УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения крутящих моментов вращающихся валов.
Для нормальной работы многих механизмов имеющих вращающиеся валы, необходимы устройства, для измерения крутящих моментов на этих валах. Например, устройства измерения крутящих моментов, устройства создания заданных усилий, предохранительные устройства от превышения крутящего момента и т.п. Например, такие предохранительные устройства применяются в электроприводах запорной арматуры трубопроводов, для настройки и ограничения крутящих моментов на открытие и закрытие запорного органа с целью предотвращения поломки самой запорной арматуры.
Известно устройство для измерения крутящего момента между двумя соосными валами (патент РФ №2166185, МПК G 01 L 3/10, опубл. 2001.04.27), содержащее кольцо, закрепленное на валу и выполненное с пазом для установки шпонки другого вала. Прилегающие к шпонке части кольца предназначены для измерения и содержат упругие гибкие части, к которым прикреплены датчики напряжения.
Недостатком данного устройства является недостаточный диапазон измерения величины крутящего момента.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для бесконтактного измерения угла поворота вала (патент РФ №2199086, G 01 B 7/00, G  01 L 3/10, B 62 D 15/00, опубл. 2003.02.20), содержащее контролируемый вал относительно другого вала, торсионный вал, электропроводящий экран с перфорированными косыми окнами и корпус, установленный концентрично контролируемому
валу, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, включенными в мостовую измерительную цепь переменного тока, в котором электропроводящий экран установлен на ползушке, выполненной в форме кольца и размещенной на рычаге, который неподвижно установлен на контролируемом валу, с возможностью ее перемещения в горизонтальной плоскости относительно контролируемого вала при его повороте посредством другого вала через торсион. Рычаг может быть снабжен пазами с шариками, контактирующими своими поверхностями с косыми вырезами опоры, закрепленной на контролируемом валу.
Недостатком данного устройства является небольшой диапазон измерения величины крутящего момента и сложность конструкции.
Это обусловлено тем, что при большом диапазоне крутящих моментов торсионный вал должен иметь большие углы закручивания в обе стороны, поэтому этот вал должен иметь большую длину и податливость. При малых величинах крутящих моментов торсионный вал закручивается на очень малые углы, которые из-за зазоров в сопряжениях практически не обеспечивают перемещение ползушки, а, следовательно, и измерение момента.
При больших крутящих моментах ползушка должна переместится на значительную величину и для измерения момента потребуется разнести катушки индуктивности на большую величину для исключения взаимовлияния.
Задачей полезной модели является создание устройства измерения крутящего момента с большим диапазоном измерения и с простой конструкцией.
Для решения поставленной задачи устройство измерения крутящего момента в первом варианте, содержит корпус с расположенным в нем валом.
Новым в первом варианте является то, что оно содержит неподвижно установленную на валу втулку, на наружной боковой поверхности которой выполнена лыска, смонтированную на втулке с возможностью поворота обойму, с выполненными в ней напротив лыски радиальными пазами, расположенными с угловым смещением друг относительно друга, измерительный датчик и устройство воздействия на измерительный датчик, при этом на боковых поверхностях обоймы по обе стороны от лыски выполнены выемки.
Устройство воздействия на измерительный датчик может включать тела качения, размещенные в радиальных пазах обоймы, и упругие кольца, установленные на обойме над телами качения.
Устройство измерения крутящего момента во втором варианте содержит корпус с расположенным в нем валом.
Новым во втором варианте является то, что оно содержит неподвижно установленную на валу втулку, на наружной боковой поверхности которой выполнены лыски, смещенные друг относительно друга в угловом направлении, смонтированную на втулке с возможностью поворота обойму, с выполненным в ней напротив лысок радиальным пазом, расположенным симметрично относительно лысок, измерительный датчик и устройство воздействия на измерительный датчик, при этом на боковых поверхностях обоймы по обе стороны от лысок выполнены выемки.
Устройство воздействия на измерительный датчик включает тела качения, размещенные в радиальном пазу обоймы, и упругие кольца, установленные на обойме над телами качения.
Устройство по второму варианту может дополнительно содержать механизм регулировки положения датчика, который включает шток,
выполненный с возможностью передвижения, и пружину.
Объединение двух технических решений, относящихся к вариантам предлагаемого устройства, связано с тем, что они решают одну и ту же задачу - создание устройства измерения крутящего момента с большим диапазоном измерения и с достаточно простой конструкцией принципиально одним и тем же путем. При вращении вала тело качения, расположенное первым со стороны направления вращения, воздействует на упругое кольцо, деформируя его в радиальном направлении на величину h. Величина деформации h зависит от величины крутящего момента. Измеряя эту величину, получают реальную картину величины крутящего момента.
На фиг.1 представлен первый вариант устройства (продольный разрез), на фиг.2 - устройство воздействия на измерительный датчик (вид сверху), на фиг.3 - первый вариант устройства (поперечный разрез).
На фиг.4 представлен второй вариант устройства (продольный разрез), на фиг.5 - второй вариант устройства (поперечный разрез) и устройство воздействия на измерительный датчик (вид сверху), фиг.6 - второй вариант устройства (поперечный разрез).
Устройство по первому варианту содержит: ведущий вал 1 (фиг.1), установленный с возможностью вращения в корпусе 2, неподвижно смонтированную (например, с помощью шпонки 3) на ведущем валу 1, втулку 4, которая имеет на наружной боковой поверхности лыску 5 (фиг.3). На втулке 4 (фиг.1) смонтирована с возможностью поворота обойма 6, в которой выполнены радиальные пазы 7 (фиг.3), расположенные напротив лыски 5 с угловым смещением друг относительно друга (фиг.3). На боковых поверхностях обоймы 6 по обе стороны от лыски 5 имеются выемки 8 (фиг.3). Устройство содержит также устройство воздействия на измерительный датчик, включающее тела качения 9, размещенные в радиальных
пазах 7 (фиг.3), например, ролики, и упругие кольца 10 (фиг.1), установленные на наружной поверхности обоймы 6 и расположенные над телами качения 9. Для исключения взаимного влияния, между телами качения 9, упругими кольцами 10 установлено дистанционное кольцо 11, и все эти детали зафиксированы стопорным кольцом 12. Обойма 6 является ведомым звеном и может быть соединена с рабочим механизмом любым способом, например, через вал 13 и шпонку. Устройство по первому варианту содержит измерительный датчик 14 (локатор ближнего действия) (фиг.1), реагирующий на приближение упругого кольца 10 и соединенный с измерительной системой.
Устройство по второму варианту (фиг.4) содержит ведущий вал 1, установленный с возможностью вращения в корпусе 2, неподвижно смонтированную (например, с помощью шпонки 3) на ведущем валу 1, втулку 4, которая имеет на наружной боковой поверхности две лыски 5 (фиг.5, 6), смещенные друг относительно друга в угловом направлении. На втулке 4 (фиг.4) смонтирована с возможностью поворота обойма 6, при этом, в обойме 6 выполнен радиальный паз 7 (фиг.5, 6), расположенный напротив лысок 5 и симметрично им. На боковых поверхностях обоймы 6 по обе стороны от лысок 5 имеются выемки 8 (фиг.5). Устройство воздействия на измерительный датчик включает тела качения 9, размещенные в радиальном пазу 7 обоймы 6, и упругие кольца 10, установленные на обойме 6 и расположенные над телами качения 9. Для исключения взаимного влияния, между телами качения 9, упругими кольцами 10 установлено дистанционное кольцо 11, и все эти детали зафиксированы стопорным кольцом 12. Обойма 6 является ведомым звеном и может быть соединена с рабочим механизмом любым способом, например, через вал 13 и шпонку.
Устройство измерения крутящего момента по второму варианту может
содержать механизм регулировки положения измерительного датчика 14, выполненный, например, в виде подвижных штоков 15, постоянно удерживаемых в крайнем положении пружинами 16. Концы штоков 15 могут воздействовать на чувствительный элемент датчиков 14, которые соединены с измерительной системой. Датчики 14, например, могут быть выполнены в виде концевых выключателей, которые установлены на подвижных в радиальном направлении каретках 17, фиксируемых стопорными винтами 18.
Устройство работает следующим образом. При вращении вала 1 он передает крутящий момент на вал 13 рабочего механизма через шпонку 3, на втулку 4, далее через лыску 5 на одно из тел качения 9, расположенное первым со стороны направления вращения и через радиальный паз 7 и упругие кольца 10 на обойму 6. При вращении в одну сторону, втулка 4 начинает проворачиваться относительно обоймы 6 и под действием поверхности лыски 5, тело качения 9, расположенное первым со стороны направления вращения, начинает выдавливаться (перемещаться) по радиальному пазу 7 и, воздействуя на упругое кольцо 10, начинает деформировать его в радиальном направлении на величину h (фиг.3, 5, 6). Величина деформации h зависит от величины крутящего момента. Деформация упругого кольца 10 становится возможной благодаря выемкам 8, создающим свободное пространство между втулкой 4 и обоймой 6 для деформации упругих колец 10. У другого тела качения 9, при таком повороте, возникает зазор относительно лыски 5 и упругого кольца 10, и второе упругое кольцо сохраняет свою первоначальную форму и на датчик не воздействует. При изменении направления вращения начинает деформироваться второе упругое кольцо 10, а первое сохраняет свою первоначальную форму и не воздействует на датчик 14. При деформации упругого кольца 10 оно своей поверхностью
непосредственно воздействует на чувствительный элемент измерительного датчика 14, который передает сигнал на измерительную систему.
Во втором варианте устройства расположение радиального паза 7 таково, что при вращении и возникновении крутящего момента в одну из сторон, тело качения 9, расположенное первым со стороны направления вращения, защемляется между лыской 5 и упругим кольцом 10, деформируя его в радиальном направлении на величину h, а около другого тела качения возникает зазор относительно этих элементов.
При деформации упругого кольца 10, оно своей поверхностью непосредственно воздействует на конец штока 15, который, преодолевая действие пружины 16, воздействует на чувствительный элемент датчика 14, который передает сигнал на измерительную систему. Принятый сигнал может быть преобразован в команду на отключение двигателя машины или преобразован и отображен в виде реальной величины крутящего момента.
Величину крутящего момента, т.е. момент срабатывания измерительного датчика 14 (концевого выключателя) можно регулировать, приближая или удаляя измерительный датчик 14 от подвижного штока 15 с помощью подвижной каретки 17. Таким образом, можно раздельно измерять и настраивать крутящие моменты в прямом и обратном направлении вращения вала.
Таким образом, предлагаемое устройство измерения крутящего момента (его варианты) позволяет расширить диапазон измерения крутящего момента и упростить конструкцию устройства.