Способ измерения крутящего момента и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 L 3/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1,у 1бЯУ б 4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (g1) 4884069/10 (22) 21.11.90 (46) 15,02.93. Бюл. й. 6 (71) Научно-исследовательский институт прикладной механики Научно-производств нного объединения "Ротор"

{72) Д,М. Зайцев, Л,Г. Эткин и Д.Л. Эткин (5I6) Плискин Ю.С, и др. Измерение переменных механических величин с помощью вибрационно-частотных датчиков/сб.

Регистрирующая аппаратура для вибрационно-частотных датчиков, ч. 1, ОНТИприбор. 1967, с. 87.

Авторское свидетельство СССР

М 1682837, кл. G 01 L 3/10, 1989.. БЦ,„, 17у5311 А1 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО

МОМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование. измерение крутящего момента частотными датчиками с механическим чувствительным элементом. Возбуждают колебания механического чувствительного элемента на заданной частоте,. упруго деформируют его элементом, на котором. измеряют крутящий момент, по разности значений частот колебаний чувствительного элемента при деформированном и недеформированном состояниях определяют крутящий момент. В процессе

179г>31 1 измерения переменную составляющую крутящего момента компенсируют, дополнительно деформируя чувствительный. элемент в плоскости его чувствительности, пропорционально скорости его смещения.

Устройство содержит цилиндрический чувствительный элемент (3), торцами шарнирно связанный с ведущим (1) и ведомым (2) валами. Элемент (3) охвачен упругой муфтой (11) из ферромагнитного материала. образованной набором П-образных элементов, жестко связанных концами с ведущим и ведомым валами. Внутри чувствительного элемента (3) расположен кронштейн (6) с возбудителем (7) и приемником (8) колебаний чувствительного элемента (3). Соосно муфте (11) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения физических величин, в частности, крутящего момента, частотными датчиками, снабженными механическими чувствительными элементами, и может быть использовано, например, в металлообрабатывающих отраслях промышленности.

Известен способ, заключающийся в том, что крутящий момент измеряют частотным датчиком с механическим чувствительным элементом следующим образом; возбуждают колебания механического чувствительного элемента на некоторой частоте, воздействуют элементом, на котором измеряют крутящий момент, на механический чувствительный элемент, вызывая упругую деформацию элемента, соответствующих недеформированному и деформированному его состояниям, определяют значение крутящего момента.

Известное устройство, реализующее вышеизложенный способ измерения крутящего момента, содержит цилиндрический упругий (механический) чувствительный элемент, торцы которого через шарнирные узлы присоединены к ведущему и ведомому валам. Цилиндрический упругий элемент охвачен упругой преимущественно в плоскости вращения валов муфтой, которая выполнена в виде набора П-образных упругих элементов, концы которых жестко связаны с ведущим и ведомым валами.

Цилиндрический упругий элемент охватывает кронштейн, жестко закрепленный на ведущем валу, а на кронштейне смонтированы возбудитель и приемник колебаний упругого элемента, выполненные в виде электромагнитных катушек с магнитными сердечниками. При этом возбудитель колеустановлена муфта (12}, выполненная из немагнитного материала в виде набора П-образных элементов. Муфта (12) жестко связана с ведущим валом (1) и охватывает муфту (11). Одни концы П-образных элементов муфты (12) шарнирно связаны с ведомым валом (2). Магнитопроводы. смонтированные на П-образных элементах муфты (12), обращены полюсными наконечниками к соответствующему П-образному элементу муфты (11), образуя магнитную цепь. Количество П-образных элементов муфт (11) и (12) четное, а полюсные наконечники половины общего числа магнитопроводов выполнены в виде постоянных магнитов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил. баний смонтирован таким образом, что возбуждаются преимущественно окружные колебания цилиндрического упругого элемента. Выводы обмоток возбудителя и

5 приемника колебаний через коллекторный блок подключены к электронному блоку, в состав которого входит усилитель, выход усилителя п одел ючен к воз будител ю кол ебаний, а ко входу усилителя подключен при1О емник колебаний. Таким образом. возбудитель и приемник колебаний, а также усилитель и цилиндрический упругий элемент образуют частотный датчик с механическим чувствительным элементом, 15 организованный по автогенераторной схе- ме, т.е., в этой схеме при определенных известных соотношениях фаз и амплитуд сигналов на входе и выходе усилитеЛя, возбуждаются незатухающие колебания, вследствие чего стенки цилиндрического упругого элемента совершают окружные колебания с некоторой собственной частотой.

Прй наличии крутящего момента, передаваемого от ведомого к ведущему валу, значе25 ние частоты колебаний стенок цилиндра изменяется, что обусловлирают измерение крутящего момента посредством устройства.

Недостатком известных способа и устройства является. наличие погрешности усреднения измеряемой величины, которая возникает при наложении на постоянный (или весьма медленно изменяющийся) по значению измеряемый сигнал некоторого

35 переменного по значению сигнала, обусловленного, например, откликом цилиндрического упругого элемента на колебательные процессы, имеющие место в механической системе (редукторе). B которую передается ® крутящий момент. чк;fç:çí,л югпешн сть

1795311 вызвана нелинейностью характеристики механического чувствительного элемента (значение частоты окружных колебаний тонкостенного цилиндра в функции крутящего . момента или окружного усилителя). Погреш- 5 нбсть усреднения измеряемой величины снижает точность измерений крутящего момента.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет снижения 10 погрешности усреднения измеряемой величины.

Поставленная цель достигается тем, что при измерении крутящего момента измеряют датчиком виброскорости скорость сме- 15 щения механического чувствительного элемента под действием переменной составляющей измеряемого крутящего момента и дополнительно упруго.деформирует его в плоскости чувствительности пропор- 20 ционально скорости смещения механического чувствительного элемента.

Поставленная цель достигается также тем, чт в устройство для измерения крутящего мо лента введены второй усилитель, выпал- 25 нежный из немагнитного материала в виде набора П-образных элементов, вторая муф.та, установленная соосно первой муфте, охваТывающая ее и жестко связанная с ведущим валом, шарнирный узел, связыва- 30 юнадий вторую муфту и ведомый вал с возмо кностью обеспечения взаимного поворота относительно их общей оси, магни1опроводы, каждый из которых выполнен в вйде двух полюсных наконечников, обра- 35 щенных к соответствующему П-образному элементу .первой муфты, и охватывающий соответствующий П-образный элемент второй муфты,.и обмотки, размещенные на каждол магнитопроводе и подключенные ко 40 второму усилителю, причем П-образные элементы первой муфты выполнены из ферроь1агнитного материала.

Количество П-образных элементов в пер ой и второй муфте четное, а полюсные 45 нак нечники половины общего числа магнитоп оводов выполнены в виде постоянных магнитов, обращенных полюсами к соответствующему П-образному элементу первой муфты, 50,На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого устройства, при работе которого реализуется заявляемый способ измерения крутящего момента; на фиг. 2, 3 и 4 — фраг- 55 менты конструкции заявляемого устройства, поясняющие взаимное расположение, взаймодействие основных элементов и существенность отличий заявляемогО устройства! на фиг. ", 6. 7 и 8 — взаимодействие первой и второй муфт в процессе измерения крутящего момента.

Заявляемый способ реализуется посредством следующего устройства.

Между ведущим валом 1 (который мо; жет быть, например, выходным валом электропривода металлообрабатывающего станка), см. фиг. 1 и 2, и ведомым валом 2 (который может быть, например, кронштейном для крепления инструмента металлообрабатывающего станка) смонтирован цилиндрический упругий чувствительный элемент 3, выполненный из магнитомягкого материала. Элемент 3 крепится к валам 1 и

2 соответственно шарнирными узлами 4 и 5. которые обеспечивают возл1ожность перемещения элемента 3 в осевом направлении (вдоль оси 0 — О, см. фиг. 1) и исключают линейные и угловые перемещения упругого элемента 3 в других направлениях и относительно других осей. Упругий элемент 3 охватывает кронштейн 6 (см. фиг. 1, 4), который жестко прикреплен к ведущему валу 1. На кронштейне 6 смонтированы возбудитель 7 и приемник 8 колебаний упругого элемента

3, которые выполнены в виде электромагнитных катушек с сердечниками из магнитного материала. Концы катушек возбудителя 7 и приемника 8 колебаний через коллектор 9 (см, фиг. 1) подключены к электронному блоку 10 (усилителю), Упругий элемент 3 охвачен выполненной из ферромагнитного материала (например, стали) упругой муфтой 11, образованной набором

П-образных элементов, равномерно по окружности расположенных вокруг упругого элемента 3. Каждый П-образный элемент муфты 11 жестко связан одним своим концом с ведущим валом 1, а другим концом— с ведомым валом 2 (см. фиг. 1, 2). Конструкция упругой муфты 11 исключает передачу моментов сил через нее в плоскости вращения валов 1 и 2 (т.е„в плоскости перпендикулярной плоскости чертежа фиг. 1), Одновременно конструкция муфты 11 обеспечивает передачу моментов сил в плоскостях, перпендикулярных плоскости вращения валов 1 и 2 (т.е., в плоскостях, которым принадлежит ось 0 — О), Таким образом, конструкция муфты 11 обеспечивает передачу крутящего моллента от вала 1 к валу 2 исключительно через упругий элемент 3.

Упругая муфта 11 охвачена изготовленной из немагнитного материала, например, бронзы, жесткой муфтой 12 (см. фиг. 1, 2, 4), которая выполнена в виде набора П-образных элементов, равномерно размещенных по образующей вокруг муфты 11, Каждыы

П-образный элемент муфты 12 одним концом жестко прикреплен к ведущему валу 1, э дру. ие концы П-образных элементов муфты 12 связаны жестко между собой и прикреплены через шарнирный узел 13 (см. фиг.

1) к ведомому валу 2. Конструкция жесткой муфты 12 обеспечивает синхронное вращение муфты 12 и ведущего вала 1, Одновременно шарнирный узел 13 обеспечивает возможность взаимного углового перемещения (в определенных пределах) относительно оси О-О вала 2 и муфты 12 (см. фиг.

1, 2) при передаче крутящего момента от вала 1 к валу 2. На П-образных элементах муфты 12 смонтированы две группы магнитопроводов 14, 15 и 16, 17 (см. фиг. 1-6), причем каждый магнитопровод охватывает. соответствующий П-образный элемент муфты 12. Каждый магнитопровод снабжен IlOлюсными наконечниками (см. фиг. 1-6), которые обращены к соответствующим Побразным элементам муфты 11, при этом каждые магнитопровод и соответствующий

П-образный элемент муфты 11 образуют магнитную цепь, магнитный поток Ф которого замыкается так, как это изображено на чертеже фиг. 3, Полюсные наконечники магнитопроводов 14 и 15 снабжены (см; фиг, 3 — 6) постоянными магнитами 18 (например, в виде пластин из материала КС-37 ГОСТ 21559— 76), которые ориентированы относительно соответствующего П-образного элемента муфты 11 в соответствии с чертежом фиг..3.

Полюсные наконечники магнитопроводов

16 и 17 выполнены формовкой на поверхностях последних, Магнитопроводы 14 и 15 снабжены соответственно обмотками 19, 20 и 21, 22, концы которых соединены между собой последовательно, синфазно. Таким образом, совокупность; магнитопроводы

14, 15, соответствующие П-образные элементы муфты 11, магниты 18 и обмотки 1922 образуют четыре датчика скорости (виброскорости), причем в обмотках 19-22 наводятся сигналы при взаимных перемещениях (колебаниях) П-образных элементов муфты 11 относительно полюсов соответствующих магниопроводов, пропорциональные значению виброскорости колебаний.

Магнитопроводы 16 и 17 снабжены соответственно обмотками 23, 24 и 25, 26, которые включены последовательно. Каждый магнитопровод 16 или 17 с соответствующей об. моткой 23 — 26 представляет собой электромагнит, предназначенный для силоsoro взаимодействия с соответствующим Побразным элементом (BblfloilHGHHblM из ферромагнитного материала) муфты 11 (см. фиг. 1). Концы обмоток 19 — 22 через коллектор 9 подключены ко входу Вх электронного

20

30 в этом случае имеет форму эллипса). Требуемое значение частоты колебаний элемента

40 M (см. фиг, 1) от вала 1 к валу 2 упругий элемент 3 деформируется таким образом, что его торцы (связанные с шарнирными

45 угол а, чему соответствует изменение значения частоты f колебаний упругого злемен50

55 блока 27, а к выходу Вых блока 27 подключены обмотки 23-26. Последовательное соединение обмоток 19-22 и 23-26 осуществлено на клеммных колодках, которые условно на приводимых чертежах не изображены, но место их размещения обозначено на фиг. 1 стрелкой В.

Электронный блок 27 представляет собой усилитель, обеспечивающий преобразование маломощных сигналов, наводимых в обмотках 19-22 в мощные токовые сигналы, поступающие в обмотки 23 — 26.

Блок 28 (частотомер), подключенный ко входу 8х блока 10 (или, что то же, к выходу приемника 8 колебаний упругого элемента

3) предназначен для измерения час-оты колебаний упругого элемента 3, текущез значение которой является функцией постоянного крутящего момента, передаваемого от ведущего к ведомому валу.

Заявляемый способ измерения крутящего момента реализуется посредством зая вляемого устройства следующим образом.

Цилиндрический упругий чувствительный элемент 3 возбуждается ка .одной из своих окружных частот колебаний (п редпочтительно с числом целых волн по окружности, например, п=2, см. (4), сечение упругого элемента 3 при максимальной деформации

3 обеспечивается, например, фильтром, настроенным на заданную частоту и размещенном в блоке 10 (на фиг, 1 частотный фильтр условно не обозначен). Возбуждение элемента 3 осуществляется по автогенераторной схеме посредством устройств: возбудитель 7, приемник 8 колебаний и усилитель 10. При передаче крутящего момента узлами 4 и 5, см: фиг. 1) взаимно поворачиваются относительно оси Π— О на некоторый та 3 на некоторую величину Af

Одновременно с упругим элементом 3 на тот же угол поворачивается (деформируется) муфта 11, см, фиг. 5, 6.

При наличии переменной составляющей m крутящего момента (см. фиг. 2) упругий элемент 3, а, следовательно, и муфта 11, колеблются относительно некоторого номинального положения с угловой скоростью а(см. фиг. 6). При этом П-образные элементы муфты 11, выполненные из ферромагнитного материала, перемещаются в сечении магнитног0 пото а l> л ни ов 18 (см, фиг.!

7953!!

55

3. 5. 6). вследствие чего периодически (или иным образом, но в соответствии с законом изменения значения крутящего момента) изменяется магнитная проводимость магнитной цепи датчиков виброскорости, и в ормотках 19-.22 наводятся сигналы, значение которых пропорционально значению виброскорости колебаний муфты 11. СигналМ с обмоток 19-22 через коллектор 9 поступают в блок 27 (усилитель) где ораоб раауютсл в токовые сигналы, поступакйцие в обмотки 23-26электромагнитов. Например, при гармонических колебаниях муфты 11 форма сигналов (виброскорости1, поступающих на вход Вх блока 27 Овк27 i. с ответствует чертежу фиг. 7 (такую же фор-" му имеет и ток вь 27. протекающий при эт,ом через обмотки 23-26), а закон изменен я силы Рэл.м.. с которой электромагниты воздействуют на П-образные элементы муфть . 11, соответствует чертежу фиг. 8. Другимь словами, при смещейии муфты 11 в ту ил и иную сторону от номинального положен !я на П-образные элементы действует демпфирующая сила Рэл.., значение которой пропорционально скорости смещения муфты 11 (а следовательно, ускорению муфты 11 и г!еременной составляющей крутящего момента, вызвавшей это ускорение).

Колебания муфты 11 относительно муфты 12, вызываемые наличием переменной составляющей измеряемого крутящего момента, обеспечиваются шарнирным узлом

13, который может быть выполнен, например, в виде подшипника скольжения. Общее количество П-образных элементов муфт 11 и 12 может быть произвольным, однако обязательно каждому магнитопровоДу муфты 12 должен соответствовать Побразный элемент муфты 11.

Целесообразно количество П-образных элементов в каждой муфте выбрать четным, что ы количество датчиков скорости было равно количеству электромагнитов, так это позволяет каждому датчику скорости поставит ;ь в соответствие электромагнит, что обеспечивает, во-первых, простоту балансировки, и. во-вторых, обеспечивает возмог<ность дальнейшего развития устройства, например, путем подключения каждой, обмотки электромагнита к соответствующему датчику виброскорости через соответствующий усилитель.

Применение постоянных магнитов в полюсных наконечниках магнитопроводов повышает технологичность конструкции и упрОщает ее, однако не является обязательным : возможно построение датчиков виброскорости на основе электромагнитов, 5

40 однако при этом требуется дополнительное оборудование, Как следует из приведенного описания работы устройства,.при его функционировании осуществляют измерение кругящего момента при наличии переменной составляющей, причем измерение осуществляют посредством механического чувствительного элемента (т.е. посредством чувствительного элемента 3). В процессе измерения переменную составляющую крутящего момента компенсируют дополнительно, деформируя чувствительный элемент 3 в плоскости его чувствительности (т.е., в плоскости вращения валов 1 и 2 и муфт 11 и 12) путем поворота муфты 11 посредством электромагнитов, размещенных на муфте

12. При этом направление и значение перемещения муфты 11, а, следовательно, и деформация элемента 3, вызванные действием электромагнитов, соответственно инверсно и пропорционально направлению и значению перемещения и деформации муфты 1! и элемента 3, вызванным переменной составляющей крутящего момента.

Формула изобретения

1. Способ измерения крутящего момента, заключающийся в том, что возбуждают колебания механического чувствительного элемента на заданной частоте, упруго деформируют его с помощью элемента, на котором измеряют крутящий момент, и по разности значений частот колебаний чувствительного элемента, соответствующих недеформированному и деформированному состояниям, определяют крутящий момент, отличающийся тем, что, с целью повышения точноСти за счет снижения погрешности усреднения, вызываемой переменной составляющей крутящего момента, измеряют датчиком виброскорости скорость смещения механического чувствительного элемента под действием переменной составляющей измеряемого крутящего момента и дополнительно упруго деформируют его в плоскости чувствительности пропорционально скорости смещения механического чувствительного элемента.

2. Устройство для измерения крутящего момента, содержащее цилиндрический упругий чувствительный элемент, торцы которого через шарнирные узлы связаны с ведущим и ведомым валами, охватывающую упругий чувствительный элемент упругую в плоскости вращения валов муфту, выполненную в виде набора П-образных злементов. концы которых жестко связаны с ведущим и ведомым валами, а также жестко соединенный с ведущим валом и охватывяемый упругим чувствительным элема набок

17953

12 кронштейн, на котором размещены подключенные к электронному блоку возбудитель и приемник колебаний упругого чувствительного элемента, отл ича ю щеес я тем, что, с целью повышения точности за счет 5 уменьшения погрешности усреднения, вызываемой-переменной составляющей измеряемого крутящего момента, в него введены второй усилитель, выполненная из немагнитного материала в виде набора П-образ-. 10 ных элементов вторая муфта, установленная соосно первой муфтой, охватывающая ее и жестко связанная с ведущим валом, шарнирный узел, связывающий втоpyio муфту и ведомый вал с возможностью 15 обеспечения взаимного поворота относительно их общей оси, магнитопроводы, каждый из которых выполнен в виде двух полюсных наконечников, обращенных к соответствующему П-образному элементу первой муфты, и охватывающий соответствующий П-образный элемент второй муфты, и обмотки, размещенные на каждом магнитопроводе и подключенные к второму усилителю, причем П-образные элементы первой муфты выполнены из ферромагнитного материала.. 3. Устройство по и. 2, о-т л и ч а ю щ е ес я тем, что количество П-образных элементов первой и второй муфт четное, а полюсные наконечники половины общего числа магнитопроводов выполнены в виде постоянных магнитов, обращенных полюсами к соответствующему П-образному элементу первой муфты, Составитель Д.Зайцев

Ред ктор Н.Федорова Техред М.Моргентал Корректор M.Ñàìáoðñêàë

Заказ 3135 Тираж Подписное

ЬНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ <.,ССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1(1