Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах

 

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 токонепроводящего 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.

„„Я „„1783325 А1 союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 1. 3/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ..:: : - 2 (21) 4869955/10: .. мычкой 3 с обмотками возбуждения 6 и из(22) 26.09,90 . : мерительной обмоткой 7. В центре упругой (46) 23.12.92. бюл. № 47: . дифференцйальной вставки 10 с прорезами (71) Самарский политехнический институт через сухарь 11, выполненный из токонепим, В,В.Куйбышева..... - роводящего материала, устайовлен подвиж(72) O,À.Ãóáàéäóëëéí и В.И CepAloK ... ный кольцевой элемент 8 из немагнитного (56) Одинец С,C., Топилин Г.Е. Средства из- материала. Дополнительный магнитопромерения крутящего момента. — М.: МашинО-:. вод выйолнен в виде двух поль х цилиндров строеййе, 1977, — с.160.::. - 9. Грубчатый кронштейн 4 соосно размещен, . Авторское свидетельство СССР .. внутри магнитопровода 2. Одни торцы no-

¹ 903715, кл. G 01 L 3/10, 1980 .. . лых цилиндров дополнительного магнитопровода расположены над подвижным (54) YCTPOACTBO ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ KPY- кольцевым элементом 8, а другие — установТЯЩЕГО МОМЕНТА ЙА ВРАЩАЮЩИХСЯ лены с возможностью перемещения вдоль

ВАЛАХ трубчатого кронштейна, на котором уста(57) Сущность изобретения: устройство со- новлены конусные втулки 13; поджатые гайдержит магнитопровод 2 в виде неподвиж- ками 15 через упругую дифференциальную ного кольцевого элемента, состоящего из вставку 10 к внутренней поверхности полодвух полых цилиндров, соединенных пере- го вала, 3 ил.

1О b 2 7 11 Я У У

77 ф

12

1783325 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 поханизмов.:- 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 магнитопровода, служащий одно временно корпусом всего устройства для, измерения крутящего момента, в состав которого входят крышки с запресованными в них подшипниками качения, выполнен из электротехнической стали марки Ст. 10э (ГОСТ 3837-73). Подшипники качения, уста новленные в крышках магнитопровода, несут на себе всю массу такого устройства. 30

К недостаткам устройства для измерения крутящего момента следует отйести невозможность йзмерять крутящий момент, возникающий внутри полых валов машин и механизмов. . 35

Существующие устройства для измерения крутящего момента монтируются, как правило, только на валах, пройуская вал внутри себя, и содержат неподвижный коль40 цевой 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, что, естественно, содержит малую "длину винтовой линии и как результат преобра=ование угловой деформации в 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 испытанииполого вала устройство для измерения крутящего момента монтируется внутри вращающегося вала и соединяется с ним муфтами 1 и 2. лых валах, передающих усилия машин и ме- 10

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

Цель изобретения — повышение эффективности за счет возможности измерения крутящего момента внутри вращающихся полых BBRQB и увеличения чувствительности всего устройства в целом.

Поставленная цель достигается тем; что в устройстве для измерения крутящего момента внутри полых вращающихся валов для повышения эффективности, а также для увеличения чувствительности введены дополнительныйй магнитопровод, выполненный в виде двух полых цилиндров, трубчатый кронштейн, соосно размещенный внутри неподвижного кольцевого элемента, конусные втулки с прорезями и гайками, 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 подви>кным кольцевым элементом, а другие установлены с возможностью перемещения вдоль трубчатого кронштейна; конусные втулки установлены на трубчатом кронштейне с возможностью поджатия гайками через упругую дифференциальную вставку, в которой выпоЛнены прорези к внутренней поверхности полого вала.

Устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов представлено на фиг.1; на фиг.2 — упругая дифференциальная вставка; на фиг,3 — вид сбоку на нее.

Устройство состоит из исследуемого вращающегося полого вала 1, неподвижного кольцевого элемента, выполненного в виде двух полых цилиндров, служащего магнитопроводом 2, соединенных между собой перемычкой 3. Вовнутрь этих полых цилиндров вставлена трубка 4, являющаяся кронштейном, с отверстием внутри нее 5, 1783325 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 магнитопроводом 2. Удлиненные крышки 9 выполняют роль шунтов и изготавливаются из того же материала, что и неподвижный кольцевой элемент, выполненный в виде двух полых цил индров, служащих дополнйтельно 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 токонепроводящего материала, установлен подвижный токопpoводящий 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 магнитопроводов 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 так>ке с прорезя- мй, тем самым прижимая ее шероховатые поверхности 17 к внутренней поверхности полого вала 1. На фиг,2 показача 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 двух полых цилиндров, служащих магнлтопроводом, образуются два равномерно распределенных магнитных потока, направленных навстречу друг к другу, взаимно компенсирующих друг друга, магнитный поток Ф и магнитный поток Ф2 (фиг.1), условно показанные пунктирными линиями, 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

10 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 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

20 случае на выходе измерительной обмотки 7 индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна смещению геометрического центра подви>кного токопроводящего витка

8 относительно магнитной нейтрали, В подавляющем большинстве в неподвижном

25 кольцевом элементе, служащем магнитопроводом, выполненном в виде двух цилиндров, соединенных между собой перемычкой 3, геометрическая нейтраль располагается по центру неподвижного

30 кольцевого элемента, служащего магнитопроводом, образуя перемычку 3, которая соответственно образуется соединением двух цилиндров, неподвижного кольцевого эле35 мента, служащего магнитопроводом, практически совпадающую с магнитной нейтралью, Для корректировки геометрического расположенйя магнитной нейтрали служат удлиненные крышки, являющиеся дополнительным магнитопроводом 9, вы40 полненные в виде двух удлиненных полых цилиндров, концы которых подведены под подвижное токопроводящее кольцо 8, которые путем изменения величин зазоров симметрируют магнитные потоки между собой.

Чем больше величина зазора между торцами цилиндров неподвйжного кольцевого элемента, служащего магнитопроводом 2, и ния магнитного потока. Отсюда следует, что при больших воздушных зазорах линейность выходного сигнала увеличивается, но при этом падает чувствительнocTb 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 торцами удлиненных крышек, служащих до50 полнительным магнитопроводом 8, тем более линейный вид принимает кривая расйределе1783325 в большей мере конструкцией магнитной . цепи. Геометрические размеры неподвижного кольцевого элемента, служащего магнитопроводам, и зазора между его торцами двух цилиндров 2 и удлиненными крышка- 5 ми, которые в нашем случае служат дополнительным магнитапроводом 9 и их коэффициентом взаимоиндукции, определяются соотношением воздушных зазоров и их симметрией, Фаза сигнала, снимаемого 10 с измерительной обмотки 7, изменяется нэ

180 в зависимости от нагрузки, чта позволяет определить знак приложенного момента сил..

Эффективность и чувствительность все- 15 го устройства для измерения крутящего момента внутри вращающихся палых валов определяются не только количествам витков на обмотках возбуждения и измерительной обмотки и конструкцией магнитной 20 цепи, а в основном и прежде всего — длиной винтовой линии, т.е. в данном случае углом наклона прорезей и пазов, располо. женных на дифференциальной упругой. вставке. Пока>кем эту зависймость чисто 25 теоретически.

Из принципа Сен-Венана следует, что на достаточном расстоянии от концов длин- ного пустотелого вала, испытывающего деформацию скручивания (вал не соизмерим с 30 его диаметром и отличается хотя бы на порядок) напряжение не.зависит от способа, по которому усилия распределяются по концевым сечениям. Момент M p., прилаженный к пустотелому валу, вызывает его 35 поворот на угол rp

40 где l= яй /2.— полярный момент инерции

4 сечения вала, т.е. способ представления этого сечения. Так как концы пустотелого вала разнесены нэ расстояние L, то из вы- 45 ра>кения (1), подставив для удобства дальнейшего пользования численные значения, получим выражение после преобразования рср.=0,0012732 —, (2)

D где G — модуль сдвига, 0 — 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 углам каждая в своей половине. Па углу зэкручиванйя полого вала определим момент Ì l>. для средней части дифференциальной упругой вставки, преобразуя (2), далее получим KMvp D g sih Q co6 cf y

cosa С В

Ьа где В „Е жесткость одного элемента упругой вставки при изгибе;

С= у Ьа Š— жесткость одного элемента

3 упругой вставки при кручении;

l cosa и= число элементов упругой

М0д вставки;

a — угол наклона пазов или прорезей; а — сторона сечения бруса упругага элемента, параллельная нормали ее осевой линии;

Ь вЂ” сторона сечения бруса упругого элемента, параллельная ее бионормали;

g — коэффициент отношения сторон одного элемента в упругой вставке =Ь/а;

Š— модуль упругости при растяжении.

Из выражения (3) после несложного преобразования получим ...:

M MСВ

L (B s ln2 a + Ñ cos à ) СВ (5) М1—

L< (В slnР а+ С cos2а) где М1 — крутящий момент, возникающий на одной из половин дифференциальной упругой вставки, 5 — соответственна одна из половинок дифференциальной упругой вставки;

В конструкции данного устройства дифференциальная упругая вставка имеет длину L, концы которой опираются на 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 дальнейшем будем рассматривать только участок, заключенный между центрами, защемленйыми в подшипниках качения, т.е. длина дифференциальной упругой вставки, состоящая из двух частей L) и Lj, — в ее геометрическом центре. Дифференциальная упругая вставка из двух симметричных

UeñTeÀ при условии L = L1+Lz, состоящий каждая из элементов В=В1п; C=B

pt — угол закручивания упругой дифференциальной вставки;

pj — угол закручивания исследуемого вала, при условии, что М р — Mt+M2, т.е. кру.- тящий момент равномерно прикладывается 5 к обеим половинкам дифференциальной упругой вставки. Зто условие выполняется само собой, т.к. упругая вставка"является одним целым и вмполняется йз единого icyска металла, например, стали марки 10

65СВА или любой другой, в том числе и из бериллиевой бронзы марки Бр.ОЦС.66-3. Выполняется условие р(р= p<+ j62, т,к. исследуемый вал жестко соединен с дифференциальной упругой вставкой. 15

Перемещение конца одной половинки дифференциальной упругой вставки в зависимости от приложенного к ней момент . M> равно

zrM1О и 1 1

С В

М10 (з!п2а (6) 4СВ где 1 — смещение средней части дифференциальной упругой вставки. После подстановки (5) в выражение (6) получаем

30 (7) 0,2530485 M< L> D з п 2 а 8)

0 (1750 з!и а+160 соз а)

50 .Зависимость (8) является расчетной для определения смещения средней части диф-, ференциальной упругой вставки и жестко укрепленного на ней подвижного токопроводящего витка в зависимости от момента, 5 приложенного к исследуемому полому валу, Определим максимально допустимые значения перемещения подвижного токо1

4(В з п2а+Cсоз2а) 1 °

Рассматривая влияние длины пазов дифференциальной упругой вставки становится 35 ясно, что с увеличением длины винтовых линий с каждой стороны дифференциаль- . ной упругой вставки чувствительность его к изменению закручивания исследуемого полого вала не меняется, Соответственно и 40 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- 45 масть: проводящего витка внутри ь:агнитопровода в зависимости от угла наклона прорезей и пазов дифференциальйой упругой вставки, представив выражение (7) в другом виде, удобном для дальнейшего преобразования

sin 2 a

Я 4 В з!п2а+Ссоз2а .(9)

Здесь угол закручивания исследуемого полого вала Ър 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 винтовьМ линий дифференциальной упругой вставки, Опуская промежуточные преобразования и исследовав на экстремум значение перемещения средней части дифференциальной упругой вставки определим йз уаловия

=0

da а

=Krx

dc ,зру2д N и - 2 . и ы 2,, „, 05 (1590 sin а+ 16о Я преобразуем и получим:

1750 sin а =- 160 cos а; tg а =

=0,3023714;

tg а-; а= 16,823881.

При а = 16,823881 это значение получается в экстремальной точке и является максимальным значением перемещенйя средней части дифференциальной упругой вставки и укрепленного в этом месте подвижного токопроводящего витка,"соответственно, при

Lmax=0,47 мм. Следовательно, и чувствительность устройства измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов будет максимальная. На фиг.3 представлен график зависимости величины смещения подвижного токопроводящего витка внутри магнитопровода от угла изготовления прорезей в дифференциальной упругой вставке. Приведенные выше доказательства показывают, как можно получить максимальную чувствительность и соответственно максимальную разрешающую способность, а также основные соотношения, влияющие на получение этих условий всего устройства в цепом.

1783325

С помощью предлагаемого устройства для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов за счет измерения конструкции магнитопровода, расположения обмоток возбуждения и из- 5 мерительйой обмотки, а также расположения упругой дифферейциальной вставки и угла пазов и прорезей на ней, раСположенной внутри полых валов с соответственно закрепленным сухарем подвижного токо- 10 проводящего витка, удалось снять информацию о крут ящем моменте, не xaa Tûâàÿ исследуемый вал, что очень актуально для измерения больших по величине моментов, т.к, в предлагаемом размещении всего уст- 15 ройства значлтельно сокращается его вес, уменьшается нагрузка на подшипники качения. Одноврегиегчно увеличивается эффективность и чувствительность всего устройства в целом за счет увелйчения диа- 20 метра дифференциальной упругой вставки и, соответственно, увеличения длины винтовой линии пазов и прорезей в ней.

Устройство для измерения крутящего момента внутри вращающихся полых валов 25 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 30 переменными нагрузками, возникающими как на поверхности валов, так и внутри них.

Сугггествующие устройства для измерений крутйще1.о момента монтировались -Иа валах, пропуская вал внутри устройства, как 35 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 необ- 40 ходим ы:

- в автомобильной промышленности для измерения крутящего момента, где устройство для измерения крутящего момента удачно компонуется внутри полого кардан- 45 ного вала, неся информацию о мощности, отбираемого проводом; — в иефтедобывагощей промышленности для измерения внутренних напряжений и моментов сил, возникающих при бурении 50 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 гга валу, особенно в интересующих локальных местах и сечениях, т.к. на валу смонтированы и работают в термонапря>кенных условиях элементы, такие, как лопатки турбин йт.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 дифференциал ьную вставку с за крепленным на ней подвижным кольцевым элементом, о т л и ч а ю щ е е " я тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения возможности измерения крутящего момента внутрй вращающихся полых валов и увеличения чувствительности; в него введены дополнительный магнитопровод, выполненный в виде двух полых цилиндров, трубчатый кронштейн, соосно размещенныи 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 магиитопровода расположены над подвижным кольцевым элементом, другие — установлены с возможностью перемещения вдоль рубчатого кронштейна, а конусные втулки установлены на трубчатом кронштейне с возможностью поджатия гайками чЕрез упругую дифференциальную вставку, в которой выполнены прорези, к внутренней поверхности полого вала .

1783325

Ьг, 2

Составитель О. Губайдуллин

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н, Слободяник

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4507 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5