ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДКМ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к узлам измерительных приборов. В технике и промышленном производстве часто возникает необходимость измерения с той или иной точностью величины крутящего момента, передаваемого через вращающиеся валы, приводящие в действие какие-либо механизмы и величины оборотов вала. Данная полезная модель - датчик крутящего момента позволяет производить измерение крутящего момента, передаваемого через карданный (или другой) вал, и оборотов вала без каких-либо линий электропитания и механических связей с неподвижными элементами механизма.
Известные из используемых устройств измерения крутящего момента на валу используют принцип измерения механической деформации внешнего слоя вала при передаче через данный вал крутящего момента. Для этого на поверхность вала устанавливаются тензометрические датчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал, пропорциональный деформации поверхности, на которой они установлены. Для этого вал нужно демонтировать с механизма, на котором он установлен. Процедура установки и калибровки датчиков достаточно трудоемкая.
Кроме этого, если вал при передаче крутящего момента вращается, возникает сложность в осуществлении подачи электропитания на тензометрические датчики и снятия электрического сигнала с них.
В лабораторных условиях на вал ставятся контактные кольца и с их помощью через упругие токосъемники, скользящие по кольцам, подается электропитание и снимается электрический сигнал.
Если же вал работает в сложных условиях, таких как влажность, запыленность, загазованность, перепады температур и т.п., то надежность такого электрического соединения резко снижается. Поэтому получил распространение вариант электропитания и съема данных посредством индуктивной связи между тензодатчиками, на вращающемся валу, и устройством обработки и визуальной индикации.
В некоторых случаях между валом и механизмом, который он приводит, вводится дополнительное устройство.
Известно устройство для измерения крутящего момента (патент №83615 RU), имеющее ведущий и ведомый валы, установленные в подшипниках, на ведомом валу расположена пружина, разделенная муфтой. Отличается тем, что ведущий вал, снабженный с одной стороны фланцем, а с другой крышкой, выполнен пустотелым с внутренними шлицами и имеет возможность взаимодействия с муфтой, выполненной с наружными шлицами и внутренними винтовыми шлицами, которая, в свою очередь, имеет возможность взаимодействия с ведомым валом, также снабженным фланцем и имеющим наружные винтовые шлицы, причем на муфте установлен диск с кольцом, который имеет возможность перемещения в пазу ведущего вала. Между фланцами установлена линейка.
Известен измеритель крутящего момента (патент №2326357 RU), который включает в себя эластичный элемент, помещенный в канал передачи мощности и деформируемый под действием измеряемого крутящего момента, и средство для регистрации крутящего момента по деформации эластичного элемента. Эластичный элемент содержит первую фиксируемую часть (входную часть), закрепленную на основании вращающего привода, вторую фиксируемую часть (выходную часть), закрепленную на фиксированной части вращающего привода, и деформируемую часть, расположенную между первой фиксируемой частью и второй фиксируемой частью. Деформируемая часть снабжена восемью прорезанными частями, и соединения прорезанных частей поочередно состоят из элемента крутящего момента для восприятия крутящего момента, приложенного к эластичному элементу, и нагрузочного элемента, имеющегося независимо от элемента крутящего момента, для поддержки нагрузки эластичного элемента.
Наиболее близким аналогом является устройство, которое производится пермским предприятием В-1336. В таком устройстве в закрытом герметичном корпусе установлен вал с тензодатчиками и токосъемниками контактного или индуктивного типа. Корпус такого устройства жестко крепится к элементам рамы механизма.
Также известны датчики крутящего момента с автономным питанием, осуществляемым индуктивно (ресурс ).
Все перечисленные способы и устройства требуют дополнительных доработок с монтажом элементов крепления данного устройства к раме и подводом линий электропитания. Все это - достаточно трудоемкие процессы. Если учесть, что подобные измерительные устройства требуют периодических калибровок и поверок, то трудоемкость значительно возрастает. Кроме этого, недостатком каждого из перечисленных вариантов, является низкая надежность при высоком уровне вибрационных нагрузок.
Целью полезной модели является повышение функциональности датчика крутящего момента и уменьшение стоимости узла измерителя крутящего момента.
Цель достигается за счет конструкции датчика крутящего момента (ДКМ), состоящего из двух частей:
1) корпус с размещенными на нем тензометрическими преобразователями неэлектрических величин и электронной платой для обработки и передачи сигнала;
2) встроенный в корпус электрогенератор с эксцентриковым противовесом;
ДКМ устанавливается в разрыв между валами, вращается вместе с ними, передавая через себя крутящий момент.
Особенность используемого генератора в том, что при работе вместе с корпусом ДКМ вращается жестко связанный с ним статор, а ротор остается неподвижным, благодаря эксцентриковому противовесу, механически связанному с валом ротора. Центр тяжести противовеса смещен относительно оси вращения. За счет силы тяжести, противовес стремится сохранить свой центр тяжести в нижнем положении, препятствуя вращению ротора генератора. В результате, при вращении корпуса ДКМ вместе с валом, относительно неподвижного ротора вращается и жестко связанный с ним статор генератора. При этом вырабатывается электроэнергия для питания данного устройства (ДКМ).
Электропитание измерительных элементов и электронной платы, осуществляется от электрогенератора, встроенного внутри вращающегося корпуса, а в случае неподвижного вала - от внутреннего аккумулятора или батареи.
Измерение величины передаваемого через вал крутящего момента происходит следующим образом:
- при передаче крутящего момента корпус ДКМ скручивается на угол, пропорциональный передаваемому крутящему моменту, что приводит к относительному перемещению точек на поверхности корпуса устройства;
- тензометрические преобразователи неэлектрических величин, приклеенные к корпусу ДКМ, преобразуют это перемещение в пропорциональный электрический сигнал, далее электрический сигнал обрабатывается встроенным контроллером, вычисляется величина передаваемого крутящего момента в соответствии с калибровочными данными, занесенными в электронную память ДКМ. Величина крутящего момента, передаваемого через корпус ДКМ и вычисленного внутренним контроллером, беспроводными способами связи передается на устройство для визуализации и регистрации.
Техническим результатом, достигаемым посредством данной полезной модели - ДКМ, является измерение и передача данных о величине крутящего момента и оборотов вала по беспроводному каналу связи в устройство регистрации и индикации, без каких-либо электрических или механических связей с неподвижными элементами механизма, за счет использования электропитания, вырабатываемого внутри самого устройства при его вращении.
Дополнительным преимуществом данной полезной модели - ДКМ по сравнению с аналогами, являются небольшие габариты устройства и отсутствие элементов крепления к неподвижным элементам механизма. Дополнительно встроенные в корпус к генератору аккумулятор или электробатареи обеспечивают работу ДКМ в случае отсутствия вращения вала. Данные по измеренным величинам по радиоканалу передаются на устройство индикации.
Осуществление полезной модели
Датчик крутящего момента представляет собой полый вал, на торцах которого выполнены фланцы. Внутри вала установлен эксцентриковый противовес, представляющий собой ось, установленную на оси вращения полого вала и соединенную с ним посредством подшипника, и жестко связанный с ней противовес, центр тяжести которого смещен от оси. Указанные узлы выполнены из стали марки Ст10.
Внутри полого вала также размещены тензометрический датчик, устройство передачи данных по беспроводному каналу, например, по радиоканалу, включающее, например микроконтроллер (плату управления), принимающий данные от преобразователя неэлектрических величин, формирующий информационный сигнал, радиопередатчик, антенну. Также внутри полого вала размещен электрогенератор, статором которого является ось с закрепленным на ней противовесом, и аккумуляторная батарея.