Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Дудніков В.С., студент Потірай Р.Т.

Дніпропетровьский націонаьний університет ім. Олеся Гончара, Україна

Пристрій для вимірювання крутного моменту на обертових валах натурних промислових установок

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, рис. 5]. 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 валу [2, рис. 2]. 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 блоку. Пропорційно крутному моменту вала формується аналоговий сигнал.

Відомий фоточутливий датчик, принцип дії якого заснований на зміні інтенсивності світлового потоку, що йде від джерела до фотоелементу [2, рис 6]. Датчик містить два диска, закріплених на кінцях базової ділянки вала. У дисках прорізані радіальні щілини, через які промінь світла від джерела проходить до фотоелементу. 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 розглядається нижче, 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 [3].

Кінематичний зв'язок виконаний у вигляді гнучкої пасової передачі. На валу енкодера закріплений шків під ремінь круглого поперечного перерізу, який охоплює вал, а в якості другого шківа 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.

Авторами запропоновано вдосконалення цього пристрою для вимірювання крутного моменту на обертових валах будь-яких виробничих машин без додаткових доробок конструкції і демонтажно - монтажних робіт.

Поставлена задача досягається тим, що 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 валу. При вертикальному розташуванні осі вала проміжний елемент підпружинений щодо стійки. Виходи лічильників імпульсів енкодерів підключені до пристрою, що показує різницю їх показань.

Пристрій (рис. 1,2) 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 валу 8 створює в їхньому контакті зусилля, пропорційне вазі енкодерів 1, 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 малюнку). 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 [4] при крученні стержнів круглого перетину, крутний момент М, що виникає по довжині вала, можна розрахувати за кутом його закручування

де – довжина валу, м;

G – модуль зсуву матеріалу, з якого виготовлений вал, Па;

J_p – полярний момент інерції поперечного перерізу вала, м⁴;

– кут відносного скручування двох перетинів вала на відстані l один відносно одного, радіан.

Якщо вал 8 повертається на кут µ_D, то мірні диски 10 енкодерів повертаються на кут

;

де D– діаметр вала, на якому вимірюється крутний момент;

d – діаметр мірного диску.

Тоді різниця кутів повороту двох енкодерів складе величину ,

де – кількість імпульсів від першого і другого енкодерів відповідно;

– коефіцієнт пропорційності, радіан / імпульс.

Коефіцієнт може бути визначений за формулою ,

де – число імпульсів на один оборот енкодера.

Наприклад, якщо , то рад/імпульс. Для підвищення точності вимірювання доцільно вибирати енкодери з максимально можливим значенням .

Тоді експериментальне значення крутного моменту, зафіксоване за допомогою пропонованого пристрою, може бути визначено за формулою

На рис.3 показана блок-схема системи фіксації різниці показань двох енкодерів. На входи енкодерів 1 подається кут обертання , який перетворюється лічильником імпульсів в відповідне число імпульсів . Виходи лічильників імпульсів під'єднані до пристрою 11, який здійснює

віднімання імпульсів . При ідеально точному виготовленні і монтажі пристрою і відсутності навантажувального моменту .

У реальності буде спостерігатися якесь значення . Це значення для обертового вала при відсутності крутного моменту буде постійним за величиною. При навантаженні валу моментом ця різниця буде змінюватися (збільшуватися) за рахунок появи . Величина крутного моменту буде пропорційна різниці значень , 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 валу, який обертається і має відкриту циліндричну ділянку. При цьому не потрібна попередня робота з валом (крім знежирення).

Література

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.

3. Ойматова К.Г., Руденко В.И., Бедарев С.А. Применение энкодеров для определения крутящих моментов в валах металлургических машин/ [Електронний ресурс] – Режим доступу: http:/ea.donntu.org/handle/123456789/21533 – Заголовок з екрану.

4. Ицкович Г.М., Винокуров А.И., Минин Л.С. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. Росвузиздат. 1963 – С.59, формула (4-8г).