CC BY
5ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК. 534.631
12 12 3 2
Б.А. Гордеев ' , С.Н. Охулков ' , А.Н. Осмехин , А.С. Плехов
ИЗМЕРЕНИЕ ТОРСИОННЫХ МОМЕНТОВ НА ВАЛАХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, СОЕДИНЕННЫХ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ МУФТОЙ,
ЧАСТОТНЫМ МЕТОДОМ1
Институт проблем машиностроения РАН1, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева , АО «Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И.И. Африкантова3
Объект исследования: электротехнические комплексы.
Цель: исследование торсионных моментов в системах, соединяющих электротехнические комплексы. Результаты: разработан способ измерения торсионных моментов частотным способом
Область применения: системы контроля работы исполнительных механизмов, соединяющих электротехнические комплексы с энергозадающими генераторами и потребителями.
Ключевые слова: магнитореологический трансформатор; магнитореологическая жидкость; дроссельный канал; внутреннее управляющее магнитное поле.
Введение
В статье рассмотрены новые подходы к исследованию торсионных моментов, возникающих на валах электротехнических комплексов при соединении их магнитореологически-ми муфтами. Показано, что поскольку вязкость магнитореологической жидкости (МРЖ), заполняющей муфту, является функцией магнитного поля, то целесообразно дроссельные каналы в магнитореологических трансформаторах (МРТ) заменить одним дроссельным каналом между коаксиальными цилиндрами. Магнитореологический эффект и различные его применения в демпфирующих устройствах исследовались и публиковались в работах [1-4].
Частотный метод измерения торсионных моментов
Свойства магнитореогических жидкостей изменять вязкость при действии магнитных полей нашли широкое применение в различных областях науки и техники [5-13]. В работах [14-16] раскрыт способ измерения торсионных моментов неравномерно нагруженных валов частотным методом. Именно этот способ измерения торсионных моментов можно применить и к вращающимся соединительным муфтам с МРЖ, соединяющим валы исполнительных механизмов с электромеханическими комплексами [18].
При сцеплении валов муфтой возникает закрутка коаксиальных цилиндров, соединенных магнитореологическими муфтами (рис. 1) [8 - 10, 18].
При сцеплении валов соединительной муфтой в них возникает торсионный момент. При измерении торсионного момента используется симметричный линейный закон периодической частотной модуляции генератора качающейся частоты (ГКЧ) (рис. 2). Применяются два генератора: ГКЧо- опорного сигнала fO), ГКЧ смещённого сигнала (fc) (рис. 2, а) [14 - 16].
© Гордеев Б.А., Охулков С.Н., Осмехин А.Н., Плехов А.С., 2017.
Рис. 1. Функциональная схема испытаний цилиндрической магнитореологической муфты вязкого трения с парой трения «диск-колодка:
1, 2 - оптопары; 3, 4 - измерительные диски; 5, 6 - преобразователи импульсов;
7 - частотный измеритель «углового рассогласования ведущего и ведомого валов»;
8 - электродвигатель; 9 - магнитореологическая муфта; 10,11 - диск и колодка пары трения; Н - базовое расстояние (длина) муфты
При сцеплении валов муфтой возникающее угловое рассогласование валов приводит к смещению во времени сигналов частоты вращения валов муфты и, следовательно, частотно-модулированных сигналов ГКЧ. Частота опорного сигнала (от ГКЧо) опережает частоту смещенного сигнала (от ГКЧс). В результате происходит частотный сдвиг между опорным и смещенным сигналами ГКЧ.
Частота смещенного во времени сигнала под действием углового рассогласования соединительной муфты изменяется таким же образом, как и частота /0 опорного сигнала, но со сдвигом на время запаздывания ¿з = Д^/й относительно частоты/0 (рис. 1, а).
Рис. 2. Изменение во времени частот опорного (/0) и смещенного (/с) частотно-модулированных сигналов (а) и разностной частоты биений ^ (б, в) в измерителе углового рассогласования ведущего и ведомого валов [12 -15]
Скорость изменения частоты двух ГКЧ одна и та же. В результате смешения колебаний двух ГКЧ возникает биения.
Изменение частоты генераторов ГКЧо и ГКЧс по рис. 2, а составляет
^ = г^а = = — Аф,
б з 5 з Ш о
(1)
вр
то есть пропорциональна углу рассогласования муфты Аф [14-17].
Измерение углового рассогласования валов, определяемого торсионными моментами, производится по частотному сдвигу ГКЧ, и основано на сравнении их частот в смесителе. На выходе смесителя выделяется разностная частота биений ^б0.
Реализация измерителя углового рассогласования ведущего и ведомого валов, соединенных муфтой по частоте биений
Структурная схема устройства измерения углового рассогласования ведущего и ведомого валов на разностной нулевой частоте биений приведена на рис. 3. Измеритель углового рассогласования ведущего и ведомого валов, соединенных муфтой реализуется на измерении частоты биений следующим образом (рис. 2) [14 -16].С помощью установленных на ведущем и ведомом валах соединительной муфты кодовых дисков с фотоэлектрическими датчиками 1 и 2 снимаются сигналы частот вращения валов, соединённых муфтой (рис. 1).
Рис. 3. Структурная схема устройства измерения углового рассогласования ведущего и ведомого валов на разностной нулевой частоте биений [12]
Измерение вязкости МРЖ происходит за счет определения углового рассогласования ведущего и ведомого валов муфты 9.
Сигналы частот вращения валов формируют модулирующие напряжения ГКЧ по закону симметричной треугольной пилы (рис. 1, а). Частоты вращения валов соединительной муфты 9 синхронно и синфазно снимают фотоэлектрическими датчиками 1 и 2 (рис. 1) Сигналы с фотоэлектрических датчиков 1 и 2 сдвинуты по фазе друг относительно друга за время изменения углового рассогласования ведущего и ведомого валов соединенных муфтой 9 с определённым торсионным моментом.
При этом следует уточнить, что использование терминов синхронность и синфаз-ность относительно сигналов с датчиков 1 и 2 правомерно только при постоянном торсионном моменте на валах, соединённых муфтой 9, так как в противном случае синхронность и синфазность нарушаются.
Далее сохранившие фазовый сдвиг сформированные частотно-модулированные сигналы ГКЧ (опорный с датчика 1 с частотой /0(^ и сдвинутый вследствие углового рассогласования ведущего и ведомого валов муфты 9, сигнал с датчика 2 с частотой /с^)) подают на измеритель углового рассогласования ведущего и ведомого валов 7 (рис. 1). В измерителе на выходе смесителя установлен фильтр низкой частоты (ФНЧ) с полосой пропускания
^0 = ^0мах(рис. 2).
Выход ФНЧ соединен с входом счетчика частоты биений, преобразующий частоту биений в значения углового рассогласования ведущего и ведомого валов соединительной муфты 9. Счётчик состоит из формирователя прямоугольных импульсов, длительность которых соответствует половине периода частоты биений, и высокостабильного генератора тактовых импульсов (ГТИ) с тактовой частотой порядка 100 МГц. Использовать более высокую частоту нецелесообразно из-за погрешности фотоэлектрических датчиков 1 и 2.
Поскольку условие линейной зависимости угла рассогласования муфты 9 от изменения момента на муфте сохраняется, то число импульсов ГТИ, занесённых в счётчик, пропорционально углу Дф закручивания муфты. Результат вычисления углового рассогласования ведущего и ведомого валов соединительной муфты 9 в виде значений угла Дф индицируется индикатором.
Мгновенная частота биений равна абсолютному значению разности мгновенных значений частот опорного и смещенного сигналов
И^) = 1 л (<) - Л с),
хотя формально можно учитывать знак частоты Fб(t) [14 -16].
Изложенное иллюстрируется на рис. 2, б, в. Частота биений, которая в течение большей части периода модуляции Тм = Твр остается постоянной, является основной.
Ее значение, как видно из рис. 1, а и формулы (1), равно /¿о = Р^,
где Р = = 2Дм/м - скорость изменения частоты ГКЧо; ДЛм - девиация частоты;
/м = /вр - частота модуляции.
Из приведённого рассмотрения следует, что при изменении вязкости МРЖ под действием магнитного поля изменяется частота ГКЧс, частота которого модулируется частотой
ведомого вала. Это указывает на деформацию соединительной муфты 9 или на проскальзывание ведомого вала [10].
Крутящий момент на вращающемся ведомом валу соединительной муфты 9 определяется выражением
Мкр = Дф , (2)
н
где Дф - угол относительного поворота коаксиальных цилиндров муфты (9); Н - базовое
расстояние (длина) муфты; G, Jp - модуль сдвига материала и полярный момент сечений ведущего и ведомого валов соединительной муфты.
Далее можно определить крутящий момент на вращающемся ведомом муфтой валу [14-16]. С учетом выражения (2) крутящий момент на вращающемся ведомом валу соединительной муфты будет равен
М = п„ ^ = ъ^ . (3)
кр 2Д/м Н 2Д/м Н "
Приравнивая выражение (2) к выражению (3), получаем равенство
Мкр = АФGJр = ^ = _^2п ^ , (4)
кр Н р 2А /м Н 2А /м Н ' К)
где относительная величина 2а60 2п = Аф в правой части есть угол относительного поворота коаксиальных цилиндров муфты, выраженный в радианах.
Используя равенство (4), можно определить динамическую вязкость щ исследуемой МРЖ в соединительной муфте:
Л =
г Рб0 _ О р 1 С I 1 Рб0 Ор I
——-Р
2А /м Н
1 ——, (5)
2АС Н Рвр8т
2к рВр 8т J
вр
где Овр = 2 п рвр - угловая скорость вращения; 8 - рабочая площадь внутреннего воспринимающего цилиндра ведомого вала муфты; I - зазор между внешним и внутренним воспринимающим цилиндром; п - вязкость МРЖ.
Заключение
Рассмотренный метод измерения торсионных моментов, возникающих на валах, соединенных магнитореологическими муфтами, электротехнических комплексов позволяет производить исследования рабочей жидкости с изменяющейся вязкостью на несколько порядков. Изменение вязкости МРЖ, заполняющей соединительную муфту, позволяет оценить степень надёжного сцепления ведущего и ведомого валов исполнительных механизмов с электротехническими комплексами.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10026).
Библиографический список
1. Шульман, З.П. Магнитореологический эффект / З.П. Шульман, В.И. Кордонский. - Минск: Наука и техника, 1982. - 184 с.
2. Борин, Д.Ю. Инженерное образование. Наука в образовании / Д.Ю. Борин, В.П. Михайлов, А.М. Базиненков. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - №10. - 9 с.
3. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б.А. Гордеев [и др.]. - М.: Физматлит, 2004. - 175 с.
4. Башта, Т.М. Машиностроительная гидравлика / Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.
5. Гордеев, Б.А. Применение магнитореологических жидкостей в машиностроении / Б.А. Гордеев [и др.] // Приволжский научный журнал. - 2014. - № 4. - С. 29-42.
6. Гордеев, Б.А. Течение и релаксация магнитореологической жидкости в дроссельных каналах гидроопор / Б.А. Гордеев [и др.] // Вестник машиностроения. - 2015. - №7. - С. 32-38.
7. Морозов, Н.А. Нанодисперсные магнитные жидкости в технике и технологиях / Н.А. Морозов, Ю.Б. Казаков. - Иваново: Иван. гос. энерг. ун-т, 2011. - 264 с.
8. Соловьев, С.Н. Особенности проектирования исполнительных органов механотронных
систем с магнитореологическими средами / С.Н. Соловьев, А.Н. Гурский // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 8. - С. 145-149.
9. Соловьев, С.Н. Улучшение рабочих характеристик электромагнитных муфт / С.Н. Соловьев,
A.Н. Гурский// Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - № 7 (64). - С. 75-77.
10. Сизов, А.П. Разработка и исследование магнитожидкостных муфт / А.П. Сизов, Ю.И. Малков // Магнитные жидкости: научные и прикладные исследования: сб. науч. тр. - Минск, 1983. - С. 103-113.
11. Гордеев, Б. А. К вопросу создания цилиндрического магнитореологического трансформатора в ортоганальных магнитных полях / Б.А. Гордеев [и др.] // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2014. - № 2. - С. 15-21.
12. Крутоголов, В.Д. Ротационные вискозиметры / В.Д. Крутоголов, М.В. Кулаков. - М.: Машиностроение, 1984. - 112 с.
13. Корганова, О.Г. Ротационный вискозиметр / О.Г. Корганова, В.А. Кузнецов / Вестник самарского государственного технического университета. Технические науки. Информационные технологии. - 2012. - №1 (33). - С 55-60.
14. Частотный метод измерения крутящего момента вращающихся валов / Б.А. Гордеев [и др.] // Вестник машиностроения. 2015. - № 2. - С. 3-7.
15. Частотный метод измерения деформации кручения на вращающихся валах машин и механизмов / Б.А. Гордеев [и др.] // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Надежность и ресурс в машиностроении. - 2006. - Вып. 16. - С. 62-70.
16.Пат. Способ определения крутящего момента / С. Н. Охулков. № 2196309 от 10 01. 2003. Заявка № 2000110472 от 24.04.2004.
17. Викторов, В. А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов /
B. А. Викторов, Б. В. Лункин, А. С. Совлуков. - М.: Энергоиздат, 1989. - 208 с.
18. Ганзбург, Л. Б. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: справочник / Л. Б. Ганзбург, Л. А. И. Федотов. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1980. - 364 с.
Дата поступления в редакцию 25.07.2017
Gordeev B.A.1,2, Okhulkov S.N.1'2, Osmekhin A.N.3, Plekhov A.S.2
MEASUREMENT OF THE TORSION MOMENTS ON SHAFT OF THE ELECTROTECHNICAL COMPLEXES CONNECTED BY THE MAGNETORHEOLOGICAL CLUTCH, THE FREQUENCY METHOD
Institute of problems of mechanical engineering of the Russian Academy of Sciences1, The Nizhny Novgorod state technical university of R. E. Alekseev2, JSC Experimental Design Bureau of Mechanical Engineering of I. I. Afrikantov3
Object of probe: - electrotechnical complexes
Purpose: probe of the torsion moments in the systems connecting electrotechnical complexes.
Results: the mode of measurement of the torsion moments by a frequency mode the Scope is developed: control systems of operation of the executive gears connecting electrotechnical complexes to the power setting generators and consumers.
Key words: magnetorheological transformer; magnetorheological liquid; throttle port; temporary magnet winding; the induced impulses; the internal steering magnetic field.
