Способ измерения крутящего момента

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 1 19) (11 01 Ь 6/10 ИСАН ОБРЕТЕНИЯ ЛЬСТВУ ВТОРСНОМУ СВ 41 нерно-строи.И, Микояна,П, Пруднико нитоупругие 1970,Ко гозЪаГ г. Ме 1 сор 1 ег р, 3-8. КРУТЯЩЕГО МО с ится к измерит быть исполь;рутящего моИзобретение относи тельной технике и мож зовано для измерения мента, передаваемого нли неподвижными вал тся к измериет быть исполь"крутящего мовращающимисяами различных объект Целью изобретения является повышение точности измерения крутящего момента путем исключения влияния температуры.Способ измерения крутящего момента заключается в том, что возбуждают в валу, передающем крутящий момент, ультразвуковые колебания и измеряют параметры прохождения этих колебаний по валу, а для возбужде-ния и приема ультразвуковых колебаний используют один возбудитель и ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Куйбышевский инжтельный институт им. А(57) Изобретение отнотельной технике и можзовано для измерения мента, передаваемого вращающимисяили неподвижными валами различныхобъектов, Целью изобретейия является повышение точности измерений путем исключения влияния температуры,Способ измерения крутящего моментавключают возбуждение в вале ультразвуковых колебаний с,помощью одноговозбуждающего преобразователя, измерения параметров прохождения ультразвуковых колебаний по валу с помощьюдвух приемных преобразователей,расположенных определенным образом относительно вала, и возбуждающегопреобразователя, и суждение о величине крутящего момента по разностиизмеренных приемными преобразователями параметров. 3 ил. два приемника, расположенных на одинаковых расстояниях от возбудителя так, что направления на них от возбудителя составляют углы +45 с образующей вала, и по разности изме- СЭ ряемых этими приемниками параметров определяют величину крутящего 4 й момента.В способе используется явление, при котором механические напряжения в вале, вызванные действием приложен- е ного к валу крутящего момента, увели- фф чиваются в направлении 45 .к обраозующей вала и уменьшаются в перпендикулярном направлении. Поэтому параметр, измеряемый с помощью одного из приемников, например скорость рас пространения ультразвука, увеличива 1520364ется, а параметр, измеряемый с помощью второго приемника, уменьшается.Разность этих показателей дает двойной.эффект. Кроме того, действие температуры одинаково проявляется как.на одном, так и на другом приемниках,т,е. измеряемые ими параметры под действием температуры либо одновременноувеличиваются, либо одновременно 1 Оуменьшаются, а разность этих величиностается постоянной и не зависящейот температуры.,В способе могут использоватьсяразличные типы ультразвуковых волн,Но поскольку наибольшие механическиенапряжения возникают на поверхностивала, то наиболее перспективно применение поверхностных акустическихволн. Кроме того, для них существуютдостаточно хорошо:разработанные бесконтактные методы ввода и выводаультразвука (электромагнитно-акустические методы), что имеет существенноезначение при измерении крутящего момента на вращающихся валах.В качестве параметров, измеряемыхприемниками ультразвуковых колебаний, могут служить скорость распространения ультразвуковых колебаний,время распространения ультразвука от возбудителя до приемника, набег фазы,затухание амплитуды колебаний и др,1 Способ измерения крутящего момента может быть реализован нри помощи1устройства.На фиг.1 изображено предлагаемоеустройство; на фиг.2 - схематическиработа устройства; на фиг.З - предлагаемое устройство, вариант.Устройство содержит вал 1, черезкоторый передается крутящий момент,возбуждающий акустический преобразователь 2, два приемных акустическихпреобразователя 3 и 4, возбуждающийгенератор 5, к выходу которого подсоединен возбуждающий преобразователь2, две схемы 6 и 7 измерений информационного параметра, к информационным входам которых подсоединены поодному из приемных преобразователей3 и 4, а входы синхронизации соединены с выходом синхронизации возбуждающего генератора 5, и вычитающееыустройство 8, первый и второй входыкоторого подсоединены к выходам соответственно схем 6 и 7 измерений информационного параметра,Устройство (фиг.1) содержит акустические преобразователи 2-4 устанавливаемые непосредственно на валу,С их помощью в материале вала возбуждаются и принимаются объемные волны,прохождение которых по валу показанона фиг,2, В качестве преобразователеймогут быть использованы обычныеультразвуковые преобразователи из ЦТС(цирконато-титаната свинца).Устройство (фиг.З) содержит бесконтактные акустические преобразователи 2-4, основанные на электромагнито-акустическом методе ввода иприема ультразвуковых колебаний (необходимые для нормальной работы преобразователей источники постоянногомагнитного поля на фиг.З не показаны), Такие преобразователи устанавливаются с некоторым зазором над валом 1, что существенно в тех случаях,когда вал вращается с высокой скоростью. Еще одним достоинством электромагнитно-акустических преобразователей является то, что с их помощьюлегко возбуждаются поверхностные акустические ультразвуковые волны, а какизвестно, наибольшие механическиенапряжения в вале возникают именно вего приповерхностном слое, Возбуждающий преобразователь 2 фиг,З) выполнен в виде накладной катушки, виткикоторой расположены концентрично сшагом, равным половине длины возбуждаемой ультразвуковой волны О/2) .Приемные акустические преобразователи 3 и 4 представляют собой катушки,но выполненные в виде меандра с шагом 1/2 и ориентированные длиннымисторонами на возбуждающий преобразо"ватель,Схемы 6 и 7 измерений информацион.ного параметра строятся по известнымв ультразвуковой технике способам взависимости от выбранного информационного параметра, в качестве которого могут выступать скорость распространения ультразвуковых колебанийвремя распространения ультразвука отвозбуждающего до приемного преобразователей, набег фазы на этом пути, за"тухание амплитуды колебаний и другиевозможные параметры, Вычитающее устройство 8 может представлять собойаналоговое и цифровое вычитающее уст-ройство с индикацией результата.Предлагаемое устройство работаетследующим образом,Ф о р м у л а изобретенияСпособ измерения крутящего момента путем возбуждения в материале вала, передающего крутящий момент, ультразвуковых колебаний и измерения параметров этих колебаний после прохождения по участку вала, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, ульт" развуковые колебания возбуждают в ва" ле в двух вэаимоперпендикулярных на" правлениях, составляющих углы 1 45 с образующей вала, а величину крутящего момента определяют по разности измеряемых параметров ультразвуковых колебаний, прошедших в этих направлениях. 5 15203При отсутствии крутящего моментавал представляет собой с точки зренияакустических свойств изотропный и однородный материал, Поэтому возбуждаемые генератором 5 с помощью преобразователя 2 ультРазвуковые колебанияодинаково распространяются как понаправлению к приемному преобразователю 3, так и по направлению к приемному преобразователю 4, Измеренныесхемами 6 и 7 информационные параметры оказываются одинаковыми и на выходе вычитающего устройства 8 нулевоепоказание. 15Если теперь приложить к валу крутящий момент, то в обычном изотропном однородном материале под действием появившихся механических напряжений возникает двойное лучепреломление, так как материал. вала становит.ся акустически неоднородным (скоростьультразвука в различных направленияхнеодинакова). Причем в вале и на поверхности вала имеются направления 25механических напряжений сжатия и растяжения, которые перпендикулярнымежду собой и образуют угол + 45с образующей вала. Эти направлениясовпадают с выбранными направлениями 30от возбуждающего преобразователя 2к приемным преобразователям 3 и 4.Поэтому измеренный с помощью однойиз схем 6 и 7 информационный параметр, например скорость ультразвука,увеличится, а информационный параметр, измеренный второй из схем 6 и7, уменьшится. В результате на выходе вычитающего устройства 8 " ре"зультат, пропорциональный приложенному крутящему моменту.Если изменить направление приложения крутящего момента на противоположное, то направления растягивающихи сжимающих механических напряженийпоменяются местами, и результат, получающийся на выходе вычитающего устройства 8, также сменит знак напротивоположный,В устройстве (фиг,З) эффект дости- Огается только за счет разности меха 64 6нических напряжений, действующих вдоль направлений от возбуждающего преобразователя 2 к приемным преобразователям 3 и 4, В устройстве (фиг.1) к этому эффекту добавляется эффект, вызванный изменением расстояний между возбуждающим 2 и приемными 3 и 4 преобразователями (преобразователи жестко закреплены на валу, а последний деформируется под действием приложенного крутящего момента) . Пусть теперь произошло изменение температуры, Ко в силу симметрии измерительной системы это приведет к одинаковому изменению информационных параметров, измеренных схемами 6 и 7: они одновременно или увеличатся на одну и ту же величину или уменьшатся. Поэтому на выходе вычитающего устройства 8 показания не изменятся,Предлагаемый способ и устройство для измерения крутящего момента позволяют производить измерения с высокой точностью (теоретически достижима погрешность О, 0013), в то время как известные устройства, использующие известные способы, имеют погрешность не менее 0,252.