ИЗМЕРИТЕЛИ, КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Измерителем крутящего момента (ИКМ) называется устрой­ство, обычно включаемое в конструкцию редуктора ТВД и обес­печивающее измерение величины крутящего момента, переда­ваемого редуктором на воздушный винт. В ТВД, особенно работающих при постоянных оборотах на всех режимах, по замеренной величине крутящего момента мож­но не только определить мощность двигателя, но и судить о ре­жиме его работы и обеспечивать наиболее полное использование технических возможностей данного двигателя в процессе его эксплуатации.

Знание величины крутящего момента позволяет исключить перегрузку двигателя и редуктора яри взлете и в полете на ма­лых высотах с большими скоростями. Это особенно важно для высотных ТВД с ограничением мощности по прочности редук­тора. Используя ИКМ, можно поддерживать работу двигателя на экономичном режиме в соответствии с его высотно-скоростными характеристиками и обеспечивать своевременное флюгирование винта при аварии или выключении двигателя в полёте из-за па­дения тяги ниже установленного аварийного значения.

Работа ИКМ основана или на принципе измерения величины реакции от зацепления шестерен, или на принципе измерения уг­ла закрутки на каком-либо участке одного из валов редуктора двигателя.

Так, в планетарном редукторе с цилиндрическими шестерня­ми применяется ИКМ рычажного типа с проточными гидравлическими датчика­ми (рис.5.1.).

В этом ИКМ крутящий момент М_кр, действующий на зубчатый венец центральной неподвижной шестерни внутрен­него зацепления редуктора, уравновешивается моментом от сил давления масла на поршни 2 гидравлических датчиков. Масло в полости над поршнями гидравлических датчиков подводится от специального нагнетающего маслонасоса ИКМ 4.

В случае увеличения крутящего момента возрастают нагруз­ки на поршни гидравлических датчиков со стороны рычагов не­подвижной шестерни 1, вызывая перемещение поршней 2, при­крытие сливных отверстий 6 и повышение давления масла в по­лостях над поршнями.

Перемещение поршней и увеличение давления в надпоршневых полостях будет происходить до тех пор, пока нагрузки на поршни со стороны масла не уравновесятся усилиями со сторо­ны шестерни. Увеличенному крутящему моменту будут соответствовать новые равновесные положения поршней и повышенное давление масла в надпоршневых полостях.

Рис.5.1 Схема рычажного ИКМ с гидравлическими датчи­ками, установленными между корпусом и венцом непод­вижной шестерни планетарного редуктора: 1 — неподвижная центральная шестерня; 2 — поршни; 3 — цилиндры; 4 — маслонасос; 5 – манометр; 6 — отверстия для слива масла

В этой схеме давление масла в надпоршневых полостях датчиков ИКМ пропорционально передаваемому крутящему моменту:

В случае, постоянных оборотов на всех рабочих режимах мощность, передаваемая на винт, также пропорциональна дав­лению масла в датчиках ИКМ:

Давление масла в датчиках ИКМ измеряется манометром или каким-либо другим прибором, указатель которого установлен в кабине экипажа самолета. Шкала указателя давления градуируется в единицах измерения крутящего момента (кГ·м) или непосредственно в единицах измерения мощности (л. с.), если число оборотов на всех рабочих режимах поддерживается по­стоянным.

В существующих конструкциях число гидравлических дат­чиков колеблется от двух до восьми. Чем меньше число датчиков, тем больше потребный диаметр их поршней и потребное рабочее давление масла.

В замкнутом дифференциальном редукторе для привода оди­ночного винта гидравлические датчики ИКМ поставлены в каче­стве связи корпуса промежуточных шестерен в звене замыкания (корпуса перебора) с корпусом редуктора (рис.5.2).

Под дей­ствием крутящего момента, воспринимаемого корпусом перебо­ра, возникает сила P, стремящаяся переместить цилиндры 3, за­крепленные на корпусе перебора, навстречу поршням 2, закреп­ленным на корпусе редуктора. Величина этой силы равна

где M_kp — крутящий момент, передаваемый корпусом перебора на корпус редуктора; Р — сила, приходящаяся на один датчик; n— число датчиков.

При перемещении цилиндров навстречу поршням поршневое кольцо перекрывает канавку 4 и сброс масла из полости А уменьшается. Давление масла, подводимого от насоса 1 ИКМ, повышается до тех пор, пока сила Р не уравновесится давлением масла в полости А..

Для обеспечения падежной работы редуктора при отсутствии давления масла или при резком уменьшении крутящего момента в датчике ИКМ устанавливается ограничитель перемещения поршня в виде упорного разжимного кольца 5.

Рис.5.2. Схема ИКМ с гидравлическими датчиками, установленными между корпусом редуктора и корпусом перебора звена замыкания диф­ференциального замкнутого редуктора для привода одиночного винта: 1 — маслонасос; 2 — поршень; 3 —цилиндр; 4 — канавка; 5 — кольцо, ограничи­вающее ход поршня; 6 - датчики

В рассмотренных схемах ИКМ датчики одновременно служат гидравлическими демпферами крутильных колебаний системы винт — редуктор — ротор двигателя и способствуют бо­лее равномерному распределению нагрузки в зацеплениях зубь­ев шестерен и по осям сателлитов.

Датчик гидравлического типа можно использовать и в ИКМ редуктора с планетарной передачей. Для этого, на внешней цилиндрической поверхности неподвижной шестерни 4, выполняются косые шлицы 3, которыми она свободно входит в шлицевой промежуточный венец, жестко закрепленный в корпу­се редуктора 9 (рис.5.3).

При передаче крутящего момента от ведущей шестерни 2 на шестерню 4 зубчатой передачей 7 в шлицевом соединении 3 возникает осевая сила , которая перемещает шестерню 2 в осевом направлении перекрывает канал 8 давление в полости А, над поршнем 1, повышается уравновешивая осевую силу .

Величина осевой силы

относительно мала, что позволяет уменьшить размеры поршней датчиков или их число, или же снизить давление масла в систе­ме ИКМ.

Рис.5.3 Схема ИКМ с гидравлическими датчиками для планетарного редуктора: 1- поршень; 2- ведущая шестерня; 3- косые шлицы; 4- неподвижная шестерня; 5- канал подвода масла; 6- канал слива масла; 7- цилиндрическая зубчатая передача; 8- регулировочный канал; 9 - корпус

К недостаткам такого ИКМ относится, заметное отрицатель­ное влияние сил трения в шлицах при осевом перемещении на точность измерения крутящего момента.

Гидравлический датчик проточного типа используется также в ИКМ с шариковой муфтой, связывающей неподвижную шестер­ню с корпусом редуктора (рис.5.4).

В ИКМ данного типа крутящий момент с неподвижной шестерни редуктора передается на шари­ки 4, расположенные в конических лунках. При этом от окруж­ных усилий возникают нормальные силы , перемещающие поршень 2 вправо. Перемещаясь, поршень перекрывает отверстие слива 7, и рабочее давление в полости над поршнем, уравнове­шивающее осевую силу, растет пропорционально росту осевого усилия, а следовательно, и крутящего момента.

В процессе работы возможен наклеп и износ поверхностей, соприкасающихся с шариком, и, какследствие, изменение тарировочной характеристики ИКМ. Если в редукторе отсутствуют неподвижные шестерни или какое-либо другое неподвижное звено как, например, в диффе­ренциальном редукторе для привода двух соосных винтов (рис.3.8), то рассмотренные датчики ИКМ использовать не­возможно.

Рис.5.4. Схема ИКМ с шариковой муфтой и гидравлическим датчиком:: 1- неподвижная шестерня; 2- поршень; 3 - цилиндр; 4 - шарик в ко­нической лунке; 5 – маслонасос; 6 - манометр; 7 – отверстие для слива масла

В таких редукторах используется принцип измерения крутящего момента, основанный на измерении угла закрутки на каком-либо участке одного из валов редуктора, т.е. с по­мощью так называемых торсионных ИКМ. Связь между углом закрутки φ на участке вала длиной l и крутящим моментам М_кр следующая:

.

где G — модуль сдвига материала вала;

Iр — полярный момент инерции сечения вала.

Торсионные ИКМ бывают трех типов:

1. гидравлические, в которых деформация кручения вала используется для дросселирования отверстия слива масла из полости высокого давления датчика;

2. электромеханические, в которых деформация кручения пре­образуется в осевые перемещения механизма следящей системы с регистрацией их индуктивным датчиком линейных перемещений;

3. электрические, в которых измерение величины крутящего момента осуществляется путем замера малых перемещений, выз­ванных закруткой вала.

В гидравлическом торсионном ИКМ (рис.5.5), так же как в ИКМ рассмотренных ранее схем, для измерения крутящего мо­мента используется гидравлическая система.

Рис.5.5. Схема гидравлического торсионного ИКМ: 1— ведущая шестерня; 2 — корпус ИКМ; 3, 6 — штифты; 4 — валик; 5 — переходная муфта; 7 — подшипник; 8 — втулка с лопастями; 9 — щель для отвода масла

В ведущей шестерне 1, выполненной за одно целое с ведущим валом-рессорой, помещен корпус ИКМ 2, который, фиксируется в ней в окружном направлении штифтами, а в осевом направле­нии — разжимным кольцом.

В заднем конце ведущего вала-рессоры с помощью муфты 5 и радиальных штифтов 6 закреплен валик 4, на переднем конце которого закреплена втулка 8 с двумя радиальными лопастями

Лопасти располагаются в прорезях корпуса 2. Валик 4 центри­руется относительно ведущего вала шариковыми подшипниками 7.

Под действием передаваемого крутящего момента ведущий вал-рессора закручивается относительно валика 4, вследствие чего между лопастями втулки 8 и выступами корпуса ИКМ уста­навливается соответствующий зазор 9, величина которого определяет расход масла и давление его в полости подвода Б. Давле­ние масла, пропорциональное передаваемому крутящему момен­ту, замеряется манометром ИКМ.

Чтобы исключить влияние на показания ИКМ утечек масла в магистралях от насоса до ИКМ, а также изменения температуры масла и производительности насоса при изменении давления, на входе в ИКМ устанавливается специальный регулятор пода­чи масла (на схеме не показан).

На рис. 5.6 приведена схема торсионного ИКМ, в которой крутящий момент определяется при помощи электромеханической следящей системы.

Рис.5.6 Схема торсионного ИКМ с электрической следящей системой:1-вал, 2-втулка, 3-подшипник, 4-траверса, 5-направляющая, 6-пружина

На ведущем валу 1 на шлицах установлена втулка 2, причём шлицы 8 прямые, а шлицы 9 винтовые. При закрутке вала от передаваемого крутящего момента в винтовых шлицах, возникает осевая сила, которая перемешает в осевом направлении втулку 2. осевое перемещение втулки 2 через подшипник 3 передается на электромеханическую систему, состоящую из траверсы 4 пружины 6, направляющей 5 и электромагнитного датчика перемещений 7.

Однако электромеханические и электрические ИКМ требуют приме­нения сложной измерительной и регистрирующей аппаратуры (датчиков, усилителей, токосъемников и др.) сложны в доводке и в конструктивном оформлении и пока широкого применения не получили.