Устройство измерения осевой тяги на вращающемся валу

 

Изобретение предназначено для измерения осевой тяги, передаваемой на неподвижную конструкцию, поддерживающую этот вал посредством подшипника. Устройство содержит конструкцию типа "сэндвич", состоящую из упругой шайбы, окруженной двумя фланцами. Осевая нагрузка передается на упругую шайбу. Фланцы взаимодействуют с двумя зондами измерения перемещения, соединенными с неподвижной конструкцией машины. Осевую тягу определяют по разнице измерений двух зондов. Технический результат - возможность установки устройства на работающем оборудовании с минимальной модификацией. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройству для измерения сил, и, в частности, к устройству для измерения осевой тяги на вращающемся валу, которая передается на неподвижную конструкцию, поддерживающую этот вал посредством подшипника.

Улучшение характеристик машин осуществляется за счет измерения репрезентативных параметров их работы как в процессе испытаний, так и в случае непрерывных измерений при работе машины, с целью улучшения ее работы и управляемости.

Необходимость измерения осевой тяги между вращающимся валом и поддерживающей его неподвижной конструкцией возникает, в частности, в случае турбомашин, таких как промышленные турбины или турбодвигатели летательных аппаратов. Обычно речь идет о вале или роторе, соединенном с неподвижной конструкцией посредством, по меньшей мере, одного подшипника, выполняющего, по меньшей мере, функцию упора.

Известны многочисленные устройства, с помощью которых осуществляются эти меры. Одним из наиболее распространенных является устройство, включающее деформируемое в осевом направлении соединение между подшипником и неподвижной конструкцией и устройство для измерения этой деформации с последующим выводом вызванной этой деформацией осевой тяги.

Понятно, что подобные устройства должны предусматриваться в процессе проектирования машины, и они оказывают влияние на конструкцию машины вследствие своих размеров и вызываемых ими напряжений.

Ближайшим аналогом заявленного технического решения является устройство для измерения осевой силы на вращающемся валу, содержащее деформируемое в осевом направлении средство осевого соединения, размещенное между по меньшей мере одним подшипником, в котором закреплен вал, и неподвижной конструкцией, и устройство измерения осевой деформации (см. SU 1281937 A1, кл. G 01 L 5/12, 07.01.1987).

Основной задачей предлагаемого изобретения является создание устройства измерения осевой тяги на вращающемся валу, которое может легко устанавливаться на работающем оборудовании с минимальной его модификацией и имеет небольшие габаритные размера, позволяющие легко встраивать это устройство в работающее или новое оборудование.

Для решения этой задачи в изобретении предлагается устройство измерения осевой тяги между вращающимся валом и неподвижной конструкцией, при этом вращающийся вал направляется относительно неподвижной конструкции с помощью, по меньшей мере, одного подшипника, выполняющего по меньшей мере функцию упора, для чего этот подшипник снабжен вращающимся упором, поддерживающим осевую тягу, этот вращающийся упор удерживается на вращающемся валу устройством осевого соединения с помощью тяги, воздействующей на этот вращающийся упор, при этом устройство осевого соединения воспроизводит осевую тягу, осуществляемую между вращающимся валом и неподвижной конструкцией.

Такое устройство отличается тем, что: а) вращающийся упор может перемещаться в осевом направлении на вращающемся валу, б) два фланца, разделенные упругой шайбой, расположены на вращающемся валу на выходе из подшипника между устройством осевого соединения и вращающимся упором, при этом каждый из этих фланцев представляет собой измерительную сторону и эти измерительные стороны поворачиваются в одном направлении, в) два зонда измерения перемещения, соединенные с неподвижной конструкцией, расположены каждый напротив измерительной стороны, г) устройство для подсчета разницы измерений этих зондов и для вывода из этой разницы величины осевой тяги.

Задачей такого устройства является осевая деформация сжатием упругой шайбы на вращающемся валу под воздействием осевой тяги и вывод из измерения изменений положения сторон этой упругой шайбы, от неподвижной конструкции, величины P этой осевой тяги. Это измерительное устройство имеет небольшие размеры и может быть легко установлено вокруг вала в работающую машину, а также в проектируемую машину. Оно не требует модификаций вала и неподвижной конструкции, за исключением устройств, необходимых для крепления элементов этого устройства.

Изобретение обладает также тем преимуществом, что не ослабляет вал или группу, образуемую неподвижной конструкцией и подшипником. Кроме того, упругая шайба может естественным образом сопротивляться усилию сжатия P, значительно превышающему усилия сжатия P, соответствующие его области упругой деформации. Таким образом, анормальное повышение P не может произвести разрыв на уровне устройств изобретения. Кроме того, такое анормальное увеличение P вызывает лишь минимальное отклонение осевого положения вала.

В этом устройстве осевая тяга, передающаяся от вращающегося вала к неподвижной конструкции, последовательно проходит через осевое соединение на вращающемся валу, первый фланец, упругую шайбу, второй фланец, вращающийся упор и через сам упорный подшипник, который передает осевое усилие на неподвижную конструкцию. Таким образом, упругое кольцо подвергается сжатию осевой тягой, следствием чего является его деформация и сближение двух фланцев относительно друг друга. Это сближение E равно разнице осевых перемещений E1 и E2 двух фланцев, при этом E1 и E2 измеряются двумя зондами перемещения, соединенными с неподвижной конструкцией. Обозначив осевую жесткость упругой шайбы символом К, можно выразить осевую тягу P уравнением: P = K × ΔE, где E = (E2-E1).

Таким образом, устройство позволяет измерять осевую тягу без необходимости обустраивать зоны деформации в неподвижной конструкции или в валу, что позволяет сохранить их целостность. Упругая шайба и фланцы, позволяющие измерять толщину с помощью зондов перемещения, имеют небольшие габаритные размеры и легко могут устанавливаться на поверхности вала.

Удачным образом упругая шайба и фланцы располагаются на выходе из подшипника, что позволяет использовать пространство, окружающее вал в этом месте.

Также удачным образом применяются бесконтактные зонды перемещения, типа зондов на токах Фуко. Эти зонды небольшого размера можно легко установить на машине. Они обладают высокой чувствительностью, порядка 10 мВ/μм, что позволяет использовать очень твердую упругую шайбу, что вызывает очень незначительное и таким образом игнорируемое осевое перемещение вращающегося элемента под нагрузкой.

И наконец удачным образом упругая шайба толщиной E имеет сердечник, на каждой стороне которого, с одной и другой стороны расположены, по меньшей мере, два выступа в шахматном порядке. Подобное расположение вызывает изменение ΔE толщины E чередующимся изгибом сердечника между выступами и как результат появляется возможность использования упругой шайбы, имеющей очень широкий диапазон жесткостей при ограниченном размере.

Изобретение будет лучше понято и предоставляемые им преимущества станут более очевидными при его рассмотрении со ссылкой на подробный пример осуществления изобретения и фиг. 1-3.

На фигуре 1 приведен пример осуществления изобретения, в котором осевым соединительным элементом является гайка, которая выполняет также функцию первого фланца.

На фигуре 2 приведен вид спереди примера осуществления упругой шайбы с сердечником, на каждой из сторон которого имеются четыре выступа, расположенные в шахматном порядке относительно выступов другой стороны.

На фигуре 3 приведен вид сбоку того же примера осуществления изобретения.

В первую очередь обратимся к фигуре 1. Вращающийся вал 1 вращается вокруг геометрической оси вращения 2 внутри неподвижной конструкции 3 машины. Вал 1 передает на неподвижную конструкцию 3 осевую тягу, обозначенную цифрой 4 величиной P, которую необходимо измерить. Вал 1 приводится во вращение и закреплен в подшипнике 5 с гидростатической несущей способностью. Подшипник 5 имеет, в частности, неподвижное цилиндрическое отверстие 6, по бокам которого напротив друг друга расположены два неподвижных упора 7 и 8. Цилиндрическое отверстие 6 окружает цилиндрическую поверхность 9 на вращающемся валу 1 и взаимодействует с этой цилиндрической поверхностью 9 для обеспечения направления при вращении этого вращающегося вала 1. Подшипник 5 снабжен также двумя вращающимися упорами 10 и 11, расположенными на вращающемся валу 1 напротив неподвижных упоров, обозначенных соответственно цифрами 7 и 8, которые взаимодействуют с этими неподвижными упорами 7 и 8 для обеспечения положения движения вращающегося вала 1 относительно неподвижной конструкции 3. Вращающийся упор 10 передает в этом примере тягу 4. Этот вращающийся упор 10 естественным образом расположен со стороны подшипника 5, противоположной направлению осевой тяги 4, и удерживается гайкой 12, служащей средством осевого соединения, при этом гайка 12 навинчена на вращающийся вал 1 и передает на этот вращающийся упор 10 осевую тягу 4, Второй вращающийся упор 11, расположенный с другой стороны подшипника 5, в этом примере уменьшен до буртика, сделанного на вращающемся валу 1. Согласно изобретению, вращающийся упор 10, передающий тягу 4, смонтирован скользящим на вращающемся валу 1. Небольшое осевое биение является достаточным. Гайка 12 служит также первым фланцем 14 и включает первую сторону измерения 14a, направленную противоположно осуществлению осевой тяги 4, при этом эта первая сторона измерения 14a имеет форму плоской короны и перпендикулярна геометрической оси 2. Между гайкой 12 и вращающимся упором 10 на выходе 13 из подшипника 5 последовательно расположены на валу 1 упругая шайба 15, а также второй фланец 16, имеющий вторую измерительную сторону 16a, повернутую в том же направлении, что и первая измерительная сторона 14a, при этом эта вторая измерительная сторона 16a также имеет форму плоской короны и расположена перпендикулярно геометрической осью 2. Два зонда перемещения 17 и 18, соединенные с неподвижной конструкцией 3, расположены соответственно напротив первой и второй измерительной стороны 14a и 16a, соответственно гайки 12 и второго фланца 16. Необходимо отметить, что гайка 12 выполняет роль упора, находясь против буртика 19, выполненного на вращающемся валу 1, с тем чтобы зафиксировать точное осевое положение вращающегося упора 10. Работа группы происходит следующим образом. Осевая тяга 4, осуществляемая вращающимся валом 1, передается неподвижной конструкции 3 последовательно посредством гайки 12, упругой шайбы 15, второго фланца 16, вращающегося упора 10 и неподвижного упора 7. Под воздействием осевой тяги 4 упругая шайба 15 сжимается в осевом направлении, что вызывает сближение соответственно измерительных сторон 14а и 16а гайки 12, служащей первым фланцем 14, и второго фланца 16. Это сближение устанавливается разницей измерений, осуществляемых соответственно измерительными зондами 17 и 18 на измерительных сторонах 14а и 16a.

Удачным образом гайка 12 и вращающийся упор 10 связаны во вращении, например, с помощью штифта (чеки) 20.

Теперь обратимся одновременно к фигурам 2 и 3. Упругая шайба 15 имеет сердечник 25 в виде плоской шайбы прямоугольного сечения с двумя сторонами 25а и 25б, на каждой из которых расположены выступы, находящиеся на равном расстоянии, и обозначенные соответственно 26а и 26б, при этом, выступы 26а на стороне 25а расположены в шахматном порядке относительно выступов 26б на другой стороне 25б. Поверхности 15а и 15б соответственно выступов 26а и 26б образуют стороны 15а, 15б упругой шайбы 15, при этом эти стороны 15а, 15б соприкасаются с фланцами 14 и 16. Под воздействием осевой тяги 4 сердечник 25 поочередно и в осевом направлении деформируется между выступами 26а, 26б, что приводит к изменению Δ E толщины E упругой шайбы 15 в зависимости от величины P тяги 4. Специалисту легко выбрать требуемую жесткость К упругой шайбы 15, изменяя толщину сердечника 25, его ширину, а также количество выступов 26а, 26б.

Изобретение не ограничивается представленными примерами осуществления, а наоборот, относится ко всем возможным вариантам, не выходящим за рамки изобретения. Таким образом фланцы 14, 16 могут представлять собой отдельные детали, или наоборот, их функция может осуществляться соответственно гайкой 12 и вращающимся упором 10, поддерживающим осевую тягу 4.

Средство осевого соединения 12, который в этом примере может представлять собой вышеупомянутую гайку, может быть заменен любым эквивалентным устройством, например буртиком, выточенным на вращающемся элементе. В этом примере функцию первого фланца 14 удачным образом выполняет этот буртик 12, на боковой стороне которого будет выточена первая измерительная сторона 14а.

Необходимо также заметить, что изобретение применимо к любому типу подшипника, такому как гидродинамический, качения или подшипник, вращающееся кольцо которого обеспечивает функцию вращающегося упора 10.

Формула изобретения

1. Устройство измерения осевой тяги, создаваемой между вращающимся вокруг оси валом и неподвижной конструкцией, включающее деформируемое в осевом направлении средство осевого соединения, размещенное между по меньшей мере одним подшипником, в котором закреплен, вал и неподвижной конструкцией, и устройство измерения осевой деформации, отличающееся тем, что подшипник снабжен вращающимся упором (10), который выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении на вращающемся валу (1) и который удерживается на валу средством (12) осевого соединения, при этом между средством (12) осевого соединения и вращающимся упором (10) расположены первый и второй фланцы (14, 16), разделенные упругой шайбой (15), каждый фланец имеет измерительную боковую сторону (14а, 16а), и обе измерительные стороны (14а, 16а) ориентированы в одном направлении, а устройство измерения осевой деформации выполнено в виде соединенных с неподвижной конструкцией (3) двух зондов (17, 18) измерения перемещения, каждый из которых расположен напротив боковой измерительной стороны (14а, 16а) соответственно первого и второго фланцев (14, 16), а также устройства измерения разницы измерений зондов (17, 18) для определения осевой тяги (4).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругая шайба (15) и фланцы (14, 16) расположены на вращающемся валу (1) на выходе (13) из подшипника (5) с возможностью использования пространства, окружающего вал (1) в этом месте.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что зонды (17, 18) измерения перемещения выполнены по типу зондов на токах Фуко.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что упругая шайба (15) имеет сердечник (25), на каждой из боковых сторон (25а, 25б) которого расположены по меньшей мере соответственно два выступа (26а) и (26б), при этом выступы (26а, 26б) одной боковой стороны (25а, 25б) сердечника (25) расположены в шахматном порядке относительно выступов (26б, 26а) другой боковой стороны (25б, 25а), причем поверхности выступов (26а, 26б) образуют боковые стороны (15а, 15б) упругой шайбы (15) с тем, чтобы обеспечить изменение ΔЕ толщины Е упругой шайбы (15) чередующимся изгибом ее сердечника (25) между выступами (26а, 26б).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3