Пристрій для визначення крутного моменту, що передається валом відбору потужності

Реферат: Пристрій для виміру крутного моменту містить вал відбору потужності для передачі крутного моменту обертання навколо осі; перший елемент, що має позначки, розміщений нерухомо на валу відбору потужності; додатковий вал, що має перший кінець, прикріплений до одного кінця вала відбору потужності, і вільний другий кінець, що містить другий елемент, що має позначки, який розташований у тій самій осі обертання, що й перший елемент; датчик, розташований навпроти позначок, і призначений для забезпечення сигналу, що являє собою кутову зміну між позначками першого й другого елементів, причому сигнал призначений для передачі в обчислювальний елемент для визначення крутного моменту, переданого валом відбору потужності, на основі сигналу датчика. При цьому позначки першого й другого елементів виконані у вигляді витягнутих поздовжніх виступів, паралельних осі вала відбору потужності, при цьому перший і другий елементи встановлені так, що їх виступи чергуються одне з одним, а кутова відстань між виступами першого й другого елементів забезпечує зчитування сигналу кутової зміни між виступами першого й другого елементів. UA 115842 U (12) UA 115842 U UA 115842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв для виміру крутного моменту, що передається валом двигуна, наприклад валом газотурбінного двигуна літального апарата. Вимір крутного моменту вала є важливим для контролю потужності двигуна. Для виміру крутного моменту є різні рішення. Корисна модель описує варіант пристрою, який заснований на вимірі деформації вала при крутінні. Прототипом корисної моделі по сукупності істотних ознак є пристрій для виміру крутного моменту, що передається валом відбору потужності за патентом на винахід № RU 2 497 087, МПК G01L 3/10 (2006.01), опубл. 27.10.2013. Пристрій містить: вал відбору потужності для передачі крутного моменту; перше колесо, що містить кутові позначки, причому згадане перше колесо прикріплене до вала відбору потужності; опорний вал, що містить перший кінець, прикріплений до одного кінця вала відбору потужності, і вільний другий кінець, оснащений другим колесом, що містить кутові позначки, розташованим на тій самій осі, що й перше колесо; датчик, розташований фронтальною стороною до одного зі згаданих коліс і придатний для забезпечення сигналу, що характеризує кутову зміну між першим і другим колесами, причому згаданий сигнал придатний для передачі в обчислювальний елемент, призначений для визначення крутного моменту, що передається валом відбору потужності, на основі сигналу, забезпеченого датчиком. Перше й друге колесо містить послідовності кутових позначок, за допомогою яких сигнал датчика характеризує також температуру вала відбору потужності. Переважно першим і другим колесами є фонічні колеса, що мають кутові позначки першої, другої, третьої й четвертої послідовностей, виконані у вигляді зубів. Конфігурація системи позначок фонічних коліс дозволяє, при використанні одного датчика, визначати кутову деформацію вала відбору потужності з урахуванням його температури. Перевага винаходу-прототипу полягає в тому, що пристрій потребує одного датчика, щоб одержати величину крутного моменту, що враховує температуру вала. Недоліком прототипу є складність конструкції, через застосування складної системи позначок. Інший недолік пристрою в тім, що фонічні колеса із зубами незручні там, де немає простору для їхнього встановлення. Задачею корисної моделі є спрощення конструкції пристрою за рахунок зміни форми елементів з позначками. Додатковим результатом є компактність конструкції. Задача вирішується тим, що в пристрої для виміру крутного моменту, який містить вал відбору потужності для передачі крутного моменту обертання навколо осі; перший елемент, що має позначки, розміщений нерухомо на валу відбору потужності; додатковий вал, що має перший кінець, прикріплений до одного кінця вала відбору потужності, і вільний другий кінець, що містить другий елемент, що має позначки, який розташований у тій самій осі обертання, що й перший елемент, причому перший і другий елементи мають однакову кількість позначок; і датчик, розташований навпроти позначок, і призначений для забезпечення сигналу, який являє собою кутову зміну між позначками першого й другого елементів, причому сигнал придатний для передачі в обчислювальний елемент для визначення крутного моменту, переданого валом відбору потужності, на основі сигналу датчика, відповідно до корисної моделі тим, що позначки першого й другого елементів виконані у вигляді витягнутих поздовжніх виступів, паралельних осі вала відбору потужності, при цьому перший і другий елементи встановлені так, що їх виступи чергуються одне з одним, а кутова відстань між виступами першого й другого елементів забезпечує зчитування сигналу кутової зміни між виступами першого й другого елементів. Переважно перший і другий елементи містять по 8 виступів, рівномірно розташованих по окружності, а кутова відстань між виступами першого й другого елемента становить α=25°20 25°40. Пристрій додатково може мати датчик температури, розташований в одній площині з датчиком сигналу кутової зміни, і призначений для визначення температури в зоні зчитування сигналу кутової зміни між виступами, і її надання в обчислювальний елемент для урахування зміни пружних властивостей вала відбору потужності при зміні температури. Принцип роботи пристрою для визначення крутного моменту, що далі по тексту названий вимірником крутного моменту (ВКМ), заснований на фазометричному методі, за яким значення крутного моменту визначається по кутовій деформації вала. Для визначення цієї деформації на кінець вала встановлюють елементи з виступами, так звані індуктори, що зроблені з феромагнітного матеріалу, наприклад сталі, а над індукторами закріплюється датчик. Далі за текстом опису елементи з виступами названі індукторами. Спрощення конструкції й забезпечення компактності ВКМ у заявленій корисній моделі досягається за рахунок форми виконання виступів індукторів. 1 UA 115842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Можливість досягнення технічного результату й доцільність такого спрощення конструкції підтверджена в результаті дослідження розробленої на основі корисної моделі числової тривимірної моделі ВКМ, при якому отримана статична характеристика механічної частини ВКМ, проведений її аналіз і оцінені похибки. Статична характеристика ВКМ являє собою залежність величини крутного моменту від кута скручування й температури деталей ВКМ. Для її визначення оцінювалися окружні переміщення виступів першого й другого індукторів під впливом різних температур і крутних моментів у діапазоні передбачуваних умов експлуатації. Аналіз кутового переміщення виступів показує, що переміщення контрольних точок першого й другого індукторів лінійно залежить від величини переданого крутного моменту. Залежність кута скручування від температури проявляється незначно. При зміні температури деталей ВКМ на 100 °C кут скручування змінюється на 0,21,8 %. Таким чином дослідження показало, що характеристика Мкр=f(α, T) мало залежить від температури. Це пояснюється тим, що графічна залежність модуля пружності від температури є пологою. При передачі великих крутних моментів при низьких температурах вузла похибка менше (до δ=0,006 %), при передачі малих крутних моментів при високих температурах похибка становить δ=0,61 %. Осьові температурні деформації приводять до похибки через зміну вимірювальної бази, якою є відстань між площиною закріплення першого індуктора й площиною закріплення додаткового вала на валу відбору потужності. Величина похибки, обумовленої неврахуванням даного фактора, складе δ(α)=0,416 % у робочому діапазоні робочих температур. Таким чином при нагріванні деталей ВКМ вимірювальна база збільшується незначно. Однак, для урахування факторів впливу температур і, як наслідок, підвищення точності виміру крутного моменту, у кращому варіанті реалізації корисна модель містить датчик температури, показання якого враховуються в алгоритмі розрахунку крутного моменту. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: фіг. 1 - загальний вигляд вимірника крутного моменту; фіг. 2 – вигляд вимірника крутного моменту (розріз А-А); Фіг. 3 - схема розташування виступів і кутів між індукторами без навантаження; Фіг. 4 - схема розташування виступів і кутів між індукторами під навантаженням. ВКМ містить (фіг. 1, 2, 3, 4) вал 1, на якому жорстко закріплений перший індуктор 3. На вал 1 надягнутий додатковий вал 2, що з одного кінця жорстко закріплений на валу 1, а інший кінець є вільним від закріплення й на ньому розташований другий індуктор 4, виконаний спільно з валом 2. Додатковий вал 2 і індуктор 3 на вал 1 напресовують й фіксують штифтами. Індуктори 3 і 4 розміщені в одній осі, так що виступи індуктора 3 й виступи індуктора 4 чергуються одне з одним, причому індуктори 3 і 4 мають по 8 виступів; рівномірно розташованих по колу, а кутова відстань між виступами індукторів при установці становить α=25°20-25°40. Індуктивний датчик 5, що зчитує сигнал кутової зміни, являє собою електропровідну обмотку (котушку), усередині якої розташований магнітний циліндричний стрижень. В одній площині з датчиком 5 установлений датчик 6 температури. Датчики 5 і 6 пов'язані з обчислювальним елементом. Пристрій працює таким чином. У процесі роботи під дією крутного моменту, що передається від двигуна, основний вал 1 в місті закріплення індуктора 3 скручується на кут φ (фіг. 3, 4), величина якого залежить від величини крутного моменту й відстані до місця прикладення крутного моменту. Додатковий вал 2 навантаження не передає й з одного краю центрується із зазором, тому кут його повороту щодо початкового положення дорівнює куту скручування основного вала в місці його фіксації штифтом, тобто практично близький до нуля. Таким чином, при прикладенні навантаження до вала 1 відбувається кутовий зсув виступів індуктора 3 відносно виступів індуктора 4, тобто відстань між виступами дорівнює α+φ. Кутова зміна між виступами індуктора 3 і виступів індуктора 4 фіксується індуктивним датчиком 5. Сигнал, що генерує датчик 5, являє собою послідовність імпульсних сигналів, у якій, кожний "пік" відповідає одному виступу. Сигнал датчика 5 щораз, коли виступи проходять перед ним, передається в обчислювальний елемент. Обчислювальний елемент запрограмований з можливістю розпізнавання, який виступ пов'язаний з яким піком у сигналі. Крутний момент визначається за допомогою оцінки інтервалу часу між сигналами від виступів індукторів, що зчитує датчик, які відповідають зміні кута скручування навантаженого вала 1 щодо ненавантаженого вала 2. Датчик температури 6, розташований в одній площині з датчиком 5, визначає температуру в зоні зчитування сигналу кутової зміни між виступами, і передає дані в обчислювальний елемент. Алгоритм, що використовується в обчислювальному елементі, враховує показання датчика 6 2 UA 115842 U 5 при розрахунку крутного моменту як параметр, що впливає на зміну пружних властивостей вала відбору потужності при зміні температури. Випробування ВКМ проводилися для умов, обумовлених межами його застосування: частота обертання n=7200-12960 об/хв, переданий крутний момент Мкр = 186,325-1245,438 Нм, температура вузла Т=20-300 °C. Всі деталі ВКМ виконувалися зі сталі 30×2Н2МФА-Ш, фізичні властивості якої задовольняють вимогам до матеріалу, що забезпечує працездатність і характеристики пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 1. Пристрій для виміру крутного моменту, що містить вал відбору потужності для передачі крутного моменту обертання навколо осі; перший елемент, що має позначки, розміщений нерухомо на валу відбору потужності; додатковий вал, що має перший кінець, прикріплений до одного кінця вала відбору потужності, і вільний другий кінець, що містить другий елемент, що має позначки, який розташований у тій самій осі обертання, що й перший елемент; датчик, розташований навпроти позначок, і призначений для забезпечення сигналу, що являє собою кутову зміну між позначками першого й другого елементів, причому сигнал призначений для передачі в обчислювальний елемент для визначення крутного моменту, переданого валом відбору потужності, на основі сигналу датчика, який відрізняється тим, що позначки першого й другого елементів виконані у вигляді витягнутих поздовжніх виступів, паралельних осі вала відбору потужності, при цьому перший і другий елементи встановлені так, що їх виступи чергуються одне з одним, а кутова відстань між виступами першого й другого елементів забезпечує зчитування сигналу кутової зміни між виступами першого й другого елементів. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що перший і другий елементи мають по 8 виступів, рівномірно розташованих по окружності, а кутова відстань між виступами першого і другого елемента становить =25°20'-25°40'. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що містить датчик температури, розташований в одній площині з датчиком сигналу кутової зміни, і призначений для визначення температури в зоні зчитування сигналу кутової зміни, і її передачі в обчислювальний елемент для урахування зміни пружних властивостей вала відбору потужності від впливу температури. 3 UA 115842 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4