Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах Советский патент 1992 года по МПК G01L3/10 

Ю § I 1 11 8 3 7

17 П

Сущность изобретения: устройство содержит магнитопровод 2 в виде неподвижного кольцевого элемента, состоящего из двух полых цилиндров, соединенных перемычкой 3 с обмотками возбуждения 6 и измерительной обмоткой 7. В центре упругой дифференциальной вставки 10с прорезами через сухарь 11, выполненный из токонеп- роводящего материала, установлен подвижный кольцевой элемент 8 из немагнитного материала. Дополнительный магнитопровод выполнен в виде двух полых цилиндров 9. Трубчатый кронштейн 4 соосно размещен внутри магнитопровода 2. Одни торцы полых цилиндров дополнительного магнитопровода расположены над подвижным кольцевым элементом 8, а другие - установлены с возможностью перемещения вдоль трубчатого кронштейна, на котором установлены конусные втулки 13, поджатые гайками 15 через упругую дифференциальную вставку 10 к внутренней поверхности полого вала,3 ил.

ы ы ю

1 Предлагаемое устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов. Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной техники и предназначено для преобразования угловых и линейных перемещений в амплитуду выходных электрических сигналов, а также для измерения усилий, возникающих во вращающихся полых валах, передающих усилия машин и Ме- ха низмов, Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения крутящего момента, в котором крутящий момент преобразуется в осевое перемещение кольцевого элемента с помощью упругой вставки и неподвижного кольцевого элемента. Последний служит магнитопроводом, охватывающим упругую вставку, на котором размещены обмотки возбуждения и измерительная обмотка. Корпус магнитопроводз, служащий одновременно корпусом всего устройства для измерения крутящего момента, в состав которого входят крышки с запресованными в них подшипниками качения, выполнен из электротехнической стали марки Ст. Юз (ГОСТ 3837-73). Подшипники качения, установленные в крышках магнитопровода, несут на себе всю массу такого устройства.

К недостаткам устройства для измерения крутящего момента следует отнести невозможность измерять крутящий момент, возникающий внутри полых валов машин и механизмов.

Существующие устройства для измерения крутящего момента монтируются, как правило, только на валах, пропуская вал внутри себя, и содержат неподвижный кольцевой элемент, который охватывает упругую вставку. Это устройство не позволяет вообще измерять крутящий момент, а значит, и предельные допустимые нагрузки по мощности внутри полых валов. Упругая вставка в таких устройствах, как правило, малого диаметра, порядка 10 мм, «то, естественно, содержит малую длину винтовой линии и как результат преобразование угловой деформации -а осевое перемещение мало. Угол наклона пазов на приведенной выше упругой вставки определяется ее диаметром.

Известно устройство, предназначенное для измерения крутящего момента внутри вращающихся валов, где при испытании полого сала устройство для измерения крутящего момента монтируется внутри вращающегося вала и соединяется с ним муфтами 1 и 2.

Недостатком таких устройств является то, что они присоединяются к исследуемому валу не непосредственно, а косвенно, через промежуточные элементы, такие, как разъемные соединения различных конструкций -зубчатые колеса и т.д. Съем информации с устройств происходит контактным путем посредством токосъемных контактных колец, смонтированных на исследуемом ва0 лу, что резко сужает возможность его применения на практике. Функциональные возможности в связи с вышеперечисленными недостатками также резко сужаются и практически сводятся к едмнич5 ному устройству, специализированному, способному измерять крутящий момент только на специально сконструированных валах и внутри этих валов.

Цель изобретения - повышение эффек0 тивности за счет возможности измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов и увеличения чувствительности всего устройства в целом.

Поставленная цель достигается тем, что

5 в устройстве для измерения крутящего момента внутри полых вращающихся валов для повышения эффективности, а также для увеличения чувствительности введены дополнительный магнитопровод, выполнен0 ный в виде двух полых цилиндров, трубчатый кронштейн, соосно размещенный внутри неподвижного кольцевого элемента, конусные втулки с прорезями и гайками, а также перемычка, при этом не5 подвижный кольцевой элемент выполнен в виде двух полых цилиндров, соединенных перемычкой в его геометрическом центре, Одни торцы полых цилиндров дополнительного магнитопровода расположены над по0 движным кольцевым элементом, а другие установлены с возможностью перемещения вдоль трубчатого кронштейна; конусные втулки установлены на трубчатом кронштейне с возможностью поджатия гайками

5 через упругую дифференциальную вставку, в которой выполнены прорези к внутренней говерхности полого вала.

Устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов

0 представлено на фиг.1; на фиг 2 - упругая дифференциальная вставка; на фиг.З - вид сбоку на нее.

Устройство состоит из исследуемого вращающегося полого вала 1, неподвижно5 го кольцевого элемента, выполненного в виде двух полых цилиндров, служащего мзгнитопроводом2, соединенных между собой перемычкой 3. Вовнутрь этих полых цилиндров вставлена трубка 4, являющаяся кронштейном, с отверстием внутри нее 5,

предназначенным для попуска выводов от обмоток возбуждения 6 и измерительной обмотки 7. Измерительная обмотка 7 является распределенной (растянутой) по всей длине наружной части неподвижного кольцевого элемента, выполненного в виде двух полых цилиндров, служащих магнитопрово- дом 2. Удлиненные крышки 9 выполняют роль шунтов и изготавливаются из того же материала, что и неподвижный кольцевой элемент, выполненный в виде двух полых цилиндров, служащих дополнительно Магнитопроводом. Они выполнены также в виде двух полых цилиндров, торцы которых подводятся конструктивно под подвижный токопроводящий виток 8. В центре дифференциальной упругой вставки 10, через сухарь 11, выполненный из токо- непроводящего материала, установлен подвижный токопроводящий виток 8, изготовленный из немагнитного материала. На кронштейне 4 смонтированы подшипники качения 12, наружные кольца которых запрессованы в конусные втулки 13. В них прорезаны эллипсные отверстия 14. Через эти отверстия осуществляется регулирование зазоров между торцами двух магнито- проводов основного, 2, и дополнительного, 9 путем перемещения по резьбе, нарезанной на кронштейне 4. Вся конструкция собирается при монтаже гайками с шайбами 15 и с двух сторон распирая конусные втулки 13, которые, в свою очередь, передают усилие на разрезанные торцы этих втулок 16, упираясь в дифференциальную упругую вставку 10, концы которой также с прорезями, тем самым прижимая ее шероховатые поверхности 17 к внутренней поверхности полого вала 1. На фиг,2 показана отдельно упругая дифференциальная вставка 10, прорези 18, перемычки между прорезями 19 в ней, средняя часть упругой дифференциальной вставки 20, концы с прорезями в ее торцах 21, уклон на торцах внутренней части дифференциальной упругой вставки 22, а также уступы с шероховатой поверхностью выступающих концов этой вставки 23.

Устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов работает следующим образом. После монтажа устройства внутри полого вала на обмотки возбуждения 6, состоящие из двух обмоток, включенных между собой последовательно и встречно, подается импульсное напряжение прямоугольной формы со скважностью 2. В неподвижном кольцевом элементе, выполненном в виде дзух полых цилиндров, служащих мзгнитопроводом, образуются два равномерно распределенных магнитных потока,

направленных навстречу друг к другу, взаимно компенсирующих друг друга, магнитный поток Ф1 и магнитный поток Ф2 (фиг 1), условно показанные пунктирными линиями, 5 индуцирующие ЭДС в измерительную обмотку 7. При отсутствии крутящего момента на упругой вставке 10 подвижный токопроводящий виток 8 располагается в магнитной нейтрали, и ЭДС на выходе измерительной

0 обмотки равна нулю. Под воздействием крутящего момента упругая вставка 10 скручивается в ту или иную сторону в осевом направлении в зависимости от знака приложенного момента. Соответственно средняя

5 часть дифференциальной упругой вставки 10, на которой через сухарь 11 жестко укреплено подвижное токопроводящее кольцо 8, испытывает линейное перемещение, направленное вдоль оси полого вала 1. В этом

0 случае на выходе измерительной обмотки 7 индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна смещению геометрического центра подвижного то ко про водящего витка 8 относительно магнитной нейтрали. В по5 давляющем большинстве в неподвижном кольцевом элементе, служащем магнито- гтроводом, выполненном в виде двух цилиндров, соединенных между собой перемычкой 3, геометрическая нейтраль

0 располагается по центру неподвижного кольцевого элемента, служащего магнито- проводом, образуя перемычку 3, которая соответственно образуется соединением двух цилиндров, неподвижного кольцевого эле5 мента, служащего магнитопроводом, практически совпадающую с магнитной нейтралью. Для корректировки геометрического расположения магнитной нейтрали служат удлиненные крышки, являющиеся

0 дополнительным магнитопроводом 9, выполненные з виде двух удлиненных полых цилиндров, концы которых подведены под подвижное токопроводящее кольцо 8, которые путем изменения величин зазоров сим5 метрируют магнитные потоки между собой. Чем больше величина зазора между торцами цилиндров неподвижного кольцевого элемента, служащего магнитопроводом 2, и торцами удлиненных крышек, служащих до0 полнительным магнитопроводом 8, тем более линейный вид принимает кривая распределения магнитного потока. Отсюда следует, что при больших воздушных зазорах линейность выходного сигнала увеличивается, но при

5 этом падает чувствительность всего устройства в целом. Значит, в оптимальном варианте линейность в основном определяется не магнитными свойствами материалов, из которых изготовлены неподвижный кольцевой элемент, служащий магнитопроводом, а

в большей мере конструкцией магнитной цепи. Геометрические размеры неподвижного кольцевого элемента, служащего маг- нитопроводом, и зазора между его торцами двух цилиндров 2 и удлиненными крышками, которые в нашем случае служат допол- нительным магнитопроводом 9 и их коэффициентом взаимоиндукции, определяются соотношением воздушных зазоров и их симметрией. Фаза сигнала, снимаемого с измерительной обмотки 7, изменяется на 180° в зависимости от нагрузки, что позволяет определить знак приложенного момента сил.

Эффективность и чувствительность всего устройства для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов определяются не только количеством витков на обмотках возбуждения и измерительной обмотки и конструкцией магнитной цепи, а в основном и прежде всего - длиной винтовой линии, т.е. в данном случае углом наклона прорезей и пазов, расположенных на дифференциальной упругой вставке. Покажем эту зависимость чисто теоретически.

Из принципа Сен-Вензна следует, что на достаточном расстоянии от концов длинного пустотелого вала, испытывающего деформацию скручивания (вал не соизмерим с его диаметром и отличается хотя бы на порядок) напряжение не зависит от способа, по которому усилия распределяются по концевым сечениям. Момент МКр., приложенный к пустотелому валу, вызывает его поворот на угол (ркр., определяемый по выражению (1)

MKPL оГ

где TtR II - полярный момент инерции сечения вала, т.е. способ представления этого сечения. Так как концы пустотелого вала разнесены на расстояние L, то из выражения (1), подставив для удобства дальнейшего пользования численные значения, получим выражение после преобразования

р.0,0012732

где G - модуль сдвига, D - диаметр осевой линии дифференциальной упругой вставки. Дифференциальная упругая вставка содержит в себе две половины, соединенные между собой перемычкой, но прорези и пазы в ней направлены встречно друг к другу под одинаковым углом каждая в своей половине. По углу закручивания полого вала определим момент Мкр- для средней части дифференциальной упругой вставки, преобразуя (2), далее получим

i

+

cos2 а

), (3)

где В

АЈ 12

- Е - жесткость одного элемента

упругой вставки при изгибе;

С ц ba JE - жесткость одного элемента упругой вставки при кручении;

L cos a п ,...число элементов упругой

м°1

вставки;

а- угол наклона пазов или прорезей; а - сторона сечения бруса упругого элемента, параллельная нормали ее осевой линии;

b - сторона сечения бруса упругого элемента, параллельная ее бионормали;

rj - коэффициент отношения сторон одного элемента в упругой вставке Ь/а; E - модуль упругости при растяжении. Из выражения (3) после несложного преобразования получим

М

кр;

CByfep

L(B sin2a + C cos2a)

(4)

В конструкции данного устройства дифференциальная упругая вставка имеет длину L, концы которой опираются на

35 внутренние кольца подшипников качения и через конусные втулки соединяются с исследуемым валом. Считаем, что на этих участках дифференциальная упругая вставка не испытывает деформацию, поэтому в даль40 нейшем будем рассматривать только участок, заключенный между центрами, защемленными в подшипниках качения, т.е. длина дифференциальной упругой вставки, состоящая из двух частей LI и , - в ее

45 геометрическом центре. Дифференциальная упругая вставка из двух симметричных ч-зстей при условии L , состоящий каждая из элементов . Из выражения (2) после преобразования пол50 учим

Mi

(5)

Ц (В sfn2a + Ccos2a)

где М1 - крутящий момент, возникающий на одной из половин дифференциальной упругой вставки;

LI - соответственно одна из половинок дифференциальной упругой вставки;

tp - угол закручивания упругой дифференциальной вставки;

(pi - угол закручивания исследуемого вала, при условии, что Мкр М1+М2, т.е. крутящий момент равномерно прикладывается к обеим половинкам дифференциальной упругой вставки. Зто условие выполняется само собой, т.к. упругая вставка является одним целым и выполняется из единого куска металла, например, стали марки 65СВА или любой другой, в том числе и из бериллиевой бронзы марки Бр.ОЦС.6- 6-3. Выполняется условие кр р2, т.к. исследуемый вал жестко соединен с дифференциальной упругой вставкой. Перемещение конца одной половинки дифференциальной упругой вставки в зависимости от приложенного к ней момент Mi равно

. . rcMiD2n / 1 1 .

LX-а (с-в)3 па

Mi D2Lsin2o: 4СВ

где L д - смещение средней части дифференциальной упругой вставки. После подстановки (5) в выражение (6) получаем

, D (В -C)sln2a i 4(В sin2 a + С cos2 а)

Рассматривая влияние длины пазов дифференциальной упругой вставки становится ясно, что с увеличением длины винтовых линий с каждой стороны дифференциальной упругой вставки чувствительность его к изменению закручивания исследуемого полого вала не меняется. Соответственно и смещение конца одного элемента дифференциальной упругой вставки не зависит от формы и величины сечения и числа элементов в ней. Подставив (7) в выражение (2) и численные значения В и С, получим зависи- мость:

L

0,2530485 Mi Li P sin 2 а D4 (1750 sin2 a + 160 cos2 a )

Зависимость (8} является расчетной для определения смещения средней части дифференциальной упругой вставки и жестко укрепленного на ней подвижного токопроводящего витка в зависимости от момента, приложенного к исследуемому полому валу.

Определим максимально допустимые значения перемещения подвижного токопроводящего витка внутри i .агнитопроводэ в зависимости от угла наклона прорезей и пазов дифференциальной упругой вставхи, представив выражение (7) в другом виде, удобном для дальнейшего преобразования

D ( В - С fri

sin la

А , В sin2 a + С cos2 a

(9)

Здесь угол закручивания исследуемого полого вала под действием приложенного момента сил закручивается на тот же угол, на который закручивается исследуемый полый вал, преобразуется в виде линейного перемещения средней части дифференциальной упругой вставки за счет увеличения длины винтовых линий дифференциальной упругой вставки. Опуская промежуточные преобразования и исследовав на экстремум значение перемещения средней части дифференциальной упругой вставки определим Из условия

25

d L da

0

30

.dL

do

Ktx

. gcosSaflWQsin a-HMl-slnaa-ieo 1590 2slng cosa (1590 + 160)

преобразуем и получим:

(10)

1750 sin2« 160 cos2a ; 0,3023714;

tg a

а2„ 160 t9 a 1750

a 16,823881.

(11)

354045

50

55

При « 16,823881 это значение получается в экстремальной точке и является максимальным значением перемещения средней части дифференциальной упругой вставки и укрепленного в этом месте подвижного то- копроводящего витка, соответственно, при ,47 мм. Следовательно, и чувствительность устройства измерения крутящего момента внутри вращакщихся полых валов будет максимальная. На фиг.З представлен график зависимости величины смещения подвижного токопроводящего витка внутри магнитопро- вода от угла изготовления прорезей в дифференциальной упругой вставке. Приведенные выше доказательства показывают, как можно получить максимальную чувствительность и соответственно максимальную разрешающую способность, з также основные соотношения, влияющие на получение этих условий всего устройства в целом.

С помощью предлагаемого устройства для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов за счет измерения конструкции магнитопровода, расположения обмоток возбуждения и измерительной обмотки, а также расположения упругой дифференциальной вставки и угла пазов и прорезей на ней, расположенной внутри полых валов с соответственно закрепленным сухарем подвижного токо- проводящего витка, удалось снять информацию о крутящем моменте, не охватывая исследуемый вал, что очень актуально для измерения больших по величине моментов, т.к. в предлагаемом размещении всего устройства значительно сокращается его вес, уменьшается нагрузка на подшипники качения. Одновременно увеличивается эффективность и чувствительность всего устройства в целом за счет увеличения диаметра дифференциальной упругой вставки и, соответственно, увеличения длины винтовой линии пазов и прорезей в ней.

Устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов позволяет измерять крутящий момент кроме полых валов также в трубах и других пустотелых конструкциях, где по технологическим и другим условиям на эксплуатацию измерять крутящий момент или управлять переменными нагрузками, возникающими как на поверхности валов, так и внутри них. Существующие устройства для измерения крутяЧДего момента монтировались На валах, пропуская вал внутри устройства, как правило, обладающего достаточно большой массой и габаритами. Такие устройства не позволяли измерять крутящий момент и нагрузки внутри полых валов и труб.

Измерения подобного типа остро необходимы:

-в автомобильной промышленности для измерения крутящего момента, где устройство для измерения крутящего момента удачно компонуется внутри полого карданного вала, неся информацию о мощности, отбираемого проводом;

-в нефтедобывающей промышленности для измерения внутренних напряжений и моментов сил, возникающих при бурении внутри бурильных колонн;

-в авиационной промышленности для измерения крутящего момента внутри полых валов типа бочка, используемых для измерения тяговых усилий турбин турбореактивных двигателей. В некоторых случаях вообще невозможно измерять крутящий момент на валу, особенно в интересующих локальных местах и сечениях, т.к. на валу смонтированы и работают в термонапряженных условиях элементы, такие, как лопатки турбин и т д.

-в судостроительной промышленности для определения усилий на полых гребных валах судов, особенно под их опорами.

Предлагаемое устройство легко встраивается со стороны на кронштейне или другим способом и им очень удобно пользоваться для измерения крутящего момента внутри трубы или полого вала.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах, содержащее магнитопровод в виде неподвижного кольцевого элемента с обмотками возбуждения и измерительной обмоткой и упругую дифференциальную вставку с закрепленным на ней подвижным кольцевым элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения возможности измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов и увеличения чувствительности, в него введены дополнительный магнитопровод, выполненный в виде двух полых цилиндров,

трубчатый кронштейн, соосно размещенный внутри неподвижного кольцевого элемента, конусные втулки с прорезями и гайки, а также перемычка, при этом неподвижный кольцевой элемент выполнен в виде

двух полых цилиндров, соединенных перемычкой в его геометрическом центре, одни торцы полых цилиндров дополнительного магнитопровода расположены над подвижным кольцевым элементом, другие - установлены с возможностью перемещения вдоль трубчатого кронштейна, а конусные втулки установлены на трубчатом кронштейне с ёозможностью поджатия гайками через упругую дифференциальную вставку,

в которой выполнены прорези, к внутренней поверхности полого вала .

4иг. 2