УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПОРШНЯ В ЦИЛИНДРЕ, УЗЕЛ, СОДЕРЖАЩИЙ ЦИЛИНДР, ПОРШЕНЬ И ТАКОЕ УСТРОЙСТВО, И АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ УЗЕЛ Российский патент 2013 года по МПК G01B7/00 

Настоящее изобретение относится к датчикам положения, предназначенным для измерения положения поршня в цилиндре, в частности к датчикам, используемым на авиационных двигателях.

Датчик положения, такой как активный (индуктивный) датчик линейного перемещения, более известный специалистам под английской аббревиатурой LVDT («Linear Variable Differential Transformer»), позволяет определять продольное положение поршня в цилиндре.

Датчик 100 (фиг.1) типа LVDT содержит подвижный ферромагнитный сердечник 120, закрепленный на штоке 121 с осью 100А, и неподвижный трансформатор 110, образованный тремя цилиндрическими катушками, коаксиальными с осью 100А штока 121 и образующими первичную обмотку 111 и две вторичные обмотки 112, 113. Во время работы шток 121 поступательно перемещается вдоль своей оси 100А. За счет магнитной индукции сердечник 120 создает в обмотках 111, 112, 113 напряжение между обмотками, которое пропорционально положению ферромагнитного сердечника 120 в трансформаторе 110. На основании этого напряжения определяют положение штока 21 в датчике.

Известно использование датчика типа LVDT в силовом приводе 200 (фиг.2). Силовой привод 200 содержит цилиндр 201, расположенный по оси 200А, в котором находится поршень 202, выполненный с возможностью поступательного движения вдоль оси 200А. На своем заднем конце поршень 202 содержит головку 202А поршня, наружный диаметр которой соответствует внутреннему диаметру цилиндра 201, в котором она перемещается.

В дальнейшем тексте описания понятия «передний» и «задний» определяются по отношению к поршню 202. На его переднем конце на поршень действует усилие, и его задняя часть перемещается в цилиндре 201. Иначе говоря, передняя часть находится со стороны цилиндра 201, через которую выходит поршень 202.

Трансформатор 210 датчика типа LVDT закреплен на заднем конце цилиндра 201, при этом ось трансформатора 210 совпадает с осью 200А цилиндра 201. Ферромагнитный сердечник 220 датчика установлен на штоке 221, неподвижно соединенном с поршнем 202 и расположенном вдоль оси 200А.

Поскольку сердечник 220 неподвижно соединен с поршнем 202, а трансформатор 210 неподвижно соединен с цилиндром 201, положение поршня 202 можно определить измерением положения сердечника 220 в трансформаторе 210.

В авиации нормы безопасности предполагают повышенный уровень надежности для контрольно-измерительных приборов. Так, для измерения положения поршня в цилиндре силового привода необходимо предусмотреть два датчика LVDT в силовом приводе, чтобы в случае неисправности одного из датчиков измерение обеспечивалось другим датчиком.

Из патента FR 2594515 известно устройство измерения положения поршня в цилиндре силового привода, содержащее два датчика положения типа LVDT.

На фиг.3 в разрезе схематично показано устройство, установленное в силовом приводе 300, содержащем поршень 302, перемещающийся в цилиндре 301, с осью 300А. Опорная площадка 303 закреплена в поперечном направлении в поршне 302, который выполнен полым. Сердечники 320, 340 датчиков установлены на двух штоках 321, 341, закрепленных передними концами на задней стороне площадки 303. Штоки 321, 341 расположены параллельно оси 300А, сердечники 320, 340 расположены соответственно и концентрично относительно трансформаторов 310, 330, при этом трансформаторы 310, 330 закреплены на заднем конце цилиндра 301.

Поршень 302 приводится в поступательное движение вдоль оси 300А. Кроме того, он должен свободно вращаться вокруг этой оси 300А. Для этого в устройстве согласно патенту FR 2594515 между площадкой 303 и поршнем 302 установлен круглый опорный подшипник 350, позволяющий поршню 302 вращаться вокруг оси 300А, не передавая вращательное движение площадке 303 и сердечникам 320, 340. Сердечники 320, 340 остаются неподвижно соединенными в поступательном движении с поршнем 302 и находятся на одной линии с соответствующим трансформатором 310, 330. Таким образом, датчики могут измерять положение поршня 302 в цилиндре 301.

Во время работы, как правило, на поршень действуют поперечные усилия, которые заставляют его прогибаться и могут прогибать штоки 321, 341, смещая их относительно оси 300А цилиндра 301. В этом случае сердечники 320, 340 теряют свою центровку относительно соответствующего трансформатора 310, 330 и могут повредиться, что приводит к сокращению срока службы датчиков, а также к снижению точности измерений.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства измерения положения поршня в цилиндре, которое содержит два датчика типа LVDT для обеспечения надежности устройства, и которое позволяет поршню свободно вращаться вокруг своей оси и не может быть повреждено от возможного прогиба поршня.

Объектом настоящего изобретения является устройство измерения положения поршня в цилиндре, расположенном вдоль оси, при этом устройство содержит, по меньшей мере, два датчика положения, соответственно содержащие:

первый элемент датчика, неподвижно соединенный с опорной площадкой, соединенной с поршнем,

второй элемент датчика, неподвижно соединенный с цилиндром,

при этом первый и второй элементы каждого датчика выполнены с возможностью поступательного перемещения относительно друг друга вдоль оси, параллельной оси цилиндра, при этом устройство характеризуется тем, что первые элементы датчика неподвижно соединены с одной и той же крепежной площадкой, которая соединена с поршнем при помощи шарового соединения.

Под шаровым соединением следует понимать соединение между двумя элементами, которое имеет три степени свободы при вращении и ни одной степени свободы при поступательном движении.

Благодаря устройству в соответствии с настоящим изобретением, датчик положения можно располагать в цилиндре таким образом, что на него не передаются поперечные усилия, действующие на поршень, в то время как поршень остается свободным при вращении вокруг оси цилиндра. Измерение положения поршня в цилиндре является, таким образом, точным, и при этом устраняется вероятность повреждения датчика.

Изобретение решает частную проблему, касающуюся устройств с двумя датчиками положения, однако его можно применять и для устройств с числом датчиков более двух.

Кроме того, устранение опорных подшипников, присутствующих в устройстве согласно патенту FR 2594515, облегчает техническое обслуживание устройства, поскольку шаровая опора менее подвержена заклиниванию.

Изобретение применяется, в частности, для силовых приводов, однако оно в целом может применяться для любого устройства, содержащего цилиндр, в котором поршень перемещается поступательно. Таким образом, изобретение можно применять, в частности, для дозирующих устройств, содержащих поршень с двумя головками, перемещающийся в цилиндре, предназначенных для регулирования расхода текучей среды. Такое дозирующее устройство более подробно будет описано ниже.

Предпочтительно датчик положения является датчиком типа LVDT. В этом случае предпочтительно первый элемент содержит шток, на котором установлен ферромагнитный сердечник, а второй элемент датчика содержит трансформатор.

Предпочтительно шаровое соединение содержит шар, удерживаемый во фланце шара. Шар может быть либо неподвижно соединен с поршнем, либо неподвижно соединен с первым элементом датчика.

Согласно другому варианту выполнения, фланец шара установлен с посадкой внатяг в деталь, неподвижно соединенную с первым элементом датчика.

Объектом настоящего изобретения являются также узел, содержащий цилиндр, поршень и описанное выше устройство измерения, а также авиационный двигатель, содержащий такой узел.

Объектом изобретения является также силовой привод или дозирующее устройство.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительных вариантов выполнения устройства со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематично общий вид и в частичном разрезе известного датчика положения типа LVDT;

фиг.2 - функциональную схему устройства измерения из предшествующего уровня техники;

фиг.3 - функциональную схему другого устройства измерения из предшествующего уровня техники;

фиг.4 - функциональную схему варианта выполнения устройства измерения, согласно изобретению;

фиг.5 - разрез силового привода с устройством измерения, согласно изобретению;

фиг.6 - разрез силового цилиндра с устройством измерения, согласно другому варианту выполнения изобретения.

Силовой привод содержит цилиндр 1 (фиг.4), расположенный вдоль оси Х, в котором установлен поршень 2, содержащий головку 2А поршня, наружный диаметр которой соответствует внутреннему диаметру цилиндра 1. Силовой привод содержит устройство измерения положения поршня 2 относительно цилиндра 1, содержащее два датчика 3, 4 положения типа LVDT.

Каждый датчик 3, 4 содержит ферромагнитный сердечник 20, 40, взаимодействующий с трансформатором 10, 30, что было описано выше. Трансформаторы 10, 30 расположены в продольном направлении вдоль оси Х в цилиндре 1 и закреплены на его заднем конце. Вокруг трансформаторов 10, 30 выполнена защитная рубашка 60, расположенная в продольном направлении в цилиндре 1, при этом задний конец рубашки 60 неподвижно закреплен на заднем конце цилиндра 1. Рубашка 60 расположена концентрично внутри поршня 2, который на своем заднем конце содержит отверстие 6 для прохождения рубашки 60.

Каждый сердечник 20, 40 датчиков 3, 4 установлен на штоке 21, 41, параллельном оси Х и находящемся на одной линии с соответствующим трансформатором 10, 30, внутри которого он расположен коаксиально. Передние концы штоков 21, 41 неподвижно закреплены на задней стороне опорной площадки 31, расположенной в поперечном направлении в поршне 2. Площадка 31 в основном имеет форму диска.

Поршень 2 (фиг.5) является полым, то есть выполнен в виде втулки, расположенной в продольном направлении в цилиндре 1. Площадка 31, на которой установлены сердечники 20, 40, соединена с поршнем 2 при помощи соединительного средства, в данном случае шарового соединения, при этом соединение выполнено внутри втулки, образованной поршнем 2. За счет наличия шарового соединения 50 площадка 31 может свободно поворачиваться с тремя степенями свободы относительно поршня 2, но она остается неподвижно соединенной с ним при поступательном перемещении вдоль оси Х.

В данном случае шаровое соединение 50 содержит шар 51, установленный во фланце 52 шара, выполненном в виде сферического кожуха. Такой фланец 52 шара известен также специалистам под названием «обоймы». Его функцией является удержание шара 51, который остается неподвижным при поступательном движении, но может свободно поворачиваться. Шар 51 неподвижно соединен с поршнем 2, а фланец 52 неподвижно соединен с площадкой 31.

В данном случае шар 51 содержит палец 511, расположенный с передней стороны и неподвижно соединенный с поршнем 2. Предпочтительно фланец 52 шара установлен с посадкой внатяг в цилиндрический участок 37, выполненный в продольном направлении с задней стороны, начиная от передней стороны площадки 31, при этом свободные концы цилиндрического участка 37 загнуты на фланец 52 шара для его прочного удержания.

Работа устройства и его применение осуществляется следующим образом.

Во время работы силового привода передний конец поршня 2 поступательно перемещается вдоль оси Х относительно цилиндра 1. Шар 51, неподвижно соединенный с поршнем 2, перемещается поступательно; он увлекает за собой неподвижно соединенный с ним фланец 52 шара и, следовательно, площадку 31 и установленные на ней сердечники 20, 40. Таким образом, сердечники 20, 40 перемещаются поступательно вдоль оси Х внутри соответствующего трансформатора 10, 30, при этом трансформаторы 10, 30 неподвижно соединены с цилиндром 1. Положение поршня 2 в цилиндре 1 определяют при помощи измерения, осуществляемого датчиками 3, 4 положения сердечников 30, 40 в соответствующем трансформаторе 10, 30.

Кроме того, поршень 2 может свободно вращаться вокруг своей оси Х. При вращении поршень 2 увлекает шар 51, который свободно поворачивается в фланце 52 шара. На сердечники 20, 40 не передается никакое движение, и они остаются на одной линии в соответствующем трансформаторе 10, 30. Таким образом, шаровое соединение 50 позволяет избежать смещения датчиков 3, 4 во время вращения поршня 2 вокруг его оси Х.

Кроме того, во время работы на переднюю часть поршня 2 могут действовать поперечные усилия, приводящие к прогибу поршня 2. Прогиб компенсируется шаром 51, который начинает поворачиваться во фланце 52 шара. На сердечники 20, 40 не передается никакое движение, и они остаются на одной линии в соответствующем трансформаторе 10, 30. Таким образом, шаровое соединение 50 позволяет защитить датчики 3, 4, когда на передний конец поршня 2 действуют поперечные силы.

Во время работы силового привода поршень может подвергаться действию сил, порождающих поступательное перемещение, вращение вокруг оси или прогиб поршня 2. Благодаря наличию шарового соединения 50, на сердечники 20, 40 передается только поступательное перемещение вдоль оси Х цилиндра 1.

Шаровое соединение 50 мало подвержено заклиниванию, так как вероятность попадания пыли внутрь фланца 52 шара является очень низкой.

В другом варианте выполнения шар 51' (фиг.6) неподвижно соединен с площадкой 31, и фланец 52' шара неподвижно соединен с поршнем 2. Шар 51' содержит отверстие с осью Х, через которое проходит винт 531, задний конец которого завинчивают в площадку 31, на которой установлены сердечники 20, 40 датчиков 3, 4. Винт 531 затягивают на его переднем конце гайкой 532, позволяющей повысить надежность крепления шара 51' на площадке 31.

Фланец 52' шара крепят на поршне 2 и стопорят между гайкой 53, неподвижно соединенной с поршнем 2, и колодкой 54, при этом колодку 54 устанавливают на задней части фланца 52' шара.

Изобретение было описано в связи с применением в силовом приводе, однако оно может применяться для любых типов устройств, содержащих поршень, свободно перемещающийся поступательно в цилиндре, таких как дозировочное устройство или авиационный двигатель, содержащий узел, состоящий из цилиндра, поршня и устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением.

В дозировочном устройстве поршень перемещается поступательно в цилиндре дозировочного устройства. В цилиндре выполнены два радиальных отверстия, ограничивающих соответственно вход и выход текучей среды.

Поршень содержит две запорные головки, наружный диаметр которых соответствует внутреннему диаметру цилиндра, которые являются коаксиальными и соединены валом, перемещающимся поступательно вдоль оси цилиндра. В закрытом положении дозировочного устройства головки полностью перекрывают отверстия, препятствуя любому перемещению текучей среды. В открытом положении поршень перемещается поступательно в цилиндре дозировочного устройства, обеспечивая частичное или полное открывание отверстий и циркуляцию текучей среды от входа к выходу. Таким образом, поступательное перемещение поршня позволяет «регулировать» или «дозировать» поток текучей среды.

Для определения положения поршня, аналогично предыдущему варианту выполнения, опорная площадка расположена в поперечном направлении в поршне, при этом на площадке установлены два штока, на которых соответственно установлены сердечники датчиков положения типа LVDT. На заднем конце поршня выполнено отверстие для прохождения трансформаторов. Опорная площадка соединена с поршнем при помощи шарового соединения, при этом шар шарового соединения закреплен, например, на поршне, а фланец шара закреплен на опорной площадке.

Разумеется, что изобретение может также применяться для бесконтактных датчиков, например таких, как емкостный бесконтактный датчик Пьерро, индуктивный бесконтактный датчик, датчик на основе эффекта Холла или инфракрасный бесконтактный датчик положения.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: устройство измерения положения поршня (2) в цилиндре (1), расположенном вдоль оси, содержащее, по меньшей мере, два датчика (3, 4) положения типа LVDT. Датчики содержат: первый элемент (20, 40) датчика, неподвижно соединенный с опорной площадкой (31), соединенной с поршнем (2), второй элемент (10, 30) датчика, неподвижно соединенный с цилиндром (1). Первый и второй элементы каждого датчика выполнены с возможностью поступательного перемещения относительно друг друга вдоль оси, параллельной оси цилиндра (1). Первые элементы (20, 40) датчика неподвижно соединены с одной и той же крепежной площадкой (31), которая соединена с поршнем (2) при помощи шарового соединения (50). Технический результат: повышение точности, уменьшение вероятности повреждения датчика. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство измерения положения поршня (2) в цилиндре (1), расположенном вдоль оси, содержащее, по меньшей мере, два датчика (3, 4) положения типа LVDT, которые соответственно содержат
первый элемент датчика, неподвижно соединенный с опорной площадкой (31), соединенной с поршнем (2), и содержащий шток (21), на котором установлен ферромагнитный сердечник (20, 40),
второй элемент датчика, неподвижно соединенный с цилиндром (1) и содержащий трансформатор (10, 30),
при этом первый и второй элементы каждого датчика выполнены с возможностью поступательного перемещения относительно друг друга вдоль оси, параллельной оси цилиндра (1),
отличающееся тем, что штоки (21) первых элементов датчика (20, 40) неподвижно соединены с одной и той же крепежной площадкой (31), которая соединена с поршнем (2) при помощи шарового соединения (50).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шаровое соединение (50) содержит шар (51), удерживаемый во фланце (52) шара.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фланец (52) шара неподвижно соединен с первым элементом (20, 40) датчика.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фланец (52) шара установлен посадкой внатяг в деталь (37), неподвижно соединенную с первым элементом (20, 40) датчика.

5. Узел, содержащий цилиндр, поршень и устройство измерения по п.1, который предназначен для использования в силовом приводе.

6. Узел, содержащий цилиндр, поршень и устройство измерения по п.1, который предназначен для использования в дозировочном устройстве.

7. Авиационный двигатель, содержащий узел, состоящий из цилиндра (1), поршня (2) и устройства измерения положения поршня по любому из пп.1-4.