Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала

Номер патента: 14767

Опубликовано: 30.08.2011

Автор: Ярмолович Вячеслав Алексеевич

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЮ СПЛОШНОГО ВАЛА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) 1. Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала заданного диаметра , содержащее кинематически связываемые с валом механизм вращения с тормозным устройством, а также магнитную систему, содержащую две одинаковые 14767 1 2011.08.30 пары расположенных в одной плоскости, идентичных, магнитно связанных друг с другом постоянных магнитов с противоположно направленными полюсами в пределах каждой пары, выполненные с возможностью жесткого соединения с валом на заданном расстояниидруг от друга вдоль его оси, напротив которых на неподвижной опоре установлены два соответствующих им датчика Холла, соединенные выходами со входом аналогоцифрового преобразователя, выход которого соединен со входом микропроцессора, при этом каждая указанная пара магнитов армирована немагнитными металлическими обоймами,а магниты в ней установлены на расстояниидруг от друга, заданном соотношением 64 2 В /442 доп /, где Мв - заранее известный верхний предел определяемого момента- модуль скольжения доп - допустимое касательное напряжение для данного вала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все магниты выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов из редкоземельного материала с высокой удельной магнитной энергией, например из 5. Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала относится к электронному приборостроению. Известно устройство 1 (преобразователь крутящего момента), содержащее упругий вал, жестко через прокладки, закрепленные на нем два постоянных магнита, снабженные магнитомягкими полюсными наконечниками со скосами, датчик Холла, установленный неподвижно, пластина которого расположена между магнитами в плоскости, проходящей через ось вращения вала. Направления намагниченности магнитов совпадают и параллельны оси вращения вала. При действии крутящего момента за счет скручивания упругого вала происходит смещение магнитов с полюсными наконечниками в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. Смещение магнитов вызывает изменение направления вектора магнитной индукции в зазоре. Появляется составляющая вектора индукции магнитного поля, нормальная к поверхности пластины датчика Холла. Следовательно, амплитуда выходного сигнала (ЭДС Холла) пропорциональна величине крутящего момента, а знак - направлению его действия. При отсутствии крутящего момента выходной сигнал с датчика Холла равен нулю. Это устройство не обеспечивают высокой точности измерения крутящего момента или момента сопротивления вращению вала вследствие проявления магнитного гистерезиса в полюсных наконечниках магнитов. Величина смещения магнитов при скручивании, следовательно, и полюсных наконечников пропорциональна расстоянию между магнитами(так называемая база, которую трудно выполнить достаточно большой из-за специфики конструкционного решения). В результате небольшой базы амплитуда выходного сигнала недостаточно высока, что также уменьшает точность измерения крутящего момента. Увеличение массы магнитов и полюсных наконечников может привести к децентрированию вращающегося вала и значительным биениям, что негативно проявляется как в работоспособности вала, так и в точности измерений. Известно также устройство для определения момента сопротивления вращению вала 2, наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому (прототип). Устройство содержит механизм вращения с тормозным устройством, кинематически связанные с валом, магнитную систему, состоящую из двух постоянных магнитов, жестко закрепленных на валу и разнесенных по длине вала, напротив которых на неподвижной опоре установлены два датчика Холла, выходы которых подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу микропроцессора. Смещение одного магнита относительно другого за счет скручивания вала под действием момента сопротивле 2 14767 1 2011.08.30 ния вращению фиксируется с помощью двух датчиков Холла по их ЭДС, т.к. они через аналого-цифровой преобразователь подаются на микропроцессор и им обрабатываются по программе, заложенной при калибровке устройства. В этом устройстве база (расстояние между магнитами) может быть выбрана достаточно большой. Недостатком этого устройства является недостаточная точность измерения крутящего момента вследствие погрешностей, возникающих при определении малой величины относительного смещения магнитов из-за плавного (колокообразного) распределения индукции магнитного поля постоянного магнита вращающегося относительно соответствующего датчика Холла. Фактически это неопределенность координаты, относительно которой определяется смещение второго магнита. Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений момента сопротивления вращению сплошных валов работающих механизмов. Для решения этой задачи предложено следующее устройство. Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала заданного диаметра , содержащее кинематически связываемые с валом механизм вращения с тормозным устройством, а также магнитную систему, содержащую две одинаковые пары расположенных в одной плоскости, идентичных, магнитно связанных друг с другом постоянных магнитов с противоположно направленными полюсами в пределах каждой пары, выполненные с возможностью жесткого соединения с валом на заданном расстояниидруг от друга вдоль его оси, напротив которых на неподвижной опоре установлены два соответствующих им датчика Холла, соединенные выходами со входом аналогоцифрового преобразователя, выход которого соединен со входом микропроцессора, при этом каждая указанная пара магнитов армирована немагнитными металлическими обоймами,а магниты в ней установлены на расстояниидруг от друга, заданном соотношением 642 в/442 доп/,где в - заранее известный верхний предел определяемого момента- модуль скольжения доп - допустимое касательное напряжение для данного вала. Предложенное устройство отличается также тем, что все магниты выполнены в виде прямоугольных параллепипедов из редкоземельного материала с высокой удельной магнитной энергией, например из 5. Анализ составляющих элементов устройства показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Выполнение магнитной системы в виде двух пар постоянных магнитов, в которой каждая пара состоит из магнитов, расположенных в одной плоскости, параллельной оси вращения, причем магнитные полюса магнитов в паре противоположны, приводит к возникновению знакопеременного магнитного поля около каждого из датчиков Холла. Полученная таким образом конфигурация магнитного поля обладает существенно более высоким градиентом вблизи перехода через значение, равное нулю, и обладает близкой к линейной зависимостью индукции магнитного поля от координаты в области зазора . Высокий градиент магнитного поля обуславливает высокую чувствительность к перемещению, следовательно, значительно повышает точность измерения момента . Точка перехода индукции магнитного поля через нуль (смена знака) определяет координатус большой точностью, поскольку она не зависит от расстояния до элемента Холла и температуры. Следовательно, эта точка является реперной, и все относительно ее перемещения могут быть вычислены микропроцессором с повышенной точностью. Тем самым достигается решение поставленной задачи. 3 14767 1 2011.08.30 Поэтому указанные признаки выполнения устройства являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, признаки которых в комплексе обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена упрощенная функциональная схема устройства. На фиг. 2 представлено расположение постоянных магнитов на валу. На фиг. 3 приведено распределение нормальной составляющейиндукции магнитного поля пары постоянных магнитов из 5 с удельной энергией 27 шириной 4 мм и высотой 4 мм, установленных в одной плоскости на расстоянии 2 мм друг от друга, как функция смещения пары магнитовотносительно датчика Холла при 1 мм (величина зазора между датчиком Холла и магнитами). Выборобусловлен следующим при базе 0,1 м и диаметре сплошного стального вала 40 мм допустимое смещение одной пары магнитов относительно второй пары магнитов не должно превышать 1 мм, следовательно, максимальное значение 2 мм. Расчет выполнен с использованием программы, версия 4.0 3. Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала содержит механизм вращения 1 с тормозным устройством (не показано, тормозной момент изображен стрелкой с надписью ), кинематически связанные с валом 2, магнитную систему, состоящую из идентичных постоянных магнитов 3 и 4, жестко закрепленных на валу 2 и разнесенных по длине вала на длину . Постоянные магниты 5 и 6 магнитной системы идентичны магнитам 3 и 4, установлены на валу 2 с зазорамив одной плоскости с магнитами 3 и 4 и находятся в магнитной связи, причем магнитные полюса магнитов 3 и 5 противоположны, а также магнитные полюса магнитов 4 и 6 противоположны, при этом пары магнитов 3 и 5, а также 4 и 6 соответственно армированы немагнитными металлическими обоймами 7, жестко соединенными с валом 2. Напротив каждой пары постоянных магнитов 3, 5 и 4, 6 на неподвижной опоре (не показана) установлены соответственно два датчика Холла 8 и 9, выходы которых подключены к входу аналогоцифрового преобразователя 10, выход которого подключен ко входу микропроцессора 11. Принцип работы устройства основан на эффекте закручивания участка упругого вала на угол , пропорциональный моменту вращения , который равен измеряемому моменту сопротивления вращения вала(1)/,где- длина участка вала (база),- модуль скольжения,- полярный момент инерции вала. Максимальный допустимый момент вращения доп определяется геометрическими размерами и механическими свойствами вала, и, например, для сплошного вала диаметромимеем 4(2) доп 3 доп/16,где доп - допустимое касательное напряжение. Следовательно, максимально допустимый угол закручивания определяется из соотношения 4(3)2 доп/. Момент вращениявызывает закручивание вала 2 на малый угол , что приводит к смещению одной пары магнитов относительно другой пары в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на расстояние , которое измеряется с помощью датчиков Холла 8, 9 и микропроцессора(4)2/. Максимально допустимое смещение одной пары магнитов относительно второй в одну сторону равно , определяется для сплошного вала следующим образом 14767 1 2011.08.30 Следовательно, для измерениядостаточно измерятьс помощью датчиков Холла 8,9 и микропроцессора в диапазоне-,гдерассчитывается по формуле (5). Из расчетов (фиг. 3) следует, что однозначность функциии ее удовлетворительная линейность наблюдается в диапазоне -/2(-0)/2, где 0 - реперная точка,т.е. координата переходачерез ноль, поэтому легко выполнить измерения , следовательно, связанного с ним момента , еслине превышает /2 (относительное смещение магнитов не выйдет за пределы однозначности функции (. Увеличениеспособствует уменьшению градиента функции , т.е. уменьшается чувствительность к измерениям координаты . Поэтому оптимальным является выбор диапазона разнесения магнитов из соотношения/2.(7) Если, тои получаем формулу из (7) и (5) для расчета(8)42 доп/. В частном случае для стального сплошного вала с учетом/360 (радиан) 4 формулу (8) можно переписать в виде(9)2/180. Как пример, для стального несплошного вала имеющего внешний диаметр 1 и внутренний 2, формула (9) имеет вид(10)2/180(1-2). Обычно валы не нагружают предельным крутящим моментом. Рабочий диапазон измеряемых крутящих моментов обычно известен-вв,где в - верхний предел измеряемого момента. Он обычно выбирается с каким-то коэффициентом запаса, например двукратным. Следовательно, если устройство для определения момента сопротивления вращению вала должно измерять момент в диапазоне,задаваемом формулой (11), то(12)642 в/4. Следовательно, для работоспособности устройства необходимо выбиратьиз условия или с учетом ранее полученных формул(14) 642 в/442 доп/. Рассмотрим принцип измерения взаимного смещения пар магнитов на расстояниепри скручивании вала на угол . Устройство функционирует следующим образом. Сначала устройство калибруют, т.е. при 0 определяют зависимости индукции магнитного поля 1, 2 соответственно первого и второго датчика Холла от смещенияпри повороте вала на уголотносительно плоскости, проходящей через ось вала и середину зазора магнитов величиной, что при малых углах поворотаможно записать, что величина смещения относительно центра зазора (-0). В соответствии с фиг. 3 в области зазора -/2( - 0)/2 зависимости 1, 2 близки к линейным, отличающиеся только угловыми коэффициентами из-за неполной идентичности магнитных систем, и, следовательно, ЭДС Холла 1 первого 8 и 2 второго 9 датчиков Холла будут соответственно(15) 111,(16) 2220,где 1, 2 - магнитные чувствительности датчиков Холла, 0 - константа (постоянное напряжение), смещение которой можно программно или с помощью регулировок установить любым. Поскольку функция 1 знакопеременная (фиг. 3), т.е. при 1 имеем 1(1)0 и, следовательно, 1(1)0. Аналогично для второго датчика Холла 5 14767 1 2011.08.30 2(Х 2)0, где 2 - точка перехода функции 2 через ноль. Причем из-за разброса магнитных свойств магнитов, датчиков Холла и монтажа 12 и могут совпадать только в идеальном случае. При 1 для второго датчика Холла из выражения (16) имеем(17) 2(1)2(1)20. Устанавливая 0-2(1)2, получаем 2(1)0. Таким образом, точка 1 является реперной, при которой 2(1)1(1)0. Обозначим координату этой точки 0, т.е. 10. Под воздействием известного крутящего моментапара магнитов 2, 4 сместится на расстояние (-0)2/, которое пропорционально . Следовательно, при одновременном измерении в реперной точке при 0 имеем 1(0)0 и 1(0)0 для первого датчика Холла и для второго датчика Холла, значению 2(-0)2 соответствует одно значение , поскольку приближенно 2 является линейной функциейпри - /2/2. Следовательно, в память микропроцессора заносится градуировочная зависимостькак однозначная функция 2(-0), которая рассчитывается из зависимости 2. В динамике, при вращении вала, когда первый датчик Холла проходит реперную точку, т.е. 1(0)0, за счет крутящего моментадругая пара магнитов оказывается смещенной в плоскости, перпендикулярной оси вала на расстояние , и сигнал со второго датчика Холла пропорционален 2, по которому по градуировочной зависимости(2( определяется . Так как выполняется условие (14), то функцияявляется однозначной переменной . Таким образом, конфигурация магнитного поля является знакопеременной относительно перемещения магнитов около датчика Холла и обладает существенно более высоким градиентом вблизи перехода через значение, равное нулю, и характеризуется близкой к линейной зависимостью индукции магнитного поля от координатыв области зазора . Высокий градиент магнитного поля обуславливает высокую чувствительность к перемещению, следовательно, значительно повышает точность измерения момента . Точка перехода индукции магнитного поля через нуль (смена знака) определяет координату 0 с большой точностью, поскольку она не зависит от расстояния до элемента Холла и температуры. Следовательно, эта точка является реперной, и все относительно нее перемещения(-0) могут быть вычислены микропроцессором с повышенной точностью. Тем самым достигается решение поставленной задачи. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении, относится к электронному приборостроению и может быть использовано для прецизионного измерения момента сопротивления вращению вала для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата и соответствует критерию изобретательский уровень. 14767 1 2011.08.30 Источники информации 1. А.с. СССР 1525492, МПК 013/10, 1989. 2. Свидетельство на полезную модель 84568, МПК 013/488, 2009. (прототип). 3. Сайт в интернете //.-, программа, версия 4.0. 4. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. Изд. 2-е. - М. Машиностроение, 1965. - С. 334. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7

МПК / Метки

МПК: G01L 3/10

Метки: определения, вращению, устройство, сопротивления, момента, вала, сплошного

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/7-14767-ustrojjstvo-dlya-opredeleniya-momenta-soprotivleniya-vrashheniyu-sploshnogo-vala.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство для определения момента сопротивления вращению сплошного вала</a>

Похожие патенты