Устройство измерения крутящего момента электропривода

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля, измерения и регистрации крутящего момента на выходном валу электропривода, например, электропривода трубопроводной арматуры.
Из патента US5931044 (опубл. 03.08.1999) известно устройство измерения крутящего момента на выходном валу электропривода. В качестве нагрузочного элемента, создающего тормозной момент на электроприводе, использована трубопроводная арматура. Устройство содержит соединительный вал, который передает крутящий момент с выходного вала привода на рабочий орган арматуры. Соединительный вал (122) включает в себя входную часть квадратного сечения, первый цилиндрический участок, дисковый участок с различными радиусами, снабженный кулачком, второй цилиндрический участок  (156) и выходной выступ. На первом цилиндрическом участке соединительного вала жестко установлены  тензодатчики. Каждый из тензодатчиков имеет пару выходных проводов, которые направлены от тензодатчиков к монтажной плате. Поворот вала приводит к деформации тензодатчиков и генерированию ими отклонения напряжения. Сигнал тензодатчиков характеризует величину крутящего момента при открытии или закрытии арматуры (клапана). Положение рабочего органа арматуры определяют по изменению магнитной индукции в зазоре между  кулачком дискового участка и установленной на корпусе магнитной пружиной.
Недостатком устройства измерения крутящего момента является то, что тензодатчики закреплены на крутящемся соединительном валу. Ввиду проводного соединения тензодатчиков со стационарной монтажной схемой, соединительный вал может поворачиваться в пределах не более четверти оборота, т.е. устройство может работать только в неполноповоротных приводах, что ограничивает его функциональные возможности.
Кроме того, выполнение соединительного вала со множеством ступеней различной конфигурации и сечения усложняет конструкцию устройства и требует высокой точности изготовления, что при несоблюдении повышает вероятность нежелательного увеличения погрешности измерения устройства.
Из патента US4787245 (опубл. 29.11.1988) известно устройство для контроля, измерения и регистрации вращательных сил и крутящего момента в электроприводе. В качестве нагрузочного элемента, создающего тормозной момент на электроприводе, использована трубопроводная арматура. Устройство содержит подвижный рычаг (35), выполненный с возможностью вращательного движения вокруг оси (40), неподвижный рычаг (18), и силоизмерительное устройство (32), зафиксированное на неподвижном рычаге и выполненное с возможностью преобразования силы воздействия на него подвижного рычага в электрический сигнал.
Подвижный рычаг соединен с возможностью вращения с червячной передачей внутри привода, неподвижный рычаг установлен неподвижно на корпусе привода. Выходной вал (41) привода снабжен по периферии зубьями (42, 47), которые образуют зубчатое колесо червячной передачи. Подвижный рычаг (35) и неподвижный рычаг (18) установлены на выходном валу (41) привода. Выходной вал привода передает вращение на рабочий орган (46) нагрузочного элемента (трубопроводной арматуры).
Основным недостатком известного устройства является то, что оно встроено в конкретный привод и служит для измерения крутящего момента внутри этого электропривода, а именно, между червячным колесом и корпусом привода. Ввиду вышеуказанного, исключена возможность использования устройства измерения крутящего момента в любом другом электроприводе.
В известном приводе устройство измерения крутящего момента конструктивно и функционально связано с червячной передачей. Однако червячная передача имеет свой КПД, поэтому полученные значения крутящего момента некорректны, т.к. имеют погрешность, связанную с величиной указанного КПД. Наряду с этим, изменение КПД червячной передачи в ходе ее эксплуатации дополнительно снизит точность измерения. Кроме того, использование червячной передачи и множества переходных деталей в качестве передающего крутящий момент звена усложняет конструкцию устройства измерения.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в расширении области применения устройства измерения крутящего момента за счет его отдельной от привода конструкции.
Технический результат достигается тем, что устройство измерения крутящего момента электропривода, как и ближайший аналог, содержит подвижный рычаг, выполненный с возможностью вращательного движения вокруг оси, неподвижный рычаг, и силоизмерительное устройство, зафиксированное на неподвижном рычаге и выполненное с возможностью преобразования силы воздействия на него подвижного рычага в электрический сигнал.
В отличие от ближайшего аналога, устройство содержит соединительный вал для передачи вращения выходного вала привода на рабочий орган нагрузочного элемента, подвижный и неподвижный рычаги установлены на указанном соединительном валу.
Кроме того, соединительный вал со стороны  привода имеет возможность жесткого соединения с выходным валом привода, с возможностью замены одного привода на другой, а со стороны нагрузочного элемента – с рабочим органом нагрузочного элемента, соответствующего конкретному сменному приводу.
Кроме того, подвижный рычаг выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом привода.
Кроме того, неподвижный рычаг выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом нагрузочного элемента.
Кроме того, силоизмерительное устройство зафиксировано на определенном расстоянии от оси соединительного вала.
Кроме того, силоизмерительное устройство соединено информационной линией связи с интеллектуальным блоком.
Кроме того, соединительный вал кинематически связан с датчиком положения для определения положения рабочего органа нагрузочного элемента.
При этом, датчик положения соединен информационной линией связи с интеллектуальным блоком.
Сущность полезной модели поясняют чертежи устройства измерения крутящего момента электропривода в конкретном применении. На фиг.1 показан вид устройства в продольном разрезе,  на фиг.2 – вид сверху устройства.
Устройство измерения крутящего момента электропривода на фиг.1 содержит соединительный вал 1 для передачи вращения выходного вала 2 привода на рабочий орган 3 нагрузочного элемента. На соединительном валу 1 установлены подвижный рычаг 4 со стороны привода и неподвижный рычаг 5 со стороны нагрузочного элемента. Соединительный вал 1 со стороны  привода имеет возможность жесткого соединения с выходным валом 2 привода, с возможностью замены одного испытуемого привода на другой, а со стороны нагрузочного элемента – с рабочим органом 3 нагрузочного элемента, соответствующего конкретному сменному приводу. В качестве нагрузочного элемента, создающего тормозной момент на испытуемом электроприводе, могут быть использованы: трубопроводная арматура, электропривод, тормоз и т.д. Рабочий орган 3 трубопроводной арматуры  может быть различной геометрической формы. На фиг.1 в качестве примера изображен рабочий орган шарового крана. Рабочим органом 3 нагрузочного электропривода является его выходной вал (выполнен аналогично выходному валу 2 испытуемого электропривода). Жесткое соединение соединительного вала 1 с выходным валом 2 привода и с рабочим органом 3 нагрузочного элемента может быть осуществлено при помощи известных из уровня техники неподвижных разъемных соединений, например, по ГОСТ 34287-2017. Электропривод  и нагрузочный элемент не входят в состав заявляемого устройства.
Подвижный рычаг 4 посажен на соединительный вал 1 на подшипнике 6 с возможностью вращательного движения вокруг оси соединительного вала 1. В рабочем положении устройства подвижный рычаг 4 жестко соединен с корпусом 7 привода. Обычно корпус привода 7 трубопроводной арматуры выполнен с возможностью  проворота при начале вращения выходного вала 2 (в противоположную сторону от направления вращения выходного вала 2).
Неподвижный рычаг 5 посажен на подшипнике 9 на соединительный вал 1 с возможностью вращения соединительного вала 1 относительно неподвижного рычага 5. В рабочем положении устройства неподвижный рычаг 5 жестко соединен с неподвижным корпусом 8 нагрузочного элемента. Неподвижность корпуса 8 нагрузочного элемента обеспечена жестким закреплением указанного корпуса 8 со стационарной рамой или, в случае трубопроводной арматуры, со стационарным трубопроводом.
Подвижный рычаг 4 и неподвижный рычаг 5 установлены между собой с зазором.  Жесткое соединение подвижного рычага 4 с корпусом 7 привода и неподвижного рычага 5 с корпусом 8 нагрузочного элемента может быть осуществлено при помощи крепежных элементов, как показано на фиг.1.
Силоизмерительное устройство 10 зафиксировано на неподвижном рычаге 5 с возможностью воздействия на указанное силоизмерительное устройство 10 подвижного рычага 4. При этом силоизмерительное устройство 10 выполнено на основе тензорезисторных датчиков, зафиксированных на неподвижном рычаге 5 с обеих сторон  подвижного рычага  4 (см. фиг.2), для обеспечения воздействия подвижного рычага 4 при повороте по часовой стрелке и против часовой стрелки. Силоизмерительное устройство 10 зафиксировано на определенном радиальном расстоянии от оси соединительного вала 1, принятом за плечо рычага.
Для корреляции измеренного крутящего момента с положением рабочего органа 3 нагрузочного элемента заявляемое устройство может быть оснащено датчиком положения 11. В качестве датчика положения 11 может быть использовано любое известное устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вала в электрические сигналы. Датчик положения 11 на фиг.1 кинематически связан с соединительным валом 1. Кинематическая связь датчика положения 11 с соединительным валом 1 может быть осуществлена посредством зубчатой передачи 12.
Силоизмерительное устройство 10 и датчик положения 11 связаны информационными линиями связи с интеллектуальным блоком (на фигуре не показан).
Соединительный вал 1 и выходной вал 2 привода и на фиг. 1 показаны полыми. Указанные валы 1 и 2 могут быть сплошными.
Работа устройства измерения крутящего момента на фиг. 1 осуществляется следующим образом.
Перед началом работы устройство устанавливают между приводом и нагрузочным элементом. Для этого неподвижно соединяют соединительный вал 1 со стороны редуктора привода с выходным валом 2 привода, а со стороны нагрузочного элемента – с рабочим органом 3 нагрузочного элемента; неподвижно соединяют рычаги 4 и 5 с корпусами 7 и 8 соответственно.
При сообщении вращательного движения выходному валу 2 привода соединительный вал 1 поворачивает рабочий орган 3 нагрузочного элемента. При этом соединительный вал 1 поворачивается в подшипнике 9 относительно неподвижного  рычага 5. Одновременно с началом вращения выходного вала 2 поворачивается подвижный рычаг 4, за счет жесткого соединения подвижного рычага 4 с поворачивающимся корпусом 7 привода. Подвижный рычаг 4 упирается в неподвижный силоизмерительный датчик 10. При этом подвижный рычаг 5 давит на силоизмерительный датчик 10, который  отправляет на интеллектуальный блок сигнал напряжения, характеризующий силу давления подвижного рычага 5  на силоизмерительный датчик 10. Интеллектуальный блок программными средствами вычисляет значения крутящего момента согласно известной зависимости между указанными физическими величинами, и с учетом известного плеча рычага.
В случае оснащения устройства датчиком положения, одновременно с измерением крутящего момента датчик положения 11 отправляет на интеллектуальный блок сигнал, характеризующий положение рабочего органа 3 нагрузочного элемента. За счет кинематической связи с соединительным валом 1, жестко соединенным с рабочим органом 3 нагрузочного элемента, датчик положения 11 с необходимой точностью определяет угловое положение рабочего органа 3 нагрузочного элемента. В результате получают значения крутящих моментов на выходном валу 2 привода при конкретных положениях рабочего органа 3 нагрузочного элемента, например, при страгивании, выходе из зоны уплотнения, среднем ходе, входе в зону уплотнения и окончательной работе трубопроводной арматуры.
Предложенное устройство измерения крутящего момента имеет отдельную конструкцию, которая не входит в состав конструкции электропривода. Это позволяет подсоединять устройство  со стороны привода к различным сменным приводам, а со стороны нагрузочного элемента – к различным нагрузочным элементам, соответствующим конкретному сменному приводу и целям испытаний. Так, при использовании в качестве нагрузочного элемента трубопроводной арматуры, обеспечивается измерение крутящего момента различных многооборотных  и неполноповоротных приводов, с различными соответствующими типами трубопроводной арматуры, например, задвижками, кранами, затворами и т.д. Использование в качестве нагрузочного элемента электропривода позволяет измерять крутящий момент при воздействии активной динамической нагрузки, в том числе действующей во встречном направлении. Это в итоге значительно расширяет  область применения устройства измерения крутящего момента и его функциональные возможности. При этом конструкция указанного устройства проста в изготовлении и обеспечивает высокую точность измерения.