устройство для измерения нагрузок на вращающихся деталях

Формула изобретения

1. Измерительное устройство для регистрации нагрузок, в частности крутящего момента, изгибающего момента и осевого усилия, на вращающихся деталях, таких, как валы, шпиндели или цапфы, посредством которого измеряют и бесконтактно регистрируют возникающее под нагрузкой изменение длины с помощью, по меньшей мере, одного закрепленного на детали тензодатчика, причем для бесконтактного подвода питания к тензодатчику и бесконтактной передачи данных измерений в блок обработки предусмотрен роторный электронный блок, расположенный в одном или нескольких окружающих термодатчик защитных кольцах (1), при этом защитное кольцо или кольца (1) расположены на детали с возможностью опирания одной стороной или выполнены деформационно-мягкими относительно детали, отличающееся тем, что тензодатчик или тензодатчики окружены формоустойчивым защитным кольцом (1) с уплотнением с обеих сторон тензодатчика относительно детали, причем расположенные с обеих сторон тензодатчиков уплотнительные ребра (4а, 4b) защитного кольца выполнены асимметричными таким образом, что одно ребро (4а) создает силовое замыкание и тем самым надежное соединение с деталью, а другим ребром (4b) защитное кольцо опирается на деталь с минимальной поверхностью (3b) прилегания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сечение защитного кольца или колец в заданном месте (5) значительно ослаблено с возможностью мягкой деформации частей кольца с уплотнительными ребрами по отношению друг к другу.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что охватывающее тензометры защитное кольцо за счет локального уменьшения (25) своего сечения, или за счет целенаправленного выбора материалов, или за счет полной или частичной интеграции эластомерных вставок выполнено деформационно-мягким и упругим таким образом, что воспринятие нагрузки защитным кольцом (1) пренебрежимо мало по сравнению с деталью.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что роторный электронный блок расположен внутри защитных колец для защиты от влияний окружающей среды.

5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в огибающей затылованной канавке (6) защитного кольца смонтирована приемопередающая антенна роторного электронного блока с возможностью ее извлечения из этой канавки (6) при демонтаже, т.е. при размыкании защитных колец.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительному устройству для регистрации нагрузок, в частности крутящего момента, изгибающего момента и осевого усилия, на вращающихся деталях, таких как валы, шпиндели или цапфы, посредством которого измеряют и бесконтактно регистрируют возникающее под нагрузкой изменение длины с помощью, по меньшей мере, одного закрепленного на детали тензодатчика, причем для бесконтактного подвода питания к тензодатчику и также бесконтактной передачи данных измерений в блок обработки предусмотрен роторный электронный блок, расположенный в одном или нескольких окружающих тензодатчик кольцах, при этом одно или несколько защитных колец расположены на детали с возможностью опирания одной стороной или выполнены деформационно-мягкими относительно детали.

Возникающая вследствие нагрузки упругая деформация детали проявляется в изменении длины одного или нескольких закрепленных на детали тензодатчиков. Нагрузку измеряют исходя из пропорционального ей изменения сопротивления при помощи вращающегося вместе с кольцами роторного электронного блока, причем предусмотрены бесконтактная передача данных измерений в неподвижный блок обработки и также бесконтактный подвод питания в роторный электронный блок. Роторный электронный блок, относящаяся к нему приемо-передающая антенна, а также проводное соединение расположены в одном или нескольких окружающих тензодатчик кольцах. Кольцо или кольца выполняют как функцию носителя системы, так и защитную функцию.

Измерительное устройство данного типа используют на вращающихся деталях, таких как валы, шпиндели или шейки, когда другие способы измерений не могут быть использованы из-за плохих окружающих условий. В измерительной технике принято регистрировать возникающие в результате действующих усилий в детали упругие изменения формы посредством тензодатчиков путем измерения электрического сопротивления в нем. Изменение длины соединенного с деталью (например, приклеенного, зажатого или приваренного) тензодатчика приводит при упругих изменениях формы детали к изменению электрического сопротивления, величина которого является мерой действующей нагрузки и упругой деформации детали. Пропорциональное нагрузке изменение сопротивления измеряют посредством мостовой схемы.

Этот известный метод применяют также для измерения крутящих моментов за счет того, что тензодатчик приклеивают к поверхности детали и изменение длины, возникающее вследствие сдвигающих напряжений под углом 45° к радиальному направлению, регистрируют посредством пропорциональных нагрузке изменений сопротивления. Изгибающие моменты и осевые усилия регистрируют аналогичным образом, однако с изменением положения тензодатчиков и соответствующим соединением измерительного моста. Соотношение между нагрузкой на деталь и зарегистрированным изменением сопротивления на тензодатчиках вычисляют посредством расчета деформации на основе геометрии и материала детали, или его можно определить посредством калибровки, т.е. приложения определенной нагрузки и регистрации результата измерений. В качестве расчета деформации при простой геометрии детали используют известные уравнения из сопротивления материалов или при иной геометрии детали - расчеты по методу конечных элементов.

Обычно тензодатчики соединяют проводами с роторным электронным блоком, расположенным в одном или нескольких кольцах, которые окружают тензодатчики и одновременно защищают их от влияний окружающей среды. Для того чтобы обеспечить измерительной системе достаточную механическую защиту, кольца изготовлены массивными из пластика, композиционного материала или металла, а в особо тяжелых условиях - из стали или алюминия, причем, по меньшей мере, кольцо, несущее антенну, должно состоять из непроводящего материала. Посаженное на деталь кольцо должно закрыть тензодатчик и тем самым защищать его. Кроме того, оно несет электронные компоненты измерительного устройства. Однако в соответствии с конструктивными или эксплуатационными требованиями электронные компоненты могут быть встроены в одно или несколько дополнительных колец. Последние могут концентрично окружать первое, закрывающее тензодатчик кольцо или могут быть со смещением в осевом направлении смонтированы прямо на детали. Точно так же в зависимости от измерительной задачи тензодатчики, входящие в одну мостовую схему, могут быть распределены по нескольким кольцам. В качестве защиты от проникновения жидкостей, таких как смазка или вода, кольцо или кольца имеют со стороны детали уплотнительную поверхность. При монтаже кольца укладывают вокруг детали и сжимают таким образом, чтобы уплотнительная поверхность была прижата к поверхности детали. При этом принято располагать между уплотнительной поверхностью и деталью уплотнительный материал, такой как вязкотекучий и отверждающийся силикон или эластомерную прокладку. Для достижения достаточного уплотнения и предотвращения смещения кольца или колец при работе установки уплотнительную поверхность выполняют достаточно большой, а при сжатии между уплотнительной поверхностью и деталью создают значительное контактное напряжение. Для сжатия кольцо или кольца одно- или многократно разделены на сегменты. Сжимающее усилие прикладывают за счет того, что кольцевые сегменты сжимают между собой, например свинчивают.

Оказалось, что у использовавшихся до сих пор колец и детали возникает силовое замыкание из-за сжатия окружающего тензометры кольца или колец, что вызывает дополнительное усиление детали. Это усиление в зависимости от геометрии детали может составлять свыше 100% первоначальной жесткости детали. Соответственно усилению изменяется упругая деформация детали внутри окружающего кольца и измеренное изменение сопротивления на тензодатчике, т.е. результат измерений искажается кольцом или кольцами. Усиливающее влияние колец точно определить нельзя, поскольку устанавливающийся силовой поток через кольцо или кольца нельзя количественно оценить, поскольку силовой поток изменяется от сборки к сборке и варьируется по времени из-за изменяющихся условий в соединительном зазоре, например, за счет старения уплотнительных материалов, ползучести материалов, контактной коррозии или процессов усадки.

Из документа DE 19857770 А1 известно измерительное устройство для регистрации крутящего момента на вращающихся деталях, таких как валы или цапфы, посредством которого измеряют и бесконтактно регистрируют возникающее под нагрузкой пропорциональное изменение длины с помощью одного закрепленного на детали тензодатчика, причем для бесконтактного подвода питания к тензодатчику и бесконтактной передачи данных измерений в блок обработки предусмотрен роторный электронный блок, расположенный в одном окружающем тензодатчик защитном кольце. При этом тензодатчик для его защиты с двух сторон окружен устойчивым по сравнению с материалом детали металлическим защитным кольцом, на котором по периферии коаксиально расположено пластиковое защитное кольцо, в котором размещен роторный электронный блок. Подобная конструкция обеспечивает повышение прочности детали, но вместе с тем ведет к высоким ошибкам при измерении.

Из документа ЕР 0291334 А2 известно устройство для измерения крутящего момента на вращающейся детали, с кольцом, окружающим тензодатчик и ротационный электронный блок. Кольцо одной стороной закреплено на детали посредством силового замыкания. Другая сторона кольца не закреплена и образуется зазор между кольцом и деталью. Наличие такого зазора оказывает влияние на надежность и точность результатов измерений.

Исходя из изложенной проблемы и существующих недостатков уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в усовершенствовании измерительного устройства данного типа так, чтобы на результат измерений не влияло измерительное устройство, в частности защитные и несущие кольца.

Для решения этой задачи согласно изобретению предложено выполнить формоустойчивое защитное кольцо или кольца таким образом, что оно или они располагались на детали и с двух сторон окружали тензодачик или тензодатчики, при этом выполненные с двух сторон от тензодатчиков уплотнительные ребра защитного кольца выполняют асимметричными таким образом, что одно ребро обеспечивает силовое замыкание и таким образом соединение с деталью, а второе ребро обеспечивает поддержку защитного кольца. Благодаря этому не возникает силового потока или потока моментов через защитное кольцо, а нагрузка воспринимается полностью и исключительно от детали.

Предпочтительно выполнение уплотнительных поверхностей между кольцом (кольцами) и деталью асимметричными, причем одна сторона уплотнительной поверхности выполнена широкой для обеспечения надежной посадки защитного кольца или колец на детали и одновременно уплотнительной функции посредством узкого уплотняющего зазора. Другая сторона защитного кольца или колец выполнена в виде узкого ребра, которое осуществляет исключительно поддерживающее действие, однако из-за своих малых габаритов не передает нагрузку с детали на кольцо или кольца.

Согласно изобретению, за узким ребром с внутренней стороны кольца предусмотрена более широкая уплотнительная поверхность, которая с помощью уплотнительного материала достаточной толщины защищает тензодатчик от проникновения жидкостей, однако не имеет прямого контакта с деталью и тем самым не может воспринимать нагрузку от детали. Одностороннее опирание защитного кольца или колец обеспечивает то, что деталь в том месте, где размещены тензодатчики, передает полную нагрузку и тем самым не происходит искажения результата измерений.

Также может быть предусмотрено, чтобы кольцо или кольца, окружающие тензодатчики, за счет конструктивных мероприятий или целенаправленного выбора материала или полной или частичной интеграции эластомерных вставок выполнить деформационно-мягкими и эластичными таким образом, чтобы они для регистрируемой нагрузки по сравнению с деталью имели пренебрежимо низкую прочность. Для этого предпочтительно сечение защитного кольца или колец в одном месте существенно ослабляют, так что половины кольца обоих уплотнительных ребер являются деформационно-мягкими по отношению друг к другу. В качестве альтернативы конструктивному решению все кольцо или его части могут быть выполнены из деформационно-мягкого упругого материала. Ребра в обоих случаях могут быть выполнены без изменений по сравнению с прежними системами. В оптимальном случае защитное кольцо изготавливают из деформационно-мягкого, однако упругого материала, такого как полиамид или алюминий. Изобретение позволяет уменьшить вносимую защитным кольцом или кольцами доли нагрузки до пренебрежимо малой величины и тем самым получить точный и воспроизводимый результат измерений.

В то время как в известных из уровня техники схемах монтажа защитных или несущих систему колец из-за влияния на передаваемый деталью силовой поток происходит значительное искажение результата измерений, этот обусловленный принципом действия недостаток устраняется с помощью измерительного устройства, выполненного согласно изобретению. Выполнение защитного кольца или колец согласно изобретению обеспечивает то, что полная нагрузка приходится на деталь и тем самым лежащее в основе расчета измерительной системы расширение материала в месте расположения тензодатчиков регистрируется пропорционально нагрузке. Благодаря этому, как уже сказано, заметно повышается точность измерений и информативность результатов измерений.

Некоторые примеры выполнения изобретения изображены на схематичных чертежах и описаны ниже.

На фигурах представлены:

на фиг.1а-с: измерительное устройство согласно изобретению с защитным кольцом с асимметричными уплотнительными ребрами для монтажа на детали;

на фиг.2а-h: измерительное устройство согласно изобретению с защитным кольцом с асимметричными уплотнительными ребрами для монтажа на детали и отдельным, концентрично посаженным несущим кольцом;

на фиг.3а-с: измерительное устройство согласно изобретению с уменьшенным, деформационно-мягким сечением кольца и обычными уплотнительными ребрами.

На фиг.1а-1с изображено защитное кольцо 1, которое для сжатия на приводном валу (не показан) разделено на две части. Для монтажа служат винты, вставляемые в предусмотренные для этого отверстия 1a, 1b, 1c, 1d. Эти винты создают усилия, необходимые для сжатия обеих половин 2а, 2b кольца на приводном валу. При сжатии обе широкие уплотнительные поверхности 3а и узкие уплотнительные поверхности 3b уплотнительных ребер 4а, 4b прилегают к окружности вала. Широкое уплотнительное ребро 4а при этом достаточно прочно сидит на валу, чтобы предотвращать смещение защитного кольца. Защитное кольцо 1 опирается на вал также уплотнительным ребром 4b, не вызывая, однако, силового замыкания. Поверхность 5 кольца с внутренней стороны рядом с узким уплотнительным ребром 4b удалена на определенное расстояние от поверхности вала. Образующуюся узкую полость при монтаже заполняют уплотнительной массой. Защитное кольцо имеет, кроме того, затылованную огибающую канавку 6 для размещения приемопередающей антенны, например медной ленты, роторного электронного блока. Для ввода антенны предусмотрена дополнительная выемка 7 на поверхности кольца, где к антенне присоединяют идущие от роторного электронного блока антенные провода. Роторный электронный блок защищают металлическим корпусом, закрепляют на предусмотренной для этого поверхности 8 внутри кольца и соединяют приводами с тензодатчиком.

На фиг.2а-2h в качестве примера изображена двухкольцевая конструкция, причем кольца 9, 10 концентрично посажены друг на друга. Для монтажа служат винты, вставляемые в предусмотренные для этого отверстия 11a-11d внутреннего кольца 9 и отверстия 12a-12d внешнего кольца 10. Эти винты создают усилия, необходимые для сжатия частей 9а, 9b внутреннего кольца 9 на приводном валу и частей 10а, 10b внешнего кольца 10 на внутреннем кольце 9. При сжатии внутреннего кольца на валу широкие уплотнительные поверхности 13а и узкие уплотнительные поверхности 13b уплотнительных ребер 14а, 14b внутреннего кольца 9 прилегают к валу. Широкое уплотнительное ребро 14а при этом достаточно прочно сидит на валу для предотвращения смещения кольца 9. Кольцо 9 также опирается на вал узким уплотнительным ребром 14b, не вызывая силового замыкания. Поверхность 15 кольца с внутренней стороны между ребрами удалена на определенное расстояние от поверхности вала. Образующуюся узкую полость при монтаже заполняют уплотнительной массой.

Внешнее кольцо, состоящее из частей 10а, 10b, имеет затылованную огибающую канавку 16 для размещения приемопередающей антенны, например медной ленты, роторного электронного блока. Для ввода антенны предусмотрена дополнительная выемка 17 на поверхности кольца, где к антенне присоединяют идущие от роторного электронного блока провода антенны. Роторный электронный блок защищают металлическим корпусом, закрепляют на предусмотренной для этого поверхности 18 с наружной стороны внутреннего кольца и соединяют приводами с тензодатчиками, находящимися в выемках 17. В качестве альтернативы роторный электронный блок может быть закреплен также на внутренней стороне внешнего кольца. Огибающая внутреннее кольцо канавка 20 служит для прокладки проводов. Внутреннее кольцо имеет к тому же на наружной стороне с обеих сторон присоединительные ребра 21. Внешнее кольцо имеет подходящие к ним выточки 22. Кроме того, на внешнем кольце предусмотрен предохранитель 23 от проворачивания, входящий в выемку 24 внутреннего кольца.

На фиг.3а-3с изображено отдельное кольцо, которое для сжатия на приводном валу (не показан) разделено на две части. Для монтажа служат винты, вставляемые в предусмотренные для этого отверстия 1a, 1b, 1c, 1d. Эти винты создают усилия, необходимые для сжатия обеих частей 2а, 2b кольца на валу. При сжатии обе уплотнительные поверхности 3а, 3b уплотнительных ребер 4a, 4b прилегают к валу. Оба уплотнительных ребра 4а, 4b при этом достаточно прочно сидят на валу, препятствуя смещению кольца. С внутренней стороны защитное кольцо посредством выполненной канавки 25 целенаправленно ослаблено таким образом, что несущее сечение кольца в середине 26 вала мало по сравнению с сечением вала. Кольцо имеет, кроме того, затылованную огибающую канавку 6 для размещения приемопередающей антенны, например медной ленты, роторного электронного блока. Для ввода антенны предусмотрена дополнительная выемка 7 на поверхности кольца, где к антенне присоединяют идущие от роторного электронного блока антенные провода. Роторный электронный блок защищают металлическим корпусом, закрепляют на предусмотренной для этого поверхности 8 внутри кольца и соединяют приводами с тензометром.

Перечень ссылочных позиций

1 - защитное кольцо;

1a, 1b, 1c, 1d - отверстия для винтов;

2а, 2b - части кольца;

3а - широкая уплотнительная поверхность;

3b - широкая уплотнительная поверхность;

4а - широкое уплотнительное ребро;

4b - узкое уплотнительное ребро;

5 - внутренняя поверхность кольца;

6 - затылованная канавка;

7 - выемка для антенны;

8 - поверхность для роторного электронного блока;

9а, 9b - части внутреннего кольца;

10а, 10b - части внешнего кольца;

11a-11d - отверстия для винтов;

12a-12d - отверстия для винтов;

13а - широкая уплотнительная поверхность;

13b - узкая уплотнительная поверхность;

14а - широкое уплотнительное ребро;

14b - узкое уплотнительное ребро;

15 - поверхность кольца;

16 - затылованная канавка;

17 - выемка;

18 - поверхность для роторного электронного блока;

19 - выемка для тензодатчика;

20 - огибающая канавка для прокладки проводов;

21 - соединительные ребра;

22 - выточка;

23 - предохранитель от проворачивания;

24 - выемка для предохранителя от проворачивания;

25 - ослабляющая канавка;

26 - середина вала.