Пристрій для вимірювання крутного моменту на обертових валах натурних промислових установок

Реферат: Пристрій для вимірювання крутного моменту на обертових валах натурних промислових установок включає два ідентичних інкрементальних енкодера з лічильниками імпульсів, які розташовані на однаковій відстані від осі вала і паралельно їй рознесені по довжині і мають кінематичний зв'язок з перетинами вала на кінцях циліндричної ділянки з постійними розмірами поперечного перерізу, що забезпечує синхронне обертання енкодерів, причому енкодери закріплені в П-подібній скобі, яка через проміжний елемент з'єднана з вертикальною стійкою, проміжний елемент має шарнірне з'єднання зі скобою і стійкою, при цьому вісь шарнірного з'єднання зі скобою перпендикулярна осі вала і спрямована в її сторону, а вісь другого шарнірного з'єднання зі стійкою паралельна осі вала, на валах енкодерів закріплені мірні диски, що знаходяться у фрикційному контакті безпосередньо з поверхнею вала. UA 118805 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ КРУТНОГО МОМЕНТУ НА ОБЕРТОВИХ ВАЛАХ НАТУРНИХ ПРОМИСЛОВИХ УСТАНОВОК UA 118805 U UA 118805 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв для вимірювання крутних моментів на обертових валах. Може бути використана в різних галузях народного господарства для експериментального визначення крутних моментів на натурних діючих зразках техніки з обертовими валами. Крутний момент на валах технічних пристроїв є важливою характеристикою, яка визначає межі застосування і ефективність використання пристроїв. Вимірювання його, особливо на обертових валах, є складним технічним завданням, для вирішення якого в світі розроблено значна кількість пристроїв з різними принципами дії [1]. Одним з поширених методів вимірювання крутного моменту на обертових валах є використання тензометричного моста [1; 2]. У цьому випадку на вал наклеюються тензометри опору під кутом 45° до осі обертання, електрично з'єднані по мостовій схемі. Точки живлення та діагоналі моста виводяться на колекторні кільця, закріплені на валу (4 кільця). З колекторних кілець електричний сигнал знімається за допомогою щіток. Напруга в діагоналі моста пропорційна крутному моменту. Відомий індукційний фазочутливий торсіометр, який дозволяє оцінити крутний момент по куту скручування вала [3]. Для цього на валу жорстко кріпляться зубчасті диски з феромагнітного матеріалу. Зубці дисків з зазором рухаються в пазах нерухомо закріплених індукційних датчиків у вигляді П-подібних сердечників з обмотками. По обмоткам тече змінний струм, магнітний потік сердечників замикається через зубці дисків і, якщо вал нерухомий, фази напруг на виході датчиків збігаються. При обертанні під навантаженням вал скручується, зубці дисків зміщуються один щодо іншого, і порушується синхронність замикання магнітних потоків датчиків. Це призводить до різниці фаз сигналів, що надходять від датчиків на вхід фазочутливого блока. Пропорційно крутному моменту вала формується аналоговий сигнал. Відомий фоточутливий датчик, принцип дії якого заснований на зміні інтенсивності світлового потоку, що йде від джерела до фотоелемента [4]. Датчик містить два диска, закріплених на кінцях базової ділянки вала. У дисках прорізані радіальні щілини, через які промінь світла від джерела проходить до фотоелемента. При відсутності крутного моменту щілини в дисках збігаються. При збільшенні крутного моменту зросте кутовий зсув між щілинами в дисках, в результаті чого зменшується середня освітленість фотоелемента, обернено пропорційна величині крутного моменту. Загальним недоліком вище розглянутих пристроїв для вимірювання крутних моментів є неможливість їх використання і застосування до реальних діючих зразків техніки, якщо вони для цього спеціально не були пристосовані або не можуть бути доопрацьовані, наприклад, шляхом установки замкнутих колекторних кілець при тензометричному способі вимірювання. У виробничих умовах дуже складно забезпечити точну узгодженість взаємного розташування двох зубчастих дисків (індуктивний фазочутливий торсіометр) і дисків з радіальними щілинами (фотоелектричний датчик), які при цьому повинні бути виконані роз'ємними з двох половин. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є пристрій для вимірювання крутного моменту на обертовому валу, що включає два ідентичних інкрементальних енкодера з лічильниками імпульсів, розташовані на однаковій відстані від осі вала і паралельно їй, рознесені по довжині і мають кінематичний зв'язок з перетинами вала на кінцях циліндричної ділянки з постійними розмірами поперечного перерізу, що забезпечує синхронне обертання енкодерів [5]. Кінематичний зв'язок виконаний у вигляді гнучкої пасової передачі. На валу енкодера закріплений шків під ремінь круглого поперечного перерізу, який охоплює вал, а як другий шків виступає циліндрична поверхня самого вала, на якому вимірюється крутний момент. Передавальне відношення пасової передачі 1:1. Тоді відносний кутовий зсув двох контрольних точок, які лежать на одній циліндричній поверхні вала, відповідний куту закручування вала, може бути визначено як різниця імпульсів двох енкодерів. Такий пристрій для вимірювання крутного моменту може бути реалізовано тільки в тому випадку, якщо буде можливість заздалегідь одягнути ремінь на вал, наприклад при складанні або при мінімальному демонтажі і подальшому монтажі опорних вузлів, що не завжди доцільно і можливо в принципі. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення пристрою для вимірювання крутного моменту на обертових валах будь-яких виробничих машин без додаткових доробок конструкції і демонтажно-монтажних робіт. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для вимірювання крутного моменту на обертовому валу, що включає два ідентичних інкрементальних енкодера з лічильниками імпульсів, які розташовані на однаковій відстані від осі вала і паралельно їй, рознесені по довжині і мають кінематичний зв'язок з перетинами вала на кінцях циліндричної ділянки з 1 UA 118805 U 5 10 15 20 25 30 35 40 постійними розмірами поперечного перерізу, що забезпечує синхронне обертання енкодерів, енкодери закріплені в П-подібний скобі, яка через проміжний елемент з'єднана з вертикальною стійкою, проміжний елемент має шарнірне з'єднання зі скобою і стійкою, при цьому вісь шарнірного з'єднання зі скобою перпендикулярна осі вала і спрямована в її сторону, а вісь другого шарнірного з'єднання зі стійкою паралельна осі вала, на валах енкодерів закріплені мірні диски, що знаходяться у фрикційному контакті безпосередньо з поверхнею вала. При вертикальному розташуванні осі вала проміжний елемент підпружинений щодо стійки. Виходи лічильників імпульсів енкодерів підключені до пристрою, що показує різницю їх показань. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 схематично зображено пристрій при горизонтальному розташуванні осі вала; на Фіг. 2 - вид по стрілці А на Фіг. 1; на Фіг. 3 - блок-схема системи фіксації різниці показань двох енкодерів. Пристрій містить два однакових енкодера 1 з лічильниками імпульсів 2. Енкодери 1 закріплені в скобі 3 П-подібної форми. Скоба 3 через проміжний елемент 4 з'єднана з вертикальною стійкою 5. Елемент 4 має шарнірні з'єднання зі скобою 3 і стійкою 5. Шарнірне з'єднання елемента 4 зі скобою 3 має вісь 6, яка перпендикулярна осі 7 вала 8 і спрямована в її сторону. Вісь 9 другого шарнірного з'єднання зі стійкою 5 паралельна осі 7 вала 8. На валах енкодерів 1 закріплені мірні диски 10, які знаходяться в безпосередньому фрикційному контакті з поверхнею вала 8 в двох перетинах на кінцях циліндричної ділянки довжиною L з постійними розмірами поперечного перерізу. На проміжному елементі 4 закріплено пристрій 11, в якому відбувається обчислення різниці імпульсів від двох лічильників імпульсів. Вісь мірних дисків 10 розташовується вище осі 7 вала 8 на відстані h , що при горизонтальному розташуванні вала 8 створює в їхньому контакті зусилля, пропорційне вазі енкодерів і, лічильників імпульсів 2, скоби 3, проміжного елемента 4. При вертикальному розташуванні осі 7 вала 8 контактне зусилля між мірними дисками 10 і валом 8 створюється шляхом підпружинення проміжного елемента 4 щодо стійки 5 (не показано на кресленні). Для підвищення надійності контакту, опорна поверхня мірних дисків 10 погумована. Пристрій працює наступним чином. Зібраний пристрій спирається на вал 8, при цьому його мірні диски 10 стикаються з циліндричною поверхнею вала в двох перетинах, рознесених по довжині на відстань L . При обертанні вала 8 за рахунок фрикційного контакту обертаються мірні диски 10, закріплені на валах енкодерів 1. Енкодери, що обертаються, виробляють імпульси, кількість яких пропорційна куту повороту вала енкодера. Якщо вал 8 не навантажений крутним моментом, то обидва енкодера обертаються синхронно і лічильники імпульсів 2 показують однакові значення (n1  n2 ) . Завдяки шарнірним з'єднанням проміжного елемента 4 забезпечується компенсація всіх похибок виготовлення і монтажу, в результаті чого обидва мірні диска 10 гарантовано контактують з поверхнею вала 8 і притискаються з однаковим зусиллям. Відповідно до закону Гука [6], при крученні стержнів круглого перерізу, крутний момент M , що виникає по довжині вала, можна розрахувати за кутом його закручування M де  D  G  J p  , Н*м;  - довжина вала, м; G - модуль зсуву матеріалу, з якого виготовлений вал, Па; 4 J p - полярний момент інерції поперечного перерізу вала, м ; 45  D - кут відносного скручування двох перерізів вала на відстані  один відносно одного, радіан. Якщо вал 8 повертається на кут d   D  де 50  D , то мірні диски 10 енкодерів повертаються на кут D; d D - діаметр вала, на якому вимірюється крутний момент; d - діаметр мірного диска. Тоді різниця кутів повороту двох енкодерів складе величину де d  d1  d 2  K  n1  n2 , n1 , n2 - кількість імпульсів від першого і другого енкодерів відповідно; 2 UA 118805 U K - коефіцієнт пропорційності, радіан/імпульс. Коефіцієнт 360(2 радіан) , K може бути визначений за формулою K  Z де 5 Z - число імпульсів на один оборот енкодера. 2 Наприклад, якщо Z  25000 , то K   0,00025 рад/імпульс. Для підвищення 25000 точності вимірювання доцільно вибирати енкодери з максимально можливим значенням Z . Тоді експериментальне значення крутного моменту, пропонованого пристрою, може бути визначено за формулою Mе  10 K  n1  n2  G  J p   зафіксоване за допомогою d . D На Фіг. 3 показана блок-схема системи фіксації різниці показань двох енкодерів. На входи енкодерів 1 подається кут обертання  d , який перетворюється лічильником імпульсів в відповідне число імпульсів n1 , n2 . Виходи лічильників імпульсів під'єднані до пристрою 11, який здійснює віднімання імпульсів n1 і n 2 . При ідеально точному виготовленні і монтажі пристрою і відсутності навантажувального моменту n1  n2  0 . У реальності буде спостерігатися якесь значення 15 n1  n2  0 . Це значення для обертового вала при відсутності крутного моменту буде постійним за величиною. При навантаженні вала моментом ця різниця буде змінюватися (збільшуватися) за рахунок появи  d . Величина крутного моменту буде пропорційна різниці значень 20 25 30 35 40 n1  n2 , зафіксованих при роботі на холостому ходу і під навантаженням. Запропонований пристрій дозволяє зробити експериментальне визначення крутного моменту на будь-яких працюючих натурних промислових установках, якщо забезпечено вільний доступ, хоча б з одного боку, до вала, який обертається і має відкриту циліндричну ділянку. При цьому не потрібна попередня робота з валом (крім знежирення). Пристрій є універсальним і може бути використаний як при горизонтальному, так і при вертикальному розташуванні вала. Джерела інформації: 1. Измерение крутящего момента на вращающихся валах [Електронний ресурс] - Режим доступу: http:/ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/798 -Заголовок з екрану. 2. Приборы для измерения крутящего момента и мощности [Електронний ресурс] - Режим доступу: http:/ www.electroengineer.ru/2012/01 /blog-post_04.html - Заголовок з екрану - Рис. 4, рис.5. 3. Приборы для измерения крутящего момента и мощности [Електронний ресурс] - Режим доступу: http:/ www.electroengineer.ru/2012/01/blog-post_04.html - Заголовок з екрану - Рис. 2. 4. Приборы для измерения крутящего момента и мощности [Електронний ресурс] - Режим доступу: http:/ www.electroengineer.ru/2012/01/blog-post_04.html - Заголовок з екрану - Рис. 6. 5. Ойматова К.Г., Руденко В.И., Бедарев С.А. Применение энкодеров для определения крутящих моментов в валах металлургических машин/ Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць XII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17-20 квітня 2012 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2012. - С. 444-446. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http:/ http:/ea.donntu.org/handle/123456789/21533 Заголовок з екрану - Прототип. 6. Ицкович Г.М., Винокуров А.И., Минин Л.С. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. Росвузиздат. 1963 - С. 59, формула (4-8г). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 1. Пристрій для вимірювання крутного моменту на обертових валах натурних промислових установок, що включає два ідентичних інкрементальних енкодера з лічильниками імпульсів, які розташовані на однаковій відстані від осі вала і паралельно їй рознесені по довжині і мають кінематичний зв'язок з перетинами вала на кінцях циліндричної ділянки з постійними розмірами поперечного перерізу, що забезпечує синхронне обертання енкодерів, який відрізняється тим, що енкодери закріплені в П-подібній скобі, яка через проміжний елемент з'єднана з 3 UA 118805 U 5 вертикальною стійкою, проміжний елемент має шарнірне з'єднання зі скобою і стійкою, при цьому вісь шарнірного з'єднання зі скобою перпендикулярна осі вала і спрямована в її сторону, а вісь другого шарнірного з'єднання зі стійкою паралельна осі вала, на валах енкодерів закріплені мірні диски, що знаходяться у фрикційному контакті безпосередньо з поверхнею вала. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що при вертикальному розташуванні осі вала проміжний елемент підпружинений щодо стійки. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що виходи лічильників імпульсів енкодерів підключені до пристрою, що показує різницю їх показань. 4 UA 118805 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5