Для того, чтобы увидеть будущее, нужно оглянуться в прошлое и провести оттуда линию через настоящее!
Вал, как пассивная опора для колеса, использовался задолго до нашей эры. И только с изобретением двигателей, паровых, электрических, внутреннего сгорания появилась необходимость передавать через вал крутящий момент. И вопрос о датчиках для его измерения остается актуальным по сей день. Потому что не хотелось бы разрезать вал, чтобы вставить в разрез датчик-измеритель момента. Не устраивает наличие контактных колец для питания датчика и съема информации, предпочтительным является дистанционный способ измерения, питание измерительных схем и схем передачи данных , подаваемое индукционным способом, или лазерным излучением. В этой статье дается краткий обзор направлений, в которых работает инженерно-изобретательская мысль и те результаты - самые лучшие из них -, которые можно применить сегодня.
Главное, что отличает современные машины от их предшественников, это их способность реагировать на постоянно меняющиеся условия. Это реальное качество опирается на электронный интеллект (не путать с искусственным), обычно микропроцессор/контроллер для испытаний, и набор датчиков, которые определяют то, как машина пытается реагировать, в ответ на любые внешние воздействия, чтобы повлиять на то, что она должна делать дальше. Система сбора данных с датчиков может опираться на шину CAN, и/или специализированные разработки, например компании imc-tm.
К сожалению, один из самых важных параметров двигателя и трансмиссии машины, крутящий момент, был, да и остается одним из самых трудных для измерения. Из-за долгого отсутствия практически доступного датчика крутящего момента, который бы не требовал врезки в вал, и не создавал проблем с расположением в весьма ограниченном пространстве, да еще и на вращающемся с высокой скоростью объекте, приходилось прибегать к датчикам крутящего момента, измеряющим его, опираясь на косвенные параметры, такие как реактивный момент, ток электродвигателя, в то время как в других способах измерения этот параметр полностью игнорируется.
Однако ситуация может радикально измениться, поскольку исследователи с каждым днем получают все больше впечатляющих данных о влиянии механического крутящего момента на определенные магнитные материалы.
Лазерные диоды в сочетании с системами сбора (harvest) энергии для питания датчиков и передачи информации с движущихся механизмов - это второй фронт борьбы за высокое качество и скорость испытаний и мониторинга состояния машин и механизмов с вращающимися узлами. Чувствительные к механическим напряжениям магнитоупругие элементы, встроенные или закрепленные на валах и других конструктивных элементах, могут в один прекрасный день измерить и передать все сигналы датчика крутящего момента, которые понадобятся при испытаниях и мониторинге любого двигателя, трансмиссии, привода исполнительного механизма.
Сопоставление подходов.
Передача мощности через вал и управление вращательным движением является одной из наиболее распространенных функций большинства машин и механизмов. Вращение - идет ли речь о токарном станке, стиральной машине или системе рулевого управления на автомобиле - обычно определяется количественно угловой скоростью и крутящим моментом (и их произведением, дающим мощность на валу). И если сегодняшняя технология измерения скорости вращения более чем достаточна, этого нельзя сказать об измерении крутящего момента, датчиках и преобразователях момента.
Если производители предлагают 100 вариантов датчиков крутящего момента и при этом каждый год регистрируются десятки заявок на изобретения и полезные модели, значит проблема не закрыта.
Коммерческие датчики крутящего момента подпадают под одну из нескольких категорий в зависимости от характера взаимодействия между валом и датчиком. Наиболее распространенная разновидность, - тензодатчики (здесь), измеряющие локальную торсионную деформацию на валу из-за приложенного к нему момента. И хотя тензодатчики сами по себе вполне доступны по цене, для их применения нужно навесить на вал настоящую тензостанцию и источник питания или приемную катушку подвижного трансформатора а также систему кодоимпульсного преобразования и передачи данных на борт по радиоканалу.
Другая группа датчиков, деформационные датчики крутящего момента, определяют геометрию механического скручивания, возникающего в результате передаваемого крутящего момента. Здесь специальный чувствительный вал, или «торсион», создает угловое смещение между противоположными его концами. Это смещение может быть измерено оптически или с помощью пары магнитных энкодеров или резольверов. Размеры торсиона, его длина и непропорционально большие радиусы энкодеров на концах представляют собой функциональные и габаритные проблемы в большинстве приложений.
Методы поверхностных акустических волн (SAW) также используются в датчиках измерения крутящего момента. Сенсорные системы SAW опираются на вызванные напряженно- деформированными состояниями изменения скорости распространения ультразвукового сигнала в валу. Устройство вводит акустическую волну в вал и измеряет её распространение. Это требует установки преобразователей на вращающийся компонент и их питание в высокочастотном диапазоне электромагнитных волн. Изготовление преобразователей также является проблемой, так как они требуют очень жестких производственных допусков.
Некоторые датчики крутящего момента, например, магнитострикционного типа, работают, измеряя вызванные механическим напряжением изменения в магнитной проницаемости специального сплава, либо прикрепленного к валу, либо содержащего в нем. Этот метод требует двух катушек; одну, чтобы создать магнитное поле в активной области и другой, чтобы измерить его. Недостатком являются погрешности, вызванные многими другими параметрами, которые влияют на проницаемость, а также существенное энергопотребление.
Другой способ измерения крутящего момента, который использует магнитные взаимодействия, - это магнитоупругие взаимодействия. Ключевым элементом здесь является ферромагнитное кольцо или секция вала, которая намагничена по окружности. Обычно, без нагрузки, магнитный поток остается внутри такого кольца, и, в результате, если измерить внешнее (вне кольца) магнитное поле, получится нулевое значение. Механическое напряжение при кручении может перестраивать ориентацию магнитных доменов в кольце, заставляя магнитный поток выходить за его пределы. Это создает обнаруживаемое датчиками, тем же датчиком Холла, внешнее поле, полярность и величина которого соответствуют направлению и величине крутящего момента, приложенного к валу.
Звучит и выглядит элегантно. Но нельзя забывать про синдром гиперсубъективности изобретателя. Автору свойственно видеть только положительные стороны своего детища, что характерно и для ситуации в быту, в семье. Для объективности придется углубиться в детали датчика/способа измерения крутящего момента на основе магнитоупругости. Возможно, лучший способ понять, как работает магнитоупругое зондирование, - это начать с самого магнитного сенсорного кольца. Кольцо выполнено из магнитострикционного материала с высокой проницаемостью и установлено на вал. В своем исходном состоянии оно магнитно-изотропно, то есть магнитные свойства одинаковы в любом направлении, потому что отдельные магнитные домены или моменты выровнены случайным образом. Для работы кольцо должно быть надето на конический вал, изготовленный из материала с низкой проницаемостью. Результирующая деформация вызывает окружное «кольцевое» напряжение, которое прижимает кольцо к валу, создавая при этом предпочтительные оси намагничивания. Поскольку магнитные домены могут ориентироваться в любом круговом направлении, суммарная намагниченность в сенсорном магнитоупругом кольце все еще равна нулю. Как только кольцо надежно закреплено, его можно намагнитить в предпочтительном направлении вдоль окружности, вращая узел вала-кольца в сильном поле. Другой способ намагнитить кольцо - пропустить импульс большого тока вдоль вала. В зависимости от размеров вала импульс порядка 1000 А продолжительностью ~ 10 мСек может быть достаточным для активации совокупности магнитных доменов. Одним из способов реализации магнитоупругого способа измерения крутящего момента является совмещение датчика крутящего момента с подшипником, который поддерживает ведущий вал. Пока на валу нет крутящего момента, магнитные моменты сохраняют свою направленность по окружности чувствительного кольца, и магнитная энергия кольца остается внутри. В этом состоянии линии магнитного потока следуют по почти идеальному круговому пути. Особые свойства кольца - материал магнитопроницаемый и однородный - позволяют удерживать магнитный поток на этих предпочтительных направлениях и, следовательно, в кольце. Создание крутящего момента на валу и, следовательно, на кольце вызывает скручивающее напряжение в обоих этих конструктивных элементах. Если бы напряжение было видимым, можно было бы увидеть, что оно распределяется по спирали, аналогично тому, как резиновая полоска закручивается, если вы скручиваете ее по всей длине. Оказывается, что линии напряжений представляют новую предпочтительную ось для намагничивания, называемую «легкой осью». Другими словами, крутящий момент заставляет магнитные моменты отклоняться от своего первоначального направления намагниченности вдоль окружности к траектории спиральных линий напряжений. Это, в свою очередь, переориентирует поток, создавая осевой компонент, который вытекает из боковых сторон кольца. Выходящий поток и связанное с ним магнитное поле позволяют измерять крутящий момент датчиком, работающим по этому принципу. Чем больше крутящий момент, тем больше осевая составляющая потока и тем больше внешнее поле. При максимальном крутящем моменте, поле достигает своего максимального значения, соответствующего максимальному отклонению угла наклона магнитного момента 45 °.
Как заставить это явление работать в качестве датчика крутящего момента
Чтобы лучше понять применимость нового метода определения крутящего момента, рассмотрим результаты одного из ранних экспериментов. Тест сравнивает чувствительные кольца, изготовленные из двух имеющихся в продаже магнитострикционных материалов, Permendur и T-250. Каждое кольцо установлено на валу из нержавеющей стали, диаметр которого немного больше внутреннего диаметра кольца. Этот метод обеспечивает две предпосылки, необходимые для работы преобразователя крутящего момента: во-первых, он устанавливает равномерное радиальное прижатие между кольцом и валом, что помогает передавать посредством сцепления крутящий момент вала на кольцо. Во-вторых, он создает большое напряжение в кольце - в соотношении внутреннего радиуса кольца к толщине - что создает желаемую анизотропию, благоприятствующую периферической намагниченности. Кольца поляризуются круговым полем, создаваемым импульсом постоянного тока (полусинус 8,3 мсек, пик 1000 А), проходящим в осевом направлении через вал. Для измерения внешнего магнитного поля две ИС с эффектом Холла устанавливаются рядом с противоположными сторонами кольца. Их выходы соединяются для формирования разностного сигнала. Поскольку поток проходит через два датчика в противоположных направлениях, сигнал от одного датчика увеличивается, а сигнал другого уменьшается. Следовательно, разностный сигнал в два раза более чувствителен к полезному сигналу, но относительно невосприимчив к паразитным полям, которые получают тенденцию подавляться. В испытательном стенде крутящий момент подается через рычаг, закрепленный на одном конце вала. Сдвигая веса с одной стороны рычага на другую, система производит серию циклов подачи крутящего момента по часовой стрелке / против часовой стрелки (CW / CCW). Оба установленных датчика реагируют в эксперименте практически так, как и прогнозировалось. Например, отношение углов наклона (график: выходное напряжение/крутящий момент) между двумя кольцами составляет 1,83 по сравнению с расчетным значением 1,79. Однако оба графика больше отклоняются от прямолинейности, чем ожидалось, в основном из-за гистерезиса. В этом отношении T-250 работает лучше, чем Permendur, обеспечивая линейность -1.06% по сравнению с -3.11%. Графики выходного сигнала макетного образца датчика крутящего момента также не показывают видимых признаков насыщения при больших значениях измеряемого крутящего момента. Фактически, согласно расчетам, линейная область простирается на порядок выше максимального приложенного крутящего момента на уровне 150 Н-м. Это намного превышает нагрузку, которая может быть физически перенесена с вала на кольцо только за счет сцепления. Проскальзывание на границе раздела кольцо-вал является одним из ограничивающих факторов при измерении большого крутящего момента и, как известно, является основным источником гистерезиса. Но, возможно, это затруднение временное. Исследователи работают над улучшением способов передачи напряжения от вала на чувствительный элемент, уделяя особое внимание механической геометрии на границе раздела и технологиям, которые включают датчик в сам вал.
И это будет устойчиво работать?
Стабильность - это проблема любого датчика, особенно такого, который основан на изменении состояния атомов и материала в целом. В случае магнитоупругих датчиков крутящего момента большой вопрос заключается в том, останется ли остаточная круговая намагниченность в кольце стабильной во времени, при изменениях температуры и в процессе использовании. Простые оценки показывают, что, будучи намагничено, кольцо находится в самом низком энергетическом состоянии; даже ниже, чем если бы он был размагничен, так как «размагниченный» анизотропный материал подразумевает наличие в силу своей природы некоторого энергетического доменного структурирования. Нахождение в состоянии низкой энергии означает, что в системе имеется немного энергетического потенциала, который мог бы реагировать на сторонние внешние воздействия. Фактически, эксперименты показывают, что датчики крутящего момента магнитоупругой технологии стабильны в течение миллиона циклов измерения крутящего момента, при температурных разбросах от -55 до 150 ° C и различных видах механических помех.
Природа магнитоупругости.
Металлы, как и многие другие материалы, состоят из атомов, расположенных в кристаллической решетке. Структура решетки кубическая с атомами в восьми узлах. Есть два варианта этой структуры. Кубы с центрированными гранями имеют шесть дополнительных атомов, занимающих центры граней куба, а кубы с центрированным телом имеют еще один атом, расположенный в центре куба. Эти регулярные структуры не повторяются бесконечно, но ограничены локальными объемами, называемыми кристаллическими доменами. Внутри домена микроструктура является регулярной и повторяется, и есть предпочтительные направления магнетизма. Обычно эти направления проходят по краям кубической структуры и называются «легкими осями» намагниченности. Эти предпочтительные оси существуют, потому что все атомные магниты естественным образом упорядочены внутри домена. Большие образцы ферромагнитных металлов не обладают остаточной намагниченностью, потому что они состоят из множества маленьких доменов. Они ориентированы случайным образом и имеют тенденцию статистически компенсировать друг друга. Намагничивание ферромагнитного материала, если он содержит другие металлы, такие как никель, вызывает частичное упорядочивание магнитных доменов. Магнитные диполи взаимодействуют с окружающей их средой, а именно с кристаллической решеткой, создавая напряжение и деформацию и часто вызывая небольшие изменения размеров. Эти изменения известны как магнитострикционный эффект, и о них впервые сообщил миру в 1842 году британский физик Джеймс Джоуль. Магнитострикционный эффект работает и в обратном направлении: деформация материала упорядочивает его магнитные домены. Деформация создает новую "легкую ось" намагничивания, так что магнитные домены упорядочиваются случайным образом относительно друг друга вдоль оси деформации.
Вместо деформации теперь рассмотрим напряжение, создаваемое в материале под действием силы или крутящего момента. Напряжение также вызывает «легкую ось» намагничивания через деформацию, которую он создает в кристаллической решетке. Этот эффект, определяемый как магнитоупругость, является основой нового метода измерения крутящего момента, новых датчиков крутящего момента.
Если датчик крутящего момента нужен сегодня
Пожелав успехов энтузиастам альтернативных методов измерения датчиками крутящего момента, мы все таки спустимся с небес на землю , ведь испытывать двигатели на крутящий момент скорость и мощность нужно сегодня. Сегодня идут многочисленные эксперименты на стендах испытания двигателей внутреннего сгорания, электрических двигателей в сотнях испытательных лабораторий и диагностических центров по всему миру. И для работы на этих стендах нужны надежные, стабильные и точные датчики передаваемого через вал крутящего момента.
Необходимо при этом расставить некоторые акценты. Ведь испытывали же наши отцы знаменитые ЗИЛы, используя в качестве управляемой нагрузки электрогенераторы или электродвигатели в режиме генерации электроэнергии, и успешно. Вырабатываемую энергию тормозов-генераторов отводили по проводам и в лучшем случае использовали для освещения или обогрева помещений. Но надо понимать, что техника ушла далеко от этих ЗИЛ-ов. И диагностика для новой техники требуется не бинарная (годен/не годен). Нужно построение нагрузочной характеристики (момент/скорость, энергия/скорость и сравнение её с эталонной). И по этому сравнению нужно делать вывод о состоянии машины, рисках продолжения её эксплуатации, принимать решение о внеплановом ремонте и т.д.
А для этого требуется рассматривать детали графиков, особенно при больших оборотах, чтобы понять причину, например, снижения крутящего момента. И измерять его надо высокоточными датчиками, потому что истина кроется в деталях, как на кардиограмме.
Вот и получается, что альтернативы датчикам измерения крутящего момента на валу от компаний Magtrol, KMT пока не так уж и много. Конечно, есть и отечественные и белорусские, но по отношению цена/качество, в которое входит кроме точности и удобства использования еще и прочность/ долговечность, наши пока проигрывают.
А здесь есть все, что нужно высокого качества и по приемлемой цене для испытания электрических, гидравлических, пневматических, газовых, дизельных двигателей, трансмиссий и насосов.
К вашим услугам тензометрические датчики крутящего момента, индукционные, вставляемые в вал с соответствующими муфтами, реактивные, включая фланцевый вариант. Датчики включены в Госреестр СИ. У нас есть опыт работы и со Старт-Ап-ами. Для них главное надежность работы, доступная цена. Если при работе на стенде испытаний двигателя интересуют только стационарные режимы (постоянство угловой скорости), самым адекватным решением будет реактивный датчик вращающего/крутящего момента. Используя эти датчики с имитаторами нагрузки под управлением контроллера с минимально-необходимым функционалом можно тестировать и режимы работы с переменной скоростью вращения вала (старт, стоп, переключение передач...)
--
--
--
--
--
--