RU2615915C1 - Датчик крутильных колебаний - Google Patents
Датчик крутильных колебаний Download PDFInfo
- Publication number
- RU2615915C1 RU2615915C1 RU2016112105A RU2016112105A RU2615915C1 RU 2615915 C1 RU2615915 C1 RU 2615915C1 RU 2016112105 A RU2016112105 A RU 2016112105A RU 2016112105 A RU2016112105 A RU 2016112105A RU 2615915 C1 RU2615915 C1 RU 2615915C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- torsional vibration
- vibration sensor
- inertial body
- magnetic
- shaft
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутильных колебаний валов. Датчик крутильных колебаний содержит установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленного на валу, имеющем квадратные хвостовики, инерционного тела, в составе магнитопроводной пластины, на одном конце которой закреплен Г-образный магнитопровод, а на другом - противовес, при этом на одних концах магнитопроводной пластины и Г-образного магнитопровода встречно установлены две пары постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров с разнонаправленными векторами магнитной индукции, преобразователь образован постоянными магнитами инерционного тела и плоской О-образной бифилярной электрической катушкой, два участка которой прямолинейны и радиально расположены по отношению к валу инерционного тела. Технический результат – повышение точности измерения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутильных колебаний валов, например коленчатых валов поршневых двигателей внутреннего сгорания.
При исследовании и отработке механических изделий возникает задача измерения параметров движения (перемещения, скорости, ускорения) различных звеньев механизмов, в частности вибропараметров. Характерным примером колебательного движения является вращение коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания по причине импульсного характера силы, возникающей при сгорании топлива.
Первичным преобразователем (чувствительным элементом) значительного количества средств измерений служит инерционное тело, сопряженное с другим звеном. Варианты исполнения преследуют различные цели - повышение технологичности, точности измерений, упрощение конструкции и т.п.
В датчике ускорения (патент RU 2247992, опубл. 10.03.2005) в качестве чувствительного элемента датчика установлены инерционные массы, выполненные в виде жестко фиксированных последовательно вдоль оси чувствительного элемента усеченных конических деталей, вершины которых ориентированы в направлении, обратном перемещению чувствительного элемента, каждая из которых подгружена другим элементом относительно торца корпуса с возможностью осевого перемещения в направлении упругого элемента, а в качестве исполнительного механизма датчик содержит катушку индуктивности, которая взаимодействует с перемещающимся в ее полости подвижным сердечником, который жестко соединен с усеченными коническими деталями чувствительного элемента, сердечник с чувствительным элементом установлены с возможностью ограничения обратного перемещения последних относительно направления вектора измеряемого ускорения посредством последовательно установленных шариковых фиксаторов. Недостатком этого датчика является ограниченная точность преобразования, обусловленная наличием постоянного (Кулонова) трения в сопряжениях, которое создает так называемую зону застоя.
Преобразователь инерциальной информации (патент RU 2199755, опубл. 27.02.2003) содержит корпус, в котором установлен чувствительный элемент с подвижной частью и неподвижной частью, которые соединены между собой посредством упругого шарнира. На подвижной части чувствительного элемента установлен груз. Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит установленный в корпусе постоянный магнит с диаметральным направлением намагниченности и компенсационную катушку на подвижной части чувствительного элемента. Неподвижные электроды емкостного преобразователя положения расположены на постоянном магните, а подвижный электрод выполнен в виде электропроводной поверхности подвижной части чувствительного элемента. Наличие электрических выводов от подвижного электрода и катушки создает нелинейное сопротивление движению чувствительного элемента, что снижает точность преобразования.
В ряде конструкций ФГУП «ЦЕНКИ» (например, RU 2485524, опубл. 20.06.2013) также применены подвижные катушки.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является преобразователь крутильных колебаний по патенту на полезную модель RU 142033U1, МПК G01L 3/04. Опубл. 20.06.2014, Бюл. №17. В преобразователе крутильных колебаний, содержащем установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, упругий шарнир выполнен в виде растяжки, один конец которой закреплен на корпусе неподвижно, другой соединен с корпусом через рессору, чувствительный элемент выполнен в виде закрепленного на средней части растяжки осесимметричного тела, составленного из центральной магнитопроводной втулки, по торцам которой закреплены средней частью плоские параллельно расположенные магнитопроводы прямоугольного сечения, на их концах встречно закреплены постоянные магниты осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров, при этом магнитоэлектрический преобразователь образован постоянными магнитами чувствительного элемента и двумя плоскими катушками, размещенными неподвижно в магнитных зазорах чувствительного элемента. В преобразователе крутильных колебаний растяжка выполнена из плоской упругой ленты, а регулируемая рессора выполнена в виде упругой балки с тисковым креплением для растяжки на консольном конце и с поворотным шарниром в заделке, при этом поворотный шарнир снабжен средством фиксации.
В рассматриваемом преобразователе точность измерения ограничена нелинейностью характеристики преобразования из-за переменной величины эффективной площади перекрытия катушки магнитным зазором. Кроме того, на указанную площадь перекрытия влияет биение исследуемого вала в своих подшипниках, поскольку поперечная жесткость растяжки мала.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения.
При этом решаются задачи:
1. Разработка принципа работы датчика крутильных колебаний, реализующего линейную характеристику функции преобразования.
2. Разработка основных технических решений при достаточно простой и технологичной конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике крутильных колебаний, содержащем установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, чувствительный элемент выполнен в виде установленного на валу, имеющем квадратные хвостовики, инерционного тела, в составе магнитопроводной пластины, на одном конце которой закреплен Г-образный магнитопровод, а на другом - противовес, при этом на одних концах магнитопроводной пластины и Г-образного магнитопровода встречно установлены две пары постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров с разнонаправленными векторами магнитной индукции, преобразователь образован постоянными магнитами инерционного тела и плоской О-образной бифилярной электрической катушкой, два участка которой прямолинейны и радиально расположены по отношению к валу инерционного тела. В предлагаемом датчике крутильных колебаний прямолинейные участки плоской О-образной бифилярной электрической катушки расположены симметрично в магнитных зазорах инерционного тела, а упругий шарнир выполнен в виде двух пар плоских пружин, образующих угол 90°, при этом одни концы плоских пружин закреплены на корпусе датчика крутильных колебаний, а другие - на квадратных хвостовиках вала инерционного тела.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами: фиг. 1 - вид сверху со снятым переходником; фиг. 2 - разрез Α-A по фиг. 1; фиг. 3 - конструкция крепления плоских пружин; фиг. 4 - расчетная схема.
Принятые обозначения
1 - корпус
2 - верхний сектор (выступ) крепления пружин
3 - нижний сектор крепления пружин
4 - верхний сектор преобразователя
5 - нижний сектор преобразователя (вспомогательный)
6 - вал чувствительного элемента
7 - магнитопроводная пластина (крыло)
8 - противовес
9 - Г-образный магнитопровод
10 - постоянный магниты
11 - плоские пружины
12 - винты крепления плоских пружин на квадратных хвостовиках вала 6
13 - винты крепления плоских пружин на секторах 2, 3 корпуса 1
14 - плоская О-образная бифилярная электрическая катушка
15 - планка крепления катушки 14
16 - винты крепления планки 15
17 - переходник
18 - крышка токосъемника
19 - винты крепления переходника
20 - винты крепления крышки токосъемника
21 - токосъемник
22 - контактные стойки
Монтажной основой датчика служит корпус 1. Корпус образован из трубчатой заготовки с удалением части материала по торцам с образованием выступов в виде секторов:
- верхний 2 и нижний 3 (здесь и далее ориентация чертежа) - секторы упругого элемента;
- верхний сектор 4 - сектор (вторичного) преобразователя;
- нижний сектор 5 выполняет вспомогательную функцию, в частности за счет него обеспечиваются подход к крепежу упругого элемента и его безопасность в служебном обращении.
Инерционная масса, назовем ее баланс по аналогии с колебательными системами, образована валом 6 и крылом 7 в виде магнитопроводной пластины. В средней части вала выполнены цилиндрический базирующий поясок и расточка для крепления крыла методом развальцовки. На концах вал имеет квадратное сечение с резьбовыми отверстиями для крепления упругого элемента. Крыло баланса представляет собой полосу листового магнитопроводного материала. На одном конце крыла образована магнитная система, а на другом закреплен противовес 8. В магнитную систему входит Г-образный магнитопровод 9 и четыре постоянных магнита 10 осевой намагниченности, при этом два магнита закреплены (приклеены) на крыле 7, а два других - на магнитопроводе 9 с образованием двух магнитных зазоров. Магниты ориентированы так, что векторы магнитной индукции в магнитных зазорах разнонаправлены. Заметим, что требования по относительной магнитной проницаемости к материалам крыла 7 и магнитопровода 9 минимальны, поскольку направления магнитных потоков в зазорах неизменны при работе датчика. В качестве материала постоянных магнитов целесообразно использовать платинакс (ПлК76 или ПлК78). Противовес 8 и магнитопровод 9 соединены с крылом 7 заклепками.
Упругое звено представлено четырьмя одинаковыми плоскими пружинами 11, имеющими на концах крепежные отверстия. Каждая пара пружин расположена в одной плоскости и одним концом с помощью винтов 12 закреплена на квадратном хвостовике вала 6, а другим - винтами 13 на соответствующей грани секторов 2, 3. Плоскости расположения пар пружин образуют угол 90°. В целом пружины образуют ленточный упругий шарнир.
К вторичному преобразователю, кроме отмеченной выше магнитной системы, относится плоская бескаркасная бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 14. Катушка имеет О-образную форму, в которой два участка, расположенные в зоне магнитных зазоров, радиальны по отношению к оси вращения баланса, а остальные участки выполняются из технологических соображений. Один из вариантов изготовления следующий. Наматывают катушку на цилиндрической оправке, при этом провод смачивается клеем (лаком). Далее катушку снимают с технологической оправки и в «мокром» виде придают требуемую форму. После просушки с катушкой можно обращаться как с жесткой деталью. В качестве моточного провода применяют медный провод в лаковой изоляции, например, ПЭЛ или ПЭВ. Электрическая катушка закреплена на ступеньке сектора 4 посредством планки 15 и винтов 16.
Рабочий объем датчика закрыт двумя чашеобразными деталями 17, 18, которые крепятся к корпусу 1 винтами 19, 20. Верхняя деталь 17 - переходник - служит для соединения датчика с объектом исследования. Нижняя деталь 18 - крышка токосъемника - предназначена для крепления типового кольцевого токосъемника 20. Токосъемник представляет собой электроизоляционную втулку с наружными электропроводными кольцами, которые контактируют с неподвижными щетками.
Электрическая связь секций Wu и электрической катушки 14 с внутренней поверхностью колец токосъемника осуществляется монтажным проводом, например, МГШВ - 0,12, который приклеен к внутренней поверхности корпуса 1. Паяное соединение монтажного провода и моточного провода катушки реализуется с применением контактных стоек 22 на планке 15.
Найдем передаточную функцию датчика. В реальной конструкции масса плоских пружин существенно меньше массы баланса, поэтому инерционностью пружин пренебрегаем.
Для первичного преобразователя, составленного из инерционного тела и упругого подвеса, характерны моменты
где Мв - восстанавливающий момент пружин;
Mm - момент трения (сопротивление воздуха);
D - жесткость пружин;
h - коэффициент вязкого трения;
На первичный преобразователь действует возмущающий момент от измеряемого ускорения
где I - момент инерции баланса;
ε(t) - измеряемое ускорение.
Уравнение движения баланса под действием момента (2) будет иметь вид
Перепишем уравнение (3) в виде
Характер движения баланса под действием момента M(t) определяется коэффициентом затухания β.
Если при малом коэффициенте затухания (β<ω0) на систему воздействовать скачком ускорения ε1, то получим затухающий колебательный процесс с частотой
В общем случае функция ε(ι) имеет произвольный вид. Она может быть разложена в гармонический ряд Фурье
Ряд показывает, что в разложении кроме постоянной составляющей а0 присутствуют гармоники с кратными частотами
При совпадении одной из гармоник nΩ с собственной частотой датчика возникнет резонанс, что приведет к деформации передаточной функции. Для исключения этого явления увеличим коэффициент затухания β за счет постоянного тока в демпфирующей секции катушки 14. При
колебательная система датчика становится апериодической. Пусть ε(t)=ε0t, тогда
Угловая скорость баланса составит
В пределах рабочего диапазона угла поворота баланса от -ϕmax до +ϕmax сечения магнитных зазоров не выходят за пределы ширины катушки. При угловой скорости (10) в секции Wu будет индуцироваться ЭДС
где В - индукция в магнитных зазорах;
dm - диаметр магнитов;
Н - толщина катушки;
d - диаметр моточного провода катушки;
К3 - коэффициент заполнения катушки.
В формуле (11) учтено, что обе секции Wu и намотаны проводом одинакового диаметра и ЭДС возникает на двух участках проводников в пределах двух магнитных зазоров.
С учетом формул (10), (11) для произвольного ε системы по условию (8) получим передаточную функцию датчика
или для конкретного исполнения датчика
т.е. измеряемое ускорение ε пропорционально ЭДС eu в секции Wu катушки 14. Линейность характеристики преобразования датчика обеспечивает необходимую точность измерения искомого параметра. Дополнительно заметим, что изменение знака ускорения вызывает изменение знака (полярности) ЭДС eu.
Граничные значения диапазона измерения определяются геометрическими размерами - см. фиг. 4 - значению + εmax (ускорение) соответствует угол поворота баланса ϕmax, а значению -εmax (замедление) соответствует -ϕmax. Допустимый угол поворота баланса
Эксплуатационные допуски на параметры датчика учитываются при метрологической аттестации. При этом экспериментально находят условие (8), а значение тока в секции катушки 14, соответствующее этому условию, записывают в паспорт датчика.
Работает датчик крутильных колебаний следующим образом. С помощью переходника 17 крепят датчик на объекте исследования, подводят щетки токосъемника к его кольцам и подключают их к вторичному прибору. Далее проводят эксперимент. При появлении углового ускорения баланс датчика будет поворачиваться, в результате в секции Wu катушки 14 возникнет ЭДС eu. Вторичный прибор обрабатывает значения eu в соответствии с формулой (12).
Если испытательная установка для исследования колебаний валов предусматривает большие ускорения на нерабочих участках разгона и торможения, то целесообразно задать для этих участков движения в секцию повышенный ток, блокирующий поворот баланса датчика.
Таким образом, предложенный датчик крутильных колебаний имеет высокую точность измерения скорости крутильных колебаний исследуемого объекта за счет линейности характеристики преобразования. Конструкция датчика проста, не содержит деталей сложной формы. Секция демпфирования электрической катушки, кроме основной функции демпфера, является компенсатором погрешностей.
Claims (3)
1. Датчик крутильных колебаний, содержащий установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде установленного на валу, имеющем квадратные хвостовики, инерционного тела, в составе магнитопроводной пластины, на одном конце которой закреплен Г-образный магнитопровод, а на другом - противовес, при этом на одних концах магнитопроводной пластины и Г-образного магнитопровода встречно установлены две пары постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием двух магнитных зазоров с разнонаправленными векторами магнитной индукции, преобразователь образован постоянными магнитами инерционного тела и плоской О-образной бифилярной электрической катушкой, два участка которой прямолинейны и радиально расположены по отношению к валу инерционного тела.
2. Датчик крутильных колебаний по п. 1, отличающийся тем, что прямолинейные участки плоской О-образной бифилярной электрической катушки расположены симметрично в магнитных зазорах инерционного тела.
3. Датчик крутильных колебаний по п.1, отличающийся тем, что упругий шарнир выполнен в виде двух пар плоских пружин, образующих угол 90°, при этом одни концы плоских пружин закреплены на корпусе датчика крутильных колебаний, а другие - на квадратных хвостовиках вала инерционного тела.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112105A RU2615915C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Датчик крутильных колебаний |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112105A RU2615915C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Датчик крутильных колебаний |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2615915C1 true RU2615915C1 (ru) | 2017-04-11 |
Family
ID=58642308
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016112105A RU2615915C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Датчик крутильных колебаний |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2615915C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU678410A1 (ru) * | 1977-08-08 | 1979-08-05 | Вильнюсский Завод Электроизмерительной Техники | Датчик крутильных колебаний |
US20070113684A1 (en) * | 2005-11-19 | 2007-05-24 | Seoul National University Industry Foundation | Apparatus and method for generating and sensing torsional vibrations using magnetostriction |
EP2108932A2 (de) * | 2008-04-11 | 2009-10-14 | Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH | Drehmomentsensor durch axialer Verschiebung |
EP2363697A2 (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-07 | Hamilton Sundstrand Corporation | Load monitoring for electromechanical systems |
RU142033U1 (ru) * | 2014-02-07 | 2014-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Преобразователь крутильных колебаний |
-
2016
- 2016-03-30 RU RU2016112105A patent/RU2615915C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU678410A1 (ru) * | 1977-08-08 | 1979-08-05 | Вильнюсский Завод Электроизмерительной Техники | Датчик крутильных колебаний |
US20070113684A1 (en) * | 2005-11-19 | 2007-05-24 | Seoul National University Industry Foundation | Apparatus and method for generating and sensing torsional vibrations using magnetostriction |
EP2108932A2 (de) * | 2008-04-11 | 2009-10-14 | Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH | Drehmomentsensor durch axialer Verschiebung |
EP2363697A2 (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-07 | Hamilton Sundstrand Corporation | Load monitoring for electromechanical systems |
RU142033U1 (ru) * | 2014-02-07 | 2014-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Преобразователь крутильных колебаний |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2552722A (en) | Electromagnetic accelerometer | |
US8796907B2 (en) | Increased frequency power generation using low-frequency ambient vibrations | |
Berdy et al. | Design and optimization of a magnetically sprung block magnet vibration energy harvester | |
Gutierrez et al. | Design and characterization of a low frequency 2-dimensional magnetic levitation kinetic energy harvester | |
US20110048133A1 (en) | Vibration element coupled with non-linear force to improve non-resonant frequency response | |
JP2010532150A (ja) | 移動永久磁石ベースの電磁エネルギースカベンジャ | |
Ghodsi et al. | Modeling and characterization of permendur cantilever beam for energy harvesting | |
US2870422A (en) | Accelerometer | |
RU189089U1 (ru) | Устройство для измерения вибраций | |
Trimble et al. | A device for harvesting energy from rotational vibrations | |
Yang et al. | New magnetorheological engine mount with controllable stiffness characteristics towards improved driving stability and ride comfort | |
Zhang et al. | A low-frequency wideband vibration harvester based on piecewise linear system | |
RU2615915C1 (ru) | Датчик крутильных колебаний | |
Sun et al. | Tunable electromagnetic shunt damper with opposing magnets configuration | |
Nam et al. | Development of a linear vibration motor with fast response time for mobile phones | |
Sun et al. | Vibration control with a tunable self-sensing electromagnetic shunt damper | |
CN116125528A (zh) | 一种速度传感器 | |
Sciuto et al. | Displacement and magnetic induction measurements of energy harvester system based on magnetic spring integrated in the electromagnetic vibration generator | |
RU142033U1 (ru) | Преобразователь крутильных колебаний | |
CN115169112A (zh) | 一种电磁式线-角振动激振器及其动力学参数辨识方法 | |
Tonoli et al. | Dynamic modeling and experimental validation of eddy current dampers and couplers | |
Shahosseini et al. | Electromagnetic generator optimization for non-resonant energy harvester | |
Mîţiu et al. | The control of transmissibility and mechanical impedance using electrodynamic actuators | |
Sapiński | Experimental investigation of an energy harvesting rotary generator-MR damper system | |
US4198863A (en) | Electromagnetic torsional stiffness element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180331 |