УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО КРУТЯЩЕМУ МОМЕНТУ ВАЛА Российский патент 2006 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к классу электромагнитных измерителей крутящего момента, приложенного к валу, механических напряжений, и может быть использовано для бесконтактного (дистанционного) измерения деформаций (концентрации напряжений) валов, которые возникают в металле в результате приложения к валу крутящего момента.

Известен способ бесконтактного измерения концентрации напряжений (КН), возникающих в работающих конструкциях, на основе использования которого широко применяют приборы, разработанные НПО "Энергодиагностика". В основе измерений, выполняемых этим способом, лежит использование эффекта магнитной памяти металлов (МПМ), которая фактически отражает действие механических нагрузок (Индикатор концентраций напряжений "ИКН-1М"),

Основная задача при использовании МПМ - диагностика наиболее опасных участков изделий, характеризующихся зонами КН. Выявление зон КН не требует специальных намагничивающих устройств, так как используется естественное намагничивание изделий в процессе эксплуатации. По анализу естественной намагниченности на поверхности материала определяются зоны, характеризующиеся нулевым значением нормальной составляющей магнитного поля. Обычно концентрация напряжений соответствует месту с нулевым значением напряженности магнитного поля. Имеется экспериментальное и теоретическое подтверждение геометрического совпадения линии КН и нулевого значения напряженности магнитного поля.

Высокие значения погрешностей, получаемые при использовании МПМ (˜5%), обусловлены следующими причинами: слабая изученность физических явлений, лежащих в основе намагничивания верхнего слоя металла (˜0,2 мм), который к тому же находится в напряженном состоянии из-за остаточных факторов его обработки; магнитомеханический гистерезис; необходимость поиска минимальной величины напряженности нормальной составляющей магнитного поля, которой соответствует максимальное механическое напряжение.

Для исследования механических напряжений применяют известные приборы серии "Комплекс-2.05", которые относятся к классу электромагнитных измерителей напряжений. Принцип их действия основан на способности ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. Магнитоанизотропные преобразователи, с которыми работают приборы серии "Комплекс-2", используют анизотропию материалов, которые намагничивают внешним полем. (Гурова Г.Г., Жуков B.C. и др. Магнитоанизотропный сканер - дефектоскоп "Комплекс - 2.05" для обнаружения в нефте", газопроводах и стенках стальных резервуаров стресскоррозионных трещин и других дефектов. "КГБ бетона и железобетона" ФГУП Институт "ДИМЕНС тест", 1992 г.). При напряжении намагниченного материала внешней силой осуществляется изменение магнитной индукции, создаваемой в месте расположения измерительной катушки индуктивности (ИКИ), напряжение на зажимах ИКИ определяется по уравнению

где К - коэффициент пропорциональности, W₁ и W₂ - число витков измерительных катушек индуктивности, B₂ - среднее значение индукции в месте расположения ИКИ катушки, S₂ - площадь, охватываемая обмоткой, f₁ - частота питающего катушку 1 напряжения, β - угол между плоскостью (нормали) измерительной катушки индуктивности и вектором магнитной индукции В2, которая изменяется при нагрузке вала внешней силой.

Приборы серии "Комплекс-2", реализующие способ электромагнитного измерения напряжений, для повышения точности требуют учета зависимости свойств преобразователя от магнитомеханической петли гистерезиса. Для этой цели приборы серии "Комплекс-2" программируются с учетом марки диагностируемой стали и других ее свойств, связанных с ориентацией кристаллов материала.

Известен способ измерения крутящего момента, приложенного к валу, на основе эффекта Ж.Видемана (Турчин A.M., Новицкий В.П. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. "Энергия". Ленинград, 1975, 575 с. (стр.322-323); Фурманов Е.Ф. Теплостойкий измерительный преобразователь давления агрессивных жидкостей. "Известия ВУЗов Приборостроения", 1970, т.13, №7, с.88-91). Действующее значение э.д.с., возникающей под воздействием крутящего момента, который приложен к валу, определяется приближенной формулой

действительной при условии

где Bm - индукция магнитного поля, создаваемая током, проходящим через вал при отсутствии М_кр, f - частота напряжения питания; μ, B_s, λ₃ - магнитная проницаемость, индукция насыщения, максимальная магнитострикция материала стержня; R, l - длина и радиус стержня, М_кр - крутящий момент, приложенный к валу.

В других литературных источниках (Лукьянц В.А. Физические эффекты в машиностроении. М.: Машиностроение, 1993, 203 с.; Берг Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям. М.: Энергоатомиздат, 1991) при изложении этого способа приводится действующее значение индуцируемой э.д.с. в виде

В выражениях (2) и (3) σ - предел прочности материала вала.

Несовпадение размерностей правой и левой частей выражений (2) и (3) из-за наличия параметра, определяющего предел прочности материала вала (σ), потребовал дополнительных исследований по уточнению этих выражений.

Уточнение выражений (2) и (3) выполнено авторами в работах (Коверкин Ю.Б., Губанов Н.Н. Некоторые замечания по эффекту Видемана. 5-я Международная конференция по проблемам физической метрологии. СПб ГПУ, 2002, с.28-29; Коверкин Ю.Б., Проурзин В.А., Снарский А.В. Бесконтактный метод измерения деформаций кручения вала на основе обратного эффекта Ж.Видемана. Труды пятой сессии Международной научной школы (Фриддендоровские чтения). СПб, 2002, с.336-342).

Решение использования эффекта Ж.Видемана для измерения крутящих моментов валов привело авторов к уточнению приближенных выражений (2) и (3) и к записи их в виде

где w - число витков измерительной катушки индуктивности.

Коэффициент, отражающий предел прочности материала стержня, исключен, так как в этом случае размерности правой и левой частей выражения (4.а) совпадут.

Авторами выполнено уточнение теоретической зависимости э.д.с., наведенной в катушке индуктивности, когда к валу приложен крутящий момент, а по валу пропущен ток i=I_mcosωt. Согласно этой работе э.д.с. имеет вид

где J - угол между нормалью к площади витков катушки и вектором индукции, ψ - потокосцепление, пронизывающее витки измерительной катушки.

Отсюда действующее значение

Нормаль к площади витков ИКИ направляют параллельно оси вала, поэтому J=π/2 и, следовательно, действующее значение э.д.с. максимально.

Как будет показано ниже, выражение (4,а) при М_кр=0 обеспечивает минимальное значение э.д.с., а поэтому именно оно выбрано за исходное (прототип). Учитывая вращение (преломление) вектора индукции за счет действия приложенного к валу момента, следует объединить выражения (4,а) и (4,б) в обобщенную комплексную форму, что будет выполнено ниже.

В соответствии с выражением (4,а,б) э.д.с. в ИКИ возрастает пропорционально крутящему моменту. Это свойство позволяет определять или диагностировать наиболее напряженные участки валов, когда к ним приложен крутящий момент.

Устройство, выбранное за прототип (фиг.1), приведено в работе авторов (Коверкин Ю.Б., Губанов Н.Н. Некоторые замечания по эффекту Видемана. 5-я Международная конференция по проблемам физической метрологии. СПб ГПУ, 2002, с.28-29; Коверкин Ю.Б., Проурзин В.А., СнарскиЙ А.В. Бесконтактный метод измерения деформаций кручения вала на основе обратного эффекта Ж.Видемана. Труды пятой сессии Международной научной школы (Фриддендоровские чтения). СПб, 2002, с.336-342).

Принцип действия устройства заключается в преобразовании измеряемого крутящего момента М_кр, приложенного к валу 1, в э.д.с. (напряжение), индуцируемой измерительной катушкой индуктивности 2. От источника энергии 3 через вал 1 пропускают переменный электрический ток, который создает вокруг вала магнитное поле с индукцией Bm. Измерительную катушку индуктивности 2 располагают на валу, нормаль к площади витка котррой направляют параллельно оси вала (см. фиг. 1). Если к валу не приложен крутящий момент (М_кр=0), то согласно выражения (4,а) наведенная в индуктивной катушке э.д.с. имеет минимальное значение. Когда к валу прикладывают крутящий момент (М_кр>0), который поворачивает вектор индукции магнитного поля, то он создает в ИКИ пропорциональную крутящему моменту э.д.с., которую измеряют вольтметром 5. Это напряжение возникает на зажимах а, b, вольтметра.

Рассмотрим прототип устройства, реализующего эффект Ж.Видемана, с целью анализа его общих свойств.

Известно, что в основе эффекта лежит поворот (преломление) вектора индукции магнитного поля, которое создает протекающий по валу ток i=I_mcosωt, где I_m, ω - амплитуда и круговая частота. Приложенный к валу 1 крутящий момент М_кр осуществляет преломление вектора индукции на некоторый угол, поэтому в ИКИ 2 индуцируется напряжение u_к. Известно, что напряжение, измеряемое прибором 5 с высоким внутренним сопротивлением, имеет значение:

Запишем энергию, запасенную в магнитном поле вала при изменении потокосцепления ψ₀ от 0 до ψ_b в виде

В соответствии с законом полного тока i=H₁, где ₁=2πR, а dψ_b=S'dB. Здесь S'=Rи dB=μdH. Принимая магнитную проницаемость μ постоянной во всем объеме вала, запишем энергию

где B_s=μH_s - индукция насыщения вала.

Учитывая, что нормаль к площади витков ИКИ образует с вектором индукции угол , где J - угол поворота вектора индукции, который при М_кр=0 имеет значение J=0, потокосцепление можно представить:

где - индукция, создаваемая на поверхности вала, протекающим по нему током i, S_k - эффективная площадь измерительной катушки индуктивности.

При преломлении вектора индукции на угол J сила, создающая крутящий момент, совершает работу W_мех=JM_кр.

Подставляя выражение (6) в (5) и переходя к комплексной форме, имеем

В соответствии с законом Гука для кручения определим угол вращения вектора индукции

где W_эм=μH_s ² - плотность энергии,

М_кр=W_мех/J.

Учитывая среднее расположение витка измерительной катушки индуктивности 2, из выражения (7) запишем наводимую в ней э.д.с.

ε₂=u_k=ωwB_mSkcosψsin(ωt+ψ),

где - индукция магнитного поля в месте расположения ИКИ на расстоянии R_к от оси вала.

Следовательно, действующее значение э.д.с. принимает вид

который при J=π/2 совпадает с выражением (4,а). Действительно запишем его в виде

где S_k -эффективная площадь ИКИ. Здесь принято J=Δl/R, a λ=Δl/l=λ₃tgJ,

λ₃ - максимальная магнитострикция ферромагнитного материала вала.

Устройство, выбранное за прототип, имеет следующие недостатки:

а) требует настройки прибора при замене исследуемого вала;

б) устройство реализует контактное измерение крутящего момента, так как измерительная катушка индуктивности располагается на исследуемом валу;

в) внутренний диаметр измерительной катушки индуктивности должен быть согласован с диаметром исследуемого вала.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и улучшения точности, обеспечение устройством бесконтактного (дистанционного) определения напряжения, пропорционального крутящему моменту вала, изготовленного из ферромагнитных материалов.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем ИКИ, соединенную с измерительным прибором, источник переменного тока снабжен токопроводящими пластинами с возможностью подключения к исследуемому валу в момент определения напряжения, пропорционального крутящему моменту. ИКИ в момент измерения установки параллельно оси вала. При этом напряжение, регистрируемое измерительным прибором 2, пропорционально измеряемому крутящему моменту, позволяет в соответствии с выражением (9) определить момент:

где Е - показания измерительного прибора (В),

R_k - расстояние между осями катушки и вала (м),

I_m - амплитуда тока (А),

w - число витков ИКИ,

S_k - эффективная площадь ИКИ (м²),

К - коэффициент, характеризующий свойства материала испытуемого вала (1/м с А²).

Изложенная сущность поясняется чертежами, на которых на фиг.1 изображено устройство, взятое за прототип, а на фиг.2 - предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство для определения напряжения, пропорционального крутящему моменту вала (фиг.2) содержит измерительную катушку индуктивности 1, соединенную с измерительным прибором (вольтметром) 2, источник переменного тока 3, снабженный токопроводящими пластинами 4, подключаемыми к испытуемому валу в напряжение, регистрируемое в измерительной катушке индуктивности 1, пропорционально крутящему моменту М_кр. Позицией 5 обозначен испытуемый вал.

Величину крутящего момента находим из выражения (10), в котором [K]=[f][μ²][λ][1]/[R²][В²][S]=1/м сек А²

где К имеет размерность 1/м с

Если в рассмотренном устройстве вал 5 считать образцовым, а испытуемый вал расположить в магнитном поле образцового (условно не показан), то реализуется устройство с использованием эффекта магнитной памяти металлов (МПМ). Учитывая свойства суперпозиции индукции магнитных полей образцового вала 5 и испытуемого, получим

где K₁ - безразмерный коэффициент, учитывающий действие магнитного поля материала испытуемого вала, который совместно с коэффициентом К находят теоретически или опытным путем.

Выполненные эксперименты в лаборатории методов и средств измерений ИП МАШ РАН для валов с параметрами R=0,005 м, 1-0,25 м, из стали марки 60С2А подтвердили справедливость выражений (7) и (9). Исследовались свойства электромагнитного стержня из стали марки 60С2А. Действующее значение переменного тока устанавливалось для разных частот I=0,4 А.

При расчетах и в экспериментальных исследованиях использовались следующие значения электромагнитных и других параметров:

- переменный ток с частотой 1000, 2000, 3000 Гц;

- магнитная индукция

- индукция насыщения В_s=1,4 Т_л;

- среднее значение магнитострикции λ₃=6,3·10^-7;

- магнитная проницаемость μ=μ_стμ₀=1,68·10^-4 мкг/С² А²;

- крутящий момент М_кр=19,2 нм; 25,6 нм; 32 нм, соответствующий соответственно 3⁰, 4⁰, 5⁰ закручивания стержня;

- центр ИКИ расположен на расстоянии R_k=0,03 м от оси вала, а ее площадь S_k=1,93·10^-3 м².

Результаты вычислений по выражению (9) и опытные данные приведены в таблице. Вал закручивался на угол J=5° при изменении частоты и при постоянной частоте f=1000 Гц на углы, приведенные в таблице. При указанном в выражении (9) значении λ оно переходит в (4,а), для которого выполнен расчет индуцируемого напряжения.

ЧастотаТеоретическоеОпытноеУголТеоретическоеОпытноеГцзначениезначениезакручиваниязначениезначение(J=5°)Е₂, ВЕ₂, ВвалаE₁, ВЕ₂, В    (f=1000 Гц) 10000,0750,074030,04510,043520000,15020,144540,06010,059230000,22530,224050,07510,0740

Таким образом, полученные выражения (7) и (9) определяют новый способ измерения крутящих моментов, концентрации механических напряжений. Они отражают идею индуктивного или трансформаторного преобразования механических напряжений валов в э.д.с. ε=u_k, которую измеряет вольтметр 2.

Измерение крутящего момента, приложенного к валу 5, состоит в том, что от источника энергии пропускают через исследуемый вал заданной величины и частоты электрический ток. Для измерения применяют измерительную катушку индуктивности 1, нормаль к площади витков которой направлена параллельно оси вала. Измерительная катушка индуктивности 1 подключена к измерительному прибору 2. От источника энергии 3 через токопроводящие контакты 4 при касании их с валом 5 в местах контактов к валу подводится ток i.

Когда крутящий момент равен нулю, устанавливают катушку 1 так, чтобы э.д.с. в ней была минимальной. Затем к валу прикладывают крутящий момент и в измерительной катушке 1 индуцируется э.д.с., пропорциональная крутящему моменту, которая измеряется прибором 2.

Индуктивный преобразователь легко дополняется системой, выполняющей измерения на основе использования МПМ или емкости для измерений на резонансной частоте. В этом случае приборы на основе предлагаемого устройства будут представлять принципиально новый подход в области диагностики металлических изделий промышленности. Они смогут обеспечивать контроль нагруженных конструкций и оценивать их фактическое напряженно-деформированное состояние.

ЛИТЕРАТУРА

1. Туричин A.M., Новицкий В.П. и др. Электрические измерения неэлектрических величин, "Энергия", Ленинград, 1975. 575 с.

2. Фурманов Е.Ф. Теплостойкий измерительный преобразователь давления агрессивных жидкостей. "Известия ВУЗов Приборостроения". 1970. Т.13, № 7, с 88-91.

3. Лукьянц В.А. Физические эффекты в машиностроении. М.: Машиностроение, 1993. 203 с.

4. Берг Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям. М.: Энергоатомиздат, 1991.

5. Коверкин Ю.Б., Губанов Н.Н. Некоторые замечания по эффекту Видемана. 5-я Межд. конференция по проблемам физической метрологии, СПб ГПУ, 2002, с.28-29.

6. Коверкин Ю.Б., Проурзин В.А. Снарский А.В. Бесконтактный метод измерения деформаций кручения вала на основе обратного эффекта Ж.Видемана. Труды пятой сессии Международной научной школы (Фриддлендоровские чтения). СПб, 2002, с.336-342.

7. Жуков С.В., Капица Н.Н. Исследования параметров полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами "Комплекс-2". Сб.научных Трудов, Академия транспорта, Отд. "Спец-проблемы транспорта", 1999, с.214-223.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации валов. Устройство содержит измерительную катушку индуктивности, установленную параллельно оси испытуемого вала, и источник переменного тока, снабженный токопроводящими пластинами для подключения его к испытуемому валу в момент измерения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности определения напряжений и обеспечении бесконтактного определения напряжений. 1 табл., 2 ил.

Устройство определения напряжения, пропорциональное крутящему моменту вала, содержащее измерительную катушку индуктивности, соединенную с измерительным прибором, и источник переменного тока, отличающееся тем, что измерительная катушка индуктивности установлена параллельно оси испытуемого вала, а источник переменного тока снабжен токопроводящими пластинами с возможностью подключения его к испытуемому валу в процессе измерения крутящего момента, при этом напряжение, регистрируемое в измерительной катушке индуктивности, пропорционально крутящему моменту

М_кр=ER_k/I_mwS_kК,

где М_кр - крутящий момент, (нм);

Е - показания измерительного прибора, (В);

R_k - расстояние между осями катушки и вала, (м);

I_m - амплитуда тока, (А);

S_k - эффективная площадь измерительной катушки индуктивности, (м²);

w - число витков измерительной катушки;

К - коэффициент, характеризующий свойства материала вала, (1/м с А²).