Устройство для измерения крутящего момента судовых валопроводов

Полезная модель относится к судовым техническим средствам для измерения крутящего момента, и предназначена для мониторинга величины крутящего момента, создаваемого главными двигателями на судне.
Для контроля фактических параметров работы судовых энергетических установок необходимо регулярно измерять крутящий момент, передаваемый от двигателя потребителю мощности.
Как правило, для этого используются устройства, измеряющие угловое смещение контрольных сечений относительно друг друга под действием приложенной нагрузки.
При этом используются два класса приборов, один из которых представлен измерителями, закладываемыми в конструкцию валопровода уже на этапе проектирования (см., например, Патент на изобретение №2654796 (RU), опубл. 22.05.2018, Бюл. №15; Патент на изобретение №2497087 (RU), опубл. 27.10.2013, Бюл. №30, а также Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. - М.: Энергия, 1967. - 120 с.; стр. 53), а другой - накладными измерительными устройствами, монтируемыми на контролируемых участках валопровода на период проведения измерения (Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. - М.: Энергия, 1967. - 120 с.; стр. 30). Первые обладают необходимой точностью, простотой обслуживания, не требуют подготовительных мероприятий, но не могут быть использованы в конструкциях валопроводов, изначально не предназначенных для их применения. Вторые являются дорогостоящим приборными комплексами, требующими высокой квалификации обслуживающего персонала, и значительных трудозатрат в процессе монтажа и подготовительных мероприятий. По этой причине процедура измерения крутящего момента на практике выполняется нерегулярно, что приводит к повышению вероятности преждевременного выхода из строя судовых валопроводов вследствие недостаточной информированности вахтенных начальников (судоводителей и механиков) о фактической нагрузке.
В настоящее время большая часть эксплуатируемого флота не имеет встроенных приборных комплексов, предназначенных для измерения крутящего момента, что определяет потребность в устройствах, относящихся ко второму классу, представленному несколькими разновидностями измерителей, различающихся по принципу действия.
Известна полезная модель устройства для измерения крутящего момента на валах (авт. свидетельство СССР №339810, авт.: B.C. Гарифов, опубл. 24.5.1972. Бюллетень №17), содержащего упругую муфту, механизм передачи взаимного углового смещения полумуфт в перемещение указательной стрелки, и шкалу, где механизм передачи выполнен в виде коленчатых рычагов, установленных по окружности одной из полумуфт с возможностью поворота вокруг ее радиальной оси, один конец каждого из рычагов расположен между упорами, закрепленными на второй полумуфте, а на другом конце установлена указательная стрелка, выполненная в виде диска, а шкала установлена перпендикулярно плоскости диска.
Приведенная модель обладает рядом недостатков, среди которых:
- невозможность измерения крутящего момента на участке вала, не содержащем упругих компенсирующих муфт;
- высокая погрешность измерения вследствие большого количества пар трения, относительно низкой жесткости механических элементов измерительной части, а также влияния центробежной силы, возникающей при вращении вала.
Данное устройство не может быть применено для постоянного контроля крутящего момента судовых валопроводов, так как податливость муфт не может быть определена с достаточной точностью и зависит как от конструкции муфты, так и от степени ее износа.
вых
кр
кр
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель торсиометра с дифференциальным трансформаторным датчиком (Тейлор Д.А. Основы судовой техники. - М.: Транспорт, 1987. - 314 с.; стр. 261-262.). В ней две корпусные отливки используются для изменения воздушного зазора сердечника в магнитной цепи прибора. Корпусные отливки крепятся на валу и соединены между собой тонкими стальными пластинами. Под действием крутящего момента соединительные пластины деформируются, и корпусные отливки смещаются одна относительно другой. Дифференциальный измеритель состоит из первичных и вторичных обмоток катушек индуктивности, установленных на одной корпусной отливке, и чугунного сердечника, установленного на второй корпусной отливке. К первичным обмоткам катушек подводится напряжение от стабилизированного источника переменного тока, а со вторичных встречно включенных катушек снимается выходной сигнал U. При среднем положении сердечника э. д. с, которые наводятся во встречных катушках, уравновешивают одна другую, т.е. М=0. Размер зазора, т.е. среднее положение сердечника при М=0, регулируется микрометрическим винтом.
кр
кр
вых
кр
При изменении воздушного зазора, т.е. при смещении сердечника из среднего положения под действием М, происходит перераспределение э.д.с. в выходных обмотках пропорционально М и появляется выходной сигнал U. Мощность на валу определяется счетным блоком, к которому подводится М и импульс по частоте вращения вала, а соответствие снятой с прибора мощности и действительной регулируется с помощью настроечного микрометрического винта.
Тонкие стальные пластинки, соединяющие корпусные отливки обеспечивают центровку левой и правой части с обеспечением их подвижности по тангенциальному направлению. Пластинки изначально не напряжены, и в результате появляется возможность взаимных радиальных смещений левой и правой части при вращении вала, то есть появляется вибрация, которая ведет к увеличению погрешности измерения крутящего момента.
Применение электромагнитной измерительной системы усложняет конструкцию прибора вследствие необходимости высокостабилизированного источника напряжения и сложности подвода и съема электрических сигналов с вращающихся частей прибора.
Указанные факторы могут вносить ошибки, в отдельных случаях сравнимые с измеряемой величиной.
Таким образом, существенным недостатком приведенной модели является относительно низкая точность измерения, обусловленная нестабильностью характеристик катушек индуктивности, а также ухудшением соотношения «сигнал - шум» в результате вибрации, неизбежной при вращении вала.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения крутящего момента судовых валопроводов в эксплуатационных условиях путем совмещения функций силовой и измерительной части в узлах подвески корпусных деталей.
Поставленная задача достигается тем, что в известную полезную модель торсиометра, содержащего две корпусных детали, закрепленные на валу в контрольных сечениях, введены четыре узла шарнирной подвески, каждый из которых состоит из серьги, вращающейся на двух осях, обеспечивая взаимное перемещение левой и правой корпусных деталей в пределах угла скручивания контрольных сечений А и Б вала, при этом одна ось запрессована в левую корпусную деталь, а другая запрессована в правую корпусную деталь, причем одна из серьг имеет выступ с резьбовым отверстием, в которое ввернут регулировочный винт, такой же винт ввернут в резьбовое отверстие упора, который установлен на правой корпусной детали, а между ними закреплен упругий преобразователь перемещения, в середину которого упирается шток индикатора часового типа, закрепленный на правой корпусной детали, а также отражатель, закрепленный на оси индикатора часового типа, источник когерентного излучения и линейная шкала, отградуированная в единицах измерения крутящего момента.
Существо заявляемой полезной модели заключается совмещении функций силовой и измерительной части в узлах подвески, вследствие чего выбираются зазоры в сопряжениях и, тем самым, уменьшается влияние вибрации на точность измерения, а также в применении упругого преобразователя перемещения, изменяющего стрелу прогиба при изменении расстояния между точками его закрепления, и тем самым преобразующего малые взаимные перемещения сечений вала в значительные перемещения штока индикатора часового типа.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в повышении виброустойчивости и преобразовании малых угловых перемещений в значительные линейные перемещения, обеспечивающие повышение точности измерения крутящего момента.
Схема полезной модели приведена на фиг. 1 и фиг. 2.
Устройство для измерения крутящего момента судового валопровода 1 состоит из левой 2 и правой 3 корпусных деталей, закрепленных на валопроводе 1 в контрольных сечениях А и Б посредством фиксирующих болтов 4. Между собой левая часть 2 и правая часть 3 соединены при помощи четырех узлов шарнирной подвески, каждый из которых состоит из серьги 5, вращающейся на осях 6 и 7, обеспечивая взаимное перемещение левой и правой корпусных деталей в пределах угла скручивания контрольных сечений А и Б вала 1. Ось 6 запрессована в левую корпусную деталь 2, а ось 7 запрессована в правую корпусную деталь 3, и, таким образом, каждая серьга 5 находится в нагруженном состоянии. При этом одна из серьг имеет выступ с резьбовым отверстием, в которое ввернут регулировочный винт 9. Такой же винт 9 ввернут с другой стороны в резьбовое отверстие упора 8, закрепленного на правой корпусной детали. Между регулировочными винтами 9 установлен упругий преобразователь перемещения 10. В середину упругого преобразователя перемещения 10 упирается шток индикатора часового типа 11, закрепленного на правой корпусной детали 3. На оси индикатора часового типа 11 закреплен отражатель 12, на который ориентирован луч источника когерентного излучения 13. Для приема отраженного луча служит линейная шкала 14, отградуированная в единицах измерения крутящего момента.
Полезная модель работает следующим образом.
1
2
2
1
При приложении нагрузки к вращающемуся валу 1 его контрольные сечения А и Б получают взаимное угловое смещение, в результате левая корпусная деталь 2 и правая корпусная деталь 3 закручиваются относительно друг друга на некоторый угол. При этом серьга 5 поворачивается на осях 6 и 7, изменяя при этом расстояние между точками закрепления упругого преобразователя перемещения 10. Тогда его стрела прогиба h увеличивается, вызывая линейное перемещение штока индикатора часового типа 11, что приводит к повороту его оси с закрепленным на ней отражателем 12 на угол α. Угол α определяет положение световой отметки луча когерентного источника 13 на неподвижной линейной измерительной шкале 14. Вследствие того, что угол падения луча равен углу его отражения, угол α будет равен двукратной величине α. Данное условие дополнительно увеличивает точность определения искомой величины крутящего момента за счет удвоения линейного перемещения световой отметки по шкале 14.
Поскольку узлы шарнирной подвески и упругий преобразователь перемещения находятся в нагруженном состоянии, вследствие чего выбираются зазоры в сопряжениях, это приводит к уменьшению влияния вибрации на точность измерения, а применение упругого преобразователя перемещения, изменяющего стрелу прогиба при изменении расстояния между точками его закрепления, и, тем самым, преобразующего малые взаимные перемещения сечений вала в значительные перемещения штока индикатора часового типа, обеспечивает повышение точности измерения крутящего момента.
Таким образом, особенности конструкции заявленной полезной модели способствуют повышению точности измерения крутящего момента в судовых условиях по сравнению с прототипом.