УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ОСЕВОГО УСИЛИЯ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛАХ
DEVICE FOR MEASURING TORQUE AND AXIAL FORCE IN ROTARY SHAFTS

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента и осевого усилия валов различных силовых установок, используемых на морских судах, в металлургии и других областях техники.
Известны устройства для измерения осевого усилия: «Устройство для измерения осевого давления во вращающихся валах», авторское свидетельство №142445, кл. 42к, бюллетень №21 за 1961 г.и «Бесконтактный измеритель упора гребного винта», авторское свидетельство №421579, В63h 23/24, бюллетень №12 от 30.03.74, авт. B.C.Михайлов, А.И.Солодовников, а также устройства для измерения крутящего момента: «Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах», авторское свидетельство №669231, G01L 3/10, бюллетень №23 от 25.06.79, авт. Бабурина Е.А., Григорьев С.М., Жадобин Н.Е., Смирнов В.А., Хайкин А.Б. и «Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах», патент №2326355, G01L 1/12, бюллетень №16 от 10.06.2008, авт. Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Лебедев А.И., действие которых основано на использовании изменения магнитных свойств материала вала вызванного влиянием механических усилий от крутящего момента и осевого усилия.
Однако такие устройства имеют низкую помехоустойчивость, обусловленную влиянием магнитной неоднородности материала вала.
Помимо этого изготовление таких устройств затруднительно из-за того, что магнитопровод магнитоупругого преобразователя состоит из пластин, электротехнической стали.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости, улучшение динамических характеристик, упрощение технологии изготовления и расширение функциональных возможностей.
Это достигается тем, что магнитопровод магнитоупругого преобразователя изготавливается монолитным и представляет собой конструкцию, представленную на фиг.1, которая состоит из девяти вертикальных полюсов A, B, C, D, E, F, K, L, M и общего основания. Магнитопровод преобразователя изготавливается таким образом, чтобы полюса A, B, C, D и E, F, K, L образовывали квадраты, в центре которых находится полюс М. На полюсе М установлена обмотка возбуждения, которая получает питание от источника постоянного тока, на поверхности остальных полюсов (A, B, C, D, E, F, K, L) установлены магниторезисторы. Магниторезисторы используются в качестве преобразователей магнитного поля, что позволяет питать обмотку возбуждения от источника постоянного тока. Использование источника постоянного тока позволяет избежать потерь и помех, обусловленных влиянием токов Фуко и изготавливать магнитопровод магнитоупругого преобразователя монолитным.
Для измерения крутящего момента и осевого усилия магнитопровод преобразователя необходимо установить с зазором по отношению к валу, в соответствии с фиг.2. На фиг.2. показаны проекции полюсов магнитопровода на поверхность вала. Магниторезисторы, установленные на полюсах A, B, C, D и E, F, K, L, включены в мостовые схемы в соответствии с фиг.3, на которой представлена функциональная схема устройства. При отсутствии механических напряжений материал вала является изотропным, что приводит к симметричному распределению магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения между полюсами A, B, C, D и E, F, K, L, в результате чего магниторезисторные мосты остаются уравновешенными и сигнал на выходе устройства равен нулю. Под воздействием крутящего момента появляются касательные механические напряжения растяжения и сжатия, приводящие к возникновению магнитной анизотропии, которая в свою очередь приводит к изменению магнитной проницаемости на участках вала между полюсами EF и KL. Изменение магнитной проницаемости приводит к перераспределению магнитного потока, под воздействием которого магниторезистивный мост EFKL перестает быть уравновешенным и на выходе моста появляется ЭДС, пропорциональная величине приложенного крутящего момента. Под воздействием осевого усилия появляются нормальные напряжения растяжения и сжатия, под воздействием которых материал вала становится магнитоанизотропным. В данном случае магнитная анизотропия приводит к изменению магнитной проницаемости на участках вала между полюсами АВ и CD. Изменение магнитной проницаемости приводит к перераспределению магнитного потока возбуждения, под воздействием которого магниторезистивный мост ABCD перестает быть уравновешенным и на выходе моста появляется ЭДС, пропорциональная величине приложенного осевого усилия.
Устройство для измерения крутящего момента и осевого усилия во вращающихся валах содержит источник постоянного тока 1, подключенный к обмотке возбуждения, расположенной на полюсе М, и магниторезистивным мостам 2 (EFKL), 3 (ABCD), выходы которых подключены к дифференциальным усилителям 4, 5, при помощи которых устраняются помехи, наводимые в кабеле, выходы дифференциальных усилителей 4, 5 подключены к входам фильтров верхних частот 6 и 7, предназначенных для устранения высокочастотных помех. Устройство работает следующим образом. Под воздействием механических напряжений от осевого усилия и крутящего момента на выходах магниторезистивных мостов 3 (ABCD) и 2 (EFKL) появляются ЭДС, пропорциональные осевому усилию и крутящему моменту соответственно. Сигналы с магниторезистивных мостов 2, 3 через дифференциальные усилители 4, 5 поступают на входы фильтров верхних частот 6 и 7, выходы которых подключены к измерительным приборам 8 и 9.