Пристрій для вимірювання кутової швидкості, крутного моменту та механічної потужності

Номер патенту: 83475

Опубліковано: 25.07.2008

Автор: Грабар Іван Григорович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Пристрій для вимірювання кутової швидкості, крутного моменту та механічної потужності, що містить вхідний вал (1), механічно з'єднаний з вихідним валом (2) за допомогою динамометра (3) крутного моменту, обчислювальний пристрій (11), який відрізняється тим, що динамометр (3) крутного моменту складений з двох півмуфт (4, 5), з'єднаних між собою пружним елементом (6) з жорсткістю С, причому на кожній з півмуфт (4, 5) по колу заданого діаметра з центром на осі обертання вхідного вала (1) встановлено по S (S = 1, 2, 3) точкових магнітів (7, 8), в зоні дії яких нерухомо закріплено по одному чутливому до дії магнітного поля елементу (9, 10) на відстані, достатній, щоб під час переміщення кожних S точкових магнітів (7, 8) повз відповідний чутливий до дії магнітного поля елемент (9, 10) в останньому генерувались імпульси електрорушійної сили, причому чутливі до дії магнітного поля елементи (9, 10) з'єднані з обчислювальним пристроєм (11), в якому миттєві кутова швидкість і, крутний момент Мі та механічна потужність Nі розраховуються за відповідними формулами:

;

;

,

де: і - час між двома послідовними імпульсами одного й того ж чутливого до дії магнітного поля елемента;

і - зсув між імпульсами для двох різних чутливих до дії магнітного поля елементів внаслідок деформації пружного елемента крутним моментом;

0 - час між двома послідовними імпульсами одного й того ж чутливого до дії магнітного поля елемента за умови відсутності крутного моменту (Мі = 0);

Δ0 - зсув між імпульсами для двох різних чутливих до дії магнітного поля елементів за умови відсутності крутного моменту.

*  

*  

Текст

Пристрій для вимірювання кутової швидкості, крутного моменту та механічної потужності, що містить вхідний вал (1), механічно з'єднаний з вихідним валом (2) за допомогою динамометра (3) крутного моменту, обчислювальний пристрій (11), який відрізняється тим, що динамометр (3) крутного моменту складений з двох півмуфт (4, 5), з'єднаних між собою пружним елементом (6) з жорсткістю С, причому на кожній з півмуфт (4, 5) по колу заданого діаметра з центром на осі обертання вхідного вала (1) встановлено по S (S = 1, 2, 3) точкових магнітів (7, 8), в зоні дії яких нерухомо закріплено по одному чутливому до дії магнітного поля елементу (9, 10) на відстані, достатній, щоб під час переміщення кожних S точкових магнітів (7, 8) повз відповідний чутливий до дії магнітного поля елемент (9, 10) в останньому генерувались імпульси електрорушійної сили, причому чутливі до дії магнітного поля елементи (9, 10) з'єднані з обчислювальним пристроєм (11), в якому миттєві кутова швидкість w і, крутний момент Мі та механічна потужність Nі розраховуються за відповідними формулами: 2p wi = ; S × ti Динамометр-тахометр-ватметр професора Грабара належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення миттєвих кутової швидкості, крутного моменту та потужності, що передаються за допомогою механічних силових пристроїв, зокрема, механічних трансмісій. Вимірювання кутової швидкості та крутного моменту зазвичай виконують за допомогою окре мих спеціалізованих вимірювальних пристроїв, а саме - тахометра та динамометра крутного моменту відповідно. Відомий тахометр на вихрових стр умах [1, с. 124], що містить обертовий постійний магніт, поле якого збуджує ви хрові струми в алюмінієвому диску, з'єднаному з покажчиком. Виникаючий при цьому обертаючий момент пропорційний частоті обертання магніту і переміщає покажчик доти, по 2p × C æ Dti Dt0 ö ÷; ×ç S ç ti t0 ÷ è ø 2 æ 4p C Dti D t0 ö ÷, Ni = ×ç ç t0 ÷ ti × S2 è ti ø де: t і - час між двома послідовними імпульсами одного й того ж чутливого до дії магнітного поля елемента; D t і - зсув між імпульсами для двох різних чутливих до дії магнітного поля елементів внаслідок деформації пружного елемента крутним моментом; t 0 - час між двома послідовними імпульсами одного й того ж чутли вого до дії магнітного поля елемента за умови відсутності крутного моменту (Мі = 0); Δ t 0 - зсув між імпульсами для двох різних чутливих до дії магнітного поля елементів за умови відсутності крутного моменту. (19) UA (11) 83475 (13) C2 Mi = 3 83475 ки момент, створюваний вихровими струмами, не зрівноважиться моментом, створеним поворотною пружиною. Відомий динамометр крутного моменту [1, с. 146], який містить дві півмуфти, з'єднані пружними елементами. Кути відносного повороту півмуфт, що пропорційні крутному моменту, перетворюються в електричні сигнали перетворювача, які реєструються, та за їх значеннями визначаються відповідні величини вимірюваних моментів. Ме ханічну потужність зазвичай визначають шляхом непрямих вимірювань. Для цього безпосередньо вимірюють крутний момент та швидкість обертального руху. За результатами цих вимірювань розраховують механічну потужність [2]. Недоліками відомих вимірювальних пристроїв є те, що кожен з них здатний вимірювати тільки одну величину. Тому жоден з них не можна назвати аналогом запропонованого винаходу, оскільки вони не є засобами того ж самого призначення, що й динамометр-тахометр-ватметр професора Грабара. Відомий випробувальний стенд [3] чеської фірми Mezservis Vsetin, призначений для вимірювання кутової швидкості, крутного моменту та потужності машин, що використовують крутний момент для передачі сили. Він обраний як прототип і містить асинхронний динамометр типу ASD, оснащений тензометричним вимірювальним фланцем та інкрементальним датчиком обертів. З'єднання між динамометром та об'єктом випробування здійснюється за допомогою карданного валу. Виміряні дані передаються до обчислювального пристрою. Загальними суттєвими ознаками пристроюпрототипу і пристрою-винаходу є вхідний вал, механічно з'єднаний з вихідним валом за допомогою динамометра крутного моменту, обчислювальний пристрій. Проте, на відміну від пристрою-винаходу, в пристрої-прототипі динамометр крутного моменту містить тензометричний вимірювальний фланець та інкрементальний датчик обертів, які вимірюють лише інтегральні характеристики обертового руху вхідного вала за певний проміжок часу та усереднюють їх. Це зумовлює обмежені функціональні можливості пристрою-прототипу. В основу групи винаходів поставлена задача розширення функціональних можливостей вимірювального пристрою. Розширення функціональних можливостей вимірювального пристрою вирішується шляхом того, що динамометр крутного моменту складений з двох півмуфт, з'єднаних між собою пружним елементом з жорсткістю C , причому на кожній з півмуфт по колу заданого діаметра з центром на осі обертання вхідного вала встановлено по S (S = 1 2, 3,...) точкових магнітів, в зоні дії яких неру, хомо закріплено по одному чутли вому до дії магнітного поля елементу на відстані достатній, щоб під час переміщення кожних S точкових магнітів повз відповідний чутливий до дії магнітного поля елемент в останньому генерувались імпульси електрорушійної сили, причому чутливі до дії магнітного поля елементи з'єднані з обчислювальним при 4 строєм, в якому миттєві кутова швидкість wi , крутний момент Mi та механічна потужність Ni розраховуються за відповідними формулами: 2p wi = ; S × ti 2p × C æ Dti Dt0 ö ÷; ×ç S ç ti t0 ÷ è ø 2 æ 4p C Dti D t0 ö ÷, Ni = ×ç ç t0 ÷ ti × S2 è ti ø де: ti - час між двома послідовними імпульсами одного й того ж чутливого до дії магнітного поля елемента; Dti - зсув між i - ми імпульсами двох різних чутливи х до дії магнітного поля елементів внаслідок деформації пружного елемента крутним моментом. Все це дозволяє вимірювати миттєві значення кутової швидкості, крутного моменту та потужності, що передаються за допомогою механічних силових пристроїв, а отже, отримувати більше інформації про обертальний рух, що призводить до розширення функціональних можливостей винаходу. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Перелік креслень: Фіг.1 - структурна схема пристрою при S=1 (загальний випадок розташування точкових магнітів); Фіг.2 - вид А пристрою при S=1 (загальний випадок розташування точкових магнітів); Фіг.3 - структурна схема пристрою при S=4 (загальний випадок розташування точкових магнітів); Фіг.4 - вид А пристрою при S=4 (загальний випадок розташування точкових магнітів); Фіг.5 - часова діаграма імпульсів електрорушійної сили, що генеруються в чутливи х до дії магнітного" поля елементах (загальний випадок розташування точкових магнітів): а) механічне навантаження на вихідному валу відсутнє; б) механічне навантаження на вихідному валу присутнє; Фіг.6 - часова діаграма імпульсів електрорушійної сили, що генеруються в чутливи х до дії магнітного поля елементах (окремий випадок розташування точкових магнітів): в) механічне навантаження на вихідному валу відсутнє; г) механічне навантаження на вихідному валу присутнє. Пристрій містить вхідний вал 1, механічно з'єднаний з вихідним валом 2 за допомогою динамометра 3 крутного моменту, складеного з двох півмуфт 4, 5, з'єднаних між собою пружним елементом 6. На кожній з півмуфт 4, 5 по колу заданого діаметра з центром на осі обертання вхідного вала 1 встановлено по S (S = 1 2, 3,...) точкових магнітів , 7, 8 відповідно. В зоні дії S точкових магнітів 7 нерухомо закріплений чутливий до дії магнітного поля елемент 9, а в зоні дії S точкових магнітів 8 чутливий до дії магнітного поля елемент 10. ЧутMi = 5 83475 ливі до дії магнітного поля елементи 9 та 10 закріплені на відстані достатній, щоб під час переміщення кожних S точкових магнітів 7, 8 повз відповідний чутливий до дії магнітного поля елемент 9, 10 в останньому генерувались імпульси електрорушійної сили. Чутливі до дії магнітного поля елементи 9, 10 з'єднані з обчислювальним пристроєм 11. Якщо точкові магніти 7, 8 встановлено на півмуфтах 4, 5 по колу заданого діаметра з центром на осі обертання вхідного вала 1 на максимальній відстані від осі обертання вхідного вала 1, маємо найбільшу амплітуду імпульсів електрорушійної сили, що генеруються в чутливи х до дії магнітного поля елементах 9, 10. Це означає, що в цьому випадку пристрій матиме найбільшу завадостійкість, отже, й найвищу точність вимірювань. Пристрій працює таким чином. Розглянемо загальний випадок розташування точкових магнітів 7, 8 (Фіг.5 а, б) при S = 1 , коли в недеформованому стані пружного елемента 6 (крутний момент на вхідному валу 1 відсутній) має місце кутовий зсув 0 < a0

Dt 0 за рахунок деформації пружного елемента 6 та додаткового кутового зсуву півмуфти 5 відносно півмуфти 4. При наступному оберті механічної трансмісії все повторюється спочатку і на виході кожного з чутливи х до дії магнітного поля елементів 9 та 10 з'являються наступні імпульси електрорушійної сили, також зсунуті у часі один відносно іншого на величину Dti . Імпульс електрорушійної сили від чутливого до дії магнітного поля елемента 9 зсунутий у часі на величину ti відносно імпульсу електрорушійної сили, отриманого від цього ж чутливого до дії магнітного поля елемента на попередньому оберті півмуфти 4. Імпульси електрорушійної сили з чутливи х до дя магнітного поля елементів 9 та 10 надходять до обчислювального пристрою 11, який оброблює їх і визначає величини t 0 , Dt0 та ti , Dti , де i = 1 2 ... . , Як відомо [2], миттєві кутову швидкість, крутний момент та потужність можна визначити за формулами: 2p wi = ; (2) ti Mi = C × DX ; Ni = Mi × wi , (3) (4) де DX - кутовий зсув півмуфти 5 відносно півмуфти 4, що зумовлено деформацією пружного елемента 6 під дією крутного моменту Mi . æ Dt Dt ö Для даного пристрою DX = 2p × ç i - 0 ÷ , що ç t t0 ÷ è i ø витікає з часових діаграм (Фіг.5 а, б). Враховуючи це, за кожен оберт механічної трансмісії обчислювальний пристрій розраховує миттєві кутову швидкість wi вхідного вала 1, крутний момент Mi та миттєву потужність Ni за відповідними формулами: 2p wi = ; (5) ti æ Dt Dt ö Mi = 2p C × ç i - 0 ÷ ; (6) ç t t0 ÷ è i ø 4 p2 C æ D ti Dt0 ö ÷ (7) Ni = Mi × wi = ×ç ç t - t ÷, ti 0 ø è i Розглянемо окремий випадок розташування точкових магнітів 7, 8 (Фіг.6 а, б) при S = 1 , коли в недеформованому стані пружного елемента 6 кутовий зсув точкового магніту 7 відносно точкового магніту 8 відсутній, тобто a 0 = 0 . В цьому випадку Dt0 = 0 , тому формули (5), (6), (7) спрощуються і матимуть вигляд: 7 wi = 2p ; ti Mi = C × 2p × D ti ti 83475 (8) ; (9) 2 æ 2p ö (10) Ni = Mi × wi = C × ç ÷ × Dti . çt ÷ è i ø Відмінність між випадками, коли S = 1 (Фіг.1, 2) та S = 2, 3, 4,... (Фіг.3, 4) полягає в тому, що при S = 1 час t 0 і час ti на діаграмах (Фіг.5, 6) та в формулах (2) - (7) відповідає цілому періоду обер1 тання вхідного вала 1, а при S = 2, 3, 4,... часS тині періоду обертання вхідного вала 1. Тому в загальному випадку розташування точкових магнітів 7, 8 (Фіг.5 а, б), коли в недеформованому стані пружного елемента 6 має місце кутовий зсув 0 < a0 < p кожного з S точкових магнітів 7 відносно відповідного йому S - го точкового магніту 8 (Фіг.4), формули (5), (6), (7) матимуть такий вигляд: 2p wi = ; (11) S × ti 2pC æ D ti Dt0 ö ÷; ×ç S ç ti t0 ÷ è ø 2 æ 4 p C D ti Dt 0 ö ÷, Ni = ×ç ç t0 ÷ tiS2 è ti ø Mi = (12) (13) 8 В окремому випадку розташування точкових магнітів 7, 8 (Фіг.6 а, б), коли в недеформованому стані пружного елемента 6 кутовий зсув кожного з S точкових магнітів 7 відносно відповідного йому S - го точкового магніту 8 відсутній, тобто a 0 = 0 , формули (8), (9), (10) матимуть такий вигляд: 2p wi = ; (14) S × ti 2p Mi = C × × D ti ; (15) S × ti 2 æ 2p ö (16) ÷ × D ti . Ni = C × ç çS×t ÷ iø è Розроблено діючий макет динамометратахометра-ватметра професора Грабара, на якому проведено серію дослідів. Отримані результати підтвердили можливість практичної реалізації винаходу. Література: 1. Исследования и изобретательство в машиностроении: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / М.Ф. Пашкевич, A.A. Жолобов, Ж.А. Мрочек, Л.М. Кожура, В.М. Пашкевич // Под общ. ред. М.Ф. Пашкевича. - Мн.: Адукацыя і выхавання, 2005. - 287 с.: ил. 2. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - Изд. 9-е, М.: Наука, 1974. - 480 с. 3. Продукция Mezservis Vsetin // Техника в движении, ООО «Элтехникс», 2004. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83475 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Device for measurement of angular velocity, torque and mechanical power

Автори англійською

Hrabar Ivan Hryhorovych

Назва патенту російською

Устройство для измерения угловой скорости, вращающего момента и механической мощности

Автори російською

Грабар Иван Григорьевич

МПК / Мітки

МПК: G01L 3/04, G01P 3/64, G01R 21/133

Мітки: механічної, пристрій, швидкості, потужності, моменту, вимірювання, кутової, крутного

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/5-83475-pristrijj-dlya-vimiryuvannya-kutovo-shvidkosti-krutnogo-momentu-ta-mekhanichno-potuzhnosti.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій для вимірювання кутової швидкості, крутного моменту та механічної потужності</a>

Подібні патенти