех или части вышеупомянутых или нижеприведенных признаков.
5. Перечень фигур
Другие цели, характеристики и преимущества изобретения станут очевидными, по ознакомлении с нижеследующим описанием, приведенным, не преследуя каких-либо ограничительных целей, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
- фигура 1 представляет собой схематичный вид сечения торсиометра в соответствии с вариантом осуществления изобретения,
- фигура 2 представляет собой схематичный вид сечения торсиометра по второму варианту осуществления,
- фигура 3а представляет собой схематичный вид сечения части торсиометра в соответствии с вариантом осуществления изобретения, измеряющей момент вращения C при температуре 0°C,
- фигура 3b представляет собой схематичный вид части торсиометра в соответствии с вариантом осуществления изобретения, измеряющей момент вращения C при температуре 150°C, и содержащей чувствительную к температуре опорную поверхность, а также корпус, нечувствительный к изменениям температуры,
- фигура 3с представляет собой схематичный вид части торсиометра в соответствии с вариантом осуществления изобретения, измеряющей момент вращения C при температуре 150°C, и содержащей корпус и опорную поверхность, чувствительные к изменениям температуры,
- фигура 4 представляет собой схематичный вид в разрезе торсиометра в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
6. Подробное описание варианта осуществления изобретения
Нижеследующие варианты осуществления являются примерными. Хотя описание относится к одному или более вариантам осуществления, это не обязательно означает, что каждая ссылка на него относится к одному и тому же варианту осуществления или же, что приведенные характеристики относятся только к одному варианту осуществления. Кроме того, отдельные характеристики различных вариантов осуществления, могут быть объединены между собой, чтобы обеспечить другие варианты осуществления. В иллюстративных целях и для ясности на чертежах нет строгого соблюдения масштабов и пропорций.
Фигуры 1 и 2 схематично представляют в разрезе торсиометр 10 по первому и второму вариантам осуществления изобретения. Торсиометр 10 содержит корпус 12, в котором во время движения может перемещаться подвижный элемент 14. Перемещение подвижного элемента 14 во время его движения осуществляется в соответствии продольным направлением, в данном случае - параллельно оси 16 подвижного элемента. На видах по фигурам с 1 до 4 подвижный элемент 14 смещается также сверху вниз или снизу вверх. Торсиометр 10 используется, предпочтительно, для измерения момента вращения вращающегося вала в турбинном двигателе воздушного судна.
Подвижный элемент 14 посредством подшипника 19 соединен с шестерней 18, оснащенной одним или более винтовыми зубьями. Момент вращения, приложенный к шестерне 18, передает вращения на подвижный элемент 14, вызывая тем самым его перемещение. Таким образом, поступательное перемещение подвижного элемента 14 есть мера предназначенного для измерения момента вращения. Шестерня 18 соединена с корпусом 12 посредством подшипника 20, при этом подшипник 19 и подшипник 20 обеспечивают перемещение подвижного элемента 14 и шестерни 18 в продольном направлении, а также вращение вокруг оси 16 подвижного элемента 14.
Торсиометр содержит опорную поверхность 22, соединенную с корпусом 12 посредством по меньшей мере одного из его концов и продолжающуюся в плоскости, по существу перпендикулярной продольному направлению. Например, опорная поверхность 22 может быть удлиненной платой, длина которых превышает другие размеры (и, следовательно, уподобляется балке), оба конца которой соединены с корпусом. Опорная поверхность 22 может быть также мембраной, в том числе круговой, у которой все точки ее периферии рассматриваются как концы и соединены с корпусом 12.
Опорная поверхность 22 находится в контакте с одним концом подвижного элемента 14, то есть, с контактным концом 24. Таким образом, перемещение подвижного элемента 14 вызывает деформацию опорной поверхности 22. В частности, поскольку опорная поверхность 22 соединена одним из своих концов с корпусом 12 и продолжается по существу перпендикулярно продольному направлению, то деформации опорной поверхности 22 проявляется, в том числе, посредством перемещения опорной поверхности 22 и расширения или сжатия этой опорной поверхности 22. Деформация проявляется в виде изгиба опорной поверхности 22, при этом концы опорной поверхности 22 остаются неподвижными относительно корпуса 12, а часть опорной поверхности 22, находящаяся в контакте с контактным концом 24, подвергается воздействию силы, оказываемой подвижным элементом 14 вследствие его перемещение, эта сила по существу перпендикулярна плоскости, в которой продолжается опорная поверхность 22.
Для того чтобы измерить эту деформацию опорной поверхности 22, а также для того, чтобы определить подлежащий измерению момент вращения, торсиометр 10 содержит средства измерений деформации опорной поверхности 22.
,
Согласно показанному на фигуре 1 первому варианту осуществления средства измерения деформации опорной поверхности 22 включают в себя датчик 26 приближения, иначе называемый проксиметром, для измерения расстояния между ним и опорной поверхностью 22. В зависимости от подлежащего измерению момента вращения это расстояние изменяется из-за смещения опорной поверхности 22 в продольном направлении. Сравнение расстояния, измеренного проксиметром при приложении момента вращения с измеренным расстоянием, когда никакого момента вращения не приложено, позволяет определить перемещение опорной поверхности 22. Кроме того, торсиометр 10 может включать в себя также крепление 28 для того чтобы прочно соединять подвижный элемент 14 к опорной поверхности 22. В этом случае датчик 26 приближения может измерить расстояние между ним и креплением 28, а не опорной поверхностью 22, что не изменяет измерения момента вращения, основанного на разности расстояний, измеренных с моментом вращения и без него.
Датчик 26 приближения, предпочтительно, является датчиком приближения индуктивного типа, поскольку датчик этого типа, является менее подверженным помехам, обусловленным средой между опорной поверхностью 22 и датчиком приближения 26,. В частности, в случае использования торсиометр 10 в турбинном двигателе таковой средой могут являться горячие газы и масло. Индуктивный датчик приближения измеряет расстояние между самим собой и металлическим элементом, при этом, соответственно, должна быть металлической либо опорная поверхность 22 или часть опорной поверхности 22, на которую ориентирован этот датчик приближения 26, либо - если торсиометр 10 включает в себя крепление 28 опорной поверхности 22 к подвижному элементу 14 - металлическим может быть это крепление 28, и тогда датчик приближения 26 ориентирован в сторону крепления 28.
На практике, например, для торсиометра, используемого в турбинном двигателе, расстояние между датчиком приближения 26 и опорной поверхностью 22 (или креплением 28) составляет менее 10 мм. Разница в смещении опорной поверхности 22 между минимальным подлежащим измерению моментом вращения и максимальным подлежащим измерению моментом вращения составляет порядка 0,3 мм. Используемые в настоящее время датчики приближения могут осуществлять измерения на интервале в 1 мм с чувствительностью порядка 0,1 мкм.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, представленном на фигуре 2, средства измерения деформации опорной поверхности 22 включают в себя, по крайней мере, один датчик, 30 деформации, здесь, например, два, - для измерения деформации опорной поверхности 22, а именно, - деформации, обусловленной расширением или сжатием опорной поверхности 22, вызванного перемещением подвижного элемента 14.
Датчик деформации, иначе называемый тензометрическим датчиком, как правило, состоит из проводящего элемента, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от деформации этого элемента. Сам элемент образован длинной свернутой электрической лентой, образующей решетку или рулон. Изменение электрического сопротивления проводящего элемента является мерой деформации датчика деформации.
Датчик 26 приближения первого варианта осуществления и датчики 30 деформации второго варианта осуществления могут использоваться по отдельности или в комбинации один с другим, чтобы позволить, например, коррелировать результаты измерений деформации и тем самым - улучшать измерения момента вращения.
Измерение деформации опорной поверхности 22 чувствительно к изменениям температуры торсиометр 10. В частности, опорная поверхность 22 и корпус 12 подвержены деформации в случае изменения температуры, и эта деформация, также добавляется к деформациям, которым подвержен подвижный элемент 14. Кроме того, изменения температуры также могут изменять измерения, полученные средствами измерения деформации. Для того чтобы уменьшить эти проблемы, возможны несколько вариантов. Эти варианты, в частности, могут быть объединены.
Один вариант, например, который применим ко всем вариантам осуществления, состоит в том, чтобы ввести в торсиометр 10 возможность измерения температуры. Таким образом температура становится известной, и имеющие место деформации могут быть скорректированы в зависимости от измеренной температуры.
Что касается второго варианта осуществления, представленного на фигуре 2, то для того, чтобы уменьшить влияние изменений температуры на датчики 30 деформации, их соединяют таким образом, чтобы они образовали мостик Уитстона (не показан).
Фигуры 3а, 3b, и 3c схематично в разрезе представляют часть торсиометра 10 в соответствии с вариантом осуществления, измеряющего момент вращения C в зависимости от нескольких значений температуры. Здесь торсиометр 10 воспроизводит элементы первого варианта осуществления.
Фигур 3a представляет торсиометр 10, измеряющий момент вращения C при температуре 0°C. Подвижный элемент 14 воздействует на опорную поверхность 22 силой, приводящей к деформации этой опорной поверхности 22. Датчик приближения 26 измеряет эту деформацию посредством определения расстояния, показанного двойной стрелкой 32, между ним и опорной поверхностью или - здесь - между ним и креплением.
Фигура 3b представляет торсиометр 10, измеряющий тот же самый момент вращения C и подверженный воздействию температуры 150°C. Корпус 12, используемый в этом торсиометре, не чувствителен к изменениям температур, - например, расстояние, показанное двойной стрелкой 34, не изменилось по сравнению с торсиометром 10 на фигуре 3а. Материал, не подвергающийся деформации при изменениях температуры, является, например, инваром, сплавом железа и никеля (обычно, 64% железа и 36% никеля). Опорная поверхность 22 чувствительна к изменениям температур, при этом опорная поверхность 22 деформируется иначе, чем в торсиометре 10, показанном на фигуре 3а, предназначенном для температуры 0°C. Различие в деформации обусловлено, в частности, изменением жесткости опорной поверхности 22 в зависимости от температуры. В данном случае расстояние между датчиком приближения 26 и опорной поверхностью 22 (или креплением 28) для одного и того же момента вращения C уменьшено. Таким образом, измерение момента вращения должно учитывать изменение жесткости опорной поверхности 22, например, посредством измерения температуры, чтобы компенсировать это изменение.
Можно также использовать корпус 12, чувствительный к изменениям температуры, как это показано на фигуре 3b. При этом корпусу 12 приданы такие размеры, чтобы с изменением измеряемой температуры для определенного момента вращения расстояние, измеренное датчиком приближения 26, оставалось одним и тем же при любой температуре: расширение корпуса 12 в случае повышении температуры увеличивает расстояние между датчиком приближения 26 и опорной поверхностью 22 (или креплением) таким образом, чтобы компенсировать разницу, вызванную деформацией опорной поверхности 22 при увеличении температуры. Как видно из фигуры 3b, показанное двойной стрелкой 36 расстояние, - такое же, что и расстояние 32 на фигуре 3а для одного и того же измеренного торсиометром момента вращения C, - это для того, чтобы уменьшить погрешность измерения в любого другого момента вращения, отличного от С.
Фигура 4 схематично представляет в разрезе третий вариант осуществления торсиометра 10, в котором торсиометр 10 содержит опору 38, соединяющую опорную поверхность 22 с корпусом 12. В частности, опорная поверхность 22 соединена с опорой 38 с помощью средств 40a, 40b крепления, а сама опора 38 соединена с корпусом 12 с помощью средств 42a, 42b крепления. Датчик приближения 26 расположен на этой опоре 38. На фигуре представлена только нижняя часть торсиометра 10.
Чтобы уменьшить чувствительность торсиометра к изменениям температуры, опора 38 выполнена из материала, не деформирующегося при изменении температуры, например, из инвара, а опорная поверхность 22 выполнена из материала, имеющего модуль Юнга, мало изменяющийся при изменении температуры, например, из елинвара, - сплава стали и никеля (как правило, 36% никеля, 12% хрома). Таким образом, вызванные перемещением подвижного элемента 14 деформации опорной поверхности 22, измеренные с помощью средств измерения деформации, когда температура, которая воздействует на торсиометр 10, изменяется, являются постоянными.