Company Logo
ООО "Измерительные Системы" представляет высококачественное измерительное оборудование из Германии - датчики крутящего момента, датчики силы, измерительную электронику, испытательные стенды.


Форма входа

Случайно

Датчики с интегрированными муфтами

Датчики крутящего момента с интегрированными муфтами

Автор: д-р Вильфрид Криммель

Д-р В. Криммель - занимается исследованиями в технологии измерения крутящего момента более 20 лет. Ведущий специалист в компании Lorenz Messtechnik GmbH, отвечающий за работу лаборатории калибровки датчиков крутящего момента. Перевод "Альфа-Сенсор" © 2010

Оригинал статьи (PDF, англ., ~ 520 кБ)

Конструкция датчика крутящего момента DR-2554

Рис. 1: Конструкция датчика крутящего момента DR-2554

Собственная частота механической конструкции измерительного прибора крутящего момента относится к важным динамическим особенностям расположения испытательного оборудования. Новый датчик крутящего момента DR-2554 отличается тем, что собственная частота механической конструкции датчика увеличена до фактора 3, вследствии чего, становятся возможными динамические измерения с еще более высокой точностью.

Это было достигнуто благодаря последовательному совершенствованию конструкции датчиков момента и близкому сотрудничеству с производителями соединительных муфт. Кроме того, большие возможности в компенсации смещений дал и проект плоской конструкции датчика. В измерительной технике вращающего момента динамические измерения выполняются очень часто. Здесь должно быть дифференцировано, возникают ли  изменения крутящего момента периодически, или они представляют собой единичные случаи. Типичные периодические изменения крутящего момента могут наблюдаться в поршневых двигателях, прессовом оборудовании, в зубчатых передачах, асинхронных-двигателях и т.п. Изменения крутящего момента при пусковых и тормозных режимах представляют собой непериодические процессы.

В случае периодических процессов, датчик крутящего момента с установленными элементами ведет себя как механический усилитель амплитуды в области собственной частоты. Поэтому, частота возбуждения не должна быть той же самой, что и собственная частотота сборки, так как, из-за низкого демпфирования испытательного оборудования, необходимо учитывать интенсивные увеличения крутящего момента. Таким образом, крутящие моменты на частотах, близких к собственной, могут значительно превышать номинальный крутящий момент, что, в свою очередь, может привести к повреждению элементов передачи. Однако, быстрый "проход" собственной частоты реально возможен, так как, система не имеет достаточного времени для достижения опасной амплитуды. Далее нужно заметить, что посредством ряда Фурье, каждое периодическое возбуждение может быть фрагментировано в дискретных синусоидальных частях частоты. Тем самым, частоты синусоидальных колебаний являются кратными основным частотам.Функция скачка, например, представляет непериодический сигнал.

Скачок с изменением крутящего момента вызывает колебание с собственной частотой механической установки. Амплитуда колебания зависит от степени демпфирования и может  максимально превысить двойное значение амплитуды скачка. Таким образом, следует ожидать появление ошибки в измерении параметра из-за собственных частот механической установки, потому что установка действует как механический фильтр нижних частот. Ниже собственной частоты амплитуды крутящего момента измеряются очень хорошо. В диапазоне резонанса должны ожидаться интенсивные увеличения, и при больших амплитудах крутящего момента, необходимо учитывать возможное повреждение компонентов передачи. Выше диапазона резонанса могут быть получены меньшие взвешенные значения. В связи с этим, предпочтительна более высокая собственная частота датчика.

Определение собственной частоты

В самом простом случае, как представлено на рис. 2, датчик момента можно рассматривать как механический генератор клебаний и торсионную пружину, с  приложенной массой на каждой из сторон.

Модель для определения механических колебаний 2-х масс (слева), типичная конструкция датчика крутящего момента (справа)

Рис. 2: Модель для определения механических колебаний 2-х масс (слева), типичная конструкция датчика крутящего момента (справа)

Сторона измерений и сторона привода (противоположная стороне измерений) должны быть дифференцированы. Массовый момент инерции J тела оказывает собственное сопротивление  ускорению вращения. Тело кручения, которое, в основном, определяет характеристики упругости и эластичности, расположено между двумя инерционными массами. Крутильная жесткость стержня c - определяющая характеристика для тела кручения. Для приблизительного вычисления собственной частоты, массы определены для каждой из сторон тела кручения.

Таким образом, собственная частота кручения f модели может быть  вычислена по формуле:

Уравнение собственной частоты кручения

Уравнение показывает, что чем выше крутильная жесткость стержня , тем выше собственная частота модели. И обратно пропорционально: чем меньше момент инерции, тем выше собственная частота. Поэтому, для качественных датчиков крутящего момента предпочтительны жесткая механическая конструкция и малые значения моментов инерции. Так как, в данном случае, принимается, что датчик момента установлен в передаче посредством торсионно жестких соединений,  это наводит на размышления, чтобы рассмотреть применение дополнительных муфт в связи с вопросом оптимизации собственной частоты.

Собственная частота датчиков крутящего момента с муфтами и без

Первоначально, датчик момента, недавно разработанный Lorenz Messtechnik GmbH, был рассчитан без муфт и монтажных элементов. Впоследствии, были произведены расчеты для рекомендуемой комбинации с центральным зажимным кольцом для стороны привода и муфты с двойным карданным сцеплением со стороны измерений. На рис. 3 показаны графическое представление результатов расчетов.

Собственная частота датчиков крутящего момента DR-2554 с муфтами и без.

Рис.3: Собственная частота датчиков крутящего момента DR-2554 с муфтами и без.

Для сравнения, были также выполнены расчеты для комбинации обычной установки, состоящей из датчика момента между двумя одно-сочлененными муфтами. Основные данные, полученые в результате расчетов, приведены в следующей таблице:

Табл. 1: Сравнение собственных частот обычного датчика и DR-2554

Тип датчика Датчик без муфт Датчик  с муфтами
Обычный датчик 1 кГц … 6 кГц 300 Гц … 1 кГц
DR-2554 6 кГц … 20 кГц 2,3 кГц … 3,3 кГц

Сравнение показывает, что датчик DR-2554 имеет втрое большую собственную частоту, чем обычный датчик крутящего момента. Это относится как к обычной установке датчика, так и для установки в комбинации с муфтами. Таким образом, для динамических измерений новый датчик предоставляет необходимые  более высокие собственные частоты, чем датчики крутящего момента традиционной конструкции.

Устройство датчика крутящего момента DR-2554

Датчик состоит из стационарной части (статора) и вращающейся части (ротора); см. рис. 1. Электроника статора; катушки, необходимые для передачи сигнала и разъем для электрического подключения датчика, расположены в статоре. Здесь, также, может быть установлен опциональный датчик частоты вращения. Свободно плавающий ротор без подшипников состоит из измерительного тела, на котором аплицирована мостовая тензометрическая схема Wheatstone. Вращающаяся электроника и вращающаяся деталь вращающегося трансформатора расположены в измерительном теле. Соединительный адаптер присоединен к левой части измерительного тела, а муфта с двумя кардаными сочленениями - к правой части (см. рис. 1). Благодаря свободно плавающему конструктиву без подшипников, отсутствует какое-либо влияние трения на процесс передачи вращения, дополнительное трение отношения датчика момента. Любое трение, например, трение в шарикоподшипниках, может оказывать влияние на точность измерения крутящего момента и вызывать дополнительное нагревание датчика. Так как данный датчик не содержит изнашиваемых частей, он не требует почти никакого обслуживания. В связи с сокращением количества компонентов датчик имеет очень малые установочные размеры. Измерительный элемент имеет высокую точность. Большое центральное тверстие позволяет осуществлять сквозную прокладку кабелей или шлангов.

Возможные комбинации муфт, адаптеров и монтажных элементов

Посредством комбинирования датчика крутящего момента DR-2554 и муфт Roba-DS, производимых компанией Mayr Antriebstechnik, (рис. 4), доступен большой диапазон вариантов встраивания датчика в испытательные стенды, который соответствует текущему состоянию измерительных технологий и позволяет применять данные датчики в широкой гамме измерительных приложений. Доступны различные адаптеры: со шпоночным пазом, центральные зажмные кольца, фланцевые адаптеры и зажимные элементы.

Доступные комбинации муфт

Рис. 4: Доступные комбинации муфт

Для компенсации осевых, боковых и угловых смещений, муфты принципиально предлагаются в исполнении с двойным карданным сочленением. Такие требования, как:

  • Компактность конструктива
  • Гибкое регулирование полной длины
  • Высокая частота вращения при короткой и длинной конструкции
  • Малая неустойчивость

могут быть выполнены, в зависимости от выбора соединительных компонентов. Данное сочетание датчика крутящего момента без подшипников с муфтами обеспечивает высокую динамику наряду с большой гибкостью.

Литература

Holzweißig, F.; Dresig, H.: Lehrbuch der Maschinendynamik(4. neubearbeitete Auflage). Fachbuchverlag Leipzig-Köln, 1994

Конвертер величин


Исходная величина:
Значение:

Требуемое значение:

Десятичный знак - "."


Книги!

Copyright ООО "Измерительные Системы" 2009-2013. Mr.Sanders.